The influence of highly modified asphalt binder on pavement fatigue life prediction - selected problems

The introduction of new road pavement materials causes the need to verify whether the existing pavement design methods enable correct incorporation of their properties. In the case of asphalt pavements, the origins of contemporary methods may be traced back to the mid-20th century, when solely unmodified binders were used. The introduction of highly SBS-modified binders in 2009 significantly changed the behaviour of the asphalt mixtures and the entire pavement structure. Asphalt courses are now characterised by very high flexibility, elasticity and fatigue resistance, with simultaneous high resistance to rutting. The aim of the article is to present the effect of the use of asphalt mixtures with HiMA (Highly Modified Asphalt) binders in different variants of flexible pavement structures - including one, two or three courses containing HiMA. Fatigue life calculations were performed using the “Similarity Method”, which enables estimation of the fatigue life of the structure based on its relationship with the results of laboratory fatigue tests. The layer system with HiMA in the asphalt base course proved the most advantageous, combining excellent fatigue properties of the mixture containing HiMA with greater stiffness of the wearing and binder courses containing classic binders. The other aspect taken into account in the calculations was the effect of changing the mixture in the asphalt base course from AC 22 to AC 16. This change proved advantageous in all the analysed structures. The deflections and critical strains decreased, while pavement life, determined by fatigue and permanent deformation criteria, increased.

Wprowadzenie do stosowania nowych materiałów do budowy nawierzchni drogowych pociąga za sobą konieczność weryfikacji, czy istniejące metody projektowania konstrukcji nawierzchni w prawidłowy sposób adaptują ich właściwości i czy w konsekwencji uzyskany wynik można uznać za prawidłowy. W przypadku nawierzchni asfaltowych, współcześnie stosowane metody projektowania sięgają swoimi korzeniami połowy XX wieku, a więc czasów, gdy stosowano wyłącznie lepiszcza asfaltowe bez dodatku modyfikatorów. Wprowadzenie w latach 80 XX wieku bitumów modyfikowanych polimerami zmieniło w pewnym zakresie zachowanie nawierzchni, głównie jednak pod względem ulepszeń funkcjonalnych. Pojawienie się w 2009 r. lepiszczy wysokomodyfikowanych SBS, o odwróconej fazie polimer-bitum, gdzie lepiszcze przejęło dużą część cech polimeru zmieniło bardzo wiele w zachowaniu mieszanek asfaltowych i w konsekwencji całej struktury. Warstwy asfaltowe stały się niezwykle podatne, sprężyste, wytrzymałe zmęczeniowo, z jednoczesną dużą odpornością na koleinowanie. Niesie to za sobą wiele konsekwencji dla pracy układu warstw, w tym na sposób powstawania odkształceń krytycznych. Celem artykułu jest przedstawienie efektów zastosowania mieszanek asfaltowych z asfaltami wysokomodyfikowanymi typu HiMA (Highly Modified Asphalt) w różnych wariantach nawierzchni podatnych - z jedną, dwiema i trzema warstwami HiMA (full-HiMA). Do obliczeń trwałości zmęczeniowej wykorzystano autorską “metodę podobieństw”, która pozwala oszacować trwałości na podstawie relacji z wynikami zmęczenia uzyskanymi w laboratorium. Trwałość ze względu na deformacje strukturalnie obliczono klasycznie, wg równania Instytutu Asfaltowego. Wyniki wskazują, że wszystkie warianty z warstwami z HiMA prezentują z punktu widzenia trwałości zmęczeniowej lepsze wyniki niż wariant referencyjny z lepiszczami klasycznymi. Najkorzystniejszy okazał się układ z warstwą HiMA w ostatniej dolnej warstwie asfaltowej, łączący świetne właściwości zmęczeniowe mieszanki asfaltowej z HiMA, z wykorzystaniem większej sztywności warstwy wiążącej i ścieralnej z klasycznymi lepiszczami. Im więcej warstw z asfaltami wysokomodyfikowanymi HiMA, tym mniejsza trwałość, zarówno pod względem zmęczeniowym, jak i deformacji strukturalnych. Przyczyną takiego wyniku jest znacząco mniejsza sztywność warstw asfaltowych z HiMA (o około 30%) co przekłada się na wzrost ugięcia nawierzchni i odkształceń krytycznych. Dodatkowo, wyraźnie kształtuje się zależność, że im większa liczba warstw asfaltowych z HiMA - o mniejszej sztywności, tym większe znaczenie będzie miała trwałość ze względu na deformacje strukturalne a mniejsze trwałość zmęczeniowa. Niemniej jednak, stosowanie mieszanek asfaltowych z HiMA w więcej niż jednej warstwie ma swoje uzasadnienie w cechach funkcjonalnych, takich jak odporność na spękania niskotemperaturowe, odbite, koleinowanie itd., dzięki czemu nawierzchnia charakteryzuje się nie tylko dużą trwałością strukturalną, ale i użytkową. Ostatnim aspektem obliczeń było sprawdzenie efektu zamiany rodzaju mieszanki asfaltowej w podbudowie, z AC 22 na AC 16. Zamiana ta okazała się korzystna dla wszystkich analizowanych konstrukcji. Zmniejszyły się ugięcia oraz odkształcenia krytyczne, a zwiększyły się trwałości obliczeniowe zarówno ze względu na spekania zmęczeniowe, jak i na deformacje strukturalne.