English
Język Polski
Wpływ asfaltu wysokomodyfikowanego na prognozę trwałości zmęczeniowej nawierzchni drogowej - wybrane zagadnienia
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2021.138521Abstrakt
Wprowadzenie do stosowania nowych materiałów do budowy nawierzchni drogowych pociąga za sobą konieczność weryfikacji, czy istniejące metody projektowania konstrukcji nawierzchni w prawidłowy sposób adaptują ich właściwości i czy w konsekwencji uzyskany wynik można uznać za prawidłowy. W przypadku nawierzchni asfaltowych, współcześnie stosowane metody projektowania sięgają swoimi korzeniami połowy XX wieku, a więc czasów, gdy stosowano wyłącznie lepiszcza asfaltowe bez dodatku modyfikatorów. Wprowadzenie w latach 80 XX wieku bitumów modyfikowanych polimerami zmieniło w pewnym zakresie zachowanie nawierzchni, głównie jednak pod względem ulepszeń funkcjonalnych. Pojawienie się w 2009 r. lepiszczy wysokomodyfikowanych SBS, o odwróconej fazie polimer-bitum, gdzie lepiszcze przejęło dużą część cech polimeru zmieniło bardzo wiele w zachowaniu mieszanek asfaltowych i w konsekwencji całej struktury. Warstwy asfaltowe stały się niezwykle podatne, sprężyste, wytrzymałe zmęczeniowo, z jednoczesną dużą odpornością na koleinowanie. Niesie to za sobą wiele konsekwencji dla pracy układu warstw, w tym na sposób powstawania odkształceń krytycznych. Celem artykułu jest przedstawienie efektów zastosowania mieszanek asfaltowych z asfaltami wysokomodyfikowanymi typu HiMA (Highly Modified Asphalt) w różnych wariantach nawierzchni podatnych - z jedną, dwiema i trzema warstwami HiMA (full-HiMA). Do obliczeń trwałości zmęczeniowej wykorzystano autorską “metodę podobieństw”, która pozwala oszacować trwałości na podstawie relacji z wynikami zmęczenia uzyskanymi w laboratorium. Trwałość ze względu na deformacje strukturalnie obliczono klasycznie, wg równania Instytutu Asfaltowego. Wyniki wskazują, że wszystkie warianty z warstwami z HiMA prezentują z punktu widzenia trwałości zmęczeniowej lepsze wyniki niż wariant referencyjny z lepiszczami klasycznymi. Najkorzystniejszy okazał się układ z warstwą HiMA w ostatniej dolnej warstwie asfaltowej, łączący świetne właściwości zmęczeniowe mieszanki asfaltowej z HiMA, z wykorzystaniem większej sztywności warstwy wiążącej i ścieralnej z klasycznymi lepiszczami. Im więcej warstw z asfaltami wysokomodyfikowanymi HiMA, tym mniejsza trwałość, zarówno pod względem zmęczeniowym, jak i deformacji strukturalnych. Przyczyną takiego wyniku jest znacząco mniejsza sztywność warstw asfaltowych z HiMA (o około 30%) co przekłada się na wzrost ugięcia nawierzchni i odkształceń krytycznych. Dodatkowo, wyraźnie kształtuje się zależność, że im większa liczba warstw asfaltowych z HiMA - o mniejszej sztywności, tym większe znaczenie będzie miała trwałość ze względu na deformacje strukturalne a mniejsze trwałość zmęczeniowa. Niemniej jednak, stosowanie mieszanek asfaltowych z HiMA w więcej niż jednej warstwie ma swoje uzasadnienie w cechach funkcjonalnych, takich jak odporność na spękania niskotemperaturowe, odbite, koleinowanie itd., dzięki czemu nawierzchnia charakteryzuje się nie tylko dużą trwałością strukturalną, ale i użytkową. Ostatnim aspektem obliczeń było sprawdzenie efektu zamiany rodzaju mieszanki asfaltowej w podbudowie, z AC 22 na AC 16. Zamiana ta okazała się korzystna dla wszystkich analizowanych konstrukcji. Zmniejszyły się ugięcia oraz odkształcenia krytyczne, a zwiększyły się trwałości obliczeniowe zarówno ze względu na spekania zmęczeniowe, jak i na deformacje strukturalne.Bibliografia
[1] K. Błażejowski, et al., “Mieszanki i nawierzchnie z ORBITON HiMA”. ORLEN Asfalt, Poland, 2020.
[2] K. Błażejowski and M. Wójcik-Wiśniewska, “Bitumen Handbook”. ORLEN Asfalt, Poland, 2017.
[3] K. Błażejowski, et al., “Low-temperature properties of bituminous binders and asphalt mixtures”, in Proceedings of the 29th International Baltic Road Conference, Tallin, Estonia, 2017.
[4] K. Błażejowski, M. Wójcik-Wiśniewska, and W., Baranowska, “Highly modified binders ORBITON HiMA”. Handbook, ORLEN Asfalt, Poland, 2018.
[5] K. Błażejowski, et al., “Fatigue performance of bituminous binders tested by linear amplitude sweep test”, in Proceedings of the 5th International Symposium on Asphalt Pavements & Environment (ISAP APE 2019), vol. 48, pp. 385-394, Springer, Cham, 2020, DOI: 10.1007/978-3-030-29779-4_38.
[6] K. Błażejowski, et al., “The Performance of a highly modified binders for heavy duty asphalt pavements”. Transportation Research Procedia, vol. 14, pp. 679-684, Warsaw, 2016, DOI: 10.1016/j.trpro.2016.05.331.
[7] Jh. Habbouche, “Structural coefficients of high polymer modified asphalt mixes based on mechanistic-empirical analyses and full-scale pavement testing”. PhD dissertation, University of Nevada, 2019.
[8] P.C. Hopman, “The Visco-Elastic Multilayer Program VEROAD”. Heron, vol. 41, no. 1, 1996.
[9] J. Judycki, et al., “Analizy i projektowanie konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych”. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warsaw, Poland, 2014.
[10] R.Q. Kluttz, et al., “Highly modified bitumen for prevention of winter damage in OGFCs”, in Airfield and Highway Pavement 2013: Sustainable and Efficient Pavements; American Society of Civil Engineers, Reston, VA, USA, 2013, DOI: 10.1061/9780784413005.090.
[11] R.Q. Kluttz, et al., “Fatigue performance of highly modified asphalt mixtures in laboratory and field environment”, in Proceedings of the 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2012.
[12] R.Q. Kluttz, et al., “Modified base courses for reduced pavement thickness and improved longevity“, in Proceedings of the International Conference on Perpetual Pavement, Columbus, OH., 2009.
[13] A.A.A. Molenaar, et al., “Advanced mechanical testing of polymer modified base course mixes”, in Proceedings of the 4th Eurasphalt & Eurobitume Congress, Copenhagen, Denmark, 2008.
[14] M. Nagórska, R. Nagórski, and K. Błażejowski, “Selected aspects of design lifespan of flexible pavement with anti-fatigue course”. Archives of Civil Engineering, vol. 61, no. 1, pp. 103-118, 2015, DOI: 10.1515/ace-2015-0007.
[15] R. Nagórski, et al., “Mechanika nawierzchni drogowych w zarysie”. Wydawnictwo naukowe PWN, Warsaw, Poland pp. 660, 2014.
[16] M.E. Nunn, et al., “Design of long-life roads for heavy traffic,“ Transport Research Laboratory Report 250, 1997.
[17] M.E. Nunn, “Long-life flexible roads”. in Proceedings of the Eighth International Conference on Asphalt Pavements, Federal Highway Administration, Seattle, WA, USA, 1997.
[18] E. Pasquini, et al., “Laboratory characterization and field validation of geogrid-reinforced asphalt pavements”. Road Materials and Pavement Design, vol. 14, no. 1, pp. 17-35, 2013, DOI: 10.1080/14680629.2012.735797.
[19] A.C. Pronk, “Revival of the huet-sayegh response model”. DWW-2003-29; RHED: Delft, The Netherland, 2003.
[20] R. Roque, et al., “Development and field evaluation of energy-based criteria for top-down cracking performance of hot mix asphalt”. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, vol. 73, pp. 229-260, 2004.
[21] L. Sun, “Structural behavior of asphalt pavements”. Butterworth-Heinemann: Oxford, UK, 2016.
[22] T. Svasdisant, et al., “Mechanistic analysis of top-down cracks in asphalt pavements”. Transportation Research Record, Journal of Transportation Research Board, vol. 1809, pp. 126-136, 2002, DOI: 10.3141/1809-15.
[23] Y. Tian, et al., “Calibrating the mechanistic-empirical pavement design guide rutting models using accelerated pavement testing”. Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board, vol. 2672, no. 40, pp. 304-314, 2018, DOI: 10.1177/0361198118788426.
[24] D. Timm, M. Robbins, and R. Kluttz. “Full-scale structural characterization of a highly polymer-modified asphalt pavement”, in Proceedings of the 90th Annual Transportation Research Board, Washington DC, 2011.
[25] H. Von Quintus, “Quantification of the effects of polymer-modified asphalt”. Engineering Report ER 15, Asphalt Institute, pp. 1-8, 2005.
[26] M. Wesołowska, D. Ryś, “Analysis of the fatigue life of neat and modified bitumens using linear amplitude sweep test”. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, vol. 17, pp. 317-336, 2018, DOI: 10.7409/rabdim.018.020.
[27] J. Willis, et al., “Laboratory evaluation of a high polymer plant-produced mixture”. Road Materials and Pavement Design, vol. 13, no. 1, pp. 260-280, 2012, DOI: 10.1080/14680629.2012.657077.
[28] M. Złotowska, R. Nagórski, and K. Błażejowski, “Concept of similarity method for prediction of fatigue life of pavement structures with hima binder in asphalt layers”. Materials, vol. 14, no. 3, p. 480, 2021, DOI: 10.3390/ma14030480.
[29] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Załącznik 5. Projektowanie konstrukcji nawierzchni dróg. Dziennik Ustaw Rzeczpospolitej Polskiej, nr 43, poz. 430 (Ordinance of the Minister of Transport and Maritime Economy of 2 March 1999 on the technical conditions to be met by public roads and their location. Annex 5: Design of road pavement structures. Journal of Laws of the Republic of Poland, no. 43, item 430).
[30] EN 12591:2009. Bitumen and bituminous binders - Specifications for paving grade bitumens.
[31] EN 12697-24:2018. Bituminous mixtures - Test methods - Part 24: Resistance to fatigue.
[32] EN 12697-26:2018. Bituminous mixtures - Test methods - Part 26: Stiffness.
[33] EN 12697-44:2018. Bituminous mixtures - Test methods - Part 44: Crack propagation by semi-circular bending test
[34] EN 12697-46:2020. Bituminous mixtures - Test methods - Part 46: Low temperature cracking and properties by uniaxial tension tests.
[35] EN 13108-1:2016. Bituminous mixtures - Requirements - Part 1: Asphalt Concrete.
[36] EN 13108-5:2016. Bituminous mixtures - Requirements - Part 5: SMA.
[37] EN 13398:2017-12. Bitumen and bituminous binders - Determination of the elastic recovery of modified bitumen.
[38] EN 14023:2009. Bitumen and bituminous binders. Specification framework for polymer modified bitumens.
[39] PN-EN 14023:2011/Ap.1:2014 Asfalty i lepiszcza asfaltowe. Zasady klasyfikacji asfaltów modyfikowanych polimerami.
[40] Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad - Politechnika Gdańska, Warszawa-Gdańsk, 2013. (Catalog of typical constructions of flexible and semi-rigid pavements, General Directoriate for national roads and motorways - Gdańsk University of Technology, Warsaw-Gdańsk, 2013).
[41] Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych - WT-2.Wymagania techniczne - 2, część 1, Mieszanki mineralno-asfaltowe na drogach krajowych, GDDKiA 2014 (Asphalt pavements on national roads - Technical Guidelines WT-2, part 1 - Asphalt mixtures on national roads. General Directorate for National Roads and Highways 2014).
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
