ASFALTY WYSOKOMODYFIKOWANE ORBITON HiMA

Transkrypt

1

2 ASFALTY WYSOKOMODYFIKOWANE ORBITON HiMA Poradnik stosowania wersja 2014/1

3 Autorzy: dr inż. Krzysztof Błażejowski dr inż. Jacek Olszacki mgr inż. Hubert Peciakowski Copyright by ORLEN Asfalt sp. z o.o. ul. Chemików Płock Zarówno Autorzy, jak i ORLEN Asfalt Sp. z o.o. dołożyli wszelkiej staranności, aby podane informacje były dokładne i wiarygodne. Jednak nie ponoszą jakiejkolwiek odpowiedzialności za skutki zastosowania informacji zawartych w tej publikacji, a w szczególności za straty w jakiejkolwiek postaci i formie. Wykorzystując dane zawarte w publikacji, czytelnik czyni to na własną odpowiedzialność.

4 WPROWADZENIE Prace badawcze prowadzone przez wiele ośrodków naukowych przez ostatnie dekady pozwoliły stwierdzić, że większa zawartość polimerów w asfalcie pozwala na uzyskanie dodatkowych korzyści jakościowych, znacząco przyczyniając się do poprawienia trwałości nawierzchni asfaltowych odporności na pękanie, koleinowanie i zmęczenie. Szczególnie zachęcające było przekroczenie granicy zawartości polimeru SBS (ok % m/m), po której faza polimerowa stawała się fazą ciągłą w polimeroasfalcie. Jednak zastosowanie do modyfikacji asfaltu tak dużej ilości klasycznego polimeru SBS niosło konkretne problemy techniczne w produkcji i stosowaniu asfaltów modyfikowanych związane z następującymi aspektami: problemy ze stabilnością podczas magazynowania i transportu polimeroasfaltu (wysokie ryzyko separacji polimeru z polimeroasfaltu), bardzo duża lepkość polimeroasfaltu, która powoduje, że takie lepiszcza należałoby podgrzewać na otaczarni do znacznie wyższej temperatury, niż typowe asfalty modyfikowane z mniejszą ilością polimeru, pojawiają się także znaczące trudności podczas zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej z wysoko-lepkimi lepiszczami podczas budowy drogi następowało szybkie sztywnienie mieszanki w warstwie i uzyskiwano zbyt niskie wskaźniki zagęszczenia. Wymienione ograniczenia koncepcji asfaltów wysokomodyfikowanych do zastosowań drogowych były wyzwaniem nie tylko dla producentów lepiszczy drogowych, ale także dla producentów polimerów. Prace badawcze prowadzone przez przemysł polimerów dały jednak pozytywne rezultaty i od kilku lat dostępne są na rynku rozwiązania, które umożliwiają wyprodukowanie asfaltu wysokomodyfikowanego pozbawionego ograniczeń opisanych powyżej. Asfalty tego typu zostały nazwane HiMA Highly Modified Asphalt. W USA stosuje się dodatkowo także pojęcie HPM (Highly Modified Mixes). Prace badawcze i wdrożeniowe nowych wysokomodyfikowanych lepiszczy asfaltowych z polimerem nowego typu wykazały, że są one produktami o ponadstandardowych właściwościach funkcjonalnych, charakteryzują się między innymi bardzo dobrą odpornością na koleinowanie, działanie wody i mrozu oraz świetną wytrzymałością zmęczeniową i odpornością na pękanie [Timm et al. 2012, 2013; Kluttz et al. 2013; Willis et al. 2012; Scarpas et al. 2012]. W sensie strukturalnym warstwy z HiMA są sztywniejsze niż z klasycznymi asfaltami modyfikowanymi przy jednoczesnej dużej tolerancji na zwiększenie odkształceń rozciągających (tzw. zmęczeniowych) [Kluttz et al. 2009; West et al. 2012], co potencjalnie umożliwia zmniejszenie grubości pakietu warstw asfaltowych. Prowadzone od 2009 r. badania w pełnej skali na torze doświadczalnym w USA (NCAT Pavement Test Track) wykazały, że eksperyment polegający na zmniejszeniu grubości nawierzchni o 18% i zastosowaniu jednocześnie wysokomodyfikowanego, specjalnego lepiszcza HiMA zakończył się sukcesem nawierzchnia okazała się odporna na koleinowanie i pękanie zmęczeniowe [West et al. 2012]. 3

5 1 ZASADA DZIAŁANIA ASFALTÓW WYSOKOMODYFIKOWANYCH HIMA Jak wspomniano wcześniej, główną ideą asfaltów wysokomodyfikowanych jest przeciwdziałanie spękaniom nawierzchni, deformacjom trwałym (koleinom) oraz zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej warstw asfaltowych. Do tego celu stosuje się dużą zawartość polimeru, przekraczającą 7% m/m, co powoduje odwrócenie faz w mieszaninie asfaltu z polimerem (rys. 1.1.). SBS polymer Asfalt ORBITON HiMA (ciągła matryca polimerowa) SBS polymer Asfalt Typowy asfalt modyfikowany (ciągła matryca asfaltowa) Rys Proporcje objętościowe między asfaltem a polimerem w typowym polimeroasfalcie i asfalcie wysoko- -modyfikowanym Zalety ciągłej sieci polimerowej (fazy polimerowej), która działa w lepiszczu i mieszance mineralno-asfaltowej jak elastyczne zbrojenie łatwo jest przedstawić na przykładzie ograniczania przez lepiszcza wysokomodyfikowane propagacji spękań warstwy z mma. Na rys przedstawiono schematy dwóch hipotetycznych sytuacji: rys. A.: propagacja pęknięcia przez warstwę mieszanki mineralno-asfaltowej z klasycznym asfaltem modyfikowanym, o nieciągłej sieci polimerowej (oznaczonej rozproszonymi żółtymi punktami) w tym schemacie pęknięcie jest w stanie przejść przez warstwę lepiszcza, znajdując w nim nieciągłości między fragmentami sieci polimerowej, rys. B.: propagacja pęknięcia przez warstwę mieszanki mineralno-asfaltowej z asfaltem wysokomodyfikowanym, o ciągłej sieci polimerowej (oznaczona żółtymi liniami) w tym schemacie przejście pęknięcia przez warstwę lepiszcza jest utrudnione ze względu na barierę stworzoną przez sieć polimerową. 4

6 Powiększenie szczegółu 1 Powiększenie szczegółu 2 Szczegół 1 A W. ścieralna z typowym PMB B Szczegół 2 W. ścieralna z PMB HiMA W. wiążąca W. wiążąca propagacja spękania "w górę" od warstwy wiążącej Rys Propagacja spękań przez warstwy asfaltowe, a) z asfaltem modyfikowanym, b) z asfaltem wysokomodyfikowanym 2 RODZINA PRODUKTÓW ORBITON HIMA Od 2011 r. w Dziale Technologii, Badań i Rozwoju ORLEN Asfalt prowadzone były prace rozwojowe nad nową rodziną lepiszczy asfaltowych. W wyniku prac laboratoryjnych i prób produkcyjnych powstały trzy nowe lepiszcza wysokomodyfikowane: ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA ORBITON 65/ HiMA Wszystkie ORBITONY HiMA są klasyfikowane wg Normy Europejskiej PN-EN Na rys przedstawiono na wykresie Pen25-PiK położenie nowych produktów w stosunku do asfaltów drogowych i modyfikowanych (typowych), stosowanych do tej pory w Polsce. Widoczne jest znaczące podniesienie zakresu temperatury mięknienia PiK wszystkich produktów ORBITON HiMA, co wynika wprost z dużej zawartości polimeru. 5

7 Rys Położenie asfaltów wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA w stosunku do asfaltów drogowych i modyfikowanych (typowych) na wykresie Pen25-PiK 3 PRZEZNACZENIE ASFALTÓW ORBITON HIMA Asfalty wysokomodyfikowane ORBITON HiMA mogą być stosowane w technologiach oraz lokalizacjach, w których wymagana jest bardzo wysoka trwałość: ORBITON 25/55-80 HiMA przeznaczony jest do podbudów asfaltowych i warstw wiążących nawierzchni długowiecznych (typu perpetual pavements), mieszanek o wysokim module sztywności AC WMS oraz miejscach występowania ruchu powolnego, ORBITON 45/80-80 HiMA przeznaczony jest do warstw ścieralnych nawierzchni, poddawanych bardzo dużym obciążeniom oraz pracującym w niskiej temperaturze, a także do pozostałych warstw w miejscach specjalnych np. na obiektach mostowych, ORBITON 65/ HiMA przeznaczony jest do technologii specjalnych np. warstw SAMI, do wytwarzania emulsji asfaltowych stosowanych do slurry seal; ze względu na wysoką penetrację jego stosowanie do mieszanek mineralno-asfaltowych jest ograniczone. 4 WYNIKI BADAŃ ORBITON HIMA Asfalty wysokomodyfikowane z rodziny ORBITON HiMA zostały przebadane na etapie prac laboratoryjnych oraz prób przemysłowych. Poniżej przedstawiono wyniki badań lepiszczy oraz mieszanek mineralno-asfaltowych z ich udziałem, na tle pozostałych lepiszczy drogowych produkowanych przez ORLEN Asfalt. 6

8 4.1. Właściwości wg PN-EN 14023:2011 (Załącznik Krajowy NA 2014, tabl. NA.2) W tabeli 4.1. przedstawiono wymagane właściwości oraz wyniki badań kontrolnych asfaltów wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA w odniesieniu do Załącznika Krajowego NA, tablica NA.2. normy PN-EN 14023:2011. Tabela 4.1. Właściwości asfaltów wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA wg PN-EN 14023:2011 (Załącznik Krajowy NA 2014, tablica NA.2) Właściwość Metoda badania Jednostka ORBITON 25/55-80 HiMA wymaganie NA wynik badania ORBITON 45/80-80 HiMA wymaganie NA wynik badania ORBITON 65/ HiMA wymaganie NA wynik badania Penetracja w 25 C EN ,1 mm od 25 do od 45 do od 65 do Temperatura mięknienia EN 1427 C 80 95, , ,2 Kohezja Siła rozcią gania metoda z duktylometrem (rozciąganie 50 mm/min) EN EN J/cm 2 TBR (w 15 C) 5,5 TBR (w 10 C) 3,7 TBR (w 10 C) 3,5 Zmiana masy % 0,5 0,05 0,5 0,03 0,5 0,07 Odporność na starzenie Pozostała penetracja EN % Wzrost temperatury mięknienia C 8 5,0 8 0,0 8 2,2 Temperatura zapłonu EN ISO 2592 C >245 Temperatura łamliwości EN C Nawrót sprężysty w 25 C EN % w 10 C EN % TBR 71 TBR 76 TBR 85 Spadek temperatury mięknienia po badaniu wg EN EN 1427 C TBR 0,0 TBR -1,0 TBR 0,0 Nawrót sprężysty w 25 C po badaniu wg EN Nawrót sprężysty w 10 C po badaniu wg EN Stabilność magazynowania (3 dni) Różnica temperatury mięknienia EN % EN % TBR 69 TBR 70 TBR 80 EN EN 1427 C 5 1,0 5 0,0 5 0, Badania właściwości niskotemperaturowych Superpave PG system W systemie Performance Grade do badań zachowania asfaltu w niskiej temperaturze stosuje się reometr zginanej belki BBR (Bending Beam Rheometer). 7

9 W BBR ocenia się stopień usztywnienia asfaltu w niskiej temperaturze. Przyjęto, że wartość sztywności pełzania S(t) nie może być większa, niż 300 MPa, co powinno zapewnić odpowiednią odporność na spękania (brak przesztywnienia lepiszcza). Wartość parametru m powinna być z kolei większa niż 0.300, co związane jest z relaksacją naprężeń powstających w lepiszczu podczas spadku temperatury. W tabeli 4.2. przedstawiono wyniki badań właściwości niskotemperaturowych w reometrze zginanej belki BBR starzonych w RTFOT i PAV. Parametry badania: Badanie w czterech temperaturach: -10, -16, -22, -28 C. Czas termostatowania próbki: 60 min. Odczytane wartości po 60s obciążenia: S(60s) MPa, m(60s) Tabela 4.2. Wyniki badań właściwości niskotemperaturowych ORBITON HiMA po starzeniu (RTFOT+PAV), w reometrze zginanej belki BBR przy S(60) = 300 MPa, m(60) = 0,3 i sztywność S w temperaturze -16 C) Rodzaj asfaltu Temperatura krytyczna przy S(60) = 300 MPa T(S) 60 [ C] Temperatura krytyczna przy m(60) = 0.3 T(m) 60 [ C] Sztywność asfaltu w temperaturze -16 C S(T) -16 [MPa] EN 14771, AASHTO PP 42 ORBITON 25/55-80 HiMA -18,5-16,2 229,5 ORBITON 45/80-80 HiMA -19,7-19,8 181,3 ORBITON 65/ HiMA -20,6-20,8 171,3 Na rysunku 4.1. przedstawiono porównanie właściwości niskotemperaturowych ORBITON HiMA z klasycznymi asfaltami modyfikowanymi ORBITON i asfaltami drogowymi o podobnym zakresie penetracji. Rys Porównanie właściwości niskotemperaturowych ORBITON HiMA (temperatura krytyczna przy S(60) = 300 MPa oraz przy m(60) = 0.3) z klasycznymi asfaltami modyfikowanymi ORBITON i asfaltami drogowymi o podobnym zakresie penetracji 8

10 Badania odporności na pękanie mma metod TSRST Oprócz badań lepiszczy ORBITON HiMA wykonano także badania mieszanek mineralno-asfaltowych z tymi lepiszczami. Do badań wykorzystano beton asfaltowy AC 16 S (mieszanka porównawcza) o tej samym uziarnieniu i zmiennym (do porównań) rodzaju lepiszcza. Wyniki tak przeprowadzonych badań metodą TSRST (Thermal Stress Restrained Specimen Test) wg EN przedstawiono na rys Przedstawione wyniki dotyczą umownej temperatury pęknięcia określonej w warunkach testu TSRST, przy gradiencie spadku temperatury -10 K/h, na belce prostopadłościennej z mieszanki AC16S. Warto zauważyć, że ORBITON HiMA uzyskały najlepsze wyniki w porównaniu do innych lepiszczy o podobnej twardości. Rys Wyniki badań odporności na pękanie nawierzchni, metoda TSRST wg EN Badania właściwości w pośrednich temperaturach odporność na zmęczenie Superpave PG system Do badań zmęczeniowych lepiszcza wykorzystuje się aparat DSR reometr dynamicznego ścinania. Odporność lepiszcza na powstawanie spękań zmęczeniowych wykonywane jest w pośredniej temperaturze (uzależnionej od rodzaju PG). Wymagania ograniczają sztywność G* sinδ do maksimum 5000 kpa (w nowszej wersji systemu PG wymaganie zostało podniesione do 6000 kpa). W tablicy 4.3. przedstawiono wyniki badań w reometrze DSR do określenia umownej temperatury krytycznej ze względu na spękania zmęczeniowe, a na rys porównanie z innymi lepiszczami o podobnej twardości. 9

11 Tabela 4.3. Wyniki badań właściwości asfaltów w reometrze dynamicznego ścinania DSR. Rodzaj asfaltu drogowego Temperatura krytyczna przy G* sinδ=5000 kpa asfalt po RTFOT+PAV [ C] Temperatura krytyczna przy G* sinδ=6000 kpa asfalt po RTFOT+PAV [ C] AASHTO T 315 AASHTO T 315 ORBITON 25/55-80 HiMA 17,9 16,2 ORBITON 45/80-80 HiMA 13,2 11,4 ORBITON 65/ HiMA 12,3 11,3 Rys Porównanie właściwości zmęczeniowych w DSR (G* sinδ=5000kpa) metodą Superpave ORBITON HiMA z klasycznymi asfaltami modyfikowanymi ORBITON oraz asfaltami drogowymi o podobnym zakresie penetracji Zmęczenie mma, badanie 4PB-PR Ze względu na sposób powstania i pracy wewnętrznej sieci polimerowej w ORBITON HiMA lepiszcza te charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością zmęczeniową. Badania wykonano metodą belki prostopadłościennej, czteropunktowo zginanej (4PB-PR) wg EN dla referencyjnej mieszanki AC16W (B=5,6% m/m, Vm=2,2% v/v, VMA=15,2% v/v, VFB=85,8%). Wykazały one, że wytrzymałość zmęczeniowa mieszanki AC16W z ORBITON HiMA jest bardzo wysoka, a w szczególności że możliwe jest bezpieczne przenoszenie znacznie wyższych odkształceń warstwy bez zmniejszenia trwałości nawierzchni. Potwierdza to wyniki uzyskane w USA na torze doświadczalnym NCAT Pavement Test Track. 10

12 A zatem zastosowanie ORBITON HiMA np. w warstwie podbudowy asfaltowej zdecydowanie pozytywnie wpływa na trwałość zmęczeniową nawierzchni. Innym możliwym przeznaczeniem lepiszcza HiMA mogą być cienkie nawierzchnie na obiektach mostowych, szczególnie tych narażonych na duże ugięcia i drgania. Na rysunku 4.4. przedstawiono krzywą zmęczeniową dla AC16W z ORBITON 45/80-80 HiMA N = 4*10 f , Rys Krzywa zmęczeniowa mieszanki AC16W z asfaltem wysokomodyfikowanym ORBITON 45/80-80 HiMA w badaniu 4PB-PR, temperatura 10 C, częstotliwość 10 Hz Analizując wyniki badania zmęczeniowego ORBITON 45/80-80 HiMA i uzyskane wyniki trwałości N f dla odkształceń 350, 400 i 450 µ można z pewnym umownym założeniem stwierdzić, że w przypadku typowej nawierzchni drogowej, w której odkształcenia w podbudowie asfaltowej znajdują się zwykle w zakresie µ, zastosowanie lepiszcza o takim poziomie wytrzymałości zmęczeniowej będzie zmieniało tę nawierzchnię w typ perpetual, czyli długowieczną Badania właściwości w wysokiej temperaturze Klasyczna metoda z DSR (G* i δ) Zgodnie z klasyczną metodą Superpave (obecnie wycofywaną już ze specyfikacji), odporność lepiszcza na działanie wysokiej temperatury określa się w reometrze DSR przez pomiar dwóch parametrów: zespolonego modułu sztywności G* i kąta przesunięcia fazowego δ asfaltu przed starzeniem RTFOT, zespolonego modułu sztywności G* i kąta przesunięcia fazowego δ asfaltu po starzeniu RTFOT. Wymagane jest, aby w przewidywanej najwyższej temperaturze pracy asfaltu w nawierzchni (tzn. w górnym PG ) asfalt charakteryzował się określonymi parametrami zbadanymi w DSR: G*/sinδ 1.00 kpa dla asfaltu przed starzeniem, G*/sinδ 2.20 kpa dla asfaltu po starzeniu w aparacie RTFOT. 11

13 W tabeli 4.4. przedstawiono wyniki badań właściwości w reometrze dynamicznego ścinania DSR. Parametry badania: zespolony moduł sztywności G* i kąt przesunięcia fazowego δ asfaltu przed starzeniem do oznaczenia krytycznej temperatury przy G*/sinδ=1 kpa, zespolony moduł sztywności G* i kąt przesunięcia fazowego δ asfaltu po starzeniu RTFOT do oznaczenia krytycznej temperatury przy G*/sinδ=2.2 kpa. Tabela 4.4. Wyniki badań właściwości asfaltów w reometrze dynamicznego ścinania DSR. Rodzaj asfaltu drogowego Temperatura krytyczna przy G*/sinδ=1 kpa asfalt przed starzeniem [ C] Temperatura krytyczna przy G*/sinδ=2.2 kpa asfalt po RTFOT [ C] AASHTO T 315 AASHTO T 315 ORBITON 25/55-80 HiMA 105,2 95,4 ORBITON 45/80-80 HiMA 98,2 84,3 ORBITON 65/ HiMA 94,3 77,4 Na rys przedstawiono porównanie górnej temperatury krytycznej w badaniu DSR przy uwzględnieniu dwóch parametrów (G*/sinδ) dla ORBITON HiMA oraz porównywalnych lepiszczy. Rys Porównanie górnej temperatury krytycznej w DSR dla ORBITON HiMA z klasycznymi asfaltami modyfikowanymi ORBITON oraz asfaltami drogowymi o podobnym zakresie penetracji 12

14 Na rysunkach przedstawiono krzywe Blacka dla asfaltów drogowych i modyfikowanych o podobnym zakresie penetracji jak ORBITON HiMA. Krzywa Blacka służy do oceny zależności zespolonego modułu sztywności lepiszcza G* w funkcji kąta przesunięcia fazowego δ. Jak widać na rysunkach, przy małej i dużej wartości zespolonego modułu sztywności G* skorelowane są z przewagą części sprężystej pracy lepiszcza. Rys Porównanie Krzywych Blacka dla ORBITON 25/55-80 HiMA z ORBITON 25/55-60, ORBITON 10/40-65 oraz asfaltem drogowym 35/50 (asfalty niestarzone). Rys Porównanie Krzywych Blacka dla ORBITON 45/80-80 HiMA z asfaltami ORBITON 45/80-55 i ORBITON 45/80-65 oraz drogowym 50/70 (asfalty niestarzone). 13

15 Rys Porównanie Krzywych Blacka dla ORBITON 65/ HiMA z asfaltami ORBITON 65/ i drogowym 70/100 (asfalty niestarzone). Na rysunkach przedstawiono krzywe wiodące (ang. master curves) zespolonego modułu sztywności G* i kąta przesunięcia fazowego δ w funkcji częstotliwości. Badania wykonano w zakresie częstotliwości 0,1 10 Hz dla temperatury -10, 0, 10, 25, 40, 60, 70 C, a następnie wykorzystując metodę superpozycji temperatury i częstotliwości otrzymano krzywe wiodące dla temperatury 25 C. Rys Krzywa wiodąca zespolonego modułu sztywności G* w funkcji częstotliwości dla asfaltów ORBITON HiMA przed starzeniem. Przemiatanie w zakresie częstotliwości od 0,1 do 10 Hz, superpozycja do 25 C. 14

16 Rys Krzywa wiodąca kąta przesunięcia fazowego δ w funkcji częstotliwości dla asfaltów ORBITON HiMA przed starzeniem. Przemiatanie w zakresie częstotliwości od 0,1 do 10 Hz, superpozycja do 25 C Badanie MSCR W oryginalnym systemie PG wyniki badań temperatury krytycznej przy parametrach G*/sinδ 1 kpa dla asfaltu przed starzeniem oraz G*/sinδ 2,2 kpa dla asfaltu po starzeniu RTFOT miały wskazywać na odporność asfaltu na deformacje trwałe (a w zasadzie udział asfaltu w odporności mma na deformacje). Obecnie jednak ta zależność została zakwestionowana i dokonano korekty systemu PG, wprowadzając nowy test MSCR stopniowo wchodzący do stosowania w USA od 2010 r. Istotą wykonania badania MSCR (ang. Multiple Stress Creep Recovery test Testu Wielokrotnego, Naprężania, Pełzania i Nawrotu) jest pomiar pewnych właściwości lepiszcza w celu określenia (między innymi) odporności mma z tym lepiszczem na deformacje trwałe (koleinowanie). Badanie MSCR wykonywane jest zgodnie z normami: AASHTO TP 70 Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR) i ASTM D7405 Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery (MSCR) of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer. Test MSCR ma zastąpić dodatkowe badania asfaltów modyfikowanych określone w tzw. PG plus : nawrót sprężysty, rozciąganie z pomiarem siły, ciągliwość i wytrzymałość (ang. toughness and tenacity). W trakcie przeprowadzania badania w MSCR badane są następujące mechanizmy: mechanizm uginania (pełzania) próbki lepiszcza w trakcie 1-sekundowego przyłożonego naprężenia, mechanizm nawrotu próbki lepiszcza w trakcie 9-cio sekundowego czasu odprężania (po odjęciu przyłożonego naprężenia). 15

17 Badanie przeprowadzono przy dwóch wartościach przykładanego naprężenia: 0,1 kpa i 3,2 kpa i w górnej temperaturze, przy której ma pracować nawierzchnia wykonana z użyciem badanego lepiszcza. Planując badania założono, że maksymalne temperatury nawierzchni w Polsce nie przekraczają C, dlatego lepiszcze zbadano w 64 C oraz dodatkowo w 70 C, aby sprawdzić, jak zmienia się zachowanie lepiszcza HiMA w czasie ekstremalnej zmiany temperatury. Temperatura 64 i 70 C jest zgodna z systemem PG stosowanym w USA. W rezultacie przeprowadzonego badania otrzymuje się dwie pary wyników: nieodwracalną część modułu podatności J nr (ang. creep compliance) [kpa -1 ] i średnie procentowe odkształcenie R [%] przy dwóch wartościach przykładanego naprężenia w 0,1 kpa i 3,2 kpa. Z uzyskanych parametrów kluczowy do klasyfikacji lepiszcza jest J nr 3.2 kpa, który jest miarą odporności lepiszcza na deformacje im mniejsza wartość J nr 3.2 kpa, tym większa odporność na koleinowanie. Wynik nawrotu R 3.2 z kolei świadczy o skuteczności modyfikacji lepiszcza i jest w pewnym sensie miarą jego sprężystości (jeśli badany jest asfalt modyfikowany). Z uzyskanych wyników J nr 0.1 kpa, J nr 3.2 kpa, R 0.1 i R 3.2 oblicza się dwa dodatkowe wskaźniki: J nr,diff wskaźnik procentowej zmiany J nr po zmianie (podwyższeniu) naprężenia z 0.1 na 3.2 kpa jest miarą wrażliwości lepiszcza na zwiększanie obciążenia, wymagane jest aby przyrost J nr był nie większy, niż 75%, R diff wskaźnik procentowej zmiany nawrotu sprężystego po zmianie (podwyższeniu) naprężenia z 0.1 na 3.2 kpa jest miarą zmian sprężystości lepiszcza w warunkach zwiększania obciążenia. W badaniach amerykańskich [Anderson, 2011] określono doświadczalnie linię oddzielającą asfalty modyfikowane od niemodyfikowanych, lub inaczej mówiąc skutecznie zmodyfikowane od niemodyfikowanych. Linia ta została przedstawiona na rys i Na rys przedstawiono wyniki badań różnych asfaltów ORLEN Asfalt zbadanych metodą MSCR w temperaturze 64 C, a na rys wyniki uzyskane w temperaturze 70 C. Na rysunkach zaznaczono także linię rozdzielającą obszary asfaltów modyfikowanych (tzn. lepiszczy spełniających wymagania do asfaltów modyfikowanych w zakresie nawrotu R 3.2 skorelowanego z przedziałami wartości J nr 3.2 kpa). W obydwu przypadkach wykresy dotyczą naprężenia 3,2 kpa. Rys Prezentacja wyników asfaltów na wykresie MSCR: odkształcenie sprężyste R w funkcji J nr przy obciążeniu 3,2 kpa w temperaturze 64 C 16

18 Rys Prezentacja wyników asfaltów na wykresie MSCR: odkształcenie sprężyste R w funkcji J nr przy obciążeniu 3,2 kpa w temperaturze 70 C W tabeli 4.4. przedstawiono zbiorcze wyniki badań lepiszczy ORBITON HiMA w teście MSCR. Tabela 4.4. Wyniki badania MSCR dla lepiszczy ORBITON HiMA w temperaturze 64 i 70 C (asfalt po RTFOT) Właściwość wg ASTM D7405 ORBITON 25/55-80 HIMA ORBITON 45/80-80 HIMA ORBITON 65/ HIMA w 64 C w 70 C w 64 C w 70 C w 64 C w 70 C Nawrót [%] R 0,1 93,4 90,4 96,9 94,2 97,3 96,3 R 3,2 90,6 88,5 95,4 94,7 97,2 96,5 R diff 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 J nr [kpa-1] J nr0,1 0,013 0,031 0,018 0,054 0,026 0,048 J nr3,2 0,019 0,040 0,030 0,054 0,028 0,047 J nr,diff 0,462 0,290 0,667 0,000 0,077-0,021 Klasyfikacja i przeznaczenie do ruchu (klasyfikacja wg AASHTO MP 19) Real PG PG (Superpave) Przeznaczenie do ruchu wg wyniku J nr3,2 E (extremely heavy) E (extremely heavy) E (extremely heavy) 17

19 Odporność na koleinowanie mma W podobny sposób, jak badania odporności na pękanie niskotemperaturowe, zostały zbadane właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych w wysokiej temperaturze odporność na koleinowanie. Do tego celu wykorzystano tę samą porównawczą mieszankę mineralno-asfaltową AC 16 S, a badanie wykonano wg PN-EN w małym aparacie do koleinowania (metoda B), w powietrzu, w temperaturze 60 C, przy cykli obciążenia. Wyniki badań przedstawia rys Rys Wyniki badań odporności na koleinowanie nawierzchni, parametr WTS AIR metoda wg EN , mały aparat do koleinowania (metoda B), w powietrzu, temperatura 60 C, cykli obciążenia Dodatkowe badania Wyniki pozostałych badań dodatkowych przedstawiono w tabeli 4.5. Tabela 4.5. Wyniki badań dodatkowych Właściwość Metoda badania Jednostka ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA Wynik badania ORBITON 65/ HiMA Temperatura łamliwości po RTFOT Przyrost/spadek temperatury mięknienia po RTFOT Przyrost/spadek temperatury mięknienia po RTFOT+PAV Stabilność magazynowania (7 dni). Różnica temperatury mięknienia EN C EN EN 1427 EN EN EN 1427 EN EN 1427 C 5,0-1,0 2,2 C 2,0-0,5 4,6 C 1,0 1,0 0,0 18

20 Tabela 4.5. Wyniki badań dodatkowych cd. Właściwość Metoda badania Jednostka ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA Wynik badania ORBITON 65/ HiMA Lepkość (do ustalenia temperatury pompowania, otaczania kruszywa i zagęszczania mma): Lepkość dynamiczna w 90 C (wrzeciono Brookfielda nr 18) PLepkość dynamiczna w 135 C (wrzeciono Brookfielda nr 18) kość dynamiczna w 160 C (wrzeciono Brookfielda nr 18) Lepkość dynamiczna w 200 C (wrzeciono Brookfielda nr 18) Lepkość dynamiczna w 135 C po RTFOT (wrzeciono Brookfielda nr 18) Lepkość dynamiczna w 160 C po RTFOT (wrzeciono Brookfielda nr 18) ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D EN ASTM D EN ASTM D Pa.s b.d Pa.s 4,42 1,99 1,08 Pa.s 1,08 0,50 0,35 Pa.s 0,28 0,16 0,12 Pa.s 6,81 2,47 1,59 Pa.s 1,53 0,60 0,47 Nie badano lepkości dynamicznej wg metody Brookfielda w temperaturze 60 C (oraz w 90 C dla ORBITON 25/55-80 HiMA) ponieważ temperatura pomiaru jest niższa od temperatury mięknienia PiK lepiszcza. 5 ODCINEK DOŚWIADCZALNY W POLSCE W październiku 2013 r. wykonano w Polsce odcinek doświadczalny nawierzchni drogowej z zastosowaniem ORBITON 65/ HiMA. Był to 6. odcinek z asfaltem wysokomodyfikowanym HiMA w Europie i pierwszy w Polsce. Odcinek był zlokalizowany na drodze wojewódzkiej zarządzanej przez Zarząd Dróg Wojewódzkich w Katowicach. Wykonano dwie sekcje warstwy ścieralnej, jedną z AC 11 (warstwa o grubości 4 cm), drugą ze specjalnej mieszanki SMA 5 DSH (tzw. cicha nawierzchnia, warstwa o grubości 2 cm). Wykonanie odcinka doświadczalnego dostarczyło szeregu informacji technologicznych oraz potwierdziło, że produkcja na otaczarni oraz zagęszczanie na drodze mieszanki mineralno-asfaltowej z wysokomodyfikowanym lepiszczem typu HiMA jest zbliżone do typowego procesu z klasycznymi asfaltami modyfikowanymi SBS. Stwierdzono także, że ORBITON 65/ HiMA, który zastosowano w mieszankach na odcinku doświadczalnym, dzięki swojej wysokiej penetracji (miękkości) powinien być raczej stosowany w technologiach specjalnych i do produkcji mieszanek na zimno, niż do mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. W czasie kolejnych faz procesu produkcji, transportu i wbudowywania mieszanek z lepiszczem ORBITON HiMA, pracownicy ORLEN Asfalt kontrolowali warunki termiczne mieszanek korzystając z kamery termowizyjnej. Wyniki takich kontroli przedstawiają rys

21 Rys Transport mma na odcinek doświadczalny z ORBITONEM 65/ HiMA w 2013 r. temperatura mma w skrzyni samochodu samowyładowczego po załadunku na otaczarni (fot. ORLEN Asfalt sp. z o.o.) Rys Wykonanie odcinka doświadczalnego z ORBITONEM 65/ HiMA w 2013 r. zmiana temperatury mma podczas wałowania (fot. ORLEN Asfalt sp. z o.o.) Rys Wykonanie odcinka doświadczalnego z ORBITONEM 65/ HiMA w 2013 r. rozkład temperatury mma za rozkładarką (fot. ORLEN Asfalt sp. z o.o.) 20

22 Rys Wykonanie odcinka doświadczalnego z ORBITONEM 65/ HiMA w 2013 r. rozkład temperatury mma za rozkładarką (fot. ORLEN Asfalt sp. z o.o.) 6 ZALECENIA TECHNOLOGICZNE 6.1. Zależność lepkości od temperatury Na rys przedstawiono krzywe charakterystyczne lepkości asfaltów wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA przed starzeniem i po starzeniu, które mogą być wykorzystane do ustalania charakterystyki lepkość- -temperatura. Zważywszy jednak na nietypowe cechy lepiszcza wynikające z odwrócenia faz asfalt-polimer oraz specyficznych cech zastosowanego polimeru, przyjmowanie zależności lepkość-temperatura do precyzyjnego określenia temperatury technologicznej wydaje się niezbyt właściwe. Określone w ten sposób temperatury są w bardzo dużym stopniu przybliżone. Rys Krzywe charakterystyczne lepkości asfaltu wysokomodyfikowanego ORBITON 25/55-80 HiMA przed starzeniem i po starzeniu RTFOT (na podstawie wyników badań w ORLEN Laboratorium sp. z o.o.) 21

23 Rys Krzywe charakterystyczne lepkości asfaltu wysokomodyfikowanego ORBITON 45/80-80 HiMA przed starzeniem i po starzeniu RTFOT (na podstawie wyników badań w ORLEN Laboratorium sp. z o.o.) koniec zagêszczania pocz¹tek zagêszczania mieszanie z kruszywem Rys Krzywe charakterystyczne lepkości asfaltu wysokomodyfikowanego ORBITON 65/ HiMA przed starzeniem i po starzeniu RTFOT (na podstawie wyników badań w ORLEN Laboratorium sp. z o.o.) 6.2. Temperatury technologiczne Jak zauważono wcześniej, zdaniem autorów, opieranie się podczas ustalania temperatur technologicznych na lepkości lepiszcza prowadzi do ich zawyżenia w przypadku asfaltów modyfikowanych, a w szczególności przy stosowaniu asfaltów wysokomodyfikowanych typu HiMA. Przyczyną jest zmiana charakterystyki lepiszcza 22

24 spowodowana specyficznymi cechami polimeru użytego do modyfikacji (tzw. niskolepkiego SBS z grupami winylowymi). W przeciwieństwie do typowych polimerów SBS, w temperaturze powyżej 100 C nie sprawia on takich kłopotów podczas obróbki polimeroasfaltu. W tabeli 7.1. przedstawiono propozycję temperatury procesów technologicznych w laboratorium, na otaczarni i na budowie. Tabela 6.1. Temperatury technologiczne na otaczarni i na budowie ORBITON 25/55-80 HiMA Laboratorium: ORBITON 45/80-80 HiMA ORBITON 65/ HiMA Temperatura zagęszczania próbek w ubijaku Marshalla/w prasie żyratorowej Temperatura składników na otaczarni: Pompowanie asfaltu powyżej 150 C powyżej 150 C powyżej 140 C Magazynowanie asfaltu na otaczarni krótkotrwałe do 190 do 190 do 190 Magazynowanie asfaltu na otaczarni długotrwałe do 160 do 150 do 140 Temperatura gotowej mieszanki mineralno-asfaltowej w mieszalniku otaczarki: Beton asfaltowy max. 185 max. 185 max. 175 SMA max. 185 max. 185 max. 175 Asfalt porowaty max. 185 max. 185 max. 175 Asfalt lany max. 190 max. 190 Temperatura na budowie: Minimalna temperatura dostarczonej mieszanki na budowę (w koszu rozkładarki) Temperatura końca efektywnego zagęszczania warstwy >130 >125 >110 Uwaga: podane w tabeli 6.1. dane temperaturowe zostały określone na podstawie wstępnych wniosków z odcinków doświadczalnych. W następstwie zdobywania kolejnych doświadczeń mogą ulec zmianie. Aktualne dane dostępne są na stronie internetowej ORLEN Asfalt, w zakładce Dla laboratoriów. Prosimy o sprawdzanie aktualności informacji Próbki asfaltów w laboratorium Laboratorium otrzymuje próbki lepiszczy asfaltowych od ORLEN Asfalt w opakowaniach metalowych (zamykanych puszkach) lub wyjątkowo w specjalnych małych opakowaniach tekturowych wyłożonych folią aluminiową (pojemność ok. 1 litra). Sposób postępowania z asfaltem ma bardzo duży wpływ na otrzymywane wyniki badań, zarówno asfaltów, jak i mieszanek mineralno-asfaltowych. Należy pamiętać, że wielokrotnie rozgrzewana i/lub przegrzewana próbka asfaltu w suszarce może utwardzić się w znaczącym stopniu. 23