Dr hab. inż. Piotr Mackiewicz został wyróżniony Nagrodą Ministra Nauki I stopnia za osiągnięcia naukowe. Wśród jego zainteresowań badawczych znajduje się m.in. modelowanie numeryczne nawierzchni drogowej z wykorzystaniem MES, badania i modelowanie właściwości materiałowych mieszanek mineralno-asfaltowych, mikromodelowanie zjawisk pękania i zmęczenia, analiza zjawisk reologicznych zachodzących w nawierzchni drogowej oraz mieszankach mineralno-asfaltowych.

Na czym polegają pana najważniejsze badania?

Dotychczas zajmowałem się zagadnieniami reologii oraz pełzania materiałów drogowych, co miało bezpośrednie praktyczne zastosowanie w prognozowaniu kolein w nawierzchni drogowej. W swoich ostatnich badaniach skupiłem uwagę na spękaniach zmęczeniowych występujących w nawierzchni drogowej. Jest to proces złożony, gdyż zależy od składu mieszanek mineralno-asfaltowych wbudowywanych w nawierzchnie drogowe, a także od warunków termicznych oraz sposobu obciążenia. Analizy badawcze przeprowadziłem w związku z tym dla zmiennych temperatur, poziomów obciążenia oraz różnych składów mieszanek mineralno-asfaltowych. Bezpośrednio zrealizowałem badania w laboratorium na próbkach pryzmatycznych poddanych cyklicznemu zginaniu. Analizowałem powstawanie mikro– i makropęknięć. Pozwoliło to w konsekwencji wyznaczyć tzw. równania kinetyki pękania oraz charakterystyki zmęczeniowe mieszanek mineralno-asfaltowych. W dalszym etapie wykazałem ich użyteczność przy prognozowaniu trwałości zmęczeniowej w nawierzchni drogowej z uwzględnieniem pękania. W tym celu opracowałem odpowiedni model, który pozwolił prognozować powstawanie pęknięć „z góry do dołu” oraz „z dołu do góry”.

Czym jest modelowanie z wykorzystaniem MES i jakie znaczenie ma jego wykorzystywanie w takich badaniach?

Modelowanie numeryczne z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych jest dość popularne w wielu dziedzinach już od dawna. To zaawansowana metoda rozwiązywania układów równań różniczkowych, opierająca się na podziale dziedziny (tzw. dyskretyzacja) na skończone elementy, dla których rozwiązanie jest przybliżane przez konkretne funkcje, i przeprowadzaniu faktycznych obliczeń tylko dla węzłów tego podziału. Jednak istota właściwego zastosowania modelu polega, poza stworzeniem odpowiedniej geometrii modelu, na uwzględnieniu odpowiednich warunków brzegowych oraz wprowadzeniu cech materiałowych, które nie zawsze jest łatwo zidentyfikować w rzeczywistości. W swoich pracach starałem się łączyć tematykę modelowania z badaniami laboratoryjnymi i terenowymi. Takie podejście pozwala w konsekwencji odpowiednio zbudować i skalibrować model obliczeniowy.

Czym są zjawiska reologiczne i jakie znaczenie ma ich badanie dla budowy najwytrzymalszych dróg?

Reologia to dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się plastycznymi deformacjami (odkształceniami) oraz płynięciem materiałów. Opisuje ten aspekt zachowania się ciał stałych, w którym upodobniają się one do lepkiej cieczy. Łyżeczka wstawiona do słoika gęstego miodu zatonie po upływie kilkunastu minut. Istnieją substancje, które przypominają smołę o tak wielkiej lepkości, że tonięcie łyżeczki zajęłoby miesiące lub lata. Reologia pozwala w sposób ciągły opisywać zachowanie ciał, które wykazują cechy zarówno ciała stałego, jak i cieczy. Łączy ze sobą teorię plastyczności, czyli mechanikę ciał plastycznych i mechanikę płynów nienewtonowskich. Zajmuje się zagadnieniami związanymi z odkształceniami i płynięciem rzeczywistych, spotykanych w praktyce materiałów – od stopów metali po rozrzedzone ciecze. Zajmuje się takimi ciałami jednorodnymi lub niejednorodnymi jak: pasty, breje, szlamy, pulpy, emulsje, zawiesiny ziarniste i włókniste, mieszanka betonowa, młody beton i inne masy ceramiczne, kremy, farby, kleje, lakiery, żywice, smoły, kity, grunty ziemne, skały, nieskonsolidowane osady geologiczne, ciekłe kryształy, tworzywa sztuczne, roztwory polimerów, płyny fizjologiczne (jak krew), metale w podwyższonej temperaturze, piany czy substancje sypkie o pewnych cechach cieczy.

Mieszanki mineralno-asfaltowe są materiałem, który zmienia swoje cechy w zależności od temperatury. Dodatkowo pod wpływem obciążenia ten materiał „płynie” w zależności od czasu działania. Po zdjęciu obciążenia pozostają trwałe odkształcenia. Jednym z kluczowych zagadnień w reologii jest zdefiniowanie związków konstytutywnych przedstawiających zależności pomiędzy naprężeniem a odkształceniem w funkcji czasu. Uwzględnienie zjawisk pełzania i reologicznych pozwala projektować nawierzchnie odporne na trwałe deformacje.

Jak będą wyglądały drogi przyszłości, jeśli chodzi o stosowane mieszanki i ich wytrzymałość? Czy doczekamy się dróg, w których nie powstają dziury?

Problem powstawania dziur czy też innych uszkodzeń w nawierzchni drogowej jest złożony. Składają się na to: odpowiednie prognozowanie przyszłego ruchu pojazdów ciężkich, projekt nawierzchni, dobór materiałów z uwzględnieniem ekonomiki, zaś w dalszym etapie – wybudowanie, a następnie coroczne utrzymywanie nawierzchni drogowej. Dodatkowo dochodzi problem bardzo zmiennych warunków klimatycznych, które oczywiście są uwzględniane na etapie projektu, jednak w ostatnim czasie, także w naszym kraju, charakteryzują się znacznymi anomaliami.

Aktualnie dobrze zaprojektowana nawierzchnia jest w stanie wytrzymać 30-40 lat. Nowoczesne technologie pozwalają także wybudować tzw. wieczne nawierzchnie, które wymagają w przyszłości tylko utrzymywania górnej powierzchni w celu zapewnienia odpowiednich cech eksploatacyjnych (pozostałe warstwy zachowują odpowiednie parametry znacznie dłużej). Warto wyróżnić przy tej okazji nawierzchnie betonowe, które cechują się długim okresem eksploatacji, a są stosunkowo rzadko wykorzystywane. Im też poświęciłem dość znaczny zakres swoich prac związanych z modelowaniem i badaniami.

Czy drogi w Polsce są budowane i naprawianie zgodnie ze stanem wiedzy naukowej i czy są stosowane nowoczesne rozwiązania? Co należałoby zmienić?

Aktualne krajowe procedury prawne i przepisy wymagają dla ruchu ciężkiego zastosowania zasad projektowania mechanistycznego, a także wybudowania nawierzchni drogowych z uwzględnieniem odpowiednich materiałów i technologii. Dzięki temu w Polsce mamy już dużą liczbę dróg autostradowych i ekspresowych, które spełniają swoje funkcje i posiadają wymagane cechy eksploatacyjne. Polskie standardy i systemy utrzymania nawierzchni są na wysokim poziomie. Ewentualnie można byłoby uporządkować pewne przepisy i normy. Największy problem jednak tkwi w pozyskiwaniu stosunkowo tanich i dobrych materiałów, których zasoby z roku na rok się zmniejszają. Pewna nadzieja jest w metodach recyklingu. Nie poruszam tutaj oczywiście problemu niedbalstwa, pozornego oszczędzania oraz błędów projektowych i wykonawczych, które możemy spotkać przy budowie dróg w Polsce.

Często pojawiają się narzekania, że budowa jednego kilometra drogi tak dużo kosztuje. Skąd się to bierze? Czy współczesne techniki budowy są aż tak wyrafinowane?

Jak już wspominałem, na koszt budowy drogi składa się poza technologiami, które są w kraju dość dobrze opanowane, koszt materiałów, w tym głównie dobrych kruszyw. Na koszt globalny inwestycji drogowych składa się także koszt wykupu i pozyskania terenu oraz wzmocnienie słabego podłoża gruntowego. Należy także uwzględnić koszt przebudowy lub budowy infrastruktury oraz wyposażenia.

W jaki sposób rezultaty pana badań są wdrażane w praktyce przez przemysł?

Swoją wiedzę i doświadczenie wykorzystuję przy projektowaniu i wzmacnianiu nawierzchni drogowych, przeznaczonych także pod ruch bardzo ciężki. W praktyce podejmuję także prace związane z ekspertyzami i opiniami trudniejszych przypadków związanych z uszkodzeniami nawierzchni, a także biorę udział w monitoringu stanu istniejących dróg poddawanych eksploatacji.

Jaka jest specyfika nawierzchni pasów startowych? Prowadzi pan również badania na tym obszarze.

Problem projektowania dróg startowych, nawierzchni lotniskowych uzależniony jest od liczby operacji lotniczych oraz przeznaczenia lotniska. W przeciwieństwie do dróg mamy tutaj większe poziomy obciążenia oraz wyjątkowo istotny problem obciążeń dynamicznych. W tej dziedzinie miałem przyjemność brać udział w wielu badaniach i ekspertyzach, które były realizowane w Zakładzie Dróg i Lotnisk Politechniki Wrocławskiej.

Czy pana zainteresowania naukowe obejmują także transport (m.in. miejski) jako taki, w tym zarówno budowę miejskiej infrastruktury drogowej, jak i planowanie transportu?

Tak, w wolnych chwilach (jeśli uda mi się jakieś wygospodarować) zajmuję się także innymi zagadnieniami związanymi z szeroko rozumianymi „drogami”. Należą do nich kwestie związane z inżynierią i modelowaniem ruchu, a zatem szerokością pasów ruchu, rozmieszczeniem znaków drogowych, kalibracją sygnalizacji świetlnej, obecnością innych elementów na drodze (obszary wyłączone z ruchu, wysepki), lokalizacją przejść dla pieszych (tradycyjnych, naziemnych i podziemnych) czy wreszcie planowaniem infrastruktury rowerowej (drogi, przejazdy i śluzy rowerowe). Interesuję się też generowaniem hałasu w zależności od rodzaju nawierzchni drogowej – to parametr rzadziej brany pod uwagę, a także istotny. Byłem również zaangażowany w powstawanie Polinki, kolejki linowej na Politechnice Wrocławskiej, przewożącej studentów i wszystkich chętnych przez Odrę, co wydatnie skraca drogę na uczelnię. Napisałem w związku z tym kilka publikacji i wygłosiłem kilka referatów, w tym na Dolnośląskim Festiwalu Nauki.

Czy otrzymana nagroda pomoże panu w dalszej pracy naukowej?

Nie sądzę, to tylko nagroda (uśmiech ). Oczywiście cieszę się, że moja praca została wyróżniona i doceniona, jednak pracuję nadal swoim tempem. Aktualnie skupiam się na napisaniu kolejnych publikacji oraz rozwinięciu prac badawczych w nowym kompleksie naukowo-badawczym GEO-3EM. Zainstalowana w nim nowoczesna aparatura pozwoli lepiej się rozwijać w ośrodku wrocławskim uprawianej przeze mnie dziedzinie nauki, szczególnie w zakresie mikro– i nanostruktury materiałowej. GEO 3EM – czyli Energia, Ekologia, Edukacja – to zespół dwunastu laboratoriów, w których będą pracować naukowcy m.in z takich wydziałów jak górnictwo, chemia, mechanika czy elektronika. Otwarcie kompleksu planowane jest na 2019 rok. W GEO-3EM będzie możliwość badania struktury materiałowej na poziomie mikro i nano. Główne swoje analizy skupię na poszukiwaniu defektów w materiałach drogowych w wyniku zmęczenia. W tym celu zastosuję m.in. tomografię komputerową do identyfikacji mikropęknięć i wolnych przestrzeni w mieszankach mineralno-asfaltowych. Nie mogę się już doczekać.