XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Bohdan DOA
ŻYCKI1
Józef JUDYCKI2
ANALIZA DEFORMACJI TRWAA
YCH
NAWIERZCHNI ASFALTOWYCH
NA PODSTAWIE BADAC
TERENOWYCH I LABORATORYJNYCH
1. Opis problemu
Deformacje trwałe nawierzchni asfaltowych są jednym z najpoważniejszych uszkodzeń
decydujących o komforcie i bezpieczeństwie podróżowania. Deformacje warstw asfaltowych
pojawiły się na polskich drogach w latach 90-tych i wywołane były następującymi
czynnikami:
" gwałtownym wzrostem natężenia pojazdów,
" wzrostem obciążeń przypadających na oś,
" przekroczeniem odporności nawierzchni drogowej na deformacje trwałe.
Administracja drogowa podjęła szereg działań mających na celu usuniecie istniejących
deformacji trwałych oraz wprowadzenie wymagań eliminujących to zjawisko. W początkowej
fazie wprowadzone zmiany opierały się głownie na doświadczeniach przenoszonych z zagranicy
oraz na wstępnych pracach prowadzonych w polskich ośrodkach badawczych.
Politechnika Gdańska od 1995 roku prowadziła intensywne prace, które składały się z
następujących etapów:
" badania terenowe, które miały pomóc w określeniu miejsca w konstrukcji gdzie
występują największe deformacje trwałe oraz określeniu cech betonu asfaltowego
odpowiedzialnego za powstanie deformacji,
" badania laboratoryjne nad oceną wpływu wybranych składników betonu asfaltowego na
jego odporność na deformacje trwałe.
Przeprowadzone prace pozwoliły na uściślenie wymagań dotyczących betonów
asfaltowych odpornych na deformacje trwałe oraz na rewizje niektórych poglądów
dotyczących czynników decydujący o odporności betonu asfaltowego na deformacje.
Analiza wyników badań prezentowana w niniejszym referacie została wykonana w
ramach gruntu promotorskiego KBN nr 7 T07E 008 19 (umowa nr 0898/T07/2000/19.
1
Mgr inż., asystent w Zakładzie Budowy Dróg Politechniki Gdańskiej
2
Prof. dr hab. inż., kierownik Zakładu Budowy Dróg Politechniki Gdańskiej
202
2. Badania terenowe
Badania terenowe przeprowadzono na 20 wybranych odcinkach. Do badań wytypowano
następujące odcinki dróg:
" droga krajowa Nr 7, odcinki Płońsk - Warszawa i Warszawa - Grójec 6 odcinków,
" autostrada A-2, odcinek Września - Konin 6 odcinków,
" autostrada A-4, odcinek Kraków - Katowice 8 odcinków.
Odcinki różniły się głębokością koleiny natomiast miały podobne ukształtowanie w planie
i profilu, podobne obciążenia i wszystkie odcinki miały podbudowę sztywną. Dodatkowo
odcinki różniły się wiekiem, co miało znaczenie dla uzyskanych rezultatów. Badania
terenowe polegały na określeniu deformacji w poszczególnych warstwach oraz pobraniu
odpowiedniej ilości próbek do dalszych badań.
W oparciu o przeprowadzone pomiary deformacji poszczególnych warstw nawierzchni
stwierdzone, że:
1. W przypadku głębokich deformacji trwałych w warstwach asfaltowych powstało około
2/3 kolein, a w warstwie podbudowy związanej cementem i w podłożu około 1/3 kolein
(przy współczynniku korelacji R2=0,94).Warstwy związane cementem też uległy
deformacjom, co było pewnym zaskoczeniem (rys. 1).
2. Średnio około 72% deformacji w warstwach asfaltowych powstaje w dwóch
warstwach: ścieralnej i wiążącej, a 28% deformacji w podbudowie asfaltowej. Wynika
to ze zwiększonej agresywności oddziaływania ruchu i temperatury na warstwy górne
(rys.2).
3. Średnio około 49% deformacji powstaje w warstwie ścieralnej a pozostałe 50% w
warstwach niższych (23% w wiążącej i 28% w podbudowie asfaltowej), rys. 2.
4. Jeżeli koleina jest mała to skoleinowaniu ulega głównie warstwa ścieralna. Jeżeli
koleina jest głęboka to skoleinowaniu ulegają także dolne warstwy asfaltowe. W
koleinach do 10 mm procentowy udział warstwy ścieralnej w powstawaniu kolein jest
rzędu 70% i maleje do około 40% przy koleinach o głębokości większej od 30 mm).
ó ł
ó
Ä…
ł ż ś
Å›
ążą
ążą
Rys. 1. Średnia deformacja trwała powstała Rys. 2. Średnia deformacja trwała powstała
w warstwach asfaltowych oraz w pozosta- w warstwach asfaltowych
łych warstwach nawierzchni i w podłożu
W oparciu o badania betonu asfaltowego pobranego z nawierzchni z poszczególnych
odcinków stwierdzono, że:
1. Największy wpływ na powstawanie kolein mają zawartość wolnych przestrzeni,
zawartość wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem oraz zawartość asfaltu.
203
Zawartość wolnych przestrzeni w analizowanych mieszankach była za mała. Zawartość
wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem była za duża. Zawartość asfaltu była za
duża. Były to główne przyczyn powstawania kolein. Pozostałe składniki, zawartość
wypełniacza, frakcji piaskowej i grysowej oraz mastyks miały istotny, ale mniejszy
wpływ na powstawanie kolein.
2. Badane betony asfaltowe w większości przypadków wykazały parametry mniejsze od
obecnie wymaganych dla nowoprojektowanych betonów asfaltowych.
3. Żadna z metod badawczych stosowanych w laboratorium ( to znaczy pełzanie statyczne,
pełzanie dynamiczne, koleinowanie i metoda Marshalla) nie oddaje w pełni zachowania
siÄ™ mieszanek mineralno-asfaltowych na drodze. Najlepsze wydaje siÄ™ badanie
koleinowania, ponieważ najlepiej uszeregowało nawierzchnie w ratingu oraz wykazuje
bardzo wysoką korelację podczas analizy wyników dla wszystkich warstw nawierzchni
Å‚Ä…cznie.
3. Wpływ wybranych składników na odporność betonu asfaltowego
na deformacje trwałe
3.1. Wpływ rodzaju piasku na odporność na deformacje trwałe
Celem badań wpływu zawartości piasków łamanych i naturalnych na odporność betonu
asfaltowego na koleinowanie było określenie, w jakim stopniu dodatek piasku naturalnego
wpływa na odporność betonu asfaltowego na deformacje. Badania przeprowadzono w dwóch
etapach, w pierwszym przeprowadzono badania cech piasków, w drugim badania betonu
asfaltowego.
Badanie piasków polegało na określeniu ich przydatności do betonów asfaltowych na
podstawie kształtu ziaren piasków. Ocenę kształtu ziaren przeprowadzono według dwóch
metod: francuskiej (czas wypływu piasku) [1] i amerykańskiej (zawartość wolnych prze-
strzeni w [2]. Badania piasków pokazały, że:
1. Piaski łamane charakteryzują się dłuższym czasem wypływu ze znormalizowanego lejka
i większą zawartością wolnych przestrzeni niż piaski naturalne.
2. Metody francuska i amerykańska dają istotnie różniące się oceny kształtu ziaren
piasków.
W drugim etapie badaniom poddano beton asfaltowy zawierajÄ…cy we frakcji piaskowej
różne proporcje piasku łamanego i naturalnego. Tak przygotowany beton asfaltowy poddano
następującym badaniom:
" pełzanie statyczne na próbkach o średnicy 100 mm,
" pełzanie dynamiczne na próbkach o średnicy 100 i 150 mm,
" koleinowanie.
Na rys. 3 przedstawiono rezultaty z badania pełzania dynamicznego na próbkach o różnych
średnicach a na rys. 4 rezultaty z badania koleinowania. Z przeprowadzonych badań wynika, że
piaski łamane podnoszą istotnie odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. Betony
asfaltowe zawierające 100% piasku łamanego we frakcji piaskowej mają najlepsze właściwości
pod względem odporności na koleinowanie. Betony asfaltowe zawierające 100% piasku
naturalnego mają najgorsze właściwości, pod tym względem. Ogólnie biorąc, im więcej piasku
łamanego w mieszance tym lepsza będzie odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. Z
badań wynika również, że nie ma dużych różnic we właściwościach betonów asfaltowych o
zawartości piasku łamanego 60%, 80% i 100%. Ponadto betony asfaltowe z piaskami łamanymi
są mniej wrażliwe na małe przedozowania lepiszcza i zapewniają pewien margines bezpie-
czeństwa, przy małych odchyleniach technologicznych od projektowanego składu.
204
ść ł
ść ł
ść ł
ść ł
Rys. 3. Wyniki badania pełzania dynamicznego na próbkach o średnicy 100 i 150 mm
ść ł
ść ł
Rys. 4. Wyniki badania koleinowania w koleinomierzu kołowym
Biorąc pod uwagę wszystkie wyniki przeprowadzonych badań oraz ograniczenia
współczesnych metod badawczych, można stwierdzić, że jeżeli nawierzchnia przeznaczona
będzie do ciężkiego ruchu samochodowego, albo poddana będzie specjalnie trudnym obcią-
żeniom, to należy stosować wyłącznie piasek łamany, bez piasku naturalnego, warunek ten
dotyczy szczególnie warstwy ścieralnej. Zapewni to bezpieczne rozwią zanie, pod warunkiem
spełnienia wszelkich innych wymagań technicznych. Nawierzchnie dla lżejszego ruchu mo-
gą zawierać mieszanki piasków łamanych i naturalnych o proporcji piasek łamany/naturalny
nie mniejszej niż 1:1.
Å‚
Å‚
Å‚ Å› Ä™ Å‚
Å›
Å‚
Å›
Å‚
ę ć
ę ć
Å‚
Å‚
Å‚
Å›
ę ć
Ä™
Å›
Å‚
Å‚
ć
205
3.2. Wpływ rodzaju asfaltu na odporność na deformacje trwałe
Przeprowadzono badania odporności na deformacje trwałe betonu asfaltowego z różnymi
rodzajami asfaltu. Do badań wykorzystano następujące asfalty:
" Elastobit 50RG produkcji Rafinerii Gdańskiej. Jest to asfalt modyfikowany
kopolimerem trójblokowym typu styren  butadien  styren (SBS), klasy 80 B, czyli
tzw.  średniomodyfikowany .
" Olexobit 80 B produkcji BP Poland. Jest to asfalt modyfikowany kopolimerem
trójblokowym typu styren  butadien  styren (SBS). W czasie modyfikacji dodawane są
środki stabilizujące proces modyfikacji w zależności od stosowanego asfaltu wyjścio-
wego. Szczegóły procesu modyfikacji są chronione. Jest to asfalt klasy 80 B, czyli tzw.
 średniomodyfikowany .
" Styrelf 13-60 produkcji Elf Bitumen GmBH. Jest to asfalt modyfikowany elastomerem
termoplastycznym, którego budowa jest ściśle chroniona. Proces modyfikacji stanowi
tajemnice firmy ELF. Jest to asfalt zbliżony do klasy 80 C, czyli tzw.  wysoko-
modyfikowany .
" Asfalt zwykły, niemodyfikowany, D50 produkcji Rafinerii Gdańskiej (jako asfalt
porównawczy).
W badaniach wpływu rodzaju asfaltu w badaniu pełzania dynamicznego zastosowane
trzy schematy badawcze: badanie próbek o średnicy 100 mm (ściskanie proste), badanie
próbek o średnicy 150 mm (wciskanie trzpienia) oraz badanie próbek o średnicy 100 mm ze
skrępowaniem bocznym (uproszczone ściskanie trójosiowe). Wyniki tych badań przed-
stawiono na rys. 5.
Å‚ Ä™
Å‚ Ä™ Å‚ Ä™
Åš
Åš
Åš
ść ° ść °
ść °
Å‚ Ä™ Å‚ Ä™ Å‚ Ä™
Åš
Åš
Åš
ść ° ść ° ść °
Rys. 5. Wpływ sposobu badania betonu asfaltowego na rezultaty
w pełzaniu dynamicznym
Å‚
ę ż
Å‚
ę ż
Å‚
ę ż
Å‚
Å‚
Å‚
Å‚
Å‚
Å‚
206
Å‚ Å‚
Ä™
Ä™
Ä™
Ä™
Rys. 6. Wpływ sposobu obciążenia na uzyskane rezultaty
w pełzaniu statycznym i dynamicznym
Przeprowadzone badania betonu asfaltowego z poszczególnymi polimeroasfaltami
pokazały, że:
1. Odporność na deformacje badanych betonów asfaltowych jest podobna niezależnie od
rodzaju stosowanego asfaltu. Różnice obserwowane w poszczególnych metodach są
niewielkie. Oznacza to, że zarówno z polimeroasfaltami jak i z asfaltem zwykłym
uzyskano betony asfaltowe odporne na deformacje plastyczne.
2. Bardzo duży wpływ na uzyskane wyniki miały stosowane modyfikacje metod
badawczych (rys. 5). Wprowadzenie skrępowania bocznego próbek lub zastosowania
próbki o większej średnicy miało bardzo duży wpływ na uzyskane wyniki. Ograniczenie
boczne wywołało spadek odkształceń trwałych oraz dość znaczny spadek prędkości
pełzania. Przyczyną takiego zachowania się jest zmobilizowanie tarcia wewnętrznego do
przenoszenia obciążeń. W próbkach badanych bez skrępowania decydujące znacznie
przy przenoszeniu obciążeń ma spójność mastyksu. W próbkach badanych z
ograniczeniem bocznym decydujący wpływ przy przenoszeniu obciążeń ma tarcie
wewnętrzne, natomiast spójność ma mniejsze znaczenie.
3. Osobnego wyjaśnienia wymagają dość duże różnice w prędkości pełzania wynikające z
zastosowania obciążenia statycznego i dynamicznego. W pełzaniu statycznym, gdy
obciążenie jest przyłożone przez cały czas trwania badania nie ma możliwości uaktywnienia
się sprężystości materiału. W pełzaniu dynamicznym, gdy po obciążeniu następuje odcią-
żenie, czyli okres  odpoczynku materiału, jest czas na odkształcenie sprężyste materiału.
Zastosowanie ograniczenia bocznego uaktywnia oddziaływania sprężyste. Prędkości
pełzania są mniejsze w badaniach ze skrępowaniem bocznym, ponieważ ograniczenie
boczne uaktywnia działanie sprężyste agregatu mineralnego i ogranicza możliwość
odkształcania się badanych próbek. O wadze oddziaływań sprężystych w określaniu
odporności na koleinowanie niech świadczy fakt, że wprowadzenie ograniczenia bocznego
wywołało dwukrotny spadek prędkości płynięcia w pełzaniu statycznym i aż czterokrotny w
pełzaniu dynamicznym, gdzie oddziaływania sprężyste jest większe.
ę ś ć ł
ę ś ć ł ó
207
4. Podsumowanie
Przeprowadzone badania terenowe oraz badania laboratoryjne pozwalają na sformułowanie
następujących stwierdzeń:
1. W warstwach asfaltowych powstało około 2/3 kolein, a w warstwie podbudowy
związanej cementem i w podłożu około 1/3 kolein. Warstwy związane cementem też
uległy deformacjom, co było pewnym zaskoczeniem, ponieważ do tej poru uważano, że
warstwy zwiÄ…zane cementem nie ulegajÄ… deformacjom.
2. Jeżeli koleina jest mała to skoleinowaniu ulega głównie warstwa ścieralna. Jeżeli
koleina jest głęboka to skoleinowaniu ulegają także dolne warstwy asfaltowe. W
koleinach do 10 mm procentowy udział warstwy ścieralnej w powstawaniu kolein jest
rzędu 70% i maleje do około 40% przy koleinach o głębokości większej od 30 mm.
3. O odporności na deformacje betonów asfaltowych pobranych w terenie decydowały
głownie proporcje objętościowe i nieodpowiedni skład badanych betonów asfaltowych.
Betony asfaltowe w istniejących nawierzchniach są nieodporne na deformacje, ponieważ
mają za mało wolnych przestrzeni, za dużo asfaltu i co się z tym wiąże wolne
przestrzenie są nadmiernie wypełnione asfaltem.
4. Badania wpływu rodzaju piasku na odporność betonu asfaltowego pokazały, że
najlepsze parametry uzyskano ze 100% zawartością piasku łamanego we frakcji
piaskowej. Nieznacznie gorsze parametry uzyskano dla betonów asfaltowych zawie-
rających do 50% piasku naturalnego we frakcji piaskowej. Wynika z tego, że dla bardzo
dużych obciążeń (ruch KR6, KR5, obciążenia specjalne) należy stosować wyłącznie
piasek łamany natomiast dla mniejszych obciążeń (ruch KR4 i mniej) można dopuścić
do stosowania do 50% piasku naturalnego we frakcji piaskowej.
4. Z badań betonu asfaltowego z różnymi asfaltami wynika, że odporność na deformacje
badanych betonów asfaltowych jest podobna niezależnie od rodzaju stosowanego
asfaltu. Różnice obserwowane w poszczególnych metodach są niewielkie. Oznacza to,
że zarówno z polimeroasfaltami jak i z asfaltem zwykłym uzyskano betony asfaltowe
odporne na deformacje plastyczne.
5. Wprowadzenie ograniczenia bocznego w postaci skrępowania lub zastosowania próbki o
większej średnicy miało bardzo duży wpływ na uzyskane wyniki. Ograniczenie boczne
wywołało spadek odkształceń trwałych oraz dość znaczny spadek prędkości pełzania.
Przyczyną takiego zachowania się jest zmobilizowanie tarcia wewnętrznego do
przenoszenia obciążeń. W próbkach badanych bez skrępowania decydujące znacznie
przy przenoszeniu obciążeń ma spójność mastyksu. W próbkach badanych z ograni-
czeniem bocznym decydujący wpływ przy przenoszeniu obciążeń ma tarcie wewnę-
trzne, natomiast spójność ma mniejsze znaczenie.
6. Z przeprowadzonych badań jednoznacznie wynika, że decydujące znaczenie w
odporności na deformacje trwałe ma odpowiedni skład i odpowiednie proporcje obję-
tościowe. O odporności na deformacje głownie decyduje tarcie wewnętrzne natomiast w
mniejszym stopniu spójność asfaltu. W projektowaniu betonów odpornych na defor-
macje trwałe należy dużo uwagi poświecić odpowiedniemu zaprojektowaniu mieszanki
mineralnej i określeniu optymalnej zawartości asfaltów.
208
Literatura
[1] NF P18-564  Détermination du coefficient d écoulement des sables , grudzieÅ„ 1990.
[2] ASTM C 1252-93 Standard Test Methods for Uncompacted Void Content of Fine
Aggregate (as Influenced by Pa-ticle Shape, Surface Texture, and Grading).
[3] BROWN E. R., CROSS S. A., A study of in - place rutting of asphalt pavements, AAPT,
19898
[4] PARTL M., FRITZ W., Asphaltbetonfahrbahnen für starke Verkehrsbeanspruchung,
Bitumen, Nr 3/1993.
[5] MOORE R. B., WELKE R. A., Effects of Fine Aggregate on Stability of Bituminous
Mixes. Testing and Research Division, Testing Laboratory Section, Michigan DOT,
Research Report No78, 1979.
ANALYSIS OF PERMANENT DEFORMATION OF ASPHALT
PAVEMENT ON BASIS OF FIELD AND LABORATORY TESTING
Summary
Rutting is a serious problem on many Polish roads. The paper presents field and laboratory
testing of rutting on main roads carried very heavy traffic. The field studies include: selection
of testing sections, measurement of rut depth, coring pavements and cutting trenches across a
heavily trafficked right traffic lane. The laboratory testing includes determination of
volumetric and weight proportion of cored asphalt mixes, testing of static creep, dynamic
creep under repeated loading and wheel tracking test. The rutting, which occurred in each
layer of pavement structure was measured. The analysis of results enabled to determine the
magnitude of rutting in relation to properties of asphalt mixes and correlation between
laboratories measured properties of mixes and field rutting. In second step, in laboratory,
influence of mix components on rutting in asphalt concrete was tested.