Czynniki wpływające na trwałość nawierzchni asfaltowych

Trwałość nawierzchni asfaltowej oraz oczekiwania wobec niej mogą być postrzegane w różny sposób w zależności od tego, czy mamy do czynienia z użytkownikiem, wykonawcą czy zarządcą dróg. Wielu osobom, w szczególności użytkownikom dróg, trwałość kojarzy się z brakiem kolein, wybojów i podobnych uszkodzeń wpływających na bezpieczeństwo i komfort podróżowania samochodem. Jest to tzw. trwałość funkcjonalna drogi.

Jednak z punktu widzenia projektowania konstrukcji nawierzchni (układu grubości warstw) w grę wchodzą inne parametry związane nie z czynnikami funkcjonalnymi, ale z uszkodzeniami strukturalnymi, tzn. spękaniami zmęczeniowymi i deformacjami strukturalnymi. Jest to tzw. trwałość strukturalna, którą zainteresowany jest zarządca drogi. Pomimo różnego postrzegania trwałości, nie ulega wątpliwości, że dobrze zaprojektowana nawierzchnia, z prawidłowo wybranych materiałów i poprawnie wykonana powinna spełniać wymagania trwałości zarówno funkcjonalnej jak i strukturalnej w zakładanym okresie eksploatacji.

Istnieje szereg różnorodnych czynników wpływających na trwałość strukturalną nawierzchni asfaltowych (rys.1.). Korzystając z wiedzy na ich temat, możliwe jest zaprojektowanie bardziej trwałej nawierzchni, co w wielu przypadkach uzasadnione jest ponadto aspektami ekonomicznymi i ekologicznymi. Poniżej omówiono niektóre z nich.


Ruch drogowy

Trwałość dróg związana jest głównie z ich odpornością na działanie ruchu drogowego i klimatu. Wielkość ruchu drogowego należy do podstawowych danych wejściowych do projektowania konstrukcji nawierzchni drogowej. Do celów projektowych należy ustalić kategorię ruchu na danym odcinku projektowanej drogi, zgodnie z Katalogiem Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych z 2014 roku [1].

Pomiary ruchu rzeczywistego muszą zostać przeliczone odpowiednio na ruch projektowy wyrażony sumaryczną liczbą równoważnych osi standardowych (100kN) w okresie projektowym 20 lub 30 lat. Kiedy znana jest kategoria ruchu, która wystąpi na projektowanym odcinku drogi należy ustalić układ warstw oraz odpowiednią ich grubość. Mamy tu dwie możliwości – poprzez wykorzystanie istniejącego katalogu [1] bądź poprzez zaprojektowanie nawierzchni w indywidualny sposób przez projektanta. Druga opcja wymaga jednocześnie dysponowania odpowiednią wiedzą, danymi i oprogramowaniem komputerowym. Wielkość ruchu wyrażona liczbą osi 100 kN w okresie eksploatacji drogi przekłada się w sposób bezpośredni na grubość nawierzchni. Większy ruch, co oczywiste, wymaga solidniejszej konstrukcji.

Klimat

Kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na trwałość nawierzchni jest odporność na obciążenie klimatem – niską i wysoką temperaturę oraz działanie wody.

Polska jest krajem o zróżnicowanym klimacie. Rozpiętość wartości temperatury warstwy ścieralnej nawierzchni osiąga około 90°C (od -30°C w zimie do +60°C w lecie po nagrzaniu) i takim właśnie warunkom nawierzchnia w miejscu lokalizacji budowy powinna sprostać. Oprócz dużej rozpiętości temperatury, występuje cykliczne zamarzanie i rozmarzanie wody, która penetruje w głąb warstw drogowych – są to tzw.  przejścia przez 0°C.

Zakres występującej temperatury na terenie Polski może zatem wpłynąć na wybór materiałów mieszanki mineralno-asfaltowej. Po ustaleniu, w jakim zakresie temperatury dana nawierzchnia będzie eksploatowana, można przejść do określenia, jakie lepiszcza mogą być zastosowane do danej warstwy. W przypadku wysokiej temperatury powinny być to asfalty odporne na koleinowanie, w niskich wartościach temperatury odporne na pękanie niskotemperaturowe (skurczowe).

Kolejnym elementem obciążenia klimatem uwzględnianym w projektowaniu nawierzchni jest głębokość penetracji mrozu. Głębokość przemarzania warstw występująca w Polsce wpływa na układ warstw i jest uwzględniania podczas projektowania nawierzchni. W zależności od rodzaju gruntu w podłożu pod drogą, przyjmuje się różne sposoby jego ochrony przed działaniem mrozu. Można to osiągnąć poprzez wprowadzenie dodatkowej warstwy mrozoochronnej, której zadaniem jest zwiększenie sumarycznej grubości warstw lub pogrubienie istniejących warstw w celu ochrony podłoża gruntowego przed powstawaniem wysadzin.

Należy także pamiętać, że jednym z najważniejszych aspektów każdego projektu drogowego jest odwodnienie. Droga bez prawidłowego odwodnienia nie jest dobrze zaprojektowana ani zbudowana. Jeśli nie zapewniono skutecznego odwodnienia, z pewnością osiągnięcie zakładanej trwałości będzie niemożliwe, ponieważ woda zmniejsza nośność nawierzchni, niszcząc warstwy niezwiązane i związane, co w połączeniu z mrozem przyczynia się do destrukcji każdej drogi w okresie zimowym. Remont i przebudowa drogi także powinny uwzględniać remont jej odwodnienia.

Materiały w dolnej warstwie asfaltowej

Jednym z ważnych czynników wpływających na trwałość nawierzchni jest rodzaj zastosowanych materiałów w ostatniej, dolnej warstwie asfaltowej. Właściwości ostatniej dolnej warstwy asfaltowej – czyli warstwy wiążącej w KR1-2 i warstwy podbudowy asfaltowej w KR3-KR7 – mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia przez nawierzchnię trwałości eksploatacyjnej wymaganej przepisami (>20 lat lub >30 lat) według kryterium zmęczeniowego.

Podczas przejazdu ciężkiego pojazdu, w dolnej warstwie asfaltowej występują największe odkształcenia rozciągające, w związku z tym zasadne jest, aby w warstwie tej zastosować materiał charakteryzujący się największą wytrzymałością na rozciąganie, a co za tym idzie charakteryzujący się lepszą trwałością zmęczeniową. Mieszanki mineralno-asfaltowe o lepszych parametrach zmęczeniowych charakteryzują się mniejszą zawartością wolnych przestrzeni (są „zamknięte”), większą zawartością efektywnego lepiszcza (nie są „suche”) oraz lepszym wypełnieniem lepiszczem przestrzeni w mieszance mineralnej (VFB).

Biorąc powyższe pod uwagę, widzimy, że np. mieszanki betonu asfaltowego do podbudowy asfaltowej AC 32 P czy nawet AC 22P nie są najbardziej trafnym wyborem. Zamiast nich lepiej stosować mieszanki, które charakteryzują się małą zawartością wolnych przestrzeni i dużą ilością lepiszcza, czyli materiały, które są bardziej elastyczne i odporne na rozciąganie przy zginaniu. Mogą to być np. beton asfaltowy AC 16 P (W) lub SMA 16.

Wystarczy zastosować mieszankę o drobniejszym uziarnieniu, np. zamiast AC 32 P ułożyć AC 16 P, co w konsekwencji będzie miało bardzo duże znaczenie dla wytrzymałości zmęczeniowej podbudowy i przyczyni się do poprawy trwałości nawierzchni. Ta prosta zamiana nawet bez zastosowania lepszego rodzaju lepiszcza asfaltowego, może spowodować kilkudziesięcioprocentowy wzrost trwałości [2].

Inną możliwością zwiększenia trwałości nawierzchni jest zamiana rodzaju lepiszcza w dolnej warstwie asfaltowej na asfalt modyfikowany lub asfalt wysokomodyfikowany polimerami typu HiMA. Nawierzchnie asfaltowe wykonane z wykorzystaniem lepiszczy tego rodzaju charakteryzują się znacząco większą trwałością w zakresie trwałości zmęczeniowej konstrukcji, odporności na koleinowanie, odporności na wodę i mróz itd.

Na rysunku 3. przedstawiono porównanie trwałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-asfaltowych AC 16 W z 8 różnymi lepiszczami asfaltowymi.


Na podstawie wyników badań można bez wątpienia stwierdzić, że już na etapie projektowania drogi właściwy dobór materiałów w specyfikacji technicznej może mieć ogromny wpływ na trwałość eksploatacyjną nawierzchni.

Porównując trwałość poszczególnych mieszanek, widać znaczącą przewagę asfaltów wysokomodyfikowanych polimerami, których trwałość zmęczeniowa wykazuje nawet 50 razy lepszą wartość niż w przypadku najpopularniejszych lepiszczy do dolnych warstw – asfaltów drogowych. Zmiana rodzaju mieszanki i/lub zmiana rodzaju lepiszcza asfaltowego to prosty przykład, w jaki sposób w sumie niewielkim kosztem, w dużym stopniu poprawić trwałość drogi.

Istnieje także szereg innych czynników, które są mało znane, a w znacznym stopniu mogą wpływać na trwałość nawierzchni. Są nimi m.in. prędkość pojazdów, obciążenie pojazdów, równość podłużna czy sczepność.

Prędkość ciężkich pojazdów

Jako użytkownicy dróg widzimy czasami, że nawierzchnie asfaltowe ulegają szybszemu zniszczeniu w pewnym szczególnych miejscach: np. w strefie skrzyżowania, na podjazdach, w zatokach autobusowych czy na pasach dla powolnego ruchu. Pojawiają się deformacje i spękania w śladach kół. Możemy zaobserwować także, że nawierzchnie ulic w miastach szybciej ulegają zniszczeniu.

Dlaczego właśnie w tych miejscach mamy do czynienia ze zmniejszoną trwałością zmęczeniową konstrukcji? Odpowiedź jest związana z małą prędkością poruszających się ciężkich pojazdów. Im mniejsza prędkość pojazdów ciężkich, tym większe ugięcia i odkształcenia krytyczne w spodzie pakietu asfaltowego. Nawet zastosowanie układu warstw o grubościach zgodnych z Katalogiem [1] nie zapobiega przyśpieszonemu zniszczeniu, ponieważ podany tam układ warstw dotyczy warunków ruchu swobodnego z prędkością 60 km/h, a to nie zdarza się w wymienionych charakterystycznych miejscach.

W jaki sposób rozwiązać problem mniejszej trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni na odcinkach dróg o zmniejszonej prędkości? Przede wszystkim należy prawidłowo określić rzeczywiste dane wejściowe (prędkość pojazdów, natężenie ruchu). Potem do wyboru jest kilka możliwości: zastosowanie w podbudowie asfaltowej mieszanki o lepszych parametrach lub zastosować lepiszcze o większej odporności zmęczeniowej bądź – jeśli budowa ma być z tradycyjnych materiałów – zbudować grubszy pakiet warstw asfaltowych. Wybór jednego z podanych wariantów pozwoli zniwelować skutki zmniejszonej prędkości.

Obciążenie pojazdów

Konstrukcja nawierzchni jest wymiarowana ze względu na przewidywany ruch pojazdów ciężkich. Nie uwzględnia się natomiast samochodów osobowych ze względu na ich małą masę i niewielki nacisk osi. W mediach dosyć często pojawiają się informacje na temat wykrycia przez Inspekcje Transportu Drogowego przeciążonych pojazdów. Jaki wpływ na trwałość nawierzchni mają takie pojazdy?

W przypadku znacznego udziału pojazdów przeciążonych bezpośrednio wpływają one na skrócenie okresu eksploatacji drogi i mogą być odpowiedzialne nawet za 35% do 70% całkowitej szkody zmęczeniowej nawierzchni. Warto dodać, że wpływ przeciążenia, zgodnie ze stosowanym prawem czwartej potęgi, jest wykładniczy, a nie liniowy. Duży udział pojazdów przeciążonych może skrócić zakładany okres eksploatacji w skrajnych przypadkach nawet o 40-50%. Należy zatem dążyć do ograniczenia ruchu pojazdów przeciążonych w celu ochrony sieci drogowej przed przedwczesnym zniszczeniem [3]. Zarządcy dróg coraz powszechniej stosują metody pomiaru nacisków osi w czasie ruchu pojazdów, co pozwala lepiej chronić sieć drogową.

Równość podłużna

Równość podłużna to cecha określająca zdolność nawierzchni jezdni do niewzbudzania wstrząsów i drgań poruszającego się pojazdu. Ciężkie pojazdy poruszające się zwiększoną prędkością po nierównej nawierzchni powodują bardzo silne oddziaływania dynamiczne, a co za tym idzie większą stratę trwałości zmęczeniowej.

Poprawa złej równości podłużnej po zakończeniu budowy jest bardzo trudna, a czasami niemożliwa bez frezowania świeżo wykonanych, nowych warstw. Dlatego też o równość nawierzchni należy zadbać już od samego początku budowy, od pierwszych dolnych warstw nawierzchni. W Polsce równość podłużna wymagana jest na określonym poziomie, zgodnie z zapisami Rozporządzenia Ministra Infrastruktury.

Sczepność między warstwami

Jak wiemy, nawierzchnia drogowa jest układem warstwowym. Ze względów wytrzymałościowych, wszystkie warstwy powinny być ze sobą odpowiednio połączone. Brak tzw. sczepności między warstwami powoduje duże problemy zarówno funkcjonalne jak i strukturalne. Należy zatem zadbać o odpowiednią sczepność między warstwami, a więc chodzi o to, żeby pakiet asfaltowy stanowił pewien monolit, co przełoży się na zmniejszenie ugięć i odkształceń zmęczeniowych w nawierzchni.

Standardowo, w technice drogowej, do połączeń między warstwami asfaltowymi stosowane jest skropienie emulsją wodno-asfaltową. Lepiszcze asfaltowe z emulsji (po jej tzw. rozpadzie) staje się „klejem” spajającym górną i dolną warstwę. Należy podkreślić, że brak pełnej sczepności między warstwami asfaltowymi może obniżyć trwałość eksploatacyjną drogi nawet o 40%.


Podsumowanie

Możemy budować znacznie trwalsze nawierzchnie asfaltowe niż obecnie, korzystając z rozwiązań znanych na świecie oraz tych już przetestowanych w Polsce. Należy poszukiwać rozwiązań koncepcyjnych oraz materiałowych zapewniających jak największy stopień poprawy jakości nawierzchni. Jednym z takich materiałów są asfalty modyfikowane polimerami. Charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami niż asfalty drogowe.

Spośród asfaltów modyfikowanych polimerami najlepsze wyniki odporności nawierzchni na koleinowanie, pękanie niskotemperaturowe, zmęczenie oraz propagację spękań uzyskuje się dla asfaltów wysokomodyfikowanych typu HiMA.

Więcej informacji na temat czynników wpływających na trwałość nawierzchni asfaltowej można znaleźć w cyklu webinariów „Akademia ORLEN Asfalt” dostępnych na stronie www.orlen-asfalt.pl.

Bibliografia:
[1] Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych I Półsztywnych. Praca zbiorowa pod red. J. Judyckiego. Politechnika Gdańska. Załącznik do zarządzenia Nr 31 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 16.06.2014 r.
[2] Błażejowski K., Trwałość nawierzchni asfaltowych – spojrzenie techniczne i ekologiczne. Drogi Gminne i Powiatowe, marzec-kwiecień 2020
[3] Ryś D., Judycki J., Jaskuła P, Wpływ pojazdów przeciążonych na trwałość nawierzchni asfaltowych. Logistyka Nauka, 2014
[4] Błażejowski K., Ostrowski P., Wójcik-Wiśniewska M., Baranowska W., Mieszanki i nawierzchnie z ORBITON HiMA. ORLEN Asfalt, 2020