To stare jak świat porzekadło, jak ulał pasuje do wapna hydratyzowanego stosowanego w mieszankach mineralno-asfaltowych (MMA). Ten artykuł zapewne nigdy by nie powstał, gdyby w latach 70-tych ubiegłego wieku w Stanach Zjednoczonych nie doszło do zniszczenia w krótkim czasie olbrzymiej ilości dróg wykonanych w nawierzchniach asfaltowych. Do dzisiaj nie podano w sposób niebudzący wątpliwości przyczyny, która jednoznacznie uzasadniałaby zasięg i jednoczesność wystąpienia takiej destrukcji. Nawierzchnie szybko degradowały się zarówno w stanach o surowym klimacie, jak i tam, gdzie klimat jest łagodny, a temperatura otoczenia w ciągu roku nigdy nie spadaja poniżej zera stopni. Przypuszcza się, że za skalą zjawiska stał zbieg kilku pojedynczych zdarzeń, między innymi kryzys naftowy, którego konsekwencją było pojawienie się na rynku ropy z nowych źródeł, co przełożyło się na nowe rodzaje asfaltów, jakie pojawiły się w handlu, jak również kruszyw do MMA z nowo otwartych „źródeł”, a także wzmożony ruch drogowy oraz pojawienie się na drogach większych i cięższych samochodów ciężarowych.

Pierwsze próby zastosowania wapna hydratyzowanego w MMA datuje się na początek XX wieku. Jakkolwiek próby te wypadły zachęcająco, to jednak musiało upłynąć ponad 60 lat, aby badacze, a za nimi drogowcy, ponownie odkryli wapno hydratyzowane dla mieszanek mineralno-asfaltowych. Szybka degradacja nawierzchni asfaltowych w USA była na tyle powszechna i uciążliwa dla zarządców oraz użytkowników dróg, że wiele ośrodków naukowych wdrożyło prace badawcze zmierzające do dokładnego poznania przyczyn tego zjawiska.

Jakkolwiek przyczyna skali zjawiska nie została nigdy w sposób wiarygodny i jednoznaczny ustalona, to sam mechanizm niszczenia nawierzchni asfaltowych został dokładnie zidentyfikowany, a następnie omówiony w literaturze naukowej. Jednym z głównych czynników determinujących żywotność nawierzchni okazała się przyczepność asfaltu do powierzchni kruszywa. W trakcie prowadzonych badań „ponownie odkryto” wapno hydratyzowane, które okazało się najskuteczniejszym środkiem adhezyjnym, wydatnie poprawiającym przyczepność asfaltu do powierzchni kruszywa, i to niezależnie od odczynu pH kruszywa. A więc, nie ma znaczenia, czy w mieszance mineralno-asfaltowej stosowane jest kruszywo kwaśne, czy też zasadowe.

Rozpoczęte w latach 70-tych badania miały swoją kontynuację w ramach programu Strategic Highway Research Program (SHRP). Głównym celem programu było pogłębienie wiedzy o zachowaniu się mieszanek mineralno-asfaltowych w różnych warunkach klimatycznych i eksploatacyjnych. Wiedza ta stała się bazą do opracowania nowych wytycznych dotyczących projektowania nawierzchni asfaltowych oraz dróg i autostrad w taki sposób, aby cechowała je wydłużona trwałość w stosunku do mieszanek dotychczas produkowanych.

Realizacja SHRP zaowocowała nowymi odkryciami dotyczącymi działania wapna hydratyzowanego na MMA. Okazało się, że wapno hydratyzowane jest nie tylko najskuteczniejszym środkiem adhezyjnym, bardziej wydajnym niż środki organiczne, ale również jest aktywnym wypełniaczem mineralnym, powodującym:

  • usztywnienie MMA w podwyższonych temperaturach, co przekłada się na zmniejszenie podatności mieszanki na wystąpienie koleinowania,
  • obniżenie podatności MMA na spękania niskotemperaturowe,
  • poprawienie odporności MMA na spękania zmęczeniowe,
  • spowolnienie procesu oksydacji asfaltu, co przekłada się na zmniejszenie tempa starzenia się mieszanki mineralno-asfaltowej, co z kolei powoduje wydłużenie trwałości nawierzchni wykonanej w MMA o 20-50% w stosunku do mieszanek niezawierających wapna hydratyzowanego,
  • poprawienie adhezji asfaltu do kruszywa pokrytego cząstkami pyłów lub iłów.

 

Przy tak kompleksowym oddziaływaniu wapna hydratyzowanego na MMA trudno się dziwić, że w wielu stanach USA dodawanie wapna do mas MMA stało się obligatoryjne.

 

Poprawa adhezji

 

Jak wspomniano poprzednio, za główny czynnik powodujący zniszczenie nawierzchni mineralno-asfaltowej, niezależnie od klimatu w jakim ona „pracuje” uznano oddziaływanie wody. Na nawierzchnie asfaltowe oddziałuje ona dwojako.
Po pierwsze cząstki wody mogą dostać się pomiędzy powierzchnię kruszywa, a warstewkę asfaltu, który je pokrywa. Prowadzi to do osłabienia adhezji lepiszcza asfaltowego do powierzchni kruszywa, przez co ziarna kruszywa są łatwo wyrywane z nawierzchni asfaltowej przez koła przejeżdżających pojazdów.
Po drugie przez długi czas uważano, że asfalt, jako materiał bitumiczny, jest nieprzepuszczalny dla wody. Nic bardziej mylnego. Biorąc pod uwagę wielkość cząsteczki wody, która wynosi 2,7 Ǻ (2,7 x 10-10 m), a także to, że jest ona dipolem, trudno się dziwić, że również asfalt ulega jej oddziaływaniu. Cząsteczki wody reagując z niektórymi kwaśnymi składnikami asfaltu tworzą rozpuszczalne w wodzie mydła, które zmiękczają i rozluźniają strukturę lepiszcza asfaltowego, a w rezultacie osłabiają jego kohezję.

Niekorzystny wpływ wilgoci na MMA potęgowany jest przez liczne cykle zamrażania i rozmrażania, jakim poddawana jest nawierzchnia asfaltowa w okresie późnej jesieni oraz w zimie, kiedy chłodne dni obfite w śnieg lub marznącą mżawkę przeplatane są okresami odwilży. Szacuje się, że w Polsce każdego roku występuje co najmniej 100 dni, kiedy temperatura wielokrotnie waha się wokół zera stopni Celsjusza. Daje to znaczącą ilość cykli zamrażania-rozmrażania, jakim poddawane są nawierzchnie asfaltowe. Penetracja nawierzchni asfaltowej przez wodę oraz cykle zamrażania-rozmrażania mogą powodować szybkie niszczenie nawierzchni. Cechą charakterystyczną jest łuszczenie się asfaltu, wyrywanie ziaren z powierzchni nawierzchni, spękania. Szybkość procesu zależy przede wszystkim od stopnia powinowactwa asfaltu do kruszywa.

Z punktu widzenia adhezji oraz zdolności do zwilżania powierzchni kruszywa przez ciecze, kruszywa można podzielić na dwie zasadnicze grupy, tj. hydrofobowe oraz hydrofilowe. Kruszywa hydrofobowe to takie, które mają mniejsze powinowactwo z wodą, a większe z asfaltem. Kruszywa hydrofilowe mają zaś większe powinowactwo z wodą niż z asfaltem. Powoduje to, że otoczka asfaltu istniejąca na powierzchni kruszywa może być wyparta przez wodę, która zajmuje jej miejsce na powierzchni kruszywa. Zjawisko to określane jest jako „odmywanie asfaltu” z powierzchni kruszywa (ang. stripping).

Kruszywa o niskiej zawartości krzemionki SiO2 (< 55%), nazywane są w uproszczeniu „zasadowymi”. Charakteryzują się dużym powinowactwem do asfaltu, co w rezultacie daje trwałe, silne powiązanie asfaltu z powierzchnią kruszywa. Dzięki temu można je bez obaw stosować w nawierzchniach asfaltowych. Z kolei kruszywa o wyższej zawartości krzemionki SiO2 (> 65%) zwane „kwaśnymi”, takie jak np. granit i kwarcyt, wykazują niską przyczepność do asfaltu, przez co zastosowanie ich bywa ograniczone. Aby kruszywa o kwaśnym odczynie zastosować w MMA, bez obniżenia jej trwałości, pożądane jest stosowanie środków adhezyjnych, które poprawią przyczepność asfaltu do powierzchni kruszywa.

Badania prowadzone w Stanach Zjednoczonych w ramach programu SHRP, jak również w polskich ośrodkach naukowych (m.in. w Politechnikach Gdańskiej, Świętokrzyskiej, Poznańskiej oraz w IBDiM) wykazały, że wapno hydratyzowane jest efektywniejszym środkiem adhezyjnym niż ciekłe środki adhezyjne, powodując istotne zwiększenie odporności MMA na działanie wody oraz mrozu. Jony Ca2+ obecne w wapnie hydratyzowanym łączą się ze związkami krzemu obecnymi w kruszywie tworząc silne wiązania jonowe. Dzięki temu powierzchnia kruszywa o odczynie kwasowym zamienia się w powierzchnię o odczynie zasadowym, a więc takim, które wykazuje duże powinowactwo do lepiszcza asfaltowego i łatwo się z nim łączy.

 

Rysunek 1. Zmiany TSR dla trzech różnych kruszyw
z obszaru Missisipi w USA (Little, 1994)

 

Dodatkowo wapno hydratyzowane łączy się z kwaśnymi składnikami asfaltu dając w rezultacie sole nierozpuszczalne w wodzie, co przekłada się na wyeliminowanie zjawiska mięknięcia lepiszcza i utraty przez niego kohezji (Petersen, 2005).

 

Koleinowanie

 

Uszkodzenie nawierzchni asfaltowej wskutek koleinowania pojawia się zwykle w początkowym okresie jej eksploatowania. Składa się na to kilka przyczyn, wśród których wymienić należy: zbyt miękkie lepiszcze w stosunku do natężenia ruchu, zbyt dużo wolnych przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej, zbyt dużą odległość pomiędzy poszczególnymi ziarnami kruszywa. Z czasem mieszanka ulega usztywnieniu wskutek oddziaływania kół pojazdów, które ją zagęszczają, jak również w wyniku procesów starzeniowych związanych ze zjawiskiem oksydacji lepiszcza asfaltowego.

Wapno hydratyzowane poprzez swoje szczególne właściwości również w tym przypadku pozytywnie oddziałuje na MMA, ograniczając znacznie efekt koleinowania nawierzchni.
50% cząstek wapna hydratyzowanego ma wymiar poniżej 5 µm. Dodatkowo charakteryzuje je duża wartość porowatości otwartej mierzonej metodą Ridgena. Z tego też względu efekt usztywnienia lepiszcza asfaltowego obserwowany po dodaniu wapna hydratyzowanego jest większy niż w przypadku jakiegokolwiek innego wypełniacza mineralnego (Little i Petersen, 2005).

Jak wynika z badań zespolonego dynamicznego modułu E* (testu, który jest niezmiernie ważny dla poprawnego zaprojektowania MMA, jak również służy do predykcji żywotności mieszanki) wapno hydratyzowane jest dodatkiem usztywniającym MMA w wysokich temperaturach, szczególnie polecanym w przypadku stosowania obojętnych wypełniaczy (Bari and Witczak, 2005).

 

Tablica 1. Stosunek modułu E* dla mieszanki z wapnem hydratyzowanym
do modułu E* mieszanki bez wapna hydratyzowanego (Bary i Witczak, 2005)

 

Tak jak ważne jest, aby MMA była odpowiednio sztywna w wysokich temperaturach, tak ważne jest również, by w niskich temperaturach była na tyle elastyczna i sprężysta, żeby nie dochodziło do uszkodzeń termicznych.

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

 

Rysunek 2. Wytrzymałość na spękania niskotemperaturowe – % wapna w stosunku
do masy asfaltu (Lesueur i Little, 1999).

 

Spękania zmęczeniowe i termiczne

 

Nawierzchnie drogowe pod wpływem obciążeń oraz działania różnych czynników środowiska (zmiany temperatury, wilgotności, pH) ulegają ciągłym zmianom. Odpowiedni dobór materiałów wchodzących w skład MMA, jak również odpowiednio dobrana do kategorii ruchu konstrukcja drogi powoduje, iż obciążenie od poruszających się po drodze pojazdów, głównie ciężarowych oraz autobusów, nie ma destruktywnego wpływu na trwałość nawierzchni.

Spękania zmęczeniowe pojawiają się, gdy nawierzchnia drogowa jest zbyt sztywna, lub gdy jest zbyt cienka w stosunku do obciążeń jakie ma przenosić. Spękania te powstają wskutek nadmiernych cyklicznych naprężeń rozciągających powstających w dolnej strefie warstw asfaltowych, a powodowanych przez samochody ciężarowe i/lub autobusy, jak również przez naprężenia ścinające od ruchu pojazdów. Szybkie zmiany temperatury nawierzchni mogą również spowodować powstanie spękań. Także proces oksydacji lepiszcza asfaltowego ma swój udział w pękaniu zmęczeniowym nawierzchni. Ilość lepiszcza asfaltowego ma również wpływ na trwałość zmęczeniową nawierzchni asfaltowej. Wraz ze wzrostem ilości lepiszcza w MMA zmniejsza się ilość wolnych przestrzeni i wzrasta trwałość zmęczeniowa nawierzchni. Jednak istnieje graniczna wartość zawartości lepiszcza, po której przekroczeniu następuje spadek trwałości zmęczeniowej (Radziszewski, 1997).

Wapno hydratyzowane nie tylko usztywnia mieszanki mineralno-asfaltowe w podwyższonych temperaturach, ale również wydłuża żywotność mieszanek w przypadku cyklicznych obciążeń. Badania prowadzone przez Texas Transportation Institute wykazały, że wydłużenie żywotności mieszanek pod cyklicznymi obciążeniami obserwowane jest zarówno dla mieszanek w stanie suchym jak i wilgotnym (Little i Petersen, 2005).

 

Tablica 2. Wpływ wapna hydratyzowanego na wydłużenie odporności na cykliczne obciążenia
(Little i Petersen, 2005)

 

Powyższe zjawisko tłumaczone jest tym, że drobne cząsteczki hydratu działają jak deflektory powstrzymujące rozprzestrzenianie się mikropęknięć (Lesueur i Little, 1999).

 

Oksydacja lepiszcza asfaltowego

 

Zmiany właściwości asfaltu pod wpływem tlenu w podwyższonej temperaturze noszą nazwę starzenia. Wynikiem tego jest stopniowe utwardzanie się asfaltu. Idą za tym zmiany reologiczne (usztywnienie lepiszcza asfaltowego), czego wynikiem jest wzrost podatności nawierzchni na uszkodzenia. Starzenie asfaltu przebiega w dwóch etapach, jako tzw. starzenie technologiczne związane z procesem wytwarzania MMA oraz starzenie eksploatacyjne, jakie zachodzi we wbudowanej warstwie MMA. Stopniowo, z upływem czasu, komponenty lepiszcza asfaltowego o kwaśnym odczynie przekształcają się w asfalteny, które powodują usztywnienie lepiszcza, czyniąc je niezmiernie kruchym. Wapno hydratyzowane, jak wcześniej wspomniano, ma duże powinowactwo do kwaśnych składników lepiszcza, a łącząc się z nimi przekształca je w nierozpuszczalne w wodzie sole. Proces ten powoduje opóźnienie procesu starzenia się nawierzchni MMA, co przekłada się bezpośrednio na wydłużenie jej żywotności (Petersen i inni, 1987).

 

Rysunek 3. Wpływ wapna hydratyzowanego na proces starzenia się
nawierzchni asfaltowej (na podstawie badań w stanie Utah, Jones, 1997)

 

Podsumowanie

 

Podobnie jak kiedyś w Stanach Zjednoczonych, tak dzisiaj w Polsce nawierzchnie asfaltowe ulegają zniszczeniu jeszcze przed upływem okresu gwarancyjnego udzielonego przez wykonawcę. Wielokrotnie diagnozowano, że powodem tego jest odmywanie asfaltu z powierzchni kruszywa. Ilość kwaśnych kruszyw dostępnych w handlu jest coraz bardziej znacząca. Liczne projekty drogowe będące w realizacji, lub planowane w najbliższej przyszłości, wymuszają poszukiwanie i stosowanie coraz to nowych rodzajów kruszyw. Kwaśne kruszywa wykazują małe powinowactwo do lepiszcza asfaltowego, stąd też tworzące się na powierzchni kruszywa błonki asfaltowe są nietrwałe, łatwo ulegają wyparciu przez wodę. Jeśli dołożymy do tego klimat Polski charakteryzujący się dużą zmiennością temperatur i wilgotności (szczególnie zimą, kiedy temperatura wielokrotnie przechodzi przez punkt zera stopni Celsjusza), tym większą wagę należy przykładać do tego z jakich składników produkowana jest mieszanka mineralno-asfaltowa.

Liczne badania w USA, Europie i Polsce wykazały, że wapno hydratyzowane jest skuteczniejszym środkiem adhezyjnym wydatnie poprawiającym przyczepność lepiszcza asfaltowego do kruszyw o kwaśnym odczynie niż ciekłe środki. Ale oddziaływanie wapna na MMA nie kończy się jedynie na „byciu środkiem adhezyjnym” – jego stosowanie powoduje również zmniejszenie podatności nawierzchni asfaltowej na koleinowanie, zwiększenie odporności na niskotemperaturowe spękania, jak również na spękania zmęczeniowe. Dodatkowo na korzyść wapna hydratyzowanego w stosunku do ciekłych środków adhezyjnych zaliczyć należy opóźnianie procesu starzenia się nawierzchni asfaltowych. W latach sześćdziesiątych stosowano w Polsce wapno hydratyzowane w nawierzchniach bitumicznych. Rozwój przemysłu chemicznego przyczynił się do opracowania ciekłych środków adhezyjnych, które stopniowo wyparły wapno hydratyzowane z MMA. Ponieważ jednak historia kołem się toczy, obecnie wytwórcy MMA coraz chętniej wracają do starego pomysłu, a więc do dodawania wapna hydratyzowanego do mieszanek mineralno-asfaltowych.