Technologia budowy

dróg

Przyczyny uszkodzeń

nawierzchni

Główne przyczyny uszkodzeń nawierzchni drogowej:

- nadmierne obciążenia od kół pojazdów,
- osłabienie nośności podłoża gruntowego lub podbudowy

na skutek zawilgocenia, przy nieodpowiednim odwodnieniu,

- wysadziny i przełomy, przy cyklach zamarzania i odmarzania
- działanie kół pojazdów na warstwę ścieralną,
- przenikanie gruntu podłoża do podbudowy,
- korozja materiałów nawierzchni,
- działanie soli.

Niszczące działanie nadmiernych

obciążeń

Ustawa o drogach publicznych

Art. 41.

1. Po drogach publicznych dopuszcza się ruch pojazdów o dopuszczalnym
nacisku pojedynczej osi napędowej do 11,5 t, z zastrzeżeniem ust. 2 i 3.

2. Minister właściwy do spraw transportu ustala, w drodze rozporządzenia,
wykaz:

1) dróg krajowych oraz dróg wojewódzkich, po których mogą poruszać się
pojazdy o dopuszczalnym nacisku pojedynczej osi do 10 t,

2) dróg krajowych, po których mogą poruszać się pojazdy o dopuszczalnym
nacisku pojedynczej osi do 8 t

– mając na uwadze potrzebę ochrony dróg oraz zapewnienia ruchu tranzytowego.

3. Drogi wojewódzkie inne niż drogi określone na podstawie ust. 2 pkt 1, drogi
powiatowe oraz drogi gminne stanowią sieć dróg, po których mogą poruszać
się pojazdy o dopuszczalnym nacisku pojedynczej osi do 8 t.

Niszczące działanie nadmiernych

obciążeń

Naprężenia w nawierzchni są zależne od wartości jednostkowego ciśnienia p, jakie wywiera koło

samochodu na nawierzchnię i od średnicy D powierzchni styku opony z nawierzchnią. Naprężenia

maleją wraz z głębokością i na głębokości 2D wynoszą ok. 10% wartości ciśnienia p (rys. 1).

Rys.1. Rozkład naprężeń w nawierzchni pod działaniem koła samochodowego [3]

Zadaniem poszczególnych warstw powierzchni jest redukcja naprężeń od obciążenia kołem

samochodowym do takiej wartości, aby na poziomie podłoża gruntowego naprężenia ścinające nie

przekraczały wartości dopuszczalnych dla danego rodzaju gruntu. Zdolności przenoszenia obciążeń

przez poszczególne warstwy konstrukcyjne nawierzchni jest funkcją ich grubości i mechanicznej

sztywności materiałów wchodzących w ich skład.

Z przedstawionego rozkładu naprężeń wynika, że wytrzymałość poszczególnych warstw

konstrukcyjnych nawierzchni powinna zmniejszać się wraz z głębokością. Całkowita grubość

nawierzchni zależna jest od kategorii ruchu wyrażonej liczbą osi obliczeniowych 100 kN,

przypadających na obliczeniowy pas ruchu na dobę.

Niszczące działanie nadmiernych

obciążeń

Szacuje się, że zniszczenie naw ierzchni Z , w skutek obciążeń w iększych od porów naw czych,

w zrasta w edług w zoru

4

max

















por

P

P

Z

gdzie:

P

m ax

– obciążenie m aksym alne

P

por

– obciążenie porów naw cze (np. 80 kN/oś).

O znacza to np., że zw iększenie m aksym alnego obciążenia sam ochodu z 80 kN/oś do 130

kN/oś oddziałuje na naw ierzchnię ok. 7 razy bardziej niszcząco, poniew aż

0

,

7

625

,

1

80

130

4

4

















tj. trw ałość naw ierzchni obniży się około 85% . Z atem naw ierzchnia zbudow ana dla ruchu

sam ochodów o obciążeniu 80 kN/oś, obliczona na 1 m ilion przejść tych sam ochodów , ulegnie

zniszczeniu po 143 tysiącach przejazdów sam ochodów o obciążeniu 130kN/oś.

Niszczące działanie nadmiernych

obciążeń

S

za

c

u

je

się

, że

z

w

ię

k

s

z

e

n

ie

o

b

c

ią

ż

e

n

ia

o

s

i s

a

m

o

c

h

o

d

ó

w

w

sto

su

n

k

u

d

o

o

b

c

ią

że

n

ia

o

si

sa

m

o

c

h

o

d

ó

w

p

o

ró

w

n

a

w

c

zyc

h

p

o

c

ią

g

a

z

a

s

o

b

ą

k

o

n

ie

c

z

n

o

ś

ć

z

w

ię

k

s

z

e

n

ia

g

ru

b

o

ś

c

i

n

a

w

ie

rz

c

h

n

i H

w

e

d

łu

g

w

zo

ru

3

max

por

P

P

H

W

n

a

szym

k

ra

ju

w

c

ią

g

u

o

sta

tn

ic

h

k

ilk

u

n

a

stu

la

t ru

c

h

sa

m

o

c

h

o

d

ó

w

c

ię

żk

ic

h

zw

ię

k

szył się

w

ie

lo

k

ro

tn

ie

. B

ra

k

d

o

sta

te

c

zn

e

j k

o

n

tro

li sp

ra

w

ił, że

sa

m

o

c

h

o

d

y c

ię

ża

ro

w

e

c

zę

sto

b

yły

p

rze

ła

d

o

w

a

n

e

. P

o

w

yższe

d

w

a

c

zyn

n

ik

i d

o

p

ro

w

a

d

ziły d

o

d

u

że

g

o

zn

iszc

ze

n

ia

n

a

w

ie

rzc

h

n

i,

k

tó

re

w

p

o

p

rze

d

n

ic

h

la

ta

c

h

b

yły p

ro

je

k

to

w

a

n

e

d

la

m

n

ie

jsze

g

o

ru

c

h

u

i m

n

ie

jszyc

h

o

b

c

ią

że

ń

.

Niszczące działanie wody

Woda może przedostawać się do podłoża gruntowego i do podbudowy z:

- wód atmosferycznych – przesiąkając przez szczeliny nawierzchni i pobocza,

- otaczającego terenu - przesiąkając z warstw wyżej położonych,

- wód gruntowych - przy podniesieniu się ich poziomu,

- wody w rowach lub ze zbiorników wodnych obok położonych,

- poziomu wód gruntowych – podciąganie kapilarne,

- pary wodnej znajdującej się w gruncie.

Rys. 2. Możliwe przyczyny zawilgocenia podłoża drogowego i warstw nawierzchni [4]

Niszczące działanie wody

Niszczące działanie wody przejawia się w osłabieniu nośności podłoża drogowego i

podbudowy.

Nie wszystkie jednak rodzaje podłoża i podbudowy są jednakowo wrażliwe na działanie

wody. Piaski, żwiry, podbudowy z czystego kruszywa, podbudowy nieprzepuszczalne są

mniej wrażliwe na zawilgocenie. Natomiast podłoża gruntowe i podbudowy z kruszywa

zaglonionego, zawierające cząstki drobne (zwłaszcza frakcje ilaste), przechodzą przy

większym zawilgoceniu w stan plastyczny. Cząstki ilaste stanowią wówczas, czynnik

zmniejszający tarcie wewnętrzne dla ziaren piasku, żwiru, kruszywa, co ułatwia wzajemne

przesunięcia ziarn.

Rys. 3. Wpływ wilgotności gruntu spoistego na jego nośność (wykres poglądowy) [3]

Wysadziny i przełomy

Bezpośrednią przyczyną powstawania uszkodzeń nawierzchni w postaci wysadzin i

przełomów jest woda zamarzająca w podłożu zawierającym grunty wysadzinowe. Grunty

wysadzinowe, to grunty które zawierają ponad 10% cząstek mniejszych od 0,02 mm i mają

kapilarność bierną ponad 1,0 m.

Przez wysadziny rozumie się miejscowe odkształcenia nawierzchni spowodowane

tworzeniem się w gruncie lub w samej nawierzchni soczewek lodowych, które wywołują

zwiększenie objętości i podnoszenie (wysadzanie) w górę nawierzchni. Wysadziny

nawierzchni sięgają kilku, a nawet kilkunastu centymetrów.

Przełomami nazywa się trwałe odkształcenia nawierzchni i podbudowy lub podłoża w

postaci sfalowania lub spękania, powstałe pod wpływem ruchu pojazdów po nawierzchni o

nośności obniżonej na skutek nawodnienia. Przełomy powstają wiosną, w okresie topnienia

soczewek lodowych.

Wysadziny i przełomy

Skutki podnoszenia istniejącej nawierzchni byłyby mniej groźne, gdyby podnoszenie odbyło

się równomiernie na całej powierzchni. Jednak wobec niejednorodności podłoża tworzą się

soczewki lodowe różnej grubości i powstają lokalne wybrzuszenia nawierzchni (rys. 4), a

ponieważ w okresie zimy masy bitumiczne mają małą wytrzymałość na rozciąganie, są

kruche, nawierzchnia pęka i wykrusza się. Tak osłabiona nawierzchnia jest podatna w okresie

wiosennych roztopów na tworzenie się przełomów.

Rys. 4. Zniszczenie nawierzchni spowodowane wysadzinami [4]

Wysadziny i przełomy

Równie groźne są wysadziny dla nawierzchni betonowych, szczególnie prefabrykowanych.

Wywołują one nierównomierne podnoszenie płyt i ich klawiszowanie (rys, 5), albo też

podnoszenie płyt w środku i w konsekwencji załamanie ich pod ciężarem własnym lub pod

naciskami samochodów.

Rys. 5. Możliwość klawiszowania nawierzchni betonowej [4]

Wysadziny i przełomy

Obok widocznych wysadzin i uszkodzeń, jakie one wywołują, nie mniej groźne są małe

wysadziny, które wywołują tylko drobne deformacje nawierzchni. Małe deformacje często

wystarczają, żeby wywołać drobne spękania włoskowate. Przez te niewidoczne spękania

przedostaje się woda do podbudowy i podłoża wywołując dalsze uszkodzenia nawierzchni.

Sposobem minimalizacji wysadzin i przełomów jest wymiana gruntów wysadzinowych do

granicy przemarzania, co przewiduje Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych,

jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie.

Działanie kół pojazdów na warstwę

ścieralną

Rys. 6. Oddziaływanie kół samochodów na nawierzchnię [3]

Silnik samochodu przekazuje na oś kół napędzanych (zwykle koła osi tylnej) obrotowy moment

napędzający M

n

.

Siła pociągowa na obwodzie kół, przyciskanych z siła P

1

do nawierzchni, wywołuje poziomą reakcję

nawierzchni N

1

, zaczepioną w płaszczyźnie styku koła z nawierzchnią, przy czym

N

1

= f

1

.

P

1

gdzie: f

1

– współczynnik sczepności lub współczynnik tarcia suwnego.

Reakcja nawierzchni powoduje obrót kół dookoła środków obrotu, tj. ruch postępowy kół.

Inaczej przedstawia się sprawa z kołami przednimi. Są one, pchane siłą F i usiłują wypchnąć nawierzchnię

przed sobą, a ona przeciwstawia się z siła W, zwaną oporem ruchu.

Działanie kół pojazdów na warstwę

ścieralną

Największe zniszczenia nawierzchni powodują siły obwodowe

występujące przy obrocie tylnych napędzanych kół. Powodują

one wyrywanie ziarn kruszywa, słabo zamocowanych w

nawierzchni, oraz ścieranie słabych ziarn kruszywa. Zjawisko

wyrwania ziarn kruszywa obserwuje się najlepiej na świeżo

wykonanych

powierzchniowych

utrwaleniach,

kiedy

obserwować można wyrzucanie z dużą siłą kruszywa spod kół.

Działanie kół pojazdów na warstwę

ścieralną

Siły ścinające pod powierzchnią styku układają się, jak na rys. 7.

Rys. 7. Rozkład naprężeń ścinających w obrębie powierzchni styku koła samochodowego z

nawierzchnią [3]

Na odwodzie powierzchni styku z nawierzchnią, występują zawsze siły styczne o kierunku

przeciwnym do kierunku ruchu koła, a wewnątrz powierzchni styku występują siły

skierowane zgodnie z kierunkiem ruchu koła. To tłumaczy zjawisko, że samochód z

przednimi kołami napędzanymi też wyrzuca do tyłu materiał nawierzchni swymi tylnimi nie

napędzanymi kołami.

W środku powierzchni styku występują również siły ssące, które powodują wyrywanie

drobnych cząstek z nawierzchni, co szczególnie widać na nawierzchniach żużlowych i

gruntowych, gdzie pojazdy poruszają się w tumanach kurzu i oczyszczają nawierzchnię z

miału i pyłu, spełniających rolę spoiwa w tych nawierzchniach.

Przenikanie gruntu podłoża do

podbudowy

W starszych nawierzchniach drogowych występuje często daleko posunięte, przemieszanie

gruntu podłoża z dolnymi warstwami nawierzchni. Nierzadko zdarza się, że grunt podłoża w

postaci gliny wnika do szczelin górnych warstw nawierzchni.

Stały ciężar własny nawierzchni i nacisk kół samochodowych powodują wciskanie się

materiałów nawierzchni w grunt podłoża i gruntu podłoża w nawierzchnię.

W okresie wiosennych roztopów następuje uplastycznienie materiałów nawierzchni i

osłabienie nośności nawierzchni i osłabienie nośności nawierzchni. Powstają pęknięcia

warstw jezdnych, sfalowania nawierzchni oraz przełomy zlokalizowane w samej nawierzchni.

Środkiem zaradczym jest utworzenie pod pobudową, na granicy z podłożem gruntowym,

warstwy odcinającej, która zatrzymuje cząstki gruntu, co przewiduje Rozporządzenie w

sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich

usytuowanie.

Korozja materiałów nawierzchni

Korozja nawierzchni

Starzenie się konstrukcji nawierzchni asfaltobetonowej objawia się przez:

- rozpad materiałów kamiennych nawierzchni,

- starzenie się lepiszcz bitumicznych,

- odmywanie lepiszcza z ziarn kruszywa.

Korozja materiałów nawierzchni

Rozpad mineralnych elementów nawierzchni polega na niszczeniu mechanicznym

(rozdrabnianie) i wietrzeniu.

Przy badaniach uszkodzonych nawierzchni nierzadko zamiast zdrowych ziarn tłucznia

znajduje się pod warstwami bitumicznymi błoto lub resztki ziarn tłucznia w błotnistej masie

mączki kamiennej i miału kamiennego.

Przyczynami rozkładu materiałów mineralnych są: niszczące działanie wody i mrozu oraz

ścieranie kamieni.

Niszczące działanie wody i mrozu zostało najwcześniej rozpoznane i zastosowano tu również

środki zaradcze. Wprowadzono warunek odporności kamienia na zamrażanie i odmrażanie.

Jako dobry uważa się materiał, który wytrzymuje 25 cykli zamrażania do -20

o

C i odmrażania.

Ścieranie i rozdrabnianie kamieni zachodzi w nawierzchni na skutek zarówno bezpośrednich

uderzeń kół pojazdów o kamienie, jak i wzajemnego tarcia elementów kamiennych o siebie

pod naciskiem kół pojazdów, a także z powodu przegęszczania w czasie budowy. W takim

przypadku w czasie eksploatacji nawierzchni przy uderzeniu kołami pojazdów i ścieraniu

nimi elementów kamiennych, zachodzi rozkruszenie elementów grubszych, wyłuskiwanie ich

z górnej warstwy ścieralnej, wytwarzania się miału i pyłu kamiennego, który wraz z wodą

przenika do wnętrza nawierzchni.

W wyniku tych niszczących procesów ziarna w warstwie ścieralnej wykruszają się i tworzą

się wyboje. Z tworzącego się miału i pyłu kamiennego powstaje zaprawa, która przy

zawilgoceniu uplastycznia nawierzchnię, zmniejsza tarcie wewnętrzne i wytrzymałość

nawierzchni.

W celu minimalizacji tego zjawiska wprowadzono normatywy dotyczące ścieralności

materiałów komiennych stosowanych w drogownictwie.

Korozja materiałów nawierzchni

Starzenie się lepiszczy bitumicznych objawia się m.in. przez odparowanie substancji lotnych - lepiszcza

stają się kruche, pękają. Zapobiega się starzeniu lepiszcz przez tzw. regeneracje nawierzchni polegającą na

skropieniu nawierzchni lepiszczem i posypaniu kruszywem. Również zmiany temperatury powodują

pęknięcia nawet w masach dobrze zaprojektowanych i wykonanych. W czasie mrozów masa twardnieje i

usztywnia się, a współczynniki kurczliwości liniowej i objętościowej są duże. Asfalty miękkie wykazują

większą odporność (większą wytrzymałość na rozciąganie w niskich temperaturach), ale w wysokich

temperaturach dochodzi do powstania kolein. Przykłady spękań termicznych, pojawiających się

regularnych odstępach, co 4-5 m, można często obserwować na nawierzchniach z asfaltu lanego i batonów

asfaltowych wykonanych z użyciem asfaltów twardych (np.D 30/50).

Wpływ na zmniejszenie wytrzymałości ma też jej zmęczenie nawierzchni spowodowane powtarzającymi

się ugięciami przy przejeździe pojazdów.

Rys. 8. Zmniejszanie się wytrzymałości bitumicznej warstwy ścieralnej w zależności od liczby

powtarzających się obciążeń [3]

Korozja materiałów nawierzchni

Odmywanie lepiszcza z ziarn kruszywa

W zachowaniu stateczności nawierzchni bitumicznych duże znaczenie ma przyczepność

lepiszcza bitumicznego do powierzchni ziarn kruszywa. Przyczepność ta zależy, poza

wieloma innymi czynnikami, od zdolności zwilżania powierzchni materiału przez lepiszcze. Z

punktu widzenia praktycznego przyczepność jest to opór błonki bitumicznej przeciw jej

usuwaniu (desorpcji) pod wpływem wody.

Błonka lepiszcza bitumicznego może być usunięta przez wodę, gdy energia zwilżania wodą

jest większa od energii oporu błonki bitumicznej. Woda znajduje kontakt z otoczoną

lepiszczem powierzchnią ziarn kruszywa przez punkty mechanicznego uszkodzenia błonki

(np. na ostrych krawędziach ziarn), a nawet drogą przenikania przez błonkę bitumiczną.

Lepszą przyczepność do kruszywa wykazywały lepiszcza smołowe niż asfaltowe. Smoły nie

stosuje się już jednak od wielu lat w drogownictwie.

Działanie soli

Sól w zasadzie nie jest szkodliwa dla nawierzchni ze szczelną warstwą ścieralną.

Najbardziej wrażliwe na działanie soli są nawierzchnie kostkowe, klinkierowe, brukowe i

nawierzchnie z płyt betonowych Liczne spoiny pomiędzy drobnymi elementami tych

nawierzchni stanowią dobrą drogę przenikania roztworów wodnych soli do podbudowy i

podłoża drogowego. Roztwory te obniżają temperaturę zamarzania i otwierają drogę do

przenikania wody w głąb nawierzchni i podłoża przez cały okres zimy. Wskutek tego w

podbudowie i podłożu gromadzą się duże ilości wody, które w czasie wiosennego odmarzania

powodują przełomy na tych nawierzchniach. Nawierzchnie te mają szansę przetrwania pod

działaniem soli, jeśli spoiny zostaną uszczelnione.

Działanie soli

Nawierzchnie z betonu cementowego również mogą ulec uszkodzeniom pod działaniem soli.

Przyczyny jednak uszkodzeń nawierzchni betonowych przy działaniu na nie soli są

dyskusyjne. Początkowo sądzono, że działania chemiczne soli wpływają destrukcyjnie na

beton. Później jednak zjawiska korozji betonu tłumaczono nie reakcjami chemicznymi , ale

zjawiskami fizycznymi.

Z jednej strony zjawiska pęknięć i złuszczeń nawierzchni betonowych tłumaczy się

naprężeniami termicznymi, z drugiej strony – zwraca się uwagę na nasiąkliwość betonu i

destrukcyjne działanie wody w porach betonu.

Naprężenia termiczne w płytach betonowych powstają na skutek różnicy temperatur górnej

powierzchni płyty będącej pod działaniem soli i dolnej płyty będącej w strefie obniżonych

temperatur. Sole rozmrażające utrzymują nawierzchnię w stanie stałego zawilgocenia, woda

wsiąka w pory betonu i przy przejściu w lód, nie znajdując rezerwowej objętości do

rozszerzenia się, niszczy beton. Naprężenia termiczne, wywołane natychmiastowym

pobraniem ciepła przez sole rozmrażające, nie są w stanie spowodować uszkodzeń

nawierzchni. Naprężenia są bowiem niewielkie i beton może je przyjąć i wyrównać bez

trudności. Natomiast groźne jest tworzenie się lodu w porach betonu. Tę teorię zdaje się

potwierdzać praktyka betonów napowietrzonych, które są bardziej odporne od betonów

zwykłych na działanie soli. Betony te bowiem mimo mikroporów są jednocześnie

nienasiąkliwe.

Działanie soli

Nawierzchnie bitumiczne są w zasadzie niewrażliwe na działanie soli. Asfalt jest obojętny

wobec soli, nie ma więc reakcji chemicznych pomiędzy nimi. Jednak sole pośrednio

oddziałują również szkodliwie na nawierzchnie bitumiczne. Sole utrzymują nawierzchnię w

stanie stałego zawilgocenia i woda ma możliwość przenikania w nawierzchnię, jeśli tylko

znajdzie sobie jakąkolwiek drogę. Przenika więc siatkę porów, przez pęknięcia włoskowate.

Przy gwałtownym oziębieniu woda zamarza i powoduje zniszczenia.

Oprócz tego woda przenika w głąb nawierzchni przez pęknięcia i inne uszkodzenia

nawierzchni, dostaje się do podbudowy podłoża, osłabia je.

Opracowanie: Zbigniew Respondek, na podstawie

1.

Ustawa o drogach publicznych.

2.

Rozporządzenie w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi
publiczne i ich usytuowanie.

3.

Kalabińska M., Piłat J.: Technologia materiałów
i nawierzchni drogowych. PWN,Warszawa
1997.

4.

Rolla S.: Przełomy drogowe i wzmacnianie
nawierzchni. PWN,Warszawa 1999.

5.

Sołowczuk A.: Uszkodzenia nawierzchni
drogowych. XLII Dni Drogowe – Solina, 1999.