Nawierzchnie bitumiczne – przyczyny pęknięć, naprawa

Z początkiem wiosny co roku obserwujemy na polskich drogach liczne uszkodzenia w postaci spękań, ubytków, wykruszeń itp. Problem, mimo że pojawia się każdego roku, nadal nie jest należycie traktowany zarówno przez zarządców dróg, samych projektantów, jak i wykonawców nawierzchni asfaltowych. Przedstawiamy podstawowe mechanizmy powstawania spękań warstw bitumicznych związanych z oddziaływaniem niskich temperatur i zastanowimy się nad sposobami skutecznych remontów tego typu zniszczeń. Okres jesienny to ostatni moment na wykonanie ewentualnych napraw miejscowych w celu zminimalizowania ryzyka propagacji spękań, które już się pojawiły w nawierzchni.
 

Fot. stock.adobe / suwichan

Czym są spękania termiczne nawierzchni bitumicznych?

Spękania termiczne warstw asfaltowych związane są z faktem, że wszystkie mieszanki mineralno-bitumiczne mają zmienne właściwości w różnych temperaturach eksploatacyjnych. Spowodowane jest to bezpośrednio właściwościami lepiszcza. Asfalt w wysokich temperaturach letnich staje się miękki (wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się jego lepkość), natomiast w okresie zimowych mrozów ulega twardnieniu (zwiększenie lepkości), w związku z czym staje się kruchy i bardziej podatny na pęknięcia. Tradycyjne mieszanki betonu asfaltowego produkowane według polskich wytycznych z lepiszczami w postaci asfaltów drogowych zwykłych są stosunkowo odporne na odkształcenia trwałe w okresie letnim, jednakże często nie przywiązuje się należytej wagi do ich wytrzymałości na spękania termiczne w temperaturach ujemnych. Szczególnie istotne są cykliczne zmiany temperatury z dodatniej na ujemną i odwrotnie. Niestety w Polsce w okresie zimowym takie wahania temperatur w ostatnich latach występują bardzo często.

Jak powstają spękania termiczne nawierzchni bitumicznych?

Spękania niskotemperaturowe są jednym z dwóch rodzajów tzw. spękań termicznych. Uszkodzenia termiczne mogą być spowodowane pojedynczym przekroczeniem temperatury pęknięcia charakterystycznej dla danej mieszanki. Inny rodzaj zniszczeń termicznych dotyczy spękań zmęczeniowych indukowanych termicznie. Są one skutkiem wielokrotnie powtarzających się wahań temperatury, jednak w zakresie temperatur wyższych od punktu pęknięcia mieszanki. Tego typu pęknięcia objawiają się najczęściej w postaci drobnych mikropęknięć siatkowych, rozłożonych na większych powierzchniach jezdni. Pojawiają się przeważnie dopiero po wielu latach użytkowania nawierzchni przy dużych obciążeniach, np. na drogach o dużym udziale ruchu ciężarowego lub na drogach wiejskich, gdzie występują bardzo duże naciski od ciężkich pojazdów rolniczych.
 

Gdy temperatura otoczenia spada poniżej zera, a tym samym i warstwy asfaltowe nawierzchni ulegają znacznemu ochłodzeniu, następuje zjawisko fizycznego skurczu materiału, w tym przypadku mieszanki mineralno-asfaltowej (MMA). Następuje skurcz lepiszcza i mastyksu, czyli mieszaniny asfaltu, wypełniacza i drobnych frakcji kruszywa. Lepiszcze asfaltowe jest materiałem lepko-sprężystym, dzięki czemu w średnich temperaturach eksploatacyjnych dla danego lepiszcza mieszanka mineralno-asfaltowa jest odporna na powstawanie trwałych odkształceń, dzięki zjawisku relaksacji naprężeń. Dopiero po przekroczeniu odpowiednio wysokiej temperatury (umownie oznaczanej jako temperatura mięknienia PiK) zdolności sprężyste materiału ulegają zmniejszeniu, a znaczenia nabiera wpływ zmniejszającej się lepkości lepiszcza, a tym samym brak działania mechanizmu obrony przed trwałymi odkształceniami.
 

W przypadku niskich temperatur, poniżej lepko-sprężystego zakresu pracy lepiszcza, zdolność materiału do prawidłowego rozpraszania naprężeń staje się coraz mniejsza, co w konsekwencji skutkuje nadmierną kumulacją naprężeń przy jednoczesnej bardzo dużej sztywności materiału (mieszanki mineralno-asfaltowej oraz sztywności samego mastyksu). Przy dalszym obniżaniu temperatury pracy nawierzchni naprężenia rosną aż do momentu przekroczenia przez mieszankę wytrzymałości na rozciąganie. Temperaturę, przy której odporność na rozciąganie zostaje przekroczona, nazywamy temperaturą pęknięcia. Jest to moment, w którym dochodzi do zniszczenia związania cienkiej warstwy mastyksu z powierzchnią kruszywa grubego.

Umownie jest to tzw. temperatura Fraassa, oznaczana w laboratorium na płytce z lepiszczem. Należy jednak pamiętać, że jest to temperatura podawana w charakterystyce lepiszcza, odnosi się wyłącznie do asfaltu, a nie do mastyksu. Natomiast podczas powstawania spękania niskotemperaturowego istotne znaczenie ma także adhezja lepiszcza do kruszywa. Może się bowiem zdarzyć sytuacja, że przy danej temperaturze lepiszcze w grubszej warstwie nadal jest w stanie przeciwstawić się naprężeniom rozciągającym, jednakże zniszczeniu ulega cienka warstwa na styku z kruszywem, czyli uszkodzeniu ulega tzw. adhezja (przyczepność) mastyksu do powierzchni ziaren kruszywa.

Stopniowa degradacja nawierzchni bitumicznej

Spękanie, które początkowo się pojawia wyłącznie w górnych warstwach bitumicznych (przeważnie w warstwie ścieralnej lub ścieralnej i wiążącej), z czasem może powodować dalszą degradację całej nawierzchni, przenosząc się w głąb podbudowy.

W konsekwencji jeśli nie zostaną podjęte żadne środki zapobiegawcze dalszej degradacji, wody opadowe i roztopowe będą wnikać w powstałe pęknięcia. Podczas ponownego spadku temperatury poniżej zera zgromadzona w szczelinach nawierzchni woda zaczyna zamarzać,
co powoduje bardzo szybkie niszczenie okolic spękania i występowanie z czasem uszkodzeń powierzchniowych. Gdy woda dostanie się do podbudowy pomocniczej, spowoduje niebezpieczne i niekontrolowane rozluźnianie ziaren kruszyw, a skutkiem tego będzie zniszczenie stabilnego podłoża pod warstwy bitumiczne.

Gdy nastąpi tak zaawansowana degradacja nawierzchni, wszelkie naprawy wyłącznie warstwy ścieralnej nie przyniosą pożądanego efektu, gdyż zniszczone zostały również warstwy podbudowy. W ubytkach podbudowy i podłoża gruntowego może się gromadzić woda (woda opadowa i roztopowa lub woda z podciągania kapilarnego od podłoża). Powoduje to tworzenie się tzw. soczewek lodowych, które prowadzą do powstawania bardzo niebezpiecznych wysadzin i wybojów.

Woda przedostająca się do wnętrza konstrukcji nawierzchni przez spękania może także powodować wymywanie drobnych, luźnych cząstek mieszanki mineralno-bitumicznej, odrywających się od całej mieszanki na skutek utraty przyczepności do lepiszcza.
 

Zobacz też: Budownictwo drogowe – nowe technologie

Wzmacnianie nawierzchni bitumicznej na etapie projektowo-wykonawczym

Polepszenie właściwości termicznych mieszanki można osiągnąć przez stosowanie asfaltów wielorodzajowych lub lepiszczy modyfikowanych polimerami. Warto jednak zawsze dokładnie sprecyzować rodzaj modyfikacji asfaltu bazowego, gdyż na rynku jest wiele środków, które istotnie różnią się między sobą pod kątem wpływu na odporność termiczną lepiszcza.

Dwie najczęściej stosowane metody modyfikacji to użycie polimerów – modyfikacja elastomerami i plastomerami. Elastomery (np. popularnie stosowany SBS) zmieniają charakter budowy wewnętrznej lepiszcza, tworząc silną sieć. W praktyce powoduje to zarówno zwiększenie elastyczności w niskich temperaturach ujemnych, jak i wzrost sztywności w temperaturach wysokich. Oznacza to, że modyfikacja elastomerami może znacząco rozszerzyć zakres pracy w stanie lepko-sprężystym, co oznacza wzrost odporności na odkształcenia trwałe (koleiny w okresie letnim) i uszkodzenia niskotemperaturowe (spękania zimowe).

Plastomery nie powodują tak dużej zmiany w budowie asfaltu jak elastomery, poprawiając w praktyce wyłącznie właściwości lepiszcza w wysokich temperaturach użytkowania. Nie tworzą one wewnętrznej sieci, przez co nie nadają znaczących właściwości sprężystych asfaltu, a tym samym całej mieszanki.
 

Na rynku dostępnych jest również wiele specjalistycznych wyrobów syntetycznych, np. siatki czy włókniny wbudowywane w warstwy bitumiczne. Najczęściej wbudowuje się je między warstwę ścieralną a wiążącą, czyli na głębokości ok. 5-6 cm. Wyroby te nie zapewniają jednak bezpośrednio ochrony przed spękaniami termicznymi, gdyż odporność ta jest uzależniona głównie od samej budowy i jakości wykonania mieszanki. Najczęściej syntetyki wbudowuje się w celu zmniejszenia ryzyka spękań odbitych w konstrukcjach półsztywnych (choć tutaj lepszym rozwiązaniem jest pośrednia warstwa z kruszywa) lub w celu wzmocnienia trwałości nawierzchni, np. podczas remontów (frezowanie i ułożenie nowych warstw asfaltowych).

Naprawy pęknięć termicznych nawierzchni bitumicznych

Przebieg naprawy spękań niskotemperaturowych związany jest ze stopniem zniszczenia nawierzchni w miejscu pęknięcia. Jeżeli mamy do czynienia z pierwszą fazą uszkodzenia, dotyczącą wyłącznie górnych warstw bitumicznych, można wykonać miejscową naprawę ubytków w warstwie asfaltowej nową mieszanką. Jeżeli sytuacja dotyczy dłuższego odcinka ulicy, a spękania charakteryzuje duża częstotliwość występowania, warto się zastanowić nad wymianą części warstw bitumicznych. Można także wbudować dodatkową nakładkę wytworzoną z lepiszczem modyfikowanym elastomerami lub z użyciem asfaltu wielorodzajowego. Warto jednak w tym przypadku dobrze przeanalizować grubość istniejących warstw ulegających spękaniom i odpowiednio dobrać grubość nowej nakładki. Oczywiście przed wykonaniem nowego dywanika asfaltowego należy uzupełnić wszelkie spękania i ubytki w warstwie niższej. Zaleca się wykonać to również mieszanką modyfikowaną. Istotne jest także, aby nawierzchnia bitumiczna nie wykazywała cech odkształceń strukturalnych w warstwie podbudowy czy podłoża gruntowego.
 

Jeżeli spękania uległy dalszej degradacji na skutek niszczącego działania wody opadowej i roztopowej, naprawa wyłącznie warstwy ścieralnej nie przyniesie pożądanego efektu. W krótkim czasie w głębi nawierzchni utworzą się soczewki lodowe, które następnie ponownie zniszczą konstrukcję na całej grubości. W takiej sytuacji zaleca się naprawę miejsca uszkodzenia na całej grubości konstrukcji jezdni wraz z podbudową bitumiczną.
 

Inną metodą jest wykonanie tzw. recyklingu nawierzchni na gorąco bezpośrednio na drodze. W Polsce sposób ten nie jest jeszcze zbyt rozpowszechniony, ale z roku na rok coraz więcej miast zaczyna się przekonywać, że jest to interesująca forma szybkich remontów dróg. Technologia ta na świecie znana jest już od wielu lat i liczne publikacje oraz badania wskazują na bardzo dobre efekty jej stosowania.
 

Technologie recyklingu nawierzchni bezpośrednio na miejscu zapoczątkowała maszyna wyprodukowana w USA w 1950 r. Była to zmodyfikowana równiarka zawierająca w swojej budowie dodatkowo urządzenia ogrzewcze. Główną jej wadą było ogrzewanie starych warstw nawierzchni otwartym płomieniem. Prowadziło to do znacznego twardnienia asfaltu oraz dużej emisji dymu, szczególnie w miejscach występowania plam olejów czy innego rodzaju zabrudzeń nawierzchni.

Istnieje kilka rodzajów recyklingu na gorąco, jak remixing, reforming, repaving itp. Często stosowaną metodą w Polsce jest remixing lub remixing plus. Proces remixingu umożliwia korektę składu istniejącej mieszanki mineralno-asfaltowej przez jej podgrzanie i wymieszanie z nowym materiałem uzupełniającym o odpowiednich właściwościach, dzięki czemu otrzymujemy nową warstwę ścieralną charakteryzującą się dobrymi parametrami (szorstkość, równość, jednorodny wygląd). Dodatkowo w tym procesie (stąd słowo „plus”) wbudowywana jest nowa warstwa bitumiczna od razu w jednym przejściu maszyny, co umożliwia wbudowanie mieszanki w systemie gorące-na-gorące, zapewniając doskonałe związanie międzywarstwowe.
 

Recykling pozwala wykorzystać w stu procentach istniejące warstwy bitumiczne, a ponadto naprawiamy nie tylko miejscowe pęknięcia, lecz całą powierzchnię jezdni z jednoczesnym jej wyprofilowaniem. Dodatkowo możemy również zniwelować zbyt dużą śliskość nawierzchni, co występuje, np. gdy wbudowana zostanie masa ze zbyt dużą zawartością lepiszcza lub gdy masa zostanie rozsegregowana przy transporcie lub wbudowywaniu. Dotyczy to np. mieszanek i nieciągłej krzywej uziarnienia, jak mieszanki mastyksowo-grysowe (SMA), asfalt porowaty (PA), mieszanki do cienkich i bardzo cienkich warstw BBTM (fr. beton bitumineuse tres mince) itp.

W przypadku nawierzchni, które z biegiem lat eksploatacji uległy wypolerowaniu w warstwie ścieralnej, często w celu poprawy szorstkości wystarczy rozgrzanie, spulchnienie i ponowne zagęszczenie warstwy. Jednak czasami zabieg ten może się okazać niewystarczający, szczególnie gdy mamy do czynienia z nawierzchniami bitumicznymi, które utraciły swoją szorstkość wskutek nadmiernej ilości lepiszcza. Proces remixingu wychodzi naprzeciw tym problemom, umożliwiając wprowadzenie do istniejącej warstwy suchej mieszanki mineralnej i wymieszanie jej z odzyskaną mieszanką mineralno-asfaltową. Zabieg ten usunie przyczynę nadmiernej śliskości nawierzchni, dodatkowo zwiększając jej stabilność. Warunkiem zastosowania technologii remixingu jest jednak odpowiednia nośność warstwy podbudowy i brak odkształceń podłoża gruntowego. Jeśli występują tego typu deformacje strukturalne, należy przeprowadzić całkowitą przebudowę pełnej konstrukcji nawierzchni.

Spękania termiczne nawierzchni bitumicznych. Podsumowanie

Problem spękań niskotemperaturowych w Polsce widoczny jest praktycznie co roku. Wiąże się to często z niewłaściwą produkcją i wykonaniem warstw asfaltowych nawierzchni jezdni. Wykonawcy i projektanci nie przywiązują dużej wagi do właściwego wyboru rodzaju lepiszcza do produkcji MMA. Oddzielny problem stanowi także często brak odpowiedniego sprawdzenia i zapewnienia adhezji kruszyw do wybranego lepiszcza.
 

W przypadku projektowania nawierzchni dróg o znaczącym obciążeniu ruchem pojazdów ciężarowych oraz dużym natężeniu ruchu warto zdecydować się na stosowanie lepiszczy modyfikowanych lub asfaltów wielorodzajowych. Częściowy wzrost kosztów produkcji takiej mieszanki mineralno-asfaltowej zaowocuje w przyszłości zwiększoną odpornością zarówno na odkształcenia trwałe, jak i uszkodzenia indukowane niskimi temperaturami ujemnymi w okresie zimowych mrozów. Należy pamiętać, że wszelkie naprawy eksploatowanej nawierzchni, przy dużym natężeniu ruchu, sprawiają trudności zarówno wykonawcom, jak i kierowcom, zmuszonym do powolnej jazdy remontowanym odcinkiem lub koniecznością korzystania z objazdów.

Warto jednak wybór lepiszcza dokładnie przeanalizować już na etapie prac projektowych, podając jego wymagane właściwości w dokumentacji i specyfikacjach technicznych wykonania i odbioru robót budowlanych. Rozwiązanie takie wymusi na wszystkich wykonawcach, startujących w przetargu na budowę drogi, przyjęcie od razu wyższych kosztów produkcji mieszanki.

mgr inż. Tomasz Sochacki

Polecamy: Utrzymanie dróg o nawierzchniach betonowych