Po wejściu Polski do Unii Europejskiej zaistniała konieczność dostosowania infrastruktury do wymagań europej-skich, w tym budowy i przebudowy sieci drogowej. Położenie Polski w cen-trum Europy powoduje, że natężenie ciężkiego ruchu samochodowego, szczególnie kierunku wschód–zachód, z roku na rok intensywnie wzrasta.
Dominującą technologią budowy nawierzchni drogowych jest budo-wa nawierzchni asfaltowych. Równie
ważne, ale stosowane w mniejszym zakresie, są nawierzchnie z betonu cementowego.
Nawierzchnie drogowe można po-dzielić ze względu na ich konstrukcję, odkształcalność, zdolność do przeno-szenia obciążeń i rodzaj materiałów zastosowanych do warstwy jezdnej.
Ze względu na odkształcalność na-wierzchnie dzielimy na:
■ podatne – nawierzchnie o konstruk-cji odkształcającej się plastycznie
Aktualne jest stwierdzenie z czasów napoleońskich, że drogi od starożytności do dzisiaj są miarą rozwoju społeczeństw i państw. Obecnie najpowszechniej stosowaną jest rozwijana od dawna technologia budowy nawierzchni asfaltowych.
pod działaniem obciążeń (na-wierzchnie brukowcowe, tłucznio-we i asfaltotłucznio-we na podbudowach podatnych);
■ półsztywne – nawierzchnie asfalto-we o podbudowie z betonu, chu-dego betonu, kruszyw lub gruntów stabilizowanych;
■ sztywne – nawierzchnie o konstruk-cji 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 Pol-sce około 90% ogólnej długości dróg twardych. Typy konstrukcji nawierzch-ni, ze względu na odkształcalność, przedstawiono na rys. 1.
Konstrukcję nawierzchni asfaltowej przedstawiono na rys. 2.
Mieszanki mineralno-asfaltowe Warstwy konstrukcyjne nawierzchni, tj. warstwa ścieralna, wiążąca i pod-budowa, 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 stano-wi 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 miesza-nek mineralno-asfaltowych:
■ do warstw podbudowy i wiążącej:
beton asfaltowy (AC) i beton asfal-towy o wysokim module sztywności (AC WMS);
■ do warstwy ścieralnej: beton
t e c h n o l o g i e
t e c h n o l o g i e
kwiecień 11 [83]
Rys. 3 | Schemat odwodnienia nawierzchni tradycyjnej i z asfaltu porowatego
Lepiszcza bitumiczne
Asfalt Smoła
Asfalt ponaftowy Asfalt
naturalny
Rys. 4 | Klasyfikacja lepiszczy bitumicznych
Historia budowy dróg
Najstarsze doniesienia o budowie dróg o nawierzchni twardej pocho-dzą sprzed 4 tys. lat przed naszą erą i dotyczą obszaru starożytnego Babilonu. W tym okresie do budowy nawierzchni stosowano asfalty na-turalne do łączenia elementów ka-miennych. Rozwój starożytnej Grecji i Rzymu oraz podboje były w dużej mierze związane z budownictwem dróg. Drogi rzymskie przetrwały do czasów obecnych, a ich konstruk-cja była wzorem dla nowożytnych konstrukcji. W XVIII i XIX w. Euro-pie powstały Euro-pierwsze podręczniki budownictwa drogowego, pierwsze szkoły kształcące specjalistów do bu-dowy dróg oraz nowe konstrukcje nawierzchni drogowych. W 1835 r.
wykonano pierwszą nawierzchnię
as-faltową ze zmielonych wapieni bitu-micznych, a w drugiej połowie XIX w.
zaczęto stosować w USA asfalty po-naftowe. W końcu XIX w. możliwa była budowa nawierzchni twardych z zastosowaniem lepiszczy asfalto-wych lub smołoasfalto-wych. Wynalezienie cementu portlandzkiego pozwoliło na budowę sztywnych nawierzchni betonowych. Stosowano nawierzch-nie z elementów kamiennych takie jak: nawierzchnie brukowcowe oraz nawierzchnie kostkowe z drobnowy-miarowych elementów kamiennych.
Rozwój gospodarczy i upowszech-nienie środków transportu samo-chodowego powodowały, że domi-nującymi technologiami w budowie nawierzchni stały się nawierzchnie bitumiczne o lepiszczu smołowym i asfaltowym.
asfaltowy (AC), mastyks grysowy (SMA), asfalt lany (MA), beton asfal-towy do cienkich warstw ścieralnych (BBTM) i asfalt porowaty (PA).
Beton asfaltowy jest najczęściej sto-sowanym rodzajem mieszanki mine-ralno-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 nie-ciągłym uziarnieniu, związanego ma-styksem [2].
Asfalt lany jest to mieszanka mineralno--asfaltowa, w której objętość wypełnia-cza i lepiszwypełnia-cza jest większa niż zawartość wolnych przestrzeni w kruszywie [2].
Beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw jest to mieszanka mineral-no-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 prze-strzeni, które umożliwiają przepływ wody i powietrza w celu zapewnienia właściwości drenażowych i zmniej-szenia 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 kru-szywa (np. AC 8, AC 11);
■ rodzaju zastosowanej mieszanki mi-neralnej (np. uziarnienie ciągłe – AC, MA, lub nieciągłe – SMA, BBTM, PA);
■ zawartości wolnej przestrzeni w mie-szance mineralno-asfaltowej (np.
0% dla MA, 3– 4% dla AC, 18–24%
dla PA);
■ technologii wykonania (np. wyko-nywane w technologii „na gorąco”,
„na ciepło” i „na zimno”).
INŻYNIER BUDOWNICTWA
t e c h n o l o g i e
Właściwość Jednostka Metoda badania
Oznaczenie gatunku
20/30 30/45 35/50 40/60 50/70 70/100 100/150 160/220
Penetracja w 25ºC x 0,1 mm EN 1426 20–30 30–45 35–50 40–60 50–70 70–100 100–150 160–220
Temperatura mięknienia ºC EN 1427 55–63 52–60 50–58 48–56 46–54 43–51 39–47 35–43
Odporność na starzenie w 163ºC Zmiany masy, nie wyżej, ± %
EN 12607-1
≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,8 ≤ 0,8 ≤ 1,0
Pozostała penetracja,
co najmniej % ≥ 55 ≥ 53 ≥ 53 ≥ 50 ≥ 50 ≥ 46 ≥ 43 ≥ 37
Wzrost temperatury mięknienia po starzeniu,
nie wyżej niż – stopnia 1 lub
Wzrost temperatury mięknienia po starzeniu,
Temperatura zapłonu, nie niżej ºC EN ISO
2592 ≥ 240 ≥ 240 ≥ 240 ≥ 230 ≥ 230 ≥ 230 ≥ 230 ≥ 220
Rozpuszczalność, nie niżej % m/m EN 12592 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 ≥ 99,0 Tab. | Klasyfikacja asfaltów drogowych wg normy PN-EN 12591
Lepiszcza
Klasyfi kację lepiszczy bitumicznych przedstawiono na rys. 4. Wśród le-piszczy asfaltowych wyróżnia się asfalty ponaftowe i naturalne. Asfalty naturalne typu Trynidad i Gilsonit stosowane są jako dodatki modyfi -kujące właściwości asfaltów ponafto-wych. Lepiszcza smołowe, stosowane do budowy nawierzchni oraz w prze-myśle izolacji, ze względu na niskie właściwości techniczne oraz tok-syczność zostały w Europie, również w Polsce, wycofane ze stosowania w latach 70. XX w.
Lepiszcza asfaltowe należą do materiałów wiążących pochodze-nia organicznego, których wiązanie i twardnienie jest zjawiskiem fi zycz-nym odwracalzycz-nym 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 utle-niania pozostałości próżniowej.
Obecnie do budowy nawierzchni asfaltowych stosuje się następujące
rodzaje lepiszczy: asfalty drogowe, modyfi kowane i wielorodzajowe, emulsje asfaltowe, asfalty upłynnione, asfalty spienione.
Asfalty drogowe klasyfi kuje się wg nor-my PN-EN 12591. Podstawą klasyfi ka-cji asfaltów jest ich twardość (penetra-cja w temperaturze 25ºC) – podział asfaltów drogowych patrz tabela.
Asfalty drogowe stosowane do budowy nawierzchni asfaltowych powinny spełniać wymagania w sze-rokim zakresie temperatur tech-nologicznych i eksploatacyjnych.
Temperatury eksploatacyjne są to temperatury, których zakres wynosi od –40º do +80ºC, natomiast peratury technologiczne są to tem-peratury wytwarzania i układania nawierzchni asfaltowych, wynoszą od 90º do 220ºC.
Właściwości normowe są niewy-starczające do pełnej charakte-rystyki lepiszczy w tak szerokim zakresie temperatur (260ºC).
Konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych badań właściwo-ści reologicznych. Na podstawie badań reologicznych można określić, w jakim zakresie temperaturowym as-falt znajduje się w stanie sprężystym,
lepkosprężystym i lepkim, pod wpły-wem działania obciążenia w czasie oraz temperatury. Dobre asfalty po-winny charakteryzować się szerokim zakresem lepkosprężystości, tj. od –40º do +80ºC.
Budowa nowoczesnych nawierzchni, trwałych i odpornych na zniszczenia, wymaga stosowania wysokiej jako-ści lepiszczy. Lepiszcza takie uzyskać można przez modyfi kację asfaltów drogowych następującymi dodatka-mi: polimerami (elastomerami lub plastomerami), kwasem polifosforo-wym z polimerem, solami organo-metalicznymi. Tego rodzaju lepiszcza stosowane są do mieszanek mineral-no-asfaltowych wytwarzanych „na gorąco” w temperaturach 160–200ºC.
W ostatnich latach ze względu na ochronę środowiska stosuje się rów-nież mieszanki mineralno-asfaltowe
„na ciepło”, które przez zastoso-wanie dodatków modyfi kujących mają obniżoną temperaturę wytwa-rzania o 30–50ºC w odniesieniu do mieszanek „na gorąco”. W techno-logii „na zimno” drogowych robót utrzymaniowych stosuje się emul-sje asfaltowe, asfalty upłynnione oraz nową technologię asfaltu spienionego.
t e c h n o l o g i e
kwiecień 11 [83]
Ze względów technicznych i ochrony środowiska ważne jest stosowanie do budowy nawierzchni drogowych, w coraz większym zakresie, lepisz-czy gumowo-asfaltowych. Do ich produkcji wykorzystuje się miał gu-mowy ze zużytych opon samocho-dowych.
Podsumowanie
Ze względów ekonomicznych, ekolo-gicznych, społecznych oraz biorąc pod uwagę rozwój gospodarczy Polski ko-nieczna jest budowa trwałych, nowo-czesnych i bezpiecznych nawierzchni drogowych.
Materiały stosowane do budowy na-wierzchni drogowych powinny cha-rakteryzować się:
■ dobrymi cechami technicznymi,
■ przyjaznością dla środowiska,
■ możliwością recyklingu,
■ prostotą i łatwością stosowania,
■ trwałością,
■ estetyką.
Stwierdzić należy, że stosowanie no-woczesnych rozwiązań materiałowo--technologicznych w zakresie lepiszczy i mieszanek mineralno-asfaltowych spełnia obecne wymagania dotyczą-ce zrównoważonego budownictwa drogowego.
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.
REKLAMA
INŻYNIER BUDOWNICTWA