Mieszanka betonu asfaltowego

11.6.1.2 Zniekształcenia

Zniekształcenia nawierzchni są wynikiem niestabilności mieszanki asfaltowej, ruchu lub słabości podbudowy ziarnistej lub podtorza, a ponadto niektórym rodzajom zniekształceń może towarzyszyć pękanie nawierzchni. Zniekształcenia nawierzchni mogą przybierać różne formy, ale najczęstsze z nich to koleinowanie i przesuwanie (shoving).

Rozdrobnienie (tworzenie się kanalikowych zagłębień, kolein) występuje w śladach kół na nawierzchni. Koleiny stanowią poważny problem, ponieważ przyczyniają się do powstawania szorstkiej nawierzchni i mogą wypełniać się wodą podczas opadów deszczu lub śniegu, co z kolei może powodować aquaplaning i utratę kontroli nad pojazdami poruszającymi się po drodze.

Rozdrobnienie (często określane jako deformacja trwała) jest powszechną formą uszkodzenia elastycznych nawierzchni i powstaje, gdy (załadowane lub ciężkie) opony samochodów ciężarowych poruszają się po nawierzchni z betonu asfaltowego, a nawierzchnia ulega niewielkiemu ugięciu. Ugięcia te mogą wynosić od mniej niż jednej dziesiątej milimetra przy niskich temperaturach – gdy nawierzchnia i podłoże są bardzo sztywne – do milimetra lub więcej przy wysokich temperaturach – gdy nawierzchnia jest gorąca i bardzo miękka. Jeśli moduł sprężystości mieszanki jest wystarczający, po przejechaniu przez oponę samochodu ciężarowego po danym fragmencie nawierzchni nawierzchnia wraca do pierwotnego położenia. Często jednak nawierzchnia nie odzyskuje całkowicie swojego pierwotnego położenia, pozostawiając na drodze koła bardzo małe (ale nie bez znaczenia) trwałe odkształcenia nawierzchni. W związku z tym, po przejechaniu przez nawierzchnię wielu obciążeń kołowych – liczba obciążeń kołowych zależy od jakości nawierzchni – może dojść do znacznych kolein, prowadzących do powstania nawierzchni o głębokości 0,75 cala lub większej (20 mm lub więcej). Koleiny o głębokości około 10 mm lub większej są zwykle uważane za nadmierne i stanowią istotne zagrożenie dla bezpieczeństwa.

Rozdrobnienie podtorza chodnika jest spowodowane konsolidacją lub przemieszczeniem materiałów na skutek powtarzającego się obciążenia ruchem drogowym. W ciężkich przypadkach może dojść do wypiętrzenia na zewnątrz koleiny. Ten rodzaj uszkodzenia występuje w podłożu lub podbudowie w wyniku nadmiernych naprężeń, przenikania wilgoci lub podstawowego błędu projektowego. Z tego względu może objawiać się jako wgłębienie w torze jazdy koła lub wypiętrzenie wzdłuż boków koleiny. Koleiny powstają zazwyczaj po ułożeniu nowej nawierzchni i stają się minimalne wraz z twardnieniem i starzeniem się lepiszcza asfaltowego. Do powstawania kolein przyczyniają się również ciężarówki przewożące ciężkie ładunki na oponach ze znacznie zwiększonym ciśnieniem w oponach na nawierzchniach, które nie są przystosowane do takich obciążeń. Mieszanki te charakteryzowały się zbyt wysoką zawartością asfaltu, zbyt wysoką zawartością drobnych cząstek, kruszyw o okrągłej i gładkiej strukturze oraz zbyt miękkim asfaltem. Udoskonalenia w procedurach projektowania mieszanek, specyfikacjach i badaniach kruszyw oraz lepiszczach PG znacznie zmniejszyły problemy związane z koleinowaniem.

Wreszcie, koleinowanie jest bardziej powszechne w lecie, gdy podwyższone temperatury zmiękczają cement asfaltowy. W przypadku nawierzchni z mieszanek asfaltowych na zimno (CMA) brak napowietrzenia lub utwardzenia emulsji może prowadzić do powstania kruchej mieszanki, która będzie się koleinować. Stanowi to problem zwłaszcza wtedy, gdy układanie mieszanek na zimno odbywa się pod koniec roku. Inne pokrewne formy deformacji trwałej to shoving i wash boarding.

Shoving (corrugations, wash-boarding) to forma deformacji plastycznej, której efektem są fale na powierzchni nawierzchni. Występują one zazwyczaj w przypadku silnych naprężeń poziomych w miejscach, w których ruch uliczny rozpoczyna się i kończy, na obniżeniach terenu, gdzie pojazdy hamują, na skrzyżowaniach oraz na ostrych łukach poziomych. Pofałdowania są zwykle spowodowane zbyt dużą ilością asfaltu lub użyciem bardzo miękkiego asfaltu w mieszance.

Shoving występuje zwykle na skrzyżowaniach, gdy pojazdy zatrzymują się, wywierając siłę boczną na powierzchnię gorącej mieszanki, co powoduje jej nadmierne odkształcenie w poprzek nawierzchni, a nie w obrębie kolein. Podobne zjawisko to wash boarding, jednak w tym przypadku deformacja przybiera formę serii dużych fal na powierzchni nawierzchni. Koleiny, wyboje i wash boarding mogą być skutkiem trwałych odkształceń każdej części nawierzchni – podbudowy, podbudowy z granulatu lub którejkolwiek z warstw wiążących. Nadmierna deformacja trwała jednej lub kilku warstw związanych jest wynikiem zastosowania mieszanki betonu asfaltowego, której brakuje wytrzymałości i sztywności w wysokich temperaturach. Kilka problemów związanych z projektowaniem mieszanki, takich jak dobór zbyt miękkiego lepiszcza asfaltowego w zależności od klimatu i natężenia ruchu, może sprawić, że będzie ona podatna na powstawanie kolein i innych form deformacji trwałych.

Dezintegracja to rozpad nawierzchni, który rozpoczyna się od utraty drobnych cząstek kruszywa z powierzchni nawierzchni i prowadzi do powstawania wybojów. W wyniku postępującego niszczenia niższych warstw nawierzchni powstają duże kawałki niezwiązanych ze sobą fragmentów. Uszkodzenie to może być skutkiem obciążenia zmęczeniowego, ponieważ w wyniku przemieszczania się fragmentów nawierzchni powstają ogromne wyboje. Do różnych rodzajów dezintegracji nawierzchni należą: raveling/ weathering, delaminacja, stripping i wyboje.

Raveling (weathering) to stopniowa utrata kruszywa z powierzchni nawierzchni. Raveling jest jednym z powikłań wynikających z usuwania nawierzchni. Można go opisać jako postępującą utratę materiału powierzchniowego w wyniku działania czynników atmosferycznych lub ścierania powierzchni. Zaczyna się od oderwania drobnego kruszywa od cementu asfaltowego i pozostawienia na nawierzchni małych, szorstkich plam, które powiększają się w miarę odrywania się większych cząstek kruszywa od nawierzchni. W miarę upływu czasu większe cząstki kruszywa odklejają się z powodu braku oparcia w otaczających je drobnych cząstkach. Ruch drogowy przyspiesza powstawanie żłobień na ścieżkach. Procesy wietrzenia zachodzą na całej powierzchni nawierzchni, także w miejscach nieprzeznaczonych do ruchu. Z reguły do powstania rozległego żłobienia potrzebna jest zarówno woda, jak i ruch drogowy. Przyczyną żłobienia są duże pustki powietrzne w gorącej mieszance asfaltowej spowodowane złym zagęszczeniem lub układaniem nawierzchni pod koniec sezonu. Ponadto skutkiem żłobienia może być również uboga mieszanka asfaltowa (zbyt mała ilość asfaltu) lub przegrzanie asfaltu w wytwórni mieszanek asfaltowych (prowadzące do zaburzenia struktury lepiszcza związanego z kruszywem). Do żłobienia dochodzi również wtedy, gdy opony usuwają cząstki kruszywa z powierzchni ułożonej na gorąco nawierzchni asfaltowej. Wiele z tych samych czynników, które wpływają na niską odporność na zmęczenie, przyczynia się również do powstawania żłobień, np. niska zawartość lepiszcza asfaltowego i słabe zagęszczenie w terenie. Ponieważ nawierzchnia jest narażona na działanie wody pochodzącej z opadów deszczu i śniegu, słaba odporność na wilgoć może również przyspieszyć powstawanie żwiru w nawierzchniach z mieszanek gorących.

Żłobienie to stopniowa utrata przyczepności między warstwą asfaltu a powierzchnią kruszywa, prowadząca do utraty integralności gorącej mieszanki asfaltowej. W związku z tym nawierzchnia staje się podatna na różne formy uszkodzeń, ponieważ traci swoją sztywność strukturalną. Do czynników, które przyczyniają się do powstawania pasów, należą: woda na nawierzchni przy dużym obciążeniu ruchem, wysoka temperatura, rodzaj kruszywa i lepiszcza oraz słabe zagęszczenie. Rozdarcie może prowadzić do innych form uszkodzenia, takich jak pęknięcia i koleinowanie.

Woda nie przepływa łatwo przez starannie i wydajnie wykonane nawierzchnie z mieszanek asfaltowych, ale przepływa bardzo powoli nawet przez dobrze zagęszczony materiał. Woda może przedostać się pomiędzy powierzchnię kruszywa i lepiszcza asfaltowego w mieszance, osłabiając lub nawet całkowicie niszcząc wiązania pomiędzy tymi dwoma materiałami (stripping). Szkody spowodowane wilgocią mogą wystąpić bardzo szybko, gdy pod nawierzchnią znajduje się woda, na przykład gdy nawierzchnie są budowane na terenach słabo odwodnionych i nie są odpowiednio zaprojektowane lub wykonane, aby usunąć wodę ze struktury nawierzchni. W rzeczywistości sporadyczne narażenie na działanie wody może powodować uszkodzenia spowodowane wilgocią w mieszankach asfaltowych z powodu wadliwego projektu, wadliwej konstrukcji lub zastosowania złych materiałów.

Procesy fizykochemiczne, które kontrolują uszkodzenia spowodowane wilgocią, są złożone, ponieważ różne kombinacje lepiszcza asfaltowego i kruszywa będą wykazywać bardzo różne stopnie odporności na uszkodzenia spowodowane wilgocią. W rzeczywistości trudno jest przewidzieć odporność na wilgoć konkretnego połączenia asfaltu i kruszywa, chociaż mieszanki asfaltowe produkowane z kruszyw zawierających dużą ilość krzemionki (takich jak piaskowiec, kwarcyt, chert i niektóre rodzaje granitu) są zazwyczaj bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane wilgocią. Prawidłowe wykonanie, a zwłaszcza dokładne zagęszczenie, może przyczynić się do zmniejszenia przepuszczalności nawierzchni z mieszanek bitumicznych na gorąco, a tym samym znacznie ograniczyć (a nawet zminimalizować) prawdopodobieństwo wystąpienia szkód spowodowanych wilgocią. W celu zwiększenia odporności na wilgoć do mieszanek asfaltowych można dodawać dodatki zapobiegające odrywaniu – wapno hydratyzowane jest jednym z najbardziej powszechnych i najskuteczniejszych takich dodatków.

Odporność na wilgoć mieszanek asfaltowych do układania na gorąco można ocenić (często określa się ją jako procedurę Lottmana). W tym badaniu w laboratorium zagęszcza się sześć cylindrycznych próbek gorącej mieszanki asfaltowej. Trzy z nich poddawane są kondycjonowaniu – nasycaniu próżniowemu, zamrażaniu i rozmrażaniu – podczas gdy pozostałe trzy nie są kondycjonowane. Oba zestawy próbek są następnie badane przy użyciu próby pośredniego rozciągania. Procent wytrzymałości zachowanej po kondycjonowaniu nazywany jest współczynnikiem wytrzymałości na rozciąganie i jest wskaźnikiem odporności danej mieszanki na wilgoć. Wiele agencji autostradowych wymaga minimalnego współczynnika wytrzymałości na rozciąganie 70-80% dla mieszanek asfaltowych mieszanych na gorąco, ale należy pamiętać, że dane uzyskane za pomocą tej metody badawczej nie zawsze są w 100% wiarygodne i mogą stanowić jedynie przybliżone wskazanie odporności mieszanki na wnikanie wilgoci i uszkodzenia.

Delaminacja to zlokalizowana utrata całej grubości nakładki, spowodowana brakiem wiązania między nakładką a oryginalną nawierzchnią. Również w tym przypadku czynnikiem sprawczym jest woda, zwłaszcza gdy wniknięcie wody następuje pomiędzy dwie warstwy nawierzchni. Rozwarstwienie jest jednak zazwyczaj ograniczone do obszaru ścieżek i dopiero po kilku latach od nałożenia nakładki staje się poważnym problemem, ale gdy już do niego dojdzie, jezdnię trudno jest naprawić. Oczyszczenie starej powierzchni i zastosowanie emulsji asfaltowej jako warstwy sczepnej (cienkiej warstwy asfaltu używanej do budowy lub odnawiania dróg i autostrad) pomoże złagodzić problem i jest szczególnie pomocne, gdy grubość nakładki wynosi dwa cale (50 mm) lub mniej.

Potoles to różnej wielkości dziury w nawierzchni w kształcie miski, powstałe w wyniku miejscowej dezintegracji pod wpływem ruchu drogowego. Powodują one wadliwą geometrię kół i mogą zacząć się od małego pęknięcia, które wpuszcza wodę i osłabia podstawę drogi, lub małego obszaru żłobienia, który wchodzi na pełną głębokość, lub też cała masa wybojów może pojawić się w ciągu jednej nocy w pękniętym jak aligator obszarze cienkiej nawierzchni. Słabe gleby, zły drenaż, zbyt cienka powierzchnia asfaltu, słabe zagęszczenie i niewłaściwa konserwacja nawierzchni mogą prowadzić do powstawania wybojów.