Nagy nehézforgalmú utak „optimális” felújítási technológiájának kiválasztása

Előzmények

Az Európai Unió 7. Kutatási és Technológiafejlesztési Keretprogramjához kapcsolódva, 2013-ban, egy nemzetközi konzorcium a 42 hónapos DURABROADS (Költséghatékony, tartós utak, „zöld” optimált építés és fenntartás révén) projekt részbeni finanszírozását nyerte el (DURABROADS, 2013). A projektet a spanyol Universidad de Cantabria (UNICAN) vezeti; a partnerek egyike a KTI Közlekedéstudományi Intézet Nonprofit Kft., amely a 2. munkabizottságnak is a vezetője.
A DURABROADS projekt fő célkitűzését költséghatékony, környezetbarát és komplex módon optimált utak tervezése, fejlesztése és az eredmények demonstrálása képezi. Ezt a célt olyan innovatív tervezéssel kívánják elérni, amely a különlegesen nagy és nehéz forgalmi terhelés, valamint az éghajlatváltozásból származó szélsőséges klimatikus hatások szinergikus igénybevételének ellenálló útpályaszerkezeteket eredményez. A projekt 2. munkabizottságának célkitűzése az Európában elterjedten alkalmazott aszfalt kopórétegaszfalt kopó rétegeknek és burkolatfelújítási módszereknek a szélsőséges környezeti és forgalmi terhelés kombinációjával szemben tanúsított ellenállás szempontjából, az élettartam-mérnöki tudomány elveinek (Gáspár, 2012) hasznosításával végrehajtott, optimálása képezte. Eredményeiket három részjelentés (Deliverables) (DURABROADS, 2014a; DURABROADS, 2014b; DURABROADS, 2015) formájában tették közzé. Jelen cikk az európai nagy nehézforgalmú utak jellegzetes burkolatfelújítási technológiáinak komplex vizsgálatával és az eljárások ennek alapján történő sorolásával foglalkozik.

Jellegzetes burkolatfelújítási technológiák

A DURABROADS WP2 munkabizottságának tagjai által összeállított kérdőív célját az képezte, hogy az európai nehéz forgalmú utak (TEN-T hálózat) fő forgalmi és technológiai jellemzőiről széles körű információkat gyűjtsenek (Gáspár, Bencze, ma.(1); Gáspár, Bencze, Jato-Espino, ma.; Gáspár, Bencze, ma.(2). A kérdőívre 17 országból (BE, CRO, CZ, EST, FR, GE, HU, IT, LT, LV, NO, PT, SLO, SP, SRB, UK) érkezett válasz. Bár az Európában elterjedten alkalmazott burkolat-felújítási módszerek teljesítményét az egyes körzetekben a különböző forgalmi-környezeti terhelés érzékelhetően befolyásolja, a DURABROADS-partnerek abban állapodtak meg, hogy a Kontinensen kontinensen egységesen a következő burkolatfelújítási technológiákat „versenyeztetik”:

• helyszíni, hideg recycling + új, 50 mm-es vastagságú AC kopó réteg (CIR),
• kétrétegű, permetezéses felületi bevonat (DCS),
• teljes vastagságú recycling + új, 50 mm-es vastagságú AC kopó réteg (FDR),
• helyszíni, meleg recycling + 38 mm-es vastagságú AC kopó réteg (HIR),
• burkolatmarás + új, 50 mm-es vastagságú AC kopó réteg (MOV),
• kevert felületi bevonat (microsurfacing) (MS),
• új, 50 mm-es vastagságú AC kopóréteg (OV),
• új, vékony (pl. 30 mm-es vastagságú) AC kopóréteg (THMA).

Az egyes burkolatfelújítási technológiák közüli választáskor az útkezelők általában elsősorban a módszerrel elérhető teljesítményjavulást próbálják figyelembe venni.A DURABROADS project keretében végzett elemzés (optimálás) – az élettartammérnöki tudomány alapelveit (Gáspár, 2008) követve – ennél jóval sokrétűbb, hiszen – a műszaki (funkcionális) szempontokon túlmenően – társadalmi (humán), gazdasági (pénzügyi) és környezeti szempontokra is kitér.

Szakirodalmi áttekintés és kérdőíves felmérés

A 2. fejezet szerinti nyolc vizsgált aszfaltburkolatfelújítás-típusnak (CIR, DCS, FDR, HIR, MOV, MS, OV és THMA) a négy választott – műszaki (funkcionális), környezeti, gazdasági (pénzügyi) és társadalmi (humán) – szempont (Gáspár, 2008) szerinti teljesítményével kapcsolatos információkat – szakirodalmi adatok és a DURABROADS WP2 munkabizottság által összeállított kérdőívre 81 európai szakember által adott válaszok alapján – röviden összefoglaljuk.

Műszaki (funkcionális) szempontok

Szakirodalmi áttekintés

Az 1. táblázatban két jellegzetes burkolatfelújítási rétegnek angol szakemberek által adott és útmutató formájában közkinccsé tett, tartóssági és repedésképződési ellenállást jellemző osztályzatai láthatók (Hampshire City Council 2010).

A 2. táblázat szakirodalmi információk összesítése alapján a különböző aszfaltfelújítási technológiák műszaki (funkcionális) osztályzatait szemlélteti. A „bomlási ellenállás” a felületi kopással, a zúzalék-kipergéssel, valamint a fáradási és a termikus repedések képződésével szembeni ellenállást összegezi.

Kérdőíves szakértői értékelés

A DURABROADS projekt partnerei által összeállított kérdőívre 81 európai szakember által adott válaszok (Gáspár, Becnze, Jato-Espino, ma.; Gáspár, Bencze, ma.(2) konszenzuális értékelése [MathWorks 2014 27/14] után a vizsgált burkolatfelújítási technológiákra a 3. táblázaton feltüntetett osztályzatok adódtak.

Társadalmi (humán) szempontok

Szakirodalmi áttekintés

a) Forgalmi torlódások és időveszteségek
A forgalmi torlódásokkal és az utazási időveszteségekkel kapcsolatos információkat a 4. táblázat szemlélteti.

b) Forgalombiztonság
Szakirodalmi információk összesítése alapján a különböző aszfaltfelújítási technológiák társadalmi (humán) osztályzatait az 5. táblázat szemlélteti.

Kérdőíves szakértői értékelés

A DURABROADS projekt partnerei által összeállított kérdőívre 81 európai szakember által adott válaszok (Gáspár, Bencze, Jato-Espino, ma.; Gáspár, Bencze, ma.(2)) konszenzuális értékelése (MathWorks 2014) után a vizsgált burkolatfelújítási technológiákra a 6. táblázaton feltüntetett társadalmi osztályzatok adódtak. (A 6. táblázaton az eredeti technológialistából azért maradt ki két eljárás, mert a kihagyottaknál a kérdőíves válaszok nem voltak eléggé konzekvensek).

Gazdasági (költséghatékonysági) értékelés

A következő vizsgálat a burkolatfelújítási technológiák gazdasági (költséghatékonysági) szem-pontból történő összehasonlítására irányul; a kivitelezési költségeket, az egész élettartam alatti költségeket és az évszaki építési korlátozásokat vették alapul.

Szakirodalmi áttekintés

a) A kivitelezés időjárási korlátai
A 7. táblázat egyes burkolatfelújítási technológiák megvalósításakor jelentkező időjárási korlátokra vonatkozó szakirodalmi információkat foglal össze.

b) Aszfaltkeverékek élettartamköltségeinek vizsgálata
Mivel a vizsgált burkolatfenntartási technológiák gazdasági jellegű összehasonlításához (sorba rendezéséhez) a szakirodalmi áttekintés nem szolgáltatott kielégítő eredményeket, az egyes változatok egész élettartamukra kiterjedő, környezeti és gazdasági értékelésére került sor.
Az egyes technológiákat nyilvánvalóan ugyanarra a vizsgálati időszakra vonatkozólag hasonlítják össze, és a 8. táblázaton feltüntetett stratégiákat („felújítási naptárakat”) veszik alapul.

Az egyes vizsgált burkolatfelújítási technológiák 1 m²-re vetített költségét a 9. táblázat összegezi. A különböző, főleg amerikai forrásokból származó adatok szórását is feltüntettük.

c) A burkolatélettartam felújítással való meghosszabbítása
A különböző állapotjavító beavatkozások, köztük a felújítások az útburkolatok üzemi élettartamát meghosszabbítják. A meghosszabbodás mértékét elsősorban a felújítás technológiája és a beavatkozás időpontjában regisztrálható burkolatállapot határozza meg. A 10. táblázat a szakirodalomban található, technológiafüggő, élettartam-megnövekedési élettartamokat mutatja be, szórásértékükkel együtt.

d) A változatok élettartamköltségei
Az egyes felújítási stratégiák esetében az átlagos éves költségek jellemzésére az egyenértékű éves költséget (EÉK) választották (11. táblázat).

Környezeti értékelés

A következő vizsgálat a burkolatfelújítási technológiákat környezeti szempontból hasonlítja össze. Akárcsak a költségelemzés során, minden felújítási változatnál felmérték az élettartam alatti energiafelhasználást (MJ/m²) és a kibocsátott CO₂-mennyiséget (kg/m²). Minden stratégiának környezeti hatását (CO₂-kibocsátását, energiaigényét, a felhasznált meg nem újuló anyagokat) meghatározták.
a) A variánsok energiafelhasználása és CO₂-kibocsátása
Az energiaigényre és a CO₂-kibocsátásra vonatkozó becslések különböző forrásokból származnak. A 12. táblázat ezeknek a technológiánkénti átlagát és az értékek szórását szemlélteti.

A 13. táblázat a vizsgált változatok élettartamuk alatti átlagos éves energiafelhasználását, kibocsátott CO₂-mennyiségét, valamint adalékanyag- és bitumenigényét szemlélteti.

A 13. táblázatból kitűnik, hogy:
• az energiafelhasználás szempontjából a legjobbnak a felületi bevonás és a microsurfacing, míg legkedvezőtlenebbnek a hideg recycling és az aszfalterősítés bizonyult;
• a CO₂-kibocsátás szempontjából a felületi bevonás és a microsurfacing a legjobb, míg az aszfalterősítés és a teljes vastagságú recycling a legkedvezőtlenebb;
• az adalékanyagigény szempontjából a legkedvezőbbnek a teljes vastagságú recycling és a hideg recycling, míg legkevésbé jónak a vékonyaszfalt és az aszfalterősítés bizonyult;
• a bitumenigény szempontjából a microsurfacing és a felületi bevonás a legjobb, míg a teljes vastagságú recycling és az aszfalterősítés mutatkozott a legkedvezőtlenebbnek.

Esettanulmány felújítási technológiák kérdőíves komplex összehasonlítására

A DURABROADS projekt művelése során a különböző burkolatfelújítási technológiák komplex összehasonlítására kialakított módszertan (DURABROADS, 2014b) bemutatására a partnerek esettanulmányt végeztek (DURABROADS, 2015; Gáspár, Bencze, Jato-Espino, ma.; Gáspár, Bencze, ma.(2)). Annak három számítási fázisában (kritériumok súlyozása, variánsok értékelése és érzékenységvizsgálat) kapott eredményeket ismertetjük.

Kritériumok súlyozása

A javasolt módszertannak a szakértők által kitöltött kérdőívekben tapasztalt ellentmondások kezelésére és minimálására való alkalmazásával a 14. táblázaton feltüntetett követelmények, kritériumok és mérőszámok konszenzuális numerikus értékeihez (Gáspár, Bencze ma.(1)) jutottak; ezeket a 15. táblázat szemlélteti. A konszenzuális összehasonlító mátrixok minden esetben konzisztensek (CR ≤ 0.1, ahol CR konzisztenciaarány (Gáspár, Bencze, Jato-Espino, ma.)), ami logikus is, hiszen minden összehasonlítási mátrixot a GRG (általánosított csökkentett gradiens) algoritmus (Abadie, Carpentier, 1968) segítségével – szükség esetében – konzisztenssé tettek. (A konszenzuális értékelés az értékelők eredeti véleményét a lehető legnagyobb mértékben megőrzi).

A 16. táblázat adatainak vizsgálatából nyilvánvaló a műszaki (funkcionális) követelmények a többivel szemben megnyilvánuló határozott túlsúlya, mivel a megfelelő műszaki teljesítményt nyújtó utak általában gazdaságosak, és a társadalmi követelményeket is kielégítik. Az a tény, hogy a környezeti követelményt az értékelők általában fontosnak tekintik, az útügyi szektorban a növekvő ökológiai tudatosságot igazolja.

A variánsok értékelése

A 17. táblázat a különböző felújítás-variánsok esetében az egyes mérőszámokra adott értékeléseket szemlélteti. A kvantitatív mérőszámokat az általuk felvehető értéktartománynak megfelelően jellemezték, amennyiben minimális, maximális és legvalószínűbb értéküket tüntetik fel.
A kvalitatív mérőszámok esetében – hogy azok egyszerűbben és könnyebben értékelhetők lehessenek – a háromszögű fuzzy számmal leírt változókat a fokozatos, átlagos integráló módszer alkalmazásával kanonikus alakba írták át [19].

Mintegy 5000 szimulációt hajtottak végre annak érdekében, hogy a kvantitatív mérőszámokhoz a háromszögű eloszlású vektorokat generálhassák. Így az  értékelések sorához jutottak, amelyek aztán a TOPSIS-módszer (Hwang, Yoon, 1981) inputjaként használandó döntéshozatali mátrixok felépítésére szolgáltak. Az 1. ábra a TOPSIS-algoritmus egyes lépéseinek alkalmazása után az egyes variánsoknak az ideális megoldástól való viszonylagos távolságát (\R_{i}\)) mutatja meg. A kétklaszteres grafikonból egyértelmű, hogy a nyolc vizsgált technológiából öt db a többi háromnál határozottan kedvezőbb értékeket mutat. Az itt kialakult sorrend: MOV > FDR > CIR> OV> HIR > THMA > MS > DCS. A 2. ábra a technológiák funkcionális, gazdasági, társadalmi és környezeti jellemzői tekintetében már jelentősebb eltéréseket mutat.

A nyolc vizsgált burkolatfelújítási technológia összesített teljesítménye

A felújítási technológiák összehasonlítása a négy vizsgálati szempont szerint

A 2. ábra szerint a szóban forgó burkolatfelújítási technológia összesített értékelését elsősorban a funkcionális (műszaki) jellemzője határozza meg. Az is figyelemre méltó, hogy az összesített értékelésben a „marás után aszfaltréteg elterítése” változat kedvezőbb gazdasági és társadalmi jellemzői következtében tudta a „teljes vastagságban végzett recycling”-ot az első helyért folyó „versenyben” megelőzni. Ugyanakkor a kétrétegű felületi bevonásnak a társadalmi és a környezeti megítélése hiába volt kedvező, mivel a különösen gyenge mechanikai ellenállása az összesített kedvezőtlen értékelésnél döntőnek bizonyult.

Néhány következtetés

A DURABROADS projekt 2. munkabizottsága új, döntéstámogató modellt javasolt, és – esettanulmányként – nagy nehézforgalmú európai utak aszfaltkopóréteg-típusaihoz szóba jövő felújítási technológiák optimálásával a gyakorlatban is kipróbált. Olyan komplex és jól működő módszertant sikerült kifejleszteni, amely az összetett problémákra vonatkozó szakértői véleményekben általánosan meglevő határozatlanságokat, bizonytalanságokat és ellentmondásokat hatékonyan tudja kezelni.

Az esettanulmány során nyert eredmények a módszertan alkalmazhatóságát igazolták, a döntéshozókat támogatják abban a tekintetben, hogy a fenntarthatósági szempontokon alapulva, a legmegfelelőbb burkolatfelújításitechnológia-típust ki tudják választani. Bár az igazán hatékony útkezelés a gazdaságra, a környezetre és a társadalomra nagyon kedvező hatást gyakorol, mégis kevés olyan eljárás áll rendelkezésre, amely az útkezelési döntéseket érdemlegesen segíteni tudja. A javasolt módszertan a döntéshozatali problémát hierarchikus fává strukturálja, és ily módon az egyes változatok teljesítményéről különböző szempontok vagy tényezők szerinti következtetések levonását teszi lehetővé.

Köszönetnyilvánítás
A szerzők köszönetüket nyilvánítják az Európai Uniónak, amely 7. Kutatási és Technológiafejlesztési Keretprogramjához kapcsolódóan a jelen cikk alapját képező DURABROADS projektet részben finanszírozta. Hasonlóképpen köszönet illeti a DURABROADS projekt 2. munkabizottságának a munkában közreműködött spanyol, lett és belga partnereit is.

Felhasznált irodalom

1. DURABROADS (Cost-effective DURABle ROADS by green optimized construction and maintenance) project. Collaborative project financed by EU Seventh Framework Programme, Theme SST.2013.5-3 Grant agreement no: 606404 Annex I „Description of Work” 2013. 104 p.
2. Gáspár,L.: Lifetime engineering for roads (Keynote lecture). Proceedings of CETRA 2012 (2^nd International Conference on Road and Rail Infrastructure), Dubrovnik, 7-9 May 2012, pp. 25-34.
3. DURABROADS project DeliverableD2.1 Assessment of the gaps in road-related procedures. 2014a. 99 p.
4. DURABROADS project Deliverable D2.2 Quantification of the medium and long-term influence of climate change and of the implementation of freight corridors on European road network. 2014b. 61 p.
5. DURABROADS project Deliverable D2.3 Proposal of construction, maintenance and rehabilitation pro-cedures more affordable, resilient and sustainable for the management of road asset. 2015. 109 p.
6. habil. Gáspár L., Bencze Zs.: Aszfaltburkolat-típusok optimálása. Közlekedéstudományi Szemle (Megjelenés alatt 1)
7. habil. Gáspár L., Bencze Zs. Jato-Espino, D.: Döntéstámogató modell nagy nehézforgalmú utak aszfalt kopóréteg-típusának kiválasztásához. Útügyi Lapok (Megjelenés alatt)
8. habil. Gáspár L., Bencze Zs.: Szakirodalmi szemle és esettanulmány nagy nehézforgalmú utak „optimális” aszfalt kopóréteg-típusának kiválasztásához. Útügyi Lapok (Megjelenés alatt 2)
9. Gáspár, L.: Lifetime engineering in road asset management. CD-ROM Proceedings of 3^rd European Pave-ment and Asset Management Conference, Coimbra (Portugal), 2008. 10 p.
10. Guidance Document on Surfacing Options for Highways. Technical Advice Group Hampshie County Council, Winchester, UK, 2010. 101 p
11. MATLAB R2014b. Natick, Massachusetts (U.S.), 2014.
12. Shuller, S., Schmidt, Ch., Goldbaum, J.: Life-Cycle Economic Performance for Hot Mix Asphalt Pavement Rehabilitation Strategies. International Journal of Construction Education and Research, No 6, 2010, pp. 152-162.
13. Croteau, J.-M., Linton, P., Davidson, J. K., Houston, G.: Seal Coat Systems in Canada: perform-ances and practice. Paper prepared for presentation at the “Soils and Materials – Investing in new materials, products and processes” session at the 2005 Annual Conference of the Transportation Association of Canada, Calgary, Alberta, 2005. 15 p.
14. ADEPT/RSTA: Service Life of Surface Treatments, 2011. 25 p.
15. Jahren, Ch.: Development of Updated Specification for Roadway Rehabilitation Techniques. Iowa State University, Final Report, 2011.
16. Cuelho, E., Mokwa, R., Akin, M.: Preventive Maintenance Treatments of Flexible Pavements: A Synthesis of Highway Practice. Report No. FHWA/MT-06-009/8117-26.Western Transportation Institute Montana State University, Bozeman, MT. 2006. 103 p.
17. South Dakota Department of Transportation: Pavement Preservation Guidelines, 2010
18. Johnson, A. M.: Best practices handbook on asphalt pavement maintenance. Report NM/RC-2000-04. University of Minnesota Center for Transportation Studies, 2000.
19. Abadie, J., Carpentier, J.: Generalization of the Wolfe reduced gradient method to the case of nonlinear constraints. Optimization, University of Keele, London (U.K.), 1968, pp. 37–47.
20. Lin, H.: An application of fuzzy AHP for evaluating course website quality. Computers and Education, 54(4), 2010, pp. 877-888.
21. Chou, C.: The canonical representation of multiplication operation on triangular fuzzy numbers. Computers and Mathematics with Applications, 45 (10–11), 2003, pp. 1601–1610.
22. Hwang, C. L., Yoon, K.: Multiple attribute decision making: Methods and applications. New York (U.S.): Springer. 1981. 225 p.