WPŁYW STARZENIA I ODDZIAŁYWANIA WODY I MROZU NA ZMIANĘ WŁAŚCIWOŚCI MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH

Transkrypt

1 Piotr JASKUŁA 1 Józef JUDYCKI 2 WPŁYW STARZENIA I ODDZIAŁYWANIA WODY I MROZU NA ZMIANĘ WŁAŚCIWOŚCI MIESZANEK MINERALNOASFALTOWYCH 1. Wstęp Referat przedstawia wyniki badań wykonanych podczas dwuletniego projektu badawczego przeprowadzonego w latach dla Komitetu Badań Naukowych w Warszawie. Znaczna część wyników została już opublikowana na konferencjach krajowych i zagranicznych w latach Celem projektu badawczego było badanie zmian właściwości mechanicznych mieszanek mineralnoasfaltowych wskutek oddziaływania dwóch czynników: starzenia, występującego podczas produkcji i wbudowania mieszanek, jak i w czasie eksploatacji nawierzchni drogowych oraz wody i mrozu czynników klimatycznych, które działają destrukcyjne na nawierzchnie asfaltowe. Projekt badawczy zawiera: (a) studia literatury dotyczące przedstawionych problemów, (b) opracowanie metodyki badawczej, (c) badania asfaltów, (d) badania właściwości mechanicznych mieszanek mineralnoasfaltowych tj. betonów asfaltowych, mastyksów grysowych SMA i asfaltu drenażowego przed i po poddaniu czynnikom starzenia, jak i betonów asfaltowych, mastyksów grysowych SMA przed i po poddaniu oddziaływania wody i mrozu, (e) analiza uzyskanych wyników badań oraz (f) opracowanie wniosków i zaleceń. 2. Starzenie mieszanek mineralnoasfaltowych W starzeniu asfaltu w mieszance mineralnoasfaltowej można wyodrębnić dwa etapy: technologiczny i eksploatacyjny. Etap starzenia technologicznego jest krótki, ale zmiany starzeniowe asfaltu zachodzą w nim gwałtownie. Obejmuje on: produkcję, mieszanki mineralnoasfaltowej, jej wbudowanie i zagęszczanie. Starzenie technologiczne nazywane też jest starzeniem krótkoterminowym ( shortterm aging ). Termin ten, przyjęty przez badaczy Strategicznego Programu Badań Drogowych (SHRP Strategic Highway Reaserch Program) w USA, jest obecnie często stosowany. Podczas starzenia krótkoterminowego następuje przede wszystkim odparowanie lżejszych węglowodorów oraz dodatkowo utlenianie asfaltu. Etap starzenia eksploatacyjnego obejmuje zmiany zachodzące w asfalcie podczas użytkowania nawierzchni. Proces starzenia eksploatacyjnego jest wolny i długotrwały, w czasie jego trwania następuje przede wszystkim utlenianie asfaltu. Ten etap starzenia nosi nazwę starzenia długoterminowego ( longterm aging ). Starzenie długoterminowe jest bardziej intensywne w ciepłym i suchym klimacie, czyli przy dużej radiacji słonecznej. Przebiega szybciej w otwartych mieszankach, wyeksponowanych na dostęp tlenu atmosferycznego. Starzenie mieszanek mineralnoasfaltowych ściśle wiąże się ze starzeniem asfaltu poprzez wzrost lepkości i wzrost sztywności mieszanki. Powoduje to większą kruchość nawierzchni i 1 Mgr inż., Zakład Budowy Dróg, Politechnika Gdańska 2 Prof. dr hab. inż., Kierownik Zakładu Budowy Dróg, Politechnika Gdańska

2 wiąże się z takimi uszkodzeniami konstrukcji jak: spękania termiczne, spękania zmęczeniowe oraz powstawanie wykruszeń i wybojów. Czynniki wpływające na szybkość starzenia mieszanek mineralnoasfaltowych w trakcie użytkowania dróg można podzielić na dwie główne grupy: właściwości mieszanek i czynniki klimatyczne. Do czynników mających związek z właściwościami mieszanki mineralnoasfaltowej można zaliczyć: zawartość wolnych przestrzeni, charakterystykę asfaltu, zawartość asfaltu, uziarnienie i rodzaj kruszywa. Do czynników klimatycznych zaliczyć należy promieniowanie słoneczne i temperaturę powietrza Badane materiały Tablica 1 przedstawia właściwości badanych asfaltów. Badano asfalty zwykłe, niemodyfikowane z Rafinerii Gdańskiej S.A. D50G i D70G, asfalt zwykły z rafinerii zagranicznej Nynas D70Z, asfalt modyfikowany elastomerem SBS z Rafinerii Gdańskiej S.A. DE50 4G. Pozostałe asfalty wymienione w tablicy 1 wykorzystano w dalszych badaniach. Tablica 1. Właściwości fizyczne asfaltów przed starzeniem Lp. Badanie D50G D70G DE50 3G DE50 4G D50Z D70Z Olex45 1. Penetracja, 100g, 5s, [0,1mm]: 7 C 20 C 2. Ciągliwość [cm]: , Temperatura mięknienia PiK [ C] 51 46,4 61,6 70,7 50,1 49,3 65,9 4. Temperatura łamliwości wg Frassa [ C] 5. Lepkość dynamiczna [Pa*s]: 60 C 90 C 135 C 504,8 0,67 209,8 0,37 25,87 0,81 68,41 1,23 784,8 0,85 367,6 0,55 24,6 2,2 6. Nawrót sprężysty w [%] 91,8 95,7 66 Wyniki badań po odparowaniu w cienkiej warstwie w 165 C (TFOT) 7. Zmiana masy po wygrzewaniu w cienkiej warstwie 165 C, [%] 0,00 0,04 0,07 0,08 0,01 0,01 8. Penetracja, 100g, 5s, [0,1mm]: 7 C 20 C 9. Ciągliwość [cm]: , Temperatura mięknienia PiK [ C] 54,3 49,5 59,8 69,6 57,5 52,6 62,8 11. Temperatura łamliwości wg Frassa [ C] 12. Lepkość dynamiczna [Pa*s]: 60 C 90 C 135 C 950,2 0,86 353,5 0,55 30,07 1,11 81,86 1, ,23 939,4 0,95 43,8 3, Nawrót sprężysty w [%] 82,0 88,2 66 oznacza nie badano

3 Do badanych mieszanek mineralnoasfaltowych użyto grysy bazaltowe frakcji 8/11, 5/8, 2/5, 0/4 mm z Wilkowa, piasek łamany 0/2 mm z Granicznej oraz wypełniacz wapienny z Trzustkawicy. Jako stabilizator do mastyksu grysowego SMA i asfaltu drenażowego zastosowano włókna celulozowe Technocel 1004 w ilości 0,3% w stosunku do masy mieszanki mineralnoasfaltowej. Zaprojektowano trzy typy mieszanek mineralnoasfaltowych: beton asfaltowy, mastyks grysowy SMA oraz asfalt drenażowy. Przy projektowaniu betonu asfaltowego zastosowano mieszankę o uziarnieniu do 12,8 mm, mastyksu grysowego SMA i asfaltu drenażowego mieszankę o uziarnieniu do 11 mm. Do betonu asfaltowego użyto czterech rodzajów asfaltów: D50G, D70G, D70Z, DE50 4G, natomiast do SMA użyto asfaltów: D70G, DE50 4G i D70Z. Do mieszanki asfaltu drenażowego użyto asfalty: D70 i DE50B. W sumie przebadano 9 rodzajów mieszankę mineralnoasfaltowych. Betony asfaltowe i mastyksy grysowe SMA zaprojektowano zgodnie ówczesnymi polskimi i niemieckimi przepisami obowiązującymi w czasie trwania badań [1,2]. Asfalt drenażowy zaprojektowano zgodnie z europejskimi przepisami [3] Badania starzenia mieszanek mineralnoasfaltowych Badanie starzenia asfaltu w mieszance mineralnoasfaltowej polegało na określeniu jej cech mechanicznych tj.: modułów sztywności sprężystej i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po krótkoterminowym i długoterminowym starzeniu. Krótkoterminowe i długoterminowe starzenia wykonywano wg. procedury opracowanej w Katedrze Inżynierii Drogowej na podstawie instrukcji z amerykańskiego programu badawczego SHRP. Krótkoterminowe starzenie (STOA starzenie krótkoterminowe w suszarce) mieszanki mineralnoasfaltowej symuluje zmiany jakie zachodzą podczas produkcji, transportu, wbudowania i zagęszczenia mieszanki mineralnoasfaltowej. Długoterminowe starzenie (LTOA starzenie długoterminowe w suszarce) mieszanki mineralnoasfaltowej symuluje zmiany jakie zachodzą podczas użytkowania nawierzchni. Przyjętymi miarami starzenia asfaltu w mieszance mineralnoasfaltowej są: zmiana modułu sztywności sprężystej, zmiana wytrzymałości na pośrednie rozciąganie. W prezentowanej pracy badania modułów sztywności sprężystej i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie dla określenia odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na starzenie wykonano w temperaturze Proces przygotowania i starzenia próbek Starzenie krótkoterminowe Mieszankę wytwarzano w mechanicznej mieszarce, w temperaturze 150 albo 160 C odpowiednio do penetracji użytego asfaltu 70 j.pen., 50 j.pen. Przed wymieszaniem z asfaltem kruszywo grzano w temperaturze mieszania przez minimum 2 godziny. Następnie niezagęszczoną mieszankę poddano procesowi starzenia krótkoterminowego (STOA). Mieszankę rozkładano w blaszane formy tak, aby grubość warstwy wynosiła 1,5 cm (około 21 do 22 kg/m 2 ). Formy z mieszanką poddano starzeniu w suszarce z nawiewem wymuszonym w temperaturze 135 C ±1 C. Mieszankę cyklicznie mieszano 5 razy, w ciągu 4 godzin ±5 minut, w równych odstępach czasu (co 48 minut). Następnie mieszankę podgrzewano do temperatury 150, lub 160 C odpowiednio do stosowanego asfaltu (70 j.pen., lub 50 j.pen.) i formowano typowe próbki jak do badania Marshalla (D=101 mm, H=63,5 mm), używając normowego ubijaka Marshalla. Próbki zagęszczano 75 uderzeniami ubijaka na każdą stronę. Po zagęszczeniu próbki studzono, a następnie wyciskano z form stalowych i umieszczano w pomieszczeniu do przechowywania próbek.

4 Starzenie długoterminowe Starzenie długoterminowe przeprowadzono na próbkach zagęszczonych i poddanych wcześniej starzeniu krótkoterminowemu. Długoterminowe starzenie (LTOA) polegało na przechowywaniu uformowanych i zagęszczonych próbek w suszarce z nawiewem przez 120 godzin ± 0,5 godz. (5 dni) w temperaturze 85 C ± 1 C. Próbki owinięte były drobną siatką miedzianą celem zabezpieczenia przed ewentualnymi deformacjami. Po 120 godzinach suszarkę z nawiewem wyłączano i pozostawiano próbki do czasu ich schłodzenia w temperaturze pokojowej. Próbki niestarzone Jako próbki kontrolne przygotowywano próbki nie poddawane starzeniu krótko i długoterminowemu zwane dalej niestarzonymi (N.S.). Po przygotowaniu mieszanki mineralnoasfaltowej i osiągnięciu przez mieszankę temperatury 150 lub 160 C odpowiednio do penetracji użytego asfaltu 70 j.pen., lub 50 j.pen. formowano typowe próbki jak do badania Marshalla (D=101 mm, H=63,5 mm), używając normowego ubijaka Marshalla. Próbki zagęszczano 75 uderzeniami ubijaka na każdą stronę. Inne dane Do badań przyjmowano próbki, w których zawartość wolnych przestrzeni zawierała się w zakresie ( v 2s; v + 2 s), gdzie v średnia zawartość wolnych przestrzeni, s odchylenie standardowe. Wszystkie próbki przed właściwymi badaniami poddane były kondycjonowaniu w temperaturach badania przez okres min. 4 godzin (dla temperatur 20 i ) oraz od 12 do 24 godzin (dla temperatur od+10 do 10 C). Każdą próbkę badano stosując nieniszczące badanie modułu sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu i niszczące badanie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie Moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu Badanie modułu sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu przeprowadzono w aparacie Nottingham Asphalt Tester (NAT) podczas dynamicznego obciążania próbek. Obciążenie polegało na wywarciu stałego naprężenia poziomego 220 kpa dla temperatury badania w czasie 0,1 s i odciążeniu w czasie 0,6 s. Podczas badania modułu sztywności sprężystej wykorzystano test kontrolowanego naprężenia. Poziomy naprężenia dla poszczególnych temperatur dobrano w oparciu o dodatkowe analizy i badania Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie Badanie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przeprowadzono w prasie do badania Marshalla, o przesuwie tłoka 50 mm/min. Obciążenie było przekazywane przez przekładki o szerokości 12 mm i krzywiźnie o promieniu 50,5 mm, aż do zniszczenia próbki. Temperatura badania wynosiła. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie wyznaczono na podstawie wzoru (1): 2P Rt T = (1) π HD gdzie: Rt T wytrzymałość na pośrednie rozciąganie w temperaturze badania T, w [MPa], P maksymalna siła w chwili zniszczenia próbki, w [MPa], H grubość próbki, w [m], D średnica próbki, w [m], π 3,1416.

5 Sposób interpretacji wyników badań Miarą starzenia mieszanek mineralnoasfaltowych jest ich usztywnienie się wyrażone poprzez wzrost modułu sztywności sprężystej oraz wzrost wytrzymałości na pośrednie rozciąganie próbek w temperaturze badania. Miarami starzenia są: wskaźnik modułu sztywności sprężystej oraz wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie. Wskaźnik modułu sztywności sprężystej zdefiniowany jest jako: Mr( po starzeniu) WS = *100% (2) Mr( nie starzone) gdzie: Mr (po starzeniu) średni moduł sztywności sprężystej próbek po starzeniu, w [MPa], Mr (nie starzone) średni moduł sztywności sprężystej próbek nie starzonych, w [MPa], Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie zdefiniowany jest jako: R( po starzeniu) WR = *100% (3) R( nie starzone) gdzie: R (po starzeniu) średnia wytrzymałość próbek po starzeniu, w [MPa], R (nie starzone) średnia wytrzymałość próbek nie starzonych, w [MPa]. Wskaźniki modułu sztywności sprężystej oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie większe od wartości 1 wskazują na postępujący proces starzenia mieszanek mineralnoasfaltowych. W przypadku wartości mniejszych od 1, co ma miejsce dla mieszanek z asfaltami modyfikowanymi, również zachodzi proces starzenia, lecz jest on związany z rozpadem polimerów w asfaltach Wyniki badań starzenia i ich analiza Z powodu ograniczeń co do objętości referatu zdecydowano się do przedstawienia tylko części wyników. Tablice 3 i 4 przedstawiają tylko wyniki badań próbek starzonych zgodnie z ostatecznymi zaleceniami SHRP, badanych tylko w jednej temperaturze i jednego parametru modułu sztywności sprężystej. Przedstawione wyniki badań modułu sztywności sprężystej pokazują, że starzenie krótkoterminowe próbek wszystkich typów mieszanek zależy od rodzaju asfaltu. Spośród czterech rodzajów asfaltów zastosowanych w mieszankach betonu asfaltowego, asfalt D70G okazał się najbardziej wrażliwy na starzenie. Najbardziej odporna na proces starzenia krótkoterminowego okazała się mieszanka betonu asfaltowego zawierająca asfalt modyfikowany DE50 4G. Krótkie oddziaływanie wysokiej temperatury (135 C) powoduje wzrost sztywności od 15 do 79%. Żeby w pełni skomentować te różnice należy wyjaśnić proces starzeniowy jaki zachodzi w asfalcie modyfikowanym. Tablica 3. Moduł sztywności sprężystej i jego wskaźniki w 25 o C dla betonów asfaltowych Lp. Właściwość Moduł sztywności sprężystej, MPa, dla betonów asfaltowych z następującymi asfaltami D70G D50G DE50 4G D70Z Moduł sztywności sprężystej, MPa 1. Niestarzone (NA) Starzenie krótkoterminowe (STOA) Starzenie długoterminowe (LTOA) Wskaźniki modułów 4. STOA / NA 1,79 1,18 1,15 1,40 5. LTOA / STOA 1,14 1,22 0,77 1,50 6. LTOA / NA 2,03 1,44 0,88 2,10

6 Tablica 4. Moduł sztywności sprężystej i jego wskaźniki w 25 o C dla SMA i asfaltu drenażowego Lp. Właściwość Moduł sztywności sprężystej, MPa Dla SMA z następującymi asfaltami Dla asfaltu drenażowego D70G DE50 4G D70Z D70G DE50 4G Moduł sztywności sprężystej, MPa 1. Niestarzone (NA) Starzenie krótkoterminowe (STOA) Starzenie długoterminowe (LTOA) Wskaźniki modułów 4. STOA / NA 1,67 1,12 1,41 2,75 1,10 5. LTOA / STOA 1,16 1,12 1,24 1,21 1,27 6. LTOA / NA 1,94 1,25 1,75 3,35 1,40 Istnieje hipoteza, że w asfalcie modyfikowanym podczas obróbki termicznej z dostępem tlenu zachodzi częściowy rozpad polimeru. Rozpad ten powoduje spadek sztywności asfaltu. Jednocześnie zachodzą procesy odparowywania lekkich frakcji węglowodorowych i utleniania, powodujące usztywnianie się asfaltu. Te dwa procesy, zachodzące w tym samym czasie nakładają się na siebie. Można też przypuszczać, że proces utleniania i odparowania lekkiej frakcji węglowodorowej jest spowolniony w asfalcie modyfikowanym przez jego specyficzną strukturę. W asfalcie tym część lekkich frakcji jest wchłonięta przez domeny poliestrowe, które pęcznieją i wchłaniając lekkie frakcje asfaltu wielokrotnie zwiększają swoją objętość. W rezultacie pozostała (niewchłonięta) część węglowodorów jest cięższa i bardziej odporna na odparowanie. Wyniki badań starzenia długoterminowego w 85 C próbek betonu asfaltowego pokazały, że rodzaj asfaltu ma nieznaczny wpływ na poziom starzenia długoterminowego. Najbardziej podatny na starzenie okazał się asfalt D70Z z firmy Nynas. Pozostałe wyniki badań prezentowane w raporcie z projektu badawczego pozwoliły sformułować wniosek, że szybkość starzenia długoterminowego próbek betonu asfaltowego zależy od rodzaju asfaltu, temperatury starzenia, czasu starzenia oraz zawartości wolnych przestrzeni w mieszance. W momencie wzrostu zawartości wolnych przestrzeni lub temperatury starzenia tempo starzenia określone wskaźnikiem modułu sztywności sprężystej również rosło. Mieszanki mastyksowogrysowe SMA i asfaltu drenażowego zawierające asfalt modyfikowany DE504G okazały się mniej wrażliwe na starzenie krótkoterminowe niż mieszanki zawierające asfalty zwykłe. W starzeniu długoterminowym rodzaj asfaltu nie wpływał istotnie na zmiany starzeniowe. 3. Odporność na działanie wody i mrozu Ruch samochodowy i czynniki atmosferyczne wpływają niszcząco na nawierzchnie drogowe. Czynniki atmosferyczne takie jak temperatura, powietrze i woda mogą być główną przyczyną wpływającą na trwałość mieszanki mineralnoasfaltowej. W klimacie łagodnym, gdzie dobre gatunkowo kruszywa i asfalty są dostępne, główną przyczyną niszczenia nawierzchni asfaltowych jest ruch samochodowy, czego następstwem mogą być spękania zmęczeniowe, koleinowanie (odkształcenia trwałe) i zniszczenia powierzchniowe. Ale kiedy bardziej srogi klimat idzie w parze z gorszymi materiałami i dużym ruchem samochodowym efektem będą przedwczesne uszkodzenia nawierzchni w postaci złuszczeń lub rakowin. Chociaż wiele czynników środowiskowych przyczynia się do niszczenia nawierzchni asfaltowych, to kluczowym elementem w degradacji mieszanek mineralnoasfaltowych jest woda i mróz. Główne mechanizmy niszczenia przez wodę i mróz struktury wewnętrznej mieszanki mineralnoasfaltowej są następujące: odmywanie asfaltu z kruszywa ( stripping ),

7 utrata kohezji i sztywności cienkiej warstwy asfaltu, utrata adhezji pomiędzy kruszywem i asfaltem, pękanie poszczególnych ziaren kruszywa poddanych zamrażaniu i odmrażniu, rozsadzanie mieszanki mineralnoasfaltowej przez zamarzającą wodę. Mechanizmy te powodują obniżenie parametrów wytrzymałościowych mieszanek. Siła destrukcyjnego działania czynników atmosferycznych zależy, tak jak wspomniano wcześniej, od rodzaju materiałów użytych do mieszanek mineralnoasfaltowych, a ściśle mówiąc od powiązania na powierzchni styku asfaltu z kruszywem Badane materiały Do badań oddziaływania wody i mrozu wykorzystano 11 rodzajów asfaltów: 5 asfaltów modyfikowanych elastomerem SBS i 6 asfaltów zwykłych z rafinerii krajowych i zagranicznych. Parametry badanych asfaltów przedstawiono w tablicach 1 i 5. Tablica 5. Wyniki badań części asfaltów wykorzystanych do mastyksów grysowych SMA przy badaniach oddziaływania wody i mrozu Lp. Badanie D50RG D70RG DE50RG DE90RG 1. Penetracja, 100g, 5s, [0,1mm]: 5 C 2. Ciągliwość [cm]: 12,2 20,6 54,2 14,2 29,8 70,0 11,3 26,4 70,0 14,2 43,6 117,0 >155 > ,7 145,2 144,3 137,3 3. Temperatura mięknienia PiK [ C] 57,9 48,5 58,8 79,0 4. Temperatura łamliwości wg Frassa [ C] 16* 18* 13* 15* 5. Lepkość dynamiczna [Pa*s]: 60 C 90 C 135 C 727,83 21,48 0,74 224,49 9,41 0, * 23,43 1,07 29,09 1,13 6. Nawrót sprężysty w [%] Wyniki badań po odparowaniu w cienkiej warstwie w 165 C (TFOT) 5. Zmiana masy po wygrzewaniu w cienkiej warstwie 165 C, [%] ** 0,07 0,03 0,05 0,31 6. Penetracja, [100g, 5s, 0,1mm]: 5 C 8,6 16,1 33,8 10,2 23,5 50,3 7,0 20,3 55,3 9,3 27,5 73,4 7. Ciągliwość [cm]: 65,8 > ,9 142,7 123,2 136,5 8. Temperatura mięknienia PiK [ C] 65,5 55,8 67,8 80,5 9. Temperatura łamliwości wg Frassa [ C] 10* 13* 12* 14* 10. Lepkość dynamiczna [Pa*s]: 60 C 90 C 135 C 42,10 1,14 487,65 15,24 0,59 32,00 1,23 45,07 1, Nawrót sprężysty w [%] brak brak * przyjęto na podstawie świadectw jakości asfaltów, ** znak minus oznacza spadek masy, znak plus oznacza przyrost masy. Do badania odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na działanie wody i mrozu użyto grysy granitowe frakcji 11/16, 8/11, 5/8, 2/5, 0/5 mm z Glensanda (Szkocja), piasek łamany 0/2 mm z Granicznej oraz wypełniacz wapienny z Piechcina.

8 Zaprojektowano dwa typy mieszanek mineralnoasfaltowych: beton asfaltowy i mastyks grysowy SMA. Przy projektowaniu betonu asfaltowego zastosowano mieszankę o uziarnieniu do 0/20 mm (maksymalne ziarno 16 mm), a mastyksu grysowego SMA mieszankę o uziarnieniu do 11 mm. Do betonu asfaltowego użyto siedmiu rodzajów asfaltów: D50G, D70G, D50Z, D70Z, DE50 3G, DE50 4G, Olex45 natomiast asfaltów: D50RG, D70RG, DE50RG i DE90RG użyto do SMA. Jako stabilizator do mastyksu grysowego SMA zastosowano włókna celulozowe Technocel 1004 w ilości 0,3% w stosunku do masy mieszanki mineralnoasfaltowej. W mastyksie grysowym SMA uzupełniająco zastosowano dodatek adhezyjny Teramin14 w ilości 0,3% w stosunku do asfaltu. W sumie przebadano 15 rodzajów mieszanek mineralnoasfaltowych. Betony asfaltowe i mastyksy grysowe SMA zaprojektowano zgodnie z ówczesnymi polskimi i niemieckimi przepisami [1,2] Badania odporności na działanie wody i mrozu mieszanek mineralnoasfaltowych Badanie odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na działanie wody i mrozu polegało na określeniu i ocenie wybranych cech mechanicznych zagęszczonych mieszanek po przejściu odpowiednich cykli pielęgnacyjnych, symulujących warunki atmosferyczne panujące na drodze. Badano moduły sztywności sprężystej i wytrzymałość na pośrednie rozciąganie. Badania odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na działanie wody oraz łącznie wody i mrozu przeprowadzono opierając się na procedurach badaczy amerykańskich. Odporność na działanie wody przeprowadzono wg metody D. G. Tunnicliffa i R. E. Roota znormalizowanej w postaci normy ASTM D Odporność na działanie wody i mrozu łącznie przeprowadzono wg metody R. P. Lottmana znormalizowanej w postaci normy AASHTO T283. Metodę AASHTO trochę zmodyfikowano przez: wydłużenie cykli zamrażania i odmrażania z 1 do 18 cykli i wprowadzenie dodatku soli kuchennej do rozmrażania. Miarą odporności mieszanki mineralnoasfaltowej na działanie wody i mrozu są zmiany modułu sztywności sprężystej i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po przejściu cykli pielęgnacyjnych w stosunku do modułu sztywności i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie bez pielęgnacji. Oznacza się to przez wskaźniki modułu sztywności sprężystej i wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie pośrednie. Wskaźnik modułu sztywności sprężystej zdefiniowany jest jako: średni sztywności sprężystej próbek pielęgnowanych WS = moduł 100% (4) średni moduł sztywności sprężystej próbek bez pielęgnacji Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie zdefiniowany jest jako: średnia wytrzymałość próbek pielęgnowanych WR = 100% średnia wytrzymałość próbek bez pielęgnacji (5) Im mniejsze są wskaźniki WS i WR tym bardziej mieszanka mineralnoasfaltowa jest wrażliwa na działanie wody i mrozu. Akceptowalne wartości WS i WR są na poziomie 70 80% Przygotowanie próbek do badań odporności na działanie wody i mrozu Przygotowywano próbki z mieszanki mineralnoasfaltowej po krótkoterminowym starzeniu opisanym w punkcie Temperaturę zagęszczenia i liczbę uderzeń ubijaka normowego Marshalla wyznaczono doświadczalnie dla każdej mieszanki mineralnoasfaltowej (2 rodzaje mieszanki i 11 rodzajów asfaltów), tak by uzyskać około 68 % wolnych przestrzeni w

9 mieszance mineralnoasfaltowej wg. zaleceń badaczy amerykańskich Lottmana, Roota i Tunnicliffa. Dla przykładu zagęszczany beton asfaltowy, przeznaczony do badań odporności na działanie wody i mrozu zawierał około 8,5% wolnych przestrzeni. Ten sam beton asfaltowy zagęszczany normowo według Marshalla zawierał od 3,0 do 3,5% wolnych przestrzeni. Zawartość wolnych przestrzeni zwiększona w badanych próbkach do 8%, a nawet 10%, jest zalecana w procedurach amerykańskich (SUPERPAVE, AASHTO T283). Zwiększa to agresywność działania wody i mrozu na beton asfaltowy oraz modeluje przypadki ekstremalne, tj gdy warstwa nawierzchni nie została w pełni zagęszczona. Do badań przyjmowano próbki, w których zawartość wolnych przestrzeni zawierała się w przedziale: V v = ( V 2 s;. V + 2s), gdzie V średnia zawartość wolnych przestrzeni, s odchylenie standardowe. Próbki przygotowane z każdego rodzaju mieszanki mineralnoasfaltowej podzielono na trzy grupy tak, aby każda grupa miała zbliżoną średnią gęstość pozorną i zbliżoną zawartość wolnych przestrzeni. Sposób postępowania z każdą grupą próbek podano poniżej. Grupa kontrolna (nie poddana pielęgnacji) Grupa pierwsza kontrolna nie poddana pielęgnacji, była przechowywana w laboratorium w warunkach pokojowych, do czasu pierwszego badania próbek. Pielęgnacja A (odporność na działanie wody) Grupa druga próbek została poddana pielęgnacji A (odporność na działanie wody) wg procedury Rootta, Tunnicliffa. Procedura pielęgnacji A składa się z dwóch etapów: próżniowego nasycania próbek wodą, a następnie poddania próbek przedłużonemu oddziaływaniu wody w podwyższonej temperaturze. Próbki zalane wodą o temperaturze 20 C przechowywano w komorze próżniowej o ciśnieniu 200 hpa przez 30 min. Następnie umieszczono je w łaźni wodnej o temperaturze 60 C i przechowywano przez 24 godz. Pielęgnacja B (odporność na działanie wody i mrozu) Grupa trzecia próbek została poddana pielęgnacji B (odporność na działanie wody i mrozu) zbliżonej do zmodyfikowanej procedury Lottmana. Procedura pielęgnacji B składa się z trzech etapów: próżniowego nasycania próbek wodą, cyklicznego zamrażaniaodmrażania i poddania próbek przedłużonemu oddziaływaniu wody w podwyższonej temperaturze. Próbki zalane wodą o temperaturze 20 C przechowywano w komorze próżniowej o ciśnieniu 200 hpa, przez 30 min. Następnie poddano je 18krotnemu zamrażaniu i odmrażaniu (18 C przez 4 godz., +20 C przez 4 godz.). Odmrażanie odbywało się w 2% wodnym roztworze soli kuchennej NaCl. Kolejnym etapem było umieszczenie próbek w łaźni wodnej o temperaturze 60 C i przechowywanie przez 24 godz. W procedurach pielęgnacyjnych A i B warunki pierwszego etapu tj. próżniowego nasycania są następujące: ciśnienie 200 hpa i czas nasycania 30 min. Ustalono je doświadczalnie, by osiągnąć poziom względnego nasycenia 6080%. Nasycenie względne opisuje zależność: 3 zawartość wody w próbce w cm 3 zawartość wolnych przestrzeni w próbce w cm NW = (6) Wielkość nasycenia względnego wyznaczano stosując wzór (7): NW = [(BA)/V(BC)]*100% (7) gdzie: NW nasycenie względne [%], A ciężar próbki suchej w powietrzu [g], B ciężar próbki nasyconej mierzony w powietrzu (wycieranej wilgotną szmatką) [g], C ciężar próbki nasyconej mierzony w wodzie [g], V zawartość wolnych przestrzeni w próbce, wyrażona w liczbie dziesiętnej. Jeżeli nasycenie względne było wyższe niż 80% próbki odrzucano, jeżeli był niższy niż 60% próbki ponownie poddawano próżniowemu nasycaniu, aby osiągnąć poziom 6080%.

10 Badanie modułu sztywności i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie Badanie modułu sztywności i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przeprowadzono zgodnie z pkt i z tą różnicą, że temperatura badania wynosiła 20 C Wyniki badań i ich analiza Tablice 6 i 7 przedstawiają niektóre wyniki badań odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na oddziaływanie wody i mrozu. Tablica 6. Zestawienie średnich wyników badań odporności betonów asfaltowych na działanie wody i mrozu. L.p. Parametr Beton asfaltowy z użyciem asfaltu: D50 G DE50 3G DE50 4G D50 Z D70 Z D70 G Olex45 Moduł sztywności sprężystej w 20 C [MPa] Bez pielęgnacji Po pielęgnacji A (woda) Po pielęgnacji B (woda i mróz) Wskaźnik modułu sztywności sprężystej, % 2 Po pielęgnacji A (woda) 63,0% 75,2% 84,1% 61,1% 64,1% 39,6% 82,7% Po pielęgnacji B (woda i mróz) 50,5% 59,7% 71,6% 41,9% 45,2% 19,6% 75,8% Wytrzymałość na rozciąganie pośrednie w 20 C [MPa] 3 Bez pielęgnacji 0,98 1,30 1,29 0,99 0,81 0,86 1,14 Po pielęgnacji A (woda) 0,59 0,84 0,88 0,57 0,52 0,38 0,91 Po pielęgnacji B (woda i mróz) 0,51 0,64 0,70 0,39 0,35 0,28 0,89 Wskaźnik wytrzymałości, % 4 Po pielęgnacji A (woda) 60,2% 64,6% 68,2% 57,6% 64,2% 44,2% 79,8% Po pielęgnacji B (woda i mróz) 52,0% 49,2% 54,3% 39,4% 43,2% 32,6% 78,0% Tablica 7. Zestawienie średnich wyników badań odporności mastyksów grysowych SMA na działanie wody i mrozu. Lp. Parametr Mastyks grysowy SMA z użyciem asfaltu: D50RG D70RG DE50RG DE90RG D50RG+T D70RG+T DE50RG+ T DE90RG+ T Moduł sztywności sprężystej w 20 C [MPa] 1 Bez pielęgnacji Po pielęgnacji A (woda) Po pielęgnacji B (woda i mróz) Wskaźnik modułu sztywności sprężystej, % 2 Po pielęgnacji A (woda) 57,9% 74,3% 88,9% 85,9% 77,0% 61,4% 77,2% 79,6% Po pielęgnacji B (woda i mróz) 44,7% 52,5% 35,9% 77,8% 77,7% 64,1% 63,4% 67,5% Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie w 20 C [MPa] 3 Bez pielęgnacji 0,86 0,82 0,89 0,69 0,96 0,84 0,97 0,83 Po pielęgnacji A (woda) 0,59 0,60 0,68 0,57 0,70 0,70 0,76 0,74 Po pielęgnacji B (woda i mróz) 0,46 0,45 0,36 0,45 0,67 0,68 0,69 0,74 4 Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciaganie, % Po pielęgnacji A (woda) 68,6% 73,2% 76,4% 82,6% 72,9% 83,3% 78,4% 89,2% Po pielęgnacji B (woda i mróz) 53,5% 54,9% 40,4% 65,2% 69,8% 81,0% 71,1% 89,2% Uwaga: +T oznacza dodatek środka adhezyjnego Teramin 14 Z badanych betonów asfaltowych największą odporność na działanie wody oraz wody i mrozu mają betony z asfaltami modyfikowanymi, a najgorszą odporność z asfaltem D70G. Asfalty D50 G, D50 Z id70 Z zajmują pośrednie miejsce. Asfalt D50G ma lepszą odporność na łączne działanie wody i mrozu od asfaltów D50 Z i D70 Z, ale różnice pomiędzy nimi nie są duże. Z przeprowadzonych badań betonów asfaltowych wynika, że żaden z badanych asfaltów poza Olex45 nie zapewnia odporności na działanie wody i mrozu, i do każdego z nich poza Olex45 należy stosować środki adhezyjne. Jeżeli przyjąć 70% jako minimalną (wymaganą) wartość wskaźników wytrzymałości i wskaźników modułów, to można stwierdzić, że tylko mastyks grysowy SMA z asfaltem D50RG z dodatkiem Teraminu14 spełnia to kryterium i tym samym wykazuje wystarczającą odporność na działanie wody (WS=77% i WR=78%) oraz łącznie wody i mrozu (WS=73% i WR=70%). Asfalt D50RG bez dodatku środka adhezyjnego nie wykazał odporności na działanie wody jak i łącznie wody i mrozu.

11 Zaskakujące wyniki badań uzyskano dla dwóch asfaltów modyfikowanych. O ile asfalty DE50RG i DE90RG bez dodatku i z dodatkiem Teraminu14 zachowały odporność na działanie wody, to nie zachowały odporności na działanie łącznie wody i mrozu. Dodatek środka adhezyjnego także nie uodpornił mieszanek SMA na działanie wody i mrozu (WS<70%), pomimo wyraźnego wzrostu odporności. Analizując powyższe wyniki należy zwrócić uwagę na to, że stosowane procedury badawcze odnoszą się do betonu asfaltowego. Mastyks grysowy SMA jest innym typem mieszanki niż beton asfaltowy. Wpływ wody i mrozu na właściwości mechaniczne SMA w warunkach laboratoryjnych może być odmienny niż w rzeczywistości. Sprawa ta wymaga dalszych badań i analiz. 4. Wnioski Wyniki przeprowadzonych badań starzenia betonów asfaltowych, mastyksów grysowych SMA oraz asfaltów drenażowych pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1. Badania wykazały dużą wrażliwość metody badania modułu sztywności na zmiany właściwości mieszanki oraz na warunki badania. Dlatego, przy zastosowaniu modułu sztywności sprężystej jako narzędzia do badania starzenia, wszystkie właściwości mieszanki mineralnoasfaltowej oraz warunki badania powinny być dokładnie kontrolowane. 2. Wyniki badań pokazały, że rodzaj mieszanki, zawartość wolnych przestrzeni oraz rodzaj asfaltu wpływają na wrażliwość mieszanek mineralnoasfaltowych na starzenie w tych samych warunkach starzenia. 3. Wielkość starzenia krótkoterminowego (STOA) w znacznym stopniu zależy od rodzaju asfaltu dla tych samych mieszanek mineralnoasfaltowych. Wielkość starzenia długoterminowego (LTOA) w mniejszym stopniu zależy od rodzaju asfaltu. 4. Wskaźnik modułu sztywności sprężystej jest dobrym parametrem do oceny wrażliwości na starzenie mieszanek mineralnoasfaltowych. 5. Rodzaj asfaltu ma znaczący wpływ zarówno na poziom starzenia krótkoterminowego jak i długoterminowego mieszanek mineralnoasfaltowych. Trzy badane typy mieszanek: beton asfaltowy, mastyks grysowy SMA oraz asfalt drenażowy, zawierające asfalt modyfikowany DE50B wykazały wolniejsze tempo starzenia krótkoterminowego i długoterminowego niż mieszanki zawierające asfalt zwykły D70. Jednakże, w celu wyraźnego określenia wpływu starzenia na właściwości mieszanek mineralnoasfaltowych zawierających asfalty zwykłe i modyfikowane, istnieje potrzeba prowadzenia dalszych badań. Wyniki przeprowadzonych badań betonów asfaltowych i mastyksów grysowych SMA pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1. Badania modułu sztywności sprężystej oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie pozwalają na ocenę asfaltów w poszczególnych mieszankach mineralnoasfaltowych pod względem ich wrażliwości na oddziaływanie wody i mrozu. 2. Wskaźnik modułu sztywności i wskaźnik wytrzymałości jest dobrym parametrem do oceny wrażliwości mieszanek mineralnoasfaltowych na oddziaływanie wody i mrozu. Konieczne są dalsze badania do ustalenia jednoznacznego kryterium liczbowego oceny mieszanek w polskich warunkach klimatycznych. 3. Mieszanki mineralnoasfaltowe z zastosowaniem asfaltów modyfikowanych wykazały większą odporność na oddziaływanie wody, oraz łącznie wody i mrozu w porównaniu do mieszanek mineralnoasfaltowych z zastosowaniem asfaltów zwykłych.

12 4. Środek adhezyjny Teramin 14 podnosił istotnie odporność na działanie wody i mrozu w większości badanych mieszankach. Zdarzały się jednak mieszanki, gdy jego oddziaływanie było mało skuteczne. Literatura [1]Zasady projektowania betonu asfaltowego o zwiększonej odporności na odkształcenia trwałe, Zeszyt 48, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, 1995 [2] ZTV bitstb 84/90,Zusäzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt [3] Lefebvre G. and working group, Porous Asphalt, AIPCR PIARC, B, 1993 [4] Judycki J., Jaskuła P., Pszczoła M., Wpływ starzenia i oddziaływania wody i mrozu na zmianę właściwości mechanicznych mieszanek mineralnoasfaltowych, Sprawozdanie z projektu badawczego, KBN, Gdańsk 2001 THE INFLUENCE OF AGEING AND ACTION OF WATER AND FROST ON CHANGES OF PROPERTIES OF ASPHALT MIXES Summary The paper presents some results of research carried out at the Gdansk University of Technology under the contract granted by the Committee of Scientific Research. The research covered two groups of environmental factors which very significantly affect pavement performance, namely ageing and action of water and frost. Ageing of asphalt mixes was simulated in the laboratory according to the procedure worked out by the Strategic Highway Research Programe in USA. Action of water and frost was tested with use of a modified AASHTO T283 procedure. The following variables were analyzed: (a) type of asphalt mix (asphalt concrete and stone mastic asphalt SMA), (b) type of bitumen (pure unmodified and modified, produced in different refineries, with different viscosities and other engineering properties), (c) use of adhesive agent (mixes with and without adhesive agent). The main findings were the following. It was proved the testing methods used were effective and enabled proper evaluation of tested mixes. Ageing was mainly dependent upon type of a mix, voids content the type of bitumen used. The effect of the bitumen used was very pronounced for short term oven ageing and was less important for long term oven ageing. Mixes with modified bitumens were more resistant to action of water and frost. Adhesive agent was in most cases effective in increase of water and frost resistance of asphalt mixes. However, the same adhesive agent was not effective for some tested mixes.