Właściwości mieszanki SMA JENA

Mieszanka SMA 16 JENA charakteryzuje się korzystnymi właściwościami wynikającymi ze specyficznych cech uziarnienia i składu materiałowego: 

• nieciągłości, 

• wielkości największego ziarna równej 16 mm, 

• stosunkowo dużej zawartości ziaren grubych powyżej 8 mm (waha się ona w granicach 50% m/m),

• grubej otoczki asfaltowej na ziarnach kruszywa. 

Dzięki temu uzyskujemy odporność na koleinowanie i odkształcenia od parkujących pojazdów, dobrą odporność na działanie wody i mrozu oraz szereg korzystnych cech mechanicznych. 


Odporność na koleinowanie

Odporność na odkształcenia trwałe (koleinowanie) wynika ze szkieletu typowego dla mieszanki SMA oraz uzyskanego wysokiego kąta tarcia wewnętrznego mieszanki kruszywa. Temat ten został rozwinięty w rozdziale 3. 

W Polsce od kilkunastu lat do oceny odporności na koleinowanie mieszanek mineralno-asfaltowych stosowany jest test wg PN-EN 12697-22 w tzw. małym aparacie do koleinowania, wykonywany w temperaturze 60°C, w powietrzu, metodą B, liczba cykli przejść koła 10000. Próbka poddawana testowi może być wykonana w laboratorium w specjalnej formie lub wycięta z nawierzchni. Na rys. 1. przedstawiono widok wnętrza aparatu oraz badanie próbki wykonanej w laboratorium.

Rys. 1. Aparat do koleinowania wg PN-EN 12697-22, metoda B, w powietrzu, a) widok komory termostatycznej w aparacie bez założonej próbki, b) test koleinowania założonej próbki przygotowanej w laboratorium (fot. Cezary Szydłowski)


W tabeli 1. przedstawiono porównanie wymagań wobec odporności na koleinowanie, parametr prędkości przyrostu koleiny WTSAIR, a w tabeli 2. wymagania wobec proporcjonalnej głębokości koleiny PRDAIR – w obydwu przypadkach według WT-2 2014 GDDKiA. 


Dla porównania, zgodnie z tabelą na stronie Projektowanie, wymagania do SMA 16 JENA wynoszą: 

• dla kategorii ruchu KR1-2 WTSAIRMax NR oraz PRDAIRMax NR (brak wymagania)

• dla kategorii ruchu KR3-6 WTSAIRMax 0,15 oraz PRDAIRMax 7,0


Tabela 1. Wymagania wobec prędkość przyrostu koleiny - WTSAIR wg WT-2 2014 GDDKiA


Kategoria ruchu/rodzaj mieszanki

Wartość maksymalna WTSAIR [mm/1000 cykli]

KR 1-2

KR3-4

KR 5-6

KR7

AC S

-

0,15

0,10

-

SMA S

-

0,15

0,15

0,10

AC W

-

0,15

0,10

0,10

AC P

-

0,3

0,15

0,15


Tabela 2. Wymagania wobec proporcjonalnej głębokości koleiny - PRDAIR wg WT-2 2014 GDDKiA


Kategoria ruchu/rodzaj mieszanki

Wartość maksymalna PRDAIR [%]

KR 1-2

KR3-4

KR 5-6

KR7

AC S

-

9,0

7,0

-

SMA S

-

9,0

7,0

7,0

AC W

-

7,0

5,0

5,0

AC P

-

9,0

7,0

7,0

Uwaga: mimo wpisania wymagania w postaci „Wartość deklarowana, ale nie więcej niż...”, faktycznie oznacza ono konkretną wartość graniczną oczekiwaną przez Zamawiającego (GDDKiA)


Brak wymagania do koleinowania w WT-2 2014 dla KR1-2, czyli faktycznie ruchu na drogach samorządowych w gminach i powiatach, prowadzi do stosowania mieszanek betonu asfaltowego, np. AC 11 S o bardzo słabej odporności na koleinowanie. Przykładem jak duża jest różnica między mieszanką o nieciągłym uziarnieniu jaką jest SMA 16 JENA, a drobnoziarnistym betonem asfaltowych jest rys. 2.

Rys. 2. Porównanie podatności na koleinowanie AC 11 S z asfaltem drogowym 50/70 i SMA 16 JENA z takim samym lepiszczem, a) próbka AC 11 S 50/70, b) próbka SMA 16 JENA 50/70 (fot. Cezary Szydłowski). 


W tabeli 3. przedstawiono przykładowe wyniki badań porównawczych różnych mieszanek mineralno-asfaltowych z różnymi lepiszczami asfaltowymi (najczęściej stosowanymi w danych mieszankach). Rodzaj skały, z której wykonano kruszywa do mieszanek mineralnych jest taki sam.


Tabela 3. Przykładowe wyniki badań odporności na deformacje trwałe – koleinowanie, uzyskane na mieszankach mineralnych z zastosowaniem tych samych kruszyw [wyniki z badania typu wykonanego w laboratorium Politechniki Gdańskiej].


Rodzaj badanej mieszanki

PRDAIR [%]

WTSAIR [mm/1000 cykli]

AC 11 S 45/80-55

3,5

0,15

AC 11 S 45/80-55

4,8

0,05

AC 11 S 50/70

9,6

0,18

AC 11 S 50/70

12,1

0,20

AC 11 W 45/80-55

6,2

0,05

AC 16 W 25/55-60

4,2

0,05

AC 16 W 35/50

7,0

0,14

AC 16 W 35/50

6,4

0,11

AC 16 W 50/70

6,8

0,15

AC 16 W 50/70

9,0

0,16

SMA 11 45/80-55

6,8

0,06

SMA 11 45/80-55

5,3

0,05

SMA 11 S 50/70

13,8

0,22

SMA 16 JENA 50/70 *)

6,5

0,08

SMA 16 JENA 50/70 *)

5,7

0,11

SMA 8 45/80-55

3,0

0,15

SMA 8 45/80-55

5,5

0,04

SMA 8 50/70

5,2

0,28

*) Uzyskane parametry dla mieszanki  SMA 16 JENA pobranej bezpośrednio z produkcji mma w otaczarce.


Warto zauważyć, że wyniki SMA 16 JENA zostały uzyskane na stosunkowo „słabym” lepiszczu asfaltowym – asfalcie drogowym 50/70, które nie jest uznawane za wspomagające odporność mieszanki mineralno-asfaltowej na koleinowanie. Wystarczy porównać wyniki innych mieszanek z tym asfaltem zamieszczone w tabeli 3. Na tym tle SMA 16 JENA wyróżnia się dobrymi parametrami, co jest bezpośrednim potwierdzeniem wpływu dobrego szkieletu mieszanki mineralnej.


Wytrzymałość na rozciąganie pośrednie

Obciążenia generowane przez pojazdy powodują powstawanie różnego rodzaju naprężeń w poszczególnych warstwach nawierzchni. Przez wiele lat główny nacisk kładziono na występowanie w nawierzchni naprężenia ściskającego i z nim wiązano powstawanie deformacji plastycznych w nawierzchni ( kolein, odcisków). W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku skupiano się na poprawieniu wytrzymałości na ściskanie (i modułów z pełzania statycznego) materiałów użytych do budowy nawierzchni drogowych, co uzyskiwano przede wszystkim przez zwiększenie sztywności mieszanek asfaltowych. Efektem takich starań była szybka poprawa odporności na koleinowanie warstw asfaltowych naszych dróg.

Konstrukcje drogowe jednak pracują nie tylko „na ściskanie”. Po uzyskaniu odporności na deformacje plastyczne nawierzchni asfaltowych, pojawił się inny problem - nawierzchnie zaczynały pękać. Spękania nawierzchni mogą mieć różne przyczyny, zarówno w samym materiale jak i w sposobie pracy konstrukcji. Poprawa odporności na rozciąganie materiału użytego do budowy warstw asfaltowych nawierzchni, to poprawa cechy materiału, który opisujemy jako jego spójność – kohezja (patrz p.3.5.). Sterowanie czynnikami poprawiającymi kohezję mieszanki, to przede wszystkim zawartość lepiszcza i wybór właściwego jego rodzaju, co umożliwia rozwiązanie kwestii materiałowej.

Z kolei sposób pracy konstrukcji wskazuje, że w wyniku ugięć układu warstw spowodowanego przejazdem ciężkiego pojazdu, powstaje w spodzie warstw asfaltowych naprężenie i odkształcenie rozciągające. Prowadzą one do pęknięć w spodzie podbudowy asfaltowej (lub każdej innej warstwy asfaltowej leżącej najniżej w układzie warstw), zwanych także spękaniami zmęczeniowymi lub w uproszczeniu „dół-góra”.

Biorąc pod uwagę jeszcze inne przyczyny powstawania spękań (odbite, skurczowe itd.) i ich wpływ na trwałość drogi, już na etapie projektowania składu mieszanki mineralno-asfaltowej, zasadnym jest określenie choćby przybliżonej wytrzymałości na rozciąganie danej kompozycji. 

Od lat w Polsce stosowane jest badanie w schemacie rozciągania pośredniego (kiedyś nazywane popularnie „metodą brazylijską”). W tym badaniu nie występuje bezpośrednie osiowe rozciąganie, ale naprężenie rozciągające uzyskuje się w sposób pośredni przez zastosowanie obciążenia ściskającego działającego wzdłuż średnicy próbki walcowej (w istocie próbka jest rozłupywana). W takim przypadku pionowe ściskanie powoduje powstanie poziomego naprężenia rozciągającego – patrz rys. 3.

Rys. 3. Schemat badania próbki walcowej w pośrednim rozciąganiu wywołanym pionową siłą ściskającą wzdłuż średnicy (czerwone strzałki) z efektem w postaci rozciągania (niebieskie strzałki) (rys. K. Błażejowski)

Badanie wykonuje się w prasie o przesuwie tłoka 50 mm/min. Obciążenie przekazywane jest przez przekładki o szerokości 12 mm i krzywiźnie o promieniu 50,5 mm, dostosowanej do krzywizny badanej próbki walcowej. Próbkę obciąża się aż do zniszczenia. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie wyznacza się ze wzoru: 

R = (2 x P)/(3,14 x d x h)

w którym: 

R - wytrzymałość na pośrednie rozciąganie, 

P - siła niszcząca, 

d - średnica próbki, 

h - wysokość próbki.


W tabeli 4. przedstawiono porównanie wytrzymałości na rozciąganie metodą „brazylijską” dla kilku mieszanek. Mieszanka SMA charakteryzuje się innym uziarnieniem i szkieletem mineralnym niż porównawcze betony asfaltowe, czego konsekwencją jest znacznie większa wytrzymałość na pośrednie rozciąganie. Cecha ta bez wątpienia przyczyni się do zwiększenia trwałości warstwy z SMA 16 JENA w przypadkach rozciągania warstwy przy zginaniu.


Tabela 4. Porównanie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie w temperaturze 13°C [badania w laboratorium Politechniki Gdańskiej]


Rodzaj mieszanki

Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie [MPa]

Beton asfaltowy 0/12,8 S 50/70

1,8

Beton asfaltowy 0/12,8 S PMB 45/80-55

1,7

SMA 16 JENA 50/70

2,6


Moduł sztywności

Moduł sztywności jest właściwością mieszanki mineralno-asfaltowej stosowaną przede wszystkim podczas wymiarowania konstrukcji nawierzchni. W tabelach 5. oraz 6. przedstawiono dynamiczny moduł sztywności na podstawie danych z badań wykonanych w laboratorium drogowym Politechniki Gdańskiej w temperaturze 20°C w porównaniu z przykładowym wynikiem uzyskanym dla SMA 16 JENA. Podane w tabelach wartości modułów są przykładowe i pokazują ogólny poziom odniesienia dla sztywności SMA 16 JENA w stosunku do innych mieszanek z różnymi lepiszczami.


Tabela 5. Dynamiczny moduł sztywności w temperaturze 20°C dla różnych mieszanek oraz SMA 16 JENA [badania w laboratorium Politechniki Gdańskiej]


Rodzaj mieszanki

Moduł sztywności [MPa]

Beton asfaltowy 0/12,8 S 50/70 

5900

Beton asfaltowy 0/16 W   35/50

7700

SMA 11   45/80-65

3000

SMA 11   35/50

4000

SMA 11   45/80-55

3300

SMA 16 JENA 50/70

4500


Tabela 6. Dynamiczny moduł sztywności wg Katalogu Typowych Konstrukcji Podatnych i Półsztywnych z 2014 roku w temperaturze 13°C oraz dane przykładowe dla mieszanki SMA 16 JENA


Rodzaj mieszanki

Moduł sztywności [MPa]

SMA KR 3-7 

7300

AC S KR 3-7 

9300

AC W KR 3-7 

10300

AC P KR 3-7 

9800

AC S KR 1-2 

9300

AC W KR 1-2 

8800

AC P KR 1-2 

8400

SMA 16 JENA 50/70

6800


Odporność na działanie wody i mrozu

Odporność na działanie wody i mrozu jest w naszym klimacie jednym z podstawowych parametrów warunkujących trwałość warstwy ścieralnej. Badanie takie wykonujemy w Polsce od wielu lat, najpierw według amerykańskiej metody AASHTO T 283, a następnie wg PN-EN 12697-12 (obecna procedura wg Załącznika 1 do WT-2 2014 GDDKiA), z jednym cyklem zamrażania próbek kondycjonowanych w wodzie. Końcową oceną mieszanki jest tzw. wskaźnik ITSR, który mówi o stopniu zachowania wytrzymałości przez próbki nasycone wodą i zamrożone (wynik równy 100% oznacza, że próbki nie utraciły wytrzymałości w stosunku do próbek nie zamrażanych).

Przykładowe wyniki badań odporności na działanie wody i mrozu metodą ITSR pokazano w tabeli 7.


Tabela 7. Odporność na wodę i mróz przykładowej mieszanki SMA 16 JENA w porównaniu do odporności innych mieszanek, wskaźnik ITSR metoda wg WT-2 2014, dane poglądowe z różnych badań


Rodzaj mieszanki

ITSR [%]

AC 11 S 45/80-55

98

AC 11 S 50/70

92

AC 11 S 50/70

95

AC 11 W 45/80-55

92

AC 16 W 25/55-60

92

AC 16 W 35/50

89

AC 16 W 50/70

85

SMA 11 45/80-55

98

SMA 8 45/80-55

93

SMA 16 JENA 50/70

99



Kilka słów komentarza do wskaźnika ITSR dla SMA 16 JENA. Uzyskanie odpowiedniej odporności na działanie wody i mrozu w przypadku mieszanek SMA 16 jest łatwiejsze niż w przypadku mieszanek typu betonowego. Łatwość uzyskania odpowiednich parametrów związana jest z grubością otoczki asfaltowej na ziarnach kruszywa  oraz uszczelniającą funkcją mastyksu. 


Przykładowe porównania mieszanek SMA 11 i SMA 16 JENA

W tabeli 8. i 9. przedstawiono wyniki badań kontrolnych mieszanek SMA 16 JENA i SMA 11 z kontraktów GDDKiA w Jarocinie i Ostrowa Wlkp. [Bogdański, 2018]


Tabela 2. Wyniki badań kontrolnych mieszanek SMA 16 JENA i SMA 11 z kontraktu w Jarocinie [Bogdański, 2018]


Recepta

SMA 16 JENA

SMA 11

Badanie typu

Weryfikacja

Badanie typu

Weryfikacja

Rodzaj asfaltu

PMB 45/80-65

PMB 45/80-65

Rodzaj kruszywa

Sjenit

Sjenit 

Asfalt całkowity [% m/m]

5,4 

6,4 

Asfalt rozpuszczalny 

[% m/m]

5,3 

5,2 

6,3 

6,2 

Zawartość wolnych przestrzeni [% v/v]

3,1 

2,6 

2,9 

2,5 

Odporność na działanie wody [%]

94 

96 

91 

99

Spływność lepiszcza [% m/m]

0,1 

0,1 

0,1 

0,1 

Odporność na koleinowanie 

Duży aparat do koleinowania [%]

--

2,8 

--

4,9 

Zespolony moduł sztywności

4PB-PR, 10°C, 10 Hz [MPa]

10419

--

--

Odporność na zmęczenie 4PB-PR, szkoda zmęczeniowa Nf50 [%]

10

--

--

Zawartość wolnych przestrzeni w warstwie [% v/v]

2,5 – 3,2

--

--

Wskaźnik zagęszczenia warstwy [%]

98,9 – 99,6

--

--

Średni poziom dźwięku CPX 

[L corr-dB]

92,6

92,2 – 92,8



Tabela 3. Wyniki badań kontrolnych mieszanek SMA 16 i SMA 11 z kontraktu w Ostrowa Wlkp. [Bogdański, 2018]


Recepta

SMA 16 JENA

SMA 11

Recepta

Weryfikacja

Recepta

Weryfikacja

Rodzaj asfaltu

PMB 45/80-65

PMB 45/80-65

Rodzaj kruszywa

Amfibolit 

Melafir 

Granit 

Amfibolit 

Melafir 

Granit 

Asfalt całkowity [% m/m]

5,3 

6,4 

Asfalt rozpuszczalny 

[% m/m]

5,1 

5,2 

6,2 

6,2 

Zawartość wolnych przestrzeni [% v/v]

3,2 

3,6 

3,0 

3,3 

Odporność na działanie wody [%]

97

96 

91 

94

Spływność lepiszcza [% m/m]

0,1 

0,1 

0,1 

0,1 

Odporność na koleinowanie 

Duży aparat do koleinowania [%]

--

4,5 

--

7,8 

Zawartość wolnych przestrzeni w warstwie [% v/v]

2,5 – 3,4

--

--

Wskaźnik zagęszczenia warstwy [%]

101,1 – 102,1

--

--

Średni poziom dźwięku CPX 

[L corr-dB]

92,2

92,9

Działamy 24/7/365