WPŁYW RODZAJU I ZAWARTOŚCI ASFALTU ORAZ TYPU MIESZANKI MINERALNO- ASFALTOWEJ NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Józef Judycki Mgr inż. Marek Pszczoła Politechnika Gdańska Zakład Budowy Dróg Polska WPŁYW RODZAJU I ZAWARTOŚCI ASFALTU ORAZ TYPU MIESZANKI MINERALNO- ASFALTOWEJ NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE INFLUENCE OF THE KIND AND CONTENT OF BITUMEN AND THE TYPE OF ASPHALT MIX ON LOW TEMPERATURE CRACKING Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki badań odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na spękania niskotemperaturowe. W badaniach wykorzystano metodę zginania belek w temperaturze -20 C. Zastosowano trzy rodzaje asfaltów: dwa zwykłe D50 i D70 oraz asfalt wysokomodyfikowany Elastobit 80C. Zostały zastosowane również dwa typy mieszanek mineralno-asfaltowych: beton asfaltowy i mastyks grysowy SMA. Stwierdzono, istotny wpływ rodzaju asfaltu na parametry mieszanek mineralno-asfaltowych w temperaturze -20 C. Zanotowano niewielkie różnice pomiędzy betonem asfaltowym a mastyksem grysowym SMA. Summary The paper presents results of investigations of asphalt mix resistance to low temperature cracking. The bending method at -20 C was utilised. Three types of bitumens, two normal paving grades (D50, D70) and one modified with elastomer SBS (Elastobit 80C) were tested. Two types of asphalt mixtures were investigated: asphalt concrete and stone mastic asphalt SMA. It was found that the type of bitumen has significant effect on properties of asphalt mixes at -20 C. Small differences were found between asphalt concrete and stone mastic asphalt SMA.

2 1. Wstęp W ostatnich latach główny nacisk podczas projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych został położony na zapewnienie ich wysokiej odporności na deformacje trwałe. Jest to zrozumiałe z uwagi na dużą liczbę dróg, na których występują mniejsze lub większe koleiny. Większa odporność na deformacje wiąże się przede wszystkim ze wzrostem sztywności mieszanek mineralnoasfaltowych co z kolei jest niebezpieczne podczas spadków temperatury w okresie zimowym. Obniżanie temperatury w przypadku sztywnych mieszanek powoduje szybsze pojawienie się spękań niskotemperaturowych. Jest to szczególnie istotne w rejonach Polski Północno- Wschodniej, gdzie temperatura w najchłodniejszych okresach zimy spada poniżej -30 C. Niebezpieczne dla przesztywnionych mieszanek mineralno-asfaltowych są również gwałtowne spadki temperatury oraz częste jej wahania. W chwili obecnej brak jest jasnych kryteriów jakimi powinien kierować się projektant podczas projektowania nowych mieszanek mineralno-asfaltowych bardziej odpornych na spękania niskotemperaturowe. O ile zagadnienie deformacji trwałych nawierzchni asfaltowych zostało w dużej mierze poznane i nauczono się przeciwdziałać koleinom, o tyle problem spękań niskotemperaturowych nie został w pełni rozwiązany. W artykule przedstawiono wyniki badań zginania mieszanek mineralno-asfaltowych w temperaturze -20 C oraz wnioski wynikające z tych badań. 2. Metodyka badań Odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na spękania niskotemperaturowe badano na belkach o wymiarach 50x50x300 mm w temperaturze -20 C. Szczegółowy opis metody badań przedstawiono w [2]. Modyfikacją metody badania odporności mieszanek mineralno-asfaltowych w roku 2001 było stworzenie odrębnego stanowiska badawczego oraz opracowanie programu komputerowego, który usprawnił i przyspieszył całą procedurę badawczą. Usprawnienia wynikające z zastosowania programu komputerowego są następujące: Możliwość łatwiejszego ustawienia czujnika indukcyjnego mierzącego przemieszczenie na spodzie belki w zakresie pomiarowym (krótszy czas badania), Możliwość obserwacji w czasie badania zachowania się próbki na wykresie zależności wzrastającej siły do przemieszczenia, Uzyskanie gotowych wyników: wartości odkształcenia granicznego, wytrzymałości na zginanie oraz modułu sztywności od razu po zakończeniu badania. Wszystkie te elementy pozwoliły na skrócenie czasu badania pojedynczej próbki co jest szczególne ważne w temperaturze -20 C, ponieważ pozwala na ograniczenie wpływu temperatury otoczenia na wyniki badań. W badaniu zginania belek określano następujące parametry: Odkształcenie graniczne, Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, Moduł sztywności. 3. Badane mieszanki mineralno-asfaltowe 3.1. Rodzaje badanych mieszanek mineralno-asfaltowych W badaniach zastosowano pięć mieszanek mineralno-asfaltowych: trzy z asfaltami zwykłymi (D50 i D70 ) i dwie z asfaltem wysokomodyfikowanym elastomerem SBS (E80C ). Do wszystkich mieszanek dodano środek adhezyjny Teramin 14. Zestawienie mma przedstawiono w tablicy 1.

3 Tablica 1. Rodzaje zastosowanych mieszanek mineralno-asfaltowych Lp. Rodzaj mieszanki Zastosowane Przeznaczenie Wymagania lepiszcze 1. Beton asfaltowy D50 Warstwa ścieralna, PN-S-96025:2000 0/12,8 2. Beton asfaltowy D70 Warstwa ścieralna, PN-S-96025:2000 0/12,8 KR 1 KR 2 3. Beton asfaltowy E80C Warstwa ścieralna PN-S-96025:2000 0/12,8 4. Mastyks grysowy D50 Warstwa ścieralna, ZTV Asph. StB 94 0/11 5. Mastyks grysowy 0/8 E80C Warstwa ścieralna, PN-S-96025: Pozyskanie mieszanek mineralno-asfaltowych Ważnym elementem przeprowadzonych badań było przygotowanie miarodajnych próbek. Aby jak najlepiej odtworzyć rzeczywiste warunki pracy nawierzchni zdecydowano się na pobieranie mieszanek mineralno asfaltowych z wytwórni mas bitumicznych. Pobieranie mieszanek miało miejsce po ich wytworzeniu, w chwili załadunku na samochody. Mieszanki po pobraniu były transportowane do laboratorium i tam były z nich wykonywane próbki do badań. Pobieranie mieszanek mineralno asfaltowych z wytwórni pozwoliło na badanie materiału, który przeszedł rzeczywisty proces starzenia krótkoterminowego. Jest to ważne, ponieważ starzenie się asfaltu oraz zmiany jakie w nim zachodzą podczas otaczania w otaczarce mają znaczący wpływ na odporność betonu asfaltowego na działanie niskich temperatur Zwiększenie zawartości asfaltu W połowie badanych próbek zwiększono zawartość asfaltu w mma o 0,5% w stosunku do zawartości rzeczywistej. Zwiększenie zawartości asfaltu przeprowadzono po to, aby zbadać jaki wpływ ma większa zawartość asfaltu na odporność mma na spękania w niskich temperaturach. W tym miejscu należy zaznaczyć, że dodawany asfalt nie był poddany procesowi starzenia krótkoterminowego, tak jak asfalt w mieszance mineralno asfaltowej. W wyniku zmieszania dwóch asfaltów, w próbkach o zwiększonej zawartości asfaltu, uzyskiwano asfalt o niższej lepkości. Ilości asfaltu w badanych mieszankach pobranych z wytwórni mas bitumicznych i po zwiększeniu zawartości asfaltu w laboratorium podano w tablicy 2. W celu uproszczenia opisu, dla rzeczywistej zawartości asfaltu w próbkach dostarczonych z wytwórni przyjęto określenie zawartość normalna. Natomiast zawartość sztucznie zwiększoną w laboratorium przez dodanie 0,5% m/m asfaltu nazwano zawartością normalną +0,5%. Tablica 2. Zawartość asfaltu w badanych mieszankach mineralno asfaltowych Lp. Mieszanka Zawartość normalna Zawartość asfaltu normalna +0,5% Wymagania 1. Beton asfaltowy 0/12,8 5,4 5,9 4,8 6,5 z asfaltem D50 2. Beton asfaltowy 0/12,8 mm 5,9 6,4 5,0 6,5 z asfaltem D70 3. Beton asfaltowy 0/12,8 mm 5,6 6,1 4,8 6,5 z asfaltem E 80C 4. Mastyks grysowy 0/11 mm 6,3 6,8 5,5 6,8 z asfaltem D50 5. Mastyks grysowy 0/8 mm z asfaltem E 80C 6,5 7,0 6,0 7,0

4 3.4. Starzenie długoterminowe Część próbek została poddana starzeniu długoterminowemu, które modeluje starzenie występujące w czasie eksploatacji nawierzchni. Starzeniu poddano uformowane płyty przed pocięciem ich na belki. Aby ograniczyć deformowanie się płyt krawędzie pionowe obłożono drobną siatką a próbki umieszczono w specjalnym stelażu, który ograniczał deformowanie się płyt. Widok zestawu podczas starzenia długoterminowego przedstawiono na rysunku1. Rysunek 1. Widok zestawu do badania starzenia długoterminowego Starzenie długoterminowe przeprowadzono zgodnie z procedurą SHRP M 007 (A-379), która przedstawia się następująco: 1. Próbki umieszczono w suszarkach z nawiewem na tacach perforowanych na okres 120 ± 0,5 godzin w temperaturze 85 C ± 1 C. 2. Po zakończeniu starzenia próbki wyjmowano i pozostawiano w temperaturze pokojowej do schłodzenia Badanie Próbki cięto przy pomocy piły diamentowej na belki prostopadłościenne wymiarach mm. Dla każdego wariantu masy przygotowano pięć jednorodnych belek. Bezpośrednio przed badaniem wszystkie próbki przechowywano w komorze termostatycznej w temperaturze -20 C przez okres godzin. Odkształcenie graniczne, wytrzymałość i moduł sztywności badano przy zginaniu belek wolnopodpartych siłą przyłożoną w środku rozpiętości. Prędkość zginania wynosiła 1.25 mm/min. 4. Wyniki badań i ich analiza 4.1. Wyniki badań odkształcenia granicznego Wyniki badań odkształcenia granicznego przedstawiono na rysunku 3. Odkształcenie graniczne [ ] 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,510 0,494 0,542 0,503 0,490 0,500 0,550 0,550 0,540 A norm przed starzeniem A norm po starzeniu 0,520 0,380 0,920 0,840 0,830 0,640 0,900 0,922 0,870 0,880 A norm + 0,5 % przed starzeniem A norm +0,5 % po starzeniu BA D50 SMA D50 BA D70 BA E80C SMA E80C Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej Rysunek 3. Zestawienie wyników badań odkształcenia granicznego mma Odkształcenie graniczne badane w teście zginania belek jest jedną z miar odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie niskich temperatur. Im wartość odkształcenia granicznego jest większa, tym badana mieszanka mineralno-asfaltowa jest bardziej odporna na spękania w niskich temperaturach.

5 Przedstawione na rys. 3 zestawienie wyników badań odkształcenia granicznego w temperaturze - 20 C pokazuje, że najwyższe wartości uzyskały mieszanki mineralno-asfaltowe z asfaltem wysokomodyfikowanym elastomerem SBS - E80C. Pozostałe mma zawierające asfalty zwykłe uzyskały wartości niższe i zbliżone do siebie Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu przedstawiono na rysunku 4. 12,00 10,66 10,00 9,60 9,69 9,62 9,31 Wytrzymałość [MPa] 8,00 6,00 4,00 8,01 8,14 7,71 7,90 6,23 6,61 6,59 5,82 6,62 5,47 5,98 7,65 8,01 8,25 2,00 A norm przed starzeniem A norm + 0,5 % przed starzeniem 0,00 A norm po starzeniu A norm + 0,5 % po starzeniu BA D50 SMA D50 BA D70 BA E80C Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej SMA E80C Rysunek 4. Zestawienie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu mma Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu jest, podobnie jak odkształcenie graniczne, miarą odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie niskich temperatur. Im wyższa wartość wytrzymałości, tym większa odporność mma na powstawanie spękań niskotemperaturowych. Zestawienie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu przedstawione na rys. 4 pokazuje, że najwyższe wartości uzyskał beton asfaltowy z asfaltem wysokomodyfikowanym elastomerem SBS E80C. Najniższe wartości wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu uzyskał beto asfaltowy z asfaltem D Wyniki badań modułu sztywności Wyniki badań modułu sztywności przedstawiono na rysunku 5.

6 Moduł sztywności [GPa] 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 23,69 21,70 21,89 25,73 21,90 18,57 20,33 20,52 20,46 A norm przed starzeniem A norm po starzeniu 27,19 24,52 18,21 17,97 18,26 16,52 16,41 21,32 18,83 20,73 A norm + 0,5 % przed starzeniem A norm + 0,5 % po starzeniu BA D50 SMA D50 BA D70 BA E80C SMA E80C Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej Rysunek 5. Zestawienie wyników badań modułu sztywności mma Trzeci parametr badany w teście zginania belek to moduł sztywności. Im wartość modułu sztywności jest większa, tym badana mieszanka mineralno-asfaltowa staje się bardziej sztywna i mniej odporna na spękania w niskich temperaturach. Wyniki badań przedstawione na rys. 5 pokazują, ze najmniej sztywny jest beton asfaltowy z asfaltem wysokomodyfikowanym E80C. Podobne cechy ma SMA z asfaltem E80C. Pozostałe mieszanki mineralno-asfaltowe okazały się nieznacznie sztywniejsze Wpływ zwiększonej zawartości asfaltu Wpływ zwiększonej zawartości asfaltu o 0,5% ponad zawartość normalną okazał się w niewielkim stopniu istotny Wpływ starzenia długoterminowego Tylko w niektórych przypadkach starzenie długoterminowe spowodowało pogorszenie cech mieszanek mineralno-asfaltowych w niskich temperaturach (np. zmniejszenie ε gran w przypadku betonów asfaltowych: BA D70 oraz BA E80C ). 5. Wnioski 1. W podsumowaniu przeprowadzonych badań laboratoryjnych można stwierdzić, że wpływ rodzaju asfaltu oraz tego czy był to asfalt zwykły, czy modyfikowany, na wszystkie cechy mma w temperaturze -20 C był bardzo istotny. Mieszanki mineralno-asfaltowe zawierające elastomeroasfalt wykazały lepsze właściwości niskotemperaturowe niż mieszanki zawierające asfalty zwykłe. 2. Zanotowano niewielkie różnice pomiędzy betonem asfaltowym a mastyksem grysowym SMA. Obie mieszanki miały podobne właściwości w niskiej temperaturze. 3. Wpływ zwiększonej zawartości asfaltu o 0,5% powyżej zawartości normalnej na cechy mma w niskich temperaturach okazał się mniej nieistotny. 4. Symulowane w laboratorium starzenie długoterminowe (eksploatacyjne) według procedury SHRP miało wyraźny wpływ na cechy tylko niektórych mma w temperaturze -20 C.

7 Literatura [1] Judycki J. Cyske W. Pszczoła M.: Wytrzymałość i sztywność w niskich temperaturach betonów asfaltowych o zwiększonej odporności na deformacje trwałe. Konferencja Kielce [2] Judycki J. Pszczoła M. Jaskuła P.: Modyfikacja metody zginania belek z mieszanek mineralno-asfaltowych i ocena parametrów reologicznych. Konferencja Kielce [3] Judycki J. Pszczoła M. Dołżycki B.: Opracowanie zaleceń technologicznych zmierzających do redukcji spękań niskotemperaturowych w nawierzchniach asfaltowych. Praca niepublikowana, wykonana na zlecenie GDDP, Gdańsk [4] Anderson K. O. Hussain S.R. Jardine K.G. Evaluation of low temperature and permanent deformation characteristics of some engineered asphalts, Canadian Technical Asphalt Association Proceedings, 1989