Raport nr 2 Przykłady mieszanek stosowanych w warstwach ścieralnych

Michał Nitka Raport nr 2 Przykłady mieszanek stosowanych w warstwach ścieralnych 1) Cienkie warstwy ścieralne na gorąco Technologia wykonywania cienkich warstw na gorąco, choć znana w Polsce, nie jest zbyt popularna wśród projektantów. Dokumenty, zalecenia i wytyczne opisujące temat cienkich warstw na gorąco to: - Ogólne Specyfikacje Techniczne (OST) - Zeszyt IBDiM nr 50 Cienka warstwa ścieralna na gorąco jest warstwą ścieralną nawierzchni o grubości nie przekraczającej 3,5 cm. Ze względu na grubość wyróŝnia się: - cienką warstwę - o gr. 2,5 3,5 cm - b. cienką warstwę - o gr. 1,5 2,5 cm - ultracienką warstwę - o gr. mniejszej niŝ 1,5cm Cienką warstwę na gorąco wykonuje się z mieszanki mineralno-bitumicznej, wytwarzanej i wbudowanej techniką na gorąco. Technologia cienkich warstw ścieralnych jest wyjątkowo uŝyteczna. Podstawowy zakres jej stosowania wynika z moŝliwości regeneracji oraz napraw warstw ścieralnych nawierzchni drogowych, zwłaszcza w następujących przypadkach: - odnowienia cech powierzchniowych nawierzchni szorstkości i szczelności - ograniczeń moŝliwości zmiany niwelety drogi (skrajnia obiektu inŝ., krawęŝniki) - konieczności zmniejszenia masy nawierzchni (np. na obiekcie inŝynierskim). Dobór mieszanki mineralno-asfaltowej, zastosowanych kruszyw i lepiszcza powinien uwzględniać grubość wykonywanej warstwy oraz obciąŝenie ruchem i zalecenie wobec szorstkości nawierzchni. Ze względu na grubość warstwy zleca się stosowanie: - do cienkich warstw o gr. 2,5 3,5 cm beton asfaltowy (BA) 0/6,3 mm SMA 0/9,6 mm, 0/8 mm, 0/6,3 mm - do bardzo cienkich warstw o gr. 1,5 2,5 cm beton asfaltowy (BA) 0/6,3 mm SMA 0/8 mm, 0/6,3 mm, 0/4 mm mieszankę min-asf o nieciągłym uziarnieniu 0/12,8 mm, 0/9,6 mm - do ultracienkich warstw o gr. <1,5 cm - SMA 0/8 mm, 0/6,3 mm, 0/4 mm - mieszankę mineralno-asfaltową o nieciągłym uziarnieniu 0/12,8 mm, 0/9,6 mm, 0/6,3 mm NaleŜy uŝywać wyłącznie mieszanki z asfaltami modyfikowanymi polimerami, które zapewniają odpowiednią kohezję i trwałość warstwy. Ze względu na wymaganą duŝą kohezję 1

lepiszcza w takich mieszankach powinno się stosować asfalty wg TWT PAD klasy B lub C i rodzaju 80 (np. DE 80 B lub DE 80 C relatywnie miękkie, z duŝą zawartością elastomeru). Pierwsze zastosowania w Polsce cienkich warstw na gorąco to początek lat 90-tych (Nowy Sącz, Legnica, okolice Częstochowy). Cienkie warstwy na gorąco to nie tylko zabieg utrzymaniowy, mogą być równieŝ stosowane w budowie nowych nawierzchni drogowych i mostowych, zapewniając bardzo dobre własności całej konstrukcji drogi. Warstwa ścieralna jest warstwą stanowiącą parasol ochronny dla konstrukcji drogi, dlatego ma ona stosunkowo duŝą zawartość lepiszcza, a jej podatność na deformacje trwałe w porównaniu z mieszankami uŝywanymi w warstwie wiąŝącej i podbudowie jest duŝa. W przypadku remontu nawierzchni silnie zdeformowanej naleŝy zdecydować się na usunięcie słabych warstw i wykonanie nowych, stabilnych. NaleŜy wówczas określić, które z warstw są nieodporne na koleinowanie (czy tylko ścieralna czy ścieralna i wiąŝąca). Zwykle jednak moŝna z góry załoŝyć, Ŝe konieczne jest w takim przypadku usunięcie około 10 cm górnych warstw asfaltowych. Jako metodę naprawczą moŝna przyjąć wykonanie konstrukcji dwuwarstwowej, w której warstwę wiąŝącą, np. o gr. 8 cm wykonuje się z BA gruboziarnistego, o strukturze zamkniętej, a cienką warstwę o gr. 2 cm jako warstewę ścieralną. Rysunek 1. Głębokość koleiny po 85000 cyklach. 2) SMA Stone Mastic Asphalt (mastyks grysowy) Mieszanka mastyksowo-grysowa SMA znana jest juŝ od połowy lat 60-tych XX wieku. Powstała jako pomysł niemieckiego inŝyniera dr. Gerharda Zichnera. Stosowane w tamtym czasie w Niemczech mieszanki do warstw ścieralnych Gussasphalt (asfalt lany) i beton asfaltowy o małej zawartości grysów ulegały szybkiemu zniszczeniu przez pojazdy z oponami okolcowanymi. Zarówno mastyks jak i drobne kruszywo były zbyt słabe, aby zapewnić mieszance odpowiednią trwałość. Tym, co mogłoby zagwarantować właściwą odporność warstwy na ścieranie, były grube, odporne na dynamiczne rozdrabnianie ziarna grysów, i to one stały się podstawowym składnikiem tworzonej mieszanki. Pierwsze próby nowej mieszanki polegały na rozkładaniu warstwy gorącego mastyksu (12-15kg/m3), a następnie wciskaniu w niego (walcem) rozsypanego grysu 5/8 mm (28-35kg/m3). Stosunek wagowy mastyksu do grysów wynosił 30:70. Mastyks składał się z 25% asfaltu B80 (lub B65), 35% wypełniacza i ok. 40% piasku łamanego. Orientacyjnie skład pierwszej produkowanej przemysłowo mieszanki był następujący: - grys 5/8 mm ok. 70% (m/m) - piasek łamany 0/2 mm ok. 12% - wypełniacz ok. 10% - asfalt B80 (B65) ok. 7,5% 2

W mieszance nie było kruszywa 2/5 mm oraz juŝ wtedy napotkano problem spływania duŝej ilości asfaltu z kruszywa. Jako stabilizator uŝywano włókna azbestowe dodawane w ilości ok. 1% (m/m). SMA jest mieszanką mineralno-asfaltową zawierającą kruszywo o nieciągłym uziarnieniu, o bardzo duŝej zawartości frakcji grysowej, duŝej zawartości wypełniacza i lepiszcza. Niezbędnym składnikiem SMA jest stabilizator przeciwdziałający spływaniu lepiszcza z kruszywa. Skład SMA dzielimy na następujące części: - szkielet grysowy (kruszywo grube) - mastyks, czyli asfalt, wypełniacz, kruszywo drobne i stabilizator - wolne przestrzenie Polska historia z SMA zaczyna się podobnie szybko jak w Niemczech. JuŜ w roku 1969, na drodze Katowice-Gliwice, wykonano pierwszy odcinek z mieszanki typu SMA. Bardzo dobre wyniki próby skłoniły Centralny Zarząd Dróg Publicznych do opracowania normy i w 1971r. Wprowadzono ją jako ZN- 71/MK-CZDP-3 Drogi samochodowe. Uszorstnienie nawierzchni masą mineralnoasfaltową o wysokiej zawartości grysów. Masa ta była niczym innym jak SMA, w związku z tym moŝna uznać, Ŝe powyŝsza norma była prawdopodobnie pierwszym lub jednym z pierwszych na świecie dokumentów normalizujących SMA. Rysunek 2. Polskie krzywe graniczne uziarnienia wg ZN-71CZDP-3 z 1971 roku (linie czerwone) w porównaniu z uziarnieniem wg Zichnera (linia niebieska) Najnowszy okres stosowania SMA w Polsce rozpoczął się na początku lat 90. Mieszankę tę wyprodukowano w WMB naleŝącej do WPRD Warszawa, a wbudowano na parkingu przed IBDiM w sierpniu 1991r. Liczba odcinków za warstwą ścieralną z mieszanki SMA zwiększa się co rok dynamicznie, a Polska stała się jednym z europejskich liderów w ilości produkowanych mieszanek SMA (rysunek 6). Rysunek 3. Produkcja mieszanki SMA w Polsce w latach 1993-2005 3

Do głównych zalet mieszanek SMA naleŝą: duŝa trwałość, duŝa odporność na deformacje, dzięki duŝej zawartości grubych ziaren oraz silnemu szkieletowi sklinowanych ziaren, zwiększona odporność na zmęczenie dzięki zwiększonej zawartości asfaltu, zwiększona odporność na zuŝycie pod ruchem dzięki obecności twardych ziaren grysowych, dobra makrotekstura powierzchni warstwy i zmniejszenie mgły wodnej generowanej przez ruch pojazdów po mokrej nawierzchni oraz dobre właściwości przeciwhałasowe. Jako wady naleŝy wymienić: śliskość powykonawcza, jeśli nie stosuje się posypki z grysów lub piasku łamanego, zwiększony o 10-20% koszt mieszanki w stosunku do betonu asfaltowego spowodowany większą zawartością asfaltu, wypełniacza oraz stabilizatora (zwracają się w eksploatacji) oraz ryzyko pojawienia się plam róŝnego typu, w przypadku popełnienia jakiegoś błędu na etapie projektowania lub wykonywania SMA. 3) Asfalt drenaŝowy (porowaty) Rodzaj mieszanki mineralno asfaltowej stosowanej do górnych warstw konstrukcji nawierzchni (warstwy ścieralnej i czasem warstwy wiąŝącej). Cechą charakterystyczną tej mieszanki jest znacznie zwiększona ilość wolnych przestrzeni w stosunku do powszechnie stosowanego betonu asfaltowego. Zwykle zawartość wolnych przestrzeni (porów) w asfalcie drenaŝowym wynosi ok. 20% lub więcej, natomiast w BA dla warstwy ścieralnej jest ich od 3 do 5%. Uzyskiwane jest to dzięki wysokiej zawartości grubego kruszywa oraz niskiej zawartości frakcji piaskowej i wypełniacza. W rezultacie tworzą się połączone ze sobą wolne przestrzenie, które podczas deszczu pozwalają nawierzchni pochłonąć wodę jak gąbka, przeciwdziałając powstawaniu kałuŝ. Odprowadzenie wody opadowej z powierzchni odbywa się siecią mikrokanalików wprost do systemu odwodnienia nawierzchni (tj. rowów lub drenaŝu pod konstrukcją nawierzchni). Rysunek 4. Schemat funkcjonowania nawierzchni drenaŝowej: 1) tradycyjny beton asfaltowy woda opadowa tworzy na nawierzchni cienki film; 2) beton asfaltowy porowaty woda z opadów przenika w głąb warstwy i systemem kanalików zostaje odprowadzona Pierwsze próby z zastosowaniem asfaltów drenaŝowych jako warstw ścieralnych w nawierzchniach drogowych prowadzono juŝ w latach 50-tych XX wieku w USA, jednak rezultaty były niezadowalające. Gwałtowny rozwój asfaltów drenaŝowych nastąpił wraz z szerokim stosowaniem asfaltów modyfikowanych w nawierzchniach drogowych. Obecnie są szeroko stosowane w skali światowej, rozwiązując wiele problemów nawierzchniowych. Niektóre kraje (np. Holandia czy Japonia) dąŝą nawet do wymiany nawierzchni na głównych drogach krajowych na asfalt drenaŝowy (juŝ teraz prawie 60% to nawierzchnie porowate). Prace badawcze prowadzone w Danii wykazały, Ŝe wartość zmniejszenia hałasu w nawierzchni wykonanej z porowatego betonu asfaltowego odpowiada wartości, którą moŝna by osiągnąć poprzez zmniejszenie natęŝenia ruchu na danej drodze o 50%. Nawierzchnia z drobnoziarnistym asfaltem porowatym na drodze krajowej o duŝym natęŝeniu zapewnia zmniejszenie hałasu o 3 db w stosunku do średnioziarnistego betonu asfaltowego. W praktyce oznacza to słyszalność niemal trzykrotnie mniejszego hałasu przy niezmienionym natęŝeniu 4

ruchu. Na zwiększenie bezpieczeństwa pojazdów poruszających się po nawierzchniach z asfaltu drenaŝowego wpływa: - likwidacja zjawiska akwaplanacji i ochlapywania wodą, - duŝa szorstkość - oraz zmniejszenie odbicia światła od mokrej nawierzchni W Japonii dzięki wymianie nawierzchni głównych dróg krajowych na asfalt drenaŝowy obniŝono liczbę wypadków o 80%! Do zalet nawierzchni z betonu asfaltowego porowatego naleŝy równieŝ jego duŝa odporność na deformacje trwałe, stabilność i właściwości przeciwpoślizgowe (większy współczynnik tarcia), a to bezpośrednia cecha wpływająca na bezpieczeństwo ruchu. Podstawową wadą tego typu nawierzchni o otwartej strukturze jest jej zanieczyszczanie się prowadzące do zatykania się porów i zniwelowania podstawowych zalet, jakim jest odprowadzanie wody i redukcja hałasu. Dlatego teŝ nawierzchnia wymaga oczyszczania specjalnym sprzętem (wysokie ciśnienie). DuŜa zawartość wolnych przestrzeni umoŝliwia łatwy dostęp powietrza, przyspieszając proces starzenia się asfaltu, przez co trwałość takiej warstwy skraca się. Według badań holenderskich trwałość betonu asfaltowego porowatego wynosi 8-9 lat (trwałość betonu asfaltowego wg tych samych badań wynosi 12 lat). Koszt nawierzchni z asfaltu drenaŝowego jest wyŝszy niŝ z tradycyjnych mieszanek mineralnych. Przede wszystkim z powodu potrzeby stosowania kruszyw o wysokiej odporności na polerowanie się i rozgniatanie oraz potrzeby podwyŝszonej kontroli (jakość materiału, temperatura mieszanki i otoczenia oraz wilgotność otoczenia) podczas wbudowywania. TakŜe koszty utrzymania zimowego ze względu na większe zuŝycie soli są wyŝsze niŝ dla nawierzchni tradycyjnych. Dlatego właśnie beton asfaltowy porowaty, jakkolwiek uznany za granicą, u nas moŝe budzić pewne kontrowersje i zapewne dlatego nie został ujęty w nowej normie PN-S-96025:2000 Drogi samochodowe i lotniskowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania. 4) Asfalt modyfikowany miałem (granulatem) gumowym. Mieszanki mineralno-asfaltowe w Polsce, Europie i na świecie stanowią podstawowy materiał do budowy warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowych. Pomimo Ŝe lepiszcza stanowią w mieszankach mineralnoasfaltowych (MMA) tylko 4-6%, odgrywają decydującą rolę w trwałości nawierzchni drogowej. Za stosowaniem nawierzchni drogowych z dodatkiem gumy przemawiają trzy główne zalety ekologiczne, bezpieczne, trwałe. Badania realizowane w USA wykazały, Ŝe w zapewnieniu odporności nawierzchniowych MMA na powstawanie zniszczeń bardzo duŝy udział ma rodzaj zastosowanego lepiszcza. Stwierdzono, Ŝe ten udział w przybliŝeniu wynosi odpowiednio: - ze względu na koleinowanie 40% - ze względu na powstawanie spękań zmęczeniowych (trwałość zmęczeniowa) 60% - oraz ze względu na spękania temperaturowe ponad 90% Jedną z metod poprawy jakości asfaltu przez jego modyfikację jest dodanie do asfaltu lub MMA miału gumowego uzyskanego z rozdrobnienia zuŝytych opon samochodowych. Wykorzystanie w budownictwie odpadów ze zuŝytych opon samochodowych i innych wyrobów gumowych ma aspekt zarówno techniczny jak i ekologiczny. Uzyskuje się poprawę właściwości lepiszcza i MMA oraz zagospodarowuje się niebezpieczne dla środowiska gumowe materiały odpadowe ( 1250 zuŝytych opon moŝna wykorzystać do wykonania kilometrowego pasa ruchu grubości 50mm). Znane są dwa sposoby dozowania miału gumowego (granulatu gumowego) do mieszanek MMA.: - dozowanie miału gumowego do asfaltu (metoda wet) - dozowanie granulatu gumowego do kruszywa (metoda dry) 5

Według pierwszego otrzymuje się zmodyfikowane lepiszcze gumowo-asfaltowe, według sposobu drugiego zmodyfikowaną mieszankę mineralno-gumowo-asfaltową. Rysunek 5. Schemat wytwarzania MMA modyfikowanej dodatkami gumowymi: 1. ZuŜyte opony zostają zbierane i składowane 2. Worki z rozdrobnioną gumą 3. Guma jest mieszana z asfaltem 4. Pojemniki z agregatem mineralnym (kruszywami) 5. Kruszywa są ogrzewane w bębnach 6. Zmiksowany asfalt z gumą jest dodawany do agregatu 7. Beton asfaltowo-gumowy jest składowany w silosach 8. CięŜarówki odbierają materiał i wiozą w miejsce wbudowania metoda WET Badania wykazały, Ŝe guma zmieszana z asfaltem i poddana działaniu wysokiej temperatury (w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy Ŝywicami z asfaltów i cząsteczkami gumy) staje się miększa i bardziej elastyczna. Zmieniają się właściwości fizyczne układu guma-asfalt, powstaje nowy materiał o polepszonych właściwościach: lepiszcze gumowo-asfaltowe. Charakteryzuje się ono wieloma dodatnimi cechami w porównaniu z lepiszczami standardowymi. Dodatek miału gumowego do asfaltu powoduje wzrost temperatury mięknienia oraz korzystne rozszerzenie temperaturowego zakresu plastyczności do ponad 60 C i wzrost lepkości dynamicznej. Modyfikowane lepiszcze charakteryzuje się równieŝ poprawionym indeksem penetracji, co wskazuje na zmniejszenie jego wraŝliwości temperaturowej. Polepszają się równieŝ właściwości spręŝyste lepiszcza gumowoasfaltowego w porównaniu z asfaltem wyjściowym. W temperaturze ujemnej (-20 C) lepiszcze gumowo-asfaltowe nie przechodzi w stan spręŝysty kruchy. Badania trwałości zmęczeniowej i odporności na koleinowanie mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami gumowo-asfaltowymi oraz badania trwałości zmęczeniowej wykazały, Ŝe są one bardziej odporne na powstawanie odkształceń trwałych i charakteryzują się znacznie większą trwałością zmęczeniową (15-20 razy w stosunku do klasycznej MMA). metoda DRY W tej metodzie część kruszywa mineralnego w mieszance mineralno-asfaltowej zastępuje się granulatem gumowym. Projektuje się skład mieszanki mineralnej o nieciągłym uziarnieniu. Wyniki badań mieszanek MMA modyfikowanych metodą dry wykazały, Ŝe charakteryzują się one wyŝszym modułem spręŝystości i wyŝszą trwałością zmęczeniową w porównaniu z mieszankami tradycyjnymi oraz zwiększoną odpornością na odkształcenia trwałe. W budownictwie drogowym mogą mieć one wszechstronne zastosowanie, m.in.: - masa zalewowa do wypełniania szczelin i innych 6

- pokrowce nawierzchniowe do wypełniania (powierzchniowe utrwalanie) SAM (Stress Absorbent Membran membrany absorbujące napręŝenia) - SAMI (Sterss Absorbent Membrane Interlayer) celem przeciwdziałania rozprzestrzenianiu się spękań i penetracji wilgoci - mieszanki mineralno-bitumiczne z lepiszczem gumowo-asfaltowym - mieszanki mineralno-asfaltowe na nawierzchnie drenujące - warstwy wodochronne do zabezpieczeń nawierzchni przed filtracja wody. Innym rodzajem zastosowania mieszanek gumowo-asfaltowych jest uŝycie ich do pokrywania nawierzchni z betonu cementowego. W przypadku pokrycia popękanej nawierzchni warstwą zwykłej mieszanki mineralno-asfaltowej występuje w tej warstwie efekt pękania odbiciowego. Rozwiązaniem tego problemu jest właśnie umieszczenie spręŝysto plastycznej warstwy SAMI, zmniejszającej odkształcenia, pod nowo ułoŝoną warstwą ścieralną. 5) Asfalt spieniony Asfalt spieniony jest terminem określającym rodzaj technologii przy budowie konstrukcji nawierzchni drogowej, a w szczególności przy przebudowie naprawie istniejącej konstrukcji. Jest to rodzaj stabilizacji, gdzie gorące spienione lepiszcze bitumiczne wiąŝe istniejący lub dowieziony agregat granulowany, tworząc podatną warstwę konstrukcji nawierzchni podbudowę zasadniczą lub pomocniczą. Asfalt spieniony moŝe być wykonywany w technologii na miejscu lub w wytwórni. Asfalt spieniony jako lepiszcze, jest wytwarzany przez wtrysk niewielkiej ilości zimnej wody (ok. 20 C) do gorącego asfaltu (160-200 C) typu D150/200, który poprzez parującą wodę gwałtownie zwiększa swoją objętość nawet 15-20 razy i tworzy delikatną pianę. W tym stanie, który trwa ok. 1 min. lepiszcze charakteryzuje się bardzo duŝą powierzchnią właściwą, bardzo niską lepkością i jest mieszane z zimnym i wilgotnym materiałem granulowanym. W połączeniu z drobnymi częściami tworzy mastyks, który skutecznie wiąŝe mieszankę, pozostawiając grube ziarna nieotoczone. Po raz pierwszy technologię asfaltu spienionego zastosowano do stabilizacji gruntu w USA w 1956 r. Technologia ta róŝniła się trochę od dzisiejszej, gdyŝ spienienie asfaltu uzyskiwano przez wtrysk pary wodnej zamiast wody do gorącego asfaltu. Technologia ta sprawdzała się tylko w wytwórniach stacjonarnych i niemoŝliwa była do stosowania in situ z powodu niedoskonałości ówczesnego sprzętu drogowego. Dopiero pod koniec lat 60. firma Mobil Oil Australia zmodyfikowała wytwarzanie spienionego lepiszcza przez dodawanie zimnej wody, co upowszechniło takŝe technologię in situ. Od początku lat 90. do dziś wraz z rozwojem urządzeń do recyklingu na zimno technologia asfaltu spienionego jest szeroko stosowana w Australii, Nowej Zelandii, Republice Południowej Afryki, USA, Francji, Wielkiej Brytanii oraz w Niemczech. Do podstawowych zalet asfaltu spienionego moŝna zaliczyć: - moŝliwość recyklingu starych nawierzchni metodą na miejscu i w wytwórni - moŝliwość stosowania lokalnych, nienajlepszej jakości kruszyw - zwiększona wytrzymałość w stosunku do materiałów niezwiązanych - sztywność porównywalna do stabilizacji cementem, lecz warstwa z asfaltu spienionego jest podatna i mniej wraŝliwa na przeciąŝenia, brak spękań skurczowych - krótki czas wytwarzania wraz z wbudowaniem - niŝsze koszty wytwarzania ze względu na mniejsze zuŝycie asfaltu (od 2-4%) - ruch budowlany dopuszczony zaraz po wbudowaniu Do ograniczeń technologii asfaltu spienionego moŝna zaliczyć: - konieczność odpowiedniego uziarnienia agregatu, a w szczególności niskiej zawartości najdrobniejszych części, które wpływają na ilość niezbędnego asfaltu - specjalistyczny sprzęt 7

Rysunek 6. Schemat wytwarzania asfaltu spienionego w technologii na miejscu Od 1999 roku koncern Shell doskonali najnowszą technologię produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych w obniŝonej temperaturze pomiędzy 80 a 120 C z dodatkiem asfaltu spienionego, tzw. WAM-Foam (Warm Asphalt Mixture Foamed Bitumen). Produkcja odbywa się w tradycyjnej wytwórni mas bitumicznych. ObniŜenie temperatury technologicznej podczas otaczania kruszywa udało się osiągnąć dzięki dwuetapowemu dozowaniu asfaltu. W początkowym etapie podaje się miękki asfalt, potem twardy. Miękki asfalt jest podawany w formie asfaltu spienionego. Właściwości mieszanki WAM-Foam są zbliŝone do tradycyjnych mieszanek mineralno-asfaltowych produkowanych na gorąco i spełniają wymagania dla warstw ścieralnych dla średnio obciąŝonych nawierzchni. Zaletą technologii WAM-Foam jest mniejsze zuŝycie energii dochodzące do 30% oraz mniejsza emisja dwutlenku węgla w stosunku do tradycyjnej technologii. 8