Publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Złotowskiej

Przedmiotem rozprawy jest projektowanie konstrukcji nawierzchni podatnych z mieszanek mineralno-asfaltowych z asfaltem wysokomodyfikowanym HiMA metodą mechanistyczno-empiryczną.

Rys.1 Proporcje objętościowe pomiędzy asfaltem a polimerem [źródło: Orlen Asfalt]

HiMA (Highly Modified Asphalt) to lepiszcze asfaltowe o zwiększonej do 7,5% zawartości kopolimeru SBS w stosunku do tradycyjnego asfaltu modyfikowanego (od 2,5% do 5%). W konsekwencji ciągła faza polimerowa nadaje kluczowe cechy lepiszczu (Rys. 1), co wpływa na poprawę właściwości funkcjonalnych mieszanek mineralno-asfaltowych w zakresie odporności na koleinowanie, spękania niskotemperaturowe i spękania zmęczeniowe.
Postęp technologiczny i pojawienie się nowoczesnych materiałów drogowych, jakimi są mieszanki mineralno-asfaltowe z asfaltem wysokomodyfikowanym, jest szansą na sprostanie wymaganiom budownictwa drogowego związanym ze stale zwiększającym się ruchem drogowym oraz zmianami klimatycznymi, ale również wyzwaniem dla projektantów i zarządców dróg, wynikającym z potrzeby opracowania nowych metod projektowania nawierzchni, uwzględniających specyfikę nowych materiałów. Pomimo, że konstrukcje z asfaltem wysokmodyfikowanym są coraz częściej stosowane do budowy dróg w Polsce, do tej pory nie opracowano narzędzia, które pozwoliłoby na indywidualne wymiarowanie konstrukcji nawierzchni zawierającej te materiały.
W pracy doktorskiej zaproponowano autorską metodę prognozowania trwałości zmęczeniowej ze względu na spękania „z dołu do góry” konstrukcji nawierzchni zawierających asfalt wysokomodyfikowany w co najmniej jednej warstwie asfaltowej. W metodzie tej, nazwanej metodą SiM (Similarity Method), określa się współczynniki równania trwałości zmęczeniowej konstrukcji referencyjnej (z asfaltem drogowym) na podstawie znanego kryterium spękań zmęczeniowych, które ma postać równania Wöhlera (w pracy wybrano kryterium AASHTO 2004), a następnie wprowadza się korektę tych współczynników według zależności wynikających z relacji charakterystyk zmęczeniowych mieszanek mineralno-asfaltowych zastosowanych w dolnej warstwie asfaltowej konstrukcji (z asfaltem wysokomodyfikowanym i referencyjnej). Zakłada się, że relacja pomiędzy krzywymi zmęczeniowymi konstrukcji z asfaltem wysokomodyfikowanym i konstrukcji referencyjnej jest podobna do relacji pomiędzy krzywymi zmęczeniowymi mieszanek mineralno-asfaltowych zastosowanych do podbudowy tych konstrukcji, otrzymanymi na podstawie badań laboratoryjnych.
Wykazano, że stosując metodę SiM można prognozować trwałość zmęczeniową konstrukcji nawierzchni drogowych z asfaltem HiMA, co jest treścią pierwszej tezy naukowej rozprawy.
Drugą tezą jest stwierdzenie, że stosując metodę SiM możliwe jest zaprojektowanie konstrukcji nawierzchni z asfaltem wysokomodyfikowanym o istotnie większej trwałości zmęczeniowej, niż konstrukcje standardowe, bez zmiany grubości warstw asfaltowych lub o mniejszych grubościach warstw asfaltowych, przy zachowaniu trwałości zmęczeniowej w stosunku do konstrukcji standardowych. W przypadku standardowego układu warstw konstrukcji drogi o kategorii ruchu KR5 wykazano możliwość pocienienia górnej warstwy z podbudowy zasadniczej z 12 cm do 8 cm przy zastosowaniu mieszanki mma z lepiszczem HiMA do tej lub do wszystkich warstw asfaltowych (rys.2).

Rys.2 Konstrukcja standardowa (RS) i równoważne jej konstrukcje z asfaltem wysokomodyfikowanym  (HB – HiMA Base i FH – Full HiMA) drogi o kategorii ruchu KR5.

W pracy zbadano, jaki wpływ na prognozę trwałości zmęczeniowej konstrukcji, w tym trwałości wyznaczonej metodą SiM, ma rodzaj zastosowanego w analizie mechanistycznej modelu materiału mieszanek mineralno-asfaltowych (sprężystego względem lepkosprężytego – Hueta Sayegha) oraz wartość przyjętej temperatury ekwiwalentnej.
Zwrócono również uwagę na dużą wrażliwość metody na odchyłki wyników badań laboratoryjnych mieszanek mineralno-asfaltowych.
Wykazano, że w przypadku nawierzchni o kategorii ruchu KR5 i wyższych, w przeciwieństwie do konstrukcji standardowych, w przypadku nawierzchni z asfaltem wysokomodyfikowanym, kluczowym kryterium (z dwóch rozpatrywanych), decydującym o trwałości zmęczeniowej konstrukcji, jest kryterium deformacji strukturalnych związanych z odkształceniem podłoża gruntowego. Zatem w przypadku nawierzchni z lepiszczem HiMA, wzmocnienie dolnych warstw daje możliwość dalszego pocieniania pakietów warstw asfaltowych.
W pracy zbadano dwa sposoby wzmocnienia dolnych warstw konstrukcji nawierzchni i wykazano, że dodanie warstwy ulepszonego podłoża jest znacznie bardziej efektywnym rozwiązaniem, niż usztywnienie warstwy podbudowy pomocniczej. Zaproponowano kilka układów warstw z cienkimi pakietami warstw asfaltowych i wzmocnieniem dolnych warstw w stosunku do konstrukcji standardowych, przy zastosowaniu mieszanek z lepiszczem HiMA w jednej lub wszystkich warstw asfaltowych (Tab. 1). Zwrócono uwagę, że pokazane konstrukcje powinny zostać zweryfikowane pod kątem innych (nierozpatrywanych) w pracy kryteriów, a także możliwości wystąpienia innego rodzaju uszkodzeń, których znaczenie w przypadku standardowych konstrukcji można uznać za pomijalne.
Tablica 1. Konstrukcje z cienkimi pakietami warstw asfaltowych.

Kategoria ruchu			KR5	KR6	KR7
Ruch projektowy [mln osi 100 kN]			7.4 -22.0	22.0 – 52.0	>52
AC 16 W 45/80-80 HiMA w warstwie przeciw-zmęczeniowej			-
Trwałość zmęczeniowa [mln osi 100 kN]				Nf(podb) > 100 Nf(AF) > 100 Nd = 52	Nf(podb) > 100 Nf(AF) > 100 Nd = 88
AC 16 W 45/80-80 HiMA w podbudowie asfaltowej
Trwałość zmęczeniowa [mln osi 100 kN]			Nf(wiąż) > 100 Nf(podb) > 100 Nd = 36	Nf(podb) = 84 Nf(podb) > 100 Nd = 57	Nf(podb) > 100 Nf(podb) > 100 Nd = 97
dwuwarstwowe pakiety asfaltowe z HiMĄ
Trwałość zmęczeniowa [mln osi 100 kN]			Nf = 42 Nd = 22	Nf = > 100 Nd = 58	Nf > 100 Nd = 92
Legenda:		warstwa podbudowy zasadniczej z mieszanki niezwiązanej z kruszywem C90/3 warstwa podbudowy pomocniczej z mieszanki związanej spoiwem hydraulicznym C5/6 warstwa ulepszonego podłoża z gruntu stabilizowanego spoiwem hydraulicznym C1.5/2 grunt charakteryzujący się grupą nośności podłoża G1
		Nf – trwałość zmęczeniowa według kryterium spękań zmęczeniowych „z dołu do góry” Nd – trwałość zmęczeniowa według kryterium deformacji strukturalnych

Słowa kluczowe: analiza mechanistyczna, asfalt wysokomodyfikowany HiMA, konstrukcja nawierzchni drogowej podatnej, metoda mechanistyczno-empiryczna, metoda SiM, projektowanie konstrukcji, trwałość zmęczeniowa