Mieszanki mineralno-asfaltowe o obniżonej temperaturze produkcji i zagęszczania z dodatkiem zeolitu

Transkrypt

1 Mieszanki mineralno-asfaltowe o obniżonej temperaturze produkcji i zagęszczania z dodatkiem zeolitu mgr inż. Agnieszka Woszuk Wydział Budownictwa i Architektury Politechnika Lubelska Lublin,

2 Podział technologii produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych mma na gorąco temp. produkcji C (Hot Mix Asphalt), mma na ciepło temp. produkcji C (Warm Mix Asphalt), mma na półciepło temp. produkcji C (Half- Warm Mix Asphalt), mma na zimno temp. produkcji 0 40 C (cold mixes). Rys. Klasyfikacja mieszanek mineralno asfaltowych według temperatur i przybliżone zużycie paliwa 1) 1) [Judycki J. Badania mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze otaczania, projekt badawczy dla GDDKiA, 2011]

3 Historia 1956 r. dr Ladis H. Csanyi, profesor Uniwersytetu Stanowego Iowa, używa bitumu spienionego parą wodną jako środek wiążący grunt 1968 r. Firma Mobil Oil Australia modyfikuje pierwotny proces spieniania przez dodanie do gorącego asfaltu zimnej wody 1996 r. Unia Europejska wprowadza wymóg ograniczenia emisji wyziewów i aerozoli powstających przy pracy z gorącym asfaltem 1999 r. Jenkins wprowadził nowy proces: pół-ciepłe mieszanki mineralno - asfaltowe 2000 r. Harrison i Christodulaki na Pierwszej Międzynarodowej Konferencji Nawierzchni Asfaltowych w Sydney przedstawiają opracowany w Europie proces mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło [7], 2000 r. Raport wydany przez Koenders i in. z zastosowania mieszanek mineralnoasfaltowych na ciepło testowanych zarówno laboratoryjne jak i na dużych odcinkach doświadczalnych 2004 r. Barthel i in. przedstawił wyniki badań wykorzystania syntetycznego zeolitu w technologii Aspha-Min

4 Podział technologii produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych Klasyfikacja WMA Ze względu na stosowany dodatek Ze względu na metodę działania Woda Dodatki organiczne lub parafinowe Dodatki chemiczne Spienianie asfaltu Obniżanie lepkości asfaltu Dodatki działające powierzchniowo czynnie

5 Produkty obniżające temperaturę produkcji mma 2) Produkt Firma Opis Dodatek Temp. produkcji [przedział redukcji] Technologia spieniania Aquablack WMA MAXAM Nie jest konieczny Nie określono Double Barrel Green Low Energy Asphalt Astec Na bazie wody, proces spieniania Opcjonalnie, środek adhezyjny C LEACO Na bazie wody, Gorące grube 0,5% masy asfaltu oraz 100 C kruszywo połączone z mokrym środek adhezyjny piaskiem McConnau-ghay Połączenie dodatku chemicznego ze 0,4% masy asfaltu 90 C Technologies spienianiem asfaltu Low Emission Asphalt Ultrafoam GX Gencor Industries Na bazie wody, proces spieniania Nie jest konieczny Nie określono WAM-Foam Shell and Kolo- Proces spieniania poprzez dodanie Środek adhezyjny można C Veidekke dwóch różnych lepiszczy dodać do miękkiego Warm Mix Asphalt System Terex Roadbuilding LEAB BAM Na bazie wody, mieszanie kruszyw poniżej temp. wrzenia wody LT Asphalt Nynas Na bazie wody, spienianie asfaltu + hydrofobowy wypełniacz asfaltu Na bazie wody, proces spieniania Nie jest konieczny <32 C 0,1% masy asfaltu oraz środek adhezyjny 0,5-1,0% hydrofobowego wypełniacza w stosunku do masy mma Advera PQ Corporation Zeolit syntetyczny 0,25% masy mma C Aspha-Min Eurovia Zeolit syntetyczny 0,3% masy mma 30 C 90 C 90 C

6 Produkty obniżające temperaturę produkcji mma Produkt Firma Opis Dodatek Temp. produkcji [przedział redukcji] Dodatki organiczne Sasobit Sasol Wosk syntetyczny Fischer-Tropsch 2,5-3% masy asfaltu C (Niemcy) 1-1,5% masy asfaltu (U.S) Asphaltan A Romonta N Romonta GmbH Wosk Montana do asfaltu lanego 1,5-2,0% masy asfaltu 20 C Asphaltan B Romonta GmbH Rafinowany wosk Montana z amidami kwasu tłuszczowego do wałowanych mma 2-4% masy mma C Licomont BS 100 Clariant Amidy kwasy tłuszczowego 3% masy asfaltu C 3E LT (Ecoflex) Colas Brak danych Tak, brak danych C

7 Produkty obniżające temperaturę produkcji mma Produkt Firma Opis Dodatek Temp. produkcji [przedział redukcji] Dodatki chemiczne Evotherm ET Mead-Westvaco Chemiczna emulsja asfaltowa Forma emulsji bitumicznej C Evotherm Mead-Westvaco Dodatek chemiczny + woda 30% masy asfaltu C DAT Evotherm 3G Mead-Westvaco Dodatek chemiczny + woda Brak danych C CECABASE RT CECA Arkema Dodatek chemiczny 0,2-0,4% masy mma 120 C group Rediset WMX Akzo Nobel Kationowe środki 1,5-2% masy asfaltu 30 C powierzchniowo czynne i dodatek organicznego REVIX Mathy-Ergon Środki powierzchniowo czynne, woski, substancje pomocnicze, polimery Brak danych C 2) Rubio MC., Martínez G., Baena L., Moreno F.; Warm mix asphalt: an overview; Journal of Cleaner Production; 2012; 24, s

8 Zeolity Zeolity - glinokrzemiany o strukturze szkieletowej zawierające wolne przestrzenie (kanały i komory) o wielkości kilku nm., nadające im szczególne właściwości: sorpcyjne, katalityczne molekularno-sitowe Cecha charakterystyczna zeolitów - zdolność gromadzenia w kanalikach struktury krystalicznej tzw. wody zeolitowej Podział zeolitów naturalne (około 100 minerałów) syntetyczne

9 Aspha-Min Zeolit syntetyczny zawierający około 21 % wody wydzielanej w temperaturach C Po dodaniu do mma woda zeolitowa paruje spieniając asfalt, co umożliwia otoczenie ziaren kruszywa w niższych temperaturach Dozowanie -0,3% w stosunku do masy mma W recepcie mma zeolit zastępuje wypełniacz

10 Korzyści stosowania WMA Korzyści stosowania WMA Środowiskowe Ekonomiczne Technologiczne Zmniejszenie emisji wyziewów i aerozoli Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych Poprawa komfortu pracy Większe wykorzystanie materiałów z recyklingu Zmniejszenie zużycia energii Mniejsze zużycie podzespołów w zakładzie produkcji Kary za przekroczenie norm emisji związków niebezpiecznych Lepsza urabialność mieszanki Wydłużenie drogi i czasu transportu gotowej mieszanki Wydłużenie sezonu robót drogowych Szybsze oddanie nawierzchni do ruchu Spowolnienie procesu starzenia asfaltu

11 Korzyści środowiskowe Emisja wyziewów i aerozoli 3) [mg/m3] 90,4 142 ºC 168 ºC 350, ) Barthel, W., Warm Mix Asphalt by Adding a Synthetic Zeolite, Proceedings of the Third Eurasphalt and Eurobitume Conference, 2004

12 Korzyści środowiskowe Emisja aerozoli [mg/m3] 7,3 142 ºC 168 ºC 172, ) Barthel, W., Warm Mix Asphalt by Adding a Synthetic Zeolite, Proceedings of the Third Eurasphalt and Eurobitume Conference, 2004

13 Korzyści środowiskowe Redukcja gazów cieplarnianych 4) : NO 2-18% SO 2-18% CO 2-23% COV - 19% 155 C 110 C 4) Żymelka D., Soliman S.: Warm mixes with zeolite, Enviroad, Warsaw 2008

14 Korzyści środowiskowe 150 C 120 C Wbudowywanie HMA i WMA

15 Korzyści ekonomiczne Temperatura produkcji 30 C Zużycie energii 9 kwh/ tonę MMA Energia do produkcji WMA 60% 80% Energii do produkcji HMA Koszty zastosowania mma na ciepło w różnych technologiach 5) Technologia WMA WAM-Foam Aspha-Min Koszt modyfikacji wytwórni lub instalacji Licencja $ $ $0-$ $ w pierwszym roku $5000/wywtównię/rocznie brak $0,30/tonę mma Koszt materiałów brak $ 1,30/kg 5) Rubio MC., Martínez G., Baena L., Moreno F.; Warm mix asphalt: an overview; Journal of Cleaner Production; 2012; 24, s

16 Zeolit w badaniach Barthel, W.,i inni ; Warm Asphalt Mixes by Adding a Synthetic Zeolite. Vienna, zeolit Aspha-Min 0.3% Jones D., i inni; Warn-Mix Asphalt Study: Test track Construction and first- Level Analysis of Phalse 1 HVS and Laboratory Testing ; California; 2008 zeolit Advera 0,25% Gandhi T.; i inni.; Laboratory evaluation of warm mix asphalt ageing characteristics. ; International Journal of Pavement Engineering, 11(2),2010 zeolit Aspha-Min 0.3% Judycki J. i inni, Badania mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze otaczania, projekt badawczy dla GDDKiA, 2011 zeolit 0,3% Sanchez-Alonso, E.; i inni Evaluation of compactability and mechanical properties of bituminous mixes with warm additives. Construction and Building Materials, 25(5), 2011 zeolit Aspha-Min 0.3% Kim, H.; i inni. Rheology of warm mix asphalt binders with aged binders Construction and Building Materials, 25(1), 2011 zeolit Aspha-Min 0.3% Vaiana R.; i inni; Warm Mix Asphalt with Synthetic Zeolite: a Laboratory Study on Mixes Workability, International Journal of Pavement Research & Technology, 6(5), 2013 zeolit Aspha-Min 0.3% Vidal R.; i inni; Life cycle assessment of hot mix asphalt and zeolite-based warm mix asphalt with reclaimed asphalt pavement., Resources, Conservation and Recycling, 5 (74) 2013 zeolit syntetyczny 0,3%

17 Spienianie asfaltu Proces spieniania asfaltu zależy od: rodzaju asfaltu, temperatury asfaltu (od 140 C do 200 C ), zawartości wody (od 1% do 5% w stosunku do asfaltu), ciśnienia powietrza (od 0 do 10 barów). Zimna woda i powietrze Komora ekspansyjna Schemat wytwarzania asfaltu spienionego 6) Gorący asfalt Dysza wtrysku asfaltu Asfalt spieniony 6) Sybilski D., i inni.; Zastosowanie asfaltu spienionego w technologii recyklingu nawierzchni na zimno; projekt na zlecenie GDDKiA; 2004

18 Problem naukowy: Ocena wpływu rodzaju i ilości dozowanego zeolitu na obniżenie temperatury produkcji i zagęszczania mieszanek mineralnoasfaltowych. Tezy pracy: Zastosowanie zeolitu w MMA pozwala na obniżenie temperatury produkcji i zagęszczania bez pogarszania ich właściwości. Typ zeolitu wprowadzanego do MMA ma wpływ na redukcję temperatury produkcji i zagęszczania. Optymalna ilość dozowanego zeolitu do MMA zależy od jego typu.

19 Plan pracy 1. Wprowadzenie 2. Studia literatury 3. Badania laboratoryjne Badania materiałów wyjściowych Badania możliwości obniżenia temperatury produkcji i zagęszczania MMA z dodatkiem zeolitu Badania właściwości optymalnej mieszanki mineralno-asfaltowej z dodatkiem zeolitu 4. Wykonanie odcinka doświadczalnego 5. Badania próbek z odcinka doświadczalnego 6. Analiza wyników i ich zastosowanie praktyczne 7. Wioski końcowe 8. Bibliografia

20 Wyniki badań - zeolity Kryształy zeolitów i dyfraktogram składu mineralnego materiałów zeolitowych NaP1 klinoptilolit

21 Wyniki badań - zeolity Wymiar otworów sita [mm] dolna granica górna Uziarnienie wypełniacz wapienny zeolit NaP1 Procent przechodzącej masy klinoptilolit , ,9 0, , ,9 0, ,8

22 gęstość [g/cm 3 ] Wyniki badań - zeolity 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 2,618 wypełniacz wapienny Gęstość [g/cm³] 2,135 klinoptilolit 2,319 zeolit NaP1

23 nasiąkliwość [%] Wyniki badań - zeolity wypełniacz wapienny Nasiąkliwość [%] 50 klinoptilolit 150 zeolit NaP1

24 Wyniki badań - zeolity Dozowanie zeolitu na podstawie zwartości wody i optymalnej jej ilości do spienienia asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej. Dozowanie zeolitu Naturalny (Klinoptilolit) Syntetyczny (NaP1) Nienasączany Aspha-Min Nasiąkliwość/Wilgotność 50% 150% 10% 21% Asfalt w AC 4,00% 4,00% 4,00% 4,00% Dodatek zeolitu w stosunku do MMA 0,20% 0,07% 1% 0,3% Zawartość zeolitu w stosunki do asfaltu 5,00% 1,75% 25,0% 8% Zawartość wody w stosunku do asfaltu 2,50% 2,63% 2,50% 1,58%

25 Wyniki badań - zeolity 12,00% Uwalnianie wody zeolitowej 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% klinoptilolit 105ºC klinoptilolit 120ºC klinoptilolit 140ºC klinoptilolit. 160ºC 2,00% 0,00% 15 min 30 min 45 min 60 min

26 Wyniki badań - zeolity 12,00% Uwalnianie wody zeolitowej 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% zeolit NaP1 105ºC zeolit NaP1 120ºC zeolit NaP1 140ºC zeolit NaP1 160ºC 2,00% 0,00% 15 min 30 min 45 min 60 min

27 Wyniki badań - zeolity 16,00% Uwalnianie wody zeolitowej w 160 C 14,00% 12,00% 10,00% 8,00% 6,00% klinoptylolit NaP1 ADVERA Aspha-min 4,00% 2,00% 0,00% 15 min 30 min 45 min 60 min

28 Wyniki badań - zeolity 60,00% 50,00% Uwalnianie wody zaadsorbowanej 40,00% 30,00% 20,00% klinoptilolit 105ºC klinoptilolit 120ºC klinoptilolit 140ºC klinoptilolit 160ºC 10,00% 0,00% 15 min 30 min 45 min 60 min

29 Wyniki badań - zeolity 140,00% Uwalnianie wody zaadsorbowanej 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% zeolit NAP1 105ºC zeolit NAP1 120ºC zeolit NAP1 140ºC zeolit NAP1 160ºC 20,00% 0,00% 15 min 30 min 45 min 60 min

30 Wyniki badań recepta, AC 22 W Składniki mieszanki mineralno-asfaltowej Lp. Nazwa materiału Gęstość [g/cm 3 ] Udział w mieszance [%] MM MMA 1 Wypełniacz wapienny 2,618 4,0 3,8 2 Wapień 0/4 2,632 36,0 34,4 3 Granodioryt 4/8 2,717 20,0 19,1 4 Granodioryt 11/16 2,674 30,0 28,7 5 Granodioryt 16/22 2,712 10,0 9,6 6 Asfalt 35/50 1,022 4,50 4,5

31 0,063 0,125 0,25 0, ,6 8 11, ,4 31,5 Przechodzi przez sito [%] Wyniki badań recepta MMA Analiza sitowa składników mieszanki mineralnej Wymiar oczek [mm]

32 Gęstość objętościowa [g/cm 3 ] Wyniki badań MMA 3,000 Gęstość objętościowa w zależności od temperatury zagęszczania 2,500 2,000 1,500 1,000 referencjna klinoptilolit 1,13% klinoptilolit nas. 0,23% klinoptilolit nas. 0,6% 0,500 0, C 120 C 100 C Temperatura zagęszczania [ C]

33 Gęstość objętościowa [g/cm 3 ] Wyniki badań MMA 3,000 Gęstość objętościowa w zależności od temperatury zagęszczania 2,500 2,000 1,500 1,000 referencjna NaP1 1,13% NaP1 nas. 0,07% NaP1 nas. 0,2% 0,500 0, C 120 C 100 C Temperatura zagęszczania [ C]

34 Wolna przestrzeń V m [%] Wyniki badań MMA Wolna przestrzeń V m w zależności od temperatury zagęszczania 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 140 C 120 C 100 C referencjna klinoptilolit 1,13% klinoptilolit nas. 0,23% klinoptilolit nas. 0,6% Temperatura zagęszczania [ C]

35 Wolna przestrzeń V m [%] Wyniki badań MMA Wolna przestrzeń V m w zależności od temperatury zagęszczania 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 140 C 120 C 100 C referencjna NaP1 1,13% NaP1 nas. 0,07% NaP1 nas. 0,2% Temperatura zagęszczania [ C]

36 Moduł sprężystości [MPa] Wyniki badań MMA Moduł sprężystośći w zależności od temperatury zagęszczania referencjna klinoptilolit 1,13% klinoptilolit nas. 0,23% klinoptilolit nas. 0,6% C 120 C 100 C Temperatura zagęszczania [ C]

37 Moduł sprężystości [MPa] Wyniki badań MMA Moduł sprężystośći w zależności od temperatury zagęszczania referencjna NaP1 1,13% NaP1 nas. 0,07% NaP1 nas. 0,2% C 120 C 100 C Temperatura zagęszczania [ C]

38 Plan badań optymalnej temperatury produkcji i zagęszczania Zagęszczanie natychmiastowe Zagęszczanie po 30 minutach Zagęszczanie po 60 minutach MMA bez zeolitu MMA + klinoptilolit MMA + klinoptilolit nasączony MMA + NaP1 MMA + NaP1 nasączony Mieszanie C * Zagęszczanie C** Zagęszczanie C Zagęszczanie C Mieszanie C Zagęszczanie C Zagęszczanie C Zagęszczanie C Mieszanie C Zagęszczanie C Zagęszczanie C Zagęszczanie C *Temperatura mieszania MMA z asfaltem 35/50, PN-EN :2004 Mieszanki mineralno-asfaltowe na gorąco Metody badań mieszanek na gorąco Mieszanie laboratoryjne. ** Temperatura zagęszczania MMA z asfaltem 35/50, Wytyczne Techniczne

39 Plan dalszej pracy Badania możliwości obniżenia temperatury produkcji i zagęszczania Określenie optymalnej ilości dozowanego zeolitu Badania właściwości fizykomechanicznych oraz struktury optymalnej MMA z dodatkiem zeolitu Wykonanie odcinka doświadczalnego i jego badania Analiza wyników i opracowanie procedur projektowania MMA z dodatkiem zeolitu

40 Badania były finansowane z projektu: Program Współpracy Transgranicznej Polska-Białoruś-Ukraina PL-BY-UA Nr IPBU /11-00 Dziękuję za uwagę