Jak dobrać asfalt do nawierzchni drogowej. Metoda Superpave

Zarządcom i użytkownikom dróg powinno zależeć na jak najtańszej eksploatacji użytkowanych nawierzchni drogowych, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiednich cech użytkowych. Biorąc pod uwagę znaczną zmienność warunków pogodowych i obciążenia, jakiemu poddawane są mieszanki mineralno-asfaltowe, oraz szeroki zakres ich zastosowań i pełnionych przez nie funkcji, znacząca większość nawierzchni asfaltowych funkcjonuje wiele lat bez zastrzeżeń. Jednak i dziś się zdarza, że różnego typu uszkodzenia nawierzchni występują przedwcześnie. Nawet jeśli nawierzchnia zapewniała odpowiednie właściwości eksploatacyjne przez pożądany okres użytkowania, to nadal powstaje pytanie, jak jeszcze bardziej zwiększyć jej trwałość. Zrozumienie procesów powstawania uszkodzeń nawierzchni jest bardzo ważne. Według obecnego stanu wiedzy kluczowym składnikiem mieszanek mineralno-asfaltowych jest asfalt. Przyjmuje się, że lepiszcze asfaltowe decyduje o możliwości wystąpienia deformacji trwałych (kolein) w 40%, o trwałości zmęczeniowej w 60%, a o występowaniu spękań niskotemperaturowych aż w 90%.

Fot. stock.adobe / cezarksv

Obecnie asfalty drogowe na świecie klasyfikuje się trzema sposobami, według:

• penetracji i temperatury mięknienia (ang. penetration and softening point),
• lepkości dynamicznej (ang. dynamic viscosity),
• rodzaju funkcjonalnego (ang. performance grade).

Jak widać na rysunku zamieszczonym w Shell Handbook 2015, nadal większość krajów na świecie klasyfikuje asfalty według penetracji i temperatury mięknienia. Niektóre kraje (np. Australia) stosują klasyfikację asfaltów według lepkości, jak to robiono dawniej w Stanach Zjednoczonych. Warto jednak zauważyć, że państwa najsilniejsze gospodarczo – USA, Chiny (dla asfaltów modyfikowanych) – klasyfikują asfalty drogowe według rodzaju funkcjonalnego, najnowszego sposobu klasyfikacji asfaltów drogowych.

Rys. Systemy klasyfikacji lepiszczy na świecie (Shell Handbook 2015)

Klasyfikacja taka jest efektem opracowanego w USA systemu doboru materiałów i projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych o nazwie Superpave (ang. SUperior PERforming Asphalt PAVEments). W USA w latach 1988-1993 przeprowadzono szeroki program badawczy o nazwie Strategic Highway Research Program (SHRP). Pomysłodawcy programu byli zgodni co do tego, że specyfikacje asfaltu oparte na wartościach penetracji i lepkości nie pozwalają na zaprojektowanie mieszanki mineralno-asfaltowej z uwzględnianiem pełnej charakterystyki jej pracy. Jednym z głównych celów programu było opracowanie metody, która pozwalałaby na pełną charakterystykę zachowania się nawierzchni podczas eksploatacji za pomocą właściwości fizycznych lepiszcza. Koncepcja przyjęta w programie SHRP polegała na założeniu, że wszystkie lepiszcza mają do spełnienia jednakowe wymagania i należy tylko zbadać, czy będą one spełnione w zakresie temperatur występującym w danym regionie. Tak przyjęte założenie stanowi znaczący postęp w dziedzinie doboru asfaltu do mieszanek mineralno-asfaltowych (mma).
 

Czytaj też: Budownictwo drogowe – nowe technologie
 

W systemie Superpave asfalty klasyfikuje się według rodzajów funkcjonalnych określanych symbolami PG x-y, gdzie [2]:
 

PG – Performance Grade, czyli rodzaj funkcjonalny,

x – maksymalna temperatura pracy asfaltu, obliczana jako maksymalna średnia z najwyższych dobowych temperatur warstwy nawierzchni występujących przez następujące po sobie 7 dni w roku,

y – minimalna temperatura występująca w danej warstwie asfaltowej.
 

Stosownie do tych zasad oraz wyników badań laboratoryjnych firmy Orlen [3] wzbudzający najwięcej kontrowersji asfalt drogowy 20/30 zostałby sklasyfikowany jako asfalt PG 82-16 – czyli tego typu lepiszcze asfaltowe wykorzystane do wykonania danej warstwy asfaltowej nawierzchni będzie pracować poprawnie (bez kolein w wysokiej temperaturze i spękań niskotemperaturowych w niskiej temperaturze) w przedziale temperatury danej warstwy nawierzchni od -16^oC do +82^oC. Wartości temperatury rodzaju funkcjonalnego podawane są co 6^oC.
 

Zobacz: Nowe technologie w nawierzchniach asfaltowych
 

W tabeli zostały podane zakresy funkcjonalne lepiszczy asfaltowych produkowanych w Polsce [3].

Tab. Produkowane w Polsce lepiszcza asfaltowe według dwóch systemów klasyfikacji [3]

Prezentowane w tabeli rodzaje funkcjonalne należy analizować w zestawieniu ze strefami klimatycznymi doboru rodzaju funkcjonalnego asfaltu PG ustalonymi dla Polski. Pierwsze opracowanie stref klimatycznych dla obszaru Polski zostało wykonane przez zespół prof. Sybilskiego z Instytutu Badawczego Dróg i Mostów już w 2000 r. [5]. Ponowne opracowanie stref klimatycznych, na podstawie znacznie obszerniejszych danych ze stacji meteorologicznych, zostało wykonane przez zespół pracowników Politechniki Gdańskiej w 2017 r. [2]. Najogólniej można przyjąć, że temperatura nawierzchni w Polsce zmienia się od -40oC do +70oC. Nowsza wersja stref klimatycznych została opracowana dla trzech typów dróg (autostrady i drogi ekspresowe, drogi o kategorii ruchu KR3-KR7, drogi o kategorii ruchu KR1-KR2) i dla różnych warstw nawierzchni drogowej (warstwa ścieralna, warstwa wiążąca i warstwa podbudowy). Opracowanie różnych stref klimatycznych dla różnych warstw nawierzchni ma oczywiście związek z tym, że wraz z głębokością zmienia się temperatura w nawierzchni. Na najbardziej niekorzystne warunki oddziaływania temperatury narażona jest warstwa ścieralna i to właśnie dla warstwy ścieralnej dróg, takich jak autostrady i drogi ekspresowe, wyznaczono najbardziej ekstremalne wartości rodzaju funkcjonalnego PG, takie jak: PG 58-34; 52-34 oraz PG 58-28.

Jeśli w pełni zaufać kryteriom doboru według Superpave, to jak zauważają autorzy artykułu [2], uzyskanie asfaltów o tak szerokim zakresie temperaturowym może być problematyczne. Biorąc pod uwagę rodzaje funkcjonalne lepiszczy przedstawione w tabeli, nie ma asfaltu spełniającego tzw. dolną granicę PG – o wartości -34°C. Opracowanie stref klimatycznych wskazuje także, że w pewnych rejonach naszego kraju na autostradach i drogach ekspresowych jako asfalt o PG 58-28 można byłoby zastosować asfalt drogowy 70/100, co jak słusznie zauważają autorzy artykułu [4], jest zaskakujące i trudne do zaakceptowania. Po analizie stref klimatycznych i rodzajów funkcjonalnych asfaltów można dojść do wniosku, że górne i dolne wartości PG obecnie stosowanych w Polsce asfaltów są za wysokie. Można stwierdzić, że faktycznie zjawisko koleinowania się nawierzchni jest obecnie rzadko spotykane, a jeśli już to przyczyną kolein raczej nie jest niewłaściwie dobrany do nawierzchni rodzaj asfaltu i jest możliwe, że istnieje tu jakaś możliwość zmiany wymagań. Jednak należy mieć na względzie fakt, że stosowanie zbyt miękkich asfaltów było przyczyną koleinowania się nawierzchni w USA podczas wprowadzania klasyfikacji według rodzaju funkcjonalnego [5]. Ponadto wskazane jest rozważenie, czy zastosowanie bardziej miękkich asfaltów nie spowoduje zmniejszenia się trwałości zmęczeniowej nawierzchni.
 

Sprawdź: Samonaprawialne mieszanki mineralno-asfaltowe
 

System klasyfikacji Superpave jest często stosowany do analizy możliwości wystąpienia spękań niskotemperaturowych nawierzchni. Problem spękań niskotemperaturowych jest po pamiętnej zimie 2011/2012 szeroko dyskutowany i rozważany. Problem ten, zdaniem autora, nadal nie jest w pełni rozwiązany. Najnowsze wymagania [5] stawiane asfaltom twardym i mieszankom betonu asfaltowego o wysokim module sztywności należy uznać za właściwe. Jak zauważają autorzy artykułu [4], badania właściwości niskotemperaturowych wykonane na mieszankach mineralno-asfaltowych znacząco się różnią od wyników badań niskotemperaturowych lepiszczy asfaltowych.

System klasyfikacji lepiszczy asfaltowych Superpave jest niewątpliwie krokiem w dobrym kierunku. Dobór asfaltu do warstwy nawierzchni jest według tego systemu uzależniony od zakresu temperatury, jaki będzie występował w danej warstwie podczas eksploatacji, co jest znaczącą zmianą w stosunku do poprzednich metod klasyfikacji. Dalsze prace nad tym systemem będą zapewne prowadzić do bardziej optymalnego doboru asfaltu do danej warstwy nawierzchni. Nie można nie zauważać wielości prac prowadzonych w kierunku wprowadzenia tego systemu do stosowania w Polsce, czego wyrazem może być liczba publikacji poświęconych tej tematyce. Jednak jak podkreślili autorzy pracy [4], opieranie się wyłącznie na systemie i pomijanie krajowych doświadczeń w projektowaniu mieszanek mineralno-asfaltowych może nie być właściwe. System Superpave podlega ciągłym unowocześnieniom, takim jak np. wprowadzenie badania MSCR, dlatego nie można powiedzieć, że jest to już w pełni sprawdzony system klasyfikacji lepiszczy. Po analizie dostępnej literatury można wyrazić opinię, że mimo iż opracowano strefy klimatyczne i sklasyfikowano obecnie produkowane asfalty według rodzaju funkcjonalnego – system Superpave nadal nie jest przygotowany do wprowadzenia do stosowania w Polsce.

Literatura

1. R. Hunter, A. Self, J. Read, The Shell Bitumen Handbook, sixth edition. Shell International Petroleum Company Ltd 2015.
2. M. Pszczoła, D. Ryś, P Jaskuła, Dobór rodzaju funkcjonalnego PG asfaltów według metody Superpave w zależności od stref klimatycznych w Polsce, „Nawierzchnie asfaltowe” nr 2(50)/2017.
3. K. Błażejowski, M. Wójcik-Wiśniewska, Poradnik asfaltowy, ORLEN Asfalt, Płock 2016.
4. K. Błażejowski, M. Wójcik-Wiśniewska, W. Baranowska, Asfalty w polskich warunkach klimatycznych, „Nawierzchnie asfaltowe” nr (3(51)/2017.
5. D. Sybilski, K. Mirski, Dobór asfaltu do nawierzchni w polskich warunkach klimatycznych z uwzględnieniem procedur SHRP/ Superpave, VI Międzynarodowa Konferencja „Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe”, Kielce 2000.
6. Wymagania techniczne nr 2, Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych, część I – Mieszanki mineralno-asfaltowe, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa 2014.

dr inż. Mikołaj Bartkowiak – Instytut Inżynierii Lądowej Politechnika Poznańska