Informacje ogólne

Podstawowe informacje niezbędne do zrozumienia SMA 16

Nieciągłość uziarnienia

Szkielet mineralny i jego klinowanie

Mastyks i lepiszcze

Zastosowanie stabilizatora

Aktualizacja, 31.08.2020

Informacje ogólne o SMA i SMA JENA

Mieszanka mastyksowo-grysowa SMA (ang. Stone Mastic Asphalt, am. Stone Matrix Asphalt, niem. SplittMastixAsphalt), a w zasadzie jej koncepcja, powstała w latach 60. XX w. w Niemczech. Za jej twórcę uznaje się dr inż. Gerharda Zichnera. Choć w tamtych czasach standardem były mieszanki drobnoziarniste, bardzo szczelne i podatne, dr. Zichner postanowił stworzyć mieszankę odporną na koleinowanie i działanie opon okolcowanych.

Kluczem do takiej mieszanki jest odpowiednio silny szkielet z grubego kruszywa, osiągany dzięki nieciągłości uziarnienia. Szczelność, odporność na wodę i mróz zapewnia bogaty mastyks – zwiększona zawartość lepiszcza asfaltowego, duża ilość wypełniacza i drobnego kruszywa. Jak pokazało doświadczenie, potrzebny jest także specjalny dodatek tzw. stabilizatora, który utrzymuje mastyks na grubym kruszywie przeciwdziałając spływaniu i powstawaniu plam podczas wbudowywania SMA.

Przedstawione dalej informacje są oczywiście skrótowe. Szczegółowe informacje można znaleźć np. w publikacji [K.Błażejowski „SMA. Teoria i praktyka”. Rettenmaier Polska, 2007].

Mieszanka o nieciągłym uziarnieniu

W technologii mieszanek mineralno-asfaltowych rozróżnia się dwa główne rodzaje uziarnienia mieszanki mineralnej:

  • Mieszanki o ciągłym uziarnieniu
  • Mieszanki o nieciągłym uziarnieniu

Mieszanki o ciągłym uziarnieniu

często nazywane mieszankami typu betonowego, charakteryzują się równomiernym udziałem wszystkich frakcji kruszyw, opierają się one zazwyczaj o krzywe teoretyczne wg krzywych Fullera lub krzywych wg wzorów Talbotta. Zatem w mieszance o największym ziarnie do 16 mm (czyli o D=16 mm), znajdą się wszystkie frakcje kruszyw – począwszy od wypełniacza, przez kruszywo drobne 0/2 mm, kruszywo grube 2/5, 5/8, 8/11 aż do najgrubszej frakcji o wymiarze 11/16 mm. Udział masowy każdego z wymienionych kruszyw będzie w miarę równomierny, dzięki czemu na wykresie uziarnienia mieszanki kruszyw uzyskamy krzywą bez mocnych załamań. Taki przypadek został przedstawiony na rys. 1 jako linia a. W tego typu mieszankach wszystkie kruszywa dają swój wkład w pracę mieszanki, żadna frakcja nie jest dominująca.

Mieszanki o nieciągłym uziarnieniu

to mieszanki zdobywające popularność dopiero od końca lat 60. XX w., tzn. od momentu, gdy światło dzienne ujrzała pierwsza oryginalna SMA. Różnych wariantów mieszanek o nieciągłym uziarnieniu jest obecne dość duża liczba, dość wspomnieć BBTM, AUTL czy nasze dawne MNU. Cechą charakterystyczną nieciągłości jest brak lub zdecydowanie mniejsza zawartość jednej z frakcji kruszywa o średniej wielkości. Dzięki temu na wykresie uziarnienia uzyskujemy typowe załamanie krzywej – na rys. 1. jest to linia b. Jak zresztą widać, nieciągłość uziarnienia nie oznacza braku ciągłości linii (tzw. „krzywej”) uziarnienia, ale brak równomierności występowania wszystkich frakcji kruszyw w mieszance.

Zauważmy, że w mieszance o ciągłym uziarnieniu za przeniesienie obciążeń od pojazdów odpowiadały wszystkie kruszywa bo to one w całości tworzyły tzw. szkielet, zaś w mieszance o nieciągłym uziarnieniu szkielet tworzą przede wszystkim te frakcje kruszyw, które są „powyżej” nieciągłości.

Jeśli spojrzymy na SMA jak na mieszankę o nieciągłym uziarnieniu, ale w sposób uwzględniający objętości składników, to zobaczymy nieco inne proporcje niż znamy z udziałów masowych. Taki podział prezentuje rys. 2. Zauważymy, że w objętość wolnego miejsca między grubymi ziarnami musimy zmieścić całą część mieszanki mineralno-asfaltowej poniżej nieciągłości.

Zaznaczone na rys. 2. wolne przestrzenie plus objętość asfaltu w przybliżeniu odpowiadają procentowej zawartości VMA w SMA, co bezpośrednio wpływa na ilość asfaltu. Na rys. 3. przedstawiono przykładowy wpływ VMA na ilość asfaltu w SMA. Jest to przykład ilustrujący jak wielki wpływ ma zwiększanie nieciągłości uziarnienia na kompozycję mieszanki. W porównaniu z mieszankami o ciągłym uziarnieniu typu beton asfaltowy AC, mieszanka SMA (o nieciągłym uziarnieniu) charakteryzuje się większą wartością VMA.

Jak zatem już wiemy, mieszanka mastyksowo-grysowa SMA charakteryzuje się wyraźną nieciągłością uziarnienia, co wpływa na VMA i pozwala stworzyć stabilny tzw. szkielet mineralny.

Konsekwencje zmniejszenia zawartości środkowej frakcji kruszywa są znaczące:

  • Mieszanka mineralna ulega podziałowi na część tworzącą szkielet i na część tworzącą wypełnienie szkieletu
  • Najgrubsze kruszywa tworzą silny szkielet przenoszący duże obciążenia, między innymi dlatego, że stykają się ze sobą w bezpośrednim kontakcie
  • Ilość i jakość wolnych przestrzeni między ziarnami kruszywa bardzo mocno się zwiększa, a parametr VMA (ang. Voids in Mineral Aggregate – zawartość wolnych przestrzeni w mieszance mineralnej) wzrasta
  • Skutkiem zwiększenia wolnego miejsca między kruszywem jest konieczność wypełnienia go lepiszczem asfaltowym, wypełniaczem, kruszywem drobnym (czyli w sumie mastyksem), co zwyczajnie oznacza większą ilość asfaltu, wypełniacza i kruszywa drobnego łamanego

Szkielet mineralny

W języku budowlanym słowo „szkielet” jest synonimem słowa „konstrukcja”, a więc struktury przenoszącej obciążenia. W żargonie technologów drogowych słowo „szkielet” używa się do określenia dobrze zaklinowanego zbioru ziaren kruszywa, stabilnego i potrafiącego przenieść duże obciążenie. Jak wcześniej opisano w części o nieciągłości uziarnienia, w mieszance SMA taki szkielet uzyskuje się poprzez duży udział grubych ziaren, które mogą oprzeć się jedno na drugim w bezpośrednim kontakcie – zjawisko to nazywane jest w USA stone-to-stone contact (rys. 4). Przedstawiony na rys. 4. schemat, w rzeczywistych warunkach warstwy generuje strukturę powierzchni przedstawioną na rys. 5.

Zauważmy, że idea przenoszenia obciążenia przez zaklinowane grube ziarna wymaga, aby ziarna tworzące szkielet charakteryzowały się odpowiednią wytrzymałością mechaniczną (odpornością na rozdrabnianie wyrażoną współczynnikiem LA). Zastosowanie kruszywa grubego o właściwej jakości doprowadzi do wykonania warstwy SMA 16 JENA o prawidłowej strukturze, widocznej dobrze na rys. 5.

Zastosowanie w mieszance nie dosyć twardego kruszywa powoduje zazwyczaj znaczące zmiany w warstwie, których początek następuje podczas zagęszczania warstwy. Słabe ziarna pękają podczas wałowania, co nie tylko zmienia charakter szkieletu mineralnego, ale także wpływa na relacje objętościowe między składnikami SMA wyrażone na rys.2. Zjawisko pękania słabych ziaren w szkielecie SMA może nastąpić także podczas eksploatacji nawierzchni, w wyniku ruchu ciężkich pojazdów. Najczęstszym efektem destrukcji ziaren szkieletu SMA jest wyciskanie mastyksu na powierzchnię warstwy oraz zwiększone ryzyko koleinowania.

Mastyks i lepiszcze

Mieszanka mineralna, w której przeważają grube ziarna charakteryzuje się dobrą nośnością po zaklinowaniu, niemniej jednak wymaga odpowiedniego wypełnienia i sklejenia, co nada jej odporność na wodę i mróz. Odpowiednio skomponowany mastyks, będzie w mieszance zwiększał siły spójności, co z kolei będzie poprawiać również parametry mechaniczne mieszanki. Ważną rolę mastyksu ilustruje rys. 2.

Skład mastyksu (mieszanina asfaltu, wypełniacza i drobnego kruszywa) ma duży wpływ na osiągnięcie zakładanej trwałości na czynniki atmosferyczne. Należy wziąć pod uwagę odpowiednią ilość lepiszcza w stosunku do wypełniacza i drobnego kruszywa, aby zbytnio nie usztywnić mastyksu i nie narazić SMA na spękania.

Dodatkowym aspektem wpływu mastyksu na właściwości mieszanki i całej warstwy jest znaczące zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej. Mieszanki o większej zawartości mastyksu charakteryzują się lepszymi zdolnościami przenoszenia wielokrotnych odkształceń rozciągających dzięki dużej zawartości lepiszcza.

Mechanika pracy SMA

Projektując mieszankę mineralną należy pamiętać, że wynikowy zestaw ziaren stworzy szkielet o określonej sile klinowania. Dodając do tego lepiszcze asfaltowe uzyskamy kompozyt o lepszych lub gorszych cechach. Parametry mechaniczne materiałów lepko-sprężystych i lepko-plastycznych (w tym mieszanek mineralno – asfaltowych) zależą przede wszystkim od dwóch cech materiałowych – od kąta tarcia wewnętrznego φ i spójności C.

Możemy oszacować, co ma wpływ na obydwa parametry:

  • Kąt tarcia wewnętrznego φ – właściwości mieszanki mineralnej – uziarnienie, mikrotekstura powierzchni ziaren, odporność na rozdrabnianie itp.
  • Spójność C – rodzaj asfaltu, w tym zależność jego lepkości od temperatury, kohezja, przyczepność do kruszyw, właściwości mastyksu itp.

Dążenie do optymalnej krzywej uziarnienia mieszanki mineralnej, to tak naprawdę dążenie do optymalnego kąta tarcia wewnętrznego – φ. Spójrzmy więc na kruszywo, które chcemy użyć w mieszance, czy na pewno pozwoli na osiągnięcie wysokiego φ ? Znany przykład z zagęszczaniem okrągłych ziaren niełamanego kruszywa jest właśnie pokazaniem kłopotów z mieszanką o zbyt niskim φ.

Mieszanka mineralna o dobrym kącie tarcia wewnętrznego daje nam bardzo duże pole manewru z wyborem lepiszcza asfaltowego. Pamiętamy, że stabilny szkielet oznacza możliwość zastosowania lepiszcza bardziej miękkiego lub niemodyfikowanego, wprowadzającego do mieszanki nieco słabszą spójność C, a to oznacza także tańszą mieszankę.

Mieszanki typu SMA lub inne rodzaje mieszanek o nieciągłym uziarnieniu to redukcja w mieszankach mineralnych frakcji pośrednich (frakcji piaskowych oraz drobnych frakcji grysowych). „Pogrubianie” uziarnienia ma na celu zwiększanie kąta tarcia wewnętrznego φ, a przy okazji również trwałości nawierzchni. „Grube” ziarna zwykle są bardziej odporne mechanicznie, będą więc trudniej niszczone przez ruch pojazdów i czynniki klimatyczne.

Co się dzieje, gdy nie zwracamy uwagi na kąt tarcia wewnętrznego lub nie możemy go uzyskać? „Nadrabianie”, utraconych parametrów mechanicznych, wykonujemy wówczas poprzez podciąganie spójności C – najczęściej przez stosowanie coraz twardszych asfaltów (o coraz wyższych lepkościach i kohezji), coraz wyżej modyfikowanych, lub asfaltów wielorodzajowych, a w konsekwencji podrażamy końcowy produkt. Oczywiście zastosowanie asfaltów modyfikowanych czy wielorodzajowych w mieszankach o nieciągłym uziarnieniu ma duże uzasadnienie, gdy chcemy dobrej mieszance mineralnej „dodać” jeszcze wysoką spójność i uzyskać dzięki temu znacząco wyższe parametry mechaniczne i zwiększyć jeszcze bardziej trwałość, np. przez obniżenie temperatury pęknięcia niskotemperaturowego.

Napisz do nas

Samorządy i firmy zainteresowane współpracą prosimy o kontakt

 

2 + 10 =

Biuro Inżynierskie Krzysztof Błażejowski