Nawierzchnie asfaltowe

Po wejściu Polski do Unii Europejskiej zaistniała konieczność dostosowania infrastruktury do wymagań europejskich, w tym budowy i przebudowy sieci drogowej. Położenie Polski w centrum Europy powoduje, że natężenie ciężkiego ruchu samochodowego, szczególnie kierunku wschód–zachód, z roku na rok intensywnie wzrasta. Dominującą technologią budowy nawierzchni drogowych jest budowa nawierzchni asfaltowych. Równie ważne, ale stosowane w mniejszym zakresie, są nawierzchnie z betonu cementowego.

Nawierzchnie drogowe można podzielić ze względu na ich konstrukcję, odkształcalność, zdolność do przenoszenia obciążeń i rodzaj materiałów zastosowanych do warstwy jezdnej. Ze względu na odkształcalność nawierzchnie dzielimy na:

– podatne – nawierzchnie o konstrukcji odkształcającej się plastycznie pod działaniem obciążeń (nawierzchnie brukowcowe, tłuczniowe i asfaltowe na podbudowach podatnych);

– półsztywne – nawierzchnie asfaltowe o podbudowie z betonu, chudego betonu, kruszyw lub gruntów stabilizowanych;

– sztywne – nawierzchnie o konstrukcji odkształcającej się sprężyście pod działaniem obciążeń (nawierzchnie z betonu cementowego).

Większość nawierzchni twardych jest wykonywana jako nawierzchnie podatne lub sztywne. Nawierzchnie podatne stanowią w Europie i w Polsce około 90% ogólnej długości dróg twardych. Typy konstrukcji nawierzchni, ze względu na odkształcalność, przedstawiono na rys. 1. 

Rys. 1. Typy konstrukcji nawierzchni sieci dróg podstawowych w Europie

Konstrukcję nawierzchni asfaltowej przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Konstrukcja nawierzchni asfaltowej

Mieszanki mineralno-asfaltowe

Warstwy konstrukcyjne nawierzchni, tj. warstwa ścieralna, wiążąca i podbudowa, mogą być wykonywane z mieszanek mineralno-asfaltowych. Mieszanka mineralno-asfaltowa składa się z lepiszcza asfaltowego, kruszywa drobnego i grubego, wypełniacza oraz dodatków. W mieszankach mineralno–asfaltowych lepiszcze asfaltowe stanowi średnio tylko około 5%, a mimo to jego wpływ na właściwości mieszanek jest decydujący. W Polsce do budowy warstw konstrukcyjnych nawierzchni stosuje się następujące rodzaje mieszanek mineralno-asfaltowych:

– do warstw podbudowy i wiążącej: beton asfaltowy (AC) i beton asfaltowy o wysokim module sztywności (AC WMS);

– do warstwy ścieralnej: beton asfaltowy (AC), mastyks grysowy (SMA), asfalt lany (MA), beton asfaltowy do cienkich warstw ścieralnych (BBTM) i asfalt porowaty (PA).

Beton asfaltowy jest najczęściej stosowanym rodzajem mieszanki mineralno-asfaltowej, w której kruszywo o uziarnieniu ciągłym tworzy strukturę wzajemnie się klinującą [2].

Mastyks grysowy jest to mieszanka mineralno-asfaltowa składająca się z grubego, łamanego kruszywa o nieciągłym uziarnieniu, związanego mastyksem [2].

Asfalt lany jest to mieszanka mineralno-asfaltowa, w której objętość wypełniacza i lepiszcza jest większa niż zawartość wolnych przestrzeni w kruszywie [2].

Beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw jest to mieszanka mineralno-asfaltowa do warstw ścieralnych o grubości od 20 do 30 mm, w której kruszywo ma nieciągłe uziarnienie [2].

Asfalt porowaty jest to mieszanka mineralno-asfaltowa o bardzo dużej zawartości połączonych wolnych przestrzeni, które umożliwiają przepływ wody i powietrza w celu zapewnienia właściwości drenażowych i zmniejszenia hałasu komunikacyjnego [2]. Na rys. 3. przedstawiono schemat odwodnienia nawierzchni tradycyjnej i z asfaltu porowatego.

Mieszanki mineralno-asfaltowe różnią się w zależności od:

– wymiaru największego ziarna kruszywa (np. AC 8, AC 11);

– rodzaju zastosowanej mieszanki mineralnej (np. uziarnienie ciągłe – AC, MA, lub nieciągłe – SMA, BBTM, PA);

– zawartości wolnej przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej (np. 0% dla MA, 3– 4% dla AC, 18–24% dla PA);

– technologii wykonania (np. wykonywane w technologii „na gorąco”, „na ciepło” i „na zimno”).

Rys. 3. Schemat odwodnienia nawierzchni tradycyjnej i z asfaltu porowatego

Lepiszcza

Klasyfikację lepiszczy bitumicznych przedstawiono na rys. 4. Wśród lepiszczy asfaltowych wyróżnia się asfalty ponaftowe i naturalne. Asfalty naturalne typu Trynidad i Gilsonit stosowane są jako dodatki modyfikujące właściwości asfaltów ponaftowych. Lepiszcza smołowe, stosowane do budowy nawierzchni oraz w przemyśle izolacji, ze względu na niskie właściwości techniczne oraz toksyczność zostały w Europie, również w Polsce, wycofane ze stosowania w latach 70. XX w.

Lepiszcza asfaltowe należą do materiałów wiążących pochodzenia organicznego, których wiązanie i twardnienie jest zjawiskiem fizycznym odwracalnym polegającym na zmianie kohezji i adhezji cząsteczek lepiszcza przy zmianie temperatury [1]. Właściwości asfaltów drogowych zależą od rodzaju ropy naftowej oraz zastosowanej technologii produkcji. W Polsce produkcja asfaltów odbywa się trójstopniowo w procesie destylacji atmosferycznej, próżniowej oraz utleniania pozostałości próżniowej.

Obecnie do budowy nawierzchni asfaltowych stosuje się następujące rodzaje lepiszczy: asfalty drogowe, modyfikowane i wielorodzajowe, emulsje asfaltowe, asfalty upłynnione, asfalty spienione.

Asfalty drogowe klasyfikuje się wg normy PN-EN 12591. Podstawą klasyfikacji asfaltów jest ich twardość (penetracja w temperaturze 25ºC) – podział asfaltów drogowych patrz tabela.

Rys. 4. Klasyfikacja lepiszczy bitumicznych

Asfalty drogowe stosowane do budowy nawierzchni asfaltowych powinny spełniać wymagania w szerokim zakresie temperatur technologicznych i eksploatacyjnych. Temperatury eksploatacyjne są to temperatury, których zakres wynosi od –40º do +80ºC, natomiast temperatury technologiczne są to temperatury wytwarzania i układania nawierzchni asfaltowych, wynoszą od 90º do 220ºC.

Właściwości normowe są niewystarczające do pełnej charakterystyki lepiszczy w tak szerokim zakresie temperatur (260ºC). Konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych badań właściwości reologicznych. Na podstawie badań reologicznych można określić, w jakim zakresie temperaturowym asfalt znajduje się w stanie sprężystym, lepkosprężystym i lepkim, pod wpływem działania obciążenia w czasie oraz temperatury. Dobre asfalty powinny charakteryzować się szerokim zakresem lepkosprężystości, tj. od –40º do +80ºC.

Budowa nowoczesnych nawierzchni, trwałych i odpornych na zniszczenia, wymaga stosowania wysokiej jakości lepiszczy. Lepiszcza takie uzyskać można przez modyfikację asfaltów drogowych następującymi dodatkami: polimerami (elastomerami lub plastomerami), kwasem polifosforowym z polimerem, solami organometalicznymi. Tego rodzaju lepiszcza stosowane są do mieszanek mineralno-asfaltowych wytwarzanych „na gorąco” w temperaturach 160–200ºC. W ostatnich latach ze względu na ochronę środowiska stosuje się również mieszanki mineralno-asfaltowe „na  ciepło”, które przez zastosowanie dodatków modyfikujących mają obniżoną temperaturę wytwarzania o 30–50ºC w odniesieniu do mieszanek „na gorąco”. W technologii „na zimno” drogowych robót utrzymaniowych stosuje się emulsje asfaltowe, asfalty upłynnione oraz nową technologię asfaltu spienionego.

Ze względów technicznych i ochrony środowiska ważne jest stosowanie do budowy nawierzchni drogowych, w coraz większym zakresie, lepiszczy gumowo-asfaltowych. Do ich produkcji wykorzystuje się miał gumowy ze zużytych opon samochodowych.

Tab. Klasyfikacja asfaltów drogowych wg normy PN-EN 12591

Podsumowanie

Ze względów ekonomicznych, ekologicznych, społecznych oraz biorąc pod uwagę rozwój gospodarczy Polski konieczna jest budowa trwałych, nowoczesnych i bezpiecznych nawierzchni drogowych.

Materiały stosowane do budowy nawierzchni drogowych powinny charakteryzować się:

– dobrymi cechami technicznymi,

– przyjaznością dla środowiska,

– możliwością recyklingu,

– prostotą i łatwością stosowania,

– trwałością,

– estetyką.

Stwierdzić należy, że stosowanie nowoczesnych rozwiązań materiałowo-technologicznych w zakresie lepiszczy i mieszanek mineralno-asfaltowych spełnia obecne wymagania dotyczące zrównoważonego budownictwa drogowego.

Historia budowy dróg

Najstarsze doniesienia o budowie dróg o nawierzchni twardej pochodzą  sprzed 4 tys. lat przed naszą erą i dotyczą obszaru starożytnego Babilonu. W tym okresie do budowy nawierzchni stosowano asfalty naturalne do łączenia elementów kamiennych. Rozwój starożytnej Grecji i Rzymu oraz podboje były w dużej mierze związane z budownictwem dróg. Drogi rzymskie przetrwały do czasów obecnych, a ich konstrukcja była wzorem dla nowożytnych konstrukcji. W XVIII i XIX w. Europie powstały pierwsze podręczniki budownictwa drogowego, pierwsze szkoły kształcące specjalistów do budowy dróg oraz nowe konstrukcje nawierzchni drogowych. W 1835 r. wykonano pierwszą nawierzchnię asfaltową ze zmielonych wapieni bitumicznych, a w drugiej połowie XIX w. zaczęto stosować w USA asfalty ponaftowe. W końcu XIX w. możliwa była budowa nawierzchni twardych z zastosowaniem lepiszczy asfaltowych lub smołowych. Wynalezienie cementu portlandzkiego pozwoliło na budowę sztywnych nawierzchni betonowych. Stosowano nawierzchnie z elementów kamiennych takie jak: nawierzchnie brukowcowe oraz nawierzchnie kostkowe z drobnowymiarowych elementów kamiennych.

Rozwój gospodarczy i upowszechnienie środków transportu samochodowego powodowały, że dominującymi technologiami w budowie nawierzchni stały się nawierzchnie bitumiczne o lepiszczu smołowym i asfaltowym.

prof. dr hab. inż. Piotr Radziszewski

prof. dr hab. inż. Jerzy Piłat

dr inż. Karol Kowalski*

dr inż. Jan Król**

mgr inż. Michał Sarnowski

Politechnika Warszawska, Wydz. Inżynierii Lądowej

*Stypendysta Fundacji na rzecz Nauki Polskiej,program Homing/Powroty; **stypendysta Centrum Studiów
Zaawansowanych Politechniki Warszawskiej

Literatura

1. J. Piłat, P. Radziszewski, Nawierzchnie asfaltowe, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2010.

2. WT-2 2010 Mieszanki mineralno-asfaltowe, Wymagania Techniczne, Warszawa 2010.