NAJWIĘKSZE OSIĄGNIĘCIA WBiA POLITECHNIKI ŚWIĘTOKRZYSKIEJ

Politechnika Świętokrzyska (WBiA) jest jedyną jednostką naukową w kraju oraz jedną z nielicznych w Europie, która realizuje zaawansowane badania dotyczące technologii asfaltu spienianego wodą w celu szerokiego zastosowania jej do wykonawstwa drogowych materiałów konstrukcyjnych.

Wydział Budownictwa i Architektury Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach realizuje wiele interesujących badań w zakresie szeroko pojętego budownictwa.

Kierunki badawcze
Na szczególną uwagę zasługują dwa główne kierunki badawcze, które są elementem rozpoznawczym jednostki nie tylko w krajowym środowisku naukowym, ale również międzynarodowym. Zaliczyć do nich należy – w zakresie budownictwa drogowego – technologię asfaltu spienionego wodą oraz produkowane na jej bazie mieszanki mineralno-asfaltowe wytwarzane i wbudowywane w obniżonej temperaturze. Badania w tym zakresie realizowane są przez Katedrę Inżynierii Komunikacyjnej. Natomiast drugi kierunek badań dotyczy wykorzystania technologii emisji akustycznej w szeroko pojętej diagnostyce takich obiektów inżynieryjnych, jak mosty, wiadukty, estakady itp. i jest realizowany przez Katedrę Wytrzymałości Materiałów, Konstrukcji Betonowych i Mostowych.

Technologia asfaltu spienionego wodą i mieszanki mineralno-asfaltowe
Zastosowanie asfaltu w produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych wymaga doprowadzenia go z konsystencji stałej do płynnej. W tym celu tradycyjną metodą jest podgrzewanie asfaltu do wysokiej temperatury, dochodzącej nawet do 180°C, w której wytwarzane są mieszanki mineralno-asfaltowe. Jest to proces energochłonny oraz powodujący wydzielanie się znacznej ilości gazów cieplarnianych. Innowacyjnym sposobem doprowadzenia asfaltu do konsystencji umożliwiającej wytwarzanie materiałów drogowych jest poddanie gorącego asfaltu oddziaływaniu zimnej wody, w wyniku czego wytwarza się piana asfaltowa. Proces ten wymaga znacznie mniejszej ilości energii oraz zapewnia wytwarzanie mieszanek mineralno-asfaltowych w temperaturze obniżonej o 60°C w porównaniu do tradycyjnego sposobu. Technologię asfaltu spienionego rozpropagował prof. K.J. Jenkins z Republiki Południowej Afryki na przełomie XX i XXI wieku.

Badania Politechniki Świętokrzyskiej w zakresie technologii asfaltu spienianego wodą zostały rozpoczęte w drugiej połowie pierwszej dekady XXI wieku. Dotyczyły one wykorzystania do tej technologii stosowanych w kraju asfaltów oraz możliwości wykonywania podbudów modernizowanych konstrukcji nawierzchni za pomocą recyklingu głębokiego na zimno. Istotnym czynnikiem, który przyczynił się do możliwości rozwoju naukowego w tym zakresie, było uczestnictwo w realizacji projektu badawczego pt.: Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju przeprowadzanego w ramach POIG, Priorytet 1, Działanie 1.1, Poddziałanie 1.1.2 – POIG 01.01.02-10-106/09-00. W ramach tego projektu zostało zrealizowane Zadanie 4.3 – Recykling na zimno konstrukcji nawierzchni drogi z zastosowaniem technologii asfaltu spienionego w okresie od 01.04.2010 r. do 31.03.2013 r., którego kierownikiem był dr hab. inż. Marek Iwański, prof. PŚk. Efektem realizowanych badań naukowych było opracowanie szczegółowych specyfikacji technicznych dotyczących wykonania recyklowanych podbudów z wykorzystaniem asfaltu spienionego. Przyczyniło się to do wdrożenia tej technologii do praktyki drogowej, czego efektem jest realizacja wielu zadań drogowych z jej wykorzystaniem. Wykonano też kilkadziesiąt ekspertyz w tym zakresie. Uzyskano dwa patenty dotyczące wykonawstwa recyklowanych podbudów w technologii asfaltu spienionego oraz energooszczędnych mieszanek mineralno-asfaltowych.

Rozwój budowlanych technologii przyjaznych dla środowiska naturalnego spowodował, że na świecie zaczęto rozważać możliwość zastosowania asfaltu spienionego do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych w obniżonej temperaturze wytwarzania i wbudowywania. Intensywne badania w tym zakresie podjęto również na wydziale. Istotnym kierunkiem jest dokonywanie modyfikacji asfaltu przed jego spienieniem za pomocą różnego rodzaju dodatków niskowiskozowych oraz powierzchniowo czynnych środków. Jedne z pierwszych na świecie badań w tym zakresie podjęto na Wydziale Budownictwa i Architektury Politechniki Świętokrzyskiej. Posiadane doświadczenie zostało wykorzystane w czasie realizacji projektu badawczego Wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu finansowanego przez GDDKiA i NCBiR w zakresie programu Rozwój Innowacji Drogowych w latach 2016–2018. Liderem tego projektu był IBDiM, natomiast Katedra Inżynierii Komunikacyjnej WBiA była jednym z konsorcjantów. Doświadczenie organizacyjne oraz naukowe zdobyte podczas realizacji tego projektu przyczyniło się do otrzymania projektu badawczego Innowacyjna technologia wykorzystująca optymalizację środka wiążącego przeznaczonego do recyklingu głębokiego na zimno konstrukcji nawierzchni zapewniająca jej trwałość eksploatacyjną wchodzącego w skład programu strategicznego NCBiR pod nazwą TECHMATSTRATEG1 (49326/9/NCBR/2017). Politechnika Świętokrzyska jest Liderem tego projektu, a konsorcjantami są Politechnika Wrocławska, IBDiM oraz firma wykonawcza BUDAR Sp. z o.o. z Królewca Porzecznego. Projekt jest realizowany w okresie od 18.12.2017 r. do 17.12.2020 r. pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Marka Iwańskiego. Przedmiotem projektu jest określenie zasad wykonywania podbudów modernizowanych dróg w technologii recyklingu głębokiego na zimno z wykorzystaniem asfaltu spienionego lub emulsji asfaltowej z zastosowaniem spoiwa dedykowanego przeznaczonego do realizacji konkretnego zadania drogowego. Opracowane zalecenia w ramach projektu pozwolą na optymalizację realizacji zadań drogowych w zakresie podbudów drogowych.

Natomiast w ramach drugiego konkursu dotyczącego programu TECHMATSTRATEG2 (412159/9/NCBR/2019) pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Marka Iwańskiego realizowany jest projekt badawczy pt.: Technologia wytwarzania innowacyjnych wysokowytrzymałych kompozytów asfaltowych zbrojonych włóknami, z przeznaczeniem do budowy nowych i modernizacji istniejących dróg o zwiększonej trwałości eksploatacyjnej. Politechnika Świętokrzyska jest Liderem tego projektu, a konsorcjantami są Politechnika Warszawska oraz firma wykonawcza DUKT Sp. z o.o. z Kielc. Projekt jest realizowany w okresie od 1.09.2019 r. do 31.08.2022 r. W jego ramach jest rozwijana technologia asfaltu spienionego w nowym zakresie, dotyczącym możliwości wykorzystania jej do wytwarzania mieszanki mineralno-asfaltowej zbrojonej włóknami w celu zapewnienia trwałości w długim okresie eksploatacji nawierzchni.

Należy zaznaczyć, że Politechnika Świętokrzyska (WBiA) jest jedyną jednostką naukową w kraju oraz jedną z nielicznych w Europie, która realizuje zaawansowane badania dotyczące technologii asfaltu spienianego wodą w celu szerokiego zastosowania jej do wykonawstwa drogowych materiałów konstrukcyjnych. W zakresie technologii asfaltu spienianego wodą zostało zrealizowanych kilka rozpraw naukowych, a wyniki badań były prezentowane w prestiżowych czasopismach z listy JCR, jak np. “Construction and Building Materials”, “Journal of Cleaner Production” i “Materials”. Prace badawcze są kontynuowane w zakresie udoskonalania technologii spieniania asfaltu wodą.

Technologia emisji akustycznej w diagnostyce obiektów inżynieryjnych
Zagadnienie diagnostyki i monitorowania stanu technicznego konstrukcji betonowych, struno- oraz kablobetonowych, stalowych, kompozytowych czy z tworzyw sztucznych jest tematem bardzo aktualnym i ważnym społecznie. Starzejąca się infrastruktura oraz rosnące obciążenia eksploatacyjne obiektów inżynierskich są głównymi bodźcami dla szybko postępujących badań naukowych nad nową interdyscyplinarną dziedziną wiedzy technicznej o nazwie Monitorowanie Stanu Technicznego Konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring, SHM). Zagadnienie to jest ściśle powiązane z trwałością oraz czasem bezpiecznej eksploatacji elementów konstrukcji. Pojęcie trwałości materiałów jest używane potocznie, chociaż nie jest ścisłe. Szczególne znaczenie ma określenie początku zniszczenia w materiałach i elementach konstrukcyjnych, ponieważ nie ma możliwości skutecznego i ekonomicznego zatrzymania wielu procesów zapoczątkowanych, co prowadzi do awarii całej konstrukcji. Dlatego też powstała koncepcja powiązania stanu granicznego trwałości nie z określonym umownie stopniem czy zakresem uszkodzenia elementu konstrukcyjnego, a z inicjacją procesu niszczenia wywołanego pojawieniem się defektów, które w nieunikniony sposób prowadzą do wystąpienia jednego z dwóch tradycyjnych stanów granicznych. W nawiązaniu do wcześniejszych rozważań można stwierdzić, że wpływ degradacji materiału na trwałość elementów betonowych jest trudny do oszacowania. Istnieje wiele metod diagnostyki konstrukcji mierzących pojedyncze parametry, ale z reguły tylko w momencie wykonywania inspekcji. Dlatego też otrzymane wyniki co prawda pokazują obecny stan konstrukcji, jednakże nic nie możemy powiedzieć o dynamice procesów destrukcyjnych w horyzoncie czasowym, co ułatwiłoby oszacowanie trwałości elementów betonowych wybranym modelem statystycznym. Wczesne wykrywanie defektów i odpowiednie metody ich napraw oraz wzmocnienia ułatwią zapobieganie uszkodzeniu konstrukcji. Pozwoli to zaoszczędzić pieniądze wydawane na utrzymanie lub remonty oraz zapewnić bezpieczną pracę konstrukcji przez cały okres ich użytkowania. W związku ze starzeniem się infrastruktury budowlanej istnieje zapotrzebowanie na opracowanie i wdrożenie techniki diagnostycznej nadającej się do ciągłego monitorowania oraz oceny trwałości elementów konstrukcji. W Politechnice Świętokrzyskiej od 1992 roku jest rozwijana metoda emisji akustycznej (EA lub AT), która rozwiązuje powyżej postawione problemy, wykrywając na wczesnym etapie wszystkie procesy destrukcyjne mające wpływ na bezpieczeństwo użytkowania monitorowanych konstrukcji. Bazuje ona na zjawisku, w ramach którego fale ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości generowane są na skutek gwałtownego uwalniania energii wewnątrz materiału, powstającego na przykład podczas inicjacji i rozwoju rys/pęknięć, procesu korozji czy też tarcia. Pierwsze prace prowadzone przez zespół Politechniki Świętokrzyskiej dotyczyły opracowania kryteriów oceny zniszczenia kompozytów polimerowych zbrojonych włóknem szklanym i węglowym oraz opisu procesów towarzyszących zjawisku korozji naprężeniowej w kompozytach na podstawie podstawowych parametrów EA. Prace te realizowano w grancie badawczym w ramach II funduszu polsko-amerykańskiego im. Marii Skłodowskiej-Curie pod kierunkiem prof. Leszka Gołaskiego i prof. Kanji Ono oraz projektu badawczego Komitetu Badań Naukowych pod kierunkiem mgr. inż. Grzegorza Świta. Od 1999 roku zespół Politechniki Świętokrzyskiej we współpracy ze Świętokrzyskim Zarządem Dróg oraz Instytutem Badania Dróg i Mostów rozpoczął prace nad zastosowaniem metody EA do oceny oraz analizy procesów destrukcyjnych w konstrukcjach strunobetonowych. Dalsze badania dotyczące procesów destrukcyjnych w kompozytach polimerowych z włóknem węglowym i szklanym w środowisku chemicznie czynnym oraz na obiektach mostowych z belek strunobetonowych były prowadzone w dwóch projektach badawczych realizowanych w ramach europejskiego programu COST 534 – Nowe Materiały i Systemy w Konstrukcjach z Betonu Sprężonego (New Materials and Systems for Prestressed Concrete Structures) pod kierunkiem prof. Leszka Gołaskiego i dr. inż. Grzegorza Świta. W analizie identyfikacji procesów destrukcyjnych wykorzystano metody grupowania sygnałów akustycznych bazujące na hierarchicznych i niehierarchicznych modelach klasyfikacji. Pozwoliło to na opracowanie nowatorskiego systemu diagnozowania bazującego nie – jak dotychczas – na wykrywaniu defektów i opisie uszkodzeń opierającym się na pojedynczych deskryptorach EA, lecz na procesach destrukcyjnych zachodzących w czasie użytkowania obiektu i opisywanych w przestrzeni 13-parametrowej. To nowe podejście umożliwiło opis stopnia uszkodzenia oraz jego rozległości w sposób ilościowy na podstawie wyników badań rzeczywistych mogących obejmować całą konstrukcję, a nie, jak dotychczas, na subiektywnych badaniach wizualnych lub nieniszczących i materiałowych obejmujących niewielki, subiektywnie wybrany wycinek konstrukcji. Dalsze badania nad doskonaleniem metody EA w ocenie stanu technicznego konstrukcji były prowadzone w ramach trzech grantów podczas projektów NCBiR pod kierunkiem prof. Wiesława Trąmpczyńskiego i dr hab. Barbary Goszczyńskiej, prof. PŚk. Uzyskano 3 patenty dotyczące diagnozowania konstrukcji inżynierskich metodą emisji akustycznej. Efektem tych badań było wykonanie 120 ekspertyz stanu technicznego obiektów mostowych, 35 zbiorników na produkty ropopochodne, 10 wież wsporczych oraz ekspertyzy budynków i innych konstrukcji inżynierskich.

Podsumowaniem wieloletnich prac nad rozwojem metody emisji akustycznej bazującej na identyfikacji procesów destrukcyjnych poprzez analizę bazy sygnałów wzorcowych jest realizacja w ramach konsorcjum z Polską Spółką Gazowniczą Sp. z o.o. w latach 2020– 2023 przez zespół pracowników Politechniki Świętokrzyskiej pod kierownikiem dr. hab. Grzegorza Świta, prof. PŚk projektu badawczego NCBiR w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój poddziałanie 1.1.1 – nr POIR.01.01.01-00-1019/19 pt. Innowacyjny system automatycznej identyfikacji i lokalizacji defektów infrastruktury gazowej wykorzystujący zjawisko emisji akustycznej (Slidig AE). Projekt ma na celu stworzenie rozwiązania technologicznego bazującego na pomiarach NDT, w szczególności na metodzie emisji akustycznej i badań georadarowych. Zastosowanie tych metod pozwoli na lokalizację i identyfikację potencjalnych uszkodzeń na infrastrukturze gazowej. W tym celu zostaną wykorzystane sieci neuronowe oraz hierarchiczne, niehierarchiczne metody statystyczne analizy Big Data do stworzenia samorozpoznawalnej bazy sygnałów wzorcowych identyfikującej generowane sygnały procesów destrukcyjnych. Proponowane rozwiązanie jest ukierunkowane na wpisanie w unijną strategię dotyczącą tzw. smart gird zgodnie z Rozporządzeniem TEN-E. Rezultatem projektu będzie nowa technologia oraz usługa umożliwiające zarządcy sieci gazowej optymalną, bezpieczną i ekonomicznie uzasadnioną eksploatację sieci gazowej poprzez: akceptację innych paliw gazowych, „inteligentne” wykorzystanie paliw gazowych oraz kosztowo-efektywną i bezpieczną eksploatację.