Uszkodzenia nawierzchni asfaltowych

Nawierzchnie drogowe ulegają zużyciu i zniszczeniom podobnie jak każdy inny produkt

poddany eksploatacji.

Nawierzchnie drogowe poddawane są obciążeniom od kół przejeżdżających pojazdów oraz

oddziaływaniom związanym z warunkami klimatycznymi. Czynnikami wpływającymi na

intensywność oddziaływania przejeżdżających pojazdów na nawierzchnie są: natężenie ruchu,

obciążenie osi, prędkość pojazdów oraz ciśnienie w oponach. Duże natężenie ruchu oznacza

większą liczbę obciążeń oraz skrócenie czasu odpoczynku pomiędzy nimi, co niekorzystnie

wpływa na trwałość konstrukcji nawierzchni. Negatywny jest również wpływ ciśnienia w

oponie, a przede wszystkim obciążenie osi – im większe są te wartości tym szybciej

nawierzchnia ulegnie uszkodzeniu. W projektowaniu konstrukcji występuje pojęcie osi

obliczeniowej oraz agresywności osi, oznaczające szkodę zmęczeniową konstrukcji lub

warstwy wywołanej pojedynczym przejściem osi o nacisku P w stosunku do szkody

zmęczeniowej wywołanej jednym przejściem osi obliczeniowej o nacisku Po[1]. Wpływ

oddziaływania samochodów osobowych jest znikomy w porównaniu do oddziaływania

samochodu ciężarowego o dopuszczalnym obciążeniu osi, którego jeden przejazd

równoznaczny jest przejazdom 160 tys. samochodów osobowych. Duże znaczenie mają

również pojazdy o ponadnormatywnym obciążeniu powodujące zwiększone oddziaływanie na

nawierzchnię. Wśród czynników klimatycznych należy wymienić wysoką i niską temperaturę

oraz cykliczne zmiany temperatury. Klimat w Polsce jest niekorzystny pod względem

oddziaływania na nawierzchnie drogowe. Temperatura nasłonecznionej nawierzchni latem

może osiągnąć 70°C, podczas gdy zimą spada nawet do -30°C. W okresie letnich upałów,

kiedy asfalt będący materiałem termoplastycznym mięknie, występuje ryzyko powstania

kolein, a zimą staje się sztywny i możliwe jest wystąpienie spękań niskotemperaturowych.

Rodzaje zniszczeń

Pod wpływem działania obciążeń zewnętrznych drogowe nawierzchnie bitumiczne ulegają

uszkodzeniom. Rozróżniamy następujące rodzaje uszkodzeń nawierzchni [3]: deformacja

trwała strukturalna, deformacja trwała lepkoplastyczna, spękania niskotemperaturowe,

spękania niskotemperaturowe zmęczeniowe, spękania odbite, spękania zmęczeniowe,

zniszczenia powierzchniowe. Poszczególne warstwy konstrukcji podlegają różnym rodzajom

uszkodzeń [4]. Na rysunku 1 przedstawiono lokalizację uszkodzeń w konstrukcji nawierzchni

drogowej. Podbudowa asfaltowa podlega głównie uszkodzeniom zmęczeniowym, a w

niewielkim stopniu koleinowaniu. Warstwa wiążąca jest szczególnie narażona na deformacje

trwałe, może również podlegać zniszczeniom niskotemperaturowym, natomiast inicjacja

spękań zmęczeniowych w tej warstwie jest najmniej prawdopodobna. Z uwagi na swoje

położenie, najbardziej narażoną na zniszczenia jest warstwa ścieralna. Wśród możliwych

rodzajów uszkodzeń należy wymienić: pękanie niskotemperaturowe, koleinowanie,

zmęczenie termiczne, zniszczenia od penetrującej wody oraz zniszczenia powierzchniowe.

Deformacje trwałe (koleiny)

Wśród deformacji trwałych nawierzchni drogowych wyróżniamy deformacje strukturalne

nawierzchni i deformacje lepkoplastyczne nawierzchni (rys. 2). Deformacje strukturalne są

efektem odkształcenia podłoża gruntowego, które odwzorowuje się na wyższych warstwach,

a powstała koleina jest dużej szerokości o łagodnych brzegach. Przyczyną tego rodzaju

deformacji może być niewłaściwa nośność podłoża, niedowymiarowanie konstrukcji i

niewłaściwy dobór materiałów. Deformacje lepkoplastyczne powstają w wysokich

temperaturach i dotyczą warstw asfaltowych. Sprzyja im również wydłużenie czasu

obciążenia, a więc powolny ruch lub postój pojazdów. Ten rodzaj kolein ma mniejszą

szerokość, natomiast krawędzie są wyraźne, wystające ponad powierzchnię warstwy

ścieralnej. Przyczyną tego rodzaju zniszczeń jest niewłaściwy dobór materiałów i składu

mieszanki mineralno-asfaltowej. Do deformacji trwałych zalicza się również odciski i ślady w

miejscach postojów pojazdów oraz sfalowania w rejonach skrzyżowań, gdzie występują

większe siły ścinające (poziome) na skutek hamowania i przyspieszania.

Spękania

Przyczyny spękań nawierzchni drogowych są bardzo różne, zależą od typu konstrukcji

nawierzchni, zastosowanych materiałów, warunków obciążenia i czynników klimatycznych.

Spękania niskotemperaturowe powstają wówczas, gdy naprężenia rozciągające powstające w

warstwie wskutek skurczu termicznego w warunkach ograniczonej odkształcalności

przekroczą wytrzymałość na rozciąganie w danej temperaturze. Niebezpieczeństwo powstania

spękań niskotemperaturowych zależy nie tylko od wartości ujemnej temperatury, ale również

wzrasta przy gwałtownych spadkach temperatury, ponieważ w takich warunkach relaksacja

naprężeń w warstwie asfaltowej jest ograniczona. Spękania niskotemperaturowe mają postać

spękań poprzecznych (fot. 2), powstają w warstwie ścieralnej i mogą przenosić się na niżej

położone warstwy. Proces destrukcji może być wówczas potęgowany poprzez wnikanie i

zamarzanie wody przez powstałe szczeliny. W okresie zimowym dochodzi również

niekorzystne oddziaływanie środków odladzających oraz częstych zmian temperatury

(przejścia przez zero), kiedy to mogą powstać spękania niskotemperaturowe zmęczeniowe.

Spękania odbite są to spękania powstające w górnych warstwach konstrukcji i są

odwzorowaniem niżej położonych warstw konstrukcyjnych (fot. 3). Klasycznym przykładem

takiego zniszczenia, są spękania odbite w nawierzchniach półsztywnych, czyli posiadających

podbudowę związaną spoiwem hydraulicznym. W takiej warstwie naturalnym procesem jest

powstanie spękania skurczowego. Na połączeniu z wyżej położoną warstwą asfaltową

powstaje tzw. zjawisko karbu czyli koncentracji naprężeń rozciągających w miejscu

pęknięcia. W takiej sytuacji inicjowane jest spękanie w warstwie asfaltowej, które następnie

postępuje ku górze. Spękania zmęczeniowe warstw asfaltowych dotyczą dwóch typów

konstrukcji nawierzchni: podatnej i półsztywnej (najczęściej w drugim etapie pracy, czyli po

zniszczeniu podbudowy ze spoiwem hydraulicznym). W obydwu przypadkach spękania o

charakterze zmęczeniowym są generowane przede wszystkim w spodzie warstw asfaltowych

spoczywających na warstwie niezwiązanej lub na spękanej podbudowie sztywnej i postępują

ku górnym warstwom konstrukcji. Coraz częściej stwierdza się również spękania

zmęczeniowe powstające w warstwie ścieralnej, które następnie przenoszą się na warstwy

dolne. Po raz pierwszy uwzględniono je w mechanistycznej metodzie projektowania

nawierzchni w AASHTO Guide 2002 [5]. Przyczyny tego rodzaju spękań mogą być

następujące:

• osłabienie trwałości zmęczeniowej mieszanki w warstwie ścieralnej na skutek

przyspieszonych procesów starzeniowych i bezpośredniego oddziaływania czynników

zewnętrznych,

• brak związania warstwy ścieralnej z konstrukcją,

• występowanie poziomych sił ścinających,

• cykliczne obciążenia od kół pojazdów o coraz większym ciśnieniu w oponach, w tym koła

pojedyncze o dużym ciśnieniu tzw. super single,

• występowanie odkształceń rozciągających na powierzchni w warstwie ścieralnej w

momencie, gdy koło pojazdu zbliża się i mija przekrój obliczeniowy [6]. Spękania

zmęczeniowe w warstwie ścieralnej są dość łatwo rozpoznawalne, ponieważ występują w

postaci siatki spękań w śladach kół. Pojedyncze spękanie zmęczeniowe generowane w

spodzie warstw asfaltowych jest zazwyczaj skierowane poprzecznie do kierunku ruchu

pojazdów, natomiast spękania rozpoczynające się w warstwie ścieralnej mają kierunek

wzdłużny [7]. W celu dokładnej oceny przyczyn i charakteru spękań, pobiera się odwierty w

miejscach spękań i poza nimi, a w razie potrzeb przeprowadza bardziej kompleksowe badania

laboratoryjne.

Zniszczenia powierzchniowe

Zniszczenia powierzchniowe mogą polegać na wypadaniu pojedynczych ziaren nawierzchni

lub też ubytkach samej mieszanki mineralno-asfaltowej. Przyczyną tego rodzaju może być

segregacja kruszywa, niewłaściwe zagęszczenie i niewystarczająca adhezja asfaltu do

kruszywa.

Poprawa jakości jest możliwa

Omówione rodzaje zniszczeń mogą występować równocześnie, w różnych kombinacjach, co

prowadzi do szybszej degradacji nawierzchni, a analiza przyczyn staje się bardziej złożona.

Konstrukcja nawierzchni drogowej oraz skład mieszanki mineralno-asfaltowej powinny być

tak zaprojektowane i wykonane, aby uniemożliwić lub ograniczyć powstanie zniszczeń,

zapewnić wymaganą trwałość nawierzchni z uwzględnieniem bezpieczeństwa ruchu,

komfortu użytkowników, aspektów ekonomicznych i wpływu na środowisko. Spełnienie

powyższych warunków jest zadaniem trudnym i złożonym, a wynika to nie tylko ze

złożoności obciążeń, jakim poddawana jest nawierzchnia drogowa, ale również ze specyfiki

materiału, jakim jest mieszanka mineralno-asfaltowa. Obecnie można zauważyć poprawę

jakości nawierzchni asfaltowych w Polsce, co jest efektem postępu technicznego, lepszych

materiałów i ich odpowiedniego doboru, nowych technologii, udoskonalenia metod

projektowania i wprowadzeniem zaawansowanych metod badawczych w laboratorium

(odporność na koleinowanie, zmęczenie, wodoodporność). Jest to dowód na to, że

zaprojektowanie i wykonanie nawierzchni asfaltowych, które w naszych trudnych warunkach

klimatycznych nie będą ulegały przedwczesnym zniszczeniom, jest możliwe.

dr inż. Wojciech Bańkowski

Instytut Badawczy Dróg i Mostów