POLITECHNIKA GDAŃ SKA Katedra Inż ynierii Drogowej

POLITECHNIKA GDAŃ SKA Katedra Inż ynierii Drogowej ul. G. Narutowicza 11 Tel: (0-58) 347 13 47 80-952 GDAŃ S K Fax: (0-58) 347 10 97 Mgr inż. Piotr Jaskuła ANALIZA NISZCZĄCEGO ODDZIAŁYWANIA WODY I MROZU NA MIESZANKI MINERALNO-ASFALTOWE ANALYSIS OF THE DETERIORATING EFFECTS OF WATER AND FROST ON ASPHALT MIXES PRACA DOKTORSKA PhD Thesis Promotor: Prof. dr hab. inż. Józef Judycki Gdańsk, 2004 253

Dziękuję Promotorowi prof. dr hab. inż. Józefowi Judyckiemu za pierwszą myśl w poszukiwaniach, za kierowanie, porady i wsparcie. Koleżankom i Kolegom z Zakładu Budowy Dróg za pomoc i wsparcie. Piotr Jaskuła

Spis treści SPIS TREŚCI: STRESZCZENIE... 1 SUMMARY... 3 1. WSTĘP... 5 1.1. WPROWADZENIE... 5 1.2. TEZA PRACY... 7 1.3. CEL PRACY... 8 1.4. ZAKRES PRACY... 8 2. STUDIA LITERATURY... 9 2.1. WŁAŚCIWOŚCI LEPISZCZA (ASFALTU)... 9 2.2. WŁAŚCIWOŚCI KRUSZYWA... 11 2.3. WŁAŚCIWOŚCI MIESZANKI MINERALNO-ASFALTOWEJ... 13 2.4. INNE CZYNNIKI... 14 2.5. MECHANIZMY ADHEZJI I TEORIE... 16 2.6. MECHANIZMY ZNISZCZEŃ... 17 2.7. ŚRODKI ADHEZYJNE DO POPRAWY ODPORNOŚCI MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH NA ODDZIAŁYWANIE WODY I MROZU... 20 2.8. METODY BADAŃ ODPORNOŚCI MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH NA DZIAŁANIE WODY I MROZU. 21 2.8.1. Badania kruszywa otoczonego asfaltem i luźnej mieszanki... 22 2.8.2. Badania zagęszczonych mieszanek mineralno-asfaltowych... 23 2.8.3. Badania bezpośredniego pomiaru adhezji i kohezji oraz inne metody... 29 2.8.1. Kryteria odporności przy pośrednim rozciąganiu i pozostałych badaniach... 31 2.9. PRACE NAD ODPORNOŚCIĄ MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH NA DZIAŁANIE WODY I MROZU W POLSCE... 32 3. BADANIA LABORATORYJNE... 33 3.1. WSTĘP... 33 3.2. METODYKA BADAWCZA... 33 3.2.1. Wprowadzenie... 33 3.2.2. Wytwarzanie i formowanie próbek... 34 3.2.3. Przygotowanie próbek do badań (kondycjonowanie)... 35 3.2.4. Badania wg metody pośredniego rozciągania... 36 3.2.4.1. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie... 36 3.2.4.2. Moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu... 38 3.2.5. Ocena i kryteria odporności mieszanek na działanie wody i mrozu... 39 3.2.6. Dokładność pomiarów... 40 3.2.6.1. Niejednorodność materiału i zmienne warunki temperaturowe... 40 3.2.6.2. Błędy metod pomiarowych... 41 3.2.6.3. Doświadczalna ocena rozrzutu wyników badań... 42 3.2.6.4. Ocena istotności różnic wartości średnich... 42 3.3. WPŁYW RODZAJU ASFALTU NA ODPORNOŚĆ BETONU ASFALTOWEGO NA DZIAŁANIE WODY I MROZU... 44 3.3.1. Wstęp... 44 3.3.2. Cel i zakres badań... 44 3.3.3. Materiały wyjściowe... 44 3.3.3.1. Asfalt... 44 3.3.3.2. Kruszywo... 45 3.3.4. Beton asfaltowy... 45 3.3.5. Badania odporności betonu asfaltowego na działanie wody oraz wody i mrozu... 50 3.3.5.1. Przygotowanie próbek... 50 3.3.5.2. Wyniki badań betonów asfaltowych... 50 3.3.6. Analiza wyników... 54 3.3.6.1. Wpływ asfaltu na odporność betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu (kondycjonowanie B)... 54 3.3.6.2. Związki cech asfaltu z cechami betonu asfaltowego charakteryzującymi odporność na działanie wody i mrozu... 56 3.3.6.2.1. Regresja liniowa jednoczynnikowa... 56 3.3.6.2.3. Regresja liniowa wieloczynnikowa... 59

Spis treści 3.3.6.2.4. Wyniki analizy regresji wieloczynnikowej... 60 3.3.7. Wnioski... 63 3.4. WPŁYW RODZAJU KRUSZYWA (GRANITOWEGO I BAZALTOWEGO) NA ODPORNOŚĆ BETONU ASFALTOWEGO NA DZIAŁANIE WODY I MROZU... 64 3.4.1. Wstęp... 64 3.4.2. Cel i zakres badań... 64 3.4.3. Materiały wyjściowe... 65 3.4.3.1. Asfalt... 65 3.4.3.2. Kruszywo... 65 3.4.3.3. Beton asfaltowy... 66 3.4.4. Badania... 67 3.4.4.1. Przyczepność asfaltu do kruszywa wg Riedla-Webera... 67 3.4.4.2. Badania odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu... 68 3.4.4.2.1. Przygotowanie próbek... 68 3.4.5. Wyniki badań betonów asfaltowych... 69 3.4.6. Analiza wyników... 70 3.4.7. Wnioski... 71 3.5. WPŁYW RODZAJU ŚRODKA ADHEZYJNEGO (AMINU TŁUSZCZOWEGO TERAMIN 14 I WAPNA HYDRATYZOWANEGO)... 72 3.5.1. Wstęp... 72 3.5.2. Cel i zakres badań... 72 3.5.3. Materiały wyjściowe... 73 3.5.3.1. Asfalt... 73 3.5.3.2. Kruszywo... 73 3.5.3.3. Dodatki... 73 3.5.4. Beton asfaltowy... 74 3.5.5. Badania... 76 3.5.5.1. Badania wstępne ocena przyczepności asfaltu do kruszywa... 76 3.5.5.1.1. Metoda gotowania wg PN-84/B-06714/22 Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie przyczepności bitumów... 76 3.5.5.1.2. Metoda gotowania na podstawie normy amerykańskiej ASTM3625 Boiling Water Test... 76 3.5.5.2. Badania odporności betonu asfaltowego na działanie wody oraz wody i mrozu... 80 3.5.5.2.1. Przygotowanie próbek... 80 3.5.5. Wyniki badań betonów asfaltowych... 80 3.5.5.1. Ocena wizualna powierzchni przełomu próbek... 82 3.5.6. Analiza wyników... 85 3.5.8. Wnioski... 85 3.6. WPŁYW DODATKU WAPNA HYDRATYZOWANEGO NA CECHY BETONU ASFALTOWEGO (ODPORNOŚĆ NA DZIAŁANIE WODY I MROZU ORAZ NA DEFORMACJE TRWAŁE)... 87 3.6.1. Wstęp... 87 3.6.2. Cel i zakres badań... 87 3.6.3. Materiały wyjściowe... 88 3.6.3.1. Asfalt... 88 3.6.3.2. Kruszywo... 88 3.6.3.3. Dodatki... 89 3.6.3.4. Beton asfaltowy... 89 3.6.4. Badania... 91 3.6.4.1. Oddziaływanie wody i mrozu... 91 3.6.4.1.1. Przygotowanie próbek... 91 3.6.4.2. Badania deformacji trwałych... 91 3.6.4.2.1. Przygotowanie próbek do koleinowania... 92 3.6.5. Wyniki badań... 92 3.6.5.1. Wyniki badań odporności na działanie wody i mrozu... 92 3.6.5.2. Wyniki badań odporności betonów asfaltowych na deformacje trwałe... 95 3.6.6. Analiza wyników... 97 3.6.6.1. Odporność na działanie wody i mrozu... 97 3.6.6.1.1. Wpływ dodatku wapna hydratyzowanego i Terminu na odporność na działanie wody i mrozu... 97 3.6.6.1.2. Wpływ dodatku piasku naturalnego na odporność na działanie wody i mrozu... 98

Spis treści 3.6.6.1.3. Wpływ metody dozowania wapna hydratyzowanego na odporność na działanie wody i mrozu... 100 3.6.6.2. Odporność na deformacje trwałe... 100 3.6.6.2.1. Wpływ dodatku wapna hydratyzownego i Terminu na odporność na deformacje trwałe... 101 3.6.6.2.2. Wpływ metody dozowania wapna hydratyzowanego na deformacje trwałe... 101 3.6.6.2.3. Wpływ dodatku piasku naturalnego na deformacje trwałe... 101 3.6.7. Wnioski... 103 3.7. BADANIA BETONU ASFALTOWEGO Z DODATKIEM MATERIAŁU ODPADOWEGO... 104 3.7.1. Wstęp... 104 3.7.2. Cel i zakres badań... 105 3.7.3. Materiał wyjściowy... 105 3.7.3.1. Ścierniwo pomiedziowe... 105 3.7.3.2. Beton asfaltowy z dodatkiem ścierniwa pomiedziowego... 105 3.7.3.2.1. Asfalt... 105 3.7.3.2.2. Kruszywo... 106 3.7.3.2.3. Mieszanka mineralno-asfaltowa... 106 3.7.4. Badania ścierniwa pomiedziowego i ocena wyników badań... 107 3.7.5. Badania odporności betonów asfaltowych z wykorzystaniem ścierniwa pomiedziowego na działanie wody i mrozu... 108 3.7.6. Wyniki badań i ich ocena... 109 3.7.7. Wnioski... 111 3.8. WPŁYW ZAGĘSZCZENIA MIESZANKI NA ODPORNOŚĆ NA DZIAŁANIE WODY I MROZU... 112 3.8.1. Wstęp... 112 3.8.2. Cel i zakres badań... 112 3.8.3. Materiały wyjściowe... 112 3.8.4. Badania odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu... 113 3.8.4.1. Przygotowanie próbek... 113 3.8.5. Wyniki badań... 113 3.8.6. Analiza wyników... 115 3.8.6.1. Nasycenie próbek wodą... 115 3.8.6.2. Zagęszczanie próbek i parametry mechaniczne... 116 3.8.6.3. Stopień nasycenia próbek wodą i parametry mechaniczne po działaniu wody i mrozu 117 3.8.6.4. Uwaga dotycząca metodyki badań... 118 3.8.7. Wnioski... 119 3.9. WPŁYW RODZAJU KONDYCJONOWANIA NA ODPORNOŚĆ BETONÓW ASFALTOWYCH NA DZIAŁANIE WODY I MROZU... 120 3.9.1. Wstęp... 120 3.9.2. Cel i zakres badań... 120 3.9.3. Materiały wyjściowe... 121 3.9.3.1. Asfalt... 121 3.9.3.2. Kruszywo... 121 3.9.3.3. Dodatki... 121 3.9.3.4. Beton asfaltowy... 122 3.9.4. Badania odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu... 124 3.9.4.1. Przygotowanie próbek... 124 3.9.5. Wyniki badań... 125 3.9.6. Analiza wyników... 129 3.9.6.1. Nasycenie próbek wodą... 129 3.9.6.2. Zagęszczenie próbek i parametry mechaniczne... 131 3.9.6.3. Rodzaj kondycjonowania (liczba cykli) i parametry mechaniczne... 132 3.9.6.4. Porównanie wyników uzyskanych wg metody AASHTO T283 oraz modyfikacji AASHTO T283 (18 cykli)... 133 3.9.6.5. Ocena odporności betonu asfaltowego na oddziaływanie wody i mrozu... 134 3.9.6.6. Wpływ poszczególnych etapów kondycjonowania na moduł sztywności i wytrzymałość na pośrednie rozciąganie... 135 3.9.7. Wnioski... 137 3.10. BADANIA ZMĘCZENIOWE WG METODY POŚREDNIEGO ROZCIĄGANIA BETONÓW ASFALTOWYCH PO ODDZIAŁYWANIU WODY I MROZU... 138 3.10.1. Wstęp... 138

Spis treści 3.10.2. Cel i zakres badań... 138 3.10.3. Materiały wyjściowe... 139 3.10.3.1. Beton asfaltowy przygotowywany w laboratorium (przeznaczony do warstwy podbudowy zgodnie z PN-S-96025:2000)... 139 3.10.3.1.1. Asfalt... 139 3.10.3.1.2. Kruszywo... 140 3.10.3.1.3. Mieszanka betonu asfaltowego do warstwy podbudowy... 140 3.10.3.2. Beton asfaltowy pobrany z nawierzchni ulic Gdańska... 142 3.10.4. Przygotowanie próbek... 142 3.10.4.1. Próbki przygotowywane w laboratorium... 143 3.10.4.2. Próbki odwiercane z nawierzchni... 144 3.10.5. Badania... 144 3.10.5.1. Badania oddziaływania wody i mrozu... 144 3.10.5.2. Badania zmęczeniowe... 144 3.10.5.2.1. Wytrzymałość zmęczeniowa betonu asfaltowego po oddziaływaniu wody i mrozu. 149 3.10.6. Wyniki badań i ich analiza... 152 3.10.6.1. Beton asfaltowy na podbudowę wałowany w laboratorium... 152 3.10.6.2. Wpływ laboratoryjnej symulacji oddziaływania wody i mrozu wg AASHTO T283 na trwałość zmęczeniową betonu asfaltowego... 160 3.10.6.3. Beton asfaltowy na podbudowę zagęszczany udarowo w laboratorium... 161 3.10.6.4. Wpływ różnych laboratoryjnych symulacji oddziaływania wody i mrozu na trwałość zmęczeniową betonu asfaltowego... 170 3.10.6.5. Wpływ sztywności betonów asfaltowych na trwałość zmęczeniową po oddziaływaniu wody i mrozu... 172 3.10.6.6. Betony asfaltowe odwiercany z warstw ścieralnych ulic Gdańska... 172 3.10.6.7. Wpływ cech fizycznych i mechanicznych betonu asfaltowego z warstw ścieralnych nawierzchni Gdańska na trwałość zmęczeniową... 176 3.10.7. Wnioski... 181 4. BADANIA TERENOWE... 182 4.1. ODCINEK DOŚWIADCZALNY (WPŁYW RODZAJU ŚRODKA ADHEZYJNEGO)... 182 4.1.1. Wstęp... 182 4.1.2. Cel i zakres badań... 182 4.1.2. Odcinek doświadczalny... 183 4.1.2.1. Lokalizacja... 183 4.1.2.2. Klimat... 184 4.1.2.3. Konstrukcja nawierzchni i materiały... 184 4.1.2.4. Skład i materiały użyte do betonu asfaltowego warstwy ścieralnej... 184 4.1.2.5. Wbudowanie nowych warstw asfaltowych... 188 4.1.3. Badania kontrolne betonu asfaltowego wyprodukowanego w otaczarce przed wbudowaniem... 189 4.1.4. Badania betonów asfaltowych... 189 4.1.4.1. Odporność na działanie wody i mrozu próbek betonu asfaltowego pobranego z zasobnika rozkładarki i uformowanych w laboratorium... 189 4.1.4.2. Odporność na deformacje trwałe wbudowanego betonu asfaltowego... 190 4.1.4.2.2. Koleiny w nawierzchni... 191 4.1.6. Analiza wyników badań... 192 4.1.6.1. Badania kontrolne w czasie budowy... 192 4.1.6.2. Badania odporności na deformacje trwałe w koleinomierzu kołowym... 194 4.1.6.3. Koleiny w nawierzchni... 194 4.1.7. Ocena stanu nawierzchni odcinka doświadczalnego po 4 latach eksploatacji... 195 4.1.7.1. Ocena wizualna... 195 4.1.7.2. Pomiar równości podłużnej... 197 4.1.7.3. Pomiar równości poprzecznej (głębokość koleiny)... 197 4.1.7.4. Pomiar szorstkości... 200 4.1.7.5. Podsumowanie wyników badań stanu nawierzchni po 4 latach eksploatacji... 201 4.1.8. Wnioski... 202 4.2. OCENA ODPORNOŚCI WYBRANYCH NAWIERZCHNI ASFALTOWYCH NA DZIAŁANIE WODY I MROZU... 203 4.2.1. Wstęp... 203 4.2.2. Cel i zakres badań... 203

Spis treści 4.2.3. Badania terenowe... 204 4.2.3.1. Wybór odcinków... 204 4.2.3.2 Ocena wizualna stanu nawierzchni wybranych odcinków ulic... 205 4.2.3.3. Wartościowanie uszkodzeń według SOSN... 206 4.2.3.4. Ocena parametrów stanu nawierzchni... 206 4.2.3.5. Podsumowanie wyników oceny wizualnej SOSN... 208 4.2.4. Badania laboratoryjne betonów asfaltowych odwiercanych z nawierzchni... 209 4.2.4.1. Pobranie próbek... 209 4.2.4.2. Badania cech fizycznych i mechanicznych betonów asfaltowych... 209 4.2.4.3. Ocena wewnętrznego przełomu próbki wyciętej z nawierzchni... 212 4.2.4.4. Wyniki oceny przełomu... 212 4.2.4.5. Ocena cech fizycznych i mechanicznych betonów asfaltowych wyciętych z nawierzchni... 213 4.2.5. Badanie odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu wg AASHTO T283 216 4.2.5.1. Próbki do badań... 217 4.2.5.2. Przygotowanie próbek... 217 4.2.5.3. Wyniki badań według zmodyfikowanej metody AASHTO T283... 218 4.2.5.4. Analiza wyników... 220 4.2.5.4.1. Porównanie wskaźników WS i WR... 220 4.2.5.4.2. Zestawienie wskaźników WS, WR i wieku nawierzchni... 221 4.2.5.4.3. Zestawienie odporności na działanie wody i mrozu oraz cech mechanicznych betonów asfaltowych... 221 4.2.5.4.4. Miary odporności na działanie wody i mrozu oraz zawartość wolnych przestrzeni... 222 4.2.5.4.5. Miary odporności na działanie wody i mrozu oraz stosunek wypełniacz/asfalt... 225 4.2.5.4.6. Zestawienie wyników oceny wizualnej nawierzchni i miar odporności na działanie wody i mrozu... 226 4.2.5.4.7. Zestawienie oceny wizualnej nawierzchni i oceny przełomu próbek... 229 4.2.6. Propozycja kryterium odporności betonów asfaltowych na działanie wody i mrozu wg AASHTO T283... 230 4.2.7. Propozycja modyfikacji normy AASHTO T283 dla warunków polskich... 231 4.2.8. Wnioski... 231 5. ANALIZY OBLICZENIOWE TRWAŁOŚCI KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI PRZY UWZGLĘDNIENIU ODDZIAŁYWANIA WODY I MROZU... 233 5.1. WPROWADZENIE... 233 5.2. CEL I ZAKRES ANALIZ... 233 5.3. METODYKA OBLICZEŃ... 233 5.4. RUCH... 234 5.5. TEMPERATURA EKWIWALENTNA... 234 5.6. STAŁE MATERIAŁOWE DO OBLICZEŃ... 234 5.7. MODEL NAWIERZCHNI... 236 5.7.1. Poziome odkształcenia rozciągające w warstwie asfaltowej i pionowe odkształcenie ściskające w podłożu... 237 5.8. TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI PO ODDZIAŁYWANIU WODY I MROZU... 238 5.8.1. Model trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni asfaltowej... 241 5.9. SZKODA ZMĘCZENIOWA... 242 5.10. WNIOSKI... 243 6. WNIOSKI KOŃCOWE... 244 6.1. WNIOSKI Z BADAŃ LABORATORYJNYCH... 244 6.2. WNIOSKI Z BADAŃ TERENOWYCH I ANALIZ OBLICZENIOWYCH... 245 6.3. KIERUNKI PRZYSZŁYCH BADAŃ... 246 LITERATURA... 247

Streszczenie ANALIZA NISZCZĄCEGO ODDZIAŁYWANIA WODY I MROZU NA MIESZANKI MINERALNO-ASFALTOWE Streszczenie Niniejsza praca doktorska dotyczy zniszczeń nawierzchni asfaltowych powodowanych oddziaływaniem wody oraz łącznie wody i mrozu. Woda i mróz wpływa na osłabienie kohezji mieszanki i adhezji asfaltu do kruszywa, dąży do odmycia otoczki asfaltu z powierzchni kruszywa, prowadząc do obniżenia wytrzymałości mieszanki i degradacji nawierzchni. Na podstawie studiów literatury autor przedstawił istotę adhezji asfaltu do kruszywa, teorie zniszczeń połączenia asfaltu i kruszywa. Dokonano przeglądu laboratoryjnych metod określających siłę tego połączenia oraz metod oceniających odporność mieszanki mineralno-asfaltowe na działanie wody oraz wody i mrozu łącznie. Przedstawiono sposoby zwiększania tej odporności w mieszankach. Część badawcza zawiera badania laboratoryjne i terenowe odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu. Wykonano analizy obliczeniowe trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni przy uwzględnieniu niszczącego oddziaływania wody i mrozu. Zmodyfikowaną metodę Lottmana (AASHTO T283) wykorzystano do zbadania wpływu następujących czynników na odporność mieszanki mineralno-asfaltowej na działanie wody i mrozu: różnych rodzajów asfaltu: 8 zwykłych i 3 modyfikowanych asfaltów, kruszywa granitowego i bazaltowego, dwóch środków adhezyjnych: ciekłego środka (aminu tłuszczowego -Teramin 14) i wapna hydratyzowanego, żużla pomiedziowego, zagęszczenia mieszanki, sposobów kondycjonowania próbek w laboratorium. Wpływ niszczącego oddziaływania wody i mrozu na mieszanki mineralno-asfaltowe oceniano przez porównanie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie oraz modułu sztywności sprężystej badanych przed i po laboratoryjnej symulacji oddziaływania wody i mrozu. Dodatkowo wykonano badania zmęczeniowe wg metody pośredniego rozciągania betonu asfaltowego bez i po laboratoryjnej symulacji oddziaływania wody i mrozu. Na odcinku doświadczalnym poprzez ocenę stanu nawierzchni (stan powierzchni, koleina i szorstkość) oraz laboratoryjne badania odporności warstwy ścieralnej na działanie wody i mrozu weryfikowano skuteczność działania dwóch środków adhezyjnych (ciekłego środka Teramin 14 i wapna hydratyzowanego). Wykonano też ocenę zniszczeń powierzchni 12 nawierzchni dróg i ulic w rejonie Gdańska i Gdyni, eksploatowanych od 2 do 8 lat oraz badania laboratoryjne próbek pobranych z warstw ścieralnych tych nawierzchni. 1

Streszczenie W analizach obliczeniowych stworzono model trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni na podstawie, którego uwzględniono wpływ oddziaływania wody i mrozu na trwałość nawierzchni asfaltowej. W oparciu o przeprowadzone badania w laboratorium i w terenie oraz analizy obliczeniowe stwierdzono, że: 1. Rodzaj asfaltu i kruszywa istotnie wpływa na odporność betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu. Jeśli do mieszanki zastosowano kruszywo hydrofilowe to sam asfalt modyfikowany nie daje gwarancji odporności mieszanki na działanie wody i mrozu. W większości przypadków należy zastosować środek adhezyjny. 2. Wapno hydratyzowane w takim samym stopniu poprawia odporność betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu, co ciekły środek adhezyjny (Teramin 14). 3. Niedogęszczenie i zawyżona zawartość wolnych przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej istotnie obniża odporność na działanie wody i mrozu. 4. Trwałość zmęczeniowa betonu asfaltowego nieodpornego na działanie wody i mrozu spada prawie dwukrotnie. 5. Ze stanem nawierzchni bardzo dobrze koreluje stosunek W/A ( wypełniacz/asfalt ). Jeżeli jest on wysoki to wyraźnie maleje odporność betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu, tworząc beton sztywny i kruchy. 6. Obligatoryjne stosowanie w Polsce metody AASHTO T283 ograniczy zniszczenia nawierzchni powodowane oddziaływaniem wody i mrozu. 7. Analizy obliczeniowe konstrukcji nawierzchni asfaltowej wykazały, że na trwałość zmęczeniową konstrukcji istotnie wpływa odporność mieszanki mineralnoasfaltowej na działanie wody i mrozu. 2

Summary ANALYSIS OF THE DETERIORATING EFFECTS OF WATER AND FROST ON ASPHALT MIXES Summary This thesis concerns the deterioration of asphalt pavements due to the action of water and combined action of water and frost. Water and frost decrease cohesion of mix and adhesion between bitumen and aggregate, thereby enhancing stripping of bitumen binder film from the surface of aggregate grains. It results in reduced strength of asphalt mix and deterioration of asphalt pavement. Based on literature studies, the author presented the nature of adhesion between bitumen and aggregate and the theories of bond deterioration. The laboratory testing methods which are used for determining the strength of the bond between bitumen and aggregate and the resistance of asphalt mixes to the action of water and frost were reviewed. Moreover, currently used methods of increasing resistance of asphalt mixes to water and frost were presented. The research part of the thesis contains laboratory and field tests of the resistance of asphalt concrete to the action of water and frost. Structural analyses of asphalt pavement which take into account deteriorating effect of water and frost have been presented. The modified Lottman s method (AASHTO T283) was used to check the effect of the following factors on the resistance of asphalt mix: various types of bitumens: 8 pure and 3 polymer modified bitumens, granite and basalt aggregates, addition of two adhesive agents, namely amines in liquid form (Teramin 14) or hydrated lime, waste aggregate, compaction degree, methods of conditioning of the samples for laboratory testing. The detrimental effect of water and frost was measured by comparing indirect tensile strength and resilient modulus of asphalt mixes before and after laboratory simulation of water and frost action. In addition, fatigue tests with use of indirect tension method were carried out. The effect of two different adhesive agents (Teramin 14 and hydrated lime) was evaluated on test sections of road pavement by assessing its condition (surface deterioration, rut depth and friction coefficient) and laboratory testing of the resistance of wearing course to the action of water and frost. Moreover, the degree of deterioration of pavements of 12 roads and streets, located in Gdansk and Gdynia area, which were in service from 2 to 8 years was assessed, accompanied with laboratory tests of samples taken from the wearing course of these pavements. The structural analysis included creating a model of fatigue resistance of pavement structure subjected to detrimental action of water and frost, which was then used for establishing the effect of water and frost on the fatigue life of asphalt pavements. 3

Summary The following conclusions were drawn on the basis of the laboratory and field tests carried out in this research: 1. The type of bitumen binder and aggregate has a significant effect on the resistance of asphalt mixes to the action of water and frost. If aggregate is hydrofilic, such resistance cannot be solely ensured by using modified bitumen and in most cases an adhesive agent must be added. 2. Hydrated lime may be used in place of amines (Teramin 14) to achieve the same resistance of asphalt concrete to action of water and frost. 3. Insufficient compaction and increased voids content in asphalt mix will significantly decrease the resistance of the mix to action of water and frost. 4. If a mix is not resistant to the action of water and frost its fatigue life decreases almost by half. 5. A very good correlation was established between condition of a pavement and the filler/bitumen ratio in asphalt concrete. If it is high a clear decrease in resistance of asphalt concrete to water and frost is observed, and asphalt concrete becomes stiff and brittle. 6. Obligatory use of AASHTO T283 or a similar method in Poland would reduce deterioration of pavements due to the action of water and frost. 7. The structural analyses of an asphalt pavement shown that the fatigue life of a pavement structure is strongly related to resistance of asphalt mix to the water and frost action. 4

1. Wstęp 1. WSTĘP 1.1. Wprowadzenie Ostatnio w Polsce nasilił się problem przedwczesnych zniszczeń nawierzchni asfaltowych, powodowanych oddziaływaniem wody oraz łącznie wody i mrozu. Konsekwencją tych zniszczeń jest odmywanie asfaltu z powierzchni kruszywa, które powoduje odrywanie się ziaren kruszywa, łuszczenie i rozluźnienie się mieszanki mineralno-asfaltowej (patrz rysunek 1.1). Niekiedy zniszczenia te przyjmują postać nieregularnych spękań lub deformacji, prowadząc do całkowitej degradacji nawierzchni (patrz rysunek 1.2). Rysunek 1.1. Zniszczenia powierzchniowe powodowane niszczącym oddziaływanie wody i mrozu. Rysunek 1.1a. Zniszczenia powierzchniowe powodowane niszczącym oddziaływanie wody i mrozu (zbliżenie rys. 1.1). 5

1. Wstęp Rysunek 1.2. Nieregularne spękanie nawierzchni powodowane niszczącym oddziaływaniem wody i mrozu. Rysunek 1.2a. Nieregularne spękanie nawierzchni powodowane niszczącym oddziaływaniem wody i mrozu (zbliżenie rys. 1.2). Jest to obecnie bardzo istotny problem w Polsce, z dwóch następujących powodów. Pierwszym jest fakt, że w połowie lat 90 roku wprowadzono w Polsce nowe wymagania dotyczące betonów asfaltowych odpornych na deformacje trwałe [147]. Były one reakcją na gwałtowne koleinowanie się polskich dróg asfaltowych. Nowe wymagania wprowadziły zasadę stosowania kruszyw i piasków łamanych wysokiej jakości, wykluczyły stosowanie piasków naturalnych i ograniczyły znacznie zawartość asfaltu. Poprzednio, w betonie asfaltowym według PN-74/S-96022 zawartość asfaltu 6

1. Wstęp w warstwie ścieralnej wynosiła około 6.3%, obecnie jest rzędu 5%. Stare betony asfaltowe były łatwe do zagęszczenia, nie były stabilne, ale były trwałe. Nowe betony asfaltowe, ze 100% zawartością ziaren łamanych, z małą zawartością urabialnej zaprawy, są trudniej zagęszczalne. I sprawia to, że nowo wbudowane mieszanki są bardziej wrażliwe na oddziaływanie wody i mrozu, które w polskim klimacie jest niezwykle surowe (częste opady i liczne przejścia przez 0 C). Drugim powodem jest coraz częstsze stosowanie kruszyw o bardzo zróżnicowanym składzie petrograficznym. Poprzednio do betonów asfaltowych w wielu regionach kraju stosowano kruszywo bazaltowe, o bardzo dobrej adhezji z asfaltem. Obecnie sytuacja uległa zmianie. Bardzo popularne są kruszywa ze skał granitowych pochodzące z południowej Polski, a w Polsce Północnej sprowadzane drogą morską ze Skandynawii i Wielkiej Brytanii. Kruszywa te charakteryzują się kwaśnym odczynem i słabym powinowactwem do asfaltu. Wiele nawierzchni wybudowanych z betonu asfaltowego, zaprojektowanego według nowych zasad, w ostatnich kilku latach zachowuje się bardzo dobrze. Jednak są nawierzchnie, które wykazują bardzo duże uszkodzenia powierzchniowe związane z działaniem wody i mrozu. Uszkodzenia takie widoczne są na niektórych nowobudowanych odcinkach już po pierwszej zimie. Biorąc pod uwagę powyższe zmiany dotyczące technologii mieszanek mineralnoasfaltowych badanie odporności na działanie wody i mrozu wydaje się być koniecznym elementem przy ich projektowaniu, aby wyeliminować przedwczesne zniszczenia. Jednocześnie znajomość istotnych czynników wpływających na siłę połączenia asfaltu i kruszywa pozwoli ulepszać mieszanki, czyniąc je mniej wrażliwymi na oddziaływanie wody i mrozu. Zakład Budowy Dróg Politechniki Gdańskiej od 1996 roku prowadzi ciągłe badania odporności mieszanek mineralno asfaltowych na działanie wody i mrozu, stanowiące przedmiot tej pracy doktorskiej. Wykonano badania wielu mieszanek o różnym składzie, zawierających różne kruszywa i asfalty, różne środki adhezyjne. 1.2. Teza pracy Niszczące oddziaływanie wody oraz łącznie dwóch czynników wody i mrozu powinno być uwzględniane przy projektowaniu mieszanek mineralno-asfaltowych i konstrukcji nawierzchni. Istnieje możliwość zminimalizowania szkód spowodowanych w nawierzchniach asfaltowych przez te czynniki poprzez odpowiednie projektowanie zarówno mieszanek jak i konstrukcji nawierzchni. 7

1. Wstęp 1.3. Cel pracy Podstawowym celem pracy jest określenie zachowania się nawierzchni asfaltowej wrażliwej na niszczące oddziaływanie wody i mrozu. Szczegółowe cel pracy to: - ocena wpływu wybranych czynników na odporność mieszanki mineralnoasfaltowej na działanie wody i mrozu (rodzaj asfaltu i kruszywa, rodzaj środka adhezyjnego, wpływ wapna hydratyzowanego, zagęszczenie mma, rodzaj kondycjonowania), - dostosowanie istniejących metod i kryteriów oceny odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu do warunków polskich, - ocena wpływy oddziaływania wody i mrozu na trwałość konstrukcji nawierzchni. 1.4. Zakres pracy Praca doktorska składa się z 6 rozdziałów. Rozdział 1 zawiera tezy pracy, uzasadnienie potrzeby przeprowadzania badań oraz zakres pracy. Rozdział 2 zawiera studia literatury, dotyczące zagadnień niszczącego oddziaływania wody i mrozu na mieszanki mineralno-asfaltowe. Omówiono wpływ asfaltu i kruszywa na siłę ich połączenia, mechanizmy i teorie adhezji, mechanizmy zniszczeń połączenia asfaltu i kruszywa. Szeroko omówiono metody badań adhezji i odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu, jak i przedstawiono metody zwiększające odporność mieszanek mineralno-asfaltowych. Rozdział 3 dotyczy opisu badań laboratoryjnych wykonanych przez autora. Przedstawiono w nim metodykę badawczą do określania odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu oraz badania wpływu wybranych czynników (rodzaj asfaltu i kruszywa, rodzaj środka adhezyjnego, wapna hydratyzowanego, żużli pomiedziowych, zagęszczenie mieszanki, rodzaj laboratoryjnego kondycjonowania) na odporność betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu. Ponadto w rozdziale tym przedstawiono badania zmęczeniowe betonu asfaltowego poddanego i niepodanego niszczącemu oddziaływaniu wody i mrozu. Rozdział 4 dotyczy badań terenowych wykonanych przez autora. W rozdziale tym przedstawiono kontynuację badań laboratoryjnych wpływu i skuteczności działania dwóch środków adhezyjnych (ciekłego środka adhezyjnego Teramin 14 i wapna hydratyzowanego) na odcinku doświadczalnym. Ponadto przedstawiono ocenę stanu 12 eksploatowanych nawierzchni oraz badania odporności betonów asfaltowych pobranych z tych nawierzchni na działanie wody i mrozu. Rozdział 5 zawiera analizy obliczeniowe trwałości konstrukcji nawierzchni przy uwzględnieniu oddziaływania wody i mrozu. Na podstawie wyników laboratoryjnych badań zmęczeniowych betonów asfaltowych poddanych i niepoddanych oddziaływaniu wody i mrozu stworzono model analiz obliczeniowych destrukcyjnego działania wody i mrozu na konstrukcję nawierzchni. Rozdział 6 zawiera wnioski, wynikające z przeprowadzonych badań i analiz. 8

2. Studia literatury 2. STUDIA LITERATURY W rozdziale tym przedstawiono na podstawie starszych i najnowszych prac badawczych wpływ istotnych czynników na adhezję i odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu, mechanizmy i teorie adhezji, mechanizmy zniszczeń połączenia asfaltu i kruszywa oraz szeroko omówiono metody badań tego zjawiska, jak i przedstawiono metody zapobiegania. 2.1. Właściwości lepiszcza (asfaltu) Siła destrukcyjnego działania czynników atmosferycznych zależy, od rodzaju materiałów użytych do mieszanek mineralno-asfaltowych, a ściśle mówiąc od powiązania na powierzchni styku asfaltu z kruszywem. Lepiszczem, materiałem mającym tworzyć silne połączenie w mieszance jest asfalt. Jego właściwości zmieniają się w zależności od metody produkcji, pochodzenia ropy naftowej, z której jest produkowany asfalt, jej typu i konsystencji. Podstawy adhezji W ujęciu fizyko-chemicznym zagadnienie kontaktu ciał: lepiszcze materiał mineralny jest związane ze zdolnością zwilżania powierzchni ciała stałego przez asfalt. Zdolność ta zależy przede wszystkim od lepkości zwilżającego lepiszcza i jego napięcia powierzchniowego [117]. Napięcie powierzchniowe i wolna energia powierzchniowa są parametrami, które często używane są zamiennie. Powierzchnia rozdziału faz pomiędzy cieczami a gazami zachowuje się tak jakby była pod wpływem siły, zwanej napięciem powierzchniowym, mającej wpływ na kurczenie się tejże powierzchni. Napięcie powierzchniowe powoduje tworzenie się niezrównoważonych sił przyciągania pomiędzy molekułami powierzchniowymi. Wewnętrzne molekuły są równomiernie rozłożone i zorientowane we wszystkich kierunkach, w przeciwieństwie do powierzchniowych molekuł, zorientowanych do wewnątrz i wywierających ciśnienie na ciecz [88]. Stopień zwilżania, który zależy od wzajemnego przyciągania molekuł lepiszcza i kruszywa, jak i sił przyciągania wewnętrznych molekuł lepiszcza przedstawiono na rysunku 2.1. Silne oddziaływanie molekularne lepiszcza wytwarza duże napięcie powierzchniowe, co powoduje słabe zwilżanie kruszywa przez to lepiszcze. Wzrost zwilżania występuje w momencie spadku napięcia powierzchniowego czy wolnej energii powierzchniowej lepiszcza [88]. Rysunek 2.1. Schemat przedstawiający wpływ napięcia powierzchniowego cieczy na powierzchni ciała stałego na zwilżenie 9

2. Studia literatury Z tymi parametrami ściśle związana jest inna wielkość tzw. kąt zwilżania, czyli kąt styku cieczy (asfalt) zwilżającej powierzchnię ciała stałego (kruszywa) na granicy trzech faz: lepiszcza, kruszywa, wody [1]. Rysunek 2.2 przedstawia siły międzyfazowe w punkcie M, miejsce styku kruszywa i asfaltu w obecności wody. Równowagę sił w punkcie M wyraża równanie: wa = ab + bw cos (2.1) gdzie: wa napięcie międzyfazowe między wodą a kruszywem, ab napięcie międzyfazowe między kruszywem a asfaltem, bw napięcie międzyfazowe między wodą a asfaltem, kąt zwilżenia. Kąt zwilżenia może być wyrażony w postaci równania: wa ab cos bw (2.2) Z dobrą zdolnością zwilżania mamy do czynienia, gdy cos > 0, czyli <90. Ze słabą zdolnością zwilżania mamy do czynienia, gdy cos < 0, czyli >90. 10 Rysunek 2.2. Kąt zwilżania, napięcia międzyfazowe [88] Lepkość i temperatura są dwiema zależnymi właściwościami wskazującymi na poziom ruchliwości molekularnej i wielkość sił przyciągających w cieczy. W momencie wzrostu temperatury lepiszcza siły przyciągania i napięcie powierzchniowe maleją, powodując wyższy poziom zwilżania. Stosowane powszechnie drogowe lepiszcza bitumiczne w temperaturze pokojowej mają wysoką lepkość i małą zdolność do otaczania kruszywa. Do zwiększania zdolności zwilżana kruszyw przez lepiszcza bitumiczne, stosuje się wysoką temperaturę mieszania w otaczarce. Shell zaleca zakres lepkości asfaltu od 0,2 do 0,5 Pas dla właściwego

2. Studia literatury otoczenia kruszywa i przeciwdziałania spływaniu lepiszcza podczas transportu i przestojów podczas wbudowywania mieszanek mineralno-asfaltowych [140]. W pracy [34] wykazano, że zwilżanie kruszywa przez asfalt ma istotne znaczenia na odporność mieszanki mineralno-asfaltowej na działanie wody i mrozu. Wiadomym jest, że asfalty o wyższej lepkości są bardziej odporne na odmycie przez wodę niż te o niższej lepkości [88]. Asfalty mające wysoki stopień aromatyczności, gęsto spakowane molekuły (wysoką lepkość) mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie i większe odkształcenie podczas rozerwania [88], [118]. Z wiekszości przestudiowanych prac, wynika, że istotnie znaczące są chemiczne cechy asfaltu (skład grupowy, polarność itp.), które wpływają na połączenie z kruszywem. Jednocześnie z prac tych wynika, że ważniejszą rolę w połączeniu kruszywa i asfaltu pełni jednak kruszywo [11], [23], [42]. Ze względu na specjalizację zawodową autora bardziej skomplikowane zagadnienia związane z cechami chemicznymi asfaltu nie będą w tej pracy omawiane. 2.2. Właściwości kruszywa Kruszywa mineralne silniej lub słabiej łączą się z asfaltem w zależności od składu mineralogicznego (w szczególności zawartości krzemionki SiO 2 ) i ich właściwości fizycznych. Skład mineralogiczny jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za połączenie kruszywa i asfaltu, czyli zjawiska adhezji [23], [88]. Kruszywa, tak jak inne materiały mają niezrównoważony ładunek powierzchniowy, którego efektem jest istnienie potencjału, czy też energii powierzchniowej. Gdy powierzchnię minerału pokryjemy cieczą o przeciwnej polarności, wówczas następuje równowaga energetyczna tworząca trwałą więź dwóch ośrodków. Ciecz, która jest w stanie pokryć większe zasoby energetyczne kruszywa tworzy mocniejsze, bardziej trwałe połączenie. Jednakże w momencie, gdy występuje adhezja dwóch cieczy do jednego agregatu i jedna z cieczy zrównoważy większy potencjał energetyczny kruszywa, wówczas istnieje możliwość zastąpienia, czy też wymiany cienkiej otoczki drugiej cieczy pokrywającej kruszywo. Zjawisko to jest określane odmyciem (ang. stripping ) cieczy z powierzchni ciała stałego, czy asfaltu z kruszywa, czyli zastąpienie lepiszcza asfaltowego na powierzchni kruszywa cienką otoczką wody. W związku z powyższym kruszywa generalnie można podzielić na dwie grupy: kruszywa hydrofobowe i hydrofilowe [88]. Kruszywa hydrofobowe to takie, które mają mniejsze powinowactwo z wodą, a większe z asfaltem. Oznacza to, że asfalt potrafi zrównoważyć większe powierzchniowe zasoby energetyczne kruszywa. Kruszywa hydrofilowe mają zaś większe powinowactwo z wodą niż z asfaltem. Kruszywa o niskiej zawartości krzemionki SiO 2 (<55%), nazywane w uproszczeniu zasadowymi, (bowiem wszystkie kruszywa są mieszaniną alkalicznych i kwaśnych minerałów [122]), należą do grupy kruszyw hydrofobowych. Charakteryzują się one dużą przyczepnością do asfaltu, co daje trwałe, silne wiązanie na powierzchni styku. Dzięki temu bez obaw stosowane są w nawierzchniach asfaltowych. Kruszywa o wyższej zawartości krzemionki SiO 2 (>65%), takie jak granit i kwarcyt (patrz. rys. 2.3), wykazują niską przyczepność do asfaltu przez co zastosowanie ich bywa 11

2. Studia literatury ograniczone, bądź też w takim przypadku produkt końcowy, czyli mieszanka mineralno-asfaltowa będzie charakteryzować się niską odpornością na działanie wody i mrozu. Właściwości fizyczne kruszywa takie jak szorstkość, chropowatość, porowatość i zapylenie mają znaczny wpływ na powiązanie asfaltu z kruszywem [14], [88]. Tekstura powierzchniowa kruszywa wpływa na zwilżanie kruszywa asfaltem i na wytrzymałość wiązania. Powierzchniowe nierówności mogą kryć drobne cząsteczki wody, które następnie penetrują i osłabiają styk wiązania asfaltu i kruszywa. Z drugiej strony, nierówności kruszywa umożliwiają dobre zaczepienie asfaltu przy jednoczesnym zwiększeniu powierzchni styku (patrz rys. 2.4). W wyniku tego zmniejsza się naprężenie na połączeniu przy jednakowej sile adhezji. Rysunek 2.3. Podział skał ze względu na kwasowość Rysunek 2.4. Wpływ tekstury powierzchniowej kruszywa na adhezję Występowanie porów, szczelin i kapilar na powierzchni kruszywa umożliwia penetrację lepiszcza w głąb, przez co wzmacnia fizycznie połączenie [88]. Dodatkowo w czasie procesu produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej, gorące kruszywo utrzymuje uwięzione powietrze w szczelinach. W momencie ochładzania się kruszywa wytwarza się podciśnienie, które zasysa asfalt z powierzchni kruszywa (patrz rys. 2.5), tworząc silniejsze powiązanie [88]. 12

2. Studia literatury Rysunek 2.5. Wpływ porowatości kruszywa na adhezję Kruszywo często jest osłonięte warstwą pyłów lub pokryte cząstkami wody (patrz rys. 2.6). Obecność tych czynników na powierzchni kruszywa obniża możliwość zwilżania i pokrywania kruszywa asfaltem, jak i osłabia wytrzymałość połączenia [19], [88]. Rysunek 2.6. Efekt pokrycia kruszywa warstewką pyłu 2.3. Właściwości mieszanki mineralno-asfaltowej Wiele cech mieszanki mineralno-asfaltowej ma wpływ na odporność na działanie wody i mrozu. Najważniejszymi z nich są jednak: Zawartość wolnych przestrzeni / przepuszczalność Wielkość ta ma duży wpływ na odporność mieszanki na działanie wody i mrozu [9], [15], [27], [73], [105], [130], [131]. Mieszanki o zawartości wolnych przestrzeni rzędu 8-10% są najbardziej narażone na działanie wody [127], co jest nazwane efektem najgorszej zawartością wolnych przestrzeni (pessimum voids) [131]. Mniej wrażliwe są te mieszanki, które zawierają ponad 12% wolnych przestrzeni (woda może swobodnie odpłynąć z mieszanki). Najmniej wrażliwe są zaś te o zawartości wolnych przestrzeni poniżej 3-5% (są mało lub nieprzepuszczalne). W opozycji do koncepcji pessimum voids wyniki swoich badań przedstawił Jimenez (komentarz do pracy [9]), stwierdzając, że w przedziale od 3 do 14% odporność na działanie wody i mrozu spada liniowo. 13

2. Studia literatury 100 pozoztałość wytrzymałości MMA po działaniu wody i mrozu, [%] 50 0 5 10 15 zawartość wolnych przestrzeni, [%] 20 Rysunek 2.7. Zależność między pozostałością wytrzymałości mieszanki mineralnoasfaltowej po oddziaływaniu wody i mrozu (TSR) a zawartością wolnych przestrzeni [127] Ilość wolnych przestrzeni nie determinuje jednak tego, czy woda dostanie się do nawierzchni, czy też nie. Badania dowiodły, że mieszanki o podobnej zawartości wolnych przestrzeni mogą znacząco różnić się, jeżeli chodzi o przepuszczalność [18]. Wynika to przede wszystkim ze składu mieszanki, a mianowicie różnego rodzaju kruszywa oraz różnej zawartości poszczególnych frakcji. Wewnętrzna struktura mieszanki decyduje o przepuszczalności nie zaś tylko zawartość wolnych przestrzeni. W związku z powyższym badanie przepuszczalności może lepiej określać wrażliwość danej mieszanki na działanie wody i mrozu niż sama tylko zawartość wolnych przestrzeni. Zawartość wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem W pracach [94], [100], [101] przedstawiono zależność zawartości wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem (VFB) i odporności na odmywanie asfaltu z powierzchni kruszywa. Wysoka odporność na odmywanie jest wtedy, gdy: VFB>80%; wątpliwa, gdy: 60% <VFB< 80%; niska, gdy: VFB< 60%. 2.4. Inne czynniki Poza właściwościami kruszywa, asfaltu oraz mieszanki mineralno-asfaltowej również czynniki zewnętrzne (patrz tablica 2.1) mają wpływ na odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody mrozu. Z obserwacji przeprowadzonych przez badaczy amerykańskich wynika, że złe odwodnienie powierzchniowe i/lub wgłębne powoduje wprowadzenie wody lub pary wodnej do konstrukcji nawierzchni, co może być przyczyną przedwczesnego wystąpienia zniszczeń indukowanych przez wodę i mróz [71], [74]. Woda może dostać się do środka nawierzchni różnymi drogami : z powierzchni poprzez powierzchniowe spękania; w wyniku przesączania się z rowów; oraz na drodze kapilarnego podciągania wody z gruntu, przez podbudowę aż do spodu warstw bitumicznych (szczególnie w przypadku spękanych podbudów z chudego betonu czy stabilizacji gruntu/kruszywa cementem). Wyżej woda jest z reguły 14

2. Studia literatury wciągana w postaci pary wodnej. Para wodna tworzy się z reguły w ciągu dnia, gdy nawierzchnia się rozgrzewa. Penetruje beton asfaltowy wypełniając coraz większe ilości wolnych przestrzeni. Nocą, gdy temperatura nawierzchni obniża się para wodna ulega skropleniu. Podczas tego procesu (wysoka temperatura/niska temperatura, parowanie/skraplanie) może dojść do wytworzenia ciśnienia w porach rzędu 140 kpa. Dodatkowo ciśnienie to zwiększane jest przez naprężenia (siły) indukowane przez pojazdy poruszające się po drodze. Może być wówczas na tyle duże, że zerwie połączenie kruszywo-asfalt umożliwiając wodzie łatwiejszy dostęp do kruszywa i rozpoczęcie procesu odmywania [74]. Kandhal w pracy z 2001 roku [74] stwierdza, że w ostatnim czasie sporo problemów dotyczących zniszczeń wywoływanych przez wodę i mróz pojawiło się w przypadku remontu starych nawierzchni z zastosowaniem tzw. nakładek z mieszanek mineralno-asfaltowych. Nowe, nieprzepuszczalne warstwy bitumiczne powodują zatrzymanie wody zawartej w starej nawierzchni. W następstwie tego dochodzi do degradacji nawierzchni (starej, jak i nowej) według takiego samego schematu jak w przypadku niewłaściwego odwodnienia. Proces ten może być przyspieszony, gdy nową, gorącą masę asfaltową nakładamy na nasyconą wodą, starą nawierzchnię. Wysoka temperatura przyspiesza parowanie wody znajdującej się w zdegradowanej nawierzchni. Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia przedwczesnych uszkodzeń nawierzchni wywołanych przez wodę i mróz należy podczas remontów: Usprawnić system drenażowy konstrukcji nawierzchni celem odcięcia dopływu wody z boków (zaniedbane rowy) oraz przede wszystkim z gruntu przez system kapilar. Sprawny system umożliwia również odpłynięcie wody nagromadzonej w starej, spękanej nawierzchni, Zapobiec układaniu nowych warstw bitumicznych na nasyconą wodą (wręcz mokrą), starą nawierzchnię. Schmidt i Graf przedstawili zmiany sztywności mieszanki pod wpływem cyklicznego oddziaływania wody, które istotnie osłabiają mieszankę mineralno-asfaltową. Na rysunku 2.7a przedstawiono zmianę sztywności mma w czasie przy zmiennym poziomie nasycenia wodą (nasiąkliwość) mieszanki wodą (wartości przy krzywej). Tablica 2.1. Czynniki wpływające na przyczepność asfaltu do kruszywa [140] Właściwości kruszywa Właściwości asfaltu Właściwości mieszanki mineralno-asfaltowej - skład - właściwości - zawartość wolnych mineralogiczny, reologiczne, przestrzeni, - tekstura powierzchni, - polarność - przepuszczalność, - porowatość, elektryczna, - zawartość asfaltu, - zapylenie, - budowa. - grubość błonki - wielkość powierzchni asfaltu na ziarnach ziaren, kruszywa, - zdolność wchłaniania - rodzaj wypełniacza, asfaltu, - uziarnienie, - wilgotność, - rodzaj mieszanki. - kształt ziaren, - stopień zwietrzenie. Czynniki zewnętrzne - opady deszczu, wilgotność, - kwasowość wody (ph), - obecność soli, - temperatura otoczenia, - cykl temperaturowy, - obciążenie ruchem, - projekt konstrukcji nawierzchni, - wykonawstwo, - odwodnienie. 15

2. Studia literatury Rysunek 2.7a. Wpływ cyklicznego oddziaływania wody na sztywność mieszanki [108] 2.5. Mechanizmy adhezji i teorie Istnieje kilka teorii wyjaśniających zjawisko adhezji, które zebrali i przedstawili Majidzadeh i Brovold [88]. Teoria mechaniczna Według teorii mechanicznej, głównym elementem rozważań jest tekstura powierzchni kruszywa i mechaniczne połączenie lepiszcza z jej powierzchnią. Teoria zakłada, że wciśnięcie lepiszcza w pory i inne nieregularności powierzchni kruszywa stanowi siłę tego połączenia. W takim przypadku, jeśli zaistnieje dokładniejsze zwilżanie, powstała więź będzie znacznie silniejsza niż na gładkiej powierzchni. Jednak powietrze często jest uwięzione w porach i szczelinach, co przedwcześnie osłabia połączenie. Zwolennicy tej teorii twierdzą, że główny wpływ na dobre połączenie ma tekstura powierzchni kruszywa, która zależna jest od składu mineralogicznego. Teoria ułożenia molekuł Według teorii orientacji molekuł, kiedy molekuły asfaltu są w kontakcie z molekułami kruszywa, same ułożą się odpowiednio, aby zbilansować maksymalne zasoby energetyczne powierzchni kruszywa. Zwolennicy tej teorii twierdzą, że odpowiednie ustawienie się molekuł w cieczy może być efektem oddziaływania układu jonów powierzchni ciała stałego tak, iż jest zgodne z ich polaryzacją. Teoria energii międzyfazowej Teoria energii międzyfazowej, jest obecnie bardziej uznawana niż pozostałe. Rozważa ona adhezję jako zjawisko termodynamiczne związane z energią powierzchniową materiałów powiązanych. Zwilżanie czy powlekanie ciała stałego cieczą, a także odmywanie lepiszcza od kruszywa jest zależne od zmian wolnej 16

2. Studia literatury energii w układzie. Teoria ta nie zakłada, w odniesieniu do struktury molekularnej międzycząsteczkowych właściwości fizycznych sił międzycząsteczkowych, odpowiedzialności za adhezję. Nie dostarcza także informacji o siłach potrzebnych do oddzielenia łączonych spoiwem pary materiałów. Teoria ta kładzie nacisk na polarność, ułożenie molekuł, które są odpowiedzialne za adhezję. Ciecze biegunowe (polarne), które mają lepsze możliwości redukcji ich energii powierzchniowych, w trwałych termodynamicznych warunkach minimalnej energii powierzchniowej są bardziej przyciągane do powierzchni kruszywa niż niepolarne (niebiegunowe) ciecze. Koncepcja ta może być użyta do wytłumaczenia odmywania i odrywania lepiszcza asfaltowego z powierzchni kruszywa przez wodę będącą cieczą wysoko spolaryzowaną. Teoria reakcji chemicznych Teoria ta zakłada, że zjawisko adhezji występuje pomiędzy związkami chemicznymi kruszywa i asfaltu. Zgodnie z tą teorią podzielono kruszywa na kwaśne i zasadowe, o różnej przyczepności do asfaltu. 2.6. Mechanizmy zniszczeń Generalnie uszkodzenia połączenia asfalt-kruszywo można podzielić na dwie kategorie: utratę kohezji i utratę adhezji [130]. Utrata kohezji W utracie kohezji płaszczyzna zniszczenia jest zlokalizowana wewnątrz lepiszcza oddzielającego i łączącego ziarna kruszywa. Utrata kohezji, którą można wyjaśnić poprzez analizę reologiczną lepiszcza i agregatu, występuje w mieszankach z suchym i czystym kruszywem. Utrata adhezji Utrata adhezji charakteryzowana jest jako kompleksowe lub częściowe zniszczenie powierzchni międzyfazowej połączenia lepiszcza i agregatu. W obecności wody i często ekstremalnych warunków środowiskowych obserwuje się w mieszankach mineralno-asfaltowych utratę adhezji. Generalnie jest ona następstwem ekstremalnych warunków obciążeniowych, jak i koncentracji naprężeń wywoływanej przez wady i nieregularności powierzchni kruszywa. Utrata adhezji powodowana przemieszczeniem, odmyciem lepiszcza z powierzchni kruszywa przez wodę analizowana jest poprzez zasady termodynamiki. Majidzadeh i Brovold [88] i i Fromm [29] przedstawili szereg, istniejących koncepcji uszkodzeń połączenia asfalt-kruszywo, które można sklasyfikować jako: koncepcja wypierania, teoria odrywania, teoria przerwania warstewki asfaltu i teoria ciśnienia porowego, spontanicznej emulgacji asfaltu oraz chemicznego przerwania i teorii osmozy. Koncepcja wypierania [14], [29], [88], [125], [130] Wypieranie czy odmywanie asfaltu z powierzchni kruszywa przez wodę jest dobrze znanym zjawiskiem, które jest następstwem utraty adhezji w nawierzchniowych mieszankach mineralno-asfaltowych. Koncepcja ta wiąże mechanizm zniszczenia z pozostawaniem w równowadze części kruszywa zagłębionego w warstewce asfaltu 17

2. Studia literatury (patrz rys. 2.8.). Kontakt kruszywa z asfaltem jest znacznie większy, gdy układ kruszywo-asfalt jest w stanie suchym (patrz punkt A rys. 2.8). Gdy pojawia się obecność wody połączenie asfalt-kruszywo przestaje pozostawać w równowadze i powierzchnia styku zmniejsza się i przemieszcza (patrz punkt B rys.2.8). Doświadczenia laboratoryjne i terenowe wykazują duży wpływ lepkości asfaltu na odmycie asfaltu z kruszywa. Nawierzchniowe mieszanki mineralno-asfaltowe w chwili wbudowywania (lepkość asfaltu jest niska) i występowania opadów atmosferycznych mogą wykazywać wysoki poziom odmycia asfaltu z kruszywa i utraty adhezji. Rysunek 2.8. Schemat połączenia asfalt-kruszywo w stanie suchym i w obecności wody [88] Teoria odrywania [14], [29], [88], [125], [130] Teoria ta dotyczy przypadku, gdy lepiszcze asfaltowe jest oddzielane od pojedynczych ziaren kruszywa, podczas gdy otoczka asfaltu pozostaje w stanie nienaruszonym; kruszywo jest otoczone asfaltem, lecz brak jest adhezji pomiędzy asfaltem a kruszywem. Zwykle odrywanie jest przypisywane termodynamicznemu zastąpieniu asfaltu przez cienką warstewkę wody, pochodzącą z kruszywa jak i czasami z asfaltu. Kruszywo zapylone także ma wpływ na odrywanie asfaltu. Istnieją trzy przyczyny odrywania asfaltu powodowanego wodą: Przepływ wilgotnego powietrza w otwartych mieszankach mineralnoasfaltowych, Bezpośredni kontakt z wodą w nasiąkniętych mieszankach, Woda uwięziona w kapilarach kruszywa. Bardzo ważnymi elementami w ocenie odrywania asfaltu jest charakterystyka styku dwóch ciał tzn. głównie powierzchni przez skład mineralogiczny i poziom ph kruszywa. Woda dochodząca do powierzchni styku jest w dobrych relacjach z siecią krzemionki w kruszywie. Woda asocjuje z krzemionką tworząc jony wodorotlenowe, które zwiększają ph, przez co przyspieszają proces degradacji. Tłumaczy to częstsze i większe zniszczenia nawierzchni z kruszywami kwarcowymi i kwaśnymi, w stosunku do kruszyw o niższej zawartości krzemionki. Proces odrywania asfaltu z kruszywa jest zjawiskiem, które jest niemożliwe do łatwego rozpoznania przez proste testy laboratoryjne. Wytrzymałość połączenia kruszywa z asfaltem zależy głównie od rodzaju oddziaływujących naprężeń i reakcji reologicznych materiału. Zaobserwowano, że: Gwałtowne pojawienie się naprężeń rozciągających powoduje zniszczenia w warstewce asfaltu; Pojawienie się dużego naprężenia rozciągającego powoduje wystąpienie pęknięcia, małej rysy w warstwie asfaltu; 18