wpływ charakterystyki kruszywa na wła ściwości przeciwpo ślizgowe
advertisement
POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA WPŁYW CHARAKTERYSTYKI KRUSZYWA NA WŁAŚCIWOŚCI PRZECIWPOŚLIZGOWE NAWIERZCHNI DROGOWYCH Mgr inż. Marta Wasilewska (Autoreferat rozprawy doktorskiej) Promotor: dr hab. inż. Władysław Gardziejczyk, prof. PB Recenzenci: dr hab. inż. Jerzy Piłat , Profesor Politechniki Warszawskiej dr hab. inż. Marek Iwański, Profesor Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach Białystok, 2011 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych 1. Wprowadzenie Stan techniczny nawierzchni drogowej jest określany na podstawie rodzaju i powierzchni spękań, równości podłużnej, głębokości kolein oraz współczynnika tarcia. Istotną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa ruchu, z punktu widzenia nawierzchni drogowej, odgrywają jej właściwości przeciwpoślizgowe, umożliwiające nie tylko poruszanie się pojazdu, ale w dużym stopniu determinujące utrzymanie trajektorii jazdy i przyczyniające się do skrócenia drogi hamowania. Są one definiowane jako zdolność do wytworzenia siły tarcia między nawierzchnią a kołami pojazdów w warunkach wzajemnego poślizgu i charakteryzowane przez współczynnik tarcia lub wskaźnik szorstkości, przy uwzględnieniu opisu geometrycznego powierzchni jezdni. Współczynnik tarcia jest stosunkiem wypadkowej siły tarcia wytwarzanej między hamowanym kołem urządzenia pomiarowego a nawierzchnią drogi, do nacisku koła na drogę, a jego wartość zależy od stanu powierzchni, rodzaju warstwy ścieralnej i jej tekstury, charakterystyki zastosowanych materiałów oraz okresu eksploatacji. Współczynnik tarcia jest ściśle związany z występowaniem trzech stref w płaszczyźnie kontaktu opony z nawierzchnią (zjawisko aquaplaningu). Powierzchnie tych stref zależą od geometrycznego opisu nierówności nawierzchni, czyli od jej makrotekstury i mikrotekstury. Makrotekstura warstwy ścieralnej odpowiada za zmniejszenie klina wodnego, który powstaje w strefie kontaktu opony z nawierzchnią, a dzięki mikronierównościom dochodzi do przerwania filmu wodnego na styku opony z powierzchnią jezdni i powstania strefy suchego kontaktu. W związku z tym, amplituda mikronierówności powinna być możliwie wysoka, aby zagwarantować możliwie wysoki współczynnik tarcia, a decyduje o tym charakterystyka powierzchni ziaren kruszywa. Urządzeniem umożliwiającym pomiar wskaźnika szorstkości jest wahadło angielskie (British Pendulum Tester), pozwalające ocenić tarcie, jakie powstaje pomiędzy gumowym ślizgaczem zamocowanym na końcu wahadła a próbką, odwzorowując tym samym poślizg pojazdu przy prędkości 10km/h. Miarą szorstkości jest strata energii kinetycznej na skutek poślizgu ramienia wahadła o badaną powierzchnię. Metodą pośrednią oceny mikrotekstury w warunkach laboratoryjnych jest badanie wskaźnika polerowalności PSV (Polished Stone Value) kruszywa. Biorąc pod uwagę fakt, że powierzchnia styku ziaren grysów z oponą samochodową na warstwie ścieralnej wykonanej z mastyksu grysowego (SMA) wynosi około 90%, z betonu asfaltowego od 50 do 85%, z asfaltu lanego – 50%, powierzchniowego utrwalenia – 100%, rodzaj i uziarnienie zastosowanego kruszywa mają zasadniczy wpływ na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych. Kruszywa łamane do warstw ścieralnych są produkowane głównie z litych skał magmowych, osadowych i metamorficznych. Ponieważ charakteryzują się one zróżnicowaną odpornością na polerowanie celowe i konieczne są badania pod kątem ich przydatności do górnej warstwy nawierzchni. Z uwagi na różną zawartość poszczególnych frakcji kruszywa w produkowanych mieszankach mineralno-asfaltowych, a tym samym różny kontakt opony z powierzchnią wystających ziaren kruszywa, celowe jest także ustalenie w jakim stopniu podatność kruszywa na czynniki polerujące decyduje o właściwościach przeciwpoślizgowych warstwy ścieralnej. 1 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych 1.1. Teza pracy Właściwy dobór kruszywa do warstwy ścieralnej, w zależności od jej rodzaju, pozwoli na uzyskanie wymaganego poziomu właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowej. 1.2. Cel i zakres pracy Cel pracy: Celem pracy jest określenie wpływu rodzaju kruszywa i jego uziarnienia, w zależności od technologii wykonania warstwy ścieralnej, na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowej. Zakres pracy obejmuje: • studia literaturowe dotyczące: - stanu wiedzy z zakresu właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych; - wymagań wobec kruszyw drogowych do warstwy ścieralnej; - odporności na polerowanie kruszyw drogowych; • ocenę przydatności kruszyw do warstwy ścieralnej w oparciu o wyniki badań właściwości mechanicznych i fizycznych; • analizę odporności na polerowanie kruszyw z uwzględnieniem charakterystyki petrograficznej skały z jakiej zostało wyprodukowane; • opracowanie laboratoryjnej metody do oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych składające się z następujących etapów: - wykonanie stanowiska badawczego – polerki płytowej do symulacji procesu polerowania; - ustalenie warunków polerowania w polerce płytowej; - analiza wpływu charakterystyki kruszywa na wskaźniki szorstkości otrzymane na podstawie metody brytyjskiej i metody opracowanej w Politechnice Białostockiej; - ustalenie zależności regresyjnych pomiędzy wynikami uzyskanymi według metody brytyjskiej a wynikami otrzymanymi w oparciu o metodę opracowaną w Politechnice Białostockiej; • ocenę zmian mikroteksturalnych powierzchni kruszyw w oparciu o analizy obrazów cyfrowych wykonanych pod mikroskopem optycznym i skaningowym; • ocenę właściwości przeciwpoślizgowych w warunkach laboratoryjnych mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczonych do warstwy ścieralnej: - zaprojektowanie składu mieszanek mineralno-asfaltowych z betonu asfaltowego i SMA, o uziarnieniu 0/6,3; 0/12,8; 0/16 na bazie wytypowanych kruszyw; - analiza zmian zachodzących na powierzchni mieszanki mineralno-asfaltowej w poszczególnych etapach polerowania; - określenie wpływu charakterystyki kruszywa i jego uziarnienia na właściwości przeciwpoślizgowe w poszczególnych etapach polerowania; - opracowanie zależności regresyjnych pomiędzy wskaźnikami szorstkości a charakterystyką kruszyw w odniesieniu do technologii wykonania warstwy ścieralnej. • analizę wyników i opracowanie propozycji dalszych badań. 2 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych 2. Ocena kruszywa do warstwy ścieralnej nawierzchni drogowej Ocena przydatności kruszyw do warstwy ścieralnej została przeprowadzona w oparciu o wyniki badań właściwości mechanicznych (ścieralność w bębnie Los Angeles) i fizycznych (nasiąkliwość, mrozoodporność), w odniesieniu do wymagań określonych w PN-B11112:1996 oraz wskaźnika polerowalności PSV określonego zgodnie z PN-EN 1097-8:2001 (metoda brytyjska). Dodatkowo wykonano badania ścieralności w bębnie Devala oraz ścieralności na tarczy Böhmego. Należy zaznaczyć, że dotychczas w Polsce przy doborze kruszywa do warstw ścieralnych, nie było ograniczeń odnośnie jego odporności na polerowanie. Stosowanie kruszywa podatnego na czynniki polerujące przyczyniało się do śliskości warstwy ścieralnej nawierzchni drogowych. Dopiero w 2008 roku w Wymaganiach Technicznych (WT-1), dotyczących kruszyw stosowanych do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowego utrwalenia wprowadzono obowiązek kontroli odporności na polerowanie kruszywa przeznaczonego do warstwy ścieralnej. Do mieszanek mineralno-asfaltowych (beton asfaltowy, asfalt lany, SMA, mieszanki typu BBTM) dla kategorii ruchu KR3 - KR6, powinny być stosowane kruszywa o wskaźniku PSV ≥ 50. Kruszywa, na których zostały przeprowadzone badania pochodziły ze złóż zlokalizowanych w regionie: • dolnośląskim (magmowe skały głębinowe – granity, gabra, sjenit; magmowe skały wylewne: bazalty, melafiry; skały metamorficzne – amfibolit, kwarce, serpentynie, gnejs; okruchowe zwięzłe skały osadowe – szarogłaz, piaskowiec); • świętokrzyskim (organogeniczne i chemiczne skały osadowe – wapienie, dolomity; okruchowe zwięzłe skały osadowe – piaskowiec kwarcytowy, kwarcyt), • krakowskim (magmowe skały żyłowe – diabaz; magmowe skały wylewne – porfir); • podlaskim (skały osadowe, luźne – kruszywa otrzymane ze żwirów polodowcowych). Do badań włączono również kruszywa importowane ze Szwecji (granit) i Białorusi (granodioryt) oraz materiały sztuczne (żużle wielkopiecowe i stalownicze). Łącznie zbadano kruszywa z 38 złóż. Dane dotyczące charakterystyki petrograficznej materiałów skalnych, które otrzymano od producentów, pozwoliły na szczegółową interpretację wyników badania. Kruszywa ze skał magmowych odznaczają się bardzo dobrymi wynikami w zakresie właściwości fizycznych i mechanicznych. Są one najczęściej stosowane do warstwy ścieralnej o kategorii ruchu KR3 – KR6. Jedynie kruszywa z granitów biotytowych z uwagi na wyższą ścieralność oraz porfir ze względu na wyższą nasiąkliwość nie spełniają kryteriów. Jednak wyniki badań wskaźnika PSV wskazują, że ich odporność na czynniki polerujące jest zróżnicowana. W przypadku kruszyw ze skał magmowych głębinowych o strukturze jawnokrystalicznej odporność na polerowanie zależy od proporcji pomiędzy twardymi, a miękkimi minerałami wchodzących w skład danej skały. W grupie magmowych skał głębinowych o jawnokrystalicznej strukturze, wyższe wartości wskaźnika PSV uzyskano dla kruszyw o zróżnicowanym pod względem twardości składzie mineralnym (granity biotytowe i gabra). Natomiast niskie wartości PSV otrzymano dla kru- 3 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych szyw ze skał zbudowanych z minerałów o zbliżonej twardości (granodioryt, granit rapakiwi, dioryt). W przypadku głębinowych skał magmowych najniższe wartości PSV uzyskano dla bazaltów. Przyczyną ich małej odporności na czynniki polerujące jest brak wykrystalizowanych minerałów (struktura od częściowokrystalicznej, skrytokrystalicznej do szklistej). Kruszywa o strukturze częściowokrystalicznej lub skrytokrystalicznej mogą być odporne na polerowanie jeżeli zawartość szkliwa w stosunku do bardzo drobnych niedostrzegalnych kryształów, powstałych wskutek jego rekrystalizacji, jest wyższa. Przykładem są kruszywa melafirowe i diabazowe. Kruszywa ze skał osadowych organogenicznych i chemicznych - wapienne i dolomity mają najniższą odporność na polerowanie spośród wszystkich badanych materiałów. Również odznaczają się dużą nasiąkliwością i ścieralnością oraz niską mrozoodpornością. W związku z tym zalecane są one do niższych warstw konstrukcji nawierzchni. Jest to uwarunkowane monomineralnym składem wapieni i dolomitów, zawierających minerały miękkie – kalcyt i dolomit. Najlepszymi wynikami PSV wśród skał osadowych charakteryzuje się grupa piaskowców. Twardy minerał – kwarc lub skalenie osadzone w miękkim mastyksie – spoiwie, zostają wyrywane z niego, co prowadzi do ciągłego odnawiania mikrotekstury ziaren, a tym samym do utrzymania odporności na czynniki polerujące. Należy jednak zaznaczyć, że na właściwości fizyczne i mechaniczne istotnie wpływa również rodzaj spoiwa. Kruszywa otrzymane z przekruszenia żwirów polodowcowych, zawierają 40% ziaren ze skał magmowych i metamorficznych, a 60% skał osadowych. Zróżnicowany skład litologiczny ziaren wpływa korzystnie na wartość PSV. Kruszywa ze skał metamorficznych (amfibolit, kwarce, gnejs, serpentynit) mają małą odporność na czynniki polerujące. Uzasadnieniem tego zjawiska jest geneza ich powstania. W procesie metamorfizmu składniki niekrystaliczne skał pierwotnych powiększają się, a minerały nowe (blasty) rosną i niszczą minerały bardziej miękkie. Na skutek tego zjawiska skały metamorficzne charakteryzują się składem minerałów o zbliżonej twardości. Bardzo dobrym materiałem, z punktu widzenia odporności na polerowanie oraz właściwości mechanicznych i fizycznych, okazało się kruszywo z żużla stalowniczego. Jednak produkcja żużli stalowniczych została wstrzymana w kraju w 2007roku. Z zestawienia wartości wskaźników PSV otrzymanych dla kruszyw drogowych (rys. 2.1) wynika, że odporność na polerowanie w odniesieniu do wymagań zawartych w WT-1, ogranicza ich stosowanie do warstwy ścieralnej. Należy dodać, że w Polsce jest ograniczona baza do produkcji kruszywa o wysokiej jakości. W takiej sytuacji są potrzebne alternatywne rozwiązania, zapewniające wykorzystanie dostępnych surowców, które spełnią oczekiwania wobec właściwości fizycznych i mechanicznych, jak i pozwolą zapobiec śliskości nawierzchni drogowej. W tym celu przeprowadzono badania, które miały sprawdzić w jakim stopniu dodanie do kruszywa o niskiej odporności na polerowanie, kruszywa o wartości PSV powyżej 50, wpłynie na zwiększenie odporności na polerowanie mieszanki mineralnej składającej się z dwóch rodzajów kruszyw. 4 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Rys. 2.1. Wartości wskaźników PSV kruszyw badanych w Politechnice Białostockiej 5 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Eksperyment przeprowadzono na mieszankach mineralnych z kruszywa bazaltowego, granodiorytowego i amfibolitowego, których wskaźniki PSV są niższe od 50 oraz kruszyw: piaskowiec kwarcytowy, gabro i żużel stalowniczy, dla których uzyskano PSV wyższe od 50. Wykonano próbki o składzie w następujących proporcjach: 30-70%, 50-50%, 70-30%. Otrzymane wyniki eksperymentu potwierdzają, że ustalenie odpowiednich proporcji kruszyw o różnym wskaźniku PSV, pozwala uzyskać mieszankę mineralną o wartości PSV równym lub wyższym od 50. Jest to jednoznaczne ze spełnieniem wymagań zawartych w WT-1 w odniesieniu do odporności kruszyw na polerowanie, a zatem istnieje możliwość wykorzystywania kruszyw produkowanych, m.in. ze skał magmowych i metamorficznych do mieszanek na warstwę ścieralną nawierzchni drogowej, po odpowiednim ich wzbogaceniu kruszywem o wskaźniku PSV > 50. Dodatkowo na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono zależności regresyjne pomiędzy wskaźnikiem PSV a nasiąkliwością, mrozoodpornością, ścieralnością w bębnie Los Angeles, ścieralnością w bębnie Devala oraz ścieralnością na tarczy Böhmego (rys. 2.2). Stwierdzono brak korelacji pomiędzy wskaźnikiem PSV, a nasiąkliwością, mrozoodpornością oraz ścieralnością ustaloną według metody w bębnie Los Angeles i w bębnie Devala. Dotyczy to zarówno wszystkich badanych skał, jak i poszczególnych ich grup. Uzasadnieniem takiego wyniku są różne podejścia i założenia porównywanych metod badawczych, stosowanych do ustalenia charakterystyki badanych właściwości. Potwierdzają to wyniki badań uzyskane przez innych badaczy świadczące, że wskaźnik PSV jest ściśle związany z charakterystyką petrograficzną skał. a) b) 6 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych c) d) e) magmowe głębinowe; magmowe żyłowe i wylewne; osadowe okruchowe zwięzłe; osadowe okruchowe luźne; osadowe organogeniczne i chemiczne; metamorficzne; sztuczne Rys. 2.2. Zależności pomiędzy PSV a nasiąkliwością - a); mrozoodpornością - b); ścieralnością metodą Los Angeles - c); ścieralnością metodą Devala - d); ścieralnością na tarczy Böhmego - e) 3. Ocena zmian mikroteksturalnych powierzchni kruszyw w procesie polerowania przy wykorzystaniu mikroskopii optycznej i skaningowej W czasie polerowania powierzchnia kruszywa ulega zmianom, charakterystycznym dla danego rodzaju materiału skalnego. Są one uwarunkowane naturalną mikroteksturą ziarna, związaną ze składem mineralnym, twardością minerałów, teksturą, strukturą, porowatością i stopniem zwietrzenia skały. Wskaźnik PSV jest parametrem pośrednim opisującym zmiany mikroteksturalne powierzchni, natomiast bezpośrednia ocena wymaga zastosowania wysoce specjalistycznej aparatury. W pracy autorka podjęła próbę określenia bezpośrednich zmian mikroteksturalnych procesie polerowania przy wykorzystaniu komputerowych technik analiz obrazów teksturowych, wykorzystując zdjęcia powierzchni kruszyw wykonanych pod mikroskopem skaningowym. Do badań wybrano kruszywa różniące się charakterystyką petrograficzną oraz podatnością na czynniki polerujące: ze skał magmowych - granodioryt (PSV = 49) i gabro (PSV = 55); ze skał osadowych - piaskowiec kwarcytowy (PSV = 58), dolomit (PSV = 43) i kruszywo po7 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych lodowcowe (PSV = 52) oraz z materiałów sztucznych - żużel stalowniczy (PSV = 52÷67). Polerowanie kruszyw drogowych przeprowadzono w maszynie do przyspieszonego polerowania zgodnie z normą PN-EN 1097-8:2001. Cykl polerowania trwał 6 godzin i składał się z dwóch faz, liczących po 3 godziny. W celu ustalenia zmian mikroteksturalnych w procesie polerowania, zdjęcia zostały wykonane przed polerowaniem (0h), po I fazie (3h) oraz po fazie II (6h) polerowania. Dla każdej próbki analitycznej w losowo wybranych miejscach zrobiono 30 zdjęć powierzchni kruszyw w poszczególnych etapach polerowania w powiększeniu: x3,2 w mikroskopie optycznym i x200 w mikroskopie skaningowym. Łącznie wykonano i opisano około 5100 obrazów. W celu ilościowego scharakteryzowania zmian mikroteksturalnych powierzchni kruszyw wykorzystano program komputerowy, umożliwiający analizę cyfrowego obrazu. Każdy obraz konwertowano do postaci 8 – bitowych obrazów czarno-białych, tzn. reprezentowanych przez 256 odcieni szarości (wartość 0 oznacza kolor czarny, a wartość 255 kolor biały). W związku z tym cyfrowy obraz powierzchni kruszywa jest macierzą liczb, będących odzwierciedleniem stanu odbicia światła od tej powierzchni. Statystyczny rozkład występowania w obrazie cyfrowym poszczególnych poziomów jasności nazywany jest histogramem wzmocnień. Poszczególne wartości na histogramie oznaczają liczbę występujących w obrazie pikseli o danej jasności. Stosowane oprogramowanie umożliwia wykonanie histogramu obrazu, jego analizę i uzyskanie podstawowych statystyk dotyczących obrazu (wartości średniej poziomu jasności, odchylenia standardowego, mediany, największej i najmniejszej wartości poziomu jasności oraz całkowitej liczby pikseli). Za miarę oceny mikrotekstury przyjęto wartość odchylenia standardowego odczytaną z histogramu wzmocnień dla analizowanego obrazu powierzchni. Parametr ten oznaczono symbolem σh. Przykładową analizę przedstawiono w tabeli 3.1. Parametr σh określony na podstawie obrazów z mikroskopu optycznego i skaningowego może być deskryptorem mikrotekstury, jeżeli różnice w średnich wartościach σh pomiędzy próbkami kruszyw wykonanych z tego samego rodzaju skały, na tym samym etapie polerowania, są nieistotne. Dodatkowo przeprowadzenie analizy pozwala sprawdzić, czy etap akwizycji i digitalizacji obrazów przeprowadzono poprawnie. W związku z tym, że założenie o jednorodnej wariancji cechy nie było spełnione we wszystkich grupach badanych kruszyw, analizę przeprowadzono w oparciu o nieparametryczny test Kruskala – Wallisa. 8 Tabela 3.1. Przykładowe obrazy powierzchni kruszywa z żużla stalowniczego w poszczególnych etapach polerowania, ilustracja mikronierówności w 3D oraz analiza powierzchni w postaci histogramu. Przed polerowaniem – 0h Po 3h polerowania Po 6h polerowania Zdjęcie cyfrowe w powiększeniu x 200 pod mikroskopem skaningowym Odwzorowanie mikronierówności powierzchni kruszywa w 3D 9 Histogram 6000 6000 6000 5000 5000 5000 4000 4000 4000 3000 3000 3000 2000 2000 2000 1000 1000 1000 0 0 0 50 100 150 200 250 0 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych W przypadku obrazów z mikroskopu skaningowego, przeprowadzone analizy wykazują na istotne różnice pomiędzy wartościami parametru σh otrzymanych z obrazów dla tych samych rodzajów kruszywa, wykonanych na tym samym etapie polerowania. Różnice te wynikają ze specyfiki rejestrowanych obiektów na powierzchni tej samej próbki kruszywa, a w szczególności na obszarze pojedynczego ziarna. Proces powstawania obrazu w mikroskopie skaningowym uniemożliwił uzyskanie mniejszej skali, a powiększenie x200 stanowiło kompromis pomiędzy zachowaniem stałych warunków akwizycji obrazu, a ich jakością. Jednak przy takim powiększeniu, prawdopodobieństwo rejestracji zmian, które zachodzą na fragmencie powierzchni pojedynczego minerału było bardzo duże. Różnice w rejestrowanych obszarach powierzchni kruszywa pomiędzy mikroskopem optycznym i skaningowym przedstawiono na przykładzie piaskowca kwarcytowego. W wielu przypadkach obrazy z mikroskopu skaningowego obejmują tylko ziarno kwarcu i nie pokazują struktury charakterystycznej dla piaskowca. Struktura piaskowa jest bardzo dobrze widoczna w mniejszym powiększeniu dla obrazów wykonanych pod mikroskopem optycznym. obraz z mikroskopu optycznego widoczna struktura piaskowa obraz z mikroskopu skaningowego widoczne ziarna kwarcu Rys. 3.2. Porównanie rejestrowanych obiektów w mikroskopie optycznym i skaningowym na przykładzie piaskowca kwarcytowego Dodatkowo, przy tak dużych powiększeniach istnieje duże prawdopodobieństwo rejestracji powierzchni, które z uwagi na kształt ziarna kruszywa nie miały możliwości kontaktu z oponą i nie zostały wypolerowane. 10 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych W przypadku analiz przeprowadzonych na podstawie obrazów z mikroskopu optycznego można stwierdzić, że wartości deskryptora σh obrazów dla próbek kruszyw z tego samego rodzaju skały, na tym samym etapie polerowania, nie wykazują statystycznie istotnych różnic. Należy jednak zauważyć, że w przypadku kruszywa o strukturze średnio- i grubokrystalicznej istnieje większe prawdopodobieństwo wykonania zdjęć na pojedynczym minerale, przez co otrzymano niewielkie różnice w wynikach dla próbek z kruszywa granodiorytowego (przed polerowaniem) i gabrowego (po I fazie polerowania). Na różnice w wynikach w przypadku kruszywa z żużla stalowniczego w fazach polerowania wpływa specyfika zachowywania się materiału sztucznego pod wpływem czynników polerujących. Z uwagi na ten fakt, żużel stalowniczy wymaga indywidualnego podejścia. W dalszych etapach analizy sprawdzono czy parametr σh może być deskryptorem zmian mikroteksturalnych powierzchni kruszyw po polerowaniu w I i II fazie. Jeżeli uzyskane wyniki parametru σh pomiędzy poszczególnymi etapami polerowania są istotnie różne, oznacza to że parametr σh określa zmiany mikrotekstury. W celu potwierdzenia tej tezy, przeprowadzono analizę w oparciu o nieparametryczny test istotności Friedmana, który jest odpowiednikiem jednoczynnikowej analizy wariancji dla pomiarów powtarzalnych Wyniki analizy pozwalają wnioskować, że istnieje statystycznie istotna różnica między średnimi wartościami σh odchyleń standardowych z histogramu wzmocnień obrazów wykonanych na tych samych próbkach kruszyw w poszczególnych etapach polerowania. W związku z tym parametr σh (odchylenie standardowe z histogramu wzmocnień), określony na podstawie zdjęć wykonanych w mikroskopie optycznym, w ustalonych warunkach akwizycji, może stanowić podstawę do oceny zmian mikroteksturalnych zachodzących na powierzchni kruszyw w poszczególnych etapach polerowania. Jakościowa i ilościowa analiza zmian mikroteksturalnych przeprowadzona w oparciu o obrazy otrzymane z mikroskopów pozwala stwierdzić, że są one ściśle związane z charakterystyka petrograficzną materiału skalnego. Przed polerowaniem naturalna mikrotekstura powierzchni kruszywa powstaje w trakcie jego produkcji. Zależy ona głównie od właściwości mechanicznych minerałów, które wchodzą w skład skały. Zróżnicowanie mikronierówności zależy od stopnia łupliwości minerałów lub jej braku, co określa się mianem - przełamu. Natomiast w czasie polerowania rzeźba powierzchni kruszywa ulega zmianom charakterystycznym dla danego rodzaju skały, które dotyczą ścierania się mikroskopijnych protuzji na powierzchni ziarna pod działaniem koła pojazdu oraz ścierania się mikroskopijnych protuzji na powierzchni ziarna pod działaniem koła pojazdu w powiązaniu z deformacją przestrzenną sieci krystalicznej minerałów. Dodatkowo wykorzystując narzędzia regresji liniowej otrzymano zależności pomiędzy wskaźnikami szorstkości S a σh otrzymanymi na podstawie obrazów z mikroskopu optycznego (rys. 3.3) oraz σh otrzymanymi na podstawie obrazów z mikroskopu skaningowego w poszczególnych etapach polerowania (rys. 3.4). Otrzymane współczynniki determinacji potwierdzają jedynie dobrą korelację pomiędzy wskaźnikami szorstkości, a parametrem σh otrzymanym z obrazów wykonanych za pomocą mikroskopu optycznego. 11 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Rys. 3.3. Zależności pomiędzy wskaźnikiem szorstkości a odchyleniem standardowym z histogramu wzmocnień obrazów z mikroskopu optycznego w poszczególnych etapach polerowania Rys. 3.4. Zależności pomiędzy wskaźnikiem szorstkości a odchyleniem standardowym z histogramu wzmocnień obrazów z mikroskopu skaningowego w poszczególnych etapach polerowania 12 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych 4. Opracowanie metody laboratoryjnej oceny właściwości przeciwpoślizgowych mieszanek mineralno-asfaltowych Wskaźnik PSV odnosi się jednak tylko do materiału kamiennego i procedura badania nie pozwala na ocenę właściwości przeciwpoślizgowych mieszanki mineralno-asfaltowej przed jej wbudowaniem do warstwy ścieralnej. Natomiast metody do pomiaru tekstury oraz współczynnika tarcia w warunkach rzeczywistych weryfikują właściwości przeciwpoślizgowe dopiero na etapie eksploatacji nawierzchni drogowej, natomiast nie umożliwiają oceny mieszanek mineralno-asfaltowych przed ich wbudowaniem w warunkach laboratoryjnych. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu drogowego ważny jest zarówno monitoring właściwości przeciwpoślizgowych w okresie eksploatacji nawierzchni drogowej, jak i na etapie projektowania warstwy ścieralnej - ustalenie technologii jej wykonania, składu poszczególnych materiałów, w taki sposób, aby umożliwiał utrzymanie wymaganego poziomu właściwości przeciwpoślizgowych. W ramach przygotowania rozprawy autorka podjęła próbę opracowania laboratoryjnej metody, umożliwiającej ocenę odporności na polerowanie kruszyw drogowych oraz właściwości przeciwpoślizgowych mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczonych do warstwy ścieralnej. W tym celu zbudowano stanowisko badawcze – polerkę płytową, charakteryzujące się cykliczną drogą polerowania (rys. 4.1). Konstrukcję urządzenia, w przeciwieństwie do aparatury wykorzystywanej w metodzie brytyjskiej (aparat do przyspieszonego polerowania), dostosowano do prowadzenia badań nie tylko kruszyw drogowych, ale także mieszanek mineralno – asfaltowych. Za miarę właściwości przeciwpoślizgowych przyjęto wskaźnik szorstkości S mierzony wahadłem angielskim (rys. 4.2). Warunki symulujące zjawisko polerowania na polerce płytowej, określono wzorując się na metodzie brytyjskiej, a poprawność przyjętych założeń (ilość ścierniwa i wody, czas polerowania) ustalono porównując wskaźniki szorstkości kruszyw po badaniu w aparacie do przyspieszonego polerowania i na polerce płytowej, mierzone w poszczególnych fazach (i godzinach) polerowania. Rys. 4.2. Pomiar wskaźnika szorstkości wahadłem angielskim Rys. 4.1. Stanowisko badawcze tzw. polerka płytowa 13 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych W pierwszym etapie badań testowych na polerce płytowej, analizowano proces polerowania się płyt z kruszywa granodiorytowego, przez 16 godzin. Stwierdzono, że po 12 godzinach wskaźnik szorstkości osiągnął stałą wartość. W związku z tym, do badań szczegółowych przyjęto, że cykl polerowania powinien trwać 12 godzin z podziałem na: - I fazę ze ścierniwem korundowym frakcji 300/600 µm oraz wodą (6 h); - II fazę z proszkiem korundowym frakcji mniejszej od 53µm oraz wodą (6 h). Szczegółowe badania testowe zostały wykonane na kruszywach o uziarnieniu 4/6,3; 8/10; 10/12,8 i 12,8/16, różniących się charakterystyką petrograficzną oraz podatnością na czynniki polerujące. W tym celu wytypowano: a) ze skał magmowych: granodioryt (PSV 49) i gabro (PSV 55); b) ze skał osadowych: piaskowiec kwarcytowy (PSV 58), dolomit (PSV 43) i kruszywo polodowcowe (PSV 52); c) z kruszyw sztucznych: żużel stalowniczy (PSV 52÷57). Płyty, objęte badaniami polerowania w polerce płytowej, zostały wykonane denną metodą fakturowania kruszywem elementów betonowych. Z tych samych partii kruszyw zostały wykonane próbki analityczne do badania odporności na polerowanie zgodnie z metodą brytyjską. Na rysunkach 4.3 i 4.4 zostały przedstawione zależności regresyjne pomiędzy wskaźnikami szorstkości S badanych kruszyw, ustalonymi według metody brytyjskiej i wskaźnikami określonymi na polerce płytowej, zbudowanej w Politechnice Białostockiej. Ustalone zależności i współczynniki determinacji R2 potwierdzają, że występuje dobra korelacja pomiędzy wynikami uzyskiwanymi według analizowanych metod. Przeprowadzona analiza dowodzi, że proces polerowania kruszywa w zbudowanej polerce płytowej odwzorowuje proces polerowania w aparacie do przyspieszonego polerowania według metody brytyjskiej. Rys. 4.3. Zależności pomiędzy wskaźnikami szorstkości badanych kruszyw z uwzględnieniem rodzaju skały, ustalonymi według metody brytyjskiej i metody opracowanej w Politechnice Białostockiej 14 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Rys. 4.4. Zależności pomiędzy wskaźnikami szorstkości badanych kruszyw, ustalone według metody brytyjskiej i metody opracowanej w Politechnice Białostockiej (cały zbiór danych) W kolejnym etapie badań ustalono wpływ rodzaju i uziarnienia kruszywa na wartość wskaźnika szorstkości określony według metody brytyjskiej i metody opracowanej w Politechnice Białostockiej. Do tego celu wykorzystano test analizy wariancji dla podwójnej klasyfikacji. Za pierwszy czynnik A przyjęto rodzaj kruszywa, a za czynnik B - uziarnienie. Analizy przeprowadzono z pominięciem wyników uzyskanych dla żużli stalowniczych, gdyż nie zostało spełnione kryterium o jednorodności rzędu wariancji. Sprawdzenia hipotezy istotności wpływu czynników A i B dokonano zgodnie z kryterium Fishera. W przypadku wyników otrzymanych dla kruszyw polerowanych zgodnie z metodą brytyjską, porównanie wartości statystyk obliczeniowych Fobl i krytycznych Fkr pozwoliło ustalić, że w każdym etapie polerowania rodzaj kruszywa (czynnika A) ma istotny wpływ na wartości wskaźnika szorstkości. Natomiast uziarnienie (czynnik B) istotnie wpływa na wartość wskaźnika szorstkości jedynie po zakończeniu I fazy polerowania. Przed rozpoczęciem procesu polerowania i jego zakończeniu (II faza) wpływ uziarnienia jest statystycznie nieistotny. Natomiast w przypadku wyników otrzymanych dla kruszyw polerowanych w polerce płytowej, porównanie wartości statystyk Fishera obliczeniowych Fobl i krytycznych Fkr pozwoliło ustalić, że w każdym etapie polerowania rodzaj kruszywa (czynnik A) i uziarnienie (czynnik B) mają istotny wpływ na wartości wskaźnika szorstkości. Przeprowadzona analiza dowodzi, że metoda opracowana w Politechnice Białostockiej uwzględnia zarówno wpływ rodzaj kruszywa i jego uziarnienie na wskaźnik szorstkości. Fakt ten stanowił podstawę do kontynuowania dalszych badań z wykorzystaniem zbudowanego stanowiska. 5. Ocena właściwości przeciwpoślizgowych powierzchni mieszanek mineralno-asfaltowych w warunkach laboratoryjnych W celu ustalenia wpływu charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych w zależności od technologii wykonania warstwy ścieralnej, przeprowadzono laboratoryjne pomiary wskaźnika szorstkości na płytach wykonanych z mieszanek mineralno-asfaltowych z kruszywem o różnym uziarnieniu i wskaźniku polerowalności PSV. 15 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Do badań wytypowano mieszanki mineralno-asfaltowe z betonu asfaltowego i z mastyksu grysowego SMA, które są najczęściej stosowane do warstwy ścieralnej nawierzchni drogowej w kraju. W celu określenia wpływu maksymalnego uziarnienia kruszywa mieszanki na właściwości przeciwpoślizgowe do badań wybrano mieszanki o uziarnieniu 0/6,3; 0/12,8 i 0/16. Przy wyborze rodzaju kruszywa uwzględniono materiały skalne najczęściej wykorzystywane w budownictwie drogowym w północno-wschodniej części kraju. Kruszywa objęte badaniami, różnią się podatnością na czynniki polerujące (kruszywo: granodiorytowe – PSV- 49; polodowcowe – PSV- 52; gabrowe – PSV- 55). W czasie planowania programu badań nad opracowaniem laboratoryjnej metody oceny właściwości przeciwpoślizgowych w 2004 roku nie można było przewidzieć zmian jakie są wprowadzane do norm dotyczących wymagań wobec materiałów drogowych oraz mieszanek mineralno-asfaltowych do poszczególnych warstw nawierzchni drogowych (WT-1 i WT-2). W związku z tym składy mieszkanek ustalono zgodnie z normą PN-S-96025:2000. Wykaz badanych mieszanek mineralno-asfaltowych przedstawiono na rysunku 5.1. Rys. 5.1. Wykaz badanych mieszanek mineralno-asfaltowych Próbki analityczne z mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczone do oceny właściwości przeciwpoślizgowych, wykonano w formie o wymiarach 30x30x5cm. Mieszankę układano w formie stalowej i zagęszczono poprzez wałowanie. Wszystkie czynności związane z przygotowaniem płyt i wykonaniem pomiarów przeprowadzono niezależnie. Dla każdej mieszanki wykonano trzy płyty, które były polerowane w niezależnych cyklach na polerce płytowej. Cykl symulujący zjawisko polerowania w polerce płytowej, podzielono na dwie sześciogodzinne fazy: - I - ze ścierniwem korundowym frakcji 300/600 µm oraz wodą; - II - z proszkiem korundowym frakcji mniejszej od 53µm oraz wodą. W związku z ustaleniem zmian odporności na polerowanie w czasie, przeprowadzono pomiary wskaźnika szorstkości S wahadłem angielskim o długości przesuwu 126mm przed rozpoczęciem procesu polerowania, po 0,5 godziny, 1 godzinie, i po kolejnych 2 godzinach, aż do zakończenia cyklu (12 godzin). Po każdym etapie płyty były starannie myte w celu usunięcia ścierniwa lub proszku korundowego. 16 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Miarą właściwości przeciwpoślizgowych jest wskaźnik szorstkości S obliczany jako średnia arytmetyczna wskaźników szorstkości ustalonych w trzech miejscach na każdej płycie, w śladzie przejścia kół. Na podstawie wyników badań wykonanych w polerce płytowej przeprowadzono analizę, która pozwoliła określić wpływ rodzaju i uziarnienia kruszywa na wskaźnik szorstkości mieszanek mineralno-asfaltowych, w poszczególnych etapach polerowania. Do tego celu wykorzystano narzędzia analizy wariancji dla podwójnej klasyfikacji. Analiza dotyczyła wyników badań otrzymanych przed polerowaniem oraz po I i II fazie polerowania. W celu interpretacji otrzymanych wyników analizy wariancji na rysunkach 5.2 a) i b) przedstawiono wartości średnich wskaźników szorstkości w poszczególnych etapach polerowania w odniesieniu do technologii wykonania warstwy ścieralnej. Zarówno dla mieszanek z betonu asfaltowego i SMA przed polerowaniem wskaźnik PSV kruszywa nie wpływa istotnie na wskaźnik szorstkości. Ma to związek z obecnością błonki asfaltu na powierzchni kruszywa. Wartość wskaźnika szorstkości na tym etapie jest jedynie uzależniona od rodzaju uziarnienia mieszanki. Po I fazie polerowania nie wykazano istotnego wpływu uziarnienia kruszywa i jego wskaźnika PSV na wartość wskaźnika szorstkości. Wynika to z nierównomiernego odsłaniania się powierzchni kruszyw na skutek zdzierania błonki asfaltu. Należy jednak zauważyć, że mieszanki z betonu asfaltowego z kruszywem granodiorytowym i gabrowym odznaczają się najwyższymi wartościami wskaźnika szorstkości przy uziarnieniu 0/12,8. Mieszanki na bazie kruszywa polodowcowego wykazują odwrotną zależność. Otrzymano niższy wskaźnik szorstkości przy uziarnieniu 0/12,8 w stosunku do mieszanek 0/6,3 i 0/16. W przypadku mieszanek wykonanych z SMA z kruszywem granodiorytowym i gabrowym najwyższe wartości wskaźnika szorstkości odnotowano przy uziarnieniu 0/6,3, natomiast najniższe przy uziarnieniu 0/16. Mieszanki z SMA na bazie kruszywa polodowcowego wykazały odwrotna zależność. Najniższe wartości uzyskano przy uziarnieniu 0/6,3, a najwyższe przy 0/16. Po zakończeniu II fazy polerowania, na wskaźnik szorstkości ma wpływ zarówno wskaźnik PSV oraz uziarnienie kruszywa. Najwyższe wskaźniki szorstkości otrzymano dla mieszanek z betonu asfaltowego 0/12,8 z kruszywem granodiorytowym i polodowcowym. Mieszanki z SMA o uziarnieniu 0/16 z kruszywem granodiorytowym charakteryzują się najgorszymi właściwościami przeciwpoślizgowymi. Podobnie w przypadku mieszanek z betonu asfaltowego najniższą wartość uzyskano przy uziarnieniu 0/16 i kruszywie granodiorytowym. Najniższe wartości wskaźnika szorstkości otrzymano dla mieszanek z kruszywem granodiorytowym, który charakteryzuje się najniższym wskaźnikiem PSV. Natomiast najwyższe wartości wskaźnika szorstkości uzyskano dla mieszanek z kruszywem gabrowym, które ma dobrą odpornością na polerowanie. Wyższymi wskaźnikami szorstkości odznaczają się mieszanki z betonu asfaltowego w stosunku do mieszanek wykonanych z SMA na tym samym poziomie uziarnienia. Przeprowadzona analiza wskazuje na istotne różnice w wynikach wskaźników szorstkości przy tych samych uziarnieniach mieszanek z betonu asfaltowego i SMA. 17 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych a) 85 PSV PSV PSV 80 75 49 52 55 Wskaźnik szorstkości 70 65 60 55 50 45 40 CZAS: przed polerowaniem CZAS: po I f azie 0/16,0 0/12,8 0/6,3 uziarnienie: 0/16,0 0/12,8 0/6,3 uziarnienie: 0/16,0 0/12,8 uziarnienie: 30 0/6,3 35 po II f azie 85 b) 80 75 Wskaźnik szorstkości 70 65 60 55 50 45 40 35 CZAS: przed polerowaniem CZAS: po I f azie 0/16,0 0/12,8 0/6,3 Uziarnienie: 0/16,0 0/12,8 0/6,3 Uziarnienie: 0/16,0 0/12,8 Uziarnienie: 25 0/6,3 30 CZAS: po II f azie Rys. 5. 2. Średnie wartości wskaźników szorstkości, w zależności od wskaźnika PSV i uziarnienia, w poszczególnych etapach polerowania a) beton asfaltowy; b) SMA; (na krzywych pokazano zakres dokładności) W celu wyjaśnienia wpływu charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych ustalono zależności pomiędzy wskaźnikiem szorstkości S ( ) a maksymalnym uziarnieniem kruszywa umax (czynnik X1) i wskaźnikiem polerowalności PSV kruszywa (czynnik X2). Analizę przeprowadzono niezależnie dla dwóch technologii – betonu asfaltowego i mastyksu grysowego SMA w oparciu o wyniki wskaźnika szorstkości uzyskane po II fazie polerowania w polerce płytowej. 18 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Wykorzystano teorię planowania doświadczeń i narzędzia analizy regresji. Przyjęto plan dwuczynnikowy, trójwartościowy kompletny o 32 = 9 kombinacjach. Zgodnie z przyjętym planem, zrealizowano N = 9 prób. Wszystkie próby rozpatrywanego eksperymentu wykonano trzykrotnie (n=3), zgodnie z zasadą randomizacji wymagającą niezależnego przygotowania prób powtórnych. W przypadku maksymalnego uziarnienia przyjęto jako poziom dolny (-1) – 6,3mm, poziom środkowy (0) – 11,15mm, a poziom górny (1) – 16mm. Z uwagi na brak jednoznaczności w zakresie krzywych uziarnienia dla betonu asfaltowego i SMA, na etapie projektowania mieszanek mineralnych, przyjęto dla poziomu środkowego zakres krzywych uziarnienia odpowiadający mieszankom 0/12,8. Założenie takie nie wpływa w istotny sposób na wyniki obliczeń, a spełnia zasady kodowania zmiennych. W przypadku wskaźnika polerowalności PSV do kodowania przyjęto jako poziom dolny ( -1) – 49, środkowy (0) – 52, górny (1) – 55. Do opisu zmian wskaźnika szorstkości mieszanek wykonanych z betonu asfaltowego i SMA przyjęto wielomian 2-go stopnia w postaci: (5.1) gdzie: b0, b1, … b22 – współczynniki wielomianu aproksymującego. W równaniu 5.1 x1 i x2 są kodowanymi bezwymiarowymi wartościami czynników X1 i X2. Kodowanie następowało według zależności: (5.2) gdzie: - rzeczywiste wartości czynnika Xi; - średnia rzeczywista wartość czynnika; – maksymalna wartość czynnika – minimalna wartość czynnika ; . Po wyeliminowaniu nieistotnych współczynników wielomian przyjmuje postać dla: • betonu asfaltowego 44,45 + 2,04 x2 – 2,62x12 (5.3) • mastyksu grysowego SMA = 40,29 – 1,34x1 + 2,30x2 (5.4) Po przekształceniu opracowanych zależności 5.3 i 5.4 do postaci uwzględniającej rzeczywiste wartości czynników (maksymalny wymiar kruszywa - umax, wskaźnik polerowalności PSV) w oparciu o wzór 5.2 otrzymano następujące zależności na wartość wskaźnika szorstkości badanych rodzajów warstwy ścieralnej: SBA = – 4,75 + 0,68PSV + 2,50umax – 0,11umax2 (5.5) SMA S = 3,58 + 0,76PSV – 0,28umax (5.6) 19 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych Na rysunku 5.3 przedstawiono wartości wskaźnika szorstkości w zależności od maksymalnego uziarnienia kruszywa i wskaźnika polerowalności PSV dla betonu asfaltowego i SMA. Natomiast na rysunku 5.4 porównano wskaźniki szorstkości dla betonu asfaltowego i SMA przy maksymalnym uziarnieniu kruszywa 6,3; 8,0; 11,0; 12,8; 16,0 mm z kruszywem o wskaźniku PSV równym 50 (rys. 5.4 – a)) i 53 (rys. 5.4 – b)). Beton asfaltowy Mastyks grysowy SMA Zakres zmienności wskaźnika szorstkości: Rys. 5.3. Zakres zmienności wskaźnika szorstkości w zależności od wskaźnika PSV i maksymalnego uziarnienia kruszywa a) b) Rys. 5.4. Porównanie wskaźników szorstkości dla betonu asfaltowego i SMA w zależności od uziarnienia kruszywa w mieszance: a) kruszywo o PSV=50, b) kruszywo o PSV=53 Analizując wyniki zamieszczone na powyższych rysunkach należy stwierdzić, że mieszanki z betonu asfaltowego charakteryzują się wyższymi wartościami wskaźnika szorstkości niż mieszanki z SMA. Największe różnice (4-5 jednostek) występują przy uziarnieniach kruszywa 0/11 0/12,8 i 0/16. Zastosowanie do mieszanki typu SMA kruszywa o wskaźniku polerowalności PSV wyższym nawet o 3 jednostki nie pozwala osiągnąć wskaźnika szorstkości uzyskanego dla betonu asfaltowego, przy takim samym uziarnieniu kruszywa. Przyczyną takiego stanu jest prawdopodobnie większy kontakt opony z wystającymi ziarnami kruszywa 20 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych grubego w warstwach ścieralnych z SMA, niż w betonie asfaltowym. Oznacza to celowość wykonywania zabiegu uszorstnienia powierzchni wykonanych w technologii SMA. Ustalono, że w przypadku betonu asfaltowego, z punktu widzenia wskaźnika szorstkości, najkorzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie maksymalnego uziarnienia kruszywa w przedziale 10- 13 mm. W przypadku mieszanki typu SMA najkorzystniejszym rozwiązaniem jest stosowanie drobniejszych frakcji kruszywa (0/6,3; 0/8). Różnica pomiędzy wskaźnikami szorstkości mieszanki z SMA o uziarnieniu 0/6,3 i 0/16, przy tym samym rodzaju kruszywa, wynosi 3 jednostki. Z porównania ustalonych wartości wynika również, że jedynie mieszanki z betonu asfaltowego i SMA o uziarnieniu 0/6,3 charakteryzują się zbliżonymi wskaźnikami szorstkości. Mieszanki SMA o uziarnieniu 0/16 nie są obecnie stosowane do warstwy ścieralnej na polskich drogach, a do programu badań zostały włączone wyłącznie w celu porównawczym. Uzyskane najniższe wartości wskaźnika szorstkości dla mieszanki z mastyksu grysowego typu SMA16 potwierdzają fakt, że o warstwy ścieralne o większym uziarnieniu kruszywa wcale nie są bardziej bezpieczne, jak to uważano jeszcze do niedawna. Przeprowadzone badania mieszanek mineralno- asfaltowych w polerce płytowej w sposób jednoznaczny potwierdzają wpływ rodzaju warstwy ścieralnej, rodzaju i uziarnienia kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych. Należy jednak stwierdzić, że ustalonych w warunkach laboratoryjnych wartości wskaźników szorstkości dla betonu asfaltowego i SMA nie można porównywać ze wskaźnikami szorstkości ustalonymi w TRRL w Wielkiej Brytanii, które są podstawą klasyfikacji nawierzchni drogowych pod względem właściwości przeciwpoślizgowych. Wynika to z faktu, że ustalone w ramach niniejszej pracy wartości wskaźnika szorstkości dotyczą warunków laboratoryjnych, a dane z Wielkiej Brytanii – pomiarów na nawierzchniach na rzeczywistych odcinkach dróg. Ustalenie takiej zależności będzie możliwe po przeprowadzeniu analizy porównawczej warunków polerowania w laboratorium i na nawierzchniach „w terenie”, gdzie na proces polerowania wpływają zarówno ruch samochodowy jak i warunki atmosferyczne. 6. Podsumowanie i wnioski Właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych w istotny sposób wpływają na bezpieczeństwo ruchu samochodowego. Jednym z czynników, który warunkuje ich poziom jest charakterystyka powierzchni warstwy ścieralnej. Pomiary tekstury oraz współczynnika tarcia, wykonywane w warunkach rzeczywistych, pozwalają oceniać właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni, lecz dopiero w okresie ich eksploatacji. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu, już na etapie projektowania składu mieszanek mineralno – asfaltowych do warstwy ścieralnej, powinny być uwzględnione pewne kryteria, które gwarantowałyby utrzymanie wymaganego poziomu właściwości przeciwpoślizgowych. Laboratoryjną metodą, która powinna zapewniać utrzymanie właściwości przeciwpoślizgowych na wymaganym poziomie w okresie eksploatacji, jest badanie wskaźnika polerowalności PSV kruszywa przewidzianego do górnej warstwy nawierzchni drogowej. Zgodnie z Wymaganiami Technicznymi WT-1 do mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczonych na drogi obciążone ruchem kategorii KR3-KR6, powinny być stosowane kru21 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych szywa o wskaźniku PSV ≥ 50. Wskaźnik PSV charakteryzuje jednak tylko właściwości kruszywa, bez uwzględnienia odporności na czynniki polerujące mieszanki mineralno-asfaltowej jako całości. Mając na uwadze zróżnicowany, w zależności od technologii wykonania, kontakt opony z powierzchną wystających ziaren kruszywa w warstwie ścieralnej, ograniczenie się jedynie do kryterium wobec wskaźnika PSV kruszywa jest niewystarczające. W celu ustalenia wpływu zarówno rodzaju i uziarnienia kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe mieszanek mineralno-asfaltowych wykonanych w różnych technologiach, opracowano w Politechnice Białostockiej laboratoryjną metodę ich oceny. Przeprowadzone badania i analizy wyników dla kruszyw drogowych oraz mieszanek mineralno-asfaltowych pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków: 1. Właściwości fizyczne i mechaniczne badanych kruszyw potwierdziły ich przydatność do warstwy ścieralnej nawierzchni drogowych. Najlepszymi wynikami w zakresie nasiąkliwości, mrozoodporności i ścieralności charakteryzują się kruszywa ze skał magmowych (granit, gabro, diabaz, bazalt, melafir) oraz metamorficznych (amfibolit, kwarc, gnejs), a najgorszymi - kruszywa ze skał osadowych chemicznych i organogenicznych (wapienie i dolomity) oraz metamorficznych (serpentynit). 2. Kruszywa stosowane do warstwy ścieralnej nawierzchni polskich dróg mają zróżnicowaną odpornością na polerowanie. Wartości wskaźnika PSV, w zależności od rodzaju skały przedstawiają się następująco: • PSV > 60 - kruszywa ze skał osadowych okruchowych zwartych (piaskowce, szarogłazy) oraz żużle stalownicze, • PSV ≥ 50 – kruszywa ze skał magmowych o jawnokrystalicznej strukturze i zróżnicowanym pod względem twardości składzie mineralnym (porfiry, sjenity oraz niektóre granity i gabra), • PSV < 50 - kruszywa ze skał magmowych o zbliżonej twardości minerałów (granity) lub skrytokrystalicznej strukturze (bazalty i niektóre diabazy), • PSV < 44 – kruszywa ze skał osadowych organogenicznych i chemicznych (wapienie, dolomity) i metamorficznych (serpentynity). 3. Uwzględniając wymagania zawarte w WT-1 niektóre z dotychczas stosowanych na szeroką skalę kruszyw nie mogą być wykorzystywane do produkcji mieszanek mineralno asfaltowych na warstwę ścieralną. W szczególności dotyczy to kruszyw ze skał magmowych (granodioryty, bazalty, niektóre granity) i metamorficznych (amfibolity, gnejsy, kwarce), których atutem jest niska nasiąkliwość i ścieralność oraz wysoka mrozoodporność. Jednak dodatek kruszywa o PSV > 50 do kruszywa o PSV < 50 prowadzi do zwiększenia odporności na polerowanie mieszanki mineralnej, a tym samym, przy odpowiednio dobranym jej składzie, zostają spełnione kryteria zawarte w WT-1 odnośnie minimalnej wartości wskaźnika PSV. 4. Analiza obrazów powierzchni kruszywa, uzyskanych pod mikroskopem optycznym i skaningowym, pozwala na szczegółową interpretację zjawisk zachodzących na powierzchni kruszywa w czasie polerowania. Zaobserwowano, że przed polerowaniem mikronierówności powierzchni powstałe w wyniku procesu produkcji kruszywa zależą od stopnia łu22 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych pliwości minerałów wchodzących w skład skały. Natomiast na zmiany mikronierówności w procesie polerowania wpływa głównie twardość minerałów oraz struktura i tekstura skały. 5. Wykorzystując techniki analiz cyfrowych obrazów można w sposób bezpośredni ocenić mikroteksturę nawierzchni drogowej. Ustalono, że odchylenie standardowe otrzymane z histogramu wzmocnień σh obrazów powierzchni kruszyw z mikroskopu optycznego stanowi podstawę do ilościowej oceny zmian mikroteksturalnych zachodzących na powierzchni kruszyw w czasie polerowania. W przypadku obrazów z mikroskopu skaningowego, nie uzyskano tak jednoznacznych wyników i stwierdzono, że parametr σh nie opisuje zmian mikronierówności na powierzchni kruszywa. Obrazy z mikroskopu skaningowego są jednak bardzo przydatne w jakościowej ocenie zjawisk zachodzących w procesie polerowania. 6. Wartości parametru σh potwierdzają, że najbardziej podatne na czynniki polerujące są kruszywa dolomitowe i granodiorytowe. Uzyskane wysokie wartości σh dla kruszywa gabrowego, z piaskowca kwarcytowego i żużla stalowniczego potwierdzają duże zróżnicowanie mikronierówności na powierzchni ziaren po zakończeniu procesu polerowania, co jest korzystne z punktu widzenia właściwości przeciwpoślizgowych. 7. Wyniki pomiarów wskaźnika szorstkości żużli stalowniczych w poszczególnych etapach polerowania wskazują na nietypowe zmiany zachodzące na ich powierzchni w stosunku do kruszyw ze skał naturalnych. Wzrost wskaźnika szorstkości dowodzi, że jest to kruszywo, którego mikrotekstura podczas polerowania ulega regeneracji. Analizy obrazów z mikroskopu optycznego i skaningowego potwierdziły występowanie zjawiska regeneracji makrotekstury, co oznacza, że kruszywo z żużla stalowniczego jest bardzo dobrym materiałem do warstw ścieralnych nawierzchni drogowych. Przy ograniczonych zasobach kruszyw ze skał mineralnych wykorzystanie żużli stalowniczych jest dobrym rozwiązaniem nie tylko z punktu ochrony środowiska lecz także z uwagi na bezpieczeństwo ruchu. 8. Wskaźnik polerowalności PSV jest jedynie oceną właściwości kruszywa, nieuwzględniającą przy tym jego uziarnienia. Zbudowane stanowisko badawcze – polerka płytowa, w przeciwieństwie do aparatury wykorzystywanej w metodzie brytyjskiej przy określaniu wskaźnika PSV, umożliwia badanie nie tylko kruszywa, lecz także mieszanek mineralnoasfaltowych. Opracowana metoda stwarza tym samym możliwość oceny wpływu odporności kruszywa na polerowanie i jego uziarnienia na wskaźnik szorstkości, przy różnych technologiach wykonania warstwy ścieralnej, już na etapie jej projektowania. 9. Opracowane modele regresyjne wskazują na zróżnicowany wpływ rodzaju i uziarnienia kruszywa na wskaźnik szorstkości w zależności od rodzaju warstwy ścieralnej. Różne wartości wskaźników szorstkości, ustalone dla mieszanek SMA i betonu asfaltowego, w tych samych przedziałach uziarnienia, wskazują na potrzebę uwzględnienia technologii wykonania warstwy ścieralnej nawierzchni drogowej w kryteriach doboru kruszywa z punktu widzenia jego odporności na polerowanie. 23 Wpływ charakterystyki kruszywa na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych 10. Mieszanki z betonu asfaltowego charakteryzują się wyższymi wartościami wskaźnika szorstkości niż mieszanki z mastyksu grysowego typu SMA, przy tym samym rodzaju i uziarnieniu kruszywa. Największe różnice występują przy maksymalnym uziarnieniu kruszywa większym od 8 mm. W przypadku mieszanek z betonu asfaltowego najbardziej korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie maksymalnego uziarnienia kruszywa z przedziału 10-13 mm, a w przypadku mieszanek z SMA – kruszywa o mniejszym wymiarze ziarna są lepszym rozwiązaniem z punktu widzenia właściwości przeciwpoślizgowych. Kierunki dalszych badań Mając na uwadze przeprowadzone badania oraz uzyskane wyniki dalsze prace powinny być ukierunkowane na następujące działania: 1. Kontynuacja badań nad opracowaniem zasad oceny odporności na polerowanie mieszanek mineralno-asfaltowych, z uwzględnieniem warunków polerowania w warunkach laboratoryjnych (na polerce płytowej) i na rzeczywistych nawierzchniach. 2. Ustalenie zależności pomiędzy wskaźnikiem szorstkości na polerce płytowej a współczynnikiem tarcia przy wykorzystaniu zestawu pomiarowego SRT-3, w zależności od rodzaju warstwy ścieralnej, przy uwzględnieniu wpływu charakterystyki ruchu i warunków atmosferycznych. 3. Opracowanie klasyfikacji mieszanek mineralno-asfaltowych z punktu widzenia odporności na polerowanie, z uwzględnieniem rodzaju i uziarnienia kruszywa oraz rodzaju warstwy ścieralnej. 24
