EFEKTYWNOŚĆ DZIAŁANIA WAPNA HYDRATYZOWANEGO W BETONIE ASFALTOWYM

Transkrypt

1 III Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym Poznań, 8 9 września rd International Conference Modern Technologies in Highway Engineering Poznań, 8 9 September, 2005 Piotr Jaskuła Politechnika Gdańska, Polska EFEKTYWNOŚĆ DZIAŁANIA WAPNA HYDRATYZOWANEGO W BETONIE ASFALTOWYM Streszczenie: W artykule przedstawiono ocenę efektywności działania wapna hydratyzowanego w betonie asfaltowym na podstawie analizy wyników badań laboratoryjnych i terenowych z odcinka doświadczalnego. Wykonano badania odporności na działanie wody i mrozu, odporności na deformacje trwałe oraz oceny stanu nawierzchni, równości poprzecznej i szorstkości odcinka doświadczalnego, gdzie w dwóch sekcjach odpowiednio wbudowano beton asfaltowy z dodatkiem wapna hydratyzowanego i ciekłego środka adhezyjnego. Stwierdzono, że wapno hydratyzowane może być stosowane w betonie asfaltowym jako alternatywa dla chemicznych środków adhezyjnych. 1. WSTĘP Odmywanie asfaltu z powierzchni kruszywa przez wodę oraz potęgowane przez wodę i mróz niszczy strukturę wewnętrzną mieszanki mineralno-asfaltowej, obniżając jej parametry mechaniczne takie jak: sztywność, stabilność i wytrzymałość. Prowadzi to do zmniejszenia trwałości mieszanki mineralno-asfaltowej i w konsekwencji całej konstrukcji nawierzchni. Powodem tego zjawiska jest niewystarczająca przyczepność (adhezja) asfaltu do kruszywa, uzyskiwana w momencie pierwszego kontaktu i wymagana przez cały okres eksploatacji nawierzchni. Jedną ze skuteczniejszych metod zwiększania adhezji asfaltu do kruszywa, a zatem zwiększenia odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu jest dodatek wapna hydratyzowanego (wodorotlenku wapnia) do mieszanek mineralno-asfaltowych.

2 329 W referacie przedstawiono kontynuację badań prowadzonych przez autora dotychczas w skali laboratoryjnej, nad oceną mieszanek mineralno-asfaltowych z zastosowaniem różnych środków adhezyjnych. Są to obserwacje wraz z badaniami prowadzonymi w terenie na odcinku doświadczalnym z zastosowaniem betonów asfaltowych z dodatkiem wapna hydratyzowanego i aminu tłuszczowego [1]. Badania prowadzono w celu sprawdzenia oceny oddziaływania wapna hydratyzowanego i aminu tłuszczowego, a dodatkowo w celu: odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu, odporności betonu asfaltowego na deformacje trwałe, zmian w stanie nawierzchni podczas eksploatacji. W zakres prac wchodzą badania próbek betonów asfaltowych pobranych przed ich wbudowaniem w nawierzchnię oraz próbek odwiercanych z nawierzchni, jak i badania stanu nawierzchni. 2. ODCINEK DOŚWIADCZALNY Odcinek doświadczalny zlokalizowano w ciągu ul. Chwarznieńskiej w Gdyni, przecinającej Obwodnicę Trójmiasta (węzeł komunikacyjny Chwarzno), przez co pełni ważną funkcję komunikacyjną, łącząc Obwodnicę Trójmiasta z miastem Gdynia. Łączna długość odcinka doświadczalnego wynosi 420 m. Rys. 1. Szkic sytuacyjny odcinka doświadczalnego z podziałem na 2 sekcje z aminem tłuszczowym (ciekły środek adhezyjny) i z wapnem hydratyzowanym. Odcinek doświadczalny dokładnie pokrywa się z remontowanym odcinkiem ulicy Chwarznieńskiej finansowanym przez Miasto Gdynia. Remont polegał na wbudowaniu na istniejącą nawierzchnię nakładki z betonu asfaltowego. Wbudowano 6 cm betonu asfaltowego 0/20 w warstwę wiążącą i 5 cm betonu asfaltowego 0/12,8 w warstwę ścieralną. Betony asfaltowe wykonano zgodnie z Zeszytem

3 IBDiM. W betonie asfaltowym do warstwy ścieralnej jako środek adhezyjny zastosowano w jednej sekcji amin tłuszczowy, wbudowany na długości 200 m oraz w drugiej sekcji wapno hydratyzowane, wbudowane na długości 220 m Skład i materiały użyte do betonu asfaltowego warstwy ścieralnej W betonie asfaltowym 0/12,8 do warstwy ścieralnej zastosowano asfalt zwykły D50RG produkowany w Rafinerii Gdańskiej S.A. (1999), grysy granitowe ze Szwecji i Szkocji, miał granitowy ze Szwecji, piasek naturalny z Rybak i wypełniacz wapienny Nordkalk ze Szwecji. Jako dodatki zwiększające adhezję asfaltu do kruszywa zastosowano oddzielnie: amin tłuszczowy produkowany w Kędzierzynie Koźle, wapno hydratyzowane produkowane w Bukowej przez firmę Lhoist Polska. Optymalną zawartość asfaltu w betonie asfaltowym wyznaczono metodą Marshalla. Tab. 1. Właściwości betonów asfaltowych do warstwy ścieralnej i optymalne zawartości asfaltu Lp. Właściwość z dodatkiem wapna do m.m. Beton asfaltowy z dodatkiem aminu tłuszczowego Wymagania 1. Stabilność [kn] 11,2 10,4 >10 2. Odkształcenie [mm] 4,0 4,2 2,0-4,0 3. Wskaźnik Marshalla [kn/mm] 2,8 2,5 2,5-4,0 4. Zawartość wolnych przestrzeni w betonie asfaltowym [%] 2,4 2,2 2,0-4,0 5. Zawartość wolnych przestrzeni w mieszance mineralnej [%] 6. Zawartość wolnych przestrzeni wypełnionych asfaltem, [%] 13,8 13,5-83,2 84, Moduł sztywności z pełzania 21,1 14,7 >14 40 C, [MPa] 8. Zawartość lepiszcza [%] 5,2 5,2 4,5-5,6 Uwaga: Odkształcenie dla betonu asfaltowego z wykorzystaniem aminu tłuszczowego jest równe 4,2 mm i przekracza wartość wymaganą równą 4 mm. Spowodowane jest to prawdopodobnie zastosowaniem 30% piasku naturalnego w stosunku do frakcji piaskowej w mieszance mineralnej. Wpłynęło to na zmniejszenie kąta tarcia wewnętrznego mieszanki mineralnej. Dodatkowo, zastosowanie aminu tłuszczowego zmniejsza lepkość asfaltu, co przyczynia się do zwiększenia odkształcenia z badania Marshalla betonu asfaltowego.

4 3. ODPORNOŚĆ NA DZIAŁANIE WODY I MROZU PRÓBEK BETONU ASFALTOWEGO POBRANEGO Z ZASOBNIKA ROZKŁADARKI I UFORMOWANYCH W LABORATORIUM 331 Badania odporności betonów asfaltowych na działanie wody i mrozu przeprowadzono wg procedury Lottmana znormalizowanej w postaci normy AASHTO T283, dokładnie omówionej w [2]. Wykonano badania: rozciągania pośredniego i modułu sztywności sprężystej w temperaturze 20 C. W każdym przypadku badano niemniej niż 6 próbek jednorodnych. Wyniki badań przedstawiono w tablicy 2. Tab. 2. Wyniki badań odporności betonów asfaltowych na działanie wody i mrozu Badanie Beton asfaltowy z aminem tłuszczowym z wapnem hydratyzowanym Moduł sztywności sprężystej w 20 C [MPa] Bez kondycjonowania Kondycjonowanie (próż. nasyc., 1 cykl zamraż.-odmraż., łaźnia wodna 60 C, 24 godz.) Wskaźnik modułu [%] 83,7 85,3 Wytrzymałość na pośrednie rozciaganie w 20 C [MPa] Bez kondycjonowania 0,80 0,70 Kondycjonowanie (próż. nasyc., 1 cykl zamraż.-odmraż., łaźnia wodna 60 C, 24 godz.) 0,84 0,72 Wskaźnik wytrzymałości [%] 105,0 102,9 Uwaga: Próbki pobrane z zasobnika rozkładarki i uformowane w laboratorium. Próbki betonów asfaltowych pobranych z zasobnika rozkładarki bezpośrednio przed ich wbudowaniem i zagęszczone w laboratorium zachowują odporność na działanie wody i mrozu. Wskaźniki modułu sztywności sprężystej zarówno dla mieszanki z wapnem hydratyzowanym jak i z aminem tłuszczowym są powyżej wartości dopuszczalnej równej 80%, i wynoszą odpowiednio 85 i 84%. Wskaźniki wytrzymałości na pośrednie rozciąganie wynoszą 103% dla mieszanki z wapnem hydratyzowanym i 105% dla mieszanki z aminem tłuszczowym. Świadczy to o znikomym oddziaływaniu wody i mrozu na wyprodukowane betony asfaltowe, z zastosowaniem obu środków adhezyjnych. Przeprowadzone porównanie wyników badań odporności na działanie wody i mrozu z mieszanki wytworzonej w laboratorium i wyprodukowanej w otaczarce nie wykazują różnic w odporności tych mieszanek (tab. 3).

5 332 Tab. 3. Porównanie wyników badań odporności na działanie wody i mrozu mieszanek wytworzonych w laboratorium i wyprodukowanych w otaczarce Wskaźnik Beton asfaltowy wytworzony w laboratorium Z aminem tłuszczowym Z wapnem hydratyzowanym Beton asfaltowy z budowy Z aminem tłuszczowym Z wapnem hydratyzowanym Modułu WS [%] (2846/2872) 101 (2743/2811) 102 (2208/1848) 84 (2307/1968) 85 WytrzymałośćiWR [%] (1,02/0,82) 80 (0,87/0,80) 92 (0,80/0,84) 105 (0,70/0,72) ODPORNOŚĆ NA DEFORMACJE TRWAŁE WBUDOWANEGO BETONU ASFALTOWEGO Do badań wycięto z nawierzchni odcinka doświadczalnego po 3,5 miesięcznym użytkowaniu próbki φ200. Wyniki badań z koleinomierza kołowego przedstawiono w tab. 4. Tab. 4. Wyniki badania z koleinomierza kołowym betonów asfaltowych w temperaturze +60 C Beton asfaltowy Cecha z wapnem z aminem tłuszczowym hydratyzowanym Głębokość koleiny, +60 C [mm] 3,8 5,8 Prędkość przyrostu koleiny, +60 C [mm/godz.] 2,2 3,7 Uwaga: Próbki wycięte z gotowej nawierzchni po 3,5 miesiącach eksploatacji. Badania w koleinomierzu kołowym próbek betonów asfaltowych wyciętych z nawierzchni po 3,5 miesięcznym użytkowaniu wykazały odporność wbudowanych betonów asfaltowych na deformację trwałe. Wyniki są niższe od wartości dopuszczalnej podane w katalogu wzmocnień nawierzchni podatnych. Porównanie wyników badań w koleinomierzu kołowym, przeprowadzonych na betonach asfaltowych wytworzonych w laboratorium i wyprodukowanych w otaczarce i odwiercanych z gotowej nawierzchni nie wykazało różnic w parametrach mechanicznych (patrz tab. 5). Tab. 5. Porównanie wyników badań koleinowania mieszanek wytworzonych w laboratorium i wyprodukowanych w otaczarce, odwierconych Cecha Beton asfaltowy wytworzony w laboratorium Z wapnem hydratyzowanym Z aminem tłuszczowym Beton asfaltowy odwiercany z gotowej nawierzchni Z wapnem hydratyzowanym Z aminem tłuszczowym Prędkość przyrostu koleiny [mm/h] 2,8 2,4 3,7 2,2 Głębokość koleiny [mm] 5,7 5,6 5,8 3,8

6 Koleiny w nawierzchni Pomiar koleiny w nawierzchni wykonano, po 3,5 miesiącach użytkowania ulicy, według normy BN-68/ Drogi samochodowe. Pomiar równości nawierzchni planografem i łatą. Do pomiarów zastosowano 2-metrową łatę oraz klin pomiarowy. Pomiary wykonano na każdym pasie ruchu w zewnętrznej koleinie. Wyniki pomiaru głębokości kolein podano na rys. 2 i w apno hydratyzow ane G łę bokość k o le in y H n [m m ] pas ruchu od Gdyni z T eram inem Rys. 2. Głębokość koleiny H n z lokalizacją punktów badawczych do koleinowania w koleinowmierzu wapno hydratyzowane G łę bokość koleiny Hn [m m ] pas ruchu do Gdyni z T eram inem Rys. 3. Głębokosć koleiny H n z lokalizacją punktów badawczych do koleinowania w koleinomierzu Zaskakującym okazał się wynik pomiaru głębokości koleiny w nawierzchni. Nawierzchnia po 3,5 miesiącach wykazała początki deformacji trwałych. Pomierzona koleina wynosiła 3-4 mm, co w nowej nawierzchni (nakładce) z betonu asfaltowego o podwyższonej trwałości na deformacje trwałe, po tak krótkim czasie użytkowania spotykano rzadko, przede wszystkim wtedy, gdy wbudowany beton asfaltowy nie odbiegał znacznie parametrami od prawidłowo zaprojektowanego. W tym przypadku badania laboratoryjne nie potwierdziły różnic w parametrach mechanicznych wykonanych i projektowanych betonów asfaltowych. Tak, więc przyczyna nadmiernych deformacji musi tkwić we właściwościach warstw dolnych konstrukcji nawierzchni, położonych pod wykonaną nakładką. Złym podłożem na odcinku doświadczalnym są pozostawione, stare warstwy bitumiczne, nieodporne na deformacje trwałe.

7 OCENA STANU NAWIERZCHNI ODCINKA DOŚWIADCZALNEGO PO 4 LATACH EKSPLOATACJI Po 4 latach eksploatacji odcinka doświadczalnego wykonano badania stanu nawierzchni. Badania polegały na wykonaniu: oceny wizualnej stanu nawierzchni (2003), równości podłużnej planografem (2003), równości poprzecznej (głębokości koleiny) łatą 2 m (2003), szorstkości nawierzchni przyczepką pomiarową SRT IBDiM (2003) Ocena wizualna Analizę stanu nawierzchni odcinka doświadczalnego przeprowadzono na podstawie oceny wizualnej wg wytycznych Systemu Oceny Stanu Nawierzchni SOSN Generalnej Dyrekcji Dróg Publicznych z Oceniane sekcje z wapnem hydratyzowanym i ciekłym środkiem adhezyjnym nie wykazały jakichkolwiek zniszczeń. Wizualnie ich stan był taki sam, oceniony jako dobry (rys. 4). Rys. 4. Nawierzchnia odcinka z dodatkiem odpowiednio wapna hydratyzowanego i ciekłego środka adhezyjnego stan dobry (najlepsza ocena wg SOSN) 5.2. Pomiar równości podłużnej Pomiar równości nawierzchni wykonano po 4 latach eksploatacji ulicy, wg normy BN-68/ Drogi samochodowe. Pomiar równości nawierzchni planografem i łatą. Wyniki pomiarów są bliskie lub równe wartościom dopuszczalnym 6 i 7 mm dla ulic miejskich. Na części odcinka, gdzie wykorzystano wapno hydratyzowane jeden pomiar odbiega od wartości dopuszczalnej. Jednak, że pomiar planografem jest przeprowadzany w sposób ciągły można uznać, że wynik ten jest zakłóceniem wynikającym z zanieczyszczenia jezdni (gałąź, ziarno kruszywa itp.). Wykonana nawierzchnia odcinka doświadczalnego, gdzie w jednej części w warstwie ścieralnej zastosowano dodatek wapna hydratyzowanego a w drugiej

8 335 dodatek aminu tłuszczowego, jako środka adhezyjnego, spełnia wymagania równości podłużnej. Dodatek wapna hydratyzowanego czy aminu tłuszczowego, jako środka adhezyjnego do warstwy ścieralnej z betonu asfaltowego nie wpływa na równości nawierzchni w czasie eksploatacji Pomiar równości poprzecznej (głębokość koleiny) Pomiar równości poprzecznej nawierzchni wykonano po 4 latach eksploatacji ulicy, według normy BN-68/ Drogi samochodowe. Pomiar równości nawierzchni planografem i łatą w sposób z automatyzowany. Zamiast typowej łaty i klina wykorzystano profilograf firmy Omega z Gdańska, gdzie rejestracja nierówności odbywa się automatycznie na długości 2 m łaty. Pomiary wykonano na każdym pasie ruchu w zewnętrznej koleinie. 30 G łę bokość k o le in y H n [m m ] pas ruchu od G dyni 25 wapno hydratyzowane z Teram inem G łę bokość k o le in y H n [m m ] pas ruchu do G dyni wapno hydratyzowane z Teram inem Rys. 5. Zestawienie głębokosci koleiny H n Wyniki badań nierówności poprzecznej (głębokości koleiny) nawierzchni odcinka doświadczalnego pokazują, że po 4 latach eksploatacji nawierzchnia osiągnęła miarodajną koleinę od 4 do 9 mm, co klasyfikuje nawierzchnię wg metody SOSN w klasie A (zadawalającej). Z analizy wykluczono koleinę 25 mm na przystanku autobusowym, co już wcześniej wyjaśniono. Zdeformowała się nawierzchnia zarówno z dodatkiem wapna hydratyzowanego, jak i aminu tłuszczowego. Jednak można zauważyć, że nieznacznie bardziej koleinuje się nawierzchnia z dodatkiem aminu tłuszczowego (poza przystankiem autobusowym). Zestawiając wyniki pomiaru głębokości koleiny zaraz po wykonaniu nawierzchni tzn. po 3,5 miesiącach i wyniki otrzymane po 4 latach eksploatacji na-

9 336 wierzchni stwierdzono, że przyrost miarodajnej koleiny w przeciągu 4 lat mieści się w przedziale od 2 do 5 mm. Większe wartości odpowiadają nawierzchni odcinka z wykorzystaniem aminu tłuszczowego. Można te niejednakowe zmiany przypisać usztywniającym właściwością wapna hydratyzowanego w mieszankach mineralno-asfaltowych Pomiar szorstkości Szorstkość określana została współczynnikiem tarcia mierzonym przyczepką pomiarową SRT-3 przy pełnej blokadzie koła na mokrej nawierzchni. Wyniki badań pomiaru szorstkości nawierzchni na odcinku doświadczalnym po 4 latach eksploatacji są nieznacznie poniżej wartości wymaganej (wg ustawy po dwóch miesiącach eksploatacji) równej 0,39. Zauważalny jest nieco mniejszy współczynnik tarcia (miarodajny) dla nawierzchni z dodatkiem aminu tłuszczowego równy 0,34, podczas gdy dla nawierzchni z wapnem 0, Podsumowanie wyników badań stanu nawierzchni po 4 latach eksploatacji Ocena wizualna wykonana po 4 latach eksploatacji, potwierdziła wcześniejsze spostrzeżenia, że rodzaj środka adhezyjnego wapno hydratyzowane czy aminu tłuszczowego nie wpływa na odporność badanych batonów asfaltowych na działanie wody i mrozu. Na dwóch sekcjach odcinka doświadczalnego nie odnotowano różnic i jakichkolwiek zniszczeń powierzchniowych. Podobnie rodzaj dodatku poprawiającego adhezję w mieszance mineralnoasfaltowej nie ma wpływu na równość podłużną nawierzchni odcinka doświadczalnego. Natomiast rodzaj środka adhezyjnego wydaje się mieć nieznaczny wpływ na głębokość koleiny i szorstkość nawierzchni. Sekcja I z dodatkiem wapna hydratyzowanego wykazuje nieznacznie mniejszą głębokość koleiny i nieznacznie większą szorstkość. Istnieje potrzeba szerszych badań dla potwierdzenia tych spostrzeżeń. 6. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań i obserwacji sformułowano następujące wnioski: 1. Badane betony asfaltowe pobrane z rozkładarki i wbudowywane w nawierzchnię na odcinku doświadczalnym, z zastosowaniem wapna hydratyzowanego jak i aminu tłuszczowego są w jednakowym stopniu odporne na oddziaływanie wody i mrozu. 2. Wyniki badań z koleinomierza kołowego betonów asfaltowych, odwiercanych z gotowej nawierzchni po 3,5 miesiącach eksploatacji odcinka doświadczalnego zarówno z zastosowaniem wapna hydratyzowanego jak i aminu tłuszczo-

10 337 wego świadczą o odporności na deformacje trwałe badanych betonów asfaltowych. 3. Koleiny o głębokości rzędu 3 4 mm powstałe w nawierzchni po 3,5-miesięcznej eksploatacji w okresie letnim zostały prawdopodobnie spowodowane deformacją niestabilnych warstw pozostawionych pod nakładką. 4. Zastosowanie wapna hydratyzowanego do betonu asfaltowego wbudowanego w nawierzchnię na odcinku doświadczalnym nie zmieniło tzn. nie poprawiło ani nie pogorszyło właściwości betonu asfaltowego w porównaniu do betonu asfaltowego z zastosowaniem aminu tłuszczowego. 5. Badania stanu nawierzchni odcinka doświadczalnego wykonane po 4 latach nie wykazały znaczących różnic świadczących o wpływie rodzaju środka adhezyjnego na odporność mieszanki na działanie wody i mrozu oraz na stan nawierzchni. LITERATURA 1. Judycki J., Jaskuła P., Badania i ocena nawierzchni odcinka doświadczalnego ul. Chwarznieńskiej w Gdyni, niepublikowany raport z badań dla Lhoist Poska Sp. z o.o., Gdańsk 1999, s Jaskuła P., Niszczące oddziaływanie wody i mrozu na mieszanki mineralno-asfaltowe - przegląd literatury, Drogi i Mosty 2004 nr 4,Wydawnictwo IBDiM Warszawa, s.5-44 THE EFFICIENCY OF HYDRATED LIME ACTION IN ASPHALT CONCRETE Summary: The paper presents the assessment of the efficiency of hydrated lime action in asphalt concrete on the basis of the results of laboratory and field testing. The effect of two different adhesive agents (liquid additive - fatty amine and hydrated lime) was evaluated on test sections of road pavement by assessing its condition (surface deterioration, rut depth and friction coefficient) and through laboratory testing of the resistance of the wearing course to the action of water and frost as well as resistance to permanent deformation. It was found that hydrated lime may be used in place of amines, liquid additives, to achieve the same resistance of asphalt concrete to the action of water and frost.