WPŁYW MODYFIKACJI LEPISZCZY ASFALTOWYCH NA ODPORNOŚĆ MIESZANEK MINERALNO- -ASFALTOWYCH NA STARZENIE W ASPEKCIE OCENY MROZOODPORNOŚCI

Transkrypt

1 III Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym Poznań, 8 9 września rd International Conference Modern Technologies in Highway Engineering Poznań, 8 9 September, 2005 Piotr Radziszewski Robert Ziółkowski Politechnika Białostocka, Polska WPŁYW MODYFIKACJI LEPISZCZY ASFALTOWYCH NA ODPORNOŚĆ MIESZANEK MINERALNO- -ASFALTOWYCH NA STARZENIE W ASPEKCIE OCENY MROZOODPORNOŚCI Streszczenie: Proces starzenia mieszanek mineralno-asfaltowych wpływa na właściwości nawierzchni drogowych. Starzenie zachodzi podczas wytwarzania, układania i zagęszczania mieszanki w nawierzchni (starzenie krótkoterminowe) oraz podczas eksploatacji nawierzchni drogowej (starzenie długoterminowe). Wpływ starzenia na mieszanki mineralno-asfaltowe jest różny i zależy między innymi od rodzaju użytego lepiszcza oraz rodzaju i ilości modyfikatora. W artykule przedstawiono wyniki badań starzenia betonu asfaltowego 0/16 z lepiszczami modyfikowanymi elastomerami SBS (4 rodzaje, zawartość każdego rodzaju: 3%, 5%, 7%) oraz plastomerem EVA (zawartość dodatku: 3%, 5%, 7%). Wykonano starzenie krótkoterminowe poprzez wygrzewanie mieszanki nie zagęszczonej, oraz długoterminowe na próbkach zagęszczonych. Ocenę betonu asfaltowego prowadzono na mieszankach nie poddanych starzeniu, po starzeniu krótkoterminowym i po starzeniu długoterminowym. Na każdym etapie badania mieszanki poddawano procesom zamrażania i odmrażania wg AASHTO T283. Wyniki wykazały istotny statystycznie wpływ rodzaju i ilości dodatku modyfikatora na odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na starzenie. 1. WSTĘP Starzenie jest procesem fizykochemicznym zachodzącym wraz z upływem czasu we wszystkich ciałach organicznych i nieorganicznych. Oddziaływanie przez dłuższy czas czynników zewnętrznych takich jak woda, powietrze, wysoka tempe-

2 405 ratura, itp. prowadzi do zmian parametrów technicznych materiałów. Są to zmiany w większości przypadków niekorzystne z punktu widzenia eksploatacji. Rozpatrując starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych, szczególną uwagę zwraca się na lepiszcze będące podstawowym, a zarazem najbardziej podatnym na starzenie komponentem mieszanki mineralno-asfaltowej. Proces starzenia mieszanek mineralno-asfaltowych prowadzi do niekorzystnych zmian właściwości mechanicznych i ogólnej utraty trwałości nawierzchni. Zmiany wywołane starzeniem dotyczą lepiszczy, zarówno niemodyfikowanych jak i modyfikowanych, różny jest jednak stopień zachodzących zmian, który zależy od pochodzenia asfaltu, rodzaju mieszanki mineralno-asfaltowej i zastosowanych środków modyfikujących. Starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych zachodzi w dwóch etapach: a) starzenie technologiczne, zachodzące podczas przygotowania mieszanki, jej magazynowania, transportu i układania. Starzenie technologiczne zwane jest starzeniem krótkoterminowym (STOA Short Term Oven Ageing). b) starzenie eksploatacyjne, zachodzące podczas wieloletniej pracy mieszanki w nawierzchni. Starzenie eksploatacyjne ze względu na długość okresu, w którym zachodzą zmiany nazywa się również starzeniem długoterminowym (LTOA Long Term Oven Ageing). W artykule przedstawiono wyniki badań cech technicznych mieszanek mineralno-asfaltowych poddanych różnym formom starzenia, na podstawie, których oceniono wpływ rodzaju lepiszcza asfaltowego i ilości dodatku modyfikującego na odporność mieszanek na starzenie oraz wpływ starzenia na mrozoodporność. 2. STARZENIE MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH ZASTOSOWANE METODY STARZENIA LABORATORYJNEGO Symulacja starzenia krótkoterminowego (STOA Short Term Oven Ageing) w warunkach laboratoryjnych polega na przyspieszeniu podstawowych reakcji chemicznych i fizycznych zachodzących na etapie wytwarzania mieszanki mineralno-asfaltowej głównie procesu utleniania. Uzyskuje się to poprzez podwyższenie temperatury wygrzewania, zmniejszenie grubości warstwy utlenianej mieszanki mineralno-asfaltowej, zwiększenie przepływu powietrza przez mieszankę oraz zwiększenie powierzchni asfaltu poddawanego działaniu tlenu. Zgodnie z metodologią opracowaną w ramach programu badawczego SHRP (Strategic Highway Research Program) symulację procesów starzenia technologicznego uzyskuje się wygrzewając nie zagęszczoną mieszankę w cienkiej mm warstwie, przez 4 godziny w temperaturze 135 o C [1]. Procedura symulacji starzenia technologicznego została częściowo zmieniona w ramach programu badawczego nad mieszankami mineralno-asfaltowymi

3 406 typu Superpave [2]. Według tej procedury, nie zagęszczoną mieszankę poddaje się przez 2 godzin, w temperaturze odpowiadającej temperaturze zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej, tj. takiej, przy której lepiszcze osiąga lepkość równą 0,28±0,03 Pa*s. Tę procedurę starzenia zastosowano w badaniach własnych. Najbardziej znanym sposobem symulacji starzenia długoterminowego mieszanek mineralno-asfaltowych (LTOA Long Term Oven Ageing) jest wygrzewanie zagęszczonych próbek mieszanki mineralno-asfaltowej w temperaturze 85 o C w czasie 5 godzin [3]. Próbki przewidziane do symulacji starzenia eksploatacyjnego wcześniej poddawane są procesowi starzenia technologicznego. Zgodnie z tą procedurą postępowano w badaniach własnych. 3. MATERIAŁY WYKORZYSTANE DO BADAŃ Do badań zastosowano beton asfaltowy BA 0/16 odpowiadający wymaganiom dla mieszanek przeznaczonych na warstwę ścieralną dróg obciążonych ruchem kategorii KR3 KR6. Uziarnienie mieszanki mineralnej wg krzywych granicznych najlepszego uziarnienia dobrano przy pomocy programu MASBIT. Tab. 1. Typowe właściwości i skład elastomerów termoplastycznych SBS L.p. Właściwości Wartości Kraton I Kraton II Kraton III Kraton IV 1. Zawartość styrenu, % m/m 31 22, Zawartość substancji lotnych, % m/m 0,3 0,2 0,3 0,2 3. Zawartość popiołów, % m/m 4,0 4,0 4,0 4,0 4. Zawartość części możliwych do wyekstrahowania, % m/m 1,0 1,0 1,0 1,0 5. Lepkość roztworu*, Pa*s a) 4,0 2,5 20,0 b.d. 6. Współczynnik płynięcia przy topnieniu (200 /5kgC), g/10min < 1 b.d. < 1 < 1 7. Gęstość, Mg/cm 3 0,94 0,94 0,94 b.d. 8. Gęstość nasypowa, Mg/cm 3 0,4 b.d 0,4 0,4 9. Twardość** (stempel A, 30s) 72 b.d. 75 b.d. 10. Wytrzymałość na rozciąganie***, MPa 33 b.d. 27 b.d. 11. Moduł 300%***, MPa 2,9 b.d. 2,5 b.d. 12. Wydłużenie przy zerwaniu***, % 880 b.d. 820 b.d. 13. Zawartość polibutadienu winylowego, % m/m Zawartość wiązań potrójnych, % * dla 25%-owego roztworu w toluenie w temperaturze 25 o C przy użyciu wiskozymetru Brookfielda, model LVF lub LVT, a) dla 20%-owego roztworu w toluenie w temperaturze 25 o C przy użyciu wiskozymetru Brookfielda, model LVF lub LVT, ** mierzona na płytach prasowanych w formie, *** mierzone na warstwach odlanych z roztworu w toluenie, b.d brak danych.

4 407 Do betonu asfaltowego zastosowano asfalt 50/70 oraz lepiszcza modyfikowane elastomerami SBS i plastomerem EVA, wytworzone w laboratorium na bazie tego asfaltu. Proces modyfikacji prowadzono zgodnie z procedurą przedstawioną w [4]. Charakterystyka elastomerów zastosowanych do modyfikacji asfaltu, w oparciu o dane od producenta, została przedstawiona w tab. 1. Oznaczenia lepiszczy asfaltowych, zastosowanych do mieszanek mineralno-asfaltowych, przedstawiono w tab. 2. Tab. 2. Oznaczenia stosowanych lepiszczy i mieszanek mineralno-asfaltowych. Asfalt bazowy Modyfikator Lepiszcze modyfikowane Beton asfaltowy D 50/70 Bez dodatku Kraton I +3%, 5%, 7% Kraton II +3%, 5%, 7% Kraton III +3%, 5%, 7% Kraton IV +3%, 5%, 7% EVA +3%, 5%, 7% %, 5%, 7% %, 5%, 7% %, 5%, 7% %, 5%, 7% EVA 3%, 5%, 7% BA D50/70 BA %, 5%, 7% BA %, 5%, 7% BA %, 5%, 7% BA %, 5%, 7% BA EVA 3%, 5%, 7% Podstawą do ustalenia ilości lepiszcza w mieszankach mineralnoasfaltowych była mieszanka z asfaltem niemodyfikowanym, w dalszych badaniach traktowana jako mieszanka referencyjna. Do wyznaczenia ilości lepiszcza w mieszance referencyjnej zastosowano metodę Marshalla (tab. 3). Zawartość lepiszczy modyfikowanych w mieszankach mineralno-asfaltowych ustalono na poziomie mieszanki referencyjnej. Tab. 3. Skład mieszanki mineralno-asfaltowej BA 0/16. Materiały Skład mieszanki mineralno-asfaltowej Mączka wapienna 8,5 Piasek łamany 34 Grys bazaltowy 2/6,3 16 Grys bazaltowy 5/11 19,8 Grys bazaltowy 11/16 16, Lepiszcze asfaltowe (asfalt i lepiszcza modyfikowane) 5,7 4. METODYKA BADAŃ W celu określenia wpływu starzenia na właściwości mieszanki mineralnoasfaltowej w badaniach laboratoryjnych oznaczono następujące parametry:

5 408 moduł sztywności sprężystej w temperaturze 5 o C, 10 o C, 20 o C, maksymalną siłę rozciągającą w badaniu rozciągania pośredniego, w temperaturze 5 0 C, 10 0 C, 20 0 C, Parametry te wyznaczano dla próbek nie poddanych procesom starzenia, po starzeniu krótkoterminowym i po starzeniu długoterminowym, oraz dla próbek, które poddano badaniu mrozoodporności. Badanie mrozoodporności betonów asfaltowych przeprowadzono na próbkach marshallowskich, przygotowanych według procedury zbliżonej do zmodyfikowanej metody Lottmana [5]. Zawartość wolnych przestrzeni w próbkach, zagęszczanych w ubijaku Marshalla, zawierała się w przedziale od 6,0% do 8,0% (do badań akceptowano próbki, w których zawartość wolnych przestrzeni mieściła się w zakresie v-2s, v+2s, gdzie v - średnia wartość wolnych przestrzeni, s - odchylenie standardowe). Badanie mrozoodporności przebiegało według trzyetapowej procedury. Etap pierwszy obejmował próżniowe nasycanie próbek wodą próbki zalane wodą o temperaturze 20 C trzymano przez 30 min w suszarce próżniowej o ciśnieniu 200 hpa. Etap drugi, to poddanie próbek, nasyconych w etapie pierwszym, przedłużonemu oddziaływaniu wody w podwyższonej temperaturze próbki umieszczano w łaźni z wodą o temperaturze 60 C i przechowywano przez 24 godziny. W etapie trzecim, próbki poddawano 18 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie przeprowadzano w temperaturze -18 C przez 4 godziny, a odmrażanie w temperaturze 20 C przez 4 godziny. Modyfikacja metody Lottmana polegała na tym, że próbki rozmrażano w 2% wodnym roztworze soli kuchennej NaCl. Ocenę odporności betonu asfaltowego na starzenie dokonano na podstawie obliczonych wskaźników modułu sztywności sprężystej (W S, W S ) i maksymalnej siły rozciągającej w rozciąganiu pośrednim (W R, W R ): S 1 W S = (1) S2 S' S' 1 W (2) ' = S 2 F1 W R = (3) F 2 F' 1 W ' R = (4) F' 2 gdzie: W S wskaźnik modułu sztywności sprężystej po starzeniu STOA lub starzeniu STOA+LTOA, W R wskaźnik maksymalnej siły rozciągającej po starzeniu STOA lub starzeniu STOA+LTOA

6 409 W S wskaźnik modułu sztywności sprężystej po starzeniu STOA i procesie zamrażania i rozmrażania lub po starzeniu STOA+LATO i procesie zamrażania i rozmrażania, W R wskaźnik maksymalnej siły rozciągającej po starzeniu STAO i procesie zamrażania i rozmrażania lub po starzeniu STOA+LATO i procesie zamrażania i rozmrażania S 1 średni moduł sztywności sprężystej próbek poddanych procesowi starzenia STOA lub STOA+LTOA, S 2 średni moduł sztywności sprężystej próbek nie poddanych procesowi starzenia, S 1 średni moduł sztywności sprężystej próbek poddanych procesowi zamrażania i rozmrażania po procesie starzenia STOA lub STOA+LTOA, S 2 średni moduł sztywności sprężystej próbek nie kondycjonowanych (do określenia wskaźnika mrozoodporności) lub poddanych procesowi zamrażania i rozmrażania i nie poddanych procesowi starzenia do oceny wskaźnika starzenia, F 1 średnia wartość maksymalnej siły rozciągającej próbek poddanych procesowi starzenia STOA lub STOA+LTOA, F 2 średnia wartość maksymalnej siły rozciągającej próbek nie poddanych procesowi starzenia, F 1 średnia wartość maksymalnej siły rozciągającej próbek poddanych procesowi zamrażania i rozmrażania po procesie starzenia STOA lub STOA+LTOA, F 2 średnia wartość maksymalnej siły rozciągającej próbek nie kondycjonowanych (do określenia wskaźnika mrozoodporności) lub poddanych procesowi zamrażania i rozmrażania i nie poddanych procesowi starzenia do oceny wskaźnika starzenia. 5. WPŁYW STARZENIA NA WŁAŚCIWOŚCI MIESZANKI MINERALNO-ASFALTOWEJ Na rys. 1 zestawiono obliczone wartości wskaźnika modułu sztywności sprężystej dla mieszanek mineralno-asfaltowych z asfaltem niemodyfikowanym i lepiszczami modyfikowanymi po starzeniu technologicznym (STOA) i eksploatacyjnym (STOA+LTOA). Największym zmianom uległa mieszanka z asfaltem niemodyfikowanym, a modyfikacja lepiszczy wyraźnie wpłynęła na zmniejszenie oddziaływania procesów starzeniowych. Z rysunku wynika, że wśród mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami modyfikowanymi najmniejszymi zmianami charakteryzuje się beton asfaltowy z wysokomodyfikowanym lepiszczem na bazie polibutadienu winylowego (lepiszcze 1192).

7 STOA STOA+LTOA BA D70 BA % BA % BA % BA % BA % BA % BA % BA % BA % BA % Wskaźnik Ws [% BA % BA % BA EVA 3% BA EVA 5% BA EVA 7% Rodzajmieszanki mineralno-asfaltowej Rys. 1. Wpływ starzenia na zmianę wskaźnika modułu sztywności sprężystej w temperaturze 20 o C Wpływ ilości modyfikatora w lepiszczu asfaltowym na zmianę modułu sztywności sprężystej mieszanki mineralno-asfaltowej w temperaturze 20 o C, w wyniku starzenia, przedstawiono na rys. 2. Wzrost zawartości modyfikatora w lepiszczu do poziomu 5% wpływa wyraźnie na wzrost wartości modułu oraz na wzrost odporności na starzenie (mniejsze zmiany modułu sztywności sprężystej). Moduł sztywności [MPa] PRZED STOA STOA+LTOA BA D70 BA % BA % BA % Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej Rys. 2. Wpływ ilości modyfikatora na zmianę modułu sztywności w wyniku starzenia w 20 o C Wpływ rodzaju lepiszcza na odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na starzenie i mrozoodporność, na przykładzie zmian wskaźników modułów sztywności sprężystej (W S ) w temperaturze 20 o C przedstawiono na rys. 3. Z rysunku wynika, że starzenie STOA i STOA+LTOA w największym stopniu wpłynęło na mieszankę z asfaltem niemodyfikowanym, podczas gdy najkorzystniejsze zachowanie stwierdzono dla mieszanek z lepiszczami modyfikowanymi 7% dodatkiem elastomerów. W przypadku plastomeroasfaltów wskaźniki mrozoodporności dla lepiszczy z 5% i 7% dodatkiem modyfikatora są podobne. Z wykresu wynika,

8 że najmniejszy wpływ starzenia na mrozoodporność wykazuje beton asfaltowy z lepiszczem wysokomodyfikowanym elastomerem 1101, 1184 i mrozoodporność mrozoodporność po STOA+LTOA mrozoodporność po STOA D 50/ % % % % % % % % % % % % Wskaźnik W 's [%] EVA 3% EVA 5% EVA 7% Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej Rys. 3. Wpływ starzenia STOA i STOA+LTOA na mrozoodporność mieszanek w temp. 20 o C Należy podkreślić, że mieszanki mineralno-asfaltowe z lepiszczami modyfikowanymi charakteryzują się w stosunku do mieszanek z lepiszczami niemodyfikowanymi korzystnym, mniejszym przyrostem modułu sztywności przy obniżaniu się temperatury badania, zarówno przed jak i po starzeniu. Dla zobrazowania tego, na rys. 4 pokazano zmianę modułu sztywności sprężystej w funkcji temperatury dla betonu asfaltowego z lepiszczem modyfikowanym plastomerem. Z rysunku wynika, że modyfikacja asfaltu plastomerem polepsza odporność mieszanki mineralno-asfaltowej na starzenie (mniejsza wartość przyrostu modułu sztywności po starzeniu) Liniow y (BA PRZED) Liniow y (BA D70 STOA) Moduł sztywności [MPa] Liniow y (BA D70 STOA+LTOA) Liniow y (BA EVA 5% ) Liniow y (BA EVA 5% STOA) Liniow y (BA EVA 5% STOA+LTOA) Temperatura [ o C] Rys. 4. Wpływ rodzaju lepiszcza na zmianę modułu sztywności w funkcji temperatury

9 OKREŚLENIE ISTOTNOŚCI WPŁYWU RODZAJU I ILOŚCI DODATKÓW MODYFIKUJĄCYCH NA ODPORNOŚĆ LEPISZCZY MODYFIKOWANYCH NA STARZENIE Do określenia istotności wpływu rodzaju i ilości modyfikatora na odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na starzenia zastosowano analizę wariancji. Poziomy istotności α i wpływu wielkości wejściowych parametrów (rodzaj lepiszcza, zawartość dodatku) na badaną cechę Y (W S, W R ) wyznaczano ze statystyki F Snedecora. Określenie istotności polegało na zaszeregowaniu ocenianych zmiennych do następujących przedziałów [4]: - α i 0,01 bardzo duży wpływ zmiennej x i (BI), - 0,01 < α i 0,05 istotny wpływ zmiennej x i (I), - 0,05 α i 0,1 mało istotny wpływ zmiennej x i (MI), - α i > 0,05 nieistotny wpływ zmiennej x i (NI), Wyniki analiz wariancji przedstawiono w tab. 3. Tab. 3. Wpływu rodzaju i ilości modyfikatora na odporność na starzenie lepiszczy asfaltowych Parametr Temperatura Rodzaj dodatku W S W R W S W R Starzenie STOA Ilość dodatku Rodzaj dodatku Starzenie LTOA Ilość dodatku 5 o C BI BI BI BI 10 o C BI BI BI BI 20 o C BI BI BI BI 5 o C BI BI BI BI 10 o C BI BI BI BI 20 o C BI BI BI BI 5 o C BI BI BI BI 10 o C BI BI BI BI 20 o C BI BI BI BI 5 o C BI BI BI BI 10 o C BI BI BI BI 20 o C BI BI BI BI Wyniki analiz przedstawione w tab. 3 wykazały, że wpływ rodzaju i ilości dodatków modyfikujących jest bardzo istotny na zmianę cech technicznych mieszanek mineralno-asfaltowych zachodzących w wyniku starzenia technologicznego i eksploatacyjnego, w całym zakresie rozpatrywanych temperatur.

10 WNIOSKI W wyniku przeprowadzonych badań i analiz stwierdzono, że: starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami modyfikowanymi w mniejszym zakresie wpływa na zmiany cech technicznych niż mieszanek z lepiszczem niemodyfikowanym, wśród mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami modyfikowanymi największą odpornością na starzenie charakteryzowała się mieszanka z lepiszczem modyfikowanym 7% dodatkiem elastomeru na bazie polibutadienu winylowego, starzenie zmniejsza w sposób bardzo istotny mrozoodporność mieszanek mineralno-asfaltowych z lepiszczami niemodyfikowanymi i niskomodyfikowanymi, rodzaj i ilość środka modyfikującego wpływa bardzo istotnie na odporność mieszanek na starzenie, LITERATURA 1. Bell A. C., Summary Report on Aging of Asphalt-Aggregate Systems, Strategic Highway Research Program, Report No. SHRP-A-/IR (SHRP-A-305), New Superpave Mix Design (SP-2), Asphalt Institute Bell A.C., Sosnovske D., Aging: Binder Validation, Strategic Highway Research Program, Report No. SHRP-A-384. National Research Council, Washington D.C Radziszewski P., Modelowanie trwałości zmęczeniowej modyfikowanych kompozytów mineralno-asfaltowych. Rozprawy Naukowe NR 45. Politechnika Białostocka, Białystok Tunnicliff D.G., Root R.E., Testing Asphalt Concrete for Effectiveness of Antistripping Additives. AAPT 1983, vol. 52. THE INFLUENCE OF BITUMEN MODIFICATION ON MINERAL- ASPHALT MIXES AGING RESISTANCE IN THE ASPECT OF FROST RESISTANCE ASSESSMENT Summary: Aging of mineral-asphalt mixes has an essential impact on the properties of road pavements. Aging occurs during production, laying and compaction of a mineral asphalt-mix upon road construction (Short-Term Aging) and during road operation (Long-Term Aging). The effect of aging depends on the type and amount of binder. The paper presents the results of research into the aging of asphalt concrete 0/16 with bitumen modified with elastomer SBS (four types of modifier; content of each type was: 3%, 5%, 7%) and plastomer EVA (modifier content: 3%, 5%, 7%). Asphalt mixes were subjected to short- and long-term aging. Assessment of the asphalt mixes properties was based on the control and aged samples. All tested mixes were also subjected to the freezing test according to AASHTO T283. The test results show a strong influence of the type and amount of modifier on the asphalt mixes aging resistance.