ENVIROMENTÁLNE TECHNOLÓGIE – nové stroje a zariadenia. RECYKLÁCIA – triedenie a úprava odpadov. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE – energetická a materiálová efektívnosť.

Uplatnenie výsledkov výskumu v cestnom staviteľstve


Výstavba cestnej siete na Slovensku bola počas dlhých desaťročí ovplyvňovaná meniacimi sa spoločenskými podmienkami a vo veľkej miere technickým rozvojom. Rozvoj vyžadoval okamžité riešenia aktuálnych požiadaviek, výskumné a vývojové aktivity a zavádzanie výsledkov riešení do praxe. Okrem aktivít samotných stavebných firiem pracovali v tejto oblasti najmä výskumné ústavy a vysoké školy. Veľmi aktívny v rámci inžinierskeho staviteľstva bol Výskumný ústav inžinierskych stavieb, ktorý bol od r. 1978 vedúcim pracoviskom vedecko-technického rozvoja s medziodvetvovou pôsobnosťou. Výsledky výskumných úloh od začiatku uplatňovala v praxi Slovenská vysoká škola technická – SVŠT (neskôr Slovenská technická univerzita – STU) Bratislava a Vysoká škola dopravná (neskôr Vysoká škola dopravy a spojov – VŠDS, v súčasnosti Žilinská univerzita). Predovšetkým na Stavebnej fakulte SVŠT v Cestnom vedeckovýskumnom laboratóriu a na fakulte PEDaS, neskôr Stavebnej fakulte Žilinskej univerzity vzniklo množstvo výsledkov, ktoré výrazne ovplyvnili prípravu a výstavbu cestnej siete SR.

Základy spolupráce

Spolupráca univerzitného prostredia s praxou je jedným zo základných poslaní kvalitných vysokých škôl a súčasne silnou výzvou pre efektívne prepojenie teórie a praxe. Stavebníctvo je odvetvie, kde je spolupráca nevyhnutným zdrojom technického a technologického napredovania. Príspevok sa pokúsi na malom priestore poukázať na uplatňovanie výsledkov vedy a výskumu pri výstavbe a prevádzke cestnej siete za uplynulé desaťročia.

Prínos výskumu a vývoja možno charakterizovať vo viacerých úrovniach a dá sa rozdeliť na tri základné aspekty: príprava stavieb, výstavba a prevádzka. Pri univerzitnom prostredí je však potrebné zdôrazniť aj spoluprácu pri celoživotnom vzdelávaní odborných pracovníkov.

Základom spolupráce sú aktivity vedy, výskumu a vývoja, realizované na univerzitách. Teoretické zákonitosti dopravných procesov, environmentálnych vplyvov, vedy o materiáloch a technológiách, nové metódy diagnostiky a hodnotenia kvality či aspekty zavádzania moderných informačno-komunikačných technológií boli a sú hlavnou náplňou grantových projektov, riešených na národnej i medzinárodnej úrovni. Boli to štátne úlohy, projekty vedeckej grantovej agentúry VEGA, projekty APVV, rámcových programov EÚ a pod. Ich výsledkami sú nové poznatky, metódy, výrobky či technológie, ktoré boli aplikované v praxi.

Hlavné výsledky vedy a výskumu sa v príprave stavieb uplatňujú predovšetkým pri dopravnoinžinierskych analýzach, dopravnom modelovaní, analýzach emisného a hlukového zaťaženia na obyvateľstvo či životné prostredie. V procese výstavby sú to predovšetkým nové materiály a technológie, vyvinuté a odskúšané vo výskumných aktivitách. Výsledky vedy a výskumu sa uplatňujú aj v rámci prevádzky, či už vo forme zavádzania nových moderných technológií riadenia, nedeštruktívnych metódach diagnostikovania stavu vozoviek, ale tiež v princípoch zavádzania systémov hospodárenia s vozovkami, resp. cestnou sieťou.

Spolupráca univerzít v uvedených oblastiach bola vždy úzko zviazaná aj s inými organizáciami výskumu a vývoja. Boli to hlavne výskumné ústavy, najskôr štátne, neskôr aj súkromné, ktoré sa veľmi aktívne podieľali na vývoji hlavne nových materiálov a technológií.  


Príprava a realizácia stavieb

Príprava dokumentácie stavieb

Aktívne sa na príprave výstavby diaľnic začali univerzity podieľať v 90. rokoch. Vysoká škola dopravy a spojov aplikovala výsledky analýz vplyvu diaľnic na životné prostredie vo východiskovej environmentálnej štúdii D1 Sverepec – Višňové, v hlukových a emisných štúdiách projektov D1 Budimír – hranica SR, D1 Jablonov – Beharovce, D18 Hričovské Podhradie – Kysucké Nové Mesto, úseky R1, R3 a ďalšie. Úsek diaľnice D1 Sverepec – Višňové, konkrétne diaľničný privádzač Lietavská Lúčka, bol riešený už v roku 1995 a nedá sa nespomenúť, že jeho odovzdanie sa plánuje v tomto roku, t. j. takmer po 25 rokoch.

Významná časť spolupráce VŠDS (neskôr Žilinskej univerzity) bola zameraná na dopravnoinžinierske analýzy a dopravné modely pre diaľničné úseky D1 a D3 a úseky rýchlostných ciest R1, R3, R7. Spolu s VÚD boli spracované analýzy na hodnotenie vplyvu diaľnic D1 a D3 na zaťaženie cestnej siete v regióne Žilina v roku 2010 (obr. 1) a analytické práce na príprave R2 na úseku R2 Zvolen – Košice zatiaľ vyvrcholili komplexným dopravným modelom, zachycujúcim vplyv dostupných trás po území SR a MR v tomto roku.


Obr. 1 Zaťaženie cestnej siete v regióne Žilina


Stavebné práce

V oblasti stavebných prác má uplatňovanie výsledkov vedy a výskumu najdlhšiu históriu. Možno povedať, že stavebné firmy (v minulosti štátne podniky) sa na stavby kvalitne pripravovali. Prípravy sa týkali najmä vybavenia zariadeniami a mechanizmami na zvládnutie veľkých objemov prác, napr. ťažby a prepravy zemín, takisto výroby základných materiálov a stavebných zmesí. Pri výstavba diaľnic sa súčasne museli vyrovnať s množstvom nových, dovtedy v takom veľkom rozsahu neriešených problémov.

Diskutovanou témou sa postupne stala aj energetická náročnosť stavebných materiálov a výrobných postupov v cestnom staviteľstve, sledovaná na VŠDS v rámci štátnej výskumnej úlohy už v roku 1986. V oblastiach nových materiálov a technológií bola veľmi efektívna spolupráca univerzít v Bratislave, Žiline a Košiciach s výskumnými ústavmi a tiež so stavebnými firmami.


Konštrukcia vozovky

Začiatok stavebných prác – zemných prác väčšieho objemu priniesol problémy, ktorých riešenie sa hľadalo už v spolupráci s výskumným ústavom. Bolo to napríklad zhutňovanie rovnozrnných pieskov (na Záhorí) pri stavbe zemného telesa. Terénny zhutňovací pokus sa robil na vrstvách rovnozrnného piesku prekrytých zahlineným štrkopieskom. Bol to sendvičový násyp. Podobný problém bol na D61 na úseku, kde boli súdržné zeminy (spraše) nevhodné do zemného telesa. Do podložia násypu a tiež do určitej výšky násypu sa zabudovali štrkopiesky.

Narastanie požiadaviek z praxe na operatívne riešenia problémov stavebných úsekov sa postupne rozšírilo aj do krátkodobého plánu výskumných úloh z problematiky cestného staviteľstva. Požiadavky z praxe prezentované hlavne podnikmi VHJ – ISGR sa napríklad dostali do plánov Výskumného ústavu inžinierskych stavieb aj vysokej školy – SVŠT, Stavebnej fakulty. Ako veľmi dobrú možno hodnotiť v tomto období spoluprácu s oddeleniami technického rozvoja v štruktúre podnikov (Doprastav, DS Olomouc a ďalšie). V spolupráci slovenských univerzít boli spracované nové katalógy vozoviek, vytvorenie podmienok na použitie kompozitných materiálov na stavbu podkladových vrstiev vozoviek (s VUIS), pre použitie vysokopecnej trosky v konštrukcii (s IS Košice), výrobu a použitie technológie „Minerálny betón“ (s DS Olomouc).

Ako spoluprácu s praxou môžeme posudzovať aj postupné odovzdanie výsledkov viacročných výskumných úloh (dnes programov) z oblasti vodného a teplotného režimu podložia vozoviek, ochrany vozoviek proti poruchám mrazom a navrhovania konštrukcií vozoviek (vrátane používania kruhovej skúšobnej dráhy VUIS – obr. 2). Výsledky, ako napr. návrh klasifikácie vodného režimu, návrhového indexu mrazu atď., sa využili v návrhu technických noriem a predpisov (ČSN, ON a TP).



Obr. 2 Kruhová skúšobná dráha VUIS [2]


S postupom výstavby vozoviek na diaľniciach D2 a D61 pokračovala spolupráca VUIS a CVVL (Cestné vedeckovýskumné laboratórium ako pracovisko na Stavebnej fakulte SVŠT) na riešení konkrétnych úloh o materiáloch a stavebných zmesiach na stavbu vozoviek. Predmetom úloh boli materiály na stavbu ochrannej vrstvy, podkladové vrstvy zo stmelených materiálov aj asfaltové zmesi.

Na podsyp ako ochrannú vrstvu s drenážnou a filtračnou funkciou sa štandardne používal štrkopiesok. Na jeho vlastnosti platilo postupne až päť technických predpisov, pričom sa doplňovali požiadavky na zrnitosť kameniva (nadsitné, otĺkavosť). Na zhutňovanie štrkopiesku sa používali vibračné valce, ale povrch týchto vrstiev nebol stabilný a spôsobilý na jazdu vozidiel, pre tzv. technologickú dopravu. Navrhla sa úprava povrchu z „technologickej stabilizácie“, a to stmelením povrchu vrstvy štrkopiesku malou dávkou cementu (3 %) s hrúbkou asi 10 cm miešaním na mieste, položením zmesi technologickej stabilizácie pripravenej v miešacom centre.

Do podsypnej vrstvy diaľničnej vozovky sa zabudoval aj štrk s prímesou piesku s frakciou 0/32 a v ďalšej etape sa použila aj štrkodrvina, ktorá musela vyhovieť sprísneným kritériám technických podmienok (filtračná funkcia!).

Na jednom z prvých úsekov D61 (Trnava – Hlohovec) sa v spolupráci s Doprastavom, n. p. (so súhlasom investora aj projektanta), postavil krátky, tzv. pokusný úsek s konštrukciou vozovky bez štrkovej podsypnej vrstvy. Súdržná zemina v podloží sa spevnila malým množstvom cementu, a to miešaním na mieste frézou BROSS. Použil sa cement SPC 325 a vzhľadom na zrnitosť sprašovej hliny sa dávkovalo až 6 % cementu. Optimálna vlhkosť zmesi bola 17,5 až 18 % a maximálna objemová hmotnosť bola 1,695 až 1,714 kg/m3. Priemerná pevnosť skúšobných telies stabilizácie bola po siedmich dňoch 1,10 až 1,49 MPa. Aj po 25 rokoch sa mohlo konštatovať (aj dnes), že vozovka v týchto miestach nevykazovala poruchy, ktoré mohli súvisieť so skladbou konštrukcie.

Podkladové vrstvy z cementovej stabilizácie zemín sa používali ešte pred začiatkom stavby diaľnice. Hlavným dôvodom bolo využitie miestnych materiálov a mechanizácia prác. Technická norma, ktorá sa používala od roku 1964, sa revidovala v rokoch 1972 aj 1981. Nové triedenie stabilizácie s hydraulickým spojivom bolo s kvalitatívnymi triedami S I, S II a S III. Spolupráca CVVL so stavbou jednotlivých úsekov diaľnice sa týkala návrhu zmesí, skúšok homogenity zmesí, dosahovanej objemovej hmotnosti, ako aj zisťovania vlastností stabilizácie.


Asfaltové zmesi

Dôležitými vlastnosťami asfaltov, ktoré rozhodujú o životnosti (aj prevádzkovej spôsobilosti) vozovky, sú priľnavosť ku kamenivu, tepelná citlivosť a starnutie. Tieto a ďalšie fyzikálne vlastnosti asfaltu závisia od zloženia základnej suroviny – ropy. V období rokov 1970 až 1993 boli základným spojivom pri výrobe asfaltových zmesí asfalty AP 65 a AP 80. Výroba týchto asfaltov sa pripravovala už v roku 1969. Išlo o výskum a vývoj (spolupráca VUIS a VURUP), pretože v tom čase importovaná ropa mala  pomerne veľký obsah síry a parafínu a z nej vyrábané asfalty mali po vákuovej destilácii menší obsah dôležitých asfalténov. Ani priľnavosť asfaltu ku kamenivu nebola dobrá. Výsledkom vývoja kvalitnejšieho spojiva bola výroba asfaltov tzv. polofúkaním. Jedným z veľkých skúšobných úsekov bol úsek na ceste I/2. Odskúšané asfalty sa potom používali takmer do roku 1992. Ďalšie zvyšovanie požiadaviek na fyzikálne vlastnosti asfaltov (a asfaltových zmesí) sa riešilo vývojom modifikovaných asfaltov. Začali sa skúšať a používať prísady na báze plastických látok, elastomery a plastomery. Z plastomeru PE a kaučuku bola vyrobená prísada s obchodným označením Bralen PB 25. Asfaltová zmes vyrobená s modifikovaným spojivom sa použila aj na Prístavnom moste v Bratislave (1983). Požiadavky na vlastnosti asfaltových zmesí rástli a diferencovali sa pre zmesi na podkladovú, ložnú a obrusnú vrstvu. V podkladoch pre technické predpisy sa permanentne uplatňovali výsledky výskumných úloh VUIS-u.


Prevádzka diaľnic

Diagnostika, hodnotenie a údržba vozoviek

Vplyv premenných parametrov na prevádzkovú spôsobilosť vozoviek sa stala na dlhé roky témou spolupráce teórie s praxou. Už v 80. rokoch sa na VŠDS začali merať a hodnotiť priečne nerovnosti na diaľničných úsekoch. Postupne sa začal tvoriť Systém plánovania údržby a opráv cestných vozoviek, s prvým návrhom uplatnenia v praxi v roku 1991 ako výsledok štátnej výskumnej úlohy. Postupne boli analyzované možnosti merania a hodnotenia parametrov prevádzkovej spôsobilosti a výkonnosti, v spolupráci VŠDS (ŽU) a SSC boli uvedené do rutinnej prevádzky zariadenia Skiddometer BV 11, Profilograph GE, KUAB, VideoCar (obr. 3), LineScan. Teoretické podklady boli zapracované do metodiky merania a hodnotenia parametrov, v spolupráci VUIS-Cesty a STU CVVL boli spracované degradačné modely parametrov. Po vytvorení výpočtových programov na ŽU (SECH, CANUV) vznikol v roku 1995 Systém hospodárenia s cestnými komunikáciami.


Obr. 3 Testovanie zariadenia VideoCar


Z odborného hľadiska je určite zaujímavou informácia, že už v roku 1995 bol na VŠDS vytvorený Optimalizačný program pre systém hospodárenia s vozovkami, ktorý definuje optimálny čas a technológiu na opravu cestnej komunikácie na základe stavu parametrov prevádzkovej spôsobilosti a výkonnosti a na základe predikcie ich vývoja. Program, žiaľ, doteraz nebol v praxi uplatnený vplyvom neustáleho hasenia havarijných stavov bez aplikácie preventívnych a optimalizačných zákrokov.

Z pohľadu údržby vozoviek je potrebné uviesť aj výskumné práce, spojené s implementáciou programu svetovej banky HDM-4 a jeho transformáciu na podmienky SR. Tento svetový štandard bol na použitie v SR pripravený v roku 2008 vytvorením metodického pokynu pre MDPT SR.


Moderné technológie

Koniec starého milénia bol poznačený aj v oblasti ciest a diaľnic zavádzaním nových prvkov, založených na informačných a komunikačných technológiách. V 90. rokoch sa aj v SR vplyvom mohutného rozvoja výpočtovej techniky začali objavovať požiadavky na komplexné informačné systémy, pomocou ktorých je možné zautomatizovať celý rad činností v rámci manažmentu cestnej a diaľničnej siete. Už v roku 1993 bol na VŠDS vytvorený projekt realizácie informačného systému cestnej a diaľničnej siete SR pre Cestnú databanku SSC. Stal sa prvotným podkladom pre súčasný stav informačného systému cestnej siete, ktorý je aj z medzinárodného pohľadu na veľmi vysokej úrovni.

Po roku 2000 sa aj v SR začal proces zavádzania inteligentných dopravných systémov do praxe. Žilinská univerzita stála pri počiatkoch jeho zavádzania v rámci cestnej a diaľničnej siete. V roku 2003 boli v rámci štátnej objednávky definované elementy pre trh produktov IDS, zamerané na pravidlá kooperácie medzi odvetviami pre cestnú infraštruktúru a prispeli zásadne k zavádzaniu prvkov IDS na diaľničnej sieti.


Vzdelávanie

Základnou úlohou univerzít je vzdelávanie, ktoré sa neobmedzuje len na vzdelávanie študentov denného a externého štúdia. Jeho súčasťou je celoživotné vzdelávanie odborníkov z praxe, ktorému sa univerzity autorov príspevku venujú dlhé desaťročia. Nie je možné vynechať z opisu spolupráce túto aktivitu, avšak na malom priestore nie je možné ani uviesť všetky aktivity celoživotného vzdelávania, spojeného s prípravou, výstavbou a prevádzkou cestných komunikácií.

Len náhodne môžeme vybrať dlhoročné vzdelávanie v oblasti cestného hospodárstva, realizované od roku 1994, vzdelávacie kurzy Riadenie a prevádzka tunelov s využitím simulátora virtuálneho dvojrúrového diaľničného tunela s možnosťou spracovávania údajov operátora z reálnej prevádzky tunelov v simulátore na KTMS SvF ŽU alebo kurzy pre audítorov a bezpečnostných inšpektorov.


Záver

Spolupráca vysokých škôl a pracovísk výskumu a vývoja pri výstavbe cestnej siete je oveľa rozsiahlejšia, ako je možné opísať v krátkom príspevku. Určite by mnohými ďalšími poznatkami dokázali prispieť aj niektoré ostatné vysoké školy v SR, výskumné ústavy a vývojové pracoviská stavebných firiem. Predkladaným príspevkom sme však chceli naznačiť, že bez výskumných aktivít nie je možné vytvárať kvalitné a trvanlivé inžinierske diela. Súčasne sme chceli poukázať na nevyhnutnosť úzkeho prepojenia praxe s teóriou, reprezentovanou univerzitným prostredím.


 

Literatúra

 

Záverečné správy z riešenia výskumných úloh, monografie, učebnice a iné materiály STU Bratislava, Stavebná fakulta, Katedra dopravných stavieb, 1960-2019.

Záverečné správy z riešenia výskumných úloh, monografie, učebnice a iné materiály Žilinská univerzita, Stavebná fakulta, Katedra cestného staviteľstva, Katedra technológie a manažmentu stavieb, 1980-2019.

Čelko, J. – Gschwendt, I.: Spolupráca vysokých škôl a uplatnenie výsledkov výskumu pri výstavbe diaľnic. Cestná konferencia 2019, zborník str. 7-11. Bratislava 2019.

 

prof. Ing. Ján Čelko, CSc.,

Žilinská univerzita v Žiline,

jan.celko@fstav.uniza.sk

 

prof. Ing. Ivan Gschwendt, DrSc.,

Slovenská technická univerzita v Bratislave,

ivan.gschwendt@stuba.sk


Fotogaléria k článku