WPŁYW RODZAJU ASFALTU NA ODPORNOŚĆ CIENKICH WARSTW ŚCIERALNYCH NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE

Transkrypt

1 Józef Judycki Marek Pszczoła Piotr Jaskuła Zakład Budowy Dróg Politechnika Gdańska, Polska WPŁYW RODZAJU ASFALTU NA ODPORNOŚĆ CIENKICH WARSTW ŚCIERALNYCH NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE Streszczenie: Referat przedstawia laboratoryjne badania mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczonych do cienkich warstw ścieralnych w niskich temperaturach. Zastosowano dwa typy mieszanek: beton asfaltowy o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyks grysowy SMA. Użyto czterech rodzajów asfaltu, trzy asfalty modyfikowane oraz asfalt zwykły. Badano właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych podczas zginania próbek w temperaturze C wg metody opracowanej w Politechnice Gdańskiej. Stwierdzono lepsze właściwości w niskich temperaturach mieszanek mineralno-asfaltowych zawierających asfalty modyfikowane w porównaniu z mieszankami zawierającymi asfalt zwykły. 1. WSTĘP Cienka warstwa ścieralna jest to wierzchnia warstwa asfaltowa o niewielkiej grubości, zwykle mniejszej od 4 cm, wykonywana w technologii na gorąco. Stosuje się ją najczęściej w robotach utrzymaniowych w celu poprawy szczelności i szorstkości nawierzchni oraz przykrycia spękań. Cienkie warstwy ścieralne ze względu na dużą niezawodność oraz dobre właściwości stają się coraz częściej konkurencją dla innych robót utrzymaniowych np. dla powierzchniowego utrwalenia. Coraz częściej stosuje się je również w konstrukcjach nowych dróg i w technologiach wzmacniania konstrukcji. Mieszanki mineralno-asfaltowe zastosowane w cienkich warstwach ścieralnych powinny być odporne na deformacje trwałe i spękania niskotemperaturowe. W przypadku deformacji trwałych większą rolę w przenoszeniu obciążeń od ruchu pojazdów odgrywa dobrze zaprojektowany nośny szkielet mineralny. Natomiast w niskich temperaturach bardzo ważny jest rodzaj zastosowanego asfaltu. W niniejszej pracy badano dwa typy mieszanek mineralno-asfaltowych przeznaczonych na cienkie warstwy ścieralne: beton asfaltowy o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyks grysowy SMA. Przeprowadzone badania zmierzały do odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób zastosowany asfalt wpływa na właściwości mieszanek mineralno asfaltowych w cienkich warstwach ścieralnych w niskich temperaturach, a w szczególności na odporność mieszanek na spękania niskotemperaturowe.

2 Prezentowana praca jest opisem części znacznie szerszych badań nad mieszankami mineralno-asfaltowymi przeznaczonymi do cienkich warstw ścieralnych przeprowadzonymi w Zakładzie Budowy Dróg Politechniki Gdańskiej na zlecenie Rafinerii Gdańskiej S.A [1]. Praca ta jest kontynuacją wcześniejszych prac badawczych prowadzonych w Politechnice Gdańskiej nad spękaniami niskotemperaturowymi nawierzchni [,3].. BADANE MATERIAŁY Do badań zastosowano dwie mieszanki mineralno-asfaltowe: beton asfaltowy o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyks grysowy SMA. W mieszankach mineralno-asfaltowych użyto asfalt zwykły D5/7 produkcji Rafinerii Gdańskiej, asfalt średniomodyfikowany: 5B, asfalt wysokomodyfikowany: C produkcji Rafinerii Gdańskiej oraz asfalt wysokomodyfikowany: OlexobitB produkcji BP Poland. Wyniki badań asfaltów przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Wyniki badań asfaltów L. p. Badanie Norma czynnościowa D5/7 5B C Olexobit B 1. Penetracja, 1g, 5s, 5 C, [,1mm] PN-4/C Ciągliwość, 5 C, [cm] PN-71/C-413 > > Temperatura mięknienia PiK [ C] PN-73/C Temperatura łamliwości Frassa, [ C] PN-9/C-413 n.b < Lepkość dynamiczna [Pa*s]: 6 C 9 C 135 C 16 C brak normy 594 n.b. n.b. n.b. 1 3,4,4, ,3,5,76 6. Nawrót sprężysty, [%] TWT-PAD97 n.b n.b. nie badano 155,3 1,43,49 Do wykonania próbek betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyksu grysowego SMA użyto następujących materiałów: grysy granitowe frakcji 5/, /5 mm z Harsham, Szwecja, piasek łamany płukany frakcji / mm z Karshamn, Szwecja, mączkę wapienną Nordkalk, Szwecja, dodatek adhezyjny do asfaltu Teramin 14, stabilizator włókna celulozowe Viatop. Projekty mieszanek wykonano zgodnie z [4]. Krzywą uziarnienia betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu wraz z krzywymi granicznymi przedstawiono w tablicy. Tablica. Uziarnienie oraz krzywe graniczne betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu Przechodzi przez sito [%] Sito # [mm] Krzywa graniczna Mieszanka dolna górna, 6,3 4,,,,4,3,1,15,75 1, 65,4 36,4 33,1 4,1 17,7 14, 1,5 9,3 5, Właściwości betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu przedstawiono w tablicy 3.

3 Tablica 3. Właściwości betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu Właściwość Mieszanka o nieciągłym uziarnieniu MNU Wymóg Rodzaj asfaltu D5/7 + Teramin Olexobit BP +Teramin 5B + Teramin C + Teramin C Zawartość lepiszcza [%] 6,3 Zawartość wolnych przestrzeni w m.m.a [%] 3, 3,,5,7 3, - 4 Stabilność [kn] 7,37 9,35,41,3,5 Odkształcenie [mm] 3,9 4, 3,9 3,5 3,33 Gęstość m.m.a. [g/cm 3 ],41,4,4,4,4 Gęstość pozorna m.m.a [g/cm 3 ],39,35,367,36,351 Spływność lepiszcza wg Schellenberga,135 C [%],4,4,1,4,9,% Krzywą uziarnienia mastyksu grysowego SMA wraz z krzywymi granicznymi przedstawiono w tablicy 4. Tablica 4. Uziarnienie oraz krzywe graniczne mastyksu grysowego SMA Przechodzi przez sito [%] Sito # Krzywa graniczna [mm] Mieszanka dolna górna, 6,3 4,,,,4,3,1,15,75 1, 71,9 36,7 6,9,,4 19,3 17,3 16,7 13,5 Właściwości mastyksu grysowego SMA przedstawiono w tablicy 5. Tablica 5. Właściwości mastyksu grysowego SMA Właściwość Mastyks grysowy SMA Wymóg Rodzaj asfaltu D5/7 + Teramin Olexobit +Teramin B + Teramin C + Teramin C Zawartość lepiszcza [%] 6, 6,1 6,3 6,1 6,1 Zawartość wolnych przestrzeni w m.m.a [%] 3,,7 3,1,9,7-4 Stabilność [kn],7 9,65 7,41,3,7 Odkształcenie [mm] 3,13 5,5 3,75 3,5 3,9 Gęstość m.m.a. [g/cm 3 ],436,437,43,437,437 Gęstość pozorna m.m.a [g/cm 3 ] Spływność lepiszcza Schellenberga, 135 C [%],35,37,355,366,371,67,,,,,%

4 3. METODYKA BADAŃ MIESZANEK W NISKICH TEMPERATURACH Badania odporności betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyksu grysowego SMA na spękania niskotemperaturowe przeprowadzono według zmodyfikowanej metody opracowanej przez J. Judyckiego na Politechnice Gdańskiej [5]. Polegały one na określeniu następujących cech mechanicznych przy zginaniu w temperaturze - C: wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu R rz, odkształceń granicznych ε gran i modułów sztywności sprężystej E. Otrzymane parametry charakteryzują mieszankę mineralnoasfaltową podczas zimowych warunków klimatycznych. Badanie zginania przeprowadzano ze stałą prędkością deformacji Przygotowanie próbek Mieszankę mineralno-asfaltową wytwarzano w mieszarce mechanicznej i poddawano procesowi starzenia krótkoterminowego według procedury SHRP. Beton asfaltowy o nieciągłym uziarnieniu oraz mieszankę mastyksu grysowego SMA zagęszczano w drewnianych formach w postaci ramy o wymiarach 75 x 1 cm i głębokości 4 cm. Mieszankę zagęszczano kolejnymi przejściami laboratoryjnego walca do momentu osiągnięcia przez próbki wysokości formy, osiągając wskaźniki zagęszczenia od,99 do 1,1. Uzyskane próbki zostały pocięte piłą diamentową na belki prostopadłościenne o wymiarach 4x4x3 mm. Do spodniej części belek przyklejono klejem epoksydowym stalowe płytki służące do mocowania czujnika LVDT do pomiaru wielkości odkształceń spodu belki podczas zginania. Badaniom poddano po 6 próbek jednorodnych dla każdego z betonów asfaltowych o nieciągłym uziarnieniu oraz dla każdej z mieszanek SMA. 3.. Badanie próbek Badano belki o wymiarach 4x4x3 mm w temperaturze C. Bezpośrednio przed badaniem wszystkie próbki przechowywano w komorze termostatycznej w temperaturze badania przez minimum 1 godzin. W skład skonstruowanego urządzenia służącego do zginania belek wchodziła prasa do badania nośności CBR o przemieszczeniu wynoszącym 1,5 mm/min. Na prasie ustawiono płytę stalową z zamocowanymi podporami pod badaną próbkę. Rozstaw podpór wynosił 6 mm. Zastosowano schemat statyczny belki wolnopodpartej obciążonej siłą skupioną w środku rozpiętości, mierzoną dwoma czujnikami indukcyjnymi. Wywoływano stały wzrost ugięć belki w czasie. Ugięcia mierzono w środku rozpiętości za pomocą czujnika indukcyjnego LVDT. Czujnik ten mocowany był do dwóch płytek stalowych przyklejonych do spodu belki. Dzięki zastosowanym czujnikom odczyt przemieszczeń i przykładanej siły dokonywany był co,4 sekundy i zapisywany komputerowo. Wyniki podawane były w postaci tabel przedstawiających wartości siły zginającej i odkształcenia próbki. Sposób pomiaru ugięć przedstawiono na rysunku 1.

5 Rysunek 1. Sposób pomiaru ugięć na spodzie belki Przyjęto, że w temperaturze - C wartość odkształcenia granicznego odpowiada wartości odkształcenia przy pęknięciu belki. W dodatnich temperaturach badania wartość odkształcenia granicznego odpowiada maksymalnej wartości przyłożonej siły. Do obliczeń wielkości charakteryzujących badane próbki przy zginaniu wykorzystano następujące zależności, zgodnie z [5]. odkształcenie graniczne: p c ε gran = * ; (1) e c + a wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu: 3Pl R rz = ; () bh moduł sztywności sprężystej: σ S= ; (3) ε gdzie: p - przemieszczenia czujnika LVDT spowodowane zginaniem belki [mm], ε gran - średnie odkształcenie występujące na spodzie belki na odcinku bazy pomiarowej o długości e, e - długość bazy pomiarowej osiowa odległość pomiędzy płytkami bazowymi [mm], a - odległość od spodu belki do osi czujnika LVDT [mm], c - połowa wysokości belki [mm]. h - wysokość belki [mm], l - rozpiętość belki [mm], b - szerokość belki [mm], R rz - wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu [MPa], P - siła niszcząca [kn], σ - przyrost naprężeń na wykresie σ-ε, ε - przyrost odkształceń na wykresie σ-ε.

6 4. WYNIKI BADAŃ Średnie wyniki badań wytrzymałości na zginanie, odkształceń granicznych i modułu sztywności betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyksu grysowego SMA podano w tablicach 6 i 7 oraz na rysunku. Tablica 6. Zestawienie średnich wyników wytrzymałości na zginanie R rz, odkształceń granicznych ε gran, modułów sztywności sprężystej E dla betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu, w temperaturze - C Beton asfaltowy o nieciągłym uziarnieniu z użyciem asfaltu : Lp. Parametr D5/7RG Olexobit B C +T* BP+ T* +T* +T* C 1. Wytrzymałość na zginanie w - C [MPa] 7,94,33 7,76 9,3,5. Odkształcenia graniczne ε gran w - C [ ] b.d. 1,4 1,3 1,57 b.d. 3. Moduł sztywności sprężystej w C [MPa] b.d. 1,45 9,4 11,55 b.d. b.d. brak danych spowodowany zbyt małą dokładnością odczytu czujnika w stosunku do otrzymanych małych wartości odkształceń granicznych T* - dodatek Teramin 14 Tablica 7. Zestawienie średnich wyników wytrzymałości na zginanie R rz, odkształceń granicznych ε gran, modułów sztywności sprężystej E dla mastyksu grysowego SMA, w temperaturze - C Mastyks grysowy SMA z użyciem asfaltu Lp. Parametr D5/7RG Olexobit B C +T BP+T +T +T C 1. Wytrzymałość na zginanie w - C [MPa],11 9,7,7,76 7,. Odkształcenia graniczne ε gran w - C [ ],71 1,1,4 1,3 1,19 3. Moduł sztywności sprężystej w C [MPa] T* - dodatek Teramin 14 1,19 9,33 11,97 7,94, Moduł sztywności przy zginaniu betonu f lt o nieciągłym - C [GPa] i i i 1,45 9,4 % 11, Moduł sztywności przy zginaniu mastyksu grysowego SMA, - C, GPa 1,19 11,97 9,33 7,94 %, Ole xobitb+t 5RG+ T C+ T D5/7+T OlexobitB+T 5RG+T C+T C

7 Wytrzymałość na zginanie betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu, - C, [MPa] Wytrzymałość przy zginaniu mastyksu grysowego SMA, - C, [MPa] ,94,33 % 7,76 9,3,5 1,11 9,7,7,76 % 7, D5/7+T OlexobitB+T 5RG+T C+T C D5/7+T OlexobitB+T 5RG+T C+T El t bitc Odkształcenie graniczne przy zginaniu betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu C, [%o] Odkształcenie graniczne przy zginaniu mastyksu grysowego SMA, - C, [%o] 1, 1,6 1,57 1, 1,6 1,4 1, 1, 1,4 1,3 % 1,4 1, 1,,71 1,1 %,4 1,3 1,19,6,6,4,4,, OlexobitB+T 5RG+T C+T D5/7+T OlexobitB+T 5RG+T C+T C Rysunek. Wyniki badań zginania próbek betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu oraz mastyksu grysowego SMA w temperaturze C 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Mieszanki odkształcalne, wytrzymałe i podatne (o małych modułach sztywności) w temperaturach ujemnych są najbardziej odporne na spękania niskotemperaturowe. Najbardziej korzystne cechy w niskich temperaturach ma taka mieszanka mineralno-asfaltowa, która: 1. Ma największą wytrzymałość R rz w niskich temperaturach, ponieważ może przenieść duże naprężenia termiczne,. Ma najwyższe odkształcenia graniczne ε gran w niskich temperaturach, ponieważ nie jest krucha i zachowuje największą odkształcalność, 3. Ma najniższy moduł sztywności S w niskich temperaturach, ponieważ naprężenia termiczne są wprost proporcjonalne do wielkości tego modułu. W mastyksie grysowym SMA największe odkształcenie graniczne ε gran wykazała mieszanka z asfaltem wysokomodyfikowanym C. Najniższą odkształcalność w temperaturze C miała mieszanka SMA z asfaltem zwykłym D5/7. Najwyższy moduł sztywności w przypadku mieszanki SMA zarejestrowano z asfaltem D5/7 zaś najniższy dla mieszanki SMA z asfaltem wysokomodyfikowanym C+T. Takie wyniki świadczą o dużej odporności na spękania niskotemperaturowe mastyksu grysowego SMA z asfaltami modyfikowanymi SBS. W przypadku mieszanek o nieciągłym uziarnieniu największe odkształcenie graniczne uzyskała mieszanka z asfaltem C natomiast pozostałe mieszanki z asfaltami OlexobitB+T i 5RG+T uzyskały odkształcenia graniczne na podobnym

8 poziomie. Najwyższy moduł sztywności uzyskała mieszanka zawierająca asfalt OlexobitBP, przy czym różnice w modułach nie były znaczące. Wyniki badania wytrzymałości na zginanie nie wykazały istotnych różnic pomiędzy mieszankami o nieciągłym uziarnieniu jak i mieszankami SMA zawierającymi różne rodzaje asfaltów. Na przedstawionym rysunku zaznaczono przedziały zmienności % obliczone względem najniższych określonych wartości. W badaniu wytrzymałości na zginanie większość wyników badań dla mieszanek SMA oraz mieszanek o nieciągłym uziarnieniu mieści się w tych przedziałach. 6. WNIOSKI 1. Wyniki badań betonu asfaltowego o nieciągłym uziarnieniu oraz mieszanki SMA w niskich temperaturach wykazały lepsze właściwości mieszanek mineralnoasfaltowych zawierających asfalty modyfikowane w porównaniu z mieszankami zawierającymi asfalt zwykły D5/7.. Największą odkształcalność w temperaturze C miały mieszanki z asfaltem wysokomodyfikowanym elastomerem SBS C. 3. Najmniejszą odkształcalność miała mieszanka z asfaltem zwykłym D5/7. LITERATURA 1. Judycki J., Jaskuła P., Pszczoła M.: Badania mieszanek mineralno-asfaltowych z zastosowaniem asfaltów z Rafinerii Gdańskiej S.A. do wykonania cienkich warstw ścieralnych, Raport z badań, Politechnika Gdańska 1.. Judycki J., Cyske W., Pszczoła M.: Wytrzymałość i sztywność w niskich temperaturach betonów asfaltowych o zwiększonej odporności na deformacje trwałe Materiały konferencyjne, Kielce Judycki J. Dołżycki B.: Badania terenowe i laboratoryjne spękań poprzecznych w nawierzchniach asfaltowych, praca niepublikowana wykonana na zlecenie GDDP, Gdańsk. 4. Sybilski D., Styk S.: Zalecenia wykonywania cienkich warstw ścieralnych na gorąco bitumicznych nawierzchni drogowych i Zasady wykonywania nawierzchni z mieszanki mineralno bitumicznej o nieciągłym uziarnieniu IBDiM, Zeszyt nr Judycki J., Pszczoła M., Jaskuła P.: Modyfikacja metody zginania belek z mieszanek mineralno-asfaltowych i ocena ich parametrów reologicznych, Materiały konferencyjne, Kielce 1. INFLUENCE OF TYPE OF BITUMEN ON RESISTANCE OF THIN WEARING COURSES TO LOW TEMPERATURE CRACKING Summary: The paper presents laboratory tests of asphalt mixes for thin wearing courses at low temperature. Two types of asphalt mixes: asphalt concrete with gap grading and stone mastic asphalt SMA were used. Four types of bitumens: three modified and one normal paving grade were used. The properties of asphalt mixes were tested in bending test in low temperature C, according to method developed at the Technical University of Gdańsk. It was found, that better properties at low temperature had mixes with modified bitumens, than mixes with normal paving grade bitumen.