WŁAŚCIWOŚCI BETONÓW ASFALTOWYCH Z ZASTOSOWANIEM ASFALTU MULTIGRADE Z RAFINERII GDAŃSKIEJ S.A.

Transkrypt

1 Mgr inż. Piotr JASKUŁA Prof. dr hab. inż. Józef JUDYCKI Zakład Budowy Dróg Politechnika Gdańska WŁAŚCIWOŚCI BETONÓW ASFALTOWYCH Z ZASTOSOWANIEM ASFALTU MULTIGRADE Z RAFINERII GDAŃSKIEJ S.A. PROPERTIES OF ASPHALT CONCRETE WITH USE OF MULTIGRADE BITUMEN FROM THE GDANSK REFINERY Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań betonu asfaltowego z zastosowaniem asfaltu typu Multigrade oraz dla celów porównawczych z asfaltem zwykłym D5RG i z asfaltem modyfikowanym elastomerem SBS Elastobit5RG. Wszystkie badane asfalty zostały wyprodukowane w Rafinerii Gdańskiej S.A. Oceniano wpływ zastosowanego asfaltu typu Multigrade na odporność betonu asfaltowego na: deformacje trwałe, odporność na spękania niskotemperaturowe oraz niszczące oddziaływanie wody i mrozu. Referat zawiera wyniki badań i ich analizę. Stwierdzono bardzo dużą odporność betonu asfaltowego z zastosowaniem asfaltu typu Multigrade na deformacje trwałe przy jednoczesnym zachowaniu znacznej odporności na spękania niskotemperaturowe. Beton asfaltowy z asfaltem Multigrade był najbardziej odporny na działanie niszczące wody i mrozu. Summary The paper presents results of testing of asphalt concrete with use of Multigrade bitumen and, for comparative purposes, with normal bitumen - D5RG and with bitumen modified with SBS elastomer Elastobit5RG. All tested bitumens were produced in the Gdansk Refinery. The influence of the Muligrade bitumen used on resistance of asphalt concrete to: rutting, low temperature cracking and to damaging effect of water and frost was evaluated. The paper contains results of testing and their analysis. It was found that the resistance to rutting of asphalt concrete with the Multigrade bitumen was very high and at the same time its resistance to low temperature cracking was also high. Asphalt concrete with the Multigrade bitumen was the most resistant to damaging effect of water and frost. 1. WSTĘP W latach 8-tych w Polsce, jak i w Europie, odnotowano trend wzrostu obciążenia nawierzchni drogowych ruchem samochodowym. Przyczyną tego stało się zwiększenie obciążenia osi, wprowadzenie kół pojedynczych w miejsce kół bliźniaczych w ciężkich pojazdach, zwiększenie ciśnienia w ogumieniu i wzrost ilości pojazdów ciężkich (ciągniki siodłowe z naczepami), które to głównie oddziaływały niszcząco na nawierzchnie drogowe. Podstawowym uszkodzeniem nawierzchni były koleiny w śladach kół, jako następstwo braku odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na deformacje trwałe. W odpowiedzi na tego typu uszkodzenia powstał szereg zaleceń stosowania nowego typu mieszanek odpornych na deformacje trwałe takich jak mastyks grysowy SMA, czy beton asfaltowy o podwyższonej odporności na deformacje trwałe. Zalecano także stosowanie asfaltów o podwyższonej lepkości w wysokich temperaturach, odpowiadających temperaturze nawierzchni latem. Osiągano to przez wykorzystywanie twardych asfaltów i jednoczesne obniżenie zawartości asfaltu w mieszance. Zastosowanie tych wytycznych podwyższyło odporność na koleinowanie, lecz wywoływało problemy w okresie zimowym, podczas występowania niskich temperatur. Asfalt nadmierne usztywniał się, prowadząc do spękań i kruchości mieszanki. Rozwiązaniem tego problemu może stać się użycie asfaltu modyfikowanego polimerami lub asfaltu uniwersalnego, nazywanego Multigrade.

2 Asfalt Multigrade po raz pierwszy wyprodukowano w firmie Shell. Został on stworzony dla ulepszenia właściwości użytkowych mieszanek mineralno-asfaltowych w wysokich i niskich temperaturach. Jest on produkowany bez dodatku polimeru, przez co staje się bardziej atrakcyjny niż asfalt modyfikowany nie tylko pod względem ekonomicznym, ale także ze względu na zachowanie swoich wyjściowych właściwości podczas wydłużonego przechowywania (Maccarone, 2). W niniejszym referacie przedstawiono wyniki badań betonu asfaltowego z użyciem asfaltu typu Multigrade oraz asfaltu zwykłego D5RG i asfaltu modyfikowanego elastomerem SBS Elastobit5RG wyprodukowanych w Rafinerii Gdańskiej S.A. Badania przeprowadzono w Laboratorium Badań Drogowych Politechniki Gdańskiej. 2. BADANY MATERIAŁ 2.1. Asfalt Badaniom poddano trzy asfalty wyprodukowane w Rafinerii Gdańskiej: asfalt zwykły D5RG, asfalt modyfikowany elastomerem SBS Elastobit5RG, asfalt typu Multigrade. Przeprowadzone badania asfaltów i ich wyniki przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Wyniki badań asfaltów L.p. Badanie Norma D5RG Elastabit Multigrade czynnościowa 5RG 1. Penetracja, 1g, 5s, 25 C, [,1mm] PN-84/C Ciągliwość, 25 C, [cm] PN-71/C Temperatura mięknienia PiK,[ C] PN-73/C Temperatura łamliwości Frassa, [ C] PN-89/C Lepkość dynamiczna [Pa*s]: brak normy 6 C 135 C 16 C 635,69,22 1,84,44 14,97,49 6. Indeks penetracji (Pen./PiK) brak normy -,53,74,42 7. Zmiana masy po starzeniu RTFOT, [%] 8. Pozostała penetracja po starzeniu RTFOT, [%] 9. Temperatura mięknienia PiK po RTFOT, [ C] 1. Temperatura łamliwości Frassa po RTFOT, [ C] n.b. nie badano ASTM D 2872,1 n.b., Brak normy 67 n.b. 63 PN-73/C n.b. 69 PN-89/C n.b. -19 Otrzymane wyniki badanych asfaltów charakteryzują asfalt typu Multigrade jako asfalt o najwyższej lepkości i najniższej temperaturze łamliwości. Jednocześnie asfalt Multigrade zachował nie zmienioną temperaturę łamliwości po procesie starzenia.

3 2.2. Beton asfaltowy Do badań zastosowano beton asfaltowy /2 zaprojektowany wg Zeszytu 48 IBDiM na warstwę ścieralną. Zmniejszono maksymalny wymiar ziarna użytego kruszywa do 16 mm celem ułatwienia wytwarzania jednorodnych próbek betonu asfaltowego. Użyto dwa rodzaje grysów: bazaltowe z Wilkowa, do badań odporności na deformacje trwałe betonu asfaltowego i odporności na spękania niskotemperaturowe, granitowe z Glensanda (Szkocja-Yeoman), do badań odporności betonu asfaltowego na działanie wody oraz wody i mrozu. W obu przypadkach zastosowano piasek łamany granitowy z Granicznej i wypełniacz wapienny Nordkalk z Gdańska. Optymalną zawartość asfaltów w betonie asfaltowym wyznaczono metodą Marshalla. Tablica 2. Właściwości betonów asfaltowych i optymalne zawartości asfaltu Beton asfaltowy z wykorzystaniem asfaltu: Wymaganie L.p. Właściwość D5RG Elastobit5RG Multigrade Bazalt Granit Bazalt Granit Bazalt Granit 1. Stabilność [kn] 1,1 11,1 1,1 1,3 12, 12, >1 2. Odkształcenie [mm] 3,6 4, 2,8 3,2 3,5 3,8 2,5-4, 3. Wskaźnik Marshalla 2,8 2,8 3,6 3,2 3,4 3,2 2,5-4, [kn/mm] 4. Zawartość wolnych 3,2 2,5 3,1 2,7 2,9 2,8 przestrzeni w mieszance 2-4 mineralno-asfaltowej [%] 5. Zawartość wolnych 15,8 14,6 15,7 14,5 15,5 15,3 przestrzeni w mieszance >14 mineralnej [%] 6. Zawartość wolnych 79,6 82,8 8,5 81,4 81,6 82, przestrzeni wypełnionych asfaltem, [%] 7. Zawartość lepiszcza [%] 5,1 5,2 5,1 5,1 5,1 5,4 4,5-5,6 8. Moduł sztywności sprężystej 25 C, MPa 9. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie 25 C, MPa 1,35-1,44-1, Uzyskane wyniki z badania Marshalla wykazują małe różnice we właściwościach betonów asfaltowych dla trzech wykorzystanych asfaltów. Jedynie moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu istotnie wyróżnia beton asfaltowy z asfaltem Multigrade. 3. BADANIA BETONÓW ASFALTOWYCH Przeprowadzono badania następujących cech mechanicznych betonów asfaltowych: moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu w 2 C i 25 C, wytrzymałości na pośrednie rozciąganie w 2 C i 25 C, moduł sztywności, maksymalne odkształcenie, prędkość przyrostu odkształcenia z badania pełzania statycznego w 4 C, maksymalne odkształcenie, prędkość przyrostu odkształcenia z badania pełzania dynamicznego w 4 C, głębokość i prędkość przyrostu koleiny w koleinomierzu kołowym w 6 C,

4 wytrzymałość na zginanie, odkształcenie graniczne i moduł sztywności przy zginaniu w 2 C i +1 C. Właściwości mechaniczne betonów asfaltowych wyznaczano w celu określenia wpływu zastosowanego asfaltu na odporność betonów asfaltowych na: deformacje trwałe, spękania niskotemperaturowe, niszczące oddziaływanie wody i mrozu. Deformacje trwałe Odporność betonów asfaltowych na deformacje trwałe oceniano analizując wyniki pełzania statycznego (Zeszyt 48 IBDiM), pełzania dynamicznego (Instrukcja NAT) i koleinowania w koleinomierzu kołowym (BS 598: Part 11:1996). Beton asfaltowy do badań zagęszczano,5 t walcem stalowym, osiągając wskaźniki zagęszczenia od,99 do 1,1. Następnie wycinano próbki o średnicy 1 mm do badania pełzania statycznego i dynamicznego oraz o średnicy 2 mm do badania koleinowania. Wyniki badań odporności na deformacje trwałe przedstawiono w tablicy 3 i na rysunkach 1, 2, 3. Niskie temperatury Odporność betonów asfaltowych na spękania niskotemperaturowe oceniano analizując wyniki badań ze zginania prostego wg metody opracowanej na Politechnice Gdańskiej przez Judyckiego [3]. Beton asfaltowy do badań zagęszczano,5 t walcem stalowym, osiągając wskaźniki zagęszczenia od,99 do 1,1. Następnie wycinano próbki prostopadłościenne o wymiarach 5x5x35 mm. Belki badano na zginanie w temperaturach +1 C i 2 C. Wyniki badań odporności betonów asfaltowych na spękania niskotemperaturowe przedstawiono w tablicy 4 i na rysunku 4. Woda i mróz Podatność betonów asfaltowych na niszczące oddziaływanie wody i mrozu oceniano poprzez porównanie cech mechanicznych (modułu sztywności sprężystej i wytrzymałości na rozciąganie pośrednie) przed i po laboratoryjnej symulacji procesu destrukcyjnego oddziaływania wody i mrozu. Oddziaływanie wody i mrozu symulowano według zmodyfikowanej metody Lottmana, którą szczegółowo opisano w pracach [5,6]. W badaniach modułów sztywności sprężystej, wytrzymałości na pośrednie rozciąganie stosowano próbki walcowe φ11mm i h=63,5 mm. Próbki do badania zagęszczano 1 uderzeniami ubijaka Marshalla na stronę próbki w temperaturze 12 C, aby osiągnąć poziom 6% wolnych przestrzeni. Wyniki badań odporności betonów asfaltowych na oddziaływanie wody i mrozu przedstawiono w tablicach 5 i 6 oraz na rysunku 5. Do wszystkich badań mieszankę mineralno-asfaltową przed zagęszczeniem poddawano starzeniu krótkoterminowemu, które modeluje proces produkcji i wbudowania betonu asfaltowego, stosując procedurę SHRP opisaną w pracy [9]. 4. WYNIKI BADAŃ BETONÓW ASFALTOWYCH I ICH OCENA Deformacje trwałe W każdym z trzech badań odporności na deformacje trwałe beton asfaltowy z asfaltem Multigrade okazał się najbardziej odporny. W badaniu koleinowania różnice w wynikach głębokości koleiny i prędkości przyrostu koleiny są znaczne. Beton asfaltowy z Multigrade osiąga wyniki około dwóch razy mniejsze w porównaniu do betonu asfaltowego z asfaltem D5. W badaniach pełzania statycznego i dynamicznego różnice w wynikach nie były już tak wyraźne. Betony asfaltowe osiągnęły rezultaty zbliżone, ale i w tych badaniach beton asfaltowy z asfaltem Multigrade okazał się najlepszy.

5 Tablica 3. Wyniki badania odporności na deformacje trwałe betonów asfaltowych Asfalt Koleinowanie, 6 C Pełzanie dynamiczne, 4 C Pełzanie statyczne, 4 C Głębokość Prędkość Maks. Prędkość Maks. Moduł koleiny, przyrostu Odkształ., przyrostu Odkształ., sztywności, [mm] koleiny, [%] odkształ., [%] [MPa] Prędkość przyrostu odkształ., [%/mim x 1-4 ] [mm/h] [%/min x 1-4 ] D5 3,92 1,85,349 2,7,49 24,4 1,3 Elas5 2,93,9,467 2,4,418 23,9 3,5 Multigrade 2,4,85,39 4,,328 3,5 8,9 Głębokość koleiny, mm 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, Koleinowanie, 6 C D5RG Elastobit5RG Multigrade Czas, min Prędkość przyrostu koleiny, mm/h Koleinowanie, 6 C Rysunek 1. Wyniki badań betonów asfaltowych w koleinomierzu kołowym 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, D5RG Elastobit5RG Multigrade D5RG Elastobit5RG Multigrade Pełzanie dynamiczne, 4 C Pełzanie dynamiczne, 4 C Odkształcenie, microstrain D5RG 1 Elastobit5RG 5 Multigrade Impulsy Maksymalne odkształcenie po 36 cyklach, microstrain D5RG Elastobit5RG Multigrade Rysunek 2. Wyniki badań betonów asfaltowych z pełzania dynamicznego Pełzanie statyczne, 4 C Pełzanie statyczne, 4 C Odkształcenie, microstrain D5RG Elastobit5RG Multigrade Czas, s Moduł sztywności, MPa 35, 3, 25, 2, 15, 1, 5,, D5RG Elastabit5RG Multigrade Rysunek 3. Wyniki badań betonów asfaltowych z pełzania statycznego.

6 Niskie temperatury W tablicy 4 i na rysunku 4 przedstawiono wyniki badań zginania belek z betonu asfaltowego w +1 C i w -2 C. Obliczano także wskaźnik usztywnienia zdefiniowany jako (Judycki, 1975): E Wu = [GPa/ C] T gdzie: E - różnica modułów sztywności przy ochłodzeniu o T, T - różnica temperatur. Tablica 4. Wyniki badań odporności na spękania niskotemperaturowe betonów asfaltowych. Asfalt Wytrzymałość na zginanie, [MPa] Odkształcenie graniczne, [ ] Moduł sztywności, [GPa] Wskaźnik usztywnienia, -2 C +1 C -2 C +1 C -2 C +1 C GPa/ C D5RG 9, 5,2,54 5,9 17,8 1,7*,53 Elastobit5RG 8,3 4,1 1,5 8,6 19,9 1,*,63 Multigrade 8,4 4,9,75 5,6 16,6 2,*,49 * - Moduły sztywności w temperaturze +1 C wyznaczono przy obciążeniu statycznym po 4 sekundach obciążenia, co odpowiadało od 4 do 5% wytrzymałości na zginanie. Interpretacja wyników badań zginania jest następująca (Judycki, 1975). Odporność na spękania niskotemperaturowe betonu asfaltowego wzrasta wtedy, gdy: R rz (-2 C) max, ε gran (-2 C) max, S (-2 C) min, W u min, gdzie: R rz (-2 C) wytrzymałość na zginanie w temperaturze 2 C, ε gran (-2 C) odkształcenie graniczne w temperaturze 2 C, S (-2 C) moduł sztywności przy zginaniu w temperaturze 2 C, W u - wskaźnik usztywnienia dla różnicy temperatur +1 C i 2 C. Inaczej mówiąc, 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, 2. 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, 4. ma najniższy wskaźnik usztywnienia W u, ponieważ jest najmniej wrażliwa termiczna. Spośród trzech badanych mieszanek największe różnice wystąpiły w wielkości odkształceń granicznych ε gran w 2 C (rys. 4). Pozostałe cechy różniły się niewiele. Na rysunku 4 zaznaczono przedział zmienności 2% obliczony względem najniższej określonej wartości. Wszystkie wyniki badań poza ε gran w 2 C mieszczą się w tym przedziale. Największe odkształcenie graniczne ε gran wykazał beton asfaltowy z asfaltem modyfikowanym elastomerem SBS Elastobit5RG, następnie z asfaltem Multigrade. Najniższą odkształcalność w temperaturze 2 C miał beton asfaltowy z asfaltem zwykłym. Takie wyniki świadczą o dużej odporności na spękania niskotemperaturowe betonu asfaltowego z asfaltem modyfikowanym SBS, co potwierdzają wyniki innych badaczy, np. Huang Zeng (1995). Beton asfaltowy z asfaltem Multigrade ma również korzystne cechy istotnie lepsze niż ze zwykłym asfaltem.

7 Wytrzymałość na zginanie -2 C, GPa Wytrzymałość na zginanie +1 C, GPa % D5RG Elastobit5RG Multigrade D5RG Elastobit5RG Multigrade 1, ,8 18,6 16,4 14, Odkształcenie Moduł sztywności graniczne przy przy zginaniu zginaniu -2 C, -2 C, GPa 2% 2% D5RG Elastobit5RG Multigrade 1 2, ,6 6 1,2,8 4,4 2 Odkształcenie Moduł sztywności graniczne przy przy zginaniu zginaniu +1 C, +1 C, GPa D5RG D5RG Elastobit5RG Elastobit5RG Multigrade Multigrade Rysunek 4. Wyniki badań odporności betonów asfaltowych na spękania niskotemperaturowe Woda i mróz Beton asfaltowy z asfaltem Multigrade okazał się najbardziej odporny z badanych mieszanek na oddziaływanie wody i mrozy. Jednak nie uzyskał wystarczającej odporności, to znaczy wymaganego wskaźnika modułu i wytrzymałości równego,7, jak określono w pracach [5,6]. Wskaźnik usztywnienia, GPa/ C,8,6 2%,4,2 D5RG Elastobit5RG Multigrade

8 Tablica 5. Średnie wartości modułów sztywności sprężystej, wytrzymałości na pośrednie rozciąganie i ich wskaźniki z badań odporności betonów asfaltowych na działanie wody i mrozu Asfalt D5RG Elastabit5RG Multigrade S [MPa] R [MPa] S [MPa] R [MPa] S [MPa] R [MPa] Bez pielęgnacji 2955, , ,82 Pielęgnacja (woda i mróz) 688,33 795,35 121,44 WS WR WS WR WS WR Pielęgnacja (woda i mróz),23,41,17,28,41,54 WS, % Wskaźniki modułów sztywności sprężystej, 2 C,7,6,5,4,3,2,1, D5 Elas5 Multigrade WR, %,7,6,5,4,3,2,1, Wskaźniki wytrzymałości na pośrednie rozciąganie, 2 C D5 Elas5 Multigrade Rysunek 5. Wyniki badań odporności betonów asfaltowych na oddziaływanie wody i mrozu. 5. WNIOSKI Uzyskane wyniki badań pozwalają stwierdzić, że beton asfaltowy z asfaltem Multigrade wyprodukowany w Rafinerii Gdańskiej S.A. odznacza się bardzo wysoką odpornością na deformacje trwałe, przy jednoczesnym zachowaniu znacznej odporności na spękania niskotemperaturowe. Z badanych betonów asfaltowych odznacza się najwyższą odpornością na oddziaływanie wody i mrozu. LITERATURA 1. Maccarone S., Gnanaseelan G., Choudhary A., Verendran G., High Performance Multigrade Bitumens, I st International Conference World of Asphalt Pavements, Sydney, 2 2. BS-598:, Sampling and examination of bituminous mixtures for roads and other paved areas: Part 11 Methods of test for the determination of wheel tracking rate, Judycki J., Metoda badań własności reologicznych drogowego betonu asfaltowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Budownictwo Lądowe 29, Judycki J., Cyske W., Pszczoła M., Jaskuła P., Stachowski A., Badania wytrzymałości w niskich temperaturach betonu asfaltowego wg nowych zasad projektowania dla GDDP, Gdańsk 2 5. Judycki J., Jaskuła P. Wpływ rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu, IV Międzynarodowa Konferencja, Kielce Judycki J., Jaskuła P. Badania odporności betonów asfaltowego na działanie wody i mrozu, Drogownictwo 12, Warszawa Zawadzki J., Kłos M., Wytyczne oznaczania odkształcenia i modułu sztywności mieszanek mineralno - asfaltowych metodą pełzania, IBDiM, Warszawa, Zeng H, On the low temperature cracking of asphalt pavements, Report, Royal Institute of Technology, Stockholm, Judycki J., Ar Rabti A., Badania starzenia mastyksu grysowego SMA, VII Międzynarodowa Konferencja, Kielce 21