Badanie mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) na koleinowanie

Definicja i charakterystyka zjawiska koleinowania

Koleinowanie to proces powstawania trwałych deformacji podłużnych w śladach kół pojazdów, będący jednym z najpoważniejszych problemów eksploatacyjnych współczesnych nawierzchni asfaltowych. Zjawisko to wynika z kumulacji odkształceń plastycznych w warstwach bitumicznych, zachodzących pod wpływem cyklicznych obciążeń dynamicznych, szczególnie w warunkach wysokich temperatur otoczenia oraz przy niskich prędkościach poruszania się ciężkich pojazdów.

Wyróżnia się dwa podstawowe mechanizmy powstawania kolein:

• Dogęszczanie wtórne: redukcja wolnych przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej (MMA) pod wpływem ruchu kołowego, wynikająca z niewłaściwego zagęszczenia warstwy na etapie budowy.
• Płynięcie plastyczne: przemieszczanie się materiału na boki względem osi obciążenia, co jest efektem niewystarczającej sztywności i stabilności strukturalnej mieszanki w wysokich temperaturach.

Metodyka badania według normy PN-EN 12697-22

Norma PN-EN 12697-22 określa procedury badania odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na deformacje trwałe przy użyciu urządzenia do symulacji obciążenia kołem (tzw. koleinomierza). Badanie polega na wielokrotnym przejeździe obciążonego koła po powierzchni próbki MMA w kontrolowanych warunkach temperatury i nacisku.

Zgodnie z normą, stosuje się trzy główne procedury badawcze:

1. Procedura z małym urządzeniem (Small Device): najpowszechniej stosowana w Polsce, wykonywana na próbkach o wymiarach 260 x 300 mm lub na próbkach cylindrycznych o średnicy 200 mm (odwierty).
2. Procedura z dużym urządzeniem (Large Device): stosowana do mieszanek o większym uziarnieniu, wymagająca próbek o wymiarach 500 x 180 mm.
3. Procedura z bardzo dużym urządzeniem: wykorzystywana rzadziej, głównie w celach badawczych przy symulacji ekstremalnych obciążeń.

Kluczowe parametry techniczne i wskaźniki

Wynikiem badania odporności na koleinowanie są wskaźniki opisujące podatność mieszanki na odkształcenia. Do najważniejszych parametrów należą:

• WTS_AIR (Wheel Tracking Slope): nachylenie wykresu koleinowania, określające szybkość przyrostu głębokości koleiny w końcowej fazie badania (mm/1000 cykli).
• PRD_AIR (Proportional Rut Depth): proporcjonalna głębokość koleiny, wyrażona jako stosunek głębokości koleiny do grubości próbki (%).
• RD_AIR (Rut Depth): końcowa głębokość koleiny po określonej liczbie cykli (zwykle 10 000 cykli).

Przygotowanie próbek do badań laboratoryjnych

Badanie koleinowania może być przeprowadzone zarówno na próbkach przygotowanych w laboratorium, jak i na próbkach wyciętych z gotowej nawierzchni drogowej (tzw. odwierty rdzeniowe). W warunkach laboratoryjnych próbki są zagęszczane za pomocą walca sektorowego, co ma na celu jak najwierniejsze odwzorowanie procesów zachodzących podczas rzeczywistego wałowania mieszanki na budowie.

W przypadku diagnostyki istniejących dróg, kompleksowa usługa obejmuje wykonanie odwiertów oraz późniejszą analizę parametrów fizyko-mechanicznych w akredytowanym laboratorium, co pozwala na ocenę stanu technicznego nawierzchni i prognozowanie jej dalszej trwałości.

Wymagania techniczne zgodnie z WT-2

Wymagania dotyczące odporności na deformacje trwałe są ściśle skorelowane z kategorią ruchu (KR) oraz rodzajem warstwy nawierzchni (ścieralna, wiążąca, podbudowa). Dokumentacja WT-2 (Wymagania Techniczne) definiuje dopuszczalne wartości wskaźników WTS oraz PRD dla poszczególnych klas obciążenia ruchem.

Czynniki wpływające na odporność MMA na koleinowanie

Odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na deformacje trwałe jest wypadkową kilku czynników materiałowych i konstrukcyjnych:

• Rodzaj lepiszcza: zastosowanie asfaltów modyfikowanych polimerami (PMB) znacząco zwiększa sztywność mieszanki w wysokich temperaturach, co bezpośrednio redukuje głębokość kolein.
• Struktura kruszywa: stosowanie kruszyw łamanych o wysokiej szorstkości zapewnia lepsze klinowanie się ziaren, tworząc stabilny szkielet mineralny.
• Zawartość wolnych przestrzeni: optymalny poziom wolnych przestrzeni zapobiega zjawisku „wypocenia” asfaltu i utracie stabilności pod wpływem dogęszczania wtórnego.
• Warunki temperaturowe: ekstremalnie wysokie temperatury powietrza osłabiają wiązania wewnątrz lepiszcza, co sprawia, że badanie laboratoryjne w temperaturze 60°C (zgodnie z PN-EN 12697-22) jest miarodajnym testem bezpieczeństwa nawierzchni.

Zastosowanie wyników badań w inżynierii drogowej

Badanie odporności na koleinowanie jest kluczowe na etapie projektowania składu MMA (recepty typu Marshall lub projektowanie funkcjonalne). Pozwala ono wyeliminować mieszanki, które mimo spełnienia innych parametrów, mogłyby ulec szybkiej degradacji pod ciężkim transportem. Jest to również niezbędny element kontroli jakości podczas realizacji inwestycji oraz podstawa do odbioru robót bitumicznych na drogach krajowych i autostradach.