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