Trwałość asfaltowych nawierzchni drogowych

W projektowaniu trwałość zmęczeniową określa się, uwzględniając szkodę zmęczeniową wyznaczoną zgodnie z hipotezą zmęczeniową Minera-Palmera. Według tej hipotezy całkowitą szkodę zmęczeniową warstwy asfaltowej konstrukcji drogowej wywołaną przez pojedyncze obciążenia od różnych pojazdów samochodowych oblicza się na podstawie wzoru (1):

gdzie:

n_i – liczba obciążeń warstwy asfaltowej na określonym poziomie odkształcenia ɛ_i,
N_i – liczba obciążeń na określonym poziomie odkształcenia ɛi prowadząca do zniszczenia nawierzchni asfaltowej,
k – liczba poziomów obciążeń od różnych grup pojazdów samochodowych w okresie projektowym.
Zgodnie z hipotezą minera nawierzchnia asfaltowa ulega zniszczeniu, gdy szkoda zmęczeniowa D jest równa 1.

Podsumowując, należy stwierdzić, że pod względem trwałości mieszanki mineralno-asfaltowe zastosowane do budowy warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowej powinny wykazywać odpowiednie właściwości zmęczeniowe tak, by powstające naprężenia i odkształcenia w nawierzchni w czasie eksploatacji nie powodowały utraty trwałości prowadzącej do jej zniszczenia.

Metody badania trwałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-asfaltowych

Już w latach czterdziestych ubiegłego wieku Porter [3] wykazał, że dopuszczalne ugięcie nawierzchni asfaltowej ze względu na jej zniszczenie zależy od liczby oddziaływań powtarzających się obciążeń kół samochodowych. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych na świecie przeprowadzono szereg badań potwierdzających, że w warstwach nawierzchni asfaltowych spękania powstają w wyniku oddziaływania naprężeń zginających od poruszających się ciężkich pojazdów samochodowych, a zniszczenie nawierzchni następuje wskutek procesu zmęczenia materiału (badania Nijobera, Van ser Poela, Hveema, badania WASHO Road Test, ASSHO Road Test) [11].

Dążono do opracowania metod oceny trwałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-asfaltowych za pomocą laboratoryjnych metod badania, które symulowały charakter obciążenia asfaltowych warstw nawierzchni drogowych. Autor w pracy [11] przedstawił historię różnych metod badań stosowanych na świecie.

Największą popularność zyskały następujące zmęczeniowe metody badań:

• jednoosiowe rozciąganie próbek,
• osiowe zginanie próbek belkowych,
• wielopunktowe zginanie belki,
• rozciąganie pośrednie próbek walcowych,
• zginanie lub rozciąganie próbek naciętych,
• zginanie próbek pryzmatycznych.

W Stanach Zjednoczonych w ramach programu SHRP (ang. Strategic Highway Research Program) jednym z zadań było dokonanie wyboru metod przyspieszonego badania właściwości funkcjonalnych mieszanek mineralno-asfaltowych, między innymi trwałości zmęczeniowej. Podczas realizacji programu SHRP w Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley autor odbył staż naukowy, podczas którego zapoznał się szczegółowo z wynikami realizowanych tam badań [12, 13].

Biorąc pod uwagę następujące kryteria: symulacja warunków rzeczywistych „in situ”, użyteczność wyników oraz łatwość wykonania badań w ramach programu SHRP, wybrano metodę czteropunktowego zginania belki jako reprezentatywną metodę badań trwałości zmęczeniowej [16]. Według tej metody próbki w postaci pryzmatycznych belek poddaje się czteropunktowemu cyklicznemu zginaniu z zachowaniem swobodnego obrotu i z poziomym przesunięciem we wszystkich punktach obciążenia i reakcji (podpory rolkowe). Badania trwałości zmęczeniowej wykonuje się przy zachowaniu następujących warunków:

• temperatura badania: +10°C,
• czteropunktowe cykliczne zginanie belki przy stałej amplitudzie odkształcenia zmieniającej się według funkcji sinusoidalnej,
• częstotliwość obciążenia: 10 Hz,
• różne wartości amplitudy odkształcenia (najczęściej na trzech poziomach).

Próbkę uważa się za zniszczoną zmęczeniowo w tym momencie obciążenia, w którym moduł sztywności osiąga wartość równą połowie wartości modułu określonego w początkowym cyklu obciążenia.