dr inż. Bartłomiej Grzesik, mgr inż. Zbigniew Drapała, Politechnika Śląska O mieszankach W artykule przedstawiono spostrzeżenia i wnioski płynące ze zrealizowanego niewielkiego programu badawczego mającego na celu wstępne rozpoznanie podstawowych właściwości wybranych mieszanek mineralno-asfaltowych rodzaju (Hot Rolled Asphalt) pod kątem możliwości zastosowania ich w warunkach krajowych. Z uwagi na brak jakichkolwiek krajowych doświadczeń z mieszankami powzięte założenia nadały programowi badawczemu charakter eksperymentu. W ramach programu zaprojektowano i wykonano trzy oraz poddano je badaniom pod kątem zawartości wolnych przestrzeni, stabilności i odkształcenia oraz odporności na deformacje trwałe. Wybrane i odniesiono do poziomu zagranicznych wymagań stawianych oraz krajowych odnoszących się do mieszanek AC i SMA. Począwszy od 200 r., w spisie polskich norm powołanych w kolejnych wydaniach Wymagań Technicznych WT-2 [4] dotyczących mieszanek mineralno-asfaltowych niezmiennie widnieje norma PN-EN 308-4 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania. Część 4: Mieszanka [3]. Ostatniej aktualizacji norma doczekała się w lipcu 206 roku. W aktualnie obowiązujących Wymaganiach Technicznych (pełniących funkcję dokumentu aplikacyjnego dla norm serii 308) mieszanka nie jest wymieniana wśród materiałów do warstw nawierzchni drogowych i jak na razie nic nie zapowiada jej rychłego wdrożenia w Polsce. Poniższy tekst jest próbą odpowiedzi na naturalnie nasuwające się pytanie, czy mają szanse znaleźć zastosowanie w Polsce. Historia mieszanek Mieszanka została po raz pierwszy użyta w Chelsea i Kensington w Wielkiej Brytanii w 895 r. Ponieważ nie przywiązywano wówczas dużej wagi do jakości i proporcji składników, wadliwa kompozycja uziarnienia w zakresie piasku i wypełniacza doprowadziła w wilgotnym klimacie Wysp Brytyjskich do degradacji nawierzchni w ciągu kilku miesięcy od momentu jej wykonania. Kolejne projekty mieszanek uwzględniały użycie lepszego lepiszcza i zwiększenie zawartości kruszywa grubego, co znacząco wpłynęło na ich trwałość. Na pierwszą standaryzację dotyczącą stosowania mieszanek w Wielkiej Brytanii trzeba było czekać aż do 928 roku, kiedy to po raz pierwszy wydano specyfikację (British Standards) dotyczącą projektowania i wbudowywania nawierzchni bitumicznych []. Charakterystyka mieszanek to mieszanka mineralno-asfaltowa charakteryzująca się nieciągłym uziarnieniem oraz małą zawartością wolnych przestrzeni. Warstwy nawierzchni z cechuje wysoka sztywność, dzięki czemu skutecznie przenosi ona obciążenia komunikacyjne. Warstwy z, ze względu na relatywnie dużą zawartość asfaltu, są szczelne i odporne na czynniki klimatyczne. Wykazują również dobrą odporność na starzenie oraz na działanie takich substancji jak sól drogowa i oleje []. Cechy te osiąga przy standardowo stosowanym zwykłym asfalcie drogowym, zazwyczaj 40/60 wg [3], choć istnieją przesłanki, że przy Summary About mixtures The article presents observations and conclusions of a small research programme aimed at the preliminary recognition of the basic properties of selected kinds of Hot Rolled Asphalt () mixtures in terms of the possibility of their use in Poland. Due to the lack of any national experience with mixtures, the assumptions made in the research programme gave it a form of an experiment. Three mixtures were designed and completed for the programme and tested for void content, stability, deformation and wheel tracking. The selected results are related to international requirements for and national requirements for AC and SMA mixtures. Keywords:, Hot Rolled Asphalt, SMA mixtures stosowaniu asfaltów modyfikowanych walory te mogą ulec znaczącemu uwydatnieniu. W konstrukcji nawierzchni znajduje zastosowanie w warstwie ścieralnej, wiążącej i podbudowie. Szczególny przypadek stanowi jej zastosowanie do warstwy ścieralnej, podczas wykonywania której na ułożoną uprzednio mieszankę mineralno-asfaltową rozkłada się grys lakierowany asfaltem, tzw. chippings, a następnie wtłacza się go w mieszankę za pomocą walca []. Nawierzchnia z odznacza się wysokim komfortem użytkowania, ponieważ wykazuje zmniejszony poziom odbijania promieni słonecznych oraz bardzo dobre właściwości przeciwpoślizgowe, ające przede wszystkim z zastosowania grysów lakierowanych []. Do wad należy wysoka hałaśliwość w porównaniu do innych dostępnych nawierzchni [2]. Cecha ta szczególnie mocno się zaznacza w warstwie ścieralnej wykonanej z zawierającej w składzie mniej niż 35% (wag.) kruszywa grubego, dla której obligatoryjnie stosuje się grysy lakierowane [3]. Kolejną wadą jest trudność w układaniu. Według brytyjskich zaleceń układanie i zagęszczanie odbywają się przy ściśle określonych temperaturach zarówno, jak i lakierowanego grysu. Konieczne jest również wtłaczanie rozłożonych grysów zaraz za rozkładarką. Wszystkie te czynności wymagają staranności, wiedzy i doświadczenia wykonawcy. 60 Magazyn Autostrady 6/207
Zastosowanie podbudowa warstwa wiążąca warstwa ścieralna typu F Symbol Grubość warstwy 50/20 45-80 60/20 45-80 60/32 60-50 50/0 25-50 50/4 35-65 50/20 45-80 60/20 45-80 60/32 60-50 0/2F 25 5/0F 30 30/0F 35 55/0F 40 30/4F 40 35/4F 50 55/4F 45 0/2C 25 5/0C 40 warstwa ścieralna typu C 30/4C 40 35/4C 50 55/4C 45 Tab.. Zastosowanie różnych mieszanek [6] Wyróżnia się dwa rodzaje mieszanek [3]: z grysem lakierowanym stosowane obligatoryjnie do warstw ścieralnych z zawierającej w składzie mniej niż 35% (wag.) kruszywa grubego, bez grysu lakierowanego stosowane do warstw ścieralnych, wiążących, wyrównawczych podbudów. W przypadku warstwy ścieralnej, na której nie stosuje się wtłaczania grysów, mogą mieć następującą postać []: o dużej zawartości kruszywa grubego, tzw. high-stone-content rolled asphalt stosowaną na nawierzchnie o mniejszym obciążeniu, łatwiejszą w układaniu i zawierającą asfalt miękki, np. 00/50; cienki dywanik, tzw. sand carpet (do 30 mm grubości warstwy) stosowany na ścieżkach rowerowych, placach i chodnikach. Standardy brytyjskie [6] porządkują różne rodzaje mieszanek wg przeznaczenia oraz grubości warstwy (tab. ). W oznaczaniu mieszanek występuje charakterystyczny ciąg znaków o znaczeniu nieco różnym niż w przypadku oznaczeń mieszanek AC, SMA, PA, BBTM. należy interpretować w następujący sposób [3]: 30/F ścieralna 35/50 mieszanka zawierająca do 30% (wag.) kruszywa grubego o maksymalnym rozmiarze do mm, typ F, na warstwę ścieralną z zastosowaniem asfaltu 35/50, 50/0 wiążąca 50/70 mieszanka zawierająca do 50% (wag.) kruszywa grubego o maksymalnym uziarnieniu do 0 mm na warstwę wiążącą z zastosowaniem asfaltu 50/70. W nazewnictwie mieszanek do warstw ścieralnych występuje oznaczenie typu: F (ang. fine) w przypadku, w skład której w zakresie frakcji mniejszych niż 2 mm dominują frakcje w przedziale 0,063-0,5 mm, Rodzaj warstwy podbudowa, warstwa wiążąca Typ 50/ 50/6 50/22, 60/22 60/32 0/4F, 0/4C 5/F, 30/F, 55/F, 55/C warstwa ścieralna 30/6F, 30/6C, 35/6F, 35/6C, 45/6F, 45/6C, 55/6F, 55/6C Tab. 2. Zastosowanie różnych mieszanek wg [3] Składnik mma 5/F 30/F Rodzaj 55/F Kruszwo grube Grys bazaltowy 8/ Kruszywo drobne Piasek zwykły kwarcowy 0/2 Wypełniacz Mączka wapienna Asfalt PMB 45/80-55 55/C Piasek łamany bazaltowy 0/2 Inne Stabilizator mastyksu Tab. 3. Wykaz składników mieszanek C (ang. course) w przypadku, w skład której w zakresie frakcji mniejszych niż 2 mm dominują frakcje w przedziale 0,5-2,0 mm. Zasadniczo typy F i C charakteryzują odpowiednio piaski zwykłe i piaski łamane. W oznaczeniu mieszanek na Wyspach Brytyjskich zwracają uwagę nietypowe dla polskich norm frakcje kruszywa. Rozbieżność a ze stosowanych w analizie sitowej wymiarów sit w Wielkiej Brytanii i w pozostałych krajach europejskich, w tym w Polsce. Norma [3] uwzględnia tę różnicę, określając żądane krzywe graniczne uziarnienia przy pomocy dwóch zestawów sit polskich i brytyjskich. Norma [3] wprowadza podział mieszanek przedstawiony w tab. 2. Wybór mieszanek Do zaprojektowania, skomponowania i zbadania wytypowano cztery przeznaczone do warstw ścieralnych: 5/F, 30/F, 55/F, 55/C. O wyborze tych mieszanek zdecydowało kilka czynników. W zakresie warstwy ścieralnej występuje obecnie w Polsce największa różnorodność rodzajów mieszanek mineralno-asfaltowych dająca możliwość interesujących porównań uzyskanych ów do obowiązujących dla tych mieszanek wymagań. Co za tym idzie wybór maksymalnego uziarnienia, tj. mm, ał z faktu, że obecnie jest to maksymalny rozmiar kruszywa stosowanego w warstwach ścieralnych. Dodatkowo zróżnicowano w zakresie piasków, tj. w trzech przypadkach przewidziano użycie piasku zwykłego (typ F), w jednym piasku łamanego (typ C). Projektowanie mieszanek Do zaprojektowania i wykonania mieszanek wybrano składniki pokazane w tab. 3. Przed zaprojektowaniem mieszanek wykonano standardowe oznaczenia uziarnienia i gęstości kruszyw. Już w kolejnym kroku projektowania napotkano pierwsze trudności. Problem okazał się www.autostrady.elamed.pl 6
Sito 0/4F 0/4C 5/F 30/F 55/F 55/C 30/6F k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. 22,4 00 6 00 00 00 00 95,2 00 97 97 97 67 83 8 00 00 82 88 67 83 42 63 42 63 2 90 00 95 00 8 65 4 38 65 0,5 85 90 40 55 59 8 48 65 29 4 9 3 48 65 0,25 40 75 30 40 29 7 22 58 9 3 9 3 22 58 0,063 4 4 2 9 6 6 9 Sito 30/6C 35/6F 35/6C 45/6F 45/6C 55/6F 55/6C k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. k.d. k.g. 22,4 00 00 00 00 00 00 00 6 95 95 95 96 96 97 97,2 67 83 62 8 62 8 52 72 52 72 42 63 42 63 8 2 65 6 56 5 48 4 38 0,5 29 4 44 6 24 4 34 50 22 35 29 43 9 3 0,25 24 36 9 5 9 3 4 42 4 3 9 3 9 3 0,063 9 8 8 7 7 6 6 k.d. krzywa graniczna dolna, k.g. krzywa graniczna górna Tab. 4. Wymagania dotyczące uziarnienia mieszanek [3] Rys.. Projektowana krzywa 5/F Rys. 2. Projektowana krzywa 30/F Rys. 3. Projektowana krzywa 55/F Rys. 4. Projektowana krzywa 55/C 62 Magazyn Autostrady 6/207
Powierzchnia właściwa mineralnej [m 2 /kg] Zawartość asfaltu (wag.) [%] 5/F 26,08 8,5 30/F 23,49 7,7 55/F 4,77 5,0 55/C 3,9 4,5 Tab. 5. Wyznaczona obliczeniowo zawartość asfaltu w mieszankach podobny do napotkanego po koniec lat 90. ubiegłego wieku, kiedy technolodzy uczyli się pokonywać tzw. łabędzią szyję (wąski korytarz tworzony przez krzywe graniczne w zakresie grubych grysów) przy projektowaniu nowej wówczas SMA. W przypadku trudność jest większa, ponieważ dla części rozmiarów ziaren nie istnieją zakresy tolerancji dla krzywej uziarnienia, a zostały narzucone wartości punktowe (krzywe graniczne nie tworzą korytarza, lecz schodzą się w jednym punkcie wyznaczającym dokładną zawartość (tab. 4). W każdym rozpatrywanym przypadku sytuacja ta ma miejsce dla sita 2,0 m, a w trzech przypadkach dodatkowo dotyczy sit 0,063 mm i,2 mm. Innymi słowy, projektowana krzywa musi przejść przez kilka z góry narzuconych punktów (rys. -4). Na rys. -4 uziarnienia mieszanek mineralnych krzywą projektowaną oznaczono na czerwono, krzywe graniczne na granatowo. W tej sytuacji nadrzędnego znaczenia nabiera staranność w doborze odpowiednio uziarnionych piasków oraz ustalania ich wzajemnych proporcji z wypełniaczem. Dobór grubych grysów nie jest już tak problematyczny. Jak w przypadku każdego projektu, należy pamiętać o uwzględnieniu odpylenia kruszyw, przede wszystkim piasków (zwykle na poziomie 50%). Zawartość asfaltu we wszystkich przypadkach ustalono na podstawie powierzchni właściwych mieszanek mineralnych (tab. 5). W tej kwestii ustalania minimalnej zawartości asfaltu w projektowaniu obowiązują takie same zasady jak przy projektowaniu innych mieszanek, tj. należy posłużyć się współczynnikiem. W eksperymencie przyjęto jeden rodzaj asfaltu modyfikowanego PMB 45/80-55, jako obecnie najpopularniejszego do mieszanek SMA przeznaczonych na ruch ciężki. Fot.. Próbka Marshalla ( i jej przekrój (. Mieszanka 30/F Fot. 2. Próbka Marshalla ( i jej przekrój (. Mieszanka 55/F Fot. 3. Próbka Marshalla ( i jej przekrój (. Mieszanka 55/C Sporządzanie zarobów rozpoczęto od 30/F. Zgodnie z przewidywaniami uzyskano mieszankę o konsystencji przypominającej asfalt lany (co tłumaczy potrzebę wtłaczania do warstwy grysów lakierowanych), z którego, jak wiadomo, nie formuje się próbek Marshalla. Z uwagi na trudności z uformowaniem próbek tą metodą zaniechano wykonywania zarobu 5/F. Natomiast podczas sporządzania zarobów fot. Z. Drapała Gęstość [g/cm 3 ] wg PN-EN 2697-5 [7] Gęstość objętościowa [g/cm 3 ] wg PN-EN 2697-6 [8] 30/F 2,387 2,377 3 0,4 Zawartość wolnych przestrzeni [%] wg PN-EN 2697-8 [9] zakres PN-EN 308-4 55/F 2,52 2 2,475 4,5 0,5-8,0 55/C 2,590 2 2,508 4 3,2 wg metody matematycznej (Procedura C); 2 wg metody objętościowej (Procedura A); 3 wg procedury A (na sucho); 4 wg procedury B (SSD) Tab. 6. Wyniki oznaczenia: gęstości, gęstości objętościowej i zawartości wolnej przestrzeni w próbkach Stabilność [kn] PN-S-96025 [4] odniesienie BS 594-2 [5] Odkształcenie PN-S-96025 [4] odniesienie BS 594-2 [5] 30/F 3,27 7,66 3,0-7,0 55/F 7,2 0,0 6,0-0 2,92 2,0-4,5 55/C 8,99 2,52 3,0-5,0 dla porównania przywołano stare wymagania dla betonu asfaltowego do warstwy ścieralnej na ruch KR3-6 2 brytyjskie wymagania dla ruchu ciężkiego, tj. > 6000 pojazdów ciężarowych na dobę na pas ruchu Tab. 7. Wyniki oznaczenia stabilności i odkształcenia wg [2] www.autostrady.elamed.pl 63
55/F i 55/C w mieszarce w temperaturze 45 C zauważono zjawisko segregacji składników. Na tym etapie konieczne okazało się skorygowanie recept polegające na uwzględnieniu 0,3% (wag.) dodatku stabilizatora mastyksu (włókna celulozowe). Przekroje próbek Marshalla z wykonanych poszczególnych mieszanek pokazano na fot. -3. Badania mieszanek Pod względem metodyki badań eksperyment nawiązywał do standardów (w tym także historycznych) dotyczących najbardziej rozpowszechnionych w kraju mieszanek AC i SMA. Oznaczenia gęstości objętościowej, zawartości wolnych przestrzeni (tab. 6-7) stabilności i odkształcenia dokonano na próbkach Marshalla ubijanych 2 x 50 razy. Do oznaczenia odporności na działanie wody i mrozu (tylko 55/C) próbki ubijano 2 x 35 razy. Wynik oznaczenia każdej cechy jest średnią arytmetyczną ów uzyskanych dla 6 próbek. W przeciwieństwie do wymogów normy [3] (procedura A) badanie odporności na deformacje trwałe zaplanowano i wykonano zgodnie z procedurą B. Procedura B obowiązuje obecnie dla mieszanek AC i SMA, co pozwala na odniesienie ów do obowiązujących dla nich wymaganych poziomów parametrów PRD AIR i WTS AIR. Obecnie nie stosuje się procedury A dla żadnej z mieszanek mineralno-asfaltowych stosowanych w Polsce, co nie pozwoliłoby na jakąkolwiek interpretację ów. Przebadano po dwie próbki płytowe (305 x 305 x 40 mm) sporządzone z 55/F i 55/C (tab. 8). Temperatura badania wynosiła 60 C. W przypadku 30/F, z uwagi na jej zbliżone do asfaltu lanego właściwości, odstąpiono od zgodnego z procedurą B badania odporności na deformacje trwałe. odporności na działanie wody i mrozu przeprowadzono tylko na mieszance 55/C (tab. 9), ponieważ jako jedyna spełnia wymagania stawiane obecnie innym mieszankom dla ruchu ciężkiego (AC i SMA). Wnioski Podobnie jak betony asfaltowe i inne, tak również wykazują lepsze właściwości po zastosowaniu piasków łamanych zamiast piasków zwykłych. Mieszanki o względnie dużej zawartości grysów (do 55% wag.) wykazują wiele podobieństw do SMA, z kolei te o zawartości grysów do 5 lub 30% (wag.) wykazują podobieństwo do MA (asfaltu lanego). Pierwsze, niewymagające wtłaczania grysów lakierowanych, potencjalnie mogą stanowić alternatywę dla obecnie stosowanych mieszanek mineralno-asfaltowych do warstw ścieralnych, szczególnie dla ruchu ciężkiego. Aby tak się stało, dokument aplikacyjny WT powinien uwzględnić wysoki poziom kategorii w zakresie takich cech jak odporność na deformacje (procedura A) czy sztywność. Jak pokazały i badań, wskazane będzie także stosowanie asfaltów modyfikowanych, a niezbędne stosowanie stabilizatora mastyksu. Mieszanki wymagające uzupełnienia grysami lakierowanymi mogą nie zdobyć dużej popularności przede wszystkim z uwagi na niełatwą technologię ich wytwarzania i układania. Również lakierowanie grysów nie ma w Polsce zbyt długich i rodzaj Odporność na deformacje trwałe [] PRD AIR [%] WTS AIR [mm/000 cykli] 55/F,3 0,2 55/C 2,9 0,03 AC KR3-4 9,0 0,5 AC KR5-6 7,0 0,0 SMA KR3-4 9,0 0,5 SMA KR5-6 7,0 0,5 SMA KR7 7,0 0,0 Tab. 8. Porównanie ów odporności na deformacje trwałe 55/F i 55/C z wymaganiami obowiązującymi dla AC i SMA Odporność na działanie wody i mrozu (ITSR) [%] [0] wymagania 55/C 93 90 wymaganie dotyczące mieszanek AC i SMA do warstw ścieralnych Tab. 9. Odporność na działanie wody i mrozu (ITSR) tradycji i wciąż sprawia technologom sporo problemów. W kontekście pozostałych warstw (wiążąca i podbudow i generalnie w zakresie ruchu lekkiego trudno dostrzec istotne atuty, dzięki którym mogłaby ona zachwiać stabilną pozycją betonu asfaltowego. Mieszanki nie wywołają raczej rewolucji w polskim drogownictwie. Zbyt wcześnie jednak na to, aby kategorycznie stwierdzić, że stanowią ślepą uliczką ewolucji mieszanek mineralno-asfaltowych. Piśmiennictwo. Nicholls J.C.: Asphalt surfacings. New York 2004. 2. Piłat J., Radziszewski P.: Nawierzchnie asfaltowe. Warszawa 200. 3. Standards for Highways Vol.. Specification for Highway Works. Series 0900. Road Pavements bituminous bound materials. 2009. 4. Wymagania Techniczne (WT-2). Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. Część I. Mieszanki mineralno-asfaltowe. GDDKiA, Warszawa 204. 5. BS 594-:992 Hot rolled asphalt for roads and other paved areas. Specification for constituent materials and asphalt mixtures. 6. BS 594987:2007 Asphalt for roads and other paved areas. Specification for transport, laying and compaction and type testing protocols. 7. PN-EN 2697-5 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Część 5: Oznaczanie gęstości. 8. PN-EN 2697-6 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Część 6: Oznaczanie gęstości objętościowej próbek mineralno-asfaltowej. 9. PN-EN 2697-8 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Część 8: Oznaczanie zawartości wolnej przestrzeni. 0. PN-EN 2697-2 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Część 2: Określanie wrażliwości próbek asfaltowych na wodę.. PN-EN 2697-22 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Część 22: Koleinowanie. 2. PN-EN 2697-34 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Część 34: Badania Marshalla. 3. PN-EN 308-4:206 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania. Część 4: Mieszanka. 4. PN-S-96025:2000 Drogi samochodowe i lotniskowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania. 64 Magazyn Autostrady 6/207