Wpływ stosowanych w Polsce dodatków na właściwości lepiszczy asfaltowych w aspekcie technologii spieniania

Transkrypt

1 Wpływ stosowanych w Polsce dodatków na właściwości lepiszczy asfaltowych w aspekcie technologii spieniania dr inż. Anna Chomicz-Kowalska prof. dr hab. inż. Marek Iwański mgr inż. Krzysztof Maciejewski

2 Asfalt spieniony Współczesne zastosowania asfaltu spienionego HMA Hot Mix Asphalt ( na gorąco ) 135 C 190 C Źródło: WMA Warm Mix Asphalt ( na ciepło ) 100 C 135 C HWMA CMA Half-Warm Mix Asphalt ( na półciepło ) 60 C (80 C) 100 C Cold Mix Asphalt ( na zimno ) < 60 C Rys.2. Klasyfikacja technologii wytwarzania mma w zależności od zakresu temperatury ich produkcji

3 Zastosowanie asfaltu spienionego w świetle krajowych dokumentów technicznych 2012 r. GDDKiA Zespołu nr 9 Przebudowa, Renowacja i Rehabilitacja drogi OST D a Źródło:

4 Zastosowanie asfaltu spienionego w świetle krajowych dokumentów technicznych 2013 r. [6] Zalecenia nie dotyczą technologii obniżenia temperatury produkcji i wbudowania mma za pomocą spieniania asfaltu przy użyciu specjalistycznych instalacji lub dodawania wilgotnego kruszywa drobnej frakcji (pkt 1.5 [6]) Źródło: Typowa temperatura produkcji mieszanek WMA zawiera się w przedziale około ºC, natomiast jest to zawsze powyżej 100ºC. (pkt 1.8 [6])

5 Zastosowanie asfaltu spienionego w świetle krajowych dokumentów technicznych 2014 r. Załącznik do zarządzenia Nr 31 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych dopuszcza stosowanie mieszanek MCE i z asfaltem spienionym w nowych konstrukcjach nawierzchni drogowych obciążonych ruchem KR1-KR4 Tablica 2. Typowe konstrukcje górnych warstw nawierzchni podatnych zawierających warstwy wykonane w technologii recyklingu na zimno [KTKNPiP 2014] Opracowano w: Katedrze Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej Opracował zespół w składzie: prof. dr hab. inż. Józef Judycki Kierownik Zespołu dr inż. Piotr Jaskuła dr inż. Marek Pszczoła dr inż. Jacek Alenowicz dr inż. Bohdan Dołżycki mgr inż. Mariusz Jaczewski mgr inż. Dawid Ryś mgr inż. Marcin Stienss

6 Zastosowanie asfaltu spienionego w świetle krajowych dokumentów technicznych 2014 r. Źródło: Źródło:

7 Zastosowanie asfaltu spienionego w świetle krajowych dokumentów technicznych 2018 r. Procedury projektowania oraz wytyczne stosowania materiałów odpadowych i z recyklingu do technologii wytwarzania mieszanek metodą na zimno z asfaltem spienionym (MCAS) Wykorzystanie materiałów z recyklingu w mieszankach mineralno-asfaltowych na zimno (MCAS) i na półciepło z asfaltem spienionym (HWMA)

8 Zastosowanie asfaltu spienionego w świetle krajowych dokumentów technicznych 2018 r. Zalecenia dotyczące projektowania, wytwarzania i wbudowywania mieszanek mineralno-asfaltowych z asfaltem spienionym o obniżonych temperaturach technologicznych Wykorzystanie materiałów z recyklingu w mieszankach mineralno-asfaltowych na zimno (MCAS) i na półciepło z asfaltem spienionym (HWMA)

9 Efekty stosowania mma z asfaltem spienianym wodą wytwarzanych i wbudowywanych w obniżonej temperaturze Środowiskowe redukcja emisji gazów cieplarnianych; zmniejszenie ilości energii niezbędnej do doprowadzenia lepiszcza do poziomu lepkości pozwalającego otaczać kruszywo; polepszenie warunków układania z uwagi na niższy poziom emisji lotnych związków organicznych zawartych w asfalcie; zmniejszenie uciążliwości wytwórni mma w pobliżu terenów zamieszkanych. Ekonomiczne zmniejszenie zużycia energii poświęcanej na podgrzanie głównych materiałów składowych mieszanki, tj. kruszywa i asfaltu, a tym samym kosztów. Technologicznoprodukcyjne zmniejszenie intensywności procesu starzenia asfaltu i mma z uwagi na ograniczenie temperatury w procesie wytwarzania; wydłużenie sezonu wykonawczego; wydłużenie czasu transportu z wytwórni na miejsce wbudowania; skrócenie czasu stygnięcia mieszanki do poziomu, w którym można wprowadzić ruch; poprawa warunków pracy przy wytwarzaniu, transporcie i układaniu mma

10 Technologia asfaltu spienionego W 1999 r. Jenkins z zespołem badawczym opracowali proces produkcji mma na półciepło HWMA z asfaltem spienionym, których temperatura wynosi < 100 C. Źródło: Rys. 6. CMA mieszanka MCAS (punktowo związana lepiszczem) Zwiększanie temperatury Rys. 5. Wpływ temperatury kruszywa na zdolność do otaczania mm w technologii HWMA [Jenkins 1999] Przy wykorzystaniu asfaltu spienionego zdolność do otaczania grubszych ziaren mieszanki mineralnej silnie zależy od temperatury materiału mineralnego. Źródło: Rys. 7. Mieszanka związana lepiszczem w sposób ciągły

11 Cechy fizyczne piany asfaltowej Właściwości fizyczne piany asfaltowej oceniane są na podstawie dwóch parametrów: maksymalny wskaźnik ekspansji (ERm - Expansion Ratio) stosunek maksymalnej objętości piany asfaltowej (po spienieniu lepiszcza) do objętości początkowej lepiszcza (przed spienieniem), okresu półtrwania (HL- Half-life) czas mierzony w sekundach, kiedy piana asfaltowa zmniejszy swoją objętość o połowę od momentu uzyskania maksymalnej ekspansji. Rys. 8. Zasada pomiaru ekspansji asfaltu oraz okresu jego półtrwania

12 HWMA MCAS Wymagania względem cech fizycznych piany asfaltowej Tablica 3. Wymagania dotyczące minimalnych wartości parametrów asfaltu spienionego w technologii MCAS Temperatura materiału mineralnego od 5ºC do 10ºC od 10ºC do 15ºC powyżej 15ºC Wskaźnik ekspansji Okres półtrwania [s] Tablica 4. Wymagania dotyczące minimalnych wartości parametrów asfaltu spienionego w technologii HWMA Wskaźnik ekspansji 12 Okres półtrwania [s] 10 Technologia spieniania przy użyciu wody nie wymaga stosowania dodatków w celu wytworzenia piany asfaltowej. Dodatki mogą mieć istotny wpływ na proces spieniania asfaltu wymaga to każdorazowej weryfikacji.

13 Czynniki wpływające na cechy fizyczne piany asfaltowej ilość wody spieniającej (FWC foaming water content), temperatura asfaltu przed procesem spieniania, obecność modyfikatorów i dodatków, skład chemiczny asfaltu (pochodzenie, skład grupowy, ), właściwości reologiczne asfaltu, parametry techniczne procesu spieniania (ciśnienie robocze asfaltu, wody, powietrza). Rys. 9. Zalecane sposoby wyznaczania ilości wody spieniającej

14 Wytwórnie MMA z asfaltem spienionym Modyfikacja istniejących wytwórni: Wytwórnie o specjalnej konstrukcji: o pracy cyklicznej o pracy ciągłej np. bęben w bębnie Źródło: Źródło: Fot. 6. Moduł spieniania asfaltu Źródło: Fot. 7. Wytwórnia MMA o pracy ciągłej Fot. 2. Pomiar parametrów piany asfaltowej pobranej z kontrolnej

15 WYNIKI BADAŃ

16 Wyniki badań asfaltów niemodyfikowanych ( ) Rys. 10. Zestawienie wyników z pomiaru cech fizycznych piany asfaltowej ERm (współczynnik ekspansji) przy zmiennym poziomie FWC

17 Wyniki badań asfaltów niemodyfikowanych ( ) Rys. 11. Zestawienie wyników z pomiaru cech fizycznych piany asfaltowej HL (okres półtrwania) przy zmiennym poziomie FWC

18 Wyniki badań asfaltów z dodatkiem wosku FT ( ) a) b) R 2 =0,989 R 2 =0,987 Rys. 12. Zależność pomiędzy cechami fizycznymi piany asfaltowej: ERm (a) i HL (b) a ilością FT i FWC badanych lepiszczy z grupy C Tab. 5. Parametry fizyczne (ERm i HL) piany asfaltowej niemodyfikowanego lepiszcza 50/70 Asfalt FWC ERm HL 50/70 1,0 4,0 16,5 2,0 8,1 12,3 3,0 12,0 9,0 4,0 18,4 5,1

19 Wyniki badań asfaltów z dodatkiem wosku FT ( ) a) b) Rys. 13. Zależność pomiędzy cechami fizycznymi piany asfaltowej: ERm (a) i HL (b) a ilością FT i FWC lepiszcza 50/70 producenta A Asfalt FWC ERm HL Tab. 6. Parametry fizyczne (ERm i HL) piany asfaltowej niemodyfikowanego lepiszcza 50/70 producenta A A:50/70 1,5 5,3 19,5 2,0 6,6 17,5 2,5 6,8 15,0 3,0 7,5 13,8 3,5 8,3 11,8

20 Wyniki badań asfaltów z dodatkiem wosku FT ( ) a) b) Rys. 14. Zależność pomiędzy cechami fizycznymi piany asfaltowej: ERm (a) i HL (b) a ilością FT i FWC lepiszcza 50/70 producenta B Asfalt FWC ERm HL Tab. 7. Parametry fizyczne (ERm i HL) piany asfaltowej niemodyfikowanego lepiszcza 50/70 producenta B B:50/70 1,5 7,5 23,8 2,0 8,5 20,5 2,5 11,5 19,0 3,0 13,2 14,8 3,5 15,2 12,5

21 Asfalt 50/70 z płynnym dodatkiem WMA ( ) a) Rys. 15. Zależności pomiędzy cechami fizycznymi piany asfaltowej: ERm (a) i HL (b) a ilością FWC lepiszcza 50/70 producenta B z różnymi zawartościami płynnego dodatku WMA b)

22 Asfalt 35/50 z płynnym dodatkiem WMA ( ) a) Rys. 16. Zależności pomiędzy cechami fizycznymi piany asfaltowej: ERm (a) i HL (b) a ilością FWC lepiszcza 35/50 producenta B z różnymi zawartościami płynnego dodatku WMA b)

23 Asfalty 50/70 + płynne środki adhezyjne ( ) PAS1 PAS2 PAS1 PAS2 Asfalt Prod ZawMod FWC ERm HL ERm HL Asfalt Prod ZawMod FWC ERm HL ERm HL 50/70 A 0,00 1,5 5,3 19,5 5,3 19,5 50/70 B 0,00 1,5 7,5 23,8 7,5 23,8 50/70 A 0,30 1,5 6,4 8,2 5,9 8,2 50/70 B 0,30 1,5 7,0 29,0 8,4 14,2 50/70 A 0,45 1,5 6,7 7,7 6,0 7,9 50/70 B 0,45 1,5 7,7 25,2 8,6 15,3 50/70 A 0,60 1,5 7,1 7,3 6,1 7,6 50/70 B 0,60 1,5 8,4 21,4 8,8 16,4 50/70 A 0,75 1,5 7,5 6,8 6,3 7,3 50/70 B 0,75 1,5 9,1 17,6 8,9 17,5 50/70 A 0,90 1,5 7,9 6,4 6,4 6,9 50/70 B 0,90 1,5 9,8 13,8 9,1 18,6 50/70 A 0,00 2 6,6 17,5 6,6 17,5 50/70 B 0,00 2 8,5 20,5 8,5 20,5 50/70 A 0,30 2 8,0 8,6 7,2 8,8 50/70 B 0,30 2 9,3 24,8 10,9 12,3 50/70 A 0,45 2 8,2 8,1 7,3 8,5 50/70 B 0, ,1 21,7 11,0 13,2 50/70 A 0,60 2 8,5 7,6 7,4 8,3 50/70 B 0, ,8 18,6 11,1 14,1 50/70 A 0,75 2 8,7 7,2 7,5 8,0 50/70 B 0, ,5 15,4 11,1 15,0 50/70 A 0,90 2 8,9 6,7 7,7 7,7 50/70 B 0, ,2 12,3 11,2 15,9 50/70 A 0,00 2,5 6,8 15,0 6,8 15,0 50/70 B 0,00 2,5 11,5 19,0 11,5 19,0 50/70 A 0,30 2,5 9,6 8,9 8,5 9,4 50/70 B 0,30 2,5 11,7 20,6 13,5 10,3 50/70 A 0,45 2,5 9,7 8,5 8,6 9,2 50/70 B 0,45 2,5 12,4 18,2 13,4 11,0 50/70 A 0,60 2,5 9,8 8,0 8,7 8,9 50/70 B 0,60 2,5 13,1 15,7 13,3 11,8 50/70 A 0,75 2,5 9,9 7,5 8,8 8,7 50/70 B 0,75 2,5 13,8 13,3 13,3 12,5 50/70 A 0,90 2,5 10,0 7,1 8,9 8,5 50/70 B 0,90 2,5 14,5 10,8 13,2 13,2 50/70 A 0,00 3 7,5 13,8 7,5 13,8 50/70 B 0, ,2 14,8 13,2 14,8 50/70 A 0, ,3 9,3 9,8 10,0 50/70 B 0, ,1 16,5 16,0 8,4 50/70 A 0, ,2 8,8 9,9 9,8 50/70 B 0, ,8 14,7 15,8 8,9 50/70 A 0, ,1 8,3 10,0 9,6 50/70 B 0, ,5 12,9 15,6 9,4 50/70 A 0, ,1 7,9 10,1 9,5 50/70 B 0, ,2 11,1 15,4 10,0 50/70 A 0, ,0 7,4 10,2 9,3 50/70 B 0, ,9 9,3 15,3 10,5 50/70 A 0,00 3,5 8,3 11,8 8,3 11,8 50/70 B 0,00 3,5 15,2 12,5 15,2 12,5 50/70 A 0,30 3,5 12,9 9,7 11,1 10,6 50/70 B 0,30 3,5 16,5 12,3 18,6 6,5 50/70 A 0,45 3,5 12,7 9,2 11,2 10,5 50/70 B 0,45 3,5 17,2 11,2 18,3 6,8 50/70 A 0,60 3,5 12,5 8,7 11,3 10,3 50/70 B 0,60 3,5 17,9 10,1 17,9 7,1 50/70 A 0,75 3,5 12,3 8,2 11,3 10,2 50/70 B 0,75 3,5 18,6 9,0 17,6 7,4 50/70 A 0,90 3,5 12,1 7,7 11,4 10,1 50/70 B 0,90 3,5 19,3 7,9 17,3 7,7 Zastosowanie w technologii: MCAS ERm 8 i HL 6 HWMA ERm 12 i HL 10 Tab. 8. Parametry fizyczne (ERm i HL) piany asfaltowej lepiszczy 50/70 z dodatkiem środków adhezyjnych

24 Asfalty 35/50 + płynne środki adhezyjne ( ) PAS1 PAS2 PAS1 PAS2 Asfalt Prod ZawMod FWC ERm HL ERm HL Asfalt Prod ZawMod FWC ERm HL ERm HL 35/50 A 0,00 1,5 6,4 12,3 6,4 12,3 35/50 B 0,00 1,5 7,2 38,3 7,2 38,3 35/50 A 0,30 1,5 6,7 8,1 9,4 7,1 35/50 B 0,30 1,5 6,2 37,0 6,0 27,9 35/50 A 0,45 1,5 6,7 7,7 9,4 7,3 35/50 B 0,45 1,5 6,7 34,8 6,3 30,3 35/50 A 0,60 1,5 6,7 7,3 9,5 7,5 35/50 B 0,60 1,5 7,3 32,6 6,7 32,8 35/50 A 0,75 1,5 6,7 6,8 9,5 7,6 35/50 B 0,75 1,5 7,9 30,4 7,0 35,2 35/50 A 0,90 1,5 6,7 6,4 9,6 7,8 35/50 B 0,90 1,5 8,4 28,2 7,4 37,7 35/50 A 0,00 2 8,1 11,8 8,1 11,8 35/50 B 0,00 2 9,5 32,8 9,5 32,8 35/50 A 0,30 2 7,6 7,8 10,6 7,0 35/50 B 0,30 2 7,7 33,2 8,6 24,4 35/50 A 0,45 2 7,6 7,7 10,6 7,1 35/50 B 0,45 2 8,4 31,1 8,9 26,5 35/50 A 0,60 2 7,5 7,5 10,5 7,2 35/50 B 0,60 2 9,1 29,0 9,2 28,7 35/50 A 0,75 2 7,5 7,3 10,5 7,4 35/50 B 0,75 2 9,9 26,9 9,4 30,8 35/50 A 0,90 2 7,4 7,2 10,5 7,5 35/50 B 0, ,6 24,8 9,7 33,0 35/50 A 0,00 2,5 8,5 11,0 8,5 11,0 35/50 B 0,00 2,5 11,8 27,5 11,8 27,5 35/50 A 0,30 2,5 8,6 7,5 11,7 6,8 35/50 B 0,30 2,5 9,1 29,4 11,2 20,9 35/50 A 0,45 2,5 8,5 7,6 11,7 6,9 35/50 B 0,45 2,5 10,0 27,4 11,4 22,7 35/50 A 0,60 2,5 8,4 7,7 11,6 7,0 35/50 B 0,60 2,5 11,0 25,5 11,7 24,6 35/50 A 0,75 2,5 8,3 7,9 11,5 7,1 35/50 B 0,75 2,5 11,9 23,5 11,9 26,5 35/50 A 0,90 2,5 8,2 8,0 11,5 7,3 35/50 B 0,90 2,5 12,8 21,5 12,1 28,3 35/50 A 0,00 3 9,3 10,5 9,3 10,5 35/50 B 0, ,2 24,5 14,2 24,5 35/50 A 0,30 3 9,5 7,2 12,9 6,6 35/50 B 0, ,6 25,6 13,8 17,4 35/50 A 0,45 3 9,4 7,6 12,8 6,7 35/50 B 0, ,7 23,7 14,0 18,9 35/50 A 0,60 3 9,2 8,0 12,6 6,8 35/50 B 0, ,8 21,9 14,1 20,5 35/50 A 0,75 3 9,1 8,4 12,5 6,9 35/50 B 0, ,9 20,0 14,3 22,1 35/50 A 0,90 3 8,9 8,7 12,4 7,0 35/50 B 0, ,0 18,2 14,5 23,7 35/50 A 0,00 3,5 10,3 10,3 10,3 10,3 35/50 B 0,00 3,5 16,2 20,3 16,2 20,3 35/50 A 0,30 3,5 10,5 6,9 14,0 6,5 35/50 B 0,30 3,5 12,1 21,8 16,4 13,9 35/50 A 0,45 3,5 10,3 7,6 13,9 6,5 35/50 B 0,45 3,5 13,3 20,0 16,5 15,1 35/50 A 0,60 3,5 10,1 8,2 13,7 6,6 35/50 B 0,60 3,5 14,6 18,3 16,6 16,4 35/50 A 0,75 3,5 9,9 8,9 13,5 6,7 35/50 B 0,75 3,5 15,9 16,6 16,8 17,7 35/50 A 0,90 3,5 9,6 9,5 13,3 6,7 35/50 B 0,90 3,5 17,2 14,9 16,9 19,0 Zastosowanie w technologii: MCAS ERm 8 i HL 6 HWMA ERm 12 i HL 10 Tab. 9. Parametry fizyczne (ERm i HL) piany asfaltowej lepiszczy 35/50 z dodatkiem środków adhezyjnych

25 Podsumowanie cechy fizyczne piany asfaltowej (ekspansja maksymalna, okres półtrwania) zależą od parametrów procesu spieniania (temperatura asfaltu, ilość wody spieniającej) które można łatwo kontrolować oraz właściwości od lepiszcza asfaltowego (na które wykonawca ma ograniczony wpływ), stosowane popularnie dodatki do asfaltów (środki adhezyjne, woski syntetyczne) mogą mieć istotny wpływ na kształtowanie się pienistości lepiszczy asfaltowych, zależny od składu, procesu produkcji i pochodzenia lepiszcza asfaltowego, pienistość lepiszczy asfaltowych oferowanych przez producentów może na przestrzeni lat ulegać znacznym zmianom,

26 Podsumowanie lepiszcza asfaltowe krajowych producentów mogą być z powodzeniem wykorzystywane do wytwarzania mieszanek MCAS i AC HWMA najwyższej jakości. Rodzaj asfaltu Woski syntetyczne Dodatki do asfaltu [%, m/m] Płynne środki adhezyjne 35/50 1,5% 0,3% 0,6% 50/70 3,0% Tablica 12. Zalecane zakresy dozowania dodatków do asfaltów i mma Wykorzystanie materiałów z recyklingu w mieszankach mineralno-asfaltowych na zimno (MCAS) i na półciepło z asfaltem spienionym (HWMA)

27 Podsumowanie Cel stosowania mieszanki HWMA Zalecane temperatury technologiczne mieszanek HWMA [⁰C] Obniżenie temperatury wytwarzania i wbudowywania mma Wydłużenie czasu transportu mma Wydłużenie sezonu wykonawczego i skuteczne wbudowywanie mma w nawierzchnię przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych powodujących przyśpieszenie tempa jej wychładzania Temperatury technologiczne mieszanek HMA [⁰C] Wytwarzanie Zagęszczanie Wytwarzanie Zagęszczanie Tablica 13. Zalecane zakresy temperatur technologicznych dla mieszanek HWMA do (próbki) 110 (wbudowanie) Wykorzystanie materiałów z recyklingu w mieszankach mineralno-asfaltowych na zimno (MCAS) i na półciepło z asfaltem spienionym (HWMA)

28 Dziękujemy Państwu za uwagę! dr inż. Anna Chomicz-Kowalska Prof. dr hab. inż. Marek Iwański tel.: mgr inż. Krzysztof Maciejewski tel.: