Technologie asfaltów spienionych stosowane w budowie i przebudowie dróg

Transkrypt

1 Konwent Dyrektorów ZDW, Kongres Drogowy, ZM RP Nowoczesne technologie w konstrukcji nawierzchni Zakopane, wrzesień 2010 Technologie asfaltów spienionych stosowane w budowie i przebudowie dróg Marek IWAŃSKI Anna CHOMICZ-KOWALSKA POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w KIELCACH Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Inżynierii Komunikacyjnej

2 LEPISZCZE STOSOWANE W DROGOWNICTWIE PŁYNNY ASFALT temperatura >> C EMULSJA ASFALTOWA woda w ilości od 20% do 35% ASFALT SPIENIONY woda w ilości od 1,5 % do 4,0 %

3 UKŁAD ZIARNO KRUSZYWA- ASFALT [6]

4 Charakterystyka asfaltu spienionego Asfalt spieniony uzyskuje się po wprowadzeniu do gorącego lepiszcza o temperaturze około 175ºC C małej ilości wody o temperaturze 20ºC. Optymalne spienienie uzyskuje się przy wprowadzeniu do asfaltu wody w ilości od 1,5% do 4,0% pod ciśnieniem 0,5 MPa. Spienienie asfaltu uzyskuje się dzięki zastosowaniu specjalnego układu dysz w urządzeniu wytwórczym (rys. 1).

5 Rys. 1. Schemat ideowy wytwarzania asfaltu spienionego [2]

6 Parametry charakteryzujące jakość asfaltu spienionego 1. Ekspansja, charakteryzowana przez wskaźnik ekspansji (WE Expansion Ratio) stosunek maksymalnej objętości asfaltu po spienieniu do objętości asfaltu przed spienieniem. 1. Czas połowicznego rozpadu okres półtrwania (t½) różnica między czasem w którym asfalt uzyskuje maksymalne spienienie a czasem w którym utrzymuje się jeszcze połowa maksymalnej jego ekspansji. 1. Współczynnik spienienia (WS Foam Index) charakteryzowany jest przez powierzchnię między linią wykresu ekspansji asfaltu spienionego a linią okresu jego półtrwania określa on stabilność asfaltu spienionego.

7 Rys. 2. Ideowy schemat powstawania ekspansji asfaltu i okresu jego półtrwania [1, 5]

8 Rys. 3. Klasyczna zależność ekspansji asfaltu i okresu jej półtrwania od ilości wody [2]

9 WŁAŚCIWOŚCI ASFALTU SPIENIONEGO A WYMAGANIA TECHNOLOGICZNE RECYKLOWANEGO MATERIAŁU Właściwości asfaltu spienionego Temperatura recyklowanego materiału mineralnego WS WE < 15 0 C 15 0 C 25 0 C > 25 0 C < 75 < 8 Nieodpowiednia Odpowiednia Zadawalając a Zadawalająca Dobra Dobra > 150 > 12 Dobra Bardzo dobra Bardzo dobra [1, 5]

10 Fot. 1. Urządzenie do wytwarzania asfaltu spienionego WLB 10 w laboratorium [2]

11 Technologie asfaltu spienionego stosowane do wytwarzania mma na ciepło: woda (LT-Asphalt ), Zeolit (naturalny lub sztuczny), asfalt miękki (tradycyjny) + spieniony asfalt miękki (tradycyjny) + spieniony (WAM Foam )

12 Asfalt spieniony w którym spienienie spowodowane jest przez wodę mieszanki mineralno-asfaltowe wytwarzane na ciepło ( poniżej C ) konstrukcyjne warstwy jezdne LT-Asphalt

13 LT-Asphalt (dostępny także pod nazwą LT-Asfalt) to technologia obejmująca specjalistyczne procesy pozwalające na produkcję niskotemperaturowych mieszanek mineralno-asfaltowych w LT-Asphalt temperaturze poniżej 100 C Prace nad technologią LT-Asphalt zostały zainicjowane w Holandii poprzez współpracę pomiędzy firmą Nynas, a czteroma firmami holenderskimi oraz Ośrodkiem Badawczym Holenderskiego Zarządu Dróg Technologia LT-Asphalt wykorzystuje: Unikatowy, zastrzeżony prawnie system wtrysku piany asfaltowej Specjalistyczne opracowane na potrzeby tej technologii lepiszcze Nyfoam oferowane w kilku wariantach penetracji Specjalistyczny system mieszania składników

14 Temperatura kruszywa 90 C Zastosowanie LT-Asphalt specjalnych asfaltów do spieniania (np.: Nyfoam 50) Zawartość asfaltu w mieszance nawet do 7% Dodatek specjalnego wypełniacza Możliwość stosowania do warstwy ścieralnej, wiążącej i podbudowy Urabialność do temperatury 60 C Właściwości mieszanki są porównywalne z mieszankami wytwarzanymi na gorąco Możliwość zastosowania w istniejących wytwórniach, po niewielkiej modernizacji Stosowanie typowych rozściełaczy i walców Fot. 2. Wbudowywanie LT-Asphalt [7]

15 WAM-Foam Rys.4 Proces produkcji WAM Foam [8]

16

17 Recykling głęboki na zimno w technologii asfaltu spienionego [2]

18 Krzywe dobrego uziarnienia mieszanki mineralnej podbudowy recyklowanej z asfaltem spienionym [1, 5]

19 Podbudowa w technologii recyklingu A B A podbudowa z asfaltem spienionym B podbudowa z emulsją asfaltową

20 Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie ITS 2 P ITS = 1000 [kpa] π h d gdzie: P maksymalna siła niszcząca [kn], h wysokość próbki [cm], d średnica próbki [cm]. Wskaźnik zmiany wytrzymałości TSR ITSwoda TSR = ITS gdzie: ITS wytrzymałość na rozciąganie pośrednie w stanie powietrzno-suchym [kpa], ITS woda wytrzymałość na rozciąganie pośrednie po nasączeniu wodą [kpa].

21 Rys. 5. Test pośredniego rozciągania

22 Tablica 1. Właściwości mechaniczne podbudowy z asfaltem spienionym Rodzaj materiału podbudowy Właściwości mechaniczne (określone na próbkach Marshalla) ITS [kpa] TSR Destrukt / Kruszywo (50:50) ,8 1,0 Kruszywo granulowane ,6 0,9 Żwir ,3 0,75 [1, 5]

23

24 Schemat procesu technologicznego recyklingu z asfaltem spienionym rozsypywacz środka wiążącego cysterna recykler z asfaltem zbiornik wody walec okołkowany równiarka walec stalowy gładki rozkładarka walec stalowy gadki [4]

25 Recykling głęboki konstrukcji nawierzchni Zasada mix-in-place woda do procesu frezowania woda do procesu spieniania gorący bitum wynik procesu frezowania stara uszkodzona warstwa asfaltu żwir / tłuczeń nowa warstwa asfaltowa nowa warstwa nośna żwir / tłuczeń przed metoda mix-in-place po [4]

26 Wykaz dróg na których zastosowano recykling głęboki na zimo w technologii asfaltu spienionego droga powiatowa Nr 0382T Tokarnia Wolica Siedlce Łukowa Chmielowice na odc. od DK nr 7 do m. Wolica od km do km (lipiec 2010) KR3, h=20cm, droga powiatowa Nr 0325T Bieliny Poduchowne Makoszyn, odc. Bieliny Poduchowne Zofiówka od km do km (wrzesień 2010) KR3, h=23cm.

27 Recykling głęboki na zimo z asfaltem spienionym drogi powiatowej Nr 0382T Tokarnia Wolica od km do km (lipiec 2010) Etapy opracowania technologii: ocena przydatności asfaltu do spieniania, analiza recyklowanego materiału, projekt recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej przeznaczonej na warstwę podbudowy nawierzchni obciążonej ruchem KR3, badania właściwości fizykomechanicznych mma, wykonanie podbudowy na miejscu za pomocą recyklera, badania kontrolne.

28 Tablica 1. Asfalty drogowe użyte do badania spienienia Lp. Rodzaj asfaltu drogowego Oznaczenie 1 Asfalt drogowy 50/70 50/70P 2 Asfalt drogowy 160/ /220T 3 Asfalt drogowy Nynas 50/70 50/70N 4 Asfalt drogowy Nynas Nyfoam 85 Nyfoam 85 Zawartość wody [%] 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

29 a) b) c) d) Rys. 1. Charakterystyki asfaltu spienionego wytworzonego z asfaltu a) 50/70P b) 160/220 T c) 50/70N d) Nyfoam 85

30 Tablica 2. Parametry asfaltu spienionego przy rekomendowanej ilości wody do spienienia Rodzaj asfaltu drogowego Zawartoś ć wody [%] WE (współczynnik ekspansji) t½ (czas połowicznego rozpadu) [s] określony zalecany określony zalecany 50/70P 3,0 8, , /220T 2,5 6,67 11,39 50/70N 2,0 10,38 9,74 Nyfoam 85 2,0 15,08 14,38

31 Projekt recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej Materiały mineralne destrukt asfaltowy 45 % kamienny 40 % Środki wiążące Kruszywo naturalne drobne 0/4 mm z Trzuskawicy 10 % Pyły wapienne 3,0 % Lepiszcze asfaltowe Asfalt spieniony Nyfoam 85 (+2% wody) 3,0 % Spoiwo hydrauliczne Cement portlandzki CEM I 32,5 2,0 %

32 Tablica 3. Właściwości fizykomechaniczne podbudowy z asfaltem spienionym Lp. Parametr 1 Zawartość wolnych przestrzeni [%] 10,15 2 Stabilność wg Marshalla [kn] 10,40 3 Odkształcenie wg Marshalla [mm] 2,67 4 Sztywność wg Marshalla [kn/mm] 3,89 5 ITSS [kpa] 597,82 6 ITSM [kpa] 518,09 7 TSR 0,87 8 Moduł sztywności pełzania [MPa] 27,7

33 3 2 1 Zestaw maszyn do recyklingu głębokiego w technologii asfaltu spienionego 1. Cysterna z wodą 2. Cysterna z asfaltem 3. Recykler 3

34 Gorący asfalt Podłączenie wody Woda do wytwarzania piany Bęben frezująco-mieszający Kierunek roboczy

35 Recyklowana MMA z asfaltem spienionym po przejściu recyklera Recykler oraz zespól walców zagęszczających podbudowę

36 Walce w czasie pracy Podbudowa w technologii recyklingu głębokiego z asfaltem spienionym

37 Odcinek III od km do km str. P Odcinek II od km do km str. L Odcinek IV od km do km str. P Odcinek I od m do km str. L Rys. 3. Plan orientacyjny

38 Tablica 4. Właściwości recyklowanej MMA z asfaltem spienionym na odcinkach roboczych Nr odc. Km str. I od m do km str. L II od km do km str. L III od km do km str. P IV od km do km str. P AS [%] C [%] Wp [%] S [kn] E [mm] Sz [kn/ mm] ITSs [kpa] ITSm [kpa] TSR Ms [MPa] 3 2 6,05 8,82 2,65 3,33 430,39 334,55 0,777 12,73 2,5 6,41 11,39 2,51 4,54 566,38 448,82 0,792 15,97 9,49 12,28 2,35 5,22 530,29 435,46 0,821 28,13 6,77 12,85 2,42 5,32 558,52 505,33 0,905 36,17

39 Tablica 5. Ocena nośności recyklowanej podbudowy w technologii asfaltu spienionego Nr odc Lokalizacja Moduł pierwotny E1 [MPa] Moduł wtórny E2 [MPa] Wskaźnik odkształcenia I0=E2/E1 Otrzymany Otrzymany Wymagany Otrzymany Wymagany I km str. L km str. L II km str. L III km str. P IV km str. P 96,14 183,63 150* 1,91 2,2* 117,73 236,84 2,01 146,77 236,84 1,61 101,35 210,28 2,07 96,44 173,07 1,79 * Zawadzki J., Matras J., Mechowski T., Sybilski D: Warunki techniczne wykonywania warstw podbudowy z mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej (MCE). Zeszyt 61 IBDiM, Warszawa.

40 Recykling głęboki na zimo z asfaltem spienionym drogi powiatowej Nr 0325T Bieliny Poduchowne - Makoszyn od km do km (wrzesień 2010) Etapy opracowania technologii: analiza recyklowanego materiału, projekt recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej przeznaczonej na warstwę podbudowy nawierzchni obciążonej ruchem KR3, badania właściwości fizykomechanicznych mma, wykonanie podbudowy na miejscu za pomocą recyklera, badania kontrolne.

41 Projekt recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej Materiały mineralne destrukt asfaltowy 17 % kamienny 12 % Środki wiążące Kruszywo naturalne 0/31,5 mm z Łagowa 65 % Pyły wapienne 4,0 % Lepiszcze asfaltowe Asfalt spieniony Nyfoam 85 (+2% wody) 3,0 % Spoiwo hydrauliczne Cement portlandzki CEM I 32,5 2,0 %

42 Rys. 4. Uziarnienie mieszanek mineralnych podbudowy w technologii recyklingu głębokiego na zimno z AS

43 Tablica 6. Właściwości fizykomechaniczne podbudowy z asfaltem spienionym Lp. Parametr 1 Zawartość wolnych przestrzeni [%] 9,22 2 Stabilność wg Marshalla [kn] 12,60 3 Odkształcenie wg Marshalla [mm] 2,85 4 Sztywność wg Marshalla [kn/mm] 4,42 5 ITS [kpa] 649,51 6 ITSwoda [kpa] 591,05 7 TSR 0,91 8 Moduł sztywności pełzania [MPa] 26,5

44 Zespół recyklujący w czasie pracy Warstwa podbudowy w technologii recyklingu głębokiego na zimno z asfaltem spienionym

45 Wnioski Zastosowanie asfaltu do technologii spieniania powinno być poprzedzone oceną jego właściwości spieniających, Asfalt spieniony jest pełnoprawnym lepiszczem do wykonywania nowych mma oraz wytwarzanych w czasie recyklingu głębokiego na zimno, Zastosowanie asfaltu spienionego pozwala na wytwarzanie mma w technologii na pół ciepło, Asfalt spieniony pozowała uzyskać recyklowaną podbudowę o wysokich parametrach mechanicznych co umożliwia jej obciążenie ruchem pojazdów już po jednym dniu.

46 Prezentacji wykorzystano informacje zawarte w: [1] Wirtgen Cold Recycling Manual. Wirtgen GmbH. Windhagen. Germany [2] Bitumy pieniste innowacyjne spoiwo do budowy dróg. Wirtgen. Polska [3] Foam recycling project, Canyon de Chelly / Arizona. Wirtgen [4] Maszyny do zagęszczania podłoża firmy Bomag. Kielce. Autostrada 2006 [5] Iwański M.: Podbudowy z asfaltem spieniony. Drogownictwo 3, 2006, s [6] Iwański M., Chomicz. A: Przydatność do spieniania asfaltów stosowanych w Polsce. Drogownictwo 8, 2006, s [7] LT-Asphalt / LT-Asfalt - Zastosowania na zimno i na ciepło, Nyfoam, Informacja grupy produktowej, Nynas [8] WAM Foam: Asphalt pavements at lower temperatures,, BP, WMA TWG, 2007, Hunt Valley

47 Dziękuje za uwagę