Contribution to the evaluation of the compaction characteristics of asphalt mixtures

Abstract

Η συμπύκνωση των ασφαλτικών μιγμάτων έχει αναγνωρισθεί διεθνώς ότι αποτελεί ίσως την πιο κρίσιμη παράμετρο της συμπεριφοράς του οδοστρώματος, εφόσον κατά τον σχεδιασμό εξασφαλισθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του ασφαλτομίγματος. Αυτό θέτει ως πρόκληση η εργαστηριακή συμπύκνωση να προσομοιάζει τη συμπύκνωση στο πεδίο, ώστε να μπορεί να επιτευχθεί αξιόπιστη εκτίμηση των επιτόπου μηχανικών και επιφανειακών χαρακτηριστικών του ασφαλτομίγματος για τη διασφάλιση της κατάλληλης συμπεριφοράς του οδοστρώματος. Από τη συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ των διεθνώς εφαρμοζόμενων μεθόδων εργαστηριακής συμπύκνωσης δεν έχει υπάρξει μέχρι στιγμής ομοφωνία ως προς τη μέθοδο η οποία προσομοιάζει καλύτερα τη συμπύκνωση στο πεδίο. Ωστόσο, έχει ευρέως αναγνωρισθεί ότι η μέθοδος συμπύκνωσης έχει άμεση επίπτωση στην εσωτερική δομή του ασφαλτομίγματος, και ως εκ τούτου η μελέτη της εσωτερικής δομής μπορεί να οδηγήσει στην κατανόηση του μηχανισμού διάταξης των αδρανών στη μάζα του συμπυκνωμένου ασφαλτομίγματος. Η σύνδεση της εσωτερικής δομής με τις μεταβολές στα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς του ασφαλτομίγματος πιστεύεται ότι μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση των κύριων παραμέτρων συμπύκνωσης που διαφοροποιούν τη μηχανική συμπεριφορά των ασφαλτομιγμάτων. Επισημαίνεται επίσης ότι η επαρκής αντιολισθητική ικανότητα της επιφάνειας του οδοστρώματος είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια των οδηγών. Αυτό σημαίνει ότι οι μηχανικοί οδοστρωμάτων θα πρέπει να είναι σε θέση να αξιολογήσουν με ακρίβεια και να ποσοτικοποιήσουν πριν την κατασκευή τα επιφανειακά χαρακτηριστικά υφής λόγω της συμπύκνωσης στο έργο, αντικείμενο που μέχρι στιγμής έχει διερευνηθεί μόνο σε περιορισμένη έκταση. Ως εκ τούτου, αναδεικνύεται η ανάγκη να αναπτυχθεί μια μέθοδος, η οποία θα επιτρέπει την πρόβλεψη των επιτόπου επιφανειακών χαρακτηριστικών υφής του ασφαλτομίγματος σε σχέση με τη διαδικασία συμπύκνωσης μέσω εργαστηριακών δοκιμίων. Στόχο της Διδακτορικής Διατριβής αποτέλεσε η συμβολή στην καλύτερη προσέγγιση των επιτόπου συνθηκών μέσω των εργαστηριακών μεθόδων συμπύκνωσης για την, κατά το δυνατόν, ακριβέστερη εκτίμηση των χαρακτηριστικών συμπεριφοράς των ασφαλτικών μιγμάτων με συμπύκνωση στο πεδίο. Για την επίτευξη του υπόψη στόχου, πραγματοποιήθηκε σχεδιασμός και υλοποίηση πειραμάτων μεγάλης κλίμακας στο εργαστήριο (με εφαρμογή των μεθόδων συμπύκνωσης: κρουστικής, γυροσκοπικής και με κύλινδρο) και στο πεδίο, συμπεριλαμβανομένης της εφαρμογής σύγχρονων τεχνολογιών μη καταστρεπτικών δοκιμών για λόγους κριτικής αξιολόγησης. Στο πλαίσιο αυτό υιοθετήθηκε μια ολιστική προσέγγιση, η οποία περιλαμβάνει διερευνήσεις των επιφανειακών και των μηχανικών χαρακτηριστικών των ασφαλτομιγμάτων. Μέσω της υπόψη μεθοδολογίας, αρχικά, αναγνωρίσθηκαν οι κρίσιμες παράμετροι συμπύκνωσης που επηρεάζουν σημαντικά τη συμπυκνωσιμότητα, τη δυσκαμψία και την ανθεκτικότητα σε παραμένουσες παραμορφώσεις των ασφαλτομιγμάτων, χαρακτηριστικά τα οποία έχει βρεθεί ότι επηρεάζονται σημαντικά από τη μέθοδο συμπύκνωσης. Επίσης, από την αξιολόγηση της εσωτερικής δομής των ασφαλτομιγμάτων μέσω αναλύσεων εικόνας δισδιάστατης μορφής επιτεύχθηκε κατανόηση των κρίσιμων παραμέτρων συμπύκνωσης που διαμορφώνουν τον σκελετό, υπό την έννοια του αριθμού των «σημείων επαφής», προσανατολισμού και διαχωρισμού των αδρανών στο μίγμα. Αυτό είναι σημαντικό ώστε να υπάρξει κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της εσωτερικής δομής και της μηχανικής συμπεριφοράς των ασφαλτομιγμάτων και συσχέτιση με τη μεθοδολογία συμπύκνωσης. Με βάση τα πειραματικά ευρήματα, επιτεύχθηκε σαφής κατανόηση, για κάθε εργαστηριακή μέθοδο, των βασικών παραμέτρων που επηρεάζουν σημαντικά τη διαδικασία συμπύκνωσης και κατ’ επέκταση τη συμπεριφορά του ασφαλτομίγματος. Για παράδειγμα, βρέθηκε ότι η θερμοκρασία συμπύκνωσης, η (αρχική) διάμετρος και η γωνία περιστροφής, η θερμοκρασία και η ενέργεια συμπύκνωσης αποτελούν τις κυριότερες παραμέτρους της κρουστικής, γυροσκοπικής και της συμπύκνωσης με κύλινδρο, αντίστοιχα. Οι υπόψη παράμετροι αποτέλεσαν τελικά τη βάση πρότασης οδηγιών εργαστηριακής συμπύκνωσης, η οποία συμβάλλει στην καλύτερη εκτίμηση των μηχανικών χαρακτηριστικών των ασφαλτομιγμάτων με συμπύκνωση στο έργο. Σημειώνεται ότι η συμβολή αυτή θα έχει σημαντική επιρροή στο πλαίσιο της εφαρμογής μηχανιστικών-εμπειρικών μεθόδων ανάλυσης του οδοστρώματος κατά τρόπο που θα βελτιώνει τα αποτελέσματα των αναλύσεων ώστε να αποδίδουν καλύτερα την πραγματική συμπεριφορά του οδοστρώματος. Τα ευρήματα της έρευνας έδειξαν επίσης ότι οι δοκιμές συμπύκνωσης στο εργαστήριο κατά τη διαδικασία σχεδιασμού των μιγμάτων δεν αποδίδουν αξιόπιστα τα χαρακτηριστικά συμπυκνωσιμότητας των ασφαλτομιγμάτων στο πεδίο, ώστε να παρέχουν ουσιαστική βοήθεια που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία της κατασκευής. Στην πράξη, εξακολουθεί να γίνεται αναζήτηση της μεθοδολογίας συμπύκνωσης για την οποία επιτυγχάνεται επιτόπου ο βαθμός συμπύκνωσης που έχει τεθεί ως στόχος, διαδικασία η οποία υλοποιείται, κυρίως, μέσω της κατασκευής ενός δοκιμαστικού τμήματος. Στο πλαίσιο της διαδικασίας αυτής, οι κατασκευαστές επιδιώκουν να διαμορφώσουν την κατάλληλη –με στόχευση την επίτευξη της πυκνότητας αναφοράς- μεθοδολογία συμπύκνωσης μέσω προσδιορισμού της καμπύλης πυκνότητας συμπύκνωσης σε σχέση με τον αριθμό των διελεύσεων του οδοστρωτήρα, χωρίς ωστόσο να λαμβάνουν υπόψη σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν τη διαδικασία συμπύκνωσης, όπως οι θερμικές ιδιότητες του ασφλτομίγματος. Στο πλαίσιο της διατριβής, στην προσπάθεια να μεγιστοποιηθούν τα οφέλη από την κατασκευή ενός δοκιμαστικού τμήματος, αναπτύχθηκε μια βελτιωμένη και πρακτική μεθοδολογία η οποία βασίζεται σε επιτόπου μη καταστρεπτικές δοκιμές για τη διαμόρφωση της μεθοδολογίας συμπύκνωσης, μέσω της οποίας λαμβάνονται υπόψη οι θερμικές ιδιότητες του ασφαλτομίγματος και η μεταβλητότητα των συνθηκών κατασκευής. Επιπλέον, διαμορφώθηκε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία -με βάση την γεωφυσική μέθοδο GPR- για την αξιόπιστη εκτίμηση της επιτόπου πυκνότητας, μέσω της οποίας δίνεται η δυνατότητα αξιολόγησης, κατά τη διάρκεια των κύριων εργασιών συμπύκνωσης, της αποτελεσματικότητας της προσδιορισμένης μεθοδολογίας συμπύκνωσης ως προς την εξασφάλιση των απαιτήσεων συμπύκνωσης. Οι υπόψη μεθοδολογίες μπορεί να ωφελήσουν τους κατασκευαστές και τις Υπηρεσίες οδοστρωμάτων στη βελτίωση της μεθοδολογίας επιτόπου συμπύκνωσης, καθώς και των διαδικασιών ποιοτικού ελέγχου. Συγκεκριμένα, μέσω της βελτίωσης της μεθοδολογίας συμπύκνωσης στο έργο μπορεί να εξασφαλισθεί η κατάλληλη, σύμφωνα με τα κριτήρια σχεδιασμού, αρχική κατάσταση του οδοστρώματος, η οποία θα μειώσει την ανάγκη εργασιών συντήρησης και κατ’ επέκταση το κόστος συντήρησης, καθώς επίσης θα περιορίσει την όχληση των χρηστών της οδού. Επίσης, η χρήση των μη καταστρεπτικών δοκιμών, σε σχέση με τις παραδοσιακές καταστρεπτικές μεθόδους, προσφέρει το πλεονέκτημα της αξιολόγησης σε πλήρη κλίμακα της ποιότητας συμπύκνωσης του ασφαλτοτάπητα βελτιώνοντας τις διαδικασίες του ποιοτικού ελέγχου της κατασκευής. Επιπλέον, στην υπόψη έρευνα αναπτύχθηκε μια απλή, αλλά και πρακτική μέθοδος, η οποία επιτρέπει την πρόβλεψη των επιφανειακών χαρακτηριστικών υφής των ασφαλτομιγμάτων με συμπύκνωση στο πεδίο. Με τη μέθοδο αυτή, η οποία περιλαμβάνει τη συμπύκνωση με κύλινδρο για τη δημιουργία εργαστηριακών δοκιμίων τα οποία υποβάλλονται στη συνέχεια σε τυπικές εργαστηριακές δοκιμές (δηλαδή της κηλίδας άμμου και του Βρετανικού εκκρεμούς), αποδείχθηκε ότι μπορεί να αξιολογηθούν αποτελεσματικά η συμπεριφορά διαφορετικών μιγμάτων ως προς την αντιολισθητική ικανότητα, καθώς και η αποδοτικότητα της μεθοδολογίας συμπύκνωσης. Επίσης, τα προκαταρκτικά πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν καλή συσχέτιση μεταξύ των επιφανειακών χαρακτηριστικών με εργαστηριακή συμπύκνωση και των αντίστοιχων που επιτυγχάνονται με συμπύκνωση στο πεδίο. Ως εκ τούτου, η μέθοδος αυτή μπορεί να ωφελήσει δίνοντας αφενός τη δυνατότητα στους μηχανικούς οδοστρωμάτων να ποσοτικοποιήσουν και να βελτιώσουν τις ιδιότητες που σχετίζονται με την αντιολισθητική ικανότητα των ασφαλτομιγμάτων κατά το στάδιο της μελέτης σύνθεσης και αφετέρου δίνοντας κατάλληλες πληροφορίες που μπορεί δυνητικά να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της ασφάλειας των χρηστών του οδικού δικτύου κατά το αρχικό στάδιο λειτουργίας του ασφαλτικού οδοστρώματος. Η υπόψη μεθοδολογία προσφέρει επίσης ωφέλιμες πληροφορίες στους κατασκευαστές ώστε να διαμορφώσουν μια αποτελεσματική μέθοδο συμπύκνωσης στο πεδίο, μέσω της οποίας θα επιτυγχάνεται συμμόρφωση με τις κατασκευαστικές απαιτήσεις.