Mieszanka mastyksowo-grysowa

Transkrypt

1 mgr inż. Piotr Miduch, Centrum Badań Laboratoryjnych CEBEL Sp. z o.o., dr inż. Agnieszka Woszuk, Politechnika Lubelska Mieszanka mastyksowo-grysowa W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości fizykomechanicznych mieszanki mineralno-asfaltowej SMA11. Mieszankę zaprojektowano w dwóch wariantach: z zastosowaniem asfaltu modyfikowanego PMB 45/80-55 i dodatkiem włókien akrylowych oraz z asfaltem drogowym 50/70 i dodatkiem wzbogaconego miału gumowego (mączki gumowej). Mieszanki te oceniane były pod względem zawartości wolnych przestrzeni, odporności na deformacje trwałe, odporności na działanie wody i mrozu, sztywności i trwałości zmęczeniowej oraz odporności na spękania niskotemperaturowe. Lepiszcze asfaltowe, które stanowi zaledwie kilkuprocentowy dodatek w mieszance mineralno-asfaltowej (MMA), wpływa w sposób znaczący na parametry użytkowe nawierzchni asfaltowych. Dlatego też poprawa właściwości asfaltów wpływa pozytywnie na cechy fizykomechaniczne MMA i użytkowe nawierzchni drogowej. Najczęściej stosowanymi modyfikatorami bitumów są elastomery termoplastyczne SBS (kopolimery styren/butadien/ styren). Uzyskane w ten sposób asfalty charakteryzują się mniejszą penetracją w połączeniu ze wzrostem indeksu penetracji, temperatury mienienia, lepkości, poprawą adhezji lepiszcza do kruszywa oraz poprawą własności reologicznych [1-3]. Nawierzchnie drogowe wykazują wyższą trwałość, odporność na deformacje trwałe i spękania niskotemperaturowe. Alternatywną dla modyfikacji asfaltów polimerami jest zastosowanie miału gumowego ze zużytych opon samochodowych [4, 5]. Gumę do mieszanki mineralno-asfaltowej można wprowadzać dwiema metodami: na sucho (ang. dry process) i na mokro (ang. wet process). Metoda na mokro polega na dodaniu drobnoziarnistego granulatu gumowego w ilości 10-20% m/m do asfaltu i wytworzeniu lepiszcza gumowo-asfaltowego [6]. Modyfikacja bitumu tą metodą możliwa jest w specjalnych instalacjach zlokalizowanych w obrębie wytwórni mas bitumicznych lub bezpośrednio w rafinerii, co pozwala na połączenie z polimerem SBS. Produkcja mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczem asfaltowo-gumowym w tej metodzie jest identyczna jak przy stosowaniu tradycyjnych lepiszczy asfaltowych. Trudne do prawidłowego przeprowadzenia jest natomiast etap modyfikacji asfaltu zwulkanizowaną gumą i otrzymanie jednorodnego materiału. Uzyskuje się układ dyspersyjny, w którym część cząstek gumy i napełniaczy (sadzy) pozostaje w postaci stałej rozproszonej w asfalcie. Drugie ograniczenie w stosowaniu tego typu lepiszczy gumowo-asfaltowych na mokro jest związane z trudnościami w ich transporcie i magazynowaniu [6]. Metoda na sucho polega na dodaniu granulatu gumowego frakcji powyżej kilku mm w ilości od 1 do 3% w stosunku do masy MMA, bezpośrednio do mieszalnika z kruszywem przed dozowaniem lepiszcza asfaltowego [6]. Połączenie asfaltu i gumy Summary Stone mastic asphalt with the addition of enriched crumb rubber The paper presents the results of the investigations of the physical and mechanical properties of the SMA11 mix asphalt. The mixture was designed in two variants: using PMB 45/80-55 modified asphalt and the addition of acrylic fibers as well as 50/70 road asphalt and the addition of enriched crumb rubber. These mixtures were evaluated in terms of void content, resistance to permanent deformation, resistance to water and frost, stiffness and fatigue life as well as resistance to low- -temperature cracking. Keywords: stone mastic asphalt, crumb rubber, mix asphalt zachodzi w czasie procesu produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej. Jest to stosunkowo prosty i mało kłopotliwy sposób, pozbawiony trudności, jakie stwarza metoda na mokro. Gotowa mieszanka mineralno-gumowo asfaltowa może być przechowywana w zbiorniku nawet 3-5 godzin [2]. Praktyka wykonawcza wskazuje, że konieczne jest kondycjonowanie takiej mieszanki przed wbudowaniem przez minut. Jest to czas potrzebny, aby asfalt mógł wejść w reakcję z gumą, przez co polepsza swoje właściwości. Stosowanie granulatu gumowego bez odpowiedniego wzbogacenia może jednak powodować, że nawierzchnia będzie zachowywać się sprężyście w trakcie zagęszczania. Przekłada się to na rozluźnienie struktury mieszanki i nieprawidłowe zagęszczenia nawierzchni. Dlatego zasadniczą kwestią jest dodanie do miału gumowego substancji uszlachetniających. Towarzystwo ds. Badań nad Drogownictwem i Ruchem Drogowym w Niemczech (FGSV Forschungsgesellschaft für Strassen- und Verkehrswesen) już w 2012 roku wydało Zalecenia dotyczące bitumu modyfikowanego gumą i asfaltu (E GmBA Empfehlungen zu Gummimodifizierten Bitumen und Asphalten), które jako rozwiązanie równoważne modyfikacji lepiszczy asfaltowych polimerami wskazują dodawanie bezpośrednio do mieszalnika kruszywa aktywowanej mączki gumowej, bez konieczności stosowania dodatkowych instalacji w wytwórni mas bitumicznych. 54

2 Wymiar otworu sita [mm] 0/2 2/5 4/8 8/11 Mączka wapienna Przesiew [%] Wartości graniczne [9] , , , , , , , ,063 9,1 1,8 0,8 0,5 95,2 10, Tab. 1. Uziarnienie kruszyw oraz mieszanki mineralnej Badania wykazały zmniejszenie hałaśliwości warstw ścieralnych wykonane z dodatkiem gumy [7, 8]. W niniejszej pracy zastosowano modyfikowany miał gumowy frakcji 0,2-0,8 mm wzbogacony polimerem, a sam proces przygotowania mieszanki mineralno-asfaltowej odbywał się metodą na sucho. Zdaniem autorów zarówno brak substancji uszlachetniających, jak i uziarnienie inne niż zalecane (0,2-0,8 mm) może powodować niepożądane efekty w nawierzchni drogowej. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie wzbogaconego miału gumowego w mieszance mastyksowo-grysowej zmniejszyło szkodę zmęczeniową bez wzrostu sztywności mieszanki. Zawartość wolnych przestrzeni, odporność na deformacje trwałe oraz odporność na działanie wody i mrozu były zgodne z wymaganiami WT [9]. mieszanki mineralno-asfaltowej Przedmiotem badań była mieszanka mastyksowo-grysowa przeznaczona na warstwę ścieralną drogi obciążonej ruchem o kategorii KR5-KR7 (SMA 11), zaprojektowana zgodnie z Wymaganiami Technicznymi WT [9]. Skład mieszanki mineralnej zaprojektowano metodą punktów granicznych, z zastosowaniem kruszywa granodiorytowego o uziarnieniu: 0/2, 2/5, 4/8 i 8/11, pochodzącego z Kopalni Kośmin oraz kruszywa wypełniającego (mączka wapienna) z Kopalni Wapiennej w Czatkowicach. Wejściowy skład mieszanki uwzględniał 50-proc. odpylenie kruszyw. Uziarnienie kruszyw zbadano metodą przesiewu na sucho (PN-EN 933-1) [10], uziarnienie mączki wapiennej określono metodą przesiewu w strumieniu powietrza (PN-EN ) [11]. Wyniki analizy granulometrycznej kruszyw podano w tab. 1. Mieszankę mastyksowo-grysową SMA 11 zaprojektowano w dwóch wariantach: W1 z zastosowaniem asfaltu modyfikowanego PMB 45/80-55 i dodatkiem włókien akrylowych, W2 z asfaltem drogowym 50/70 i dodatkiem wzbogaconego miału gumowego. Skład mieszanki mineralnej oraz mieszanki mineralno-asfaltowej przedstawiono w tab. 2. y należą do skał kwaśnych charakteryzujących się gorszą adhezją do asfaltu, dlatego w projekcie MMA zastosowano środek adhezyjny (w ilości 0,4% w stosunku do masy Lp. Materiał MM Skład [%] MMA (W1) MMA (W2) 1. 0/ ,9 14,0 2. 2/5 10 9,2 9,3 3. 4/ ,9 14,0 4. 8/ ,7 46,5 5. Mączka wapienna 10 9,2 9,0 6. Asfalt drogowy 50/70 6,3 7. Asfalt modyfikowany PMB 45/ ,5 8. Środek adhezyjny (0,4% do asfaltu) 0,03 0,03 9. Włókna akrylowe (0,6% do kruszywa) 0,56 Wzbogacony miał gumowy (15% 10. 0,95 do asfaltu) Tab. 2. Projektowany skład mieszanki mineralnej i mieszanki mastyksowo- -grysowej SMA 11 asfaltu), poprawiający przyczepność kruszywa do lepiszcza asfaltowego. W mieszance o nieciągłym uziarnieniu W1 w celu stabilizacji lepiszcza asfaltowego dodano włókna akrylowe (fot. 1) w ilości 0,6% wagowo w stosunku do masy mieszanki mineralnej. W wariancie W2 zrezygnowano ze standardowych środków stabilizacyjnych, dodając do mieszanki mineralno-asfaltowej wzbogacony miał gumowy (mączka gumowa). Zastosowany w badaniach miał gumowy (fot. 2) to materiał powstały w wyniku rozdrobnienia zużytych opon samochodowych do uziarnienia 0,2-0,8 mm, wzbogacony elastomerem zgodnie z polskim rozwiązaniem patentowym [12]. Na podstawie zaleceń producenta mączkę gumową dodawano w ilości 15% wagowo w stosunku do masy lepiszcza asfaltowego w mieszance mineralno-asfaltowej. Zawartość asfaltu w MMA zaprojektowano zgodnie z WT [9]. Minimalna zawartość asfaltu B min dla mieszanki SMA 11 wynosiła 6,6% (m/m). Po uwzględnieniu gęstości mieszanki mineralnej (współczynnik korekcyjny = 0,957) obliczona minimalna zawartość asfaltu całkowitego równała się 6,3% (m/m). Ostatecznie przyjęta optymalna ilość asfaltu wynikała z przeprowadzonych badań na zawartości wolnych przestrzeni, która dla projektowanej kategorii ruchu KR5-KR7 powinna wynosić od 2,0% do 3,5%. W mieszance SMA 11 z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego i asfaltem 50/70 ilość lepiszcza przyjęto na poziomie 6,3%, natomiast w wariancie W1 zaprojektowano 6,5-proc. dodatek asfaltu PMB 45/

3 3 fot. P. Miduch Fot. 1. Włókna akrylowe Fot. 2. Wzbogacony miał gumowy Fot. 3. Powierzchnia próbki przeznaczonej do badania luminancji Wariant 1 Wariant 2 RDmax 2,5 2 1,5 1 0, Rys. 1. Wykres średniej głębokości koleiny mieszanek SMA11 z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego i z dodatkiem włókien akrylowych przygotowanie próbek Laboratoryjne zagęszczanie próbek mieszanki mastyksowo- -grysowej SMA 11 wykonano w ubijaku Marshalla. Zgodnie z WT [9] energia zagęszczania próbek przeznaczonych do badań zawartości wolnych przestrzeni wynosiła po 50 uderzeń na każdą stronę. Próbki do badań wrażliwości na działanie wody wykonywano, stosując po 35 uderzeń na stronę. W celu weryfikacji, czy zaprojektowane szkielety mineralno-asfaltowe mają tendencję do przegęszczenia się, wykonano także próbki z energią zagęszczania 100 uderzeń na każdą stronę. Przed wykonaniem próbek zastosowano krótkoterminowe kondycjonowanie zarobu w temperaturze 135 ± 5 C zgodnie z procedurą opisaną w załączniku 2 WT [9], skracając zalecany czas do godziny. Przyjęta metodyka miała na celu lepszą homogenizację próbek z dodatkiem mączki gumowej. Drugim rodzajem próbek przygotowanych w laboratorium były płyty o wymiarach 305 x 305 x 40 mm i 405 x 305 x 100 mm, zagęszczane przez wałowanie, przeznaczone do badań: odporności na deformacje trwałe, wycięcia belek 50 x 50 x 380 mm, na których oznaczono moduł sztywności i trwałość zmęczeniową, wycięcia belek 40 x 40 x 250 mm do badania odporności na spękania niskotemperaturowe. Temperatury zagęszczania przyjęto zgodnie z zaleceniami producenta lepiszczy asfaltowych: 145 ± 5 C dla mieszanek W1 z asfaltem modyfikowanym PMB 45/80-55, 135 ± 5 C dla mieszanek W2 z dodatkiem asfaltu 50/70. W warunkach laboratoryjnych miał gumowy dodawany był bezpośrednio do kruszywa przed zadozowaniem lepiszcza asfaltowego. mieszanek mastyksowo-grysowych Na przygotowanych próbkach mieszanek mastyksowo-grysowych SMA 11 wykonano badania: gęstości mieszanki mineralno-asfaltowej w piknometrze metodą objętościową wg normy PN-EN [13], gęstości objętościowej wg PN-EN [14], metoda B: próbki w stanie nasyconym, powierzchniowo-suchym SSD, zawartości wolnych przestrzeni wg normy PN-EN [15], odporności na deformacje trwałe wg normy PN-EN [16], odporności na działanie wody i mrozu (ITSR) wg normy PN- -EN [17] oraz WT [7] przechowywanie w 40 C z jednym cyklem zamrażania, badanie w 25 C, spływności lepiszcza metodą Schellenberga wg normy PN- -EN : [18], współczynnika luminancji wg procedury opisanej w WT Załącznik Nr 4 [9], modułu sztywności wg PN-EN [19], trwałości zmęczeniowej wg PN-EN [20], odporności na spękania niskotemperaturowe PN-EN [21]. 56

4 Lp. Właściwość Wymagania wg WT z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego (W2) Mieszanka SMA 11 z dodatkiem włókien akrylowych (W1) 1. Gęstość ρ mv [Mg/m 3 ] 2,482 2, Gęstość objętościowa ρ bssd (2 x 50) [Mg/m 3 ] 2,415 2, Gęstość objętościowa ρ bssd (2 x 100) [Mg/m 3 ] 2,428 2, Zawartość wolnych przestrzeni (2 x 50) [%] 2,0-3,5 2,7 3,0 5. Zawartość wolnych przestrzeni (2 x 100) [%] 2,2 2,4 6. Odporność na deformacje trwałe WTS AIR 0,10 0,05 0,03 PRD AIR 7,0 6,1 4,9 7. Odporność na działanie wody ITSR [%] Spływność lepiszcza 0,30 0,16 0,13 9. Współczynnik luminancji [Q d, mcd m -2 lx -1 ] Sztywność [MPa] Odporność na zmęczenie [μm/mm] Szkoda zmęczeniowa po 10 6 cykli [%] 19,1 26,2 13. Odporność na spękania niskotemperaturowe T [ C] -28,8-32,1 Tab. 3. Właściwości fizykomechaniczne mieszanek SMA11 z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego i włókien akrylowych Badanie odporności na deformacje trwałe przeprowadzono w oparciu o normę PN-EN [16] metoda B powietrzu, w małym koleinomierzu dwumiejscowym w temperaturze 60 C. Urządzenie wykonało przejść ( cykli) normowego koła o obciążeniu 700 N z gumową oponą o twardości 80 ± 5 IRHD. Podczas badania aparat do koleinowania rejestrował automatycznie następujące parametry: przyrost koleiny dla pojedynczej próbki, nachylenie wykresu koleinowania WTS AIR, głębokość koleiny RD AIR, proporcjonalną głębokość koleiny PRD AIR. Badanie współczynnika luminancji wykonano wg Załącznika Nr 4 WT [9] na dwóch próbkach, na których wcześniej zbadano odporność na deformacje trwałe (na powierzchni niepoddanej koleinowaniu) (fot. 3). Konieczne było zamrożenie próbek na 24 godziny przed szkiełkowaniem, gdyż błonka lepiszcza nie schodziła równomiernie. Badanie modułu sztywności przeprowadzono w temperaturze 10 C zgodnie z metodyką opisaną w załączniku B normy PN-EN [19]. Przy stałej amplitudzie ugięcia (odkształcenie 50 μm/mm) wykonywane były cykliczne (częstotliwość 10 Hz), czteropunktowe zginania belki umieszczonej w aparacie pomiarowym. Podczas badania urządzenie rejestrowało: siłę, ugięcie belki, kąt przesunięcia fazowego oraz liczbę cykli. Na podstawie tych paramentów obliczany był moduł sztywności próbki. Na potrzeby niniejszej pracy badania zmęczeniowe zostały przeprowadzone wg normy PN-EN [20] przy ustalonej wartości odkształcenia wynoszącej 130 μm/mm, częstotliwości 10 Hz i temperaturze 10 C. Badanie prowadzono do osiągnięcia 1 mln cykli obciążenia. Wynikiem badania była szkoda zmęczeniowa określana równaniem: D = 100 E n /E 0 x 100 (1) gdzie: E n moduł sztywności w n-tym cyklu obciążenia [MPa], n liczba cykli obciążenia (n = ), E 0 początkowy moduł sztywności [MPa]. Utrata trwałości zmęczeniowej następowała, gdy po 1 mln cykli obciążenia uzyskano 50-proc. spadek początkowego modułu sztywności. Metodyka badań odporności na spękania niskotemperaturowe (TSRST) została opracowana na podstawie normy PN-EN [21]. Do prostopadłościennych próbek zamontowano ekstensometry mierzące odkształcenia wzdłużne. Badanie przeprowadzono w komorze termicznej. Temperatura początkowa wynosiła 20 C, a przyjęty spadek temperatury -10 C/h. Rama wytrzymałościowa urządzenia badawczego miała za zadanie niedopuszczenie do odkształcenia (skurczu) próbek. W takich warunkach w próbkach wywoływane były termiczne naprężenia rozciągające. Podczas badania urządzenie rejestrowało: temperaturę, siłę rozciągająca oraz odkształcenie. Wynikami badania są naprężenie przy zniszczeniu (pęknięciu próbki) oraz temperatura pęknięcia. Uzyskane wyniki badań laboratoryjnych zestawiono w tab. 3. Dokumentem odniesienia dla wymagań odnośnie do właściwości fizykomechanicznych były Wytyczne Techniczne WT [9]. Rys. 1 przedstawia zarejestrowane przez urządzenie pomiarowe wykresy przebiegu badania koleinowania. Zmiana zawartości wolnych przestrzeni o 0,5 punktu procentowego (wariant W2) i o 0,6 punktu procentowego (wariant W1) przy zwiększeniu energii zagęszczania z 2 x 50 uderzeń do 2 x 100 uderzeń wskazuje, że zaprojektowany szkielet mineralno-asfaltowy nie ma tendencji do przegęszczenia się. W obu wariantach mieszanki mineralno-asfaltowe SMA 11 spełniają wymagania WT [9] dla najwyższych kategorii ruchu KR5-7 odnośnie do zawartości wolnych przestrzeni, odporności na deformacje trwałe, wrażliwości na wodę spływności lepiszcza asfaltowego oraz współczynnika luminancji. Analiza wyników badań wykazała, że próbki mieszanki SMA 11 w obu wariantach charakteryzowały się podobną wartością początkowego modułu sztywności. Natomiast szkoda zmęczeniowa 57

5 była dużo mniejsza dla próbek z udziałem wzbogaconego miału gumowego (19,1%) niż dla próbek W1 (26,2%) z asfaltem modyfikowanym, pomimo użycia w mieszance W2 o 0,2 punktu procentowego mniejszej ilości lepiszcza. Otrzymana w badaniach wartość wskaźnika ITSR była taka sama dla obu mieszanek i równała się 97%, co świadczy o wysokiej odporność na działanie wody i mrozu. Na tej podstawie można wnioskować o dobrym połączeniu szkieletu mineralnego z miałem gumowym, mimo braku w samej strukturze włókien. Potwierdzeniem szczelności SMA 11 W2 jest również wysoka odporność na spękania temperaturowe, która wynosiła -28,8 C. Mieszanka mastyksowo-grysowa z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego charakteryzowała się natomiast mniejszą odporność na deformacje trwałe (tab. 2, rys. 3). Zaletą zastosowanego w badaniach wzbogaconego miału gumowego jest jego jednolite drobne uziarnienie. Dzięki temu możliwe było równomierne rozprowadzenie w całej objętości mieszanki mineralnej. Postać drobnego granulatu ułatwiała wykonanie laboratoryjnego zarobu, a wytworzona mieszanka mineralno-asfaltowa stanowiła zwartą strukturę. W warunkach laboratoryjnych wzbogacony miał gumowy dodawany był bezpośrednio do kruszywa, przed dozowaniem lepiszcza asfaltowego, tak jak włókna akrylowe. Metodyka ta odzwierciedla proces produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych z miałem gumowym na wytwórni mas bitumicznych metodą na sucho. Zastosowany polimer zaaplikowany bezpośrednio w strukturę miału gumowego powodował równomierne i jednolite rozprowadzenie gumy w mieszance. Takie rozwiązanie jest korzystne w wytwórniach mieszanek asfaltowych, które nie są wyposażone w specjalne instalacje do modyfikacji asfaltów gumą na mokro. Wbrew wstępnym obawom nie było również problemu z ekstrakcją mieszanki mineralno-asfaltowej z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego w urządzeniu ultradźwiękowym. Istotną kwestią było zwiększenie liczby płukań mieszanki ze standardowej dla SMA liczby 8 do 10. Mieszanka mastyksowo-grysowa SMA 11 z asfaltem drogowym 50/70 i dodatkiem wzbogaconego miału gumowego, przeznaczona na drogi kategorii KR5-KR7, spełniła wymagania jakościowe według Wytycznych Technicznych WT Zastosowany dodatek miał wpływ na znaczne zmniejszenie szkody zmęczeniowej względem mieszanki SMA z asfaltem modyfikowanym PMB 45/80-55 i dodatkiem włókien akrylowych. Wyniki przeprowadzonych badań zaprzeczają opinii, że metoda modyfikacji lepiszczy asfaltowych na sucho nie przynosi istotnego efektu technologicznego. Zastosowanie odpowiednio wzbogaconych mączek gumowych wpływa na osiągane efekty ekonomiczne i technologiczne. Dodatek taki może korzystnie wpływać na właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych oraz może być stosowany w istniejących wytwórniach mas bitumicznych bez ich modyfikacji. Według autorów dodatek wzbogaconego miału gumowego powinien poprawić właściwości akustyczne mieszanek BBTM8 czy SMA8 LA. Warta rozważenia jest również modyfikacja wzbogaconym miałem gumowym mieszanek z dolnych warstw asfaltowych, jak np. betonów asfaltowych o wysokim module sztywności, w przypadku których zamiast asfaltu 20/30 należałoby użyć asfaltu 35/50 i wzbogaconego miału gumowego. Natomiast przy ustalaniu ilości dodatku należy pamiętać, że nie są to mieszanki o nieciągłym uziarnieniu, a zatem sama aktywowana mączka gumowa nie będzie pełniła funkcji stabilizatora, jak w przypadku SMA czy BBTM. Mieszanki z dodatkiem wzbogaconego miału gumowego pozwalają na zwiększenie trwałości nawierzchni, co może być zastosowane w indywidualnym projektowaniu nawierzchni metodami mechanistycznymi. Dużym ograniczeniem indywidualnych podejść projektowych są zapisy w specyfikacjach technicznych dla mieszanek mineralno-asfaltowych dotyczące wymagań materiałowych i zaleceń technologicznych. Wskazywanie konkretnych rozwiązań materiałowych zamiast wymagań użytkowych w sposób znaczący ogranicza możliwość wprowadzania materiałów i technologii innowacyjnych. Piśmiennictwo dostępne w redakcji. 58