Czym są spękania krokodylowe (zmęczeniowe)?

Definicja

Spękania krokodylowe, zwane też zmęczeniowymi, to seria wzajemnie połączonych pęknięć w nawierzchni asfaltowej. Powtarzające się obciążenia ruchem powodują zmęczeniowe zniszczenie nawierzchni, a pęknięcia łączą się we wzór przypominający siatkę ogrodzeniową lub skórę aligatora. Mówi się o nich też spękania aligatorowe (crocodile cracking). To to samo uszkodzenie. Pavement Interactive opisuje ten wzór jako przypominający grzbiet aligatora lub krokodyla.

Kawałki między pęknięciami są małe, a agencje podają różne granice:

• Podręcznik FAA PAVER dla nawierzchni asfaltowych lotnisk: mniej niż 2 stopy (0,6 m) po najdłuższym boku.
• Podręcznik FHWA Long-Term Pavement Performance (LTPP): zwykle mniej niż 0,3 m po najdłuższym boku.
• TxDOT: mniej niż 1 stopa na krawędzi.

Spękania krokodylowe pojawiają się tylko tam, gdzie działa powtarzane obciążenie, na przykład w śladach kół. Nie pojawiają się na całym obszarze, chyba że ruch obciąża cały obszar.

Jak powstają

Podręcznik PAVER i AC 150/5380-6C opisują typowy przebieg. Pękanie zaczyna się na dolnej stronie warstwy asfaltowej lub ustabilizowanej podbudowy, gdzie naprężenie i odkształcenie rozciągające pod kołem są największe. Pęknięcia docierają do powierzchni najpierw jako seria równoległych pęknięć. Po dalszym obciążeniu łączą się i tworzą wielokątne kawałki o ostrych kątach. Nadmierne ugięcie nawierzchni nad osłabionym lub zbyt słabo zaprojektowanym fundamentem daje ten sam skutek.

Stopnie zaawansowania idą tą samą drogą. Najpierw pojawiają się drobne równoległe pęknięcia. Potem sieć połączonych pęknięć z lekkimi odpryskami na krawędziach. W ostatniej fazie kawałki mają odpryski, a niektóre chwieją się pod ruchem.

Od dołu i od góry

Pavement Interactive rozróżnia dwa przypadki.

• Pękanie od dołu. W cienkich nawierzchniach pęknięcia zaczynają się na dolnej stronie warstwy asfaltowej, gdzie naprężenie rozciągające jest największe. Dochodzą do powierzchni jako jedno lub więcej podłużnych pęknięć. To klasyczny przypadek.
• Pękanie od góry. W grubych nawierzchniach pęknięcia najprawdopodobniej zaczynają się na górze. Powodują je duże lokalne naprężenie rozciągające w miejscu styku opony oraz starzenie się lepiszcza asfaltowego.

Badanie trzech odcinków dróg w Indianie (FHWA/IN/JTRP-2004/06) wykazało pękanie od góry w nawierzchniach o doskonałej nośności konstrukcyjnej. Autorzy wskazali jako przyczyny w warstwie ścieralnej niejednorodny materiał z budowy, wysoką zawartość wolnych przestrzeni powietrznych in situ, niską zawartość wypełniacza i starzenie się lepiszcza. Nie znaleźli przyczyny konstrukcyjnej. Odwiert przez pęknięcie pokazuje, gdzie się zaczyna.

Jak odróżnić od innych pęknięć

Spękania krokodylowe a blokowe

Obie są wzorami wzajemnie połączonych pęknięć. Podręcznik PAVER rozdziela je według przyczyny, kształtu kawałków i lokalizacji:

Podręcznik PAVER podaje, że wzór obejmujący cały obszar, którego ruch nie obciąża, to spękania blokowe. Spękania blokowe zwykle świadczą o tym, że asfalt znacznie stwardniał. Podręcznik LTPP podaje, że bloki mają wielkość około 0,1 do 10 metrów kwadratowych. Podaje też, że spękania zmęczeniowe wewnątrz obszaru spękań blokowych należy oceniać jako spękania zmęczeniowe. Obszar spękań blokowych jest wtedy mniejszy o tę powierzchnię.

Spękania krokodylowe a pęknięcia podłużne

Pęknięcie podłużne w śladzie koła może być pierwszym etapem spękań krokodylowych. AC 150/5380-6C podaje, że spękania krokodylowe najpierw docierają do powierzchni jako seria równoległych pęknięć. Podręcznik LTPP ocenia pęknięcie podłużne w śladzie koła jako spękanie zmęczeniowe, jeśli towarzyszy mu losowe spękanie lub meandruje i ma mierzalną powierzchnię. Ocenia też jako spękania zmęczeniowe obszar krótkich, gęsto rozmieszczonych pęknięć poprzecznych (krótszych niż 0,3 m) w śladzie koła. TxDOT podaje, że pęknięcie podłużne w śladzie koła może być zwiastunem spękań krokodylowych.

Spękania krokodylowe a spękania mapowe

Podręcznik LTPP wymienia spękania zmęczeniowe wśród uszkodzeń betonu asfaltowego. Wymienia spękania mapowe (map cracking) wśród uszkodzeń nawierzchni betonowej ze spoinami. Spękania mapowe to seria pęknięć, które sięgają tylko górnej warstwy płyty. Podręcznik nie wymienia ich dla nawierzchni asfaltowych.

Spękania krokodylowe a koleinowanie

Oba często występują w tym samym śladzie koła. Podręcznik PAVER podaje, że jeśli spękania krokodylowe i koleinowanie występują na tym samym obszarze, inspektor rejestruje każde z nich z własnym nasileniem. Zobacz koleinowanie .

Przyczyny

AC 150/5380-6C wymienia następujące prawdopodobne przyczyny w swoim przewodniku po naprawach:

• Awaria podbudowy lub podłoża.
• Przeciążenie.
• Zbyt cienka warstwa ścieralna.

Pavement Interactive opisuje przyczynę jako niewystarczające wsparcie konstrukcyjne i wymienia następujące częste źródła:

• Utrata wsparcia podbudowy zasadniczej, podbudowy pomocniczej lub podłoża, na przykład z powodu słabego odprowadzania wody lub wiosennych odwilży.
• Odspajanie na dolnej stronie warstwy asfaltowej. Odspojona część daje mało wytrzymałości, więc skuteczna grubość maleje.
• Większe lub cięższe obciążenia, niż zakładała konstrukcja.
• Niewystarczające projektowanie konstrukcji.
• Słabe wykonawstwo, na przykład niedostateczne zagęszczenie.

TxDOT dodaje, że spękania krokodylowe mogą pojawić się wcześnie w okresie użytkowania nawierzchni. Mogą wtedy wskazywać na jedną z tych przyczyn:

• Zbyt mała grubość konstrukcji dla ruchu, w tym cienka nawierzchnia asfaltowa.
• Delaminacja warstwy ścieralnej.
• Słabe wykonawstwo.
• Słabe materiały.

Woda też ma udział. AC 150/5380-6C mówi, że woda osłabia nasyconą podbudowę zasadniczą, podbudowę pomocniczą lub podłoże. Nazywa to jedną z głównych przyczyn zniszczeń nawierzchni podatnych. Mówi też, że żaden inny czynnik nie ma dla nawierzchni większego znaczenia niż jej system odwodnienia.

Stopień zaawansowania i pomiar

PAVER (lotniska)

Podręcznik PAVER dla nawierzchni asfaltowych lotnisk ocenia spękania krokodylowe w następujący sposób:

• Niskie: drobne, podłużne pęknięcia włoskowate, równoległe do siebie, bez połączeń lub z nielicznymi połączeniami. Pęknięcia nie mają odprysków.
• Średnie: dobrze określony wzór połączonych pęknięć, a wszystkie kawałki są pewnie na miejscu. Pęknięcia mogą mieć lekkie odpryski.
• Wysokie: sieć, w której kawałki są dobrze określone i mają odpryski na krawędziach. Niektóre chwieją się pod ruchem i mogą stwarzać potencjał FOD.

Podręcznik mierzy uszkodzenie w stopach kwadratowych (metrach kwadratowych) powierzchni. Na jednym obszarze często występują dwa lub trzy poziomy nasilenia. Jeśli łatwo je rozróżnić, inspektor mierzy je i rejestruje osobno. Jeśli nie, ocenia cały obszar według najwyższego występującego nasilenia.

LTPP (drogi)

Podręcznik LTPP też ma trzy poziomy:

• Niskie: obszar pęknięć bez połączeń lub z nielicznymi połączeniami. Pęknięcia nie mają odprysków ani nie są uszczelnione, a pompowanie nie jest widoczne.
• Umiarkowane: obszar połączonych pęknięć tworzących pełny wzór. Pęknięcia mogą mieć lekkie odpryski lub być uszczelnione, a pompowanie nie jest widoczne.
• Wysokie: obszar połączonych pęknięć tworzących pełny wzór, z umiarkowanymi lub silnymi odpryskami. Kawałki mogą poruszać się pod ruchem, a pompowanie może być widoczne.

Podręcznik LTPP definiuje pompowanie jako sączenie się lub wyrzucanie wody spod nawierzchni przez pęknięcia. Może pozostawiać osady drobnego materiału na powierzchni. Inspektor rejestruje obszar dla każdego poziomu nasilenia w metrach kwadratowych. Jeśli poziomów nie da się rozróżnić, ocenia cały obszar według najwyższego występującego nasilenia. Podręcznik nie określa żadnych granic szerokości pęknięć dla spękań krokodylowych.

TxDOT

TxDOT nie określa poziomów nasilenia dla spękań krokodylowych w części dotyczącej wizualnych przeglądów nawierzchni podatnych. Przelicza ilość spękań krokodylowych na procent powierzchni śladów kół ocenianego pasa.

Normy

Kod uszkodzenia PAVER 41 oznacza spękania krokodylowe. W podręczniku LTPP jest to typ uszkodzenia ACP 1. ASTM D5340 opisuje każdy typ uszkodzenia, jego poziomy nasilenia i sposób pomiaru na potrzeby przeglądu wskaźnika stanu nawierzchni (PCI) lotniskowej nawierzchni. PCI wynosi od 0 dla nawierzchni zniszczonej do 100 dla nowej. Agencje nie stosują jednej skali, więc w raporcie podaj, według którego podręcznika zrobiono ocenę.

Dlaczego to ważne na lotnisku

Podręcznik PAVER nazywa spękania krokodylowe poważnym uszkodzeniem konstrukcyjnym. Pavement Interactive wymienia trzy problemy, które powodują: pokazują awarię konstrukcji, wpuszczają wilgoć i mogą przerodzić się w wybój.

Splecione pęknięcia zmęczeniowe mogą się poluzować i utworzyć wybój. AC 150/5380-6C mówi, że fragmenty spękanej nawierzchni, które się poluzowały, mogą zostać wyrwane przez obciążenia kół. Zauważa też, że wyboje nie są na lotniskach częste.

Luźne kawałki to FOD. AC 150/5380-6C mówi, że uszkodzenie wytwarzające luźny materiał może uderzyć w śmigła lub wpaść do silników odrzutowych. Mówi też, że każda kontrola nawierzchni powinna uwzględniać FOD. W ocenie PAVER poziom wysoki wskazuje kawałki, które chwieją się pod ruchem i mogą stwarzać potencjał FOD.

Załącznik 14 ICAO, pkt 10.2.2, mówi, że powierzchnia drogi startowej musi być utrzymywana tak, aby nie tworzyły się szkodliwe nierówności. Nie wymienia spękań krokodylowych z nazwy.

Lotniska w USA objęte zobowiązaniami federalnymi muszą co najmniej raz w roku szczegółowo kontrolować nawierzchnie lotniskowe. AC 150/5380-7B mówi, że badanie PCI wg ASTM D5340 może wydłużyć odstęp między tymi szczegółowymi kontrolami do trzech lat.

Naprawa

Zacznij od przyczyny. Pavement Interactive zaleca wykopać dół lub pobrać rdzenie, aby poznać strukturę nawierzchni i sprawdzić, czy wilgoć ma znaczenie.

• Małe obszary. Spękania wskazują na utratę wsparcia podłoża. Usuń spękaną nawierzchnię, wymień słabe podłoże, w razie potrzeby popraw odwodnienie i załataj.
• Duże obszary. Spękania wskazują na ogólną awarię konstrukcji. Połóż nakładkę asfaltową wystarczająco wytrzymałą, aby przenosić obciążenia, ponieważ spękana nawierzchnia dodaje niewiele wytrzymałości lub nie dodaje jej wcale.

AC 150/5380-6C wymienia usunięcie i wymianę uszkodzonej nawierzchni, w tym podbudowy zasadniczej lub pomocniczej, jeśli jest to wymagane. Dodatek A3 podaje procedurę naprawy na pełną grubość dla nawierzchni podatnej:

1. Wytnij piłą lub sfrezuj asfalt na pełną grubość. Rozszerz nacięcie co najmniej o 12 cali (30 cm) poza uszkodzony obszar.
2. W razie potrzeby napraw i ponownie zagęść podbudowę.
3. Nanieś skropienie łączące (tack coat) na dno i boki obszaru naprawy.
4. Wypełnij mieszanką P-401, P-403 lub równoważną mieszanką stanowej administracji drogowej (State DOT) i zagęść ją do minimalnej gęstości.
5. Sprawdź przyłożoną linijką kontrolną, czy łata przylega równo do nawierzchni.
6. Nie dopuszczaj ruchu, dopóki asfalt nie zwiąże.

Pavement Interactive podaje, że gdy wzór spękań krokodylowych jest wyraźny, uszczelnianie pęknięć zwykle nie działa. TxDOT podaje, że minimalna rehabilitacja usuwa uszkodzony materiał i załatuje go, zanim położy się nową nawierzchnię. TxDOT dodaje, że uszczelnienie lub nakładka bez łatania prowadzi do szybkiego powrotu uszkodzenia.