Przedwczesne uszkodzenia nawierzchni asfaltowych. Premature failures of asphalt pavements

Transkrypt

1 Judycki Józef, Dołżycki Bohdan, Jaskuła Piotr Politechnika Gdańska Przedwczesne uszkodzenia nawierzchni asfaltowych Premature failures of asphalt pavements Streszczenie Artykuł przedstawia kilka przypadków przedwczesnych uszkodzeń nawierzchni asfaltowych w Polsce, jakie pojawiły się wkrótce po ich wykonaniu i oddaniu do eksploatacji. Przedstawiono doświadczenia Politechniki Gdańskiej w badaniach uszkodzonych nawierzchni. Podano opis uszkodzeń i ich prawdopodobne przyczyny. Przedstawiono również wnioski z poczynionych obserwacji oraz kilka praktycznych zaleceń dotyczących projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych, których celem jest przeciwdziałanie takim uszkodzeniom w przyszłości. Summary The paper presents a few case studies of premature failures of asphalt pavements in Poland which occurred soon after construction and opening to traffic. Experience of Gdansk University of Technology gathered in investigating of damaged pavements was presented. Description of failures and their probably causes were given. Conclusions from observations and some practical advices concerning design of asphalt mixes, aiming at prevention of such failures in future were presented. 1. Wstęp Potrzeby w zakresie remontów i budowy nowych dróg i autostrad w Polsce są ogromne. Stan dróg jest w znacznej części niezadowalający. Tym niemniej należy obiektywnie stwierdzić, że w ostatnich 10 latach nastąpił znaczny rozwój budownictwa drogowego w Polsce. Wprowadzono nowe technologie, takie jak recykling, mastyks grysowy, beton asfaltowy odporny na deformacje, mieszanki cementowo-emulsyjne, podbudowy z kruszyw łamanych. Nastąpił postęp technologiczny, organizacyjny i normalizacyjny. Wprowadzono nowe zasady zapewnienia jakości robót i nadzoru nad robotami. Ogólnie biorąc jakość robót drogowych w okresie ostatnich 10 lat bardzo wyraźnie wzrosła w stosunku do okresu poprzedniego. Chociaż postęp techniczny w drogownictwie jest widoczny to zdarzają się, na szczęście nieliczne przypadki, gdy nawierzchnie asfaltowe wkrótce po wykonaniu ulegają wyraźnym uszkodzeniom. Roboty naprawcze są stosunkowo kosztowne i wywołują zrozumiałe oburzenie społeczne, że nawierzchnia bezpośrednio po wybudowaniu musi być naprawiana. Przyczyny takich uszkodzeń są różnorodne, najczęściej złożone, wieloczynnikowe i niekiedy trudne do jednoznacznego zdefiniowania. Autorzy tego referatu wielokrotnie wykonywali ekspertyzy techniczne dotyczące uszkodzeń nawierzchni asfaltowych wraz ze szczegółowymi badaniami laboratoryjnymi i terenowymi. W tym referacie przedstawiają swoje doświadczenia i uwagi z nadzieją, że pomogą one uniknąć podobnych niepowodzeń w przyszłości. Podane poniżej przypadki uszkodzeń pochodzą z obserwacji, ale w opisach celowo pominięto szczegółowe dane.

2 2. Przypadek 1 Po dwóch latach eksploatacji nowowybudowanej drogi dla ruchu średniego wystąpiły intensywne uszkodzenia nawierzchni asfaltowej. Były to przede wszystkim wykruszenia ziaren, spękania podłużne w śladach kół i spękania siatkowe. Typowy wygląd nawierzchni przedstawia fotografia 1. Fotografia 1. Spękania podłużne w śladach kół i wyrwane ziarna Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy stwierdzono, że podstawowe przyczyny uszkodzeń nawierzchni na tym odcinku to: 1. Zaprojektowano i wykonano beton asfaltowy kruchy i sztywny. Taki beton asfaltowy, choć odporny na deformacje plastyczne, łatwo pęka przy nawet niewielkich odkształceniach podłoża. Dodatkowo beton asfaltowy na rozpatrywanym odcinku był nasiąkliwy, wodoprzepuszczalny i nie odporny na działanie wody i mrozu, co ułatwiło proces destrukcji nawierzchni. 2. Wodoprzepuszczalność i duża nasiąkliwość betonu asfaltowego umożliwiła nasycenie wodą podbudowy z kruszywa łamanego i w efekcie spowodowała obniżenie nośności tej podbudowy, zwiększenie odkształceń pod ruchem i przyśpieszenie postępu spękań warstw asfaltowych. 3. Stwierdzono brak sczepności międzywarstwowej, który spowodował znaczny wzrost odkształceń w warstwach nawierzchni i w rezultacie przyśpieszenie postępu spękań nawierzchni. Zaprojektowane i wykonane warstwy asfaltowe charakteryzowały się się małą adhezją asfaltu do kruszywa. Stwierdzono odmywanie asfaltu z ziaren kruszywa, wyrywanie ziaren przez koła pojazdów oraz złuszczenia powierzchniowe wywołane zarówno ruchem jak i czynnikami atmosferycznymi. Stwierdzono, że były dwie podstawowe wady betonu asfaltowego: nadmierna ilość miału kamiennego w mieszance mineralnej i za mała zawartości asfaltu. Do betonu asfaltowego użyto zapylonego miału kamiennego, a proces produkcji odbywał się w otaczarce bębnowej, gdzie odpylanie jest ograniczone. W trakcie budowy stwierdzono zawyżoną zawartość wolnych przestrzeni w warstwie ścieralnej i przypadki niewielkiego niedogęszczenia, co mogło być rezultatem

3 wbudowywania przesztywnionej mieszanki. Miało to niekorzystny wpływ na późniejsze zachowanie się nawierzchni. Badania próbek betonu asfaltowego pobranych z nawierzchni, po stwierdzeniu zniszczeń, wykazały znaczne odstępstwa od wymagań i od wyników badań powykonawczych, co wynikało z daleko posuniętego procesu destrukcji materiału. Kruszywo łamane użyte do podbudowy stabilizowanej mechanicznie miało za niski wskaźnik piaskowy, co wskazuje na plastyczność części drobnych, było niejednorodne oraz było nadmiernie zapylone. Kruszywo uległo nadmiernemu nasyceniu wodą, ponieważ warstwy asfaltowe nie były szczelne. W wyniku dużego nasycenia wodą warstwy podbudowy w okresie roztopów wystąpił znaczny spadek nośności warstwy kruszywa łamanego. Nałożenie się wymienionych przyczyn spowodowało przedwczesne zniszczenie nawierzchni. Po dwóch latach eksploatacji trzeba było pomyśleć o remoncie i odtworzeniu nawierzchni, co już wykonano. 3. Przypadek 2 Intensywne uszkodzenia nawierzchni nowowybudowanej drogi o bardzo dużym obciążeniu ruchem wystąpiły po 4 latach eksploatacji. Były to spękania w postaci nieregularnej siatki występujące zarówno na prawym, jak i na lewym pasie ruchu. Spękania wystąpiły również w miejscach mniej obciążonych ruchem (pobocza). Intensywność występowania spękań była większa na najbardziej obciążonym pasie ruchu. Wygląd nawierzchni z typowymi spękaniami przedstawiono na fotografiach od 3 do 4. Na fotografii 5 przedstawiono destrukcje nawierzchni w miejscu wystąpienia spękań. Fotografia 3. Typowe spękania nawierzchni (przypadek 2) Fotografia 4. Intensywne spękania na prawym pasie ruchu Na podstawie badań i analizy stwierdzono, że główną przyczyną uszkodzeń nawierzchni było odmycie asfaltu z kruszywa w warstwie wiążącej, a także, ale w mniejszym stopniu w warstwie podbudowy z betonu asfaltowego. Odmycie to było spowodowane niewystarczającą przyczepnością asfaltu do kruszywa. W warstwie ścieralnej zjawisko odmycia asfaltu nie wystąpiło.

4 warstwa ścieralna miejscami bardzo intensywnie spękana brak sczepności pomiedzy warstwą ścieralną i wiążącą brak sczepności pomiędzy warstwą wiążącą i podbudową warstwa wiążąca w większości przypadków pokruszona, luźna z wyraźnie odmytymi z asfaltu ziarnami kruszywa warstwa podbudowy w mniejszym stopniu pokruszona niż warstwa wiążąca, lecz również z wyraźnym odmyciem asfaltu z ziaren kruszywa Fotografia 5. Destrukcja nawierzchni asfaltowej widok rozpadającej się próbki z odwierconej z nawierzchni Niewystarczająca przyczepność mogła być spowodowana następującymi czynnikami: 1. Zastosowaniem kruszywa kwarcytowego, które ma najgorsze powinowactwo z asfaltem. 2. Zastosowanie nieodpowiedniego środka adhezyjnego lub zbyt małej jego ilości, który nie poprawił przyczepności asfaltu do kruszywa kwarcytowego. 3. Zastosowanie zbyt małej ilości asfaltu, który zbyt cienką błonką otoczył kruszywo. Nałożenie się wymienionych czynników lub każdy czynnik z osobna spowodowały, że w betonie asfaltowym, w wyniku działania wody i mrozu asfalt został odmyty z ziaren kruszywa i są one w tej chwili nieotoczone. Asfalt odmyty z grubego kruszywa, wraz z drobnymi cząstkami, został wypłukany z betonu asfaltowego. Kruszywo grube pozbawione otoczki asfaltowej było podatne na przemieszczenia i ruchy wywołane poprzez pojazdy samochodowe oraz działanie wody i mrozu. W wyniku tych przemieszczeń warstwa ścieralna leżąca na słabej warstwie niezwiązanego kruszywa uległa spękaniom. Dodatkowymi przyczynami, które przyspieszyły proces degradacji były: 1. Zbyt duża sztywność warstw asfaltowych (duży moduł sztywności, mała wytrzymałość na rozciąganie). 2. Zbyt mało asfaltu w warstwie wiążącej i w warstwie podbudowy z betonu asfaltowego. 3. Brak wystarczającej sczepności pomiędzy warstwami asfaltowymi. Omawiany odcinek ma być wkrótce remontowany. 4. Przypadek 3 Nawierzchnia została naprawiona jesienią przez ułożenie geowłókniny i wbudowanie na niej 4 cm warstwy ścieralnej z SMA. Pierwsze oznaki uszkodzeń wystąpiły na wiosnę następnego roku. Latem, kiedy temperatura nawierzchni dochodziła do 50 C

5 warstwa ścieralna z SMA zaczęła się deformować i pękać, tworząc silne sfalowania nawierzchni. W miejscach najbardziej narażonych na obciążenia poziome tzn. w okolicach przystanków autobusowych zaczęła się przesuwać. Przesunięcia, ślizganie się nawierzchni następowały na warstwie z włókniny, tworząc silne sfałdowania i wysuwanie się nawierzchni poza krawężnik na chodnik dla pieszych, które dochodziły nawet do 0,5 m. Proces degradacji nawierzchni postępował szybko w czasie. Podczas wizji lokalnej przeprowadzonej przez autorów zanotowano następujące uszkodzenia: uszkodzenia powierzchniowe warstwy ścieralnej z SMA spowodowane poślizgiem tej warstwy na warstwie geowłókniny (wyboje, wykruszenia warstwy), zachodzenie warstwy SMA wraz z geowłókniną na pobocze jezdni i krawężnik, znaczne przemieszczenia warstwy SMA zwłaszcza na odcinkach przed przystankami autobusowymi dochodzące w krytycznym miejscu do około dwóch metrów!!!, rozchodzenie się warstwy na środku jezdni (poszerzający się szef roboczy), wychodzenie geowłókniny na zewnątrz przy krawędziach jezdni, Wygląd odcinka przedstawiono szczegółowo na załączonych fotografiach. Fotografia 5. Ogólny wygląd uszkodzeń przed przystankiem autobusowym Przeprowadzone badania terenowe i laboratoryjne oraz analizy obliczeniowe pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków dotyczących przyczyn uszkodzeń i zniszczeń nawierzchni: zniszczenie nawierzchni zostało spowodowane poślizgiem w warstwie geowłókniny nasyconej asfaltem, cechy materiału warstwy ścieralnej z SMA wbudowanej w jezdnie były prawidłowe.

6 Fotografia 6. Przykład wychodzenia warstwy geowłókniny spod warstwy SMA przy krawędziach jezdni Fotografia 7. Przykład poślizgu i marszczenia się warstwy SMA Stwierdzono, że instrukcja dystrybutora geowłókniny zalecała dwukrotne obfite skrapianie asfaltem w znacznej ilości, pierwszy raz pod geowłókniną i drugi raz nad geowłókniną. Zarówno instrukcja, jak i aprobata techniczna nie zabraniały układania geowłókniny pod cienką warstwą ścieralną. Z opisanego przypadku można wyciągnąć następujące wnioski: geosyntetyk nie może być wbudowany zbyt blisko powierzchni jezdni, gdzie działają duże siły styczne, ilość emulsji do skropienia musi być odpowiednia do danego geosyntetyku (nie za duża bo spowoduje poślizg i nie za mała bo nie zwiąże ze sobą warstw), powinna być stosowana emulsja zapewniająca jak największą siłę wiążącą asfaltu ( z twardym asfaltem, albo z modyfikowanym asfaltem). 5. Przypadek 4 W 2002 roku wykonano ocenę wizualną 1 12 odcinków nawierzchni ulic miejskich eksploatowanych od 2 do 8 lat. Pobrano także próbki z ocenianych nawierzchni i przeprowadzono standardowe badania laboratoryjne oraz badanie odporności na działanie wody i mrozu według zmodyfikowanej metody AASHTO T283. Odcinki do oceny wytypowano na podstawie kontaktów z zarządcą dróg, wykonawcami robót drogowych i własnych spostrzeżeń. W skład wybranych ulic wchodziły nawierzchnie o różnej intensywności zniszczeń powodowanych prawdopodobnie oddziaływaniem wody i mrozu. Zniszczenia wybranych nawierzchni objawiały się poprzez: złuszczenia, ubytki ziaren i lepiszcza, rozluźnioną strukturę mieszanki, wyboje oraz nieregularne spękania nawierzchni (patrz tab. 1, pokazano tylko niektóre nawierzchnie). Analiza recept roboczych warstw ścieralnych wybranych nawierzchni wykazała, że prawie wszystkie, poza dwoma, wykonano zgodnie z zasadami projektowania zawartymi w Zeszycie nr 48 IBDiM dla ruchu KR3-KR6. Pozostałe dwie recepty 1 Ocena wizualna wg SOSN z 1989 r

7 wykonano wg PN-74/S dla ruchu R6. Wiek wybranych nawierzchni zaprojektowanych wg Zeszytu 48, zawierał się w przedziale od 2 do 6 lat. Wiek nawierzchni zaprojektowanych wg PN-74/S zawierał się w przedziale 5-8 lat. Nawierzchnie wykonanywano w ramach remontu ulic, który najczęściej polegał na wzmocnieniu istniejącej nawierzchni przez dołożenie dwóch, trzech warstw asfaltowych. Betony asfaltowe wbudowane w warstwy ścieralne charakteryzują się zgodnością z Zeszytem 48 IBDiM w zakresie dopuszczalnych tolerancji składu mineralnego i zawartości asfaltu. Jednakże w prawie każdej mieszance wyznaczono mniejszą zawartość asfaltu bliższą dolnej dopuszczalnej granicy i większą zawartość frakcji wypełniacza bliższą górnej dopuszczalnej granicy, ale w granicach tolerancji wykonawczych w stosunku do wartości podanych w projekcie. Tablica 1. Widok nawierzchni wybranych ulic miejskich wraz z oceną ich stanu wg SOSN ul. Nr 3; S=0,07; klasa D ul. Nr 4; S=0,58; klasa C ul. Nr 5; S=0,65; klasa C ul. Nr 6; S=0,10; klasa D ul. Nr 9; S=0,38; klasa D ul. Nr 10; S=0,48; klasa C

8 Z wcześniejszych doświadczeń wynika, że warstwy ścieralne z betonów asfaltowych, wykonanych wg Zeszytu 48 charakteryzują się modułami sztywności sprężystej w temperaturze 20 C na poziomie 4000 MPa. Moduły mieszanek wybranych ulic miejskich osiągają poziom MPa. W 50% przypadków, czyli dla 6 najsztywniejszych nawierzchni stwierdzono moduł betonu asfaltowego warstwy ścieralnej od 5800 MPa do 8900 MPa. Beton asfaltowy wbudowany w większość badanych nawierzchni był, więc mocno przesztywniony. Stwierdzono, że zawartość wolnych przestrzeni była poza zakresem dopuszczonym w 4 przypadkach na 12 i wynosiła od 5,5 do 6,1%. Zawartość wolnych przestrzeni rzędu 5-6% jest wyższa od wymagań polskiej normy, ale w zasadzie nie jest zbyt niebezpiecznie wysoka. Warto jednak zauważyć, że przy nadmiernej zawartości wolnych przestrzeni betony asfaltowe odznaczają się zmniejszoną trwałością zmęczeniową i zmniejszoną odpornością na oddziaływanie czynników atmosferycznych (starzenie i oddziaływanie wody i mrozu). Wszystkie wbudowane w nawierzchnie betony asfaltowe były tak samo zagęszczone jak w laboratoryjnym badaniu Marshalla. Wskaźniki zagęszczenia wynosiły od 99,4% do 100,9%. Mastyks zawarty w badanych betonach asfaltowych był za sztywny. Analiza wykazała, że stosunek wypełniacz/asfalt dla badanych betonów był równy od 1,0 do 1,88. Na 12 nawierzchni w 11 przypadkach ten stosunek był większy od 1,20, a w 8 przypadkach był większy od 1,60. Wg SUPERPAVE stosunek wypełniacz/asfalt dla mieszanek do 20 mm powinien mieścić się w przedziale od 0,6 do 1,2. W Europie podaje się wartości do 1,5. Potwierdza to wniosek, że badane betony asfaltowe miały niewłaściwe proporcje pomiędzy wypełniaczem i asfaltem. Ilość asfaltu nie była wystarczająca do nadania odpowiednich cech mastyksowi, takich jak odkształcalność i elastyczność. Mastyks mógł być sztywny i kruchy, co usztywniło mieszankę i było również, przynajmniej w części, powodem obserwowanych uszkodzeń nawierzchni. Zależność stanu powierzchni od stosunku "wypełniacz/asfalt" Stan powierzchni 0,9 0,8 B 2 0, , ,5 C ,4 9 0,3 D 0,2 prawidłowy nieprawidłowy 12 0, ,0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Stosunek "wypełniacz/asfalt" cyfry oznaczają przypisane numery ulic, B stan zadawalający, C stan niezadawalający, D stan zły Rysunek 1. Zależność pomiędzy stanem powierzchni według SOSN a stosunkiem wypełniacz/asfalt. Badania odporności na działanie wody i mrozu wykazały, że wraz ze wzrostem sztywności oraz stosunku W/A (Wypełniacz / Asfalt) maleje odporność mieszanek

9 mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu określona w laboratorium. Jednocześnie wykazano, że przy stosunku W/A większym od 1,2 i rosnącym pogarsza się stan powierzchni jezdni oceniany wg SOSN (patrz rys. 1). 6. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań i obserwacji przedwcześnie zniszczonych nawierzchni można sformułować następujące wnioski: 1. Większość uszkodzonych betonów asfaltowych charakteryzowała się za wysoką sztywnością. 2. Przyczyną przesztywnienia betonów są często błędy w proporcjach objętościowych. Przede wszystkim obserwuje się niekorzystny stosunek wypełniacz/asfalt w składzie betonu asfaltowego, znacznie przekraczający zalecony zakres. Mastyks wytworzony z dużej ilości wypełniacza i małej ilości asfaltu jest sztywny i kruchy, co usztywnia beton asfaltowy i obniża jego jakość. 3. Obserwuje się tendencje projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych o różnym składzie petrograficznym. Pojawia się problem właściwej adhezji pomiędzy kruszywem a asfaltem. Jednocześnie utrudniony jest dobór odpowiedniego środka adhezyjnego. Mieszanki o różnorodnym składzie petrograficznym nie zawsze zachowują odporność na działanie wody i mrozu. 4. Stosowanie gruboziarnistych mieszanek mineralno-asfaltowych z minimalną, dopuszczoną zawartością asfaltu powoduje też problem słabej sczepności międzywarstwowej, która jest niewystarczająco kontrolowana podczas wbudowywania warstw konstrukcji nawierzchni. 5. Należy zachować szczególną ostrożność podczas wbudowywania geosyntetyków w warstwy asfaltowe. Nie należy wbudowywać geosyntetyki bezpośrednio pod warstwami ścieralnymi. Należy starannie dobierać emulsję asfaltową, aby zapewnić dobrą sczepność.