Odporność na starzenie i spękania niskotemperaturowe betonów asfaltowych zawierających asfalt wielorodzajowy

Transkrypt

1

2 Bohdan Dołzycki Politechnika Gdańska Polska Odporność na starzenie i spękania niskotemperaturowe betonów asfaltowych zawierających asfalt wielorodzajowy Streszczenie: W roku 24 w Laboratorium Badań Drogowych Politechniki Gdańskiej przeprowadzono badania odporności na starzenie i spękania niskotemperaturowe betonów asfaltowych zawierających asfalty zwykłe, modyfikowane oraz asfalt wielorodzajowy (typu multigrade). Badanie starzeni przeprowadzono według procedury opracowanej w programie SHRP, badanie odporności na spękania niskotemperaturowe przeprowadzono według metody opracowanej na Politechnice Gdańskiej. W wyniku tych badań stwierdzono, że betony asfaltowe zawierające asfalty wielorodzajowe charakteryzowały się wyraźnie mniejszymi modułami sztywności w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi pozostałe asfalty oraz charakteryzowały się lepszą odpornością na spękania niskotemperaturowe. Starzenie betonów asfaltowych zawierających asfalt wielorodzajowy było większe w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi pozostałe asfalty. 1. Wprowadzenie W projektowaniu betonu asfaltowego powinno się dążyć do uzyskania z jednej strony podatnego betonu, o małej sztywności, odpornego na spękania a z drugiej strony na tyle sztywnego, aby był odporny na deformacje trwałe. Przeprowadzone w 24 roku w Katedrze Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej pokazały, że takie efekt można uzyskać stosując asfalt wielorodzajowy. Przeprowadzono obszerne badania określające odporność betonów asfaltowych na starzenie oraz na działanie niskich temperatur [1]. Badania te obejmowały: 1. Określenie wpływu starzenia na moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu, 2. Określenie wpływu starzenia na wytrzymałość na pośrednie rozciąganie, 3. Określenie wpływu starzenia na zmianę sztywności w temperaturach od +2 do -2 C. 4. Określenie odporności na spękania niskotemperaturowe. Przeprowadzone badanie pozwoliły na przedstawienie korzystnego wpływu asfaltu wielorodzajowego na cechy betonu asfaltowego. 2. Badania laboratoryjne 2.1. Materiał Do badań zaprojektowano dwa rodzaje betonu asfaltowego wg PN-S-9625:2 Drogi samochodowe i lotniskowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania.. Dla asfaltów: 35/5 oraz DE 3 B zaprojektowano beton asfaltowy /2 do warstwy wiążącej. Dla asfaltów 5/ 7 i DE 8 B zaprojektowano beton asfaltowy do warstwy ścieralnej. Z asfaltem wielorodzajowym 5/7 wykonano beton asfaltowy zarówno do warstwy wiążącej jak i do ścieralnej. 1

3 2.2. Przygotowanie próbek do badań Do badań przygotowano dwa rodzaje próbek: Do badania pośredniego rozciągania próbki walcowe, o średnicy 11 mm i średniej wysokości 63,5 mm, zagęszczane udarowo w ubijaku Marshalla, Do badania zginania próbki prostopadłościenne, belki o wymiarach 5 x 5 x 3 mm, zagęszczane walcem. Do badań przygotowano beton asfaltowy według trzech schematów kondycjonowania: 1. Próbki niestarzone (BS) próbki niepoddane procesowi starzenia. Wyniki uzyskane dla tych próbek były poziomem odniesienia, w stosunku do jakiego porównywano wyniki uzyskane dla próbek poddanych procesowi starzenia. 2. Próbki po starzeniu krótkoterminowym (SK) próbki z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego. Starzenie krótkoterminowe mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany, jakie zachodzą podczas produkcji, transportu, wbudowania i zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej 3. Próbki po starzeniu długoterminowym (SD) próbki wykonane z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego a po nim dodatkowo procesowi starzenia długoterminowego. Starzenie długoterminowe mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany, jakie zachodzą podczas eksploatacji nawierzchni. Starzenie krótkoterminowe i długoterminowe przeprowadzono według procedury, opracowanej w Katedrze Inżynierii Drogowej przez Ar-Rabtiego i Judyckiego [2, 3, 4], na podstawie badań prowadzonych w ramach amerykańskiego programu badawczego SHRP (Strategic Highway Reaserch Program) [4, 5, 6] Badania laboratoryjne Do określenia cech betonów asfaltowych zastosowano następujące metody badawcze: Pośrednie rozciąganie (rys. 1), w którym określono moduł sztywności sprężystej oraz wytrzymałość na pośrednie rozciąganie [7]. Badanie odporności na zginanie (rys. 2), w temperaturze +1 C i -2 C, w którym określono odkształcenie graniczne, wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, moduł sztywności oraz wskaźnik usztywnienia [8,9,1]. Rysunek 2. Próbka podczas badania zginania belki Rysunek 1. Badanie pośredniego rozciągania 2

4 2.4. Ocena betonów asfaltowych Ocena odporności na starzenie. Wpływ starzenia w pośrednim rozciąganiu określono poprzez wyznaczenie wskaźnika modułu sztywności oraz wskaźnika wytrzymałości na pośrednie rozciąganie w temperaturze +25 C. Wskaźniki zdefiniowano jako stosunek wartości uzyskanej po procesie starzenia krótko lub długoterminowego do wartości uzyskanych dla próbek niepoddanych procesom starzenia. Betony asfaltowe w wyniku starzenia powinny charakteryzować się jak najmniejszymi zmianami. Im mniejszy wskaźnik, tym lepsza odporność betonu asfaltowego na procesy starzenia. Ocena sztywności betonu asfaltowego. Ocenę sztywności betonu asfaltowego przeprowadzono w poprzez określenie modułów sztywności sprężystej w temperaturach od -2 C do +2 C, dla próbek niepoddanych starzeniu oraz poddanych starzeniu krótko i długoterminowemu. Beton asfaltowy o mniejszej sztywności jest mniej podatny na spękania. Ocena odporności na spękania niskotemperaturowe. Ocena badanych betonów asfaltowych przeprowadzona została w oparciu o odkształcenie graniczne, wytrzymałość na rozciągnie przy zginaniu, moduł sztywności, w temperaturze -2 C oraz wskaźnik usztywnienia określający zmianę modułu sztywności w miarę oziębiania próbki z betonu asfaltowego. Najbardziej korzystne cechy w niskich temperaturach ma beton asfaltowy, który: 1. Ma większą wytrzymałość na pośrednie rozciąganie, ponieważ może przenieść większe naprężenia termiczne, 2. Ma wyższe odkształcenia graniczne, ponieważ jest bardziej podatny i zachowuje największą odkształcalność, 3. Ma mniejszy moduł sztywności, ponieważ naprężenia termiczne są wprost proporcjonalne do wielkości tego modułu, 4. Ma mniejszy wskaźnik usztywnienia, ponieważ jest najmniej wrażliwy termicznie. 3. Wyniki badań Zestawienie wyników badań modułu sprężystości oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie, w +25 C, na podstawie których oceniano wpływ starzenia, przedstawiają odpowiednio rysunek 3 i rysunek 4. Wyniki badań modułu sztywności przedstawiające zmiany sztywności w temperaturach +2 C, +1 C, C, -1 C i -2 C przedstawiono na rysunku 5. Wyniki badania odporności na zginania, na podstawie których oceniano odporność na spękania niskotemperaturowe przedstawiono na rysunku 6. 3

5 Modu sztywno ci warstwy wi cej w +25 C Modu sztywno ci warstwy cieralnej w +25 C bez starzenia starzenie krótkotermionowe starzenie d ugotermionowe bez starzenia starzenie krótkotermionowe starzenie d ugotermionowe /7 DE 8 B 5/7 W Wska nik sztywno ci [-] 2, 1,8 1,6 1,4 1,,8,6,4,2 1,4 1,35 Wska nik sztywno ci, warstwy wi cej w +25 C,85 1,33 WS po starzeniu krótkotermionowym WS po starzeniu d ugotermionwym 1,13 1,8 Wska nik sztywno ci [-] 2, 1,8 1,6 1,4 1,,8,6,4,2 1,16 1,65 Wska nik sztywno ci, warstwy cieralnej w +25 C 1,17 1,63 1,35 WS po starzeniu krótkotermionowym WS po starzeniu d ugotermionwym 1,6 5/7 DE 8 B 5/7 W Rysunek 3. Moduły sztywności oraz wskaźniki sztywności betonu asfaltowego /2 do warstwy wiążącej oraz betonu asfaltowego /16 do warstwy ścieralnej w temperaturze +25 C Wytrzyma o na po rednie rozci ganie warstwy wi cej w +25 C Wytrzyma o na po rednie rozci ganie warstwy cieralnej w +25 C Wytrzyma o na po rednie rozci ganie [MPa] 1,6 1,4 1,,8,6,4,2 1 1,32 1,33 1,3 1,18 1,34 bez starzenia starzenie krótkotermionowe starzenie d ugotermionowe,71,76,91 Wytrzyma o na po rednie rozci ganie [MPa] 1,6 1,4 1,,8,6,4,2 1,6 1,11 1,18 bez starzenia 1,3 starzenie krótkotermionowe starzenie d ugotermionowe,83,85,84 5/7 DE 8 B 5/7 W 1,4 Wska nik wytrzyma o ci warstwy wi cej w +25 C 8 1,4 Wska nik wytrzyma o ci warstwy cieralnej w +25 C Wska nik wytrzyma o ci [-] 1,,8,6,4,2 1,9 1,1,91 1,3 1,7 WR po starzeniu krótkotermionowym WR po starzeniu d ugotermionwym Wska nik wytrzyma o ci [- ] 1,,8,6,4,2 1,5 1,6 1, 1,1 WR po starzeniu krótkotermionowym WR po starzeniu d ugotermionwym 1,1 5/7 DE 8 B 5/7 W Rysunek 4. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie oraz wskaźniki wytrzymałości betonu asfaltowego /2 do warstwy wiążącej oraz betonu asfaltowego /16 do warstwy ścieralnej w temperaturze +25 C 4

6 Warstwa wi ca, bez starzenia Warstwa cieralna bez starzenia /5 DE 3 B 5/7 W /7 DE 8 B 5/7 W Warstwa wi ca, po starzeniu krótkotermionowym Warstwa cieralna po starzeniu krótkotermionowym /5 DE 3 B 5/7 W /7 DE 8 B 5/7 W Warstwa wi ca, po starzeniu d ugotermionowym Warstwa cieralna po starzeniu d ugotermionowym /5 DE 3 B 5/7 W /7 DE 8 B 5/7 W Rysunek 5. Moduły sztywności betonów asfaltowych do warstwy wiążącej i ścieralnej w zależności od zmiany temperatury badania 5

7 Odkszta cenie graniczne warstwy wi cej w -2 C Odkszta cenie graniczne warstwy cieralnej w -2 C Odkszta cenie graniczne [ ] 1,,8,6,4,2,41,45,73 Odkszta cenie graniczne [ ] 1,,8,6,4,2,56,55,91 5/7 DE 8 B 5/7 W 1 Wytrzyma o na rozci ganie przy zginaniu warstwy wi cej w -2 C 1 Wytrzyma o na rozci ganie przy zginaniu warstwy cieralnej w -2 C Wytrzyma o [MPa] 8, 6, 4, 2, 5,44 5,35 3,64 Wytrzyma o [MPa] 8, 6, 4, 2, 6,49 7,25 7,54 5/7 DE 8 B 5/7 W Modu sztywno ci warstwy wi cej w -2 C Modu sztywno ci warstwy cieralnej w -2 C Modu sztywno ci [GPa] 2 18, 16, 14, 12, 1 8, 6, 4, 2, 13,1 12,2 5,24 Modu sztywno ci [GPa] 2 18, 16, 14, 12, 1 8, 6, 4, 2, 11,13 13,95 8,47 5/7 DE 8 B 5/7 W Wska nik usztywnienia warstwy wi cej Wska nik usztywnienia warstwy cieralnej,7,7 Wska nik usztywnienia [GPa/ C],6,5,4,3,2,1,42,38,17 Wska nik usztywnienia [GPa/ C],6,5,4,3,2,1,36,46,27 5/7 DE 8 B 5/7 W Rysunek 6. Wyniki badania zginania betonów asfaltowych do warstwy wiążącej i ścieralnej 6

8 4. Wnioski 4.1 Starzenie betonu asfaltowego Na podstawie przeprowadzonych badań odporności na starzenie betonów asfaltowych można stwierdzić, że: 1. Beton asfaltowy zawierający asfalt wielorodzajowy do warstwy wiążącej, po starzeniu długoterminowym, ma większy wskaźnik sztywności oraz wskaźnik wytrzymałości w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi asfalt zwykły lub modyfikowany. 2. Beton asfaltowy do warstwy wiążącej z asfaltem wielorodzajowym 5/7 charakteryzował się wskaźnikami sztywności typowymi dla betonów asfaltowych badanych dotychczas w Laboratorium Badań Drogowych. 3. W przypadku warstwy ścieralnej wskaźnik sztywności był podobny niezależnie od rodzaju asfaltu zastosowanego do betonu asfaltowego. Wskaźniki sztywności praktycznie nie uległy zmianie, pomimo procesów starzenia betonu asfaltowego. 4. W badaniu odporności na starzenie stwierdzono wyraźnie mniejszą wytrzymałość na pośrednie rozciąganie oraz mniejszy moduł sztywności betonów asfaltowych zawierających asfalty wielorodzajowe. Wskazuje to na mniejszą sztywność mieszanek mineralno-asfaltowych zawierających asfalt wielorodzajowy Sztywności betonu asfaltowego Badania modułów sztywności w temperaturach od -2 C do +2 C pozwalają stwierdzić, że moduł sztywności betonów asfaltowych, zarówno do warstwy wiążącej jak i ścieralnej, zawierających asfalt wielorodzajowy jest wyraźnie mniejszy od modułów sztywności betonów asfaltowych zawierających asfalty zwykłe lub modyfikowane. Szczególnie widoczne jest to w temperaturach mniejszych od C. Dzięki mniejszej sztywności betony asfaltowe zwierające asfalt wielorodzajowy są bardziej podatne i odporna na spękania Odporność na spękania niskotemperaturowe Beton asfaltowy do warstwy wiążącej zawierający asfalt wielorodzajowy okazał się betonem o wyraźnie większym odkształceniu granicznym, mniejszej wytrzymałości, mniejszym module sztywności i wyraźnie mniejszym wskaźniku usztywnienia w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi asfalt zwykły lub modyfikowany. W przypadku betonu asfaltowego do warstwy ścieralnej tendencje były podobne. Beton asfaltowy z asfaltem wielorodzajowym miał wyraźnie większe odkształcenie, mniejszy moduł sztywności oraz mniejszy wskaźnik usztywnienia. W badaniu zginania w niskich temperaturach betony asfaltowe zarówno do warstwy ścieralnej jak i wiążącej zawierające asfalt wielorodzajowy okazały się wyraźnie bardziej podatne i mniej wrażliwe na zmiany temperatury w porównaniu z pozostałymi asfaltami. 5. Podsumowanie Betony asfaltowe, zarówno do warstwy wiążącej jak i ścieralnej, zawierające asfalt wielorodzajowym 5/7, co prawda charakteryzowały się mniejszą odpornością na starzenie, w porównaniu z pozostałymi badanymi betonami asfaltowymi, ale były zdecydowanie mniej sztywne i charakteryzowały się najlepszą odpornością na spękania niskotemperaturowe, spośród badanych betonów asfaltowych. Dzięki tym cechom warstwa zbudowana z takiego betonu asfaltowego będzie bardziej podatna, mniej sztywna a przez to bardziej odporna na spękania. 7

9 Literatura 1. Judycki J., Dołżycki B. Badania wpływu właściwości asfaltów produkcji ORLEN AS- FALT Sp. z o.o. na starzenie i spękania niskotemperaturowe betonów asfaltowych, Politechnika Gdańska, praca niepublikowana, Gdańsk Ar-Rabti A. The effect of aging on mechanistically properties of asphalt concrete, stone mastic asphalt and porus asphalt mixes, Doctor s thesis, Gdańsk Ar-Rabti A.H.G, Judycki J. Effect of Some Testing Variables on Resilient Modulus of Asphalt Mixes Determined in Indirect Tensile Method, International Journal of Road Materials and Pavement Design, vol. 1, iss. 3, SHARP-A-383, (1994), Selection of Laboratory Aging Procedures for Asphalt-Aggregate Mixtures, Strategic Highway Research Program, Washington, D.C 5. SHARP-A-384, (1994), Aging: Binder Validation, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, D.C. 6. SHARP-A-39, (1994), Laboratory Aging of Asphalt Aggregate Mixtures: Field Validation, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, D.C. 7. Nottingham Asphalt Tester, NAT Manual, 1st version, October Judycki J. Pszczoła M. Jaskuła P. Modyfikacja metody zginani belek z mieszanek mineralnoasfaltowych i ocena ich parametrów reologicznych, Kielce Judycki J. Metoda badań właściwości reologicznych drogowego betonu asfaltowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Budownictwo Lądowe, Nr 29, Gdańsk Judycki, J. Asfalty drogowe i mieszanki mineralno-asfaltowe modyfikowane elastomerem, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Budownictwo Lądowe, XLV, Nr 45, Gdańsk 1991 RESISTANCE TO AGING AND LOW TEMPERATURE CRACKING OF ASPHALT CONCRETE CONTAINING MULTIGRADE BITUMEN In 24 the Road Laboratory of Gdańsk University of Technology conducted an investigation of resistance to aging and low temperature cracking of asphalt concrete containing pure, modified and multigrade bitumen. The investigation of aging was conducted according to the SHRP procedure. The investigation of low temperature cracking was conducted according to the Gdańsk University of Technology procedure. It was found that asphalt concrete containing multigrade bitumen is less resistant to aging, has a lower stiffness and is more resistant to temperature cracking than asphalt concretes containing pure or modified bitumen. Asphalt layer built from asphalt concrete containing multigrade bitumen is more flexible and more resistant to cracking. 8