Czym jest koleinowanie w nawierzchni?

Definicja

Koleinowanie to obniżenie powierzchni w śladzie koła elastycznej nawierzchni, spowodowane obciążeniem ruchem. Obciążenie zagęszcza lub przemieszcza materiał w jednej lub kilku warstwach nawierzchni albo w podłożu. Odkształcenie jest trwałe.

Nawierzchnia może wypiętrzać się wzdłuż krawędzi koleiny. Wiele kolein widać dopiero po deszczu, gdy woda wypełnia ślady kół. Poważne koleinowanie może prowadzić do dużego uszkodzenia konstrukcji nawierzchni.

Rodzaje koleinowania

Koleina może zacząć się w różnych warstwach nawierzchni. Warstwa wskazuje przyczynę i właściwą naprawę. Pavement Interactive opisuje trzy rodzaje.

Koleinowanie przez dogęszczanie

Ruch dogęszcza warstwę po budowie. Dzieje się tak, gdy wykonawca nie zagęścił dostatecznie asfaltu ani warstwy z kruszywa. Powierzchnia obniża się w śladzie koła. Materiał nie przemieszcza się na boki, więc nie ma wypiętrzeń wzdłuż krawędzi.

Pustki powietrzne w mieszance pokazują to ryzyko. Artykuł Transportation Research Board mówi, że mieszanka gęstoziarnista powinna po budowie mieć nie więcej niż około 8 procent pustek powietrznych. FHWA podaje ten sam limit. Ruch dalej zagęszcza mieszankę. Pustek nie powinno być mniej niż około 3 procent, ponieważ mieszanka o zbyt małej liczbie pustek ulega koleinowaniu przez płynięcie plastyczne.

Koleinowanie mieszanki

Mieszanka bitumiczna nie jest dostatecznie stabilna, by przenieść obciążenia kół. Mieszanka przesuwa się w dół i na boki pod oponami. Zostają wypiętrzone krawędzie, czyli garby, po obu stronach śladu koła. Nazywa się je też koleinowaniem przez niestabilność lub koleinowaniem przez przepływ ścinający. Występuje w warstwach asfaltowych blisko powierzchni.

Koleinowanie podłoża

Podłoże lub niezwiązana podbudowa odkształca się pod powtarzającymi się obciążeniami. Cała konstrukcja nawierzchni wtedy osiada w zagłębieniu. Koleina jest szeroka i nie ma wypiętrzeń po bokach.

Projekt nawierzchni ogranicza ten rodzaj. Metoda projektowania FAA dla elastycznych nawierzchni lotniskowych (FAARFIELD) ogranicza odkształcenie pionowe w górnej części podłoża, aby chronić przed koleinowaniem podłoża.

Jak odróżnić rodzaje

NCHRP Report 468 wykorzystuje kształt profilu poprzecznego, aby wskazać warstwę, w której powstała koleina:

• Garby obok koleiny pokazują, że asfalt przesunął się w bok. Koleina leży w warstwach asfaltowych.
• Szerokie zagłębienie bez garbów pokazuje, że podbudowa lub podłoże się obniżyło.

Sam profil nie dowodzi przyczyny. Wykop lub rdzenie pobrane w poprzek koleiny pokazują, która warstwa zmieniła grubość. Ten sam raport podaje, że wykop jest droższy i bardziej niebezpieczny niż profil.

Przyczyny

AC 150/5380-6C zalicza koleinowanie do grupy uszkodzeń deformacyjnych nawierzchni elastycznych. Dla tej grupy podaje następujące przyczyny:

• Osiadanie fundamentu.
• Niedostateczne zagęszczenie warstw nawierzchni.
• Brak stabilności mieszanki bitumicznej.
• Słabe połączenie między warstwą ścieralną a warstwą pod nią.
• Pęczniejące grunty lub działanie mrozu w podłożu.

Temperatura też ma wpływ. Gorąca pogoda sprawia, że asfalt staje się mniej sztywny, więc ryzyko koleinowania mieszanki rośnie latem.

Badania laboratoryjne odporności na koleinowanie

Inżynierowie badają lepiszcze i mieszankę przed budową nawierzchni.

• Klasa PG lepiszcza. Pierwsza liczba w oznaczeniu Superpave PG jest temperaturą, na przykład 64 w PG 64-22. Jest to średnia z siedmiu dni najwyższych temperatur nawierzchni dla lepiszcza. To temperatura nawierzchni, a nie temperatura powietrza. Reometr dynamiczny ścinania (DSR) mierzy parametr koleinowania G*/sin δ przy 10 rad/s. Dla lepiszcza oryginalnego minimum wynosi 1,00 kPa w temperaturze klasy.
• Test pełzania i odzysku przy wielokrotnym naprężeniu (MSCR). AASHTO T 350 mierzy, jaka część odkształcenia lepiszcza nie wraca. Wynik, Jnr przy 3,2 kPa, wyznacza klasę ruchu. Nota techniczna FHWA podaje najwyższą wartość Jnr dla każdej klasy. Wynosi ona 4,0 na kPa dla S (standardowy) i 2,0 dla H (ciężki). Dla V (bardzo ciężki) to 1,0, a dla E (ekstremalnie ciężki) 0,5.
• Badanie koleinowania metodą Hamburg. W metodzie AASHTO T 324 obciążone stalowe koło przejeżdża tam i z powrotem po próbce mieszanki. Próbka leży w wodzie o temperaturze od 40 do 50 °C. Laboratorium zapisuje głębokość koleiny w zależności od liczby przejazdów. Test pokazuje odporność na koleinowanie i na uszkodzenie pod wpływem wilgoci.

Mastyks grysowy (SMA) to mieszanka zaprojektowana z myślą o dużej odporności na koleinowanie. Ma szkielet z grubego kruszywa o uziarnieniu nieciągłym, w którym ziarna stykają się ze sobą i przenoszą obciążenie. SMA zwykle używa lepiszcza modyfikowanego.

Stopień nasilenia i pomiar

Podręcznik PAVER dla lotnisk asfaltowych ocenia koleinowanie według średniej głębokości koleiny:

• Niski stopień nasilenia: 6 do 13 mm (1/4 do 1/2 cala).
• Średni stopień nasilenia: ponad 13 mm do 25 mm (1/2 do 1 cala).
• Wysoki stopień nasilenia: ponad 25 mm (1 cal).

Aby określić głębokość, przyłóż łatę w poprzek koleiny i zmierz głębokość pod nią. Metoda badania ASTM E1703 mierzy głębokość koleiny w jednym punkcie łatą i głębokościomierzem. Średnią głębokość oblicz z pomiarów wykonanych na całej długości koleiny. Podręcznik zapisuje powierzchnię koleiny w metrach kwadratowych. Jeśli w tym samym miejscu występuje pękanie krokodylowe i koleinowanie, inspektor zapisuje każde z nich z własnym stopniem nasilenia.

Agencje nie stosują jednej skali. TxDOT ocenia koleinowanie na autostradach w czterech przedziałach:

• Płytkie: 0,25 do 0,49 cala.
• Głębokie: 0,50 do 0,99 cala.
• Poważne: 1,00 do 1,99 cala.
• Awaria: 2,00 cala lub więcej.

Podręcznik LTPP FHWA nie definiuje poziomów nasilenia. Rejestruje zmierzoną głębokość koleiny.

Koleinowanie na lotnisku

Wytyczne EASA wymieniają koleinowanie wśród parametrów fizycznych powierzchni drogi startowej. Operator sprawdza koleinowanie wizualnie w trakcie i po deszczu oraz mierzy stopień koleinowania łatą. Badanie tarcia tego nie zastępuje. Urządzenia do pomiaru tarcia typu samozwilżającego działają na suchej drodze startowej, więc nie wykrywają skutków zalegania wody i koleinowania.

Koleiny zatrzymują wodę. FAA AC 150/5320-12C podaje, że uszkodzenia konstrukcji nawierzchni, takie jak koleinowanie, mogą przyczyniać się do utraty tarcia na drodze startowej. Zaleca też naprawę zagłębień, w których w czasie deszczu stoi woda. Głęboka woda w śladzie koła zwiększa również ryzyko aquaplaningu. NASA TN D-2056 podaje regułę dla dynamicznej prędkości aquaplaningu opony. W węzłach wynosi ona około 9 razy pierwiastek kwadratowy z ciśnienia w oponie w psi. Dotyczy to sytuacji, gdy woda jest głębsza niż bieżnik. Dla opony o ciśnieniu 200 psi wynosi to około 127 kt.

Koleinowanie jest jednym z rodzajów uszkodzeń w ocenie PAVER dla lotnisk asfaltowych i wchodzi do wskaźnika stanu nawierzchni (PCI).

Naprawa

Naprawa zależy od warstwy, w której powstała koleina.

• Koleina w warstwach asfaltowych. Koleina może wynikać głównie z bocznego odkształcenia mieszanki. Wtedy NCHRP Report 468 podaje, że możliwą naprawą jest frezowanie lub wyrównanie z nową warstwą ścieralną albo recykling powierzchni.
• Koleina w podbudowie lub podłożu. Ten sam raport podaje, że koleina z dolnych warstw wymaga większej wytrzymałości konstrukcyjnej. Sama nowa warstwa ścieralna jej nie dodaje.

AC 150/5380-6C zalicza koleinowanie do nierówności nawierzchni. Naprawa polega na usunięciu i wymianie uszkodzonych fragmentów albo na szlifowaniu lub frezowaniu powierzchni. Prawdopodobnymi przyczynami są ruch i wiek nawierzchni. Przed nakładką AC 150/5320-6G zaleca naprawę koleiny frezowaniem profilu oraz wyrównanie powierzchni odpowiednią mieszanką asfaltową.