|
Nie obrażaj więc mojej inteligencji poprzez czynione na pokaz zaniżanie własnej.
1.2. Systematyka przyczyn defektów nawierzchni
Niszczenie nawierzchni drogowej może być spowodowane następującymi czynnikami eksploatacyjnymi [4]: - nadmierne obciążenia od kół pojazdów, - osłabienie nośności podłoża gruntowego lub podbudowy w skutek zawilgocenia, przy nieodpowiednim odwodnieniu, - wysadziny i przełomy, przy cyklach zamarzania i odmarzania - działanie ruchu pojazdów na warstwę ścieralną, - korozja materiałów nawierzchni, - działanie czynników chemicznych, - działanie soli – używanej do zwalczania gołoledzi.
Niszczące działanie nadmiernych obciążeń Naprężenia w nawierzchni są zależne od wartości jednostkowego ciśnienia p, jakie wywiera koło samochodu na nawierzchnię i od średnicy D powierzchni styku opony z nawierzchnią. Naprężenia maleją wraz z głębokością i na głębokości 2D wynoszą ok. 10% wartości ciśnienia p. Według ustawy o drogach publicznych nie dopuszcza się do ruchu na drogach publicznych ruchu pojazdów o nacisku na oś większym niż 80kN, z wyjątkiem odcinków dróg krajowych wymienionych w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury na których mogą poruszać się pojazdy o nacisku na oś większym niż 100 kN [1] Zadaniem poszczególnych warstw powierzchni jest redukcja naprężeń od obciążenia kołem samochodowym do takiej wartości, aby na poziomie podłoża gruntowego naprężenia ścinające nie przekraczały wartości dopuszczalnych dla danego rodzaju gruntu. Zdolności przenoszenia obciążeń przez poszczególne warstwy konstrukcyjne nawierzchni jest funkcją ich grubości i mechanicznej sztywności materiałów wchodzących w ich skład. Z rozkładu naprężeń, przedstawionego na rys. 1.12 wynika, że wytrzymałość poszczególnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni powinna zmniejszać się wraz z głębokością. Całkowita grubość nawierzchni zależna jest od kategorii ruchu wyrażonej liczbą samochodów porównawczych o obciążeniu na pojedynczą oś 80 kN, przejeżdżających przez jeden pas ruchu w ciągu doby.
Rys.1.12. Rozkład naprężeń w nawierzchni pod działaniem koła samochodowego [4]
Wg [4] zniszczenie nawierzchni Z, w skutek obciążeń większych od porównawczych, wzrasta według wzoru
(1.2)
gdzie: Pmax – obciążenie maksymalne P por – obciążenie porównawcze (80 kN/oś). Oznacza to np., że zwiększenie maksymalnego obciążenia samochodu z 80 kN/oś do 130 kN/oś oddziałuje na nawierzchnię ok. 7 razy bardziej niszcząco, ponieważ
tj. trwałość nawierzchni obniży się około 85%. Zatem nawierzchnia zbudowana dla ruchu samochodów o obciążeniu 80 kN/oś, obliczona na 1 milion przejść tych samochodów, ulegnie zniszczeniu po 143 tysiącach przejazdów samochodów o obciążeniu 130kN/oś. Szacuje się [4] , że zwiększenie obciążenia osi samochodów w stosunku do obciążenia osi samochodów porównawczych pociąga za sobą konieczność zwiększenia grubości nawierzchni H według wzoru
(1.3)
W naszym kraju wciągu ostatnich kilkunastu lat ruch samochodów ciężkich zwiększył się wielokrotnie. Brak dostatecznej kontroli sprawił, że samochody ciężarowe często były przeładowane. Powyższe dwa czynniki doprowadziły do dużego zniszczenia nawierzchni, które w poprzednich latach były projektowane dla dużo mniejszego ruchu. Niszczące działanie wody Niszczące działanie wody przejawia się w osłabieniu nośności podłoża drogowego i podbudowy. Nie wszystkie jednak rodzaje podłoża i podbudowy są jednakowo wrażliwe na działanie wody. Piaski, żwiry, podbudowy z czystego kruszywa, podbudowy nieprzepuszczalne są mniej wrażliwe na zawilgocenie. Natomiast podłoża gruntowe i podbudowy z kruszywa, zawierające cząstki drobne (zwłaszcza frakcje ilaste), przechodzą przy większym zawilgoceniu w stan plastyczny. Cząstki ilaste stanowią wówczas, czynnik zmniejszający tarcie wewnętrzne dla ziaren piasku, żwiru, kruszywa, co ułatwia wzajemne przesunięcia ziarn. Rys. 1.13. Wpływ wilgotności gruntu spoistego na jego nośność [4]
Wpływ wody na nośność podłoża gruntowego z gruntów spoistych przedstawiony jest na rys. 1.13. Podobną utratę nośności wykazuje podbudowa z kruszywa zaglinionego przy jego zawilgoceniu. Woda może przedostawać się do podłoża gruntowego i do podbudowy z: - wód atmosferycznych – przesiąkając przez szczeliny nawierzchni i pobocza, - otaczającego terenu - przesiąkając z warstw wyżej położonych, - wód gruntowych - przy podniesieniu się ich poziomu, - wody w rowach lub ze zbiorników wodnych obok położonych, - poziomu wód gruntowych – podciąganie kapilarne, - pary wodnej znajdującej się w gruncie.
Rys. 1.14 Przyczyny zawilgocenia podłoża drogowego i podbudowy nawierzchni [4]
Powyższe przyczyny zawilgocenia podłoża gruntowego i podbudowy pokazano schematycznie na rys. 1.14.
Wysadziny i przełomy Bezpośrednią przyczyną powstawania uszkodzeń nawierzchni w postaci wysadzin i przełomów jest woda zamarzająca w podłożu zawierającym grunty wysadzinowe. Grunty wysadzinowe, wg kryteriów stosowanych w Polsce, to grunty które zawierają ponad 10% cząstek mniejszych od 0,02 mm i mają kapilarność bierną ponad 1,0 m. Przez wysadziny rozumie się miejscowe odkształcenia nawierzchni spowodowane tworzeniem się w gruncie lub w samej nawierzchni soczewek lodowych, które wywołują zwiększenie objętości i podnoszenie (wysadzanie) w górę nawierzchni. Przełomami nazywa się trwałe odkształcenia lub uszkodzenia nawierzchni i podbudowy lub podłoża w postaci sfalowania lub spękania, powstałe pod wpływem ruchu pojazdów po nawierzchni o nośności głębionej na skutek nawodnienia podłoża lub samej nawierzchni. Przełomy powstają wiasną, w okresie topnienia soczewek lodowych. Przy zamarzaniu gruntów wysadzinowych tworzą się soczewki lodowe, które zwiększają objętość podłoża i podnoszą nawierzchnię. Wysadziny nawierzchni sięgają kilku, a nawet kilkunastu centymetrów. Skutki podnoszenia istniejącej nawierzchni byłyby mniej groźne, gdyby podnoszenie odbyło się równomiernie na całej powierzchni. Jednak na skutek niejednorodności podłoża tworzą się soczewki lodowe różnej grubości i powstają lokalne wybrzuszenia nawierzchni (rys. 1.15), a ponieważ w okresie zimy masy bitumiczne mają małą wytrzymałość na rozciąganie, są kruche, nawierzchnia pęka i wykrusza się. Tak osłabiona nawierzchnia jest podatna w okresie wiosennych roztopów na tworzenie się przełomów.
Rys. 1.15 Zniszczenie nawierzchni spowodowane wysadzinami [4].
Równie groźne są wysadziny dla prefabrykowanych nawierzchni betonowych. Wywołują one nierównomierne podnoszenie płyt i powstawanie „schodków” (rys, 1.17), albo też podnoszenie płyt w środku i w konsekwencji załamanie ich pod ciężarem własnym lub pod naciskami samochodów [4]. Rys. 1.16 Nawierzchnia zniszczona wysadzinami
Rys. 1.17. Powstawanie schodków na nawierzchni betonowej [4]
Obok tych widocznych wysadzin i uszkodzeń, jakie one wywołują, nie mniej groźne są niewidoczne małe wysadziny, które wywołują tylko drobne deformacje nawierzchni. Te małe deformacje często wystarczają, żeby wywołać drobne spękania włoskowate, niewidoczne dla oka. Przez te niewidoczne spękania przedostaje się woda do podbudowy i podłoża wywołując dalsze uszkodzenia nawierzchni. Ogólnie można stwierdzić, że wysadziny nie wywołują bezpośrednich uszkodzeń nawierzchni, ale są początkiem poważniejszych uszkodzeń, gdyż „otwierają” nawierzchnię dla wody. Sposobem minimalizacji wysadzin i przełomów jest wymiana gruntów wysadzinowych do granicy przemarzania, co przewiduje Rozporządzenie [2].
Niszczące działanie ruchu na warstwę ścieralną Schemat oddziaływania kół samochodów na nawierzchnię przedstawiono schematycznie na rys. 1.18.
Rys. 1.18 Oddziaływanie kół samochodów na nawierzchnię [4]
Silnik samochodu przekazuje na oś kół napędzanych (zwykle koła osi tylnej) obrotowy moment napędzający
Mn = F . rk (1.4) gdzie:
F – siła pociągowa mierzona na obwodzie kół rk – promień koła zmniejszony wskutek spłaszczenia opon w miejscu styku z nawierzchnią.
Siła pociągowa na obwodzie kół, przyciskanych z siła P1 do nawierzchni, wywołuje poziomą reakcję nawierzchni N, zaczepioną w płaszczyźnie styku koła z nawierzchnią. Reakcja nawierzchni powoduje obrót kół dookoła środków obrotu O, tj. ruch postępowy kół. Reakcja ta jest siłą tarcia posuwistego pomiędzy kołami i nawierzchnią , a największa jej wartość, zwana siłą sczepności między kołami i nawierzchnią, jest skierowana przy kołach napędzanych w kierunku ruchu i jest równa
N1 = f1 . P1 (1.5)
gdzie:
f1 – współczynnik sczepności lub współczynnik tarcia posuwistego.
Inaczej przedstawia się sprawa z kołami przednimi. Są one, pchane siłą F i usiłują wypchnąć nawierzchnię przed sobą, a ona przeciwstawia się z siła W, zwaną oporem ruchu. Największe zniszczenia nawierzchni powodują siły obwodowe występujące przy obrocie tylnych napędzanych kół. Powodują one wyrywanie ziarn kruszywa, słabo zamocowanych w nawierzchni, oraz ścieranie słabych ziarn kruszywa. Zjawisko wyrwania ziarn kruszywa obserwuje się najlepiej na świeżo wykonanych powierzchniowych utrwaleniach, kiedy wyrzucane z wielką siła grysy przez tylne koła jadącego samochodu, wybijają szyby w samochodzie jadącym za nim. Siły ścinające pod powierzchnią styku układają się , jak na rys. 1.19. Na odwodzie powierzchni styku z nawierzchnią, występują zawsze siły styczne o kierunku przeciwnym do kierunku ruchu koła, a wewnątrz powierzchni styku występują siły skierowane zgodnie z kierunkiem ruchu koła. To tłumaczy zjawisko, że samochód z przednimi kołami napędzanymi też wyrzuca do tyłu materiał nawierzchni swymi tylnimi nie napędzanymi kołami.
Rys. 1.19. Rozkład naprężeń ścinających w obrębie powierzchni styku koła samochodowego z nawierzchnia [4]
W środku powierzchni styku występują, jak to widać na rys. 1.19 również siły ssące, które powodują wyrywanie drobnych cząstek z nawierzchni, co szczególnie widać na nawierzchniach żużlowych i gruntowych, gdzie pojazdy poruszają się w tumanach kurzu i oczyszczają nawierzchnię kompletnie z miału i pyłu, spełniających rolę spoiwa w tych nawierzchniach. Tak więc samochód oddziałuje niszcząco na nawierzchnię nie tylko swoją masą, lecz również dynamiką ruchu. Najgroźniejsze dla nawierzchni są siły obwodowe, występujące przy obrocie tylnych napędzanych kół. Powodują one wyrywanie ziarn kruszywa oraz ścieranie ziarn słabych. W obrębie powierzchni styku opony samochodowej z nawierzchnią powstają siły ścinające, na obwodzie – przeciwne od kierunku ruchu pojazdu, wewnątrz zgodnie z tym kierunkiem. W środku powierzchni styku występują również siły ssące. Taki układ naprężeń pod oponą koła powoduje wyrywanie ziarn grysu i wysysanie drobnych, nie związanych cząstek mineralnych z nawierzchni co prowadzi do pęknięć nawierzchni ( rys. 1.20).
Rys. 1.20 Nawierzchnia zniszczona przez wyrwanie drobnych cząsteczek grysu
Korozja nawierzchni Starzenie się konstrukcji drogowej przebiega dość szybko, o wiele szybciej niż większość innych konstrukcji inżynierskich. Objawia się to przez: - przenikanie gruntu podłoża w nawierzchnię, - rozpad materiałów kamiennych nawierzchni, - starzenie się lepiszcz bitumicznych, - odmywanie lepiszcza z ziarn kruszywa.
Przenikanie gruntu podłoża w nawierzchnię W starszych nawierzchniach drogowych występuje często daleko posunięte, przemieszanie gruntu podłoża z dolnymi warstwami nawierzchni. Nierzadko zdarza się, że grunt podłoża w postaci gliny wnika do szczelin górnych warstw nawierzchni. Stały ciężar własny nawierzchni i nacisk kół samochodowych powodują wciskanie się materiałów nawierzchni w grunt podłoża i gruntu podłoża w nawierzchnię. W okresie wiosennych roztopów następuje uplastycznienie materiałów nawierzchni i osłabienie nośności nawierzchni i osłabienie nośności nawierzchni. Powstają pęknięcia warstw jezdnych, sfalowania nawierzchni, a nawet przełomy zlokalizowane w samej nawierzchni. Środkiem zaradczym jest utworzenie pod nawierzchnią, na granicy z podłożem gruntowym, warstwy odcinającej, która zatrzymałaby cząstki gruntu. Do projektowania materiału warstwy odcinającej wykorzystano prawo Terzaghiego z praktyki budowy zapór ziemnych, tzw. filtru odwotnego:
D15 ≤ 5 d85 (1.6)
gdzie:
D15 – wymiar oczka sita, przez które przechodzi 15% materiału warstwy odcinającej; d85 – wymiar oczka sita, prze które przechodzi 85% gruntu podłoża.
Oznacza to, że pory materiału warstwy odcinającej powinny być tak małe, żeby cząsteczki gruntu podłoża weszły w nie i zaklinowały się. Warunek ten spełniają na ogół miały kamienne oraz drobne piaski. Wykonanie warstwy odcinającej z piasku, stosunkowo cienkiej (7-8 cm) przysparzało dużo problemów przy układaniu. Dlatego lepszym rozwiązaniem okazało się ulepszenie podłoża wapnem lub cementem, lub wykonanie dolnej warstwy podbudowy z gruntu albo kruszywa stabilizowanego wapnem, cementem, bitumem. Warstwy te najlepiej chronią nawierzchnię przed przenikaniem w nią gruntu podłoża [5].
Rozpad mineralnych elementów nawierzchni Rozpad mineralnych elementów nawierzchni polega na niszczeniu mechanicznym (rozdrabnianie) i wietrzeniu. Przy badaniach uszkodzonych nawierzchni nierzadko zamiast zdrowych ziarn tłucznia znajduje się pod warstwami bitumicznymi błoto lub resztki ziarn tłucznia w błotnistej masie mączki kamiennej i miału kamiennego. Przyczynami rozkładu materiałów mineralnych są: - niszczące działanie wody i mrozy, - ścieranie kamieni, - działanie rozkładowe roztworów chemicznych. Niszczące działanie wody i mrozu zostało najwcześniej rozpoznane i zastosowano tu również środki zaradcze. Wprowadzono warunek odporności kamienia na zamrażanie i odmrażanie. Jako dobry uważa się materiał, który wytrzymuje 25 cykli zamrażania do -20oC i odmrażania. Kryterium to ma dwie wady: ustalenie tej cechy materiału wymaga długotrwałych badań granica 25 cykli zamrażania i odmrażania jest na pewno za mała dla materiału, który leży w nawierzchni np. 50 lat i przechodzi co najmniej kilkaset takich cykli. Stąd badanie to było i jest rzadko stosowane, zwłaszcza w stosunku do niepewnych materiałów miejscowych. Ścieranie i rozdrabnianie kamieni zachodzi w nawierzchni na skutek zarówno bezpośrednich uderzeń kół pojazdów o kamienie, jak i wzajemnego tarcia elementów kamiennych o siebie pod naciskiem kół pojazdów, a także z powodu zagęszczania w czasie budowy. Nierzadko już w czasie budowy i zagęszczania walcami stalowymi następuje silne rozdrobnienie tłucznia. W czasie eksploatacji nawierzchni przy uderzeniu kołami pojazdów i ścieraniu nimi elementów kamiennych, zachodzi rozkruszenie elementów grubszych, wyłuskiwanie ich z górnej warstwy ścieralnej, wytwarzania się miału i pyłu kamiennego, który wraz z wodą przenika do wnętrza nawierzchni. W wyniku tych niszczących procesów występują tzw. makowiny w warstwie ścieralnej, ziarna wykruszają się i tworzą się wyboje. Z tworzącego się miału i pyłu kamiennego powstaje zaprawa, która przy zawilgoceniu uplastycznia nawierzchnię, zmniejsza tarcie wewnętrzne i wytrzymałość nawierzchni. Proces ten jest tym groźniejszy, im bardziej kamień jest skłonny do tworzenia elementów plastycznych Ustalenie tych wad nie jest trudne w stosunku do kruszywa wytwarzanego ze skał. Na ogół wskaźniki ścieralności według Devala, czy też bębna kulowego typu Los Angeles dają dostatecznie wiarygodny obraz wytrzymałości kruszyw na ścieranie [5]. Najwięcej jednak szkód typu uplastyczniania wewnętrznego nawierzchni powstaje w konstrukcjach, w których do podbudów zastosowano pospółki, żwiry lub kruszywo nieodsiane (niesortowane) łamane. Kruszyw tych nie można jednak badać za pomocą bębna Devala czy też bębna kulowego. Starzenie się lepiszczy bitumicznych Składniki bardziej lotne odparowują, lepiszcza stają się kruche, pękają. Zapobiega się starzeniu lepiszcz przez tzw. regeneracje nawierzchni (odświeżania) polegające na skropieniu nawierzchni lepiszczem o stosunkowo niskiej lepkości i posypaniu kruszywem. Wahania temperatury powodują pęknięcia nawet w masach dobrze zaprojektowanych i wykonanych. W czasie mrozów masa twardnieje i usztywnia się, a współczynniki kurczliwości liniowej i objętościowej są duże. Asfalty miękkie wykazują większą odporność (większą wytrzymałość na rozciąganie w niskich temperaturach), ale w wysokich temperaturach dochodzi do powstania kolein. Przykłady termicznych spękań, pojawiających się regularnych odstępach, co 4-5 m, można często obserwować na nawierzchniach z asfaltu lanego i batonów asfaltowych wykonanych z użyciem asfaltów twardych (D50). Liczba i amplituda ugięć (liczba przejść osi i wielkość obciążenia na oś) mają wpływ na zmęczenie nawierzchni i zmniejszenie jej wytrzymałości.
Rys. 1.21. Wykres zmniejszania się wytrzymałości bitumicznej warstwy jezdnej w zależności od liczby powtarzających się obciążeń [5]
Odmywanie lepiszcza z ziarn kruszywa W zachowaniu stateczności nawierzchni bitumicznych największe znaczenie ma przyczepność lepiszcza bitumicznego do powierzchni ziarn kruszywa. Przyczepność ta zależy, poza wieloma innymi czynnikami, od zdolności zwilżania powierzchni materiału przez lepiszcze. Z punktu widzenia praktycznego przyczepność jest to opór błonki bitumicznej przeciw jej usuwaniu (desorpcji) pod wpływem wody. Błonka lepiszcza bitumicznego może być usunięta przez wodę, gdy energia zwilżania wodą jest większa od energii oporu błonki bitumicznej. Woda znajduje kontakt z otoczoną lepiszczem powierzchnią ziarn kruszywa przez punkty mechanicznego uszkodzenia błonki(np. na ostrych krawędziach ziarn), a nawet drogą przenikania przez błonkę bitumiczną: nie bez znaczenia jest tu również zjawisko emulgacji lepiszcza, które występuje wówczas, kiedy oprócz wody znajdzie się emulgator w postaci gliny. Asfalty wykazują znacznie gorszą przyczepność do kruszywa niż smoły, również nawierzchnie o strukturze otwartej lub półotwartej są bardziej narażone na odmywanie lepiszcza z ziarn kruszywa niż nawierzchni o strukturze zamkniętej [6].
Niszczące działanie soli Sól w zasadzie nie jest szkodliwa dla nawierzchni ze szczelną warstwą ścieralną. Nawierzchnie brukowe, jak kostkowe, klinkierowe, brukowe, z płyt betonowych są najbardziej wrażliwe na działanie soli. Liczne spoiny pomiędzy drobnymi elementami tych nawierzchni stanowią dobrą drogę przenikania roztworów wodnych soli do podbudowy i podłoża drogowego. Roztwory te obniżają temperaturę zamarzania i otwierają drogę do przenikania wody w głąb nawierzchni i podłoża przez cały okres zimy. ... |
Menu
|