Katedra Inż ynierii Drogowej ANALIZA DEFORMACJI TRWAŁYCH NAWIERZCHNI ASFALTOWYCH NA PODSTAWIE BADAŃ TERENOWYCH I LABORATORYJNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃ SKA Katedra Inż ynierii Drogowej ul. G. Narutowicza 11 Tel: (0-48) GDAŃSK Fax: (0-48) ANALIZA DEFORMACJI TRWAŁYCH NAWIERZCHNI ASFALTOWYCH NA PODSTAWIE BADAŃ TERENOWYCH I LABORATORYJNYCH mgr inż. Bohdan Dołżycki AUTOREFERAT PRACY DOKTORSKIEJ Promotor: Prof. dr hab. inż. Józef Judycki Gdańsk, 2003

2 1. Wstęp 1.1. Wprowadzenie Problem deformacji nawierzchni w Polsce wystąpił dość intensywnie pod koniec lat 80-tych i w latach 90 tych. Administracja drogowa podjęła szereg działań, które miały zapobiec powstawaniu kolein w nowych nawierzchniach oraz pomóc w likwidacji kolein w istniejących nawierzchniach. Pomimo podjętych działań stan nawierzchni, pod względem występowania kolein ciągle się pogarsza (rys. 1) Lata % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Udział [%] Klasa A, do 10 mm Klasa B, od 10 do 20 mm Klasa C, od 20 do 30 mm Klasa D, powyżej 30 mm Rysunek 1. Zmiana udziału poszczególnych klas koleiny w ostatnich latach Problem powstawania kolein w nawierzchniach asfaltowych jest dość złożony. Na widoczną na powierzchni jezdni koleinę, nakładają się koleiny strukturalne powstałe w podłożu oraz w jednej lub kilku warstwach nawierzchni, koleiny plastyczne powstałe w warstwach asfaltowych oraz w niewielkim stopniu koleiny eksploatacyjne powstałe w wyniku ścierania warstwy ścieralnej przez koła samochodów (rys. 2). Przedmiotem pracy doktorskiej są koleiny plastyczne powstałe w warstwach asfaltowych. Ten typ deformacji nazywamy deformacjami plastycznymi a ściślej lepko-plastycznymi. Prace badawcze, związane z zagadnieniem deformacji plastycznych, stanowiące przedmiot pracy doktorskiej rozpoczęły się w 1996 roku i obejmowały badania powstawania kolein w nawierzchni. W kolejnych latach prowadzono badania laboratoryjne nad wpływem wybranych czynników na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. 2

3 Ubytek materiału z mało trwałej mieszanki Deformacje trwałe w jednej lub kilku warstwach poniżej warstw asfaltowych Przemieszczenie się betonu asfaltowego po obu stronach śladów kół Dogęszczenie asfaltowego KOLEINA EKSPLOATACYJNA KOLEINA STRUKTURALNA KOLEINA POWSTAŁA W WARSTWACH ASFALTOWYCH - BETON ASFALTOWY - PODBUDOWA POMOCNICZA - PODBUDOWA ZASADNICZA (KRUSZYWO) - PODŁOŻE 1.2. Cel pracy doktorskiej Rysunek 2. Rodzaje kolein w nawierzchni Generalnym celem pracy doktorskiej jest określenie podstawowych związków pomiędzy składem i cechami fizyko mechanicznymi mieszanek mineralnoasfaltowych a ich odpornością na koleinowanie. Praca składa się z trzech wyraźnych i częściowo niezależnych etapów poświęconych temu zagadnieniu. Etap I: badania terenowe i laboratoryjne koleinowania nawierzchni asfaltowych. Cele prowadzonych badań były następujące: ustalenie, które warstwy w nawierzchni ulegają w największym stopniu deformacjom trwałym, określenie, jak zmieniają się parametry betonu asfaltowego podczas powstawania kolein, określenie, jakie parametry fizyko-mechaniczne mieszanek mineralnoasfaltowych w największym stopniu korelują z podatnością na deformacje trwałe, określenie, czy istnieją statystycznie wiarygodne związki pomiędzy miarami deformacji nawierzchni a wynikami badań laboratoryjnych mieszanek mineralnoasfaltowych, określenie, które ze stosowanych metod badań laboratoryjnych są najbardziej odpowiednie do oceny odporności mieszanek mineralno- asfaltowych na deformacje trwałe. Etap II: badania wpływu zawartości piasku łamanego i naturalnego na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. Kolejny etap pracy został poświecony badaniom i analizom wpływu rodzaju piasku (łamany, naturalny) we frakcji piaskowej, na odporność betonu asfaltowego warstwy wiążącej, na deformacje trwałe. Wiązało się to z wprowadzeniem w Polsce wymagań nakazujących stosowanie w 100 % piasek łamany we wszystkich warstwach asfaltowych. Na tym etapie cele badań były następujące: 3

4 określenie wpływu proporcji piasku łamanego i naturalnego w mieszance mineralnej na odporność na deformacje trwałe, określenie wymaganej zawartości piasku łamanego zapewniającej odporność na deformacje trwałe. Dodatek dużej ilości piasku łamanego pogarsza urabialność, utrudnia zagęszczanie i podnosi koszt mieszanki. W związku z tym ta cześć badań miała duże znaczenie praktyczne. Etap III: badania wpływu rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. Ostatni etap prac badawczych był poświęcony określeniu wpływu rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. Cele tego etapu były następujące: określenie wpływu stosowanego polimeroasfaltu i asfaltu zwykłego na odporność na deformacje trwałe, określenie skutków przeasfaltowania mieszanki mineralno-asfaltowej. Były to istotne zagadnienia wobec coraz szerszego stosowania polimeroasfaltów. Powyższe cele badawcze mają istotne znaczenie poznawcze i praktyczne. Zostały one sformułowane przy współpracy z Generalną Dyrekcją Dróg Krajowych i Autostrad, która finansowała znaczną cześć tych badań. Poznanie mechanizmu koleinowania nawierzchni oraz wpływu składu i cech mieszanki mineralno asfaltowej na ich odporność na koleinowanie umożliwi lepsze projektowanie przyszłych prac nowych i remontowych nawierzchni asfaltowych. 2. Badania terenowe i laboratoryjne powstawania kolein w nawierzchniach asfaltowych Badania terenowe i laboratoryjne powstawania kolein w nawierzchniach asfaltowych składały się z dwóch części. W pierwszej części prac wytypowano odpowiednie odcinki dróg, pomierzono koleiny na tych odcinkach a następnie pobrano próbki do określenie deformacji poszczególnych warstw asfaltowych oraz do przeprowadzenia badań laboratoryjnych cech betonów asfaltowych. Pobieranie próbek do badań przedstawiono na fotografiach 1, 2, 3 i 4. W drugiej części prac przeprowadzono badania laboratoryjne betonów asfaltowych. Badano próbki pobrane z koleiny oraz z poza koleiny. Określono skład betonów asfaltowych, proporcje objętościowe oraz cechy mechaniczne. Ze względu na dość znaczny zakres badań oraz ograniczone możliwości sprzętowe badania te były wykonywane przez grupę laboratoriów krajowe. Schemat organizacyjny grupy badawczej przedstawiono na rysunku 3 4

5 Fotografia 1. Miejsce po wykonaniu wcinki. Fotografia 2. Próbki do pomiaru deformacji (wcinka) Fotografia 3. Miejsce po wycięciu próbek sześciennych do badań Fotografia 4. Próbka sześcienna do badań właściwości betonu Asfaltowego POLITECHNIKA GDAŃSKA Główny wykonawca Koordynator OLD Poznań OLD Waszawa OLD Katowice IBDiM DROMEX OLD Gdańsk OLD Lublin OLD Opole OLD Wrocław Rysunek 3. Schemat organizacyjny grupy badawczej (OLD Okręgowe Laboratorium Drogowe) 5

6 Prace badawcze obejmowały, między innymi: określeniu deformacji poszczególnych warstw w nawierzchni (rys. 4 i 5), porównaniu wyników badań cech betonów asfaltowych poszczególnych warstw z deformacjami powstałymi w tych warstwach oraz z koleiną całkowitą, porównaniu wyników wszystkich warstw asfaltowych z koleiną (rys. 6), określenie zmienności występowania wyników dla poszczególnych cech w zależności od klasy koleiny. Punkt badawczy 0 B1P B2P C1P C2P D1P D2P A1W A2W B1W B2W C1W C2W A1K A2K B1K B2K D1K D2K Deformacja wszystkich warstw asfaltowych [mm] Deformacja powstała w warstwie podbudowy[mm] Deformacja powstała w warstwie wiążącej[mm] Deformacja powstała w warstwie ścieralnej[mm] Rysunek 4. Deformacja w poszczególnych warstwach asfaltowych. Podbudowa i podłoże 33% Warstwa ścieralna 33% Podbudowa asfaltowa 18% Warstwa wiążąca 16% Rysunek 5. Średnia deformacja powstała w poszczególnych warstwach asfaltowych oraz w podbudowie i w podłożu 6

7 Cechy fizyczno - mechaniczne Zawartość wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem Zawartość asfaltu Zawartość wolnych przestrzeni Zawartość frakcji grysowej Zawartość frakcji piaskowej Zawartość wypełniacza Moduł sztywności sprężystej z badania rozciągania pośredniego Odkształcenie wg Marshalla Prędkość pełzania w badaniu pełzania dynamicznego Maksymalne odkształcenie w badaniu pełzania statycznego Prędkość pełzania w badaniu pełzania statycznego Prędkość przyrostu koleiny Maksymalne odkształcenie w badaniu pełzania dynamicznego Wskaźnik Marshalla Koleina Stabilność wg Marshalla Moduł sztywności z badania pełzania statycznego Moduł sztywności sprężystej w badaniu pełzania dynamicznego Moduł sztywności z badania pełzania dynamicznego 0,34 0,5 0,48 0,52 0,62 0,75 0,72 0,9 0,85 0,79 0,79 0,76 0,75 0,72 0,72 0,68 0,66 0,65 0,64 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Wartość wspólczynnika r Rysunek 6. Współczynnik korelacji r pomiędzy cechami mieszanek mineralnoasfaltowych wszystkich warstw a deformacją warstw asfaltowych Wnioski wynikające z badań terenowych i laboratoryjnych betonów asfaltowych pobranych w terenie przedstawiono w rozdziale Wpływ zawartości piasku łamanego i naturalnego na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe Badania wpływu rodzaju piasku we frakcji piaskowej na odporność betonu asfaltowego obejmowały badania cech piasków określających ich wpływ na poprawę odporności na deformacje oraz badania betonu asfaltowego zawierającego mieszaninę piasków łamanych i naturalnych we frakcji piaskowej. W pierwszym etapie prac przebadano osiem piasków, z których do dalszych badań wybrano piasek naturalny i piasek łamany najbardziej różniące się miedzy sobą. Drugi etap obejmował badanie betonów asfaltowych zawierających mieszaninę piasku naturalnego i łamanego. Przebadano siedem betonów asfaltowych różniących się proporcjami piasku naturalnego i łamanego we frakcji piaskowej. Analiza obejmowała określenie wpływu zawartości piasku naturalnego na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe. Porównanie wybranych wyników przedstawiono na rysunku 7. Wnioski z badań wpływu zawartości piasku łamanego i naturalnego na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe przedstawiono w rozdziale 5. 7

8 Statyczny moduł sztywności w aparacie OMEGA 120% 80% 60% 40% 20% 71% 75% 73% 91% 74% 85% 0% 0/100 20/80 40/60 50/50 60/40 80/20 100/0 Statyczny moduł sztywności w aparacie NAT 120% 80% 60% 40% 20% 99% 99% 102% 95% 94% 92% 0% 0/100 20/80 40/60 50/50 60/40 80/20 100/0 Proporcje, piasek naturalny/piaske łamany [%] Proporcje, piasek naturalny/piaske łamany [%] Maksymalne odkształcenie przy pełzaniu dynamicznym (metoda konwencjonalna) 220% 200% 180% 160% 140% 120% 80% 60% 40% 20% 0% 103% 98% 131% 115% 102% 141% Maksymalne odkształcenie przy pełzaniu dynamicznym (metoda zmodyfikowana) 220% 200% 180% 160% 140% 120% 80% 60% 40% 20% 0% 74% 84% 128% 116% 137% 212% 0/100 20/80 40/60 50/50 60/40 80/20 100/0 Proporcje, piasek naturalny/piaske łamany [%] 0/100 20/80 40/60 50/50 60/40 80/20 100/0 Proporcje, piasek naturalny/piaske łamany [%] Głębokość koleiny w koleinomierzu, w 60 C, 280% 260% 240% 220% 200% 180% 160% 140% 120% 80% 60% 40% 20% 0% 81% 83% 212% 151% 198% Prędkość przyrostu koleiny w koleinomierzu, w 60 C, 280% 260% 240% 220% 200% 180% 160% 140% 120% 80% 60% 40% 20% 0% 0/100 20/80 84% 50/50 60/40 80/20 96% 100/0 0/100 20/80 50/50 60/40 222% 229% 218% 80/20 100/0 Proporcje, piasek naturalny/piaske łamany [%] Proporcje, piasek naturalny/piaske łamany [%] Rysunek 7. Względna podatność na koleinowanie betonu asfaltowego 8

9 4. Wpływ rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe Badania wpływu rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe obejmowały badania betów asfaltowych zawierających trzy asfalty modyfikowane i jeden asfalt zwykły jako porównanawczy. W badaniach wpływu rodzaju asfaltu na deformacje trwałe betonu asfaltowego zastosowano modyfikacje metody pełzania statycznego i dynamicznego. Modyfikacja polegała na zastosowaniu skrępowania bocznego (fot. 5). Fotografia 5. Pełzania ze skrępowaniem bocznym (po lewej stronie) i pełzanie bez skrępowania bocznego (po prawej stronie) Analiza obejmowała porównanie uzyskanych wartości dla poszczególnych rodzajów asfaltu oraz określenie wpływu rodzaju użytego asfaltu na uzyskane rezultaty. Uwzględniono również wpływ zastosowanych metod badawczych na uzyskane wartości. Wybrane zależności przedstawiono na rysunku 8. Wnioski z badań wpływu rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe przedstawiono w rozdziale 5. 9

10 Moduł sztywności [MPa] Pełzanie statyczne bez skrępowania bocznego, D = 100 mm E 50RG y = 2,3439x + 5,5749 R 2 = 0,4012 O 80B D 50 S ,0 2,0 4,0 6,0 Lepkość w 60 C [kpa*s] Moduł sztywności [MPa] Pełzanie dynamiczne bez skrępowania bocznego, D = 100 mm y = 0,9794x + 0,7723 R 2 = 0,9712 O 80B D 50 E 50RG S ,0 2,0 4,0 6,0 Lepkość w 60 C [kpa*s] Moduł sztywności [MPa] Pełzanie statyczne ze skrępowaniem bocznym, D = 100 mm +20% Średnia -20% D 50 O 80B E 50RG S ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Lepkość w 60 C [kpa*s] Moduł sztywności [MPa] 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Pełzanie dynamiczne ze skrępowaniem bocznym, D = 100 mm +20% Średnia -20% O 80B D 50 S E 50RG 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Lepkość w 60 C [kpa*s] Koleinowanie w koleinomiezru kołowym, D = 200 mm 6,0 +20% 3 Koleinowanie w koleinomiezru kołowym, D = 200 mm Głębokość koleiny [mm] 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Średnia -20% O 80B D 50 E 50RG S Prędkość przyrostu koleiny [mm/h] 2,5 2 1,5 1 0,5 +20% Średnia -20% D50 O 80B E 50RG S ,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Lepkość dynamiczna w 60 C [kpa*s] 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Lepkość dynamiczna w 60 C [kpa*s] Rysunek 8. Wpływ rodzaju asfaltu na parametry wytrzymałościowe betonu asfaltowego 10

11 5. WNIOSKI 5.1. Wnioski szczegółowe Przeprowadzone badania deformacji trwałych istniejących nawierzchni asfaltowych oraz badania przeprowadzone w laboratorium pozwalają na sformułowanie następujących wniosków szczegółowych: Na podstawie badań terenowych i badań betonów asfaltowych pobranych w terenie: 1. W przeprowadzonych badaniach stwierdzono, że około 33 % głębokości koleiny powstaje w podłożu i w podbudowie związanej cementem. Pozostałe 67 % powstaje w warstwach asfaltowych. 2. Warstwy asfaltowe w różnym stopniu ulegają skoleinowaniu. W warstwie ścieralnej powstaje średnio 49%, w warstwie wiążącej średnio 23%, a w warstwie podbudowy średnio 28% całkowitej deformacji warstw asfaltowych. 3. Koleiny powstające w warstwach asfaltowych tworzą się zarówno w wyniku dogęszczenia warstw jak i wypchnięcia na boki mieszanki mineralnoasfaltowej wskutek ścinania. 4. Wypchnięcie w warstwie ścieralnej było jedną z przyczyn zmiany składu i proporcji objętościowych tej warstwy. Beton asfaltowy warstwy ścieralnej w koleinie był drobniejszy, zawierał mniej ziaren grubych, miał mniej wolnych przestrzeni i więcej wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem. 5. Badane betony asfaltowe w warstwie ścieralnej i wiążącej w większości przypadków były nieodporne na deformacje trwałe. Przyczyną ich małej odporności na deformacje była relatywnie duża zawartość asfaltu oraz nieodpowiednie proporce objętościowe, za mało wolnych przestrzeni i za dużo wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem. 6. Beton asfaltowy warstwy podbudowy zawierał również stosunkowo dużo asfaltu ale miał więcej wolnych przestrzeni oraz wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem. Był grubszy, miał więcej grubego kruszywa, był przez to bardziej odporny na deformacje trwałe. 7. Dość dobre korelacje pomiędzy cechami mechanicznymi a miarami deformacji uzyskano dla, prędkości pełzania w badaniu pełzania dynamicznego i statycznego, prędkości przyrostu koleiny w koleinomierzu oraz dla odkształcenia Marshalla. Dla pozostałych miar odporności na deformacje uzyskano mniejszą korelację. Na podstawie badań wpływu zawartości piasku łamanego i naturalnego na odporność betonu asfaltowego na deformacje trwałe 1. Przy zawartości piasku naturalnego do 50 % we frakcji piaskowej uzyskano podobna podatność na koleinowania jak dla betonu asfaltowego ze piasku łamanego. Przy większej zawartości piasku naturalnego, większej 50% podatność na koleinowanie wyraźnie wzrastała. 2. Spośród stosowanych metod koleinomierz kołowy najbardziej różnicuje badane materiały. 11

12 Na podstawie przeprowadzonych badań betonu asfaltowego z asfaltami modyfikowanymi i zwykłymi: 1. W przeprowadzonych badaniach z udziałem czterech asfaltów (trzy modyfikowane i jeden zwykły) odporność na deformacje badanych betonów asfaltowych była podobna niezależnie od rodzaju stosowanego asfaltu. Oznacza to że zarówno z polimeroasfaltami jak i z asfaltem zwykłym uzyskano betony asfaltowe odporne na deformacje trwałe. 2. Wprowadzenie ograniczenia bocznego, w badaniach pełzania statycznego i dynamicznego, w postaci skrępowania bocznego lub zastosowania próbki o większej średnicy miało bardzo duży wpływ na uzyskane wyniki. Ograniczenie boczne wywołało wzrost wartości modułów sztywności oraz dość znaczny spadek prędkości pełzania. Przyczyną takiego zachowania się jest zmobilizowanie tarcia wewnętrznego do przenoszenia obciążeń. 3. W projektowaniu betonów asfaltowych z polimeroasfaltami należy stosować obok metody Marshalla dodatkowe badania pozwalające na lepsze określenie optymalnej zawartości asfaltu Wnioski ogólne Przeprowadzone badania badań skłaniają do sformułowania następujących wniosków ogólnych dotyczących odporności betonów asfaltowych na deformacje trwałe, ich projektowanie oraz metod ich badań: 1. Decydujący wpływ na odporność betonu asfaltowego na deformacje ma szkielet mineralny, w mniejszym stopniu asfalt. Szkielet mineralny, charakteryzujący się dużym kątem tarcia wewnętrznego zdecydowanie podnosi odporność betonu asfaltowego na deformacje. 2. Ilość asfaltu ma wpływ na odporność betonu asfaltowego na deformacje. Za duża ilość asfaltu wypełnia wolne przestrzeni w mieszance mineralnej powodując utratę stabilności szkieletu mineralnego i wzrost podatności na płynięcie. Ilość asfaltu powinna być tak dobrana aby po wypełnieniu wolnych przestrzeni w mieszance mineralnej zawartość wolnych przestrzeni wynosiła nie mniej niż 3%. Zalecenie to zostało wprowadzone do obwiązującej normy, miedzy innymi w oparciu o badania opisane w pracy doktorskiej. 3. Proces projektowanie betonów asfaltowych powinien kłaść większy nacisk na odpowiednie dobranie proporcji poszczególnych materiałów tak aby uzyskać wymagane proporcje objętościowe. 4. Metody badań, stosowane w tej pracy, pokazały, że najlepsze zróżnicowanie wyników uzyskano w badaniach pełzania dynamicznego ze skrępowaniem bocznym oraz w badaniu koleinowania. 5. W badaniach ze skrępowaniem ocenia się kompleksową pracę całego układu, zarówno kruszywa jak i mastyksu. Wyniki badań pokazują, że zmobilizowanie tarcia wewnętrznego w agregacie mineralnym spowodowało dość znaczny spadek odkształceń trwałych i sprężystych. Badanie ze skrępowaniem bocznym lepiej odwzorowuje warunki pracy nawierzchni. 6. Projektowanie betonów asfaltowych powinno być rozszerzone o dodatkowe badania oceniające cechy mieszanki mineralnej oraz wpływ modyfikacji asfaltu. Wydaje się, że powinny to być badania pełzania dynamicznego ze skrępowaniem bocznym lub badania symulacyjne (koleinowanie). Obecnie 12

13 obowiązująca metoda Marshalla oraz badanie pełzania statycznego są niewystarczające do prawidłowej oceny betonów asfaltowych. 7. Z przeprowadzonych badań wpływu rodzaju piasku we frakcji piaskowej wynika, że można zliberalizować polskie przepisy techniczne i dopuścić stosowanie piasków naturalnych do nawierzchni dróg kategorii ruchu KR3 i KR4, z tym, że proporcje wagowe piasku łamanego do piasku naturalnego powinna być większe od 1:1. Umożliwi to łatwiejsze wbudowanie warstw asfaltowych i ich zagęszczanie, a przy tym nie zmniejszy odporności nawierzchni na koleinowanie. 8. Przy prawidłowym dobraniu szkieletu mineralnego odporność na deformacje badanych betonów asfaltowych była podobna zarówno dla asfaltów modyfikowanych jak i asfaltu zwykłego. Przeprowadzone badania pozwoliły na lepsze poznanie mechanizmu koleinowania nawierzchni oraz wpływu składu i cech mieszanki mineralno asfaltowej na ich odporność na koleinowanie. Umożliwi to wprowadzenie nowych metod badawczych do standardowego projektowania betonów asfaltowych a wiedza zgromadzona w trakcie badań terenowych pozwoli na lepsze projektowanie przyszłych prac remontowych nawierzchni asfaltowych. Dalszych badań wymaga wprowadzenie bardziej skutecznej metody laboratoryjnej oceny odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na deformacje. 13