Nawierzchnie asfaltowe w obliczu zmian klimatycznych

Wśród najczęściej wymienianych efektów zmian klimatu jest ciągłe i systematyczne podnoszenie się średniej rocznej temperatury powietrza. Zwykle oznacza to przedłużanie sezonu z wysoką temperaturą powietrza i skracanie okresów występowania chłodu. Problemem z tym związanym jest podwyższenie tzw. ekwiwalentnej temperatury nawierzchni. Wbrew pozorom, nie jest to tylko sprawa koleinowania, najczęściej kojarzona z letnimi problemami nawierzchni asfaltowych, ale także samo projektowanie, czy wymiarowanie konstrukcji nawierzchni. Przykładowo, w Katalogu Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych z 1997 r., temperatura ekwiwalentna została określona na 10°C, a już w następnym wydaniu Katalogu z 2014 r. ta temperatura była wyższa i wyniosła 13°C. Te kilka stopni Celsjusza to obraz zmian klimatycznych mających także wpływ na wartości modułów sztywności warstw asfaltowych, a co za tym idzie - na obliczenia związane z wymiarowaniem nawierzchni.

Innym aspektem zmian klimatycznych jest występowanie ekstremalnych zjawisk pogodowych. Możemy do nich zaliczyć duże wahania temperatury w ciągu roku, okresy długotrwałych upałów i mrozów, okresy szybkiego spadku temperatury w zimie oraz zjawiska związane z wodą - deszcze nawalne, powodzie i susze hydrologiczne. Każde z wymienionych zjawisk to konkretne oddziaływanie na nawierzchnię asfaltową. Rozpiętość temperatury, w jakiej nawierzchnia „pracuje”, to jeden z najbardziej znanych w drogownictwie aspektów trwałościowych. Powszechnie wiadomo, że drogi położone w obszarach o jednoznacznie zimnym lub gorącym klimacie, znacząco łatwiej jest budować, ponieważ dobór materiałów jest znacznie prostszy. Szeroki i niekorzystny zakres granicznych wartości temperatury nawierzchni sięga w Polsce dla warstwy ścieralnej od -30°C do +60°C, a w związku z ciągłymi zmianami klimatu występuje małe prawdopodobieństwo, że coś się zmieni na lepsze. Dodatkowo, w przypadku gorącego lata zdarzają się okresy wielu dni, w czasie których nawierzchnia stygnie tylko w niewielkim stopniu. W konsekwencji rozgrzewa się nie tylko warstwa ścieralna, ale także warstwa wiążąca i podbudowa asfaltowa. Ma to znaczący wpływ na całą konstrukcję nawierzchni w postaci zwiększonego ryzyka koleinowania całego pakietu asfaltowego oraz powstania deformacji trwałych podłoża. Z drugiej strony, długotrwałe okresy mrozu wyzwalają w nawierzchni zjawisko twardnienia fizycznego, które co prawda jest zjawiskiem odwracalnym w przypadku podniesienia temperatury, jednak niesie za sobą podwyższone ryzyko spękań niskotemperaturowych. Szybkie ochładzanie powietrza np. przy przejściu frontu atmosferycznego bez opadów śniegu, powoduje z kolei znaczący wzrost naprężenia skurczowego na powierzchni warstwy ścieralnej, co jest już prostą drogą do powstania spękań poprzecznych „góra-dół”.

Od początku nowoczesnego myślenia o drogach, czyli mniej więcej od początku XIX w. wiadomo, że woda ma niezwykle niszczący wpływ nie tylko na samą nawierzchnię, ale także na cały korpus drogowy. Dlatego znaczące zmiany stosunków wodnych wokół drogi muszą się odbić na jej trwałości i nośności. Gwałtowne opady deszczu, przekraczające możliwości odbioru wody przez system odwodnienia to jeden z widocznych i niebezpiecznych efektów zmian klimatu. Podobnie jak w przypadku powodzi, silne nasycenie wodą całego przekroju drogowego może skończyć się poważnym uszkodzeniem całej konstrukcji drogi. Wbrew pozorom także okresy suszy nie są korzystne dla drogi, ponieważ zmiany poziomu wody gruntowej, z jej maksymalnym znanym poziomem, powinny być uwzględniane na etapie jej projektowania.

Czy jesteśmy więc w stanie budować nawierzchnie asfaltowe, które wytrzymają w zmieniających się realiach klimatycznych? Oczywiście, że tak, ale będzie to wymagało zmiany podejścia do wyboru materiałów. Mamy do wyboru manewrowanie rodzajami mieszanek mineralno-asfaltowych oraz rodzajami lepiszczy asfaltowych.

W niskiej temperaturze, wiadomo, że to właściwości lepiszcza asfaltowego są kluczowe i determinują jakość warstwy z mieszanki mineralno-asfaltowej dla pewnych typów uszkodzeń, takich jak odporność na wodę i mróz, pękanie niskotemperaturowe czy twardnienie fizyczne. Z kolei, w wysokiej temperaturze lepiszcze asfaltowe może „dołożyć się” do odporności na koleinowanie leżącej po stronie szkieletu z kruszywa. Podsumowując, przyszłością nawierzchni asfaltowych są mieszanki mineralno-asfaltowe o silnym szkielecie z twardego kruszywa (np. SMA) i dużej zawartości lepiszcza asfaltowego odpornego na niską i wysoką temperaturę, co finalnie pozwoli uzyskać szczelną warstwę odporną na koleinowanie, zmęczenie i pękanie.

Jeżeli chodzi o odpowiedni dobór lepiszczy asfaltowych to mamy do wyboru dwa rodzaje asfaltów o podwyższonej i wysokiej odporności na szeroki zakres temperatury - są to asfalty modyfikowane polimerami (PMB) i asfalty wysokomodyfikowane HiMA. Na rys. 1. przedstawiono porównanie odporności na działanie wysokiej i niskiej temperatury dla wszystkich rodzajów asfaltów produkowanych przez Grupę ORLEN.

Z kolei na rysunku 2 i 3 przedstawiono wyniki badań właściwości wysoko i niskotemperaturowych dla mieszanek mineralno-asfaltowych. Rysunek 2 przedstawia odporność na koleinowanie (parametr PRDair) tej samej mieszanki mineralno-asfaltowej w zależności od rodzaju zastosowanego lepiszcza asfaltowego. Badania wykonano w temperaturze 60°C i 70°C. Widoczna jest duża różnica pomiędzy asfaltami drogowymi (niemodyfikowanymi), a PMB i HiMA, z czego te ostatnie zapewniają odporność na deformacje nawet jeśli nawierzchnia rozgrzeje się do 70°C.

Odporność na działanie niskiej temperatury przedstawia rysunek 3, na którym widoczne jest zapewnienie trwałości do -30°C w przypadku lepiszczy HiMA. Przekłada się to na uzyskanie przez nawierzchnię dobrej odporności na pękanie skurczowe.

Podsumowując, możemy budować trwałe nawierzchnie asfaltowe dostosowane do zmieniającego się klimatu. Mamy do tego celu zarówno nowoczesne asfalty, jak również odpowiednie mieszanki mineralno-asfaltowe. Właściwe połączenie asfaltu i mieszanki pozwoli uzyskać warstwy odporne na wysokie i niskie temperatury oraz podnieść wytrzymałość zmęczeniową nawierzchni. Dodatkowo, niski ślad węglowy i możliwość obniżenia emisji są atutem technologii asfaltowych, zarówno na poziomie produktu, jego aplikacji jak również jego eksploatacji i recyklingu. Tzw. technologie Warm Mix Asphalt albo wręcz stosowanie technologii na zimno, zdecydowanie potwierdzają walory ekologiczne asfaltu.