Microsoft Word - PKD-artykuł-11.09-2006.doc

Judycki Józef, Dołżycki Bohdan, Jaskuła Piotr
Politechnika Gdańska

Przedwczesne uszkodzenia nawierzchni asfaltowych

Premature failures of asphalt pavements

Streszczenie
Artykuł przedstawia kilka przypadków przedwczesnych uszkodzeń nawierzchni asfaltowych
w Polsce, jakie pojawiły się wkrótce po ich wykonaniu i oddaniu do eksploatacji.
Przedstawiono doświadczenia Politechniki Gdańskiej w badaniach uszkodzonych
nawierzchni. Podano opis uszkodzeń i ich prawdopodobne przyczyny. Przedstawiono
również wnioski z poczynionych obserwacji oraz kilka praktycznych zaleceń dotyczących
projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych, których celem jest przeciwdziałanie takim
uszkodzeniom w przyszłości.

Summary
The paper presents a few case studies of premature failures of asphalt pavements in Poland
which occurred soon after construction and opening to traffic. Experience of Gdansk
University of Technology gathered in investigating of damaged pavements was presented.
Description of failures and their probably causes were given. Conclusions from observations
and some practical advices concerning design of asphalt mixes, aiming at prevention of such
failures in future were presented.

1. Wstęp

Potrzeby w zakresie remontów i budowy nowych dróg i autostrad w Polsce są
ogromne. Stan dróg jest w znacznej części niezadowalający. Tym niemniej należy
obiektywnie stwierdzić,  że w ostatnich 10 latach nastąpił znaczny rozwój
budownictwa drogowego w Polsce. Wprowadzono nowe technologie, takie jak
recykling, mastyks grysowy, beton asfaltowy odporny na deformacje, mieszanki
cementowo-emulsyjne, podbudowy z kruszyw łamanych. Nastąpił postęp
technologiczny, organizacyjny i normalizacyjny. Wprowadzono nowe zasady
zapewnienia jakości robót i nadzoru nad robotami. Ogólnie biorąc jakość robót
drogowych w okresie ostatnich 10 lat bardzo wyraźnie wzrosła w stosunku do okresu
poprzedniego. Chociaż postęp techniczny w drogownictwie jest widoczny to zdarzają
się, na szczęście nieliczne przypadki, gdy nawierzchnie asfaltowe wkrótce po
wykonaniu ulegają wyraźnym uszkodzeniom. Roboty naprawcze są stosunkowo
kosztowne i wywołują zrozumiałe oburzenie społeczne,  że nawierzchnia
bezpośrednio po wybudowaniu musi być naprawiana. Przyczyny takich uszkodzeń są
różnorodne, najczęściej złożone, wieloczynnikowe i niekiedy trudne do
jednoznacznego zdefiniowania. Autorzy tego referatu wielokrotnie wykonywali
ekspertyzy techniczne dotyczące uszkodzeń nawierzchni asfaltowych wraz ze
szczegółowymi badaniami laboratoryjnymi i terenowymi. W tym referacie
przedstawiają swoje doświadczenia i uwagi z nadzieją,  że pomogą one uniknąć
podobnych niepowodzeń w przyszłości. Podane poniżej przypadki uszkodzeń
pochodzą z obserwacji, ale w opisach celowo pominięto szczegółowe dane.

2. Przypadek 1

Po dwóch latach eksploatacji nowowybudowanej drogi dla ruchu średniego wystąpiły
intensywne uszkodzenia nawierzchni asfaltowej. Były to przede wszystkim
wykruszenia ziaren, spękania podłużne w śladach kół i spękania siatkowe. Typowy
wygląd nawierzchni przedstawia fotografia 1.

Fotografia 1. Spękania podłużne w śladach kół i wyrwane ziarna

Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy stwierdzono, że podstawowe
przyczyny uszkodzeń nawierzchni na tym odcinku to:
1. Zaprojektowano i wykonano beton asfaltowy kruchy i sztywny. Taki beton

asfaltowy, choć odporny na deformacje plastyczne, łatwo pęka przy nawet
niewielkich odkształceniach podłoża. Dodatkowo beton asfaltowy na
rozpatrywanym odcinku był nasiąkliwy, wodoprzepuszczalny i nie odporny na
działanie wody i mrozu, co ułatwiło proces destrukcji nawierzchni.

2. Wodoprzepuszczalność i duża nasiąkliwość betonu asfaltowego umożliwiła

nasycenie wodą podbudowy z kruszywa łamanego i w efekcie spowodowała
obniżenie nośności tej podbudowy, zwiększenie odkształceń pod ruchem i
przyśpieszenie postępu spękań warstw asfaltowych.

3. Stwierdzono brak sczepności międzywarstwowej, który spowodował znaczny

wzrost odkształceń w warstwach nawierzchni i w rezultacie przyśpieszenie
postępu spękań nawierzchni.

Zaprojektowane i wykonane warstwy asfaltowe charakteryzowały się się małą
adhezją asfaltu do kruszywa. Stwierdzono odmywanie asfaltu z ziaren kruszywa,
wyrywanie ziaren przez koła pojazdów oraz złuszczenia powierzchniowe wywołane
zarówno ruchem jak i czynnikami atmosferycznymi. Stwierdzono, że były dwie
podstawowe wady betonu asfaltowego: nadmierna ilość miału kamiennego w
mieszance mineralnej i za mała zawartości asfaltu. Do betonu asfaltowego użyto
zapylonego miału kamiennego, a proces produkcji odbywał się w otaczarce
bębnowej, gdzie odpylanie jest ograniczone.

W trakcie budowy stwierdzono zawyżoną zawartość wolnych przestrzeni w warstwie
ścieralnej i przypadki niewielkiego niedogęszczenia, co mogło być rezultatem

wbudowywania przesztywnionej mieszanki. Miało to niekorzystny wpływ na
późniejsze zachowanie się nawierzchni. Badania próbek betonu asfaltowego
pobranych z nawierzchni, po stwierdzeniu zniszczeń, wykazały znaczne odstępstwa
od wymagań i od wyników badań powykonawczych, co wynikało z daleko
posuniętego procesu destrukcji materiału.

Kruszywo łamane użyte do podbudowy stabilizowanej mechanicznie miało za niski
wskaźnik piaskowy, co wskazuje na plastyczność części drobnych, było
niejednorodne oraz było nadmiernie zapylone. Kruszywo uległo nadmiernemu
nasyceniu wodą, ponieważ warstwy asfaltowe nie były szczelne. W wyniku dużego
nasycenia wodą warstwy podbudowy w okresie roztopów wystąpił znaczny spadek
nośności warstwy kruszywa łamanego.

Nałożenie się wymienionych przyczyn spowodowało przedwczesne zniszczenie
nawierzchni. Po dwóch latach eksploatacji trzeba było pomyśleć o remoncie i
odtworzeniu nawierzchni, co już wykonano.

3. Przypadek 2

Intensywne uszkodzenia nawierzchni nowowybudowanej drogi o bardzo dużym
obciążeniu ruchem wystąpiły po 4 latach eksploatacji. Były to spękania w postaci
nieregularnej siatki występujące zarówno na prawym, jak i na lewym pasie ruchu.
Spękania wystąpiły również w miejscach mniej obciążonych ruchem (pobocza).
Intensywność występowania spękań była większa na najbardziej obciążonym pasie
ruchu. Wygląd nawierzchni z typowymi spękaniami przedstawiono na fotografiach od
3 do 4. Na fotografii 5 przedstawiono destrukcje nawierzchni w miejscu wystąpienia
spękań.

Fotografia 3. Typowe spękania nawierzchni

(przypadek 2)

Fotografia 4. Intensywne spękania na

prawym pasie ruchu

Na podstawie badań i analizy stwierdzono, że główną przyczyną uszkodzeń
nawierzchni było odmycie asfaltu z kruszywa w warstwie wiążącej, a także, ale w
mniejszym stopniu w warstwie podbudowy z betonu asfaltowego. Odmycie to było
spowodowane niewystarczającą przyczepnością asfaltu do kruszywa. W warstwie
ścieralnej zjawisko odmycia asfaltu nie wystąpiło.

brak sczepności

pomiedzy warstwą

ścieralną i wiążącą

brak sczepności

pomiędzy warstwą

wiążącą i podbudową

warstwa ścieralna
– miejscami bardzo
intensywnie spękana

warstwa wiążąca
w większości
przypadków pokruszona,
luźna z wyraźnie
odmytymi z asfaltu
ziarnami kruszywa

warstwa podbudowy
w mniejszym stopniu
pokruszona niż warstwa
wiążąca, lecz również z
wyraźnym odmyciem
asfaltu z ziaren
kruszywa

Fotografia 5. Destrukcja nawierzchni asfaltowej – widok rozpadającej się próbki z

odwierconej z nawierzchni

Niewystarczająca przyczepność mogła być spowodowana następującymi
czynnikami:
1. Zastosowaniem kruszywa kwarcytowego, które ma najgorsze powinowactwo z

asfaltem.

2. Zastosowanie nieodpowiedniego środka adhezyjnego lub zbyt małej jego ilości,

który nie poprawił przyczepności asfaltu do kruszywa kwarcytowego.

3. Zastosowanie zbyt małej ilości asfaltu, który zbyt cienką błonką otoczył kruszywo.
Nałożenie się wymienionych czynników lub każdy czynnik z osobna spowodowały, że
w betonie asfaltowym, w wyniku działania wody i mrozu asfalt został odmyty z ziaren
kruszywa i są one w tej chwili nieotoczone. Asfalt odmyty z grubego kruszywa, wraz
z drobnymi cząstkami, został wypłukany z betonu asfaltowego. Kruszywo grube
pozbawione otoczki asfaltowej było podatne na przemieszczenia i ruchy wywołane
poprzez pojazdy samochodowe oraz działanie wody i mrozu. W wyniku tych
przemieszczeń warstwa ścieralna leżąca na słabej warstwie niezwiązanego
kruszywa uległa spękaniom.

Dodatkowymi przyczynami, które przyspieszyły proces degradacji były:
1. Zbyt duża sztywność warstw asfaltowych (duży moduł sztywności, mała

wytrzymałość na rozciąganie).

2. Zbyt mało asfaltu w warstwie wiążącej i w warstwie podbudowy z betonu

asfaltowego.

3. Brak wystarczającej sczepności pomiędzy warstwami asfaltowymi.
Omawiany odcinek ma być wkrótce remontowany.

4. Przypadek 3

Nawierzchnia została naprawiona jesienią przez ułożenie geowłókniny i wbudowanie
na niej 4 cm warstwy ścieralnej z SMA. Pierwsze oznaki uszkodzeń wystąpiły na
wiosnę następnego roku. Latem, kiedy temperatura nawierzchni dochodziła do 50°C

warstwa ścieralna z SMA zaczęła się deformować i pękać, tworząc silne sfalowania
nawierzchni. W miejscach najbardziej narażonych na obciążenia poziome tzn. w
okolicach przystanków autobusowych zaczęła się przesuwać. Przesunięcia, ślizganie
się nawierzchni następowały na warstwie z włókniny, tworząc silne sfałdowania i
wysuwanie się nawierzchni poza krawężnik na chodnik dla pieszych, które
dochodziły nawet do 0,5 m. Proces degradacji nawierzchni postępował szybko w
czasie. Podczas wizji lokalnej przeprowadzonej przez autorów zanotowano
następujące uszkodzenia:

• uszkodzenia powierzchniowe warstwy ścieralnej z SMA spowodowane

poślizgiem tej warstwy na warstwie geowłókniny (wyboje, wykruszenia
warstwy),

• zachodzenie warstwy SMA wraz z geowłókniną na pobocze jezdni i

krawężnik,

• znaczne przemieszczenia warstwy SMA zwłaszcza na odcinkach przed

przystankami autobusowymi dochodzące w krytycznym miejscu do około
dwóch metrów!!!,

• rozchodzenie

się warstwy na środku jezdni (poszerzający się szef roboczy),

• wychodzenie

geowłókniny na zewnątrz przy krawędziach jezdni,

Wygląd odcinka przedstawiono szczegółowo na załączonych fotografiach.

Fotografia 5. Ogólny wygląd uszkodzeń przed przystankiem autobusowym

Przeprowadzone badania terenowe i laboratoryjne oraz analizy obliczeniowe
pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków dotyczących przyczyn
uszkodzeń i zniszczeń nawierzchni:

• zniszczenie nawierzchni zostało spowodowane poślizgiem w warstwie

geowłókniny nasyconej asfaltem,

• cechy materiału warstwy ścieralnej z SMA wbudowanej w jezdnie były

prawidłowe.

Fotografia 6. Przykład wychodzenia warstwy

geowłókniny spod warstwy SMA przy

krawędziach jezdni

Fotografia 7. Przykład poślizgu i „marszczenia

się” warstwy SMA

Stwierdzono, że instrukcja dystrybutora geowłókniny zalecała dwukrotne obfite
skrapianie asfaltem w znacznej ilości, pierwszy raz pod geowłókniną i drugi raz nad
geowłókniną. Zarówno instrukcja, jak i aprobata techniczna nie zabraniały układania
geowłókniny pod cienką warstwą ścieralną.

Z opisanego przypadku można wyciągnąć następujące wnioski:

• geosyntetyk nie może być wbudowany zbyt blisko powierzchni jezdni, gdzie

działają duże siły styczne,

• ilość emulsji do skropienia musi być odpowiednia do danego geosyntetyku

(nie za duża bo spowoduje poślizg i nie za mała bo nie zwiąże ze sobą
warstw),

• powinna być stosowana emulsja zapewniająca jak największą siłę wiążącą

asfaltu ( z twardym asfaltem, albo z modyfikowanym asfaltem).

5. Przypadek 4

W 2002 roku wykonano ocenę wizualną

12 odcinków nawierzchni ulic miejskich

eksploatowanych od 2 do 8 lat. Pobrano także próbki z ocenianych nawierzchni i
przeprowadzono standardowe badania laboratoryjne oraz badanie odporności na
działanie wody i mrozu według zmodyfikowanej metody AASHTO T283. Odcinki do
oceny wytypowano na podstawie kontaktów z zarządcą dróg, wykonawcami robót
drogowych i własnych spostrzeżeń. W skład wybranych ulic wchodziły nawierzchnie
o różnej intensywności zniszczeń powodowanych prawdopodobnie oddziaływaniem
wody i mrozu. Zniszczenia wybranych nawierzchni objawiały się poprzez:
złuszczenia, ubytki ziaren i lepiszcza, rozluźnioną strukturę mieszanki, wyboje oraz
nieregularne spękania nawierzchni (patrz tab. 1, pokazano tylko niektóre
nawierzchnie).

Analiza recept roboczych warstw ścieralnych wybranych nawierzchni wykazała, że
prawie wszystkie, poza dwoma, wykonano zgodnie z zasadami projektowania
zawartymi w Zeszycie nr 48 IBDiM dla ruchu KR3-KR6. Pozostałe dwie recepty

Ocena wizualna wg SOSN z 1989 r

wykonano wg PN-74/S-96022 dla ruchu R6. Wiek wybranych nawierzchni
zaprojektowanych wg Zeszytu 48, zawierał się w przedziale od 2 do 6 lat. Wiek
nawierzchni zaprojektowanych wg PN-74/S-96022 zawierał się w przedziale 5-8 lat.
Nawierzchnie wykonanywano w ramach remontu ulic, który najczęściej polegał na
wzmocnieniu istniejącej nawierzchni przez dołożenie dwóch, trzech warstw
asfaltowych.

Betony asfaltowe wbudowane w warstwy ścieralne charakteryzują się zgodnością z
Zeszytem 48 IBDiM w zakresie dopuszczalnych tolerancji składu mineralnego i
zawartości asfaltu. Jednakże w prawie każdej mieszance wyznaczono mniejszą
zawartość asfaltu bliższą dolnej dopuszczalnej granicy i większą zawartość frakcji
wypełniacza bliższą górnej dopuszczalnej granicy, ale w granicach tolerancji
wykonawczych w stosunku do wartości podanych w projekcie.

Tablica 1. Widok nawierzchni wybranych ulic miejskich wraz z oceną ich stanu wg SOSN

ul. Nr 3; S=0,07; klasa D

ul. Nr 4; S=0,58; klasa C

ul. Nr 5; S=0,65; klasa C

ul. Nr 6; S=0,10; klasa D

ul. Nr 9; S=0,38; klasa D

ul. Nr 10; S=0,48; klasa C

Z wcześniejszych doświadczeń wynika, że warstwy ścieralne z betonów asfaltowych,
wykonanych wg Zeszytu 48 charakteryzują się modułami sztywności sprężystej w
temperaturze 20°C na poziomie 4000 MPa. Moduły mieszanek wybranych ulic
miejskich osiągają poziom 3000–9000 MPa. W 50% przypadków, czyli dla 6
najsztywniejszych nawierzchni stwierdzono moduł betonu asfaltowego warstwy
ścieralnej od 5800 MPa do 8900 MPa. Beton asfaltowy wbudowany w większość
badanych nawierzchni był, więc mocno przesztywniony.

Stwierdzono, że zawartość wolnych przestrzeni była poza zakresem dopuszczonym
w 4 przypadkach na 12 i wynosiła od 5,5 do 6,1%. Zawartość wolnych przestrzeni
rzędu 5-6% jest wyższa od wymagań polskiej normy, ale w zasadzie nie jest zbyt
niebezpiecznie wysoka. Warto jednak zauważyć, że przy nadmiernej zawartości
wolnych przestrzeni betony asfaltowe odznaczają się zmniejszoną trwałością
zmęczeniową i zmniejszoną odpornością na oddziaływanie czynników
atmosferycznych (starzenie i oddziaływanie wody i mrozu). Wszystkie wbudowane w
nawierzchnie betony asfaltowe były tak samo zagęszczone jak w laboratoryjnym
badaniu Marshalla. Wskaźniki zagęszczenia wynosiły od 99,4% do 100,9%.

Mastyks zawarty w badanych betonach asfaltowych był za sztywny. Analiza
wykazała, że stosunek „wypełniacz/asfalt” dla badanych betonów był równy od 1,0 do
1,88. Na 12 nawierzchni w 11 przypadkach ten stosunek był większy od 1,20, a w 8
przypadkach był większy od 1,60. Wg SUPERPAVE stosunek „wypełniacz/asfalt” dla
mieszanek do 20 mm powinien mieścić się w przedziale od 0,6 do 1,2. W Europie
podaje się wartości do 1,5. Potwierdza to wniosek, że badane betony asfaltowe miały
niewłaściwe proporcje pomiędzy wypełniaczem i asfaltem. Ilość asfaltu nie była
wystarczająca do nadania odpowiednich cech mastyksowi, takich jak odkształcalność
i elastyczność. Mastyks mógł być sztywny i kruchy, co usztywniło mieszankę i było
również, przynajmniej w części, powodem obserwowanych uszkodzeń nawierzchni.

Zależność stanu powierzchni od

stosunku "wypełniacz/asfalt"

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

Stosunek "wypełniacz/asfalt"

pow

chn

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

prawidłowy

nieprawidłowy

cyfry oznaczają przypisane numery ulic, B – stan zadawalający, C – stan niezadawalający, D – stan zły

Rysunek 1. Zależność pomiędzy stanem powierzchni według SOSN a stosunkiem

„wypełniacz/asfalt”.

Badania odporności na działanie wody i mrozu wykazały, że wraz ze wzrostem
sztywności oraz stosunku W/A (Wypełniacz / Asfalt) maleje odporność mieszanek

mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu określona w laboratorium.
Jednocześnie wykazano, że przy stosunku W/A większym od 1,2 i rosnącym
pogarsza się stan powierzchni jezdni oceniany wg SOSN (patrz rys. 1).

6. Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych badań i obserwacji przedwcześnie zniszczonych
nawierzchni można sformułować następujące wnioski:

1. Większość uszkodzonych betonów asfaltowych charakteryzowała się za

wysoką sztywnością.

2. Przyczyną przesztywnienia betonów są często błędy w proporcjach

objętościowych. Przede wszystkim obserwuje się niekorzystny stosunek
„wypełniacz/asfalt” w składzie betonu asfaltowego, znacznie przekraczający
zalecony zakres. Mastyks wytworzony z dużej ilości wypełniacza i małej ilości
asfaltu jest sztywny i kruchy, co usztywnia beton asfaltowy i obniża jego
jakość.

3. Obserwuje się tendencje projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych o

różnym składzie petrograficznym. Pojawia się problem właściwej adhezji
pomiędzy kruszywem a asfaltem. Jednocześnie utrudniony jest dobór
odpowiedniego środka adhezyjnego. Mieszanki o różnorodnym składzie
petrograficznym nie zawsze zachowują odporność na działanie wody i mrozu.

4. Stosowanie gruboziarnistych mieszanek mineralno-asfaltowych z minimalną,

dopuszczoną zawartością asfaltu powoduje też problem słabej sczepności
międzywarstwowej, która jest niewystarczająco kontrolowana podczas
wbudowywania warstw konstrukcji nawierzchni.

5. Należy zachować szczególną ostrożność podczas wbudowywania

geosyntetyków w warstwy asfaltowe. Nie należy wbudowywać geosyntetyki
bezpośrednio pod warstwami ścieralnymi. Należy starannie dobierać emulsję
asfaltową, aby zapewnić dobrą sczepność.