Mieszanki grysowo-mastyksowe

I. Schröder, BP Oil Niemcy
P. Heinrich, BP Polska

1. Wprowadzenie

Mieszanki grysowo - mastyksowe (SMA) wykonano po raz pierwszy w Niemczech 25 lat temu w celu uzyskania nawierzchni odpornych na niszczenie przez pojazdy z oponami kolcowanymi. Aktualnie, mimo tego, że używanie kolcowanych opon zostało w Niemczech zabronione (w 1975 roku), mieszanki SMA są z powodzeniem nadal szeroko stosowane. Doświadczenia wykazały, że warstwy ścieralne wykonane z mieszanek SMA mają lepsze własności eksploatacyjne niż warstwy ścieralne wykonane z betonu asfaltowego. Wzrost obciążenia ruchem (większa liczba pojazdów, zwiększony ciężar samochodów, a co za tym idzie zwiększony nacisk na osie) wymaga stosowania nawierzchni trwalszych i odpornych na koleinowanie. Skład mieszanki SMA sprawia, że nawierzchnia z niej wykonana spełnia ww. wymagania. Mieszanki grysowo - mastyksowe wykonane na bazie asfaltów modyfikowanych polimerami (polimeroasfaltów) wykazują lepsze własności eksploatacyjne - w przypadku każdej kategorii ruchu, są przy tym odporne na oddziaływanie wysokich i niskich temperatur.

W 1984 roku mieszanki SMA zostały oficjalne uwzględnione w niemieckich zaleceniach technicznych. Zakres stosowania SMA w Niemczech systematycznie wzrasta - obecnie około 250 milionów metrów kwadratowych nawierzchni drogowych wykonanych jest z mieszanek SMA. Większość z tych nawierzchni została wykonana na bazie polimeroasfaltów. Użycie polimeroasfaltu jest zalecane, wzgl. wymagane na wszystkich drogach obciążonych ruchem ciężkim oraz na autostradach.

Stosowanie polimeroasfaltów w mieszankach SMA poprawia związanie kruszywa, właściwości sprężyste i trwałość nawierzchni. BP Bitumen ma 25-latnie doświadczenie w produkcji polimeroasfaltów. Do grupy polimeroasfaltów BP Olexobit. należy asfalt modyfikowany elastomerowym SBS, wyprodukowany specjalnie pod kątem stosowania do mieszanek SMA. Wysoka jakość tego polimeroasfaltu i oraz korzystne właściwości lepko-sprężyste, gwarantowane są przez producenta, w przypadku każdej wyprodukowanej partii BP Olexobit.


2. Zasady wykonywania mieszanek grysowo - mastyksowych (SMA)

Główne założenia jakimi kierują się wykonawcy przy opracowywaniu mieszanek SMA są następujące:

Wysoka odporność na odkształcenia nawierzchni pod wpływem ruchu - dzięki odpowiedniej przyczepności lepiszcza do kruszywa oraz dużej zawartości kruszywa łamanego.
Wysoka odporność kruszywa na polerowanie - grube kruszywo o wysokim współczynniku PSV.
Długi okres trwałości nawierzchni - dzięki stosunkowo wysokiej zawartości lepiszcza dobrze wypełniającego wolne przestrzenie w mieszance mineralno-asfaltowej.
Jednorodność mieszanki - dzięki specjalnym dodatkom stabilizującym.


3. Wymagania techniczne

Wymagania techniczne w stosunku do mieszanek SMA ujęto w niemieckich zaleceniach technicznych pt.: „Specyfikacje techniczne i zalecenia wykonywania nawierzchni asfaltowych” (ZTV Asphalt - StB 94), wydanych w 1990 r. przez Federalne Ministerstwo Komunikacji. Wymagania te są następujące:

Kruszywo: - wymagane są wysokiej jakości grysy nie zawierające ziaren płaskich i wydłużonych w ilości większej niż 20% (wagowo). Zalecane skały to: gabro, granit, bazalt, diabaz. Wyklucza się stosowanie kruszyw łamanych z wapienia, piaskowca oraz innych skał miękkich. Kruszywo musi być bardzo odporne na polerowanie oraz charakteryzować się dobrą mikroteksturą.

Wypełniacz: - brak aktualnie szczegółowych wymagań; w praktyce stosuje się mączkę wapienną i piasek łamany. Niemieckie wymagania techniczne dopuszczają zawartość piasku naturalnego w ilości do 50%.

Lepiszcze: - Asfalt B80 lub polimeroasfalty 65 (PMB 65) do mieszanek 0/5 i 0/8 mm. Asfalt B65 lub polimeroasfalty 45 (PMB 45) do mieszanek 0/8 i 0/11 mm.

Stosowanie asfalty konwencjonalnych pozwala uzyskać wystarczająco dobre rezultaty w przypadku nawierzchni SMA pod ruch lekki i średni. W przypadku nawierzchni pod ruch ciężki i bardzo ciężki zalecane jest stosowanie polimeroasfaltów.

Dodatki stabilizujące: Zalecane są włókna celulozowe, kwas krzemowy oraz polimery.

Warstwy ścieralne nawierzchni wykonane z mieszanek SMA mogą zawierać kruszywo o różnym uziarnieniu, np.: 0/11mm, 0/8 mm, 0/5 mm. Mieszanki SMA o uziarnieniu 0/11 mm i 0/8 mm stosowane są do budowy nawierzchni autostrad o grubościach warstw do 40 mm. W przypadku dróg niższych kategorii, mieszanki grysowo - mastyksowe układane są jako warstwy cieńsze, np.: 15 - 20 mm w przypadku frakcji 0/5 mm, lub 20 - 25 mm w przypadku frakcji 0/8 mm, a także o grubości powyżej 25 mm w przypadku frakcji 0/11 mm.

Tabela1. Wymagania stawiane mieszankom SMA

Rodzaj mieszanki SMA	0/11S	0/8S	0/8	0/5
Kruszywo max. wielkość ziarna [mm] wielkość <0.09 mm [%m/m] >2 mm [%m/m] >5 mm [%m/m] >8 mm [%m/m] >11.2 mm [%m/m] piasek łamany piasek naturalny	11 9-13 75-80 60-70 >40 <10 >1:1	8 10-13 75-80 >55 <10 - >1:1	8 10-13 75-80 50-70 <10 - >1:1	5 10-13 60-70 <10 - - >1:1
Lepiszcze rodzaj zawartość lepiszcza [%m/m]	B65 PMB45 >6.5	B65 PMB45 >7.0	B80 PMB65 >7.0	B80 PMB65 >7.2
Dodatki stabilizujące zawartość [%m/m]	0.3-1.5	0.3-1.5	0.3-1.5	0.3-1.5
Mieszanka Próbki wg Marshalla temperatura °C wolne przestrzenie [%v/v]	135ą5 3.0-4.0	135ą5 3.0-4.0	135ą5 2.0-4.0	135ą5 2.0-4.0

Wykonanie nawierzchni z zastosowaniem mieszanki SMA w Niemczech, jest przeciętnie 20 - 30% droższe od wykonania nawierzchni z betonu asfaltowego. Zakładany okres eksploatacji nawierzchni SMA wynosi 10 do 15 lat. W praktyce uzyskuje się rezultaty lepsze od zakładanych, np.: - pierwsza nawierzchnia typu SMA wykonana w 1968 roku w Wilhelmshaven po 25 latach jest nadal w bardzo dobrym stanie eksploatacyjnym.


4. Wymierne korzyści

Stosowanie mieszanek SMA, oprócz tego, że zapewnia większą odporności nawierzchni na koleinowanie, daje w praktyce wiele innych korzyści. Jedną z nich jest możliwość napraw skoleinowanych nawierzchni, dzięki temu, że zagęszczana warstwa SMA nie ulega znacznym odkształceniom podczas wałowania. Wykonana na nierównej nawierzchni warstwa SMA charakteryzuje się dobrą równością zarówno w kierunku podłużnym jak i poprzecznym.
Inną istotną korzyścią związaną ze stosowaniem SMA jest zmniejszenie hałasu powstającego na styku nawierzchnia-opona. W porównaniu z betonem asfaltowym nawierzchnie wykonane z SMA są przeciętnie o 2dB cichsze. Różnice w poziomie hałasu powstającego na różnych nawierzchniach obrazuje tabela 3.


Tabela2. Grubość warstwy SMA

Rodzaj mieszanki SMA	0/11S	0/8S	0/8	0/5
grubość warstwy [cm]	3.5 - 4.0	3.0 - 4.0	2.5 - 3.5	1.5 - 2.5
masa [kg/m2]	85 - 100	70 - 100	60 - 85	35 - 60

Tabela3. Różnica poziomu hałasu na różnych nawierzchniach w stosunku do nawierzchni z asfaltu lanego

Rodzaj nawierzchni	Różnica poziomu hałasu [dB]
asfalt lany	0
beton	+ 2
beton asfaltowy	- 2
mieszanka grysowo - mastyksowa	- 3 do - 4
asfalt drenażowy	- 4 do - 5

Powyższe wartości obrazujące różnice w poziomie hałasu oparto na wynikach najnowszych badań przeprowadzonych w Niemczech.

Nawierzchnie typu SMA mają stosunkowo słabe właściwości przeciwślizgowe w początkowym okresie eksploatacji. Jest to spowodowane stosunkowo grubą warstwą lepiszcza otaczającego kruszywo. Warstwa asfaltu na powierzchni kruszywa jest usuwana przez ruch w miarę upływu czasu. Poprawę szorstkości nawierzchni w początkowym okresie eksploatacji można uzyskać dzięki rozsypaniu (na jeszcze gorącej warstwie) i wciśnięciu walcem w nawierzchnię, grysów o frakcji 2/5 mm, i (lub) piasku łamanego. Niezwiązany z nawierzchnią materiał mineralny powinien być usunięty przed oddaniem do ruchu. Po długim okresie eksploatacji szorstkość nawierzchni SMA maleje wskutek polerowania kruszywa. Zjawisko to jest typowe dla każdego rodzaju nawierzchni drogowej. Nawierzchnia wykonana z mieszanki SMA jest wodoszczelna, elastyczna, nie pęka, jest odporna na działanie wilgoci.


6. Projektowanie składu mieszanki

Procedura uzyskania odpowiedniego składu mieszanki jest następująca :

 Wykonawca dobiera rodzaj, frakcję i ilość kruszywa, wypełniacza i dodatków stabilizujących, stosownie do obowiązujących wytycznych oraz własnego doświadczenia.

 Wykonuje mieszanki próbne uwzględniając najmniejszą zalecaną (dopuszczoną) ilości asfaltu w mieszance SMA.

 Przeprowadza specjalny test mający na celu znalezienia optymalnej ilości dodatku stabilizującego, przeciwdziałającego spływaniu asfaltu z kruszywa i oddzielaniu się go podczas składowania, transportu i rozkładania.

 Określa zawartość wolnych przestrzeni w mieszance; wolne przestrzenie powinny stanowić około 2-4 % v/v. Jeśli uzyskana zawartość wolnych przestrzeni nie mieści się w ww. granicach, wówczas zmieniane jest uziarnienie kruszywa , ilość wypełniacza, lub ilość lepiszcza.

 Ustala ostatecznie skład mieszanki i przedstawia go zleceniodawcy do akceptacji i zatwierdzenia.

 W razie wątpliwości, przeprowadza dodatkowe testy, np.: odporności na koleinowanie.

W Niemczech, jako dodatku stabilizującego, używa się najczęściej włókien celulozowych. Doświadczenie wykazało, że włókna celulozowe są dobrym dodatkiem stabilizującym - dobrze „stabilizują” asfalt w mieszance, są chemicznie obojętne i stosunkowo tanie. Dodaje się ich zazwyczaj w ilości około 0,3% (wagowo).


7. Układanie mieszanki SMA

Zalecenia odnośnie wykonywania nawierzchni z użyciem mieszanek SMA są następujące:

 Temperatura mieszanki w rozściełaczu nie powinna być niższa niż 150°C.

 Podczas układania nawierzchni nie powinno się robić przerw.

 Rozściełacz powinien zapewniać wysoki stopień wstępnego zagęszczania.

 Walce powinny pracować zaraz za rozściełaczem.

 Liczba walców - minimum dwa metalowe (nie lżejsze niż 9 ton).

 Użycie walców wibracyjnych wymaga doświadczenia i dużej ostrożności.

 Nawierzchnia powinna być piaskiem łamanym lub drobnym grysem.

 Walce ogumione mogą być użyte dopiero po posypaniu nawierzchni.


8. Zalety polimeroasfaltów

W Niemczech prowadzono jednocześnie badania właściwości polimeroasfaltów jak i wykonywanych na ich bazie mieszanek SMA. Ustalono, iż główne zalety stosowania polimeroasfaltów w mieszankach SMA to:

 Lepsze „ustabilizowanie” asfaltu w mieszance oraz związanie ziaren kruszywa.

 Zwiększenie odporności na koleinowanie oraz inne rodzaje deformacji.

 Zwiększenie okresu trwałości (użyteczności technicznej i ekonomicznej).

 Zwiększenie odporności na spękania niskotemperaturowe.

 Wyższa odporność na odkształcenia nawierzchni w wysokich temperaturach.

 Łatwiejsze wymieszanie składników i układanie warstwy nawierzchni.

 Lepsze właściwości sprężyste nawierzchni.

Polimeroasfalty BP Olexobit zdały trudny egzamin nie tylko w formie testów laboratoryjnych. Co znacznie ważniejsze - ich doskonałe własności potwierdziło życie, tj. długoletnia eksploatacja niemieckich nawierzchni typu SMA, wykonanych na bazie polimeroasfaltu BP Olexobit. Polimeroasfalt BP Olexobit produkowany jest wyłącznie w rafinerii, według ściśle określonej i wszechstronnie sprawdzonej procedury. Jego składniki są trwale i jednorodnie ze sobą związane dzięki kontrolowanym reakcjom chemicznym, gwarantującym doskonałą jakość polimeroasfaltu zarówno podczas transportu i magazynowania, jak i podczas wykonywania mieszanki SMA, jej wbudowywania i długotrwałej eksploatacji.


9. Bibliografia

[1] Schröder, Ingeborg; Kluge, H.J.: "Erfahrungen mit Splittmastixasphalt", Czasopismo "Bitumen" nr 4 / 1992

[2] Publikacja stowarzyszenia Deutscher Asphaltverband: "Asphalt für schwerste Beanspruchungen - Qualitätssicherung (Eignungsprüfung, Herstellung, Einbau)", styczeń 1996

---