Temperatūriniai plyšiai asfalto dangose. Kaip galime jų išvengti?

Temperatūriniai plyšiai asfalto dangose.

Kaip galime jų išvengti?

Vidutinių platumų klimato juostai priklausančioms valstybėms būdingas sezoniškumas: šalta žiema, šilta vasara ir tarpiniai sezonai – pavasaris ir ruduo. Lietuva yra viena iš tokių valstybių. Žiemos laikotarpiu asfalto dangų paviršiaus temperatūra čia nukrinta iki –20 °C ir žemiau. Tačiau vasaros metu pakyla iki +60 °C ir daugiau. Toks platus asfalto dangų paviršiaus temperatūros kitimas nustato poreikį, parenkant bitumą asfalto mišinio gamybai, įvertinti jo eksploatacines savybes. Pabrėžtina, kad mažas bitumo elastingumas žemose temperatūrose nulemia kritinių įtempių asfalto dangos paviršiuje susidarymą. Būtent dėl jų žiemos laikotarpiu asfalto dangose atsiveria temperatūriniai plyšiai – viena reikšmingiausių asfalto dangų pažaidų, nulemiančių spartesnę kelio degradaciją.

sfalto dangose susidarę ir progresuojantys temperatūriniai plyšiai didina dangos nelygumą, o pastarasis mažina eismo patogumą ir didina kuro sąnaudas bei transporto priemonių nusidėvėjimą. Be to, iškritę krituliai ir susikaupęs vanduo per šiuos plyšius skverbiasi į gilesnius dangos konstrukcijos sluoksnius, kas lemia dangos konstrukcijos laikomosios gebos mažėjimą ir daug spartesnę kelio degradaciją. Lietuvai, kaip tranzitinei valstybei, kurioje net 9 proc. bendrojo vidaus produkto (toliau – BVP) sukuria kelių transportas (Europos Sąjungos šalyse vidutiniškai visų rūšių transporto sektorių bendras generuojamas BVP siekia apie 5 proc.),

2 pav. Temperatūrinio plyšio formavimosi ir vystymosi asfalto dangose principinė schema

svarbu kurti ir vystyti vartotojams patrauklų, saugų, ilgaamžį ir tvarų automobilių kelių tinklą. Siekiant tai įgyvendinti, būtina asfalto mišinio gamybai parinkti temperatūriniams plyšiams atsparų bitumą. Iki šiol Europoje pagrindiniu bitumo jautrumo neigiamų temperatūrų poveikiui vertinimo metodu laikomas Fraso metodas. Tai vienas iš seniausių tyrimo metodų bitumo funkcionavimui neigiamose temperatūrose charakterizuoti. Jį sukūrė 1937 m. A. Frasas. Tačiau daugelis mokslininkų abejoja šio metodo tinkamumu vertinti bitumo atsparumą temperatūriniams plyšiams, nes bandymo metu bandinys yra periodiškai veikiamas apkrova, o tai primena nuovargio bandymo imitavimą. Be to, dažnai šiuo metodu asfalto mišinio gamybai parinktas bitumas asfalto dangos eksploatavimo metu, esant neigiamai temperatūrai, neužtikrina jos funkcionavimo be temperatūrinių plyšių. Tai ypač dažnai pastebima tiriant kelių ruožus su polimerais modifikuoto bitumo asfalto danga. Tuo tarpu Jungtinėse Amerikos Valstijose (toliau – JAV) bitumai klasifikuojami pagal jų eksploatacines savybes (angl. performance grade), t. y. pagal tai, kokiai aukščiausiai ir žemiausiai asfalto dangos temperatūrai esant jie gali būti naudojami. Žemiausia asfalto dangos temperatūra, kuriai esant dar nesusidaro temperatūriniai plyšiai, vadinama žemiausia kritine temperatūra. JAV žemiausia kritinė temperatūra nustatoma atliekant bandymus lenkiamo strypelio reometru (angl. bending beam rheometer) ir grynojo tempimo (angl. direct tension) prietaisu. Tačiau ribinės nustatomų charakteristikų vertės (kriterijai) žemiausiai kritinei temperatūrai nustatyti yra gauti XX a. pabaigoje analizuojant nemodifikuotus bitumus. Šiuo metu kelių tiesyboje gaminant asfalto mišinius, ypač asfalto viršutiniam sluoksniui, kuris pasižymi didžiausiu jautrumu temperatūrinių plyšių susidarymui, dažniausiai naudojami modifikuoti bitumai. Todėl yra keliamas klausimas dėl praėjusiame šimtmetyje su

3 pav. Fraso bandymas, taikomas Lietuvoje ir kitose Europos valstybėse bitumo elgsenai įvertinti, esant neigiamai temperatūrai

1

1 2 2

5 pav. Eksperimentinio tyrimo planas

kurtų metodų tinkamumo tirti polimerais modifikuotą bitumą. Mokslininkai visame pasaulyje kuria naujus bitumo tyrimo metodus ir kriterijus bitumo atsparumui temperatūriniams plyšiams vertinti, tačiau juos taikant vis tiek dažnai stebimas temperatūrinių plyšių susidarymas. Netikslų bitumo funkcionavimo neigiamose temperatūrose įvertinimą lėmė naujų bitumų, ypač polimerais modifikuotų bitumų, įvedimas į rinką (metodų ir kriterijų kūrimo metu tokie bitumai nebuvo įtraukti į tyrimų programą), ribinių sąlygų nustatymas remiantis kito metodo ribinėmis sąlygomis, o ne faktiniu asfalto dangų funkcionavimu, nepakankamas metodo pakartojamumas ir atkuriamumas, rezultatų priklausomybė nuo bandinio geometrijos, bandiniui aušinti (šaldyti) taikomos terpės ir kt. Taip pat dažnai pastebima, kad sukurti metodai netampa visuotinai taikytini, nes jiems atlikti reikalinga įsigyti papildomą įrangą, kas yra ekonomiškai nenaudinga, jei taikyti tokį metodą nereikalaujama valstybiniu mastu. Visa tai ir akivaizdus temperatūrinių plyšių susidarymo asfalto dangose problemos sprendimo aktualumas bei opumas nacionaliniu ir tarptautiniu lygmeniu paskatino Vilniaus Gedimino technikos universiteto Aplinkos inžinerijos fakulteto (toliau – VGTU APF) Kelių tyrimo instituto mokslininkę Juditą Gražulytę stoti į doktorantūros studijas VGTU APF Kelių katedroje ir toliau plėtoti magistrantūros studijose pradėtą nagrinėti asfalto ir bitumo jautrumo šalčiui problemą. Todėl, atsižvelgdama į aukščiausio lygio mokslininkų pastabas ir komentarus bei Antverpeno universitete (Antverpenas, Belgija) atliktos stažuotės metu iš dr. Hilde Soenen perimtą mokslinę patirtį ir žinias, ji parengė ir 2019 m. gruodžio 17 d. sėkmingai apgynė disertaciją „Bitumo įtempių relaksacijos modulio taikymas asfalto dangų atsparumui temperatūriniams plyšiams vertinti“ (mokslinis vadovas – prof. dr. Audrius Vaitkus).

Bitumo įtempių relaksacijos modulis (G(t)) yra tam tikru laiko momentu bandinyje susidariusių įtempių dėl jam suteiktų pastovių deformacijų ir tų deformacijų santykis. Kaip parodė disertacijos rengimo metu atlikti laboratoriniai tyrimai, ši charakteristika gali būti tiesiogiai nustatoma atliekant bitumo įtempių relaksacijos bandymus dinaminiu šlyties reometru taikant 4 mm skersmens plokšteles (toliau – 4 mm DSR). DSR jau yra naudojamas bitumo elgsenai charakterizuoti esant aukštoms (≥46 °C) ir vidutinėms (nuo 4 °C iki 40 °C) temperatūroms. Be to, 4 mm skersmens bandiniui paruošti reikalingas itin mažas bitumo kiekis (25 mg). Tai ypač svarbu tiriant sendintą arba iš eksploatuojamų kelių ruožų regeneruotą bitumą, nes tokiu atveju tiriamajam bitumui gauti reikalingas daug mažesnis sendinamo bitumo kiekis arba asfalto dangos gręžtinių ėminių (kernų) skaičius. Kuo mažiau pažeidžiama asfalto danga ją eksploatuojant, tuo didesnė tikimybė, kad bus užtikrintas dangos funkcionavimas be struktūrinių pažaidų visu jos projektiniu naudojimo laikotarpiu. Bandymo atlikimo metu nustatomas ne tik bitumo įtempių relaksacijos modulis, bet ir jo kitimo rodiklis (mr(60)), apibrėžiantis, kaip greitai kinta bitumo įtempių relaksacijos modulis. Temperatūrinių plyšių susidarymo atžvilgiu pageidautina, kad, esant neigiamoms temperatūroms, būtų kuo mažesnis bitumo įtempių relaksacijos modulis ir kuo greičiau jis kistų, t. y. kuo greičiau mažėtų (sloptų) dėl temperatūros poveikio susidarę įtempiai. Siekiant nustatyti ribines bitumo eksploatacinių charakteristikų, susijusių su jo jautrumu šalčiui, vertes, 26iuose charakteringuose Lietuvos kelių ruožuose, eksploatuojamuose 1–12 metų, nustatytas vyraujantis temperatūrinių plyšių mastas. Dalis šių kelių ruožų buvo naujai nutiesti, kita dalis – atnaujinti, pakeičiant visus asfalto sluoksnius. Taip pat iš šių kelių ruožų paimti 78 gręžtiniai ėminiai (kernai) 1 m atstumu nuo temperatūrinio plyšio, atskirtas 15 mm storio viršutinis asfalto dangos sluoksnis ir atliktas bituminio rišiklio regeneravimas. Regeneruotas bitumas tirtas esant 10 °C aukštesnei temperatūrai, nei tų ruožų eksploatacijos metu užfiksuota žemiausia asfalto dangos temperatūra artimiausiose kelių oro sąlygų stotelėse.

8 pav. Dinaminis šlyties reometras su 4 mm skersmens plokštelėmis

9 pav. Iš silikoninės formos išimtas 4 mm skersmens bitumo bandinys

10 pav. 4 mm skersmens bitumo bandinys dinaminiame šlyties reometre prieš bandinio apkirpimą

4mm DSR metodu tiesiogiai nustatytos bitumo įtempių relaksacijos modulio ir jo kitimo rodiklio po 60 s vertės palygintos su atitinkamo kelio ruožo temperatūrinių plyšių mastu. Analizės metu nustatyta, kad temperatūrinių plyšių susidarymas ir vystymasis asfalto dangose apribojamas, kai bitumo, taikomo asfalto dangos viršutinio sluoksnio mišinio gamybai, įtempių relaksacijos modulis ir jo kitimo rodiklis po 60 s atitinkamai yra ne didesnis kaip 52 MPa ir ne mažesnis kaip 0,370, esant 10 °C aukštesnei temperatūrai, nei bitumo taikymo vietovės regione užfiksuota žemiausia asfalto dangos paviršiaus temperatūra. Bent vienos ribinės vertės viršijimas lemia temperatūrinių plyšių susidarymą. Siekiant paskatinti sukurto metodo ir nustatytų ribinių verčių taikymą, ribojant temperatūrinių plyšių susidarymą, sukurtas bitumo įtempių relaksacijos moduliu ir jo kitimo rodikliu pagrįstas algoritmas asfalto dangų atsparumui temperatūriniams plyšiams vertinti. Algoritmas yra orientuotas į asfalto viršutinio sluoksnio mišinio gamybai naudotino bitumo parinkimą atsparumo temperatūriniams plyšiams aspektu, tiesiant naują kelią, atliekant paprastąjį arba kapitalinį remontą ir rekonstrukciją. Atlikti ekonominio efekto skaičiavimai parodė, kad, lyginant su įprastai taikoma bitumo parinkimo praktika, algoritmo taikymas lemia iki 40 proc. mažesnes iš

11 pav. Bitumo įtempių relaksacijos moduliu ir jo kitimo rodikliu grindžiamas algoritmas asfalto dangų atsparumui temperatūriniams plyšiams vertinti

laidas asfalto dangų temperatūrinių plyšių remontui 30 metų laikotarpiu. Asfalto dangų funkcionavimas be temperatūrinių plyšių susidarymo ir vystymosi užtikrinamas tik tuo atveju, jei nustatyta bitumo kritinė temperatūra yra ne didesnė nei žemiausia asfalto dangos paviršiaus temperatūra. Disertacijos išvadose pažymima, kad, siekiant nustatytas ribines vertes įvesti į normatyvinius techninius dokumentus, būtina jas pagrįsti ilgalaikių tyrimų duomenimis ir, esant poreikiui, patikslinti. Todėl, atliekant asfalto viršutinio sluoksnio mišinio gamybai taikomo bitumo bandymus, būtų tikslinga į tiriamųjų savybių sąrašą įtraukti bitumo relaksacijos modulį ir jo kitimo rodiklį. Tai leistų surinkti informaciją apie rinkoje esamo bei asfalto viršutiniam sluoksniui įrengti naudojamo bitumo atsparumą temperatūrinių plyšių susidarymui ir patikslinti reikalavimus šio produkto tiekimui į rinką.

Dr. Judita Gražulytė, prof. dr. Audrius Vaitkus VGTU APF Kelių tyrimo institutas

12 pav. Akimirkos iš VGTU APF Kelių katedros doktorantės Juditos Gražulytės (mokslinis vadovas – prof. dr. Audrius Vaitkus) disertacijos gynimo

Temperature Cracks in Asphalt Pavement. How to Avoid Them?

By J. Gražulytė, A. Vaitkus

In order to prevent the formation and development of low temperature cracks in asphalt pavements, it is necessary to select a bitumen for the asphalt mixture production that is resistant to low temperature cracking. However, the existing test methods and limiting values fail in evaluation of bitumen performance at low temperatures. It has resulted from the introduction of new types of bitumen; the determination of limiting values based on the limiting values of another method rather than on the actual asphalt pavement performance; insufficient repeatability and reproducibility of the test method, etc. Therefore, dr. Judita Gražulytė from Road Research Institute of Vilnius Gediminas technical university has spent four years in developing new test method and determining limiting values of bitumen characteristics based on the actual pavement performance to evaluate its resistance to low temperature cracking. As a result, on 17 December 2019 she successfully defended her thesis “Bitumen stress relaxation modulus as an indicator of asphalt pavements resistance to low temperature cracking” (supervisor prof. dr. Audrius Vaitkus). Based on the results of the severity of low temperature cracking determined in the 26 analysed road sections and results of the stress relaxation modulus and its slope determined for the recovered bitumen of the asphalt samples (cores) taken from these sections limiting values have been determined. Test temperature was higher by 10 °C than the lowest surface temperature of the asphalt pavement recorded during the operation of those sections. The formation and development of low temperature cracks in asphalt pavements is limited when the stress relaxation modulus of the bitumen used for the asphalt mixture production of the upper asphalt pavement layer and its slope at 60 s is not higher than 52 MPa and not lower than 0.370, respectively. Temperature higher by 10 °C than the lowest surface temperature of the asphalt pavement recorded in the location of the bitumen’s application has to be applied in the test. The exceeding of at least one limiting value leads to the formation of low temperature cracks. In addition to this, an algorithm was designed to select the bitumen for the asphalt mixture production of the upper layer of asphalt pavement irrespective of the type of the foreseen construction (new construction, repair, rehabilitation or reconstruction).