Trwałość asfaltowych nawierzchni drogowych

Trwałość zmęczeniowa
– ochrona środowiska
– zrównoważony rozwój

Według badań własnych autora [4, 10, 11] na trwałość zmęczeniową nawierzchni asfaltowych istotnie wpływają przede wszystkim następujące parametry: układ i rodzaj warstw konstrukcyjnych nawierzchni, wielkość obciążeń od poruszających się pojazdów i w efekcie wielkość odkształceń i naprężeń powstających w warstwach asfaltowych nawierzchni oraz rodzaj i właściwości reologiczne mieszanek mineralno-asfaltowych stosowanych do budowy tych warstw.

Nawierzchnie asfaltowe o sumarycznej grubości warstw związanych stosunkowo niedużej grubości pod wpływem obciążeń od pojazdów samochodowych podlegają działaniu dużych odkształceń rozciągających prowadzących do szybkiej utraty trwałości zmęczeniowej (rys. 6).

Zwiększenie grubości warstw asfaltowych przyczynia się do zmniejszenia odkształceń rozciągających w dole warstw związanych i wzrostu odporności nawierzchni na zniszczenia zmęczeniowe (rys. 7).

Przy zastosowaniu odpowiednio grubej nawierzchni asfaltowej możemy otrzymać na wykresie Wöhlera spełnienie warunku nieograniczonej trwałości. Według koncepcji brytyjskiej nawierzchnia drogi, której łączna grubość warstw asfaltowych jest większa niż 27 cm, jest uważana za długowieczną, tj. spełniającą warunek trwałości zmęczeniowej niezależnie od wielkości obciążenia ruchem [5, 10]. Podobny efekt można osiągnąć poprzez zastosowanie warstw nawierzchni asfaltowej o zwiększonej sztywności. Poprzez zwiększenie sztywności konstrukcji następuje zmniejszenie naprężeń rozciągających i w konsekwencji odkształceń rozciągających w dole warstw związanych lepiszczem, wpływających w istotny sposób na wzrost trwałości zmęczeniowej całej konstrukcji nawierzchni. I tu dochodzimy do koncepcji nawierzchni o zwiększonej trwałości typu „Perpettual” o przewidywanym okresie eksploatacji dłuższym niż 50 lat bez konieczności przeprowadzania strukturalnych napraw konstrukcji [5, 10]. W skład takiej konstrukcji wchodzą: odporna na spękania indukowane termicznie i spękania zmęczeniowe warstwa ścieralna, odporna na koleinowanie warstwa wiążąca oraz odporna na zmęczenie warstwa podbudowy, w tym warstwa antyzmęczeniowa. Z rys. 8 wynika, że stosowanie modyfikowanych rozwiązań konstrukcyjnych (np. „Perpetual”) oraz/lub modyfikacja materiałowa (np. modyfikacja mieszanek mineralno-asfaltowych) pozwala zdecydowanie zwiększyć trwałość zmęczeniową nawierzchni asfaltowych, przybliżając to rozwiązanie materiałowo-konstrukcyjne do nieograniczonej trwałości.

Wynika z tego, że decydujący wpływ na wydłużenie okresu eksploatacji nawierzchni asfaltowych ma odpowiedni dobór mieszanek mineralno-asfaltowych do warstw konstrukcyjnych pod względem trwałości zmęczeniowej. Trwałość zmęczeniowa mieszanek mineralno-asfaltowych jest zróżnicowana i zależy w dużej mierze od zawartości i rodzaju lepiszcza asfaltowego oraz zawartości wolnych przestrzeni w mieszance. Wraz ze wzrostem zawartości lepiszcza zmniejsza się ilość wolnych przestrzeni i wzrasta trwałość zmęczeniowa mieszanki mineralno-asfaltowej. Wzrost zawartości wolnych przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej prowadzi do zmniejszenia sztywności materiału, zwiększenia koncentracji naprężeń i w konsekwencji do zmniejszenia trwałości zmęczeniowej.

Z pierwszych w Polsce badań zmęczeniowych mieszanek mineralno-asfaltowych wykonanych metodą belki czteropunktowo-zginanej, przeprowadzonych przez autora [11], wynika, że na zwiększenie trwałości zmęczeniowej w istotny sposób wpływa zastosowanie do mieszanek mineralno-asfaltowych lepiszczy modyfikowanych (rys. 9).

Dla mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami modyfikowanymi następuje wyraźne przesunięcie wykresów równań zmęczeniowych w kierunku wyższych trwałości zmęczeniowych w stosunku do wykresu trwałości zmęczeniowej betonu asfaltowego z asfaltem drogowym o penetracji w 25°C – 69,8 x 0,1 mm. Na szczególną uwagę zasługują mieszanki mineralno-asfaltowe z lepiszczami gumowo-asfaltowymi, których trwałość zmęczeniowa jest około 20 razy większa niż trwałość betonu asfaltowego z asfaltem niemodyfikowanym [11].

W ramach Programu Badań Stosowanych NCBR w Politechnice Warszawskiej przeprowadzono interesujące badania trwałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-asfaltowych z dodatkiem włókien bazaltowo-polimerowych FRP (ang. fiber-reinforced polymer) [4, 5]. Na rys. 10 przedstawiono wyniki badań trwałości zmęczeniowej betonu asfaltowego z dodatkiem włókien bazaltowo-polimerowych o zawartości 0,1%, 0,3% i 0,5% w stosunku wagowym do mieszanki mineralno-asfaltowej.

Z rys. 10 wynika, że dodatek włókien bazaltowo-polimerowych zwiększa znacząco trwałość zmęczeniową mieszanek mineralno-asfaltowych w całym zakresie badanych poziomów odkształceń. Przy odkształceniu 200 µm/m dla dodatku włókien FRP o zawartości 0,1% wzrost trwałości zmęczeniowej betonu asfaltowego wynosi ok. 18% w odniesieniu do mieszanki referencyjnej (bez dodatku włókien), dla dodatku 0,3% włókien FRP – ok. 48% i dla dodatku 0,5% włókien FRP – ok. 73%.

Jest bardzo korzystne z punktu widzenia trwałości całej konstrukcji nawierzchni asfaltowej.

Podsumowując wyniki wieloletnich badań zmęczeniowych realizowanych przez autora w Politechnice Warszawskiej i Politechnice Białostockiej, należy stwierdzić, że ze względu na zwiększenie trwałości zmęczeniowej korzystne jest stosowanie do nawierzchni drogowych asfaltów modyfikowanych, szczególnie wysokomodyfikowanych, lepiszczy gumowo-asfaltowych oraz dodatku włókien bazaltowo-polimerowych. Ponadto udowodniono, że ze względu na trwałość zmęczeniową do mieszanek mineralno-asfaltowych wszystkich kategorii ruchu z powodzeniem stosować można jako mieszankę mineralną kruszywa polodowcowe i granulat asfaltowy w ilości powyżej 50% mieszanki mineralno-asfaltowej. Jest to szczególnie korzystne, biorąc pod uwagę wymagania ochrony środowiska i aspekty związane ze zrównoważonym rozwojem.

Wnioski

Na podstawie wieloletnich badań laboratoryjnych i polowych w warunkach „in situ”, analiz wyników badań własnych i innych doświadczeń zdobytych podczas pobytów zagranicznych można sformułować następujące wnioski:

• Nawierzchnie drogowe pod wpływem obciążeń od ruchu kołowego oraz działania czynników środowiska podlegają ciągłym zmianom prowadzącym do utraty trwałości zmęczeniowej określanej jako liczba obciążeń, jaką może przenieść konstrukcja nawierzchni do wystąpienia stanu granicznego nośności i użytkowania wyznaczonej za pomocą kryterium spękań warstw asfaltowych i kryterium deformacji trwałych podłoża gruntowego.
• Według rozporządzenia Ministra Infrastruktury konstrukcja nawierzchni drogowej powinna być projektowana i wykonana w taki sposób, aby zapewnić jej odporności na wszystkie przewidywane oddziaływania i wpływy mogące występować w cyklu życia, tj. podczas budowy, użytkowania drogi oraz podczas remontów i przebudów. Trwałość nawierzchni powinna być co najmniej równa okresowi użytkowania, tj. nie krótsza niż 30 lat dla dróg autostradowych i ekspresowych oraz 20 lat dla dróg klas pozostałych.
• Bardzo ważne dla rozwoju badań nad trwałością zmęczeniową mieszanek mineralno-asfaltowych było dokonanie w ramach programu SHRP wyboru metod przyspieszonego badania właściwości funkcjonalnych, szczególnie badania trwałości zmęczeniowej metodą czteropunktowego zginania belki jako reprezentatywnej metody symulującej warunki rzeczywiste „in situ”.
• Stosowanie modyfikowanych rozwiązań konstrukcyjnych (np. „Perpetual”) oraz/lub modyfikacja materiałowa (np. modyfikacja mieszanek mineralno-asfaltowych) pozwala zdecydowanie zwiększyć trwałość zmęczeniową nawierzchni asfaltowych, przybliżając to rozwiązanie materiałowo-konstrukcyjne do nieograniczonej trwałości.
• Decydujący wpływ na wydłużenie okresu eksploatacji nawierzchni asfaltowych ma odpowiedni dobór mieszanek mineralno-asfaltowych do warstw konstrukcyjnych pod względem trwałości zmęczeniowej.
• Zwiększenie trwałości zmęczeniowej warstw konstrukcyjnych nawierzchni asfaltowej można osiągnąć poprzez zastosowanie asfaltów modyfikowanych, szczególnie wysokomodyfikowanych, lepiszczy gumowo-asfaltowych oraz dodatku włókien bazaltowo-polimerowych.
• Ze względu na wymagania odpowiedniej trwałości zmęczeniowej nawierzchni asfaltowych, ochrony środowiska oraz wymagania w zakresie zrównoważonego rozwoju korzystne jest stosowanie materiałów miejscowych, np. do mieszanek mineralno-asfaltowych, we wszystkich kategoriach ruchu z powodzeniem można stosować kruszywa polodowcowe jako mieszankę mineralną oraz materiały z recyklingu, np. granulat asfaltowy w ilości powyżej 50% mieszanki mineralno-asfaltowej.

Piśmiennictwo

1. Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. Final Document, Appendix II-1, Calibration of Fatigue Cracking Models for Flexible Pavements. NCHRP, TRB, NRC, February 2004.
2. Grabowski W.: Zagadnienia trwałości betonu asfaltowego w nawierzchni drogowej. Poznań 1985.
3. Porter O.J.: Foundations for flexible pavements. Highway Research Board. „Proceedings”, 1942.
4. Program Badań Stosowanych (PBS) – NCBR: Innowacyjne hybrydowe zbrojenie kompozytowe FRP do konstrukcji infrastrukturalnych o podwyższonej trwałości. Raport z badań, PBS3/A2/20/2015, Politechnika Warszawska, 2015-2018.
5. Radziszewski P., Sarnowski M.: Technologia nowoczesnych nawierzchni asfaltowych. Warszawa 2023, str. 274.
6. Radziszewski P., Piłat J., Kowalski K., Król J.: Use of aggregate from glacier deposits in high-traffic asphalt pavements: a Polish experience. „The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering”, vol. 7, 1/2012, str. 5-12.
7. Radziszewski P., Piłat J., Sarnowski M., Plewa A.: Właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych z kruszywami polodowcowymi. „Magazyn Autostrady”, 10/2011, str. 40-46.
8. Radziszewski P., Piłat J., Kowalski K., Król J.: Use of Aggregate from Glacier Deposits in High-Traffic Asphalt Pavements: A Polish Experience. TRB 90^th Annual Meeting. Paper No 11-1420, Washington 2011.
9. Radziszewski P., Piłat J., Plewa A., Radziszewski R.: Ocena właściwości kruszyw polodowcowych z regionu Polski północno-wschodniej do budowy nawierzchni asfaltowych. Konferencja Naukowa KILiW PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce – Krynica 2010, „Problemy naukowo-badawcze budownictwa”, str. 383-390.
10. Piłat J., Radziszewski P.: Nawierzchnie asfaltowe. WKŁ, Warszawa 2010.
11. Radziszewski P.: Modelowanie trwałości zmęczeniowej modyfikowanych kompozytów mineralno-asfaltowych. Rozprawa habilitacyjna, Rozprawy Naukowe nr 45, Białystok 1997, str. 185.
12. Radziszewski P.: Badanie i ocena trwałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-asfaltowych w realizowanym w USA programie SHRP. Przegląd metod. „Drogownictwo”, 10/1993, str. 241 -245.
13. Radziszewski P.: Badanie i ocena trwałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-asfaltowych w realizowanym w USA programie SHRP. Hipotezy i modele badawcze. „Drogownictwo”, 11/1993, str. 273-277.
14. Radziszewski P., Liphardt A., Dąbkowska K.: Wykorzystanie materiałów z recyklingu w budownictwie drogowym. „Magazyn Autostrady”, 11-12/2017, s. 62-67.
15. Radziszewski P., Liphardt A.: Stosowanie zwiększonych ilości granulatu asfaltowego dozowanego na zimno do mieszanek mineralno-asfaltowych z wykorzystaniem technologii WMA. Kolokwium Techniczne „Destrukt asfaltowy w budownictwie drogowym”, Łódź 2018.
16. Rao Tangella S.C.S., Craus J., Deacon J.A., Monismith C.L.: Summary report on fatigue response of asphalt mixture. SHRP. Institute of Transportation Studies, Berkeley 1990.
17. Sznuk Z.: Podręcznik do budowy dróg bitych, gruntowych i ulic miejskich. Warszawa 1918.
18. Shell Pavement Design Manual (SPDM 3.0). Shell, London 1998.
19. The Asphalt Handbook. Asphalt Institute, Manual series, 4 (MS-4)/1989.
20. The Shell Bitumen Handbook. Shell, 1990.
21. Thickness Design. Asphalt Pavements for Highways and Streets. Asphalt Institute, 1981.

Przeczytaj również: Wykorzystanie granulatu asfaltowego − cykl życia mieszanki mineralno-asfaltowej