Jak zwiększyć trwałość nawierzchni asfaltowych

Pierwsze badania wpływu wodorotlenku wapnia (Ca(OH)₂) na właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) podjęto już na początku XX wieku. Kontynuowane w latach 70. w USA studia wykazały, że wodorotlenek wapnia to jeden z najbardziej skutecznych środków adhezyjnych, wydatnie poprawiający przyczepność asfaltu do powierzchni kruszywa i to niezależnie od jego odczynu (kwaśnego lub zasadowego).


Jednym z celów programu badawczego o nazwie Strategic Highway Research Program (SHRP) było rozpoznanie głównych czynników powodujących przyśpieszoną degradację nawierzchni asfaltowych. Zdobyta wiedza umożliwiła opracowanie nowych wytycznych dotyczących zarówno projektowania składu MMA, jak i budowy dróg i autostrad o podwyższonej trwałości.

Dużo uwagi poświęcono stosowaniu wodorotlenku wapnia (w handlu dostępnego w postaci wapna hydratyzowanego), będącego jednym z najskuteczniejszych środków adhezyjnych, a także aktywnym wypełniaczem mineralnym. Dodany do mieszanki mineralno-asfaltowej powoduje on:

• obniżenie podatności nawierzchni na koleinowanie poprzez jej usztywnienie w podwyższonych temperaturach
• obniżenie podatności nawierzchni na spękania niskotemperaturowe
• poprawienie odporności nawierzchni na cykliczne obciążenia powodujące spękania zmęczeniowe
• poprawienie adhezji asfaltu do kruszywa pokrytego cząstkami pyłów i/lub iłów
• wydłużenie trwałości nawierzchni asfaltowej o 20-50% w stosunku do nawierzchni niezawierających wapna hydratyzowanego, będące efektem spowolnienia procesu oksydacji asfaltu.

Za główny czynnik powodujący szybkie niszczenie nawierzchni mineralno-asfaltowej, niezależnie od klimatu, w jakim ona „pracuje", uznano wodę.

Dostanie się cząstek wody między powierzchnię kruszywa a warstewkę asfaltu skutkuje osłabieniem adhezji lepiszcza asfaltowego do powierzchni kruszywa. Z kolei osłabienie lub utrata przyczepności powodują, że ziarna mieszanki są łatwo wyrywane z nawierzchni przez koła przejeżdżających po niej pojazdów.

Woda, która jest dipolem i posiada niewielkie wymiary - 2,7 Ǻ (2,7 x 10^-10 m), wchodzi w reakcję z niektórymi kwaśnymi składnikami asfaltu, tworząc rozpuszczalne w wodzie mydła, które zmiękczają i rozluźniają strukturę lepiszcza asfaltowego, osłabiając jego kohezję.

Prowadzone w ramach programu SHRP badania wykazały, że obecne w wapnie hydratyzowanym jony Ca²⁺ łączą się ze związkami krzemu obecnymi w kwaśnym kruszywie, tworząc przy tym silne wiązania jonowe. Tym sposobem powierzchnia kruszywa o odczynie kwaśnym zamienia się w powierzchnię o odczynie zasadowym, a więc takim, które wykazuje duże powinowactwo do lepiszcza asfaltowego i łatwo się z nim łączy.

Dzięki temu, że wapno hydratyzowane łączy się z kwaśnymi składnikami asfaltu, w rezultacie czego powstają sole nierozpuszczalne w wodzie, nie dochodzi do mięknięcia lepiszcza i utraty przez niego kohezji (Petersen, 2005).


Uszkodzenie nawierzchni asfaltowej, zwane koleinowaniem, pojawia się zwykle w początkowym okresie jej eksploatowania. Przyczyn występowania tego zjawiska jest kilka: zbyt miękkie lepiszcze w stosunku do natężenia ruchu, zbyt dużo wolnych przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej, zbyt duża odległość pomiędzy poszczególnymi ziarnami kruszywa. Z czasem mieszanka ulega usztywnieniu wskutek oddziaływania kół pojazdów, które ją zagęszczają. Usztywnienie nawierzchni asfaltowej to również efekt procesów starzeniowych związanych ze zjawiskiem oksydacji lepiszcza asfaltowego. Powodują one wzrost kruchości lepiszcza, co należy uznać za zjawisko wyjątkowo negatywne.

W związku z tym, że wapno hydratyzowane charakteryzuje się dużą wartością porowatości otwartej mierzonej metodą Ridgena, obserwowany po jego dodaniu efekt usztywnienia lepiszcza asfaltowego jest znacznie większy niż w przypadku dodania jakiegokolwiek innego wypełniacza mineralnego (Little i Petersen, 2005).

Jak wynika z badań zespolonego dynamicznego modułu E*, niezmiernie ważnego dla poprawnego zaprojektowania MMA oraz oszacowania żywotności mieszanki, wapno hydratyzowane jest dodatkiem usztywniającym mieszanki mineralno-asfaltowe w podwyższonych temperaturach, szczególnie polecanym w przypadku stosowania obojętnych wypełniaczy (Bari i Witczak, 2005).

Tak jak ważne jest, aby nawierzchnia asfaltowa była odpowiednio sztywna w podwyższonych temperaturach, równie ważne jest to, aby w niskich temperaturach była na tyle elastyczna i sprężysta, żeby nie dochodziło w niej do uszkodzeń termicznych.

W niskich temperaturach aktywność chemiczna wapna jest zredukowana, co poprawia odporność mieszanki na niskotemperaturowe spękania oraz zwiększa jej zdolność do relaksacji termicznych uszkodzeń (Lesueur i Little, 1999).