Krawędzie warstw z mieszanek mineralno-asfaltowych roblem zagęszczania w technologii na gorąco Kształtowanie właściwości fizycznowytrzymałościowych mieszanek mineralno-asfaltowych w technologii na aweł mieczkowski gorąco odbywa się odczas ich zazachodnioomorski gęszczania. Aby roces ten był efekuniwersytet Technologiczny tywny, owinien rzebiegać w odoeurovia Polska S.A., wiednich zakresach temeratury Grua VINCI wbudowywania mma. Odowiadające temu zakresy temeratury są warunkowane lekością leiszcza asfaltowego (2 20 Pa s). Jednorodna lekość asfaltu w warstwie stwarzałaby w tej sytuacji idealne warunki rzebiegu omawianego rocesu. Niestety, gorąca warstwa w obszarach kontaktu z czynnikami obierającymi cieło (krawędzie, owierzchnia dolna i górna) zdecydowanie szybciej odlega wyziębieniu, co komlikuje zagęszczanie i stwarza warunki do owstawania nierawidłowości. Proces zagęszczania in situ (na drodze) jest dwuetaowy. Wstęne zagęszczenie nadaje mieszankom rozkładarka, a dokładnie jej deski rozkładające ołączone z systemem ubijaków. Ubijaki, racujące oscylacyjnie lub ionowo z określoną amlitudą i częstotliwością (zależnie od grubości warstwy i rodzaju mma), ułatwiają rzeływ materiału od łytę dolną deski. Ciężar deski oraz możliwość racy wibracyjnej owinny zaewnić uzyskanie określonego oziomu zagęszczenia. Deski (stoły) rozkładarek są wyosażone w system ogrzewania, ozwalający utrzymać (a nawet odnieść) temeraturę mma, szczególnie w warstwie rzyowierzchniowej. Ta właśnie część warstwy w ierwszej kolejności odlega oziębieniu, szczególnie rzy niesrzyjających warunkach wbudowywania (n. silny wiatr). System ogrzewania orawia zatem efektywność racy stołów oraz jednorodność owierzchniową mieszanki. Zaobiega to również rzyklejaniu się mieszanki do sodniej owierzchni stołu, odczas jego rzesuwania. Utrzymanie na stałym oziomie temeratury wbudowywanej mieszanki mineralno-asfaltowej oraz jednostajna raca rozkładarki ozwalają uzyskać w miarę równomierne zagęszczenie (wstęne) w rzekroju warstwy. Oczywiście, mogą ojawić się zawirowania w wartościach tego arametru, uzależnione od stanu owierzchni, na której rozkładana jest mma. W niekorzystnych warunkach (n. woda w odłożu), uzyskanie wymaganego zagęszczenia w dolnej części wbudowywanej warstwy może okazać się niemożliwe. Szybkie wychłodzenie mieszanki i wzrost lekości leiszcza asfaltowego są w takim rzyadku rzeszkodą, która uniemożliwia osiągnięcie ożądanego celu. Końcowe zagęszczenie mieszanek jest kształtowane orzez walce. O ile w trakcie racy rozkładarki czynniki klimatyczno-ogodowe nie odgrywają aż tak ważnej roli w kształtowaniu struktury mieszanki tam się znajdującej, tak w dalszym etaie ich znaczenie wzrasta (w niektórych rzyadkach jest decydujące). Do nich owinna być dostosowana secyfika racy walców, owiązana oczywiście z ich ilością i rodza Drogownictwo /200 jem oraz grubością i szerokością warstwy, a także rędkością racy rozkładarki. Wływ oszczególnych czynników na rędkość wychładzania mma, a tym samym i czas efektywnego zagęszczenia, zostały dosyć szczegółowo omówione w [ 5]. W ublikacjach tych nie uwzględniono jednak wływu krawędzi warstwy, w obrębie której wymiana cieła odbywa się w dwóch kierunkach. To rzekłada się bezośrednio na szybsze wyziębienie mieszanki w tych obszarach. Skutkiem tego mogą być trudności w osiąganiu wymaganych wskaźników zagęszczenia, a w dalszej kolejności ojawiające się ubytki w nawierzchni (fot. 2). Aby uniknąć tego tyu komlikacji rzebieg tego zjawiska owinien znaleźć swoje odzwierciedlenie w racy maszyn zagęszczających, co ozwali na odowiednie ukształtowanie struktury mma w tych obszarach. Fot.. Zniszczenia nawierzchni asfaltowej rzy krawędzi zewnętrznej: a) skutki owierzchniowego wychłodzenia na krawędzi wbudowywanej mma, b) ubytki nawierzchni w wyniku rzechłodzenia w całym rzekroju warstwy Fot. 2. Zniszczenia nawierzchni asfaltowej w obszarze krawędzi wewnętrznej: a) ubytki owierzchniowe, b) uszkodzenia wgłębne o niewielkiej szerokości 3
Przeływ cieła w warstwie gorącej mma Wbudowywaniu mieszanek mineralno-asfaltowych w technologii na gorąco towarzyszy roces wymiany cieła. W samej warstwie mma dochodzi do jego rzeływu w stanie nieustalonym. Oznacza to, że wartości temeratury w każdym unkcie warstwy różnią się od siebie. Równocześnie zmieniają się w czasie, rzyjmując coraz niższe wartości, dążąc w ostateczności do wyrównania z otoczeniem. Dynamika zmian temeratury jest wynikiem zarówno rzewodności cielnej samej warstwy (definiowanej wsółczynnikiem rzewodzenia cieła λ) jak i zdolnością do odbioru cieła rzez czynniki będące w bezośrednim kontakcie z gorącą mma. Pobór cieła może odbywać się na zasadzie rzewodzenia, romieniowania i konwekcji (zjawiska te mogą zachodzić oddzielnie bądź jednocześnie, n. romieniowanie łącznie z konwekcją). Przez warstwę mma jest rozumiany układ ograniczony dwoma łaszczyznami równoległymi do siebie. Warstwę charakteryzuje stała grubość i wymiar ten jest znacznie mniejszy od dwóch ozostałych, tj. szerokości i długości. Właściwości fizyczne ciała (n. gęstość, gęstość objętościowa, rzewodność cielna, cieło właściwe, zawartość wolnych rzestrzeni it.) w każdym unkcie warstwy w ujęciu makroskoowym są stałe i jednorodne. Jest to ewnego rodzaju uroszczenie. W warunkach rzeczywistych niektóre z wymienionych arametrów zmieniają się w trakcie zagęszczania, wzrastają (gęstość objętościowa, rzewodność cielna) bądź maleją (zawartość wolnych rzestrzeni w mma). Przyjęcie wartości końcowych do obliczeń (o zagęszczaniu warstwy) jest rzyadkiem najbardziej niekorzystnym dla omawianego zagadnienia. Oznacza to, że rzeływ cieła w gorącej mma jest największy, a rzy dużych możliwościach jego odbioru rzez środowisko i szybkość wychładzania dąży do maksimum. Zagadnienie rzeływu cieła w warstwie można odnieść również do rzyadku o wymiarach skończonych (szerokości i długości), ale izolowanych owierzchniach bocznych. To owoduje, że wymiana cieła w obu rzyadkach odbywa się raktycznie rzez owierzchnie oziome (rys. ). Rys.. Formy wymiany cieła w rocesie stygnięcia warstwy gorącej mma rzy rzeływie jednokierunkowym. Oznaczenia schematyczne: rzewodzenie, romieniowanie, konwekcja swobodna, konwekcja wymuszona 4 Wymiana cieła, rzedstawiona na rysunku, w warunkach rzeczywistych (tj. na drodze) dotyczy obszarów w ewnej odległości od krawędzi warstwy. Nie uwzględnia się w niej dodatkowego efektu wychładzania rzez owierzchnie boczne, co zwielokrotnia odbiór cieła rzez środowisko. Dochodzi tam do jego wydatkowania zarówno rzez łaszczyzny oziome, jak i owierzchnię boczną (rys. 2). Dodatkowo, chroowatość krawędzi intensyfikuje zawirowania owietrza, a tym samym zwiększa udział konwekcji wymuszonej w całkowitej wymianie cieła z otoczeniem. Rys. 2. Formy wymiany cieła w rocesie stygnięcia warstwy gorącej mma rzy odbiorze cieła rzez owierzchnie oziome i ionową. Oznaczenia jak na rys. Zjawisko rzewodzenia cieła w stanie nieustalonym oisuje równanie różniczkowe Fouriera []. Jego rozwiązanie oiera się o metodę rozdzielenia zmiennych i oszukiwaniu iloczynu dwóch funkcji: czasu i rzestrzeni. Ostatecznie, dla warunku stygnięcia warstwy (rzy określonych warunkach brzegowych) uzyskuje się równanie () [6 8], ozwalające określić temeraturę w dowolnym jej miejscu w oarciu o liczby odobieństwa Biota (Bi) i Fouriera (Fo). n 2 Fo 2 sin n x n T() x = Toś + = δ δ e cosδn ( T Toś ) = n n sin n cos n s = δ + δ δ m = T + Y ( T T ) () oś oś λ τ Fo = ρ c 2 s m (2) α s Bi = m (3) λ T temeratura w warstwie w chwili τ i w odległości x od łaszczyzny leżącej w osi warstwy, K; T temeratura oczątkowa warstwy w czasie τ = 0, K; T oś temeratura ośrodka, w którym znajduje się ciało, K; α wsółczynnik wnikania cieła do środowiska, W/(m 2 K); s m odległość rostoadła owierzchni ciała od łaszczyzny leżącej w osi ciała, m; x odległość rozatrywanego unktu od łaszczyzny leżącej w osi warstwy, m; λ wsółczynnik rzewodzenia cieła warstwy mma, W/(m K); τ czas od chwili rozoczęcia ruchu cieła, s; ρ gęstość objętościowa w warstwie mma, kg/m 3 ; c cieło właściwe mma, J/(kg K); δ n unkty rzecięcia funkcji Y = ctgδ i funkcji Y 2 = δ/bi. Równanie () może być stosowane do obliczania sadków temeratury w warstwie gorącej mma rzy rzeływie jedno- Drogownictwo /200
kierunkowym cieła, tj. rzez owierzchnię oziomą górną i dolną. Dla obszarów rzykrawędziowych warstwy, w których dochodzi do odbioru cieła również rzez owierzchnię ionową boczną, można skorzystać z zasady Newmana, zgodnie z którą kształt ciała daje się utworzyć z ciał nieskończonych lub ółnieskończnych (rzy zachowaniu warunku ich rostoadłości) [6]. Dla omawianego rzyadku jest to jednak ewne uroszczenie, wynikające z różnych wartości wsółczynnika wnikania cieła α na obu owierzchniach wymiany. Różnice nie są jednak na tyle duże, aby dyskwalifikować metodykę, a uzyskane wyniki obliczeń są zbliżone do wartości uzyskiwanych z omiarów laboratoryjnych. Do obliczenia temeratury teoretycznej w określonym unkcie warstwy w obszarze rzykrawędziowym wykorzystuje się równanie (), rzy czym wartość Y jest iloczynem składowych Y h i Y h2 (4), zgodnie z rysunkiem 3. Y = Y h Y (4) h2 Rys. 3. Schemat wyznaczania arametru Y rzy wychładzaniu obszaru rzykrawędziowego gorącej warstwy mma z uwzględnieniem metody Newmana Stygnięcie gorącej warstwy mma w obszarze jej krawędzi jest wynikiem ochładzania rzez owierzchnie oziome (Y h ) i krawędź ionową (Y h2 ). Odowiada to rocesowi stygnięcia ciała złożonego z dwóch ciał ółnieskończonych. W rzyadku ierwszego ciała arametr s m odowiada grubości wbudowywanej warstwy, natomiast w drugim jest to szerokość warstwy. Ze względu na znacznie większy wymiar w drugim rzyadku, efekt wychładzania od krawędzi warstwy będzie zauważalny tylko w stosunkowo niedużej odległości od niej. Zwiększanie odległości h 2 ogranicza wływ arametru Y h2 na wartość Y (Y h2 ), a oziębianie się warstwy w tych miejscach odbywa się raktycznie rzez owierzchnie oziome. Ma to swoje uzasadnienie fizyczne i odwzorowuje możliwości rzeływu cieła od środka warstwy do jej krawędzi zewnętrznej. W rzyadku Y h2 odległość ta jest na tyle duża, że odbiór cieła rzez środowisko zewnętrzne w żaden sosób nie jest rekomensowany jego rzyływem ze środka warstwy. Omówiona metodyka ozwala wyznaczać sadki temeratury w ochładzanej warstwie mma, znajdującej się w jednorodnym ośrodku. Zdolność oboru cieła rzez środowisko jest jednak różna nie tylko na owierzchniach oziomych, ale i krawędzi bocznej. Zatem wyniki obliczeń temeratury teoretycznej będą obciążone ewnym błędem, ale stanowią dobry ogląd (otwierdzony wynikami omiarów) na straty cieła w oziębianej warstwie z gorącej mma. Pobór cieła rzez środowisko Zdolność środowiska do oboru cieła z gorącej mma łącznie z rzewodnością cielną warstwy decydują o szybkości jej wychładzania. Cieło łynie rzez warstwę od jej środka i rzez owierzchnie oddawane jest do czynników, będących z nią w kontakcie. Rozkład temeratury w warstwie zależy zatem od wartości jej wsółczynnika rzewodzenia i wnikania do środowiska, a dokładnie od stosunku między nimi. Wymiana cieła omiędzy gorącą warstwą mma a środowiskiem ją otaczającym odbywa się orzez rzewodzenie, konwekcję oraz romieniowanie. Przewodzenie Zjawisko rzewodzenia zachodzi w kontakcie z ciałami stałymi, n. dolną warstwą konstrukcyjną, elementami maszyn zagęszczających it. Jest związane z rzekazywaniem energii omiędzy cząsteczkami wewnątrz ośrodka lub z jednego ośrodka do drugiego rzy ich bezośrednim zetknięciu. Poszczególne cząsteczki układu nie mogą wykazywać większych zmian ołożenia [8]. Brak ciągłości ołączenia między ośrodkami owoduje, że w miejscach tych wymiana cieła może rzebiegać na zasadach wnikania bądź rzewodzenia (gaz, ozostający w stanie soczynku, ełni funkcje izolatora). Parametrem oisującym zdolność oboru cieła rzez ciała stałe jest zastęczy wsółczynnik wnikania cieła α z (5). λ z α z = (5) hz λ z wsółczynnik rzewodzenia cieła materiału, W/(m K); h z grubość warstwy obierającej cieło, m. Wartość wsółczynnika rzewodzenia cieła wyznacza się w badaniu laboratoryjnym, w określonych warunkach temeratury i wilgotności (najczęściej dla suchego materiału). Każda ilość wody w takim materiale będzie wływała na zdolność do odbioru cieła, rzede wszystkim ze względu na jej duże cieło właściwe, równe 4,82 kj/(kg K). Należy ten czynnik uwzględniać, szczególnie rzy warstwach niezwiązanych (n. kruszywo o ciągłym uziarnieniu) lub związanych o dużej wolnej rzestrzeni, mogących w okresach o oadach atmosferycznych, zawierać znaczące jej ilości. Wyełnienie orów wodą owoduje wzrost zarówno rzewodności cielnej jak i cieła właściwego warstwy, a tym samym zwiększa wyraźnie jej zdolność do odbioru cieła z wbudowywanej mma. Jest to szczególnie ważne dla warstewki rzyowierzchniowej, będącej w bezośrednim kontakcie z wbudowywaną mieszanką. W tym obszarze może dochodzić do bardzo negatywnego zjawiska (ze względu szybkie oziębienie), a mianowicie do wrzenia i arowania. Procesy związane z wymianą cieła i udziałem wody, odczas wbudowywania mma, zostały omówione w [ 5]. Wnikanie cieła do łynu Cieło z gorącej mma jest rzejmowane rzez łyn (owietrze, woda) w rocesie wnikania (konwekcji ołączonej z rzewodzeniem w cienkiej warstwie rzyowierzchniowej rys. 4) Drogownictwo /200 5
i romieniowania. Skutkuje to obniżaniem się temeratury warstwy, a rędkość z jaką to zjawisko zachodzi zależy od wartości sumarycznego wsółczynnika wnikania cieła, określanego z równania (6). 6 α = α + α + α (6) w α w wsółczynnik wnikania cieła na skutek konwekcji wymuszonej, W/(m 2 K); α s wsółczynnik wnikania cieła na skutek konwekcji swobodnej, W/(m 2 K); α r zastęczy wsółczynnik wnikania cieła rzez romieniowanie, W/(m 2 K). Rys. 4. Wymiana cieła w rocesie wnikania z uwzględnieniem oszczególnych stref: warstewki rzewodzącej cieło i obszarów konwekcji. Oznaczenia: K wymiana cieła rzez konwekcję, P wymiana cieła rzez rzewodzenie W rocesie konwekcji wymianie odlegają całe warstwy czynnika o różnych wartościach temeratury, którego cząstki są w ruchu. W warunkach rzeczywistych dochodzi najczęściej do konwekcji mieszanej [9]. Jest to wynikiem nakładania się konwekcji wymuszonej α w (rędkość masowa rzeływu jest jednoznacznie określona, n. wiatr) oraz konwekcji naturalnej α s (swobodnej), wynikającej z działania siły wyoru, będącej nastęstwem różnicy gęstości, sowodowanej różnicą temeratury w różnych miejscach łynu. W obu rzyadkach drogi oszczególnych cząstek łynu mogą układać się równoległe (ruch uwarstwiony) lub owstawać zawirowania (ruch burzliwy). Wsółczynniki wnikania cieła na skutek konwekcji wymuszonej i swobodnej określa się ze wzoru (7), w oarciu o liczbę Nusselta Nu [6 8]. α w, s s Nu λ = d d wymiar charakterystyczny, n. szerokość warstwy lub jej grubość (odowiednio rzy oznaczaniu oboru cieła z owierzchni warstwy bądź rzez jej krawędź ionową), m; λ wsółczynnik rzewodzenia cieła w łynie, W/(m K). Liczba Nusselta zależy od charakteru rzeływu łynu w warstwie rzyściennej (laminarny lub burzliwy). Charakter rzeływu określa się na odstawie bezwymiarowych liczb charakterystycznych Reynoldsa (Re), Prandtla (Pr) oraz Grasshoffa (Gr), wyrażonych wzorami (8), (9) i (0) [6], [8], [9]. r (7) wγ d Re = (8) η c η Pr = (9) λ 3 2 gβ T d γ Gr = (0) 2 η w których: η dynamiczny wsółczynnik lekości łynu, N s/m 2 ; w rędkość rzeływu łynu w strumieniu niezaburzonym, m/s; γ gęstość łynu, kg/m 3 ; c cieło właściwe łynu rzy stałym ciśnieniu, J/(kg K); g rzysieszenie siły ciężkości, 9,8 m/s 2 ; β wsółczynnik rozszerzalności objętościowej łynu, /K; T różnica, omiędzy temeraturą warstwy (mma) a temeraturą łynu, otoczenia (n. owietrza) T = T S T oś, K. W rzyadku konwekcji wymuszonej ruch łynu bezośrednio nad owierzchnią łaską odbywa się w sosób laminarny w zakresie wartości liczby Re < 8 0 4 5 0 5, natomiast rzy wielkości 5 0 5 0 7 charakter rzeływu jest burzliwy. Liczbę Nusselta dla owierzchni oziomych i ionowych określa się odowiednio ze wzorów () (rzeływ laminarny) i (2) (rzeływ burzliwy) [7 9]. 2 3 Nu = 0,664 Re Pr () 4 5 3 Nu = 0,0366 Re Pr (2) Charakter ruchu rzy konwekcji swobodnej ( unoszenia cieła) określa się na odstawie krytycznej wartości iloczynu liczb Gr i Pr, nazywanych liczbą Reyleigha (Ra). Przy rzeływie laminarnym wartość Ra dla owierzchni łaskiej ionowej owinna mieścić się w zakresie od 5 0 2 do 2 0 7, a rzy owierzchni oziomej od 0 5 do 2 0 7. Średnią wartość liczby Nu dla obu rzyadków, zgodnie z Michiejewem [8], oblicza się ze wzoru (3). Nu 0, 54 ( Gr Pr) 4 = (3) Liczba Ra rzy rzeływie burzliwym łynu w warstwie rzyściennej owierzchni ionowej i oziomej owinna mieścić się w zakresie od 2 0 7 do 0 3. Wielkość wymiany cieła (Nu) określa się ze wzoru (4) [6]. ( Gr Pr) 3 Nu = A (4) A stała, której wartość rzy owierzchni ionowej wynosi 0,35, a rzy owierzchni oziomej 0,4. Straty cieła na skutek romieniowania wynikają z różnicy omiędzy energią zaabsorbowaną z romieniowania słonecznego i wyromieniowaną z gorącej mma. Oisuje to zastęczy wsółczynnik wnikania cieła rzez romieniowanie (5) [6], [7]. Drogownictwo /200
α r = q T = ε I S 4 4 Tmma T ε C0 00 00 T T mma ow (5) I S gęstość strumienia romieniowania słonecznego, W/m 2 ; ε zdolność emisji mieszanki mineralno-asfaltowej; C 0 stała romieniowania ciała doskonale czarnego, C 0 = 5,768 W/(m 2 K 4 ); T mma temeratura owierzchni warstwy mma, K; T temeratura otwartej rzestrzeni, T = 230 K [6], []; T ow temeratura owietrza, K. Temeratura teoretyczna i omierzona rzy krawędziach oziębianej warstwy mma Rys. 5. Krawędź zewnętrzna i wewnętrzna wbudowywanej gorącej warstwy mma (schemat rzyjęty do obliczeń) Miejscami skumulowanego oboru cieła są obszary rzykrawędziowe warstw gorącej mma. Cieło jest tam wydatkowane rzez owierzchnie oziome (górną i dolną) oraz krawędź ionową. Chroowata tekstura owierzchni bocznej warstwy dodatkowo intensyfikuje zawirowania owietrza, a tym samym owiększa straty cieła na skutek konwekcji wymuszonej. W konsekwencji okazuje się, że miejsca te, nawet w rzyadku grubych warstw (owyżej 8 0 cm), owinny być stosunkowo szybko zagęszczane. Prędkość wychładzania się mma jest zróżnicowana w obszarze krawędzi zewnętrznej i wewnętrznej. Przez krawędź zewnętrzną jest rozumiana boczna krawędź rozkładanej mma, narażonej na bezośrednie oddziaływanie warunków atmosferycznych (rys. 5). Krawędź wewnętrzna jest traktowana jako miejsce kontaktu z mma, wbudowaną wcześniej (rozkładanie ołową szerokości jezdni). Dla tych dwóch rzyadków określono rozkład temeratury teoretycznej w warstwie o szerokości 3,5 m i grubości 5 cm oraz 0 cm. Wyniki uzyskano dla dwóch wartości temeratury owietrza 0 C i +20 C, rzy wietrze o rędkości 0 i 0 m/s, stałej wilgotności względnej owietrza φ = 80% oraz temeratury wyjściowej mma równej 35 C. Właściwości fizyczne mma kształtowały się nastęująco: wsółczynnik rzewodzenia cieła λ mma =,300 W/(m K), cieło właściwe c mma = 0,92 kj/(kg K), gęstość strukturalna γ mma = 2,690 Mg/m 3. Identyczne arametry rzyjęto dla warstwy nawierzchni niżej leżącej o grubości 0 cm i temeraturze równej temeraturze owietrza. Sadki temeratury na krawędzi zewnętrznej warstwy oraz w odległości 5, 0 i 5 cm od niej rzedstawiono na rysunkach 6 9, natomiast dla krawędzi wewnętrznej na rysunkach 0. Celem orównania rzedstawiono rów- Rys. 6. Temeratura teoretyczna w obszarze zewnętrznej krawędzi warstwy mma o grubości 5 cm w temeraturze owietrza 0 C i rzy wietrze o rędkości 0 m/s w zależności od czasu: a) na owierzchni krawędzi warstwy, b) w odległości 5 cm od krawędzi, c) w odległości 0 cm od krawędzi, d) w odległości 5 cm od krawędzi, e) w środku rozatrywanej warstwy Rys. 7. Temeratura teoretyczna w obszarze zewnętrznej krawędzi warstwy mma o grubości 0 cm w temeraturze owietrza 0 C i rzy wietrze o rędkości 0 m/s w zależności od czasu: a) e) j.w. Drogownictwo /200 7
Rys. 8. Temeratura teoretyczna w obszarze zewnętrznej krawędzi warstwy mma o grubości 5 cm w temeraturze owietrza 20 C i rzy wietrze o rędkości 0 m/s w zależności od czasu: a) e) j.w. Rys. 9. Temeratura teoretyczna w obszarze zewnętrznej krawędzi warstwy mma o grubości 0 cm w temeraturze owietrza 20 C i rzy wietrze o rędkości 0 m/s w zależności od czasu: a) e) j.w. Rys. 0. Temeratura teoretyczna w obszarze wewnętrznej krawędzi warstwy mma o grubości 0 cm w temeraturze owietrza 20 C i rzy wietrze o rędkości 0 m/s w zależności od czasu: a) e) j.w. Rys.. Temeratura teoretyczna w obszarze wewnętrznej krawędzi warstwy mma o grubości 0 cm w temeraturze owietrza 20 C i rzy wietrze o rędkości 0 m/s w zależności od czasu: a) e) j.w. 8 Drogownictwo /200
Rys. 2. Schemat rozmieszczenia termoar do omiaru temeratury w ochładzanej róbce mma, a) widok z góry róbki, b) rzekrój orzeczny róbki nież rozkład temeratury w środku warstwy mma. Wysokość warstwy liczona jest od jej sodniej owierzchni, tj. od miejsca kontaktu z niższą warstwą konstrukcyjną. W obliczeniach nie uwzględniono oddziaływania wody i elementów stalowych bębnów walców. Zdolność do oboru cieła tych czynników (wyrażona dużymi wartościami wsółczynników wnikania) włynęłyby na jeszcze większe sadki temeratury w miejscach ich kontaktu z owierzchnią gorącej mma, a tym samym i obszarów rzykrawędziowych. Z rzerowadzonych obliczeń wynika, że niezależnie od warunków atmosferycznych i grubości warstwy obszary w obliżu krawędzi zewnętrznych owinny być zagęszczane bezośrednio o rozłożeniu mma. Same owierzchnie boczne (zewnętrzne) stygną rawie natychmiast, raktycznie w każdych warunkach atmosferycznych. Podobną wrażliwością na ochłodzenie charakteryzują się miejsca w odległości do 5 7 cm od tych krawędzi. Tam, nawet rzy srzyjających warunkach atmosferycznych (20 C, bez wiatru) i grubej warstwie (0 cm), temeratura już o 30 s obniża się do granicznej, w której możliwe jest jeszcze rawidłowe rzerowadzenie rocesu zagęszczania (rys. 9). Mniej srzyjające warunki atmosferyczne (rzede wszystkim wiatr i woda) rzesuwają obszar niebezieczny do 0 cm od krawędzi zewnętrznej, nawet w rzyadku grubych warstw (rys. 7). W skrajnych rzyadkach, tj. rzy złych warunkach atmosferycznych i niedużych grubościach, szerokość wychładzanej warstwy może sięgać nawet 5 cm (rys. 8). Większa odległość ogranicza oddziaływanie krawędzi bocznej na straty cieła w wychładzanej warstwie. Na charakter zmian temeratury w rzekroju warstwy w obszarze zewnętrznym wyraźny wływ ma oddziaływanie krawędzi bocznej, szczególnie w krótkim okresie czasu (do 2 min.) i w odległości do 5 7 cm. W dłuższym okresie (o ok. 5 min.) zaznacza się rzewaga owierzchni oziomych (górnej i dolnej), jako czynników odbierających cieło. Jest to wynikiem w ewnym stoniu zahamowania (zmniejszenia) oboru cieła rzez krawędź zewnętrzną (wartości temeratury w tym obszarze warstwy są zbliżone do temeratury otoczenia), a tym samym rzesunięcia siły tego zjawiska w kierunku owierzchni oziomych. W odległości ok. 0 cm od krawędzi bocznej wbudowywanej warstwy charakter zmian temeratury uodabnia się do obserwowanej w środku warstwy, a rzy 5 cm jest już rawie identyczny. Można zatem rzyjąć, że ta odległość (5 cm) jest graniczną, w której zauważalny jest wływ oddziaływań czynników zewnętrznych rzez krawędź boczną. Od strony teoretycznej całkowicie odmiennie wygląda sytuacja w obszarze krawędzi wewnętrznej. Tam raktycznie nie obserwuje się jakichś znaczących różnic w stratach cieła w stosunku do środka warstwy. Zachowany jest zarówno charakter zmian temeratury, jak i szybkość rzebiegu tego zjawiska. Decydują o tym rzyjęte warunki brzegowe do obliczeń. Do odstawowych, mających wływ na uzyskane wyniki, należą równa wysokość obu warstw oraz rzeływ cieła wyłącznie do wcześniej wbudowanej mma. Parametry fizyczno-cielne mieszanki redestynują ją bardziej do gruy izolatorów niż odbiorników cieła (rzede wszystkim ze względu na stosunkowo małą wartość wsółczynnika rzewodzenia cieła), co sowalnia odbiór cieła z gorącej mma. Aby otwierdzić orawność uzyskanych wyników teoretycznych (szczególnie dla rzyadku krawędzi zewnętrznej) rzerowadzono badania w skali laboratoryjnej na róbkach mma o wymiarach 250 mm 250 mm i grubości ok. 50 mm. Parametry fizyczne jednej z róbek odowiadały wartościom rzyjętym do obliczeń teoretycznych. Badania olegały na określeniu sadków temeratury w róbkach mma ogrzanych do 35 C i oddanych oddziaływaniu owietrza o rędkości rzeływu 0 i 0 m/s w temeraturze 0 i 20 C. Wartości temeratury mierzono w odległości 5 i 0 cm od nieizolowanej krawędzi bocznej róbki (rys. 2). Odczyty temeratury rowadzono na owierzchni róbek za omocą irometru, natomiast w środku warstwy, w odległości 5 mm od łaszczyzny oziomej górnej oraz na sodzie warstwy za omocą termometrów termoelektrycznych (wtoione termoary). Aby zminimalizować straty cieła orzez ozostałe trzy krawędzie boczne i łaszczyznę dolną, róbki zostały zabezieczone folią aluminiową, zaizolowane warstwą wełny mineralnej twardej (grubości 5 cm krawędzie boczne, grubości 0 cm łaszczyzna dolna) o wsółczynniku rzewodzenia λ=0,037 W/(m K) oraz folią hydroizolacyjną (żaroodorną) ełniącą funkcję zabezieczenia rzed ewentualnym wnikaniem wilgoci. Tak rzygotowany element badawczy ozwolił określić straty cieła jak dla rzeływu jednokierunkowego z uwzględnieniem strat rzez owierzchnie boczną, tj. w wyniku jego oboru rzez owierzchnię oziomą górną i jedną z nieizolowanych krawędzi. Dla tak rzyjętych założeń róbka laboratoryjna o grubości 5 cm w warunkach rzeczywistych odowiada warstwie grubości 0 cm. Wyniki omiarów zmian temeratury w rzekroju gorącej warstwy mma dla określonych rędkości wiatru i wartości temeratury owietrza rzedstawiono na rysunkach 3 5. Widać z nich, że zaroonowany model teoretyczny ozwala zachować charakter strat cieła oziębianej róbki mma. Drogownictwo /200 9
Rys. 3. Temeratura w warstwie mma o grubości 5 cm w odległości 5 cm (a) i 0 cm (b) od nieizolowanej krawędzi rzy temeraturze owietrza 0 C oraz wietrze o rędkości 0 m/s. Oznaczenia: Tom. T8om. temeratura omierzona w rzekroju warstwy, zgodnie z rys. 4, Tteor. T8- teor. temeratura teoretyczna w rzekroju warstwy, zgodnie z rys. 4 Rys. 4. Temeratura w warstwie mma o grubości 5 cm w odległości 5 cm (a) i 0 cm (b) od nieizolowanej krawędzi rzy temeraturze owietrza 20 C oraz wietrze o rędkości 0 m/s. Oznaczenia j.w. Rys. 5. Temeratura w warstwie mma o grubości 5 cm w odległości 5 cm (a) i 0 cm (b) od nieizolowanej krawędzi rzy temeraturze owietrza 20 C oraz wietrze o rędkości 0 m/s. Oznaczenia j.w. 0 Drogownictwo /200
Szczególnie dobre odwzorowanie osiągnięto rzy omiarach w odległości 0 cm od nieizolowanej krawędzi. W tej odległości (dla rzyjętych warunków oddziaływań zewnętrznych) zanika wływ krawędzi, a decydujące znaczenie zaczyna odgrywać wnikanie cieła do otoczenia rzez owierzchnię oziomą górną. W odległości 5 cm od krawędzi są wyraźniejsze rozbieżności omiędzy temeraturą omierzoną i teoretyczną, a średnia wartość różnicy omiędzy uzyskanymi wynikami wynosi ok. 7,5 C. Przy odległości 0 cm różnica ta wynosi już tylko 4 C. Zmiany temeratury w róbce mma w odległości 5 cm są wynikiem wnikania cieła do środowiska zarówno rzez krawędź ionową jak oziomą. Większe niedoasowanie uzyskanych wyników z omiarów do modelu jest efektem wrowadzonych uroszczeń, a mianowicie: zróżnicowaniami w wartościach wsółczynników wnikania cieła na obu owierzchniach oraz stoieniem turbulencji, rzede wszystkim rzy wymuszonym rzeływie owietrza (kierunkiem rzeływu owietrza oraz uśrednieniem liczby Re). Podsumowanie i wnioski Jednym z częstych uszkodzeń wierzchnich warstw nawierzchni asfaltowych są ubytki w obszarze ich krawędzi zewnętrznych lub szwa wewnętrznego. Może być to sowodowane złymi warunkami atmosferycznymi lub stanem odłoża odczas rowadzenia robót, zbyt óźnym najazdem walców lub brakiem ooru rzy krawędzi jezdni na drogach zamiejskich (rozsuwanie się mma od działaniem walca). Zawyżona wolna rzestrzeń w mma w ołączeniu z oddziaływaniem ruchu oraz warunkami atmosferycznymi dorowadzają do naruszenia struktury mieszanki i ostęującej destrukcji warstwy. Częstym rzyadkiem braku zagęszczenia w obszarze krawędzi zewnętrznych jest zbytnie wyziębienie mma. Wysoka lekość leiszcza (mastyksu) uniemożliwia odowiednie rzerowadzenie tego rocesu, co skutkuje niską gęstością objętościową mieszanki, a tym samym zaniżoną wytrzymałością. Znalazło to swoje otwierdzenie w rzerowadzonych obliczeniach z wykorzystaniem zaroonowanego modelu oraz badaniach laboratoryjnych. Oczywiście, sytuację tą mogą ogłębić niesrzyjające warunki atmosferycz- ne, rzysieszające wyziębianie się mma. W skrajnych rzyadkach mogą one dorowadzić do braku sójności wbudowywanej mieszanki, skutkiem czego może dochodzić do odłamań, wykruszeń całych fragmentów nawierzchni (fot. b). W takich rzyadkach trudno mówić o jakichś środkach zaradczych, orawiających arametry mma. Jedynym rozwiązaniem, dorowadzającym nawierzchnie w tym obszarze do stanu używalności, byłoby rzerowadzenie remixingu na miejscu (z ewentualnym odświeżeniem leiszcza) z rawidłowym zagęszczeniem mma. Skutki gorszego zagęszczenia w stosunku do wymaganego (rzędu 95%) można byłoby minimalizować w ostaci dokładnego zabezieczenia krawędzi warstwy (owierzchni ionowej i oziomej) rzed wnikaniem wody. Pożądanym materiałem w tym rzyadku mógłby być rozrowadzony (w wysokiej temeraturze) w cienkiej warstewce miękki asfalt (n. 00/50) lub asfalt ułynniony. Wrowadzenie emulsji mogłoby dorowadzić do niekorzystnego zjawiska kumulowania wody (z rozadu emulsji) w orach mieszanki mineralno-asfaltowej, szczególnie gdyby race te rowadzone byłyby w okresie óźnej jesieni. Analizując straty cieła w obszarze krawędzi wewnętrznych można byłoby dojść do wniosku, że uzyskanie odowiedniego oziomu zagęszczenia tych miejsc nie owinno nastręczać trudności. Realia są jednak inne. Miejsca ołączeń w obrębie szwa odłużnego bardzo często odlegają uszkodzeniom, otwarciom. Można w tym rzyadku wyróżnić trzy formy zniszczeń (rys. 6). Pierwsze (rys. 6.a) jest skutkiem wyziębienia wierzchniej warstewki wbudowywanej mma. W obliczeniach strat cieła dla krawędzi wewnętrznej rzyjęto założenie, że warstwy mają jednakową wysokość. Oznacza to, że rzeływ cieła w tym obszarze odbywał się raktycznie z jednej mieszanki do drugiej. Ze względu na wsółczynnik rzewodzenia cieła zjawisko to nie było zbyt intensywne. Inaczej sytuacja wygląda w warunkach rzeczywistych. Wysokość warstwy wbudowywanej mieszanki jest wyższa w stosunku do istniejącej o ok. 20 25%. Oznacza to dla warstwy o wysokości 4 5 cm, że około,0,2 cm części rzyowierzchniowej jest narażone na znacznie bardziej intensywny obór cieła (wsółczynnik wnikania odobny jak rzy krawędziach zewnętrznych rzy cieńszej warstwie) (rys. 7). W konsekwencji warstewka grubości ok.,0 cm może w bardzo krótkim czasie ulec wychło- Rys. 6. Zniszczenia owstające w obszarze szwu wewnętrznego nawierzchni asfaltowej na skutek braku zagęszczania (jako nastęstwo zbyt szybkiego wyziębienia wbudowywanej mma): a) uszkodzenie owierzchniowe, b) uszkodzenie wgłębne o małej szerokości, c) uszkodzenie wgłębne o dużej szerokości Drogownictwo /200
Rys. 7. Rzeczywiste ołączenie warstwy gorącej i zimnej mma z uwzględnieniem dodatkowego wychładzania w obszarze rzewyższenia w wyniku udziału konwekcji w wymianie cieła dzeniu, czego efektem może być zawyżona wolna rzestrzeń. Skutek ojawiające się stosunkowo szybko uszkodzenia owierzchniowe na głębokość ok. cm i szerokość ok. 5,0 5 cm (w zależności od warunków atmosferycznych). Najrostszą formą zabezieczenia (nie dającą jednak ełnej gwarancji) jest rzesmarowanie otwartej mma gorącym asfaltem lub asfaltem ułynnionym w cienkiej warstwie z osyaniem iaskiem lub mieszanką drobną granulowaną (zaobieganie rzyklejaniu się do kół ojazdów). Czynność tą należy wykonać bezośrednio o stwierdzeniu zwiększonej orowatości masy (jeszcze rzed wystąieniem ierwszych ubytków nawierzchni). Drugi z rzyadków (rys. 6.b) jest najczęściej wynikiem zawilgocenia krawędzi bocznej warstwy. Nawet niewielkie ilości zawartej tam wody rowadzą do natychmiastowego wyziębienia gorącej mma, a tym samym uniemożliwiają ołączenie warstw. Nastęstwem tego jest gromadzenie się w dalszym okresie eksloatacji wody w obszarze szwa oraz dostę owietrza i romieni słonecznych. Konsekwencją uszkodzenia wywołane działaniem n. mrozu czy starzeniem, w wyniku kontaktu leiszcza z tlenem z owietrza i romieniowania UV. Przyadek ten na etaie wykonawstwa można eliminować orzez zastosowanie romienników odczerwieni (rzytwierdzonych do rozkładarki), ozwalających na odarowanie wody z warstewki rzyowierzchniowej już wbudowanej mma. Należy również eliminować nierawidłowe zachowania się wykonawców, związane m.in. ze smarowaniem emulsją asfaltową krawędzi istniejącej warstwy bezośrednio rzed wbudowywaniem kolejnej (wrowadza się wodę w obszar krawędzi warstwy). Formą narawy w tym rzyadku jest nacięcie szwa iłą na ełną grubość warstwy i szerokość ok. 2 cm, dokładne oczyszczenie krawędzi i wyełnienie owstałej ustki zalewą asfaltową (z doełnieniem), a nastęnie zasyanie iaskiem lub mieszanką drobną granulowaną. Ostatnie z uszkodzeń (rys. 6.c) jest wynikiem nałożenia się wielu czynników, negatywnie oddziaływujących na roces wbudowywania mma. Można tu wyróżnić niesrzyjające warunki atmosferyczne (silny wiatr, niska temeratura, duża wilgotność owietrza), zawilgocone odłoże i krawędź boczna istniejącej warstwy oraz nieodowiednio rowadzony roces zagęszczania (zbyt óźny najazd walców). Wyziębienie w tym obszarze mma uniemożliwia osiągnięcie odowiednich arametrów fizyczno-wytrzymałościowych, co rzekłada się na jej odatność do zniszczeń. W wielu rzyadkach dochodzi jeszcze czas oddania nawierzchni do eksloatacji, który rzyada często na okres zimowy (rocesy zamarzania, odmarzania, zasolenie it.). Narawę takich uszkodzeń można rzerowadzić w technologii miejscowego remixingu (szerokości 5 25 cm) z uzuełnieniem mieszanką. W rzyadku braku takich możliwości (wąskie asy ruchu bez utwardzonego obocza, ruch o dużym natężeniu ze znaczną ilością ojazdów ciężarowych i niemożliwością zamknięcia remontowanego odcinka) owstałe uszkodzenia można wyełniać mieszanką grysowo-emulsyjną, wykorzystując tzw. atchery. Osłabione krawędzie należy usunąć, a nastęnie całość dokładnie oczyścić. Do wyełnienia należy wykorzystywać wysokiej jakości grysy (kl. I) w ołączeniu z emulsją modyfikowaną (najleiej na bazie leiszcza 50/70 lub 70/00). Po wykonaniu tych czynności wyełnienie należy rzesmarować gorącym asfaltem lub asfaltem ułynnionym (w cienkiej warstwie) i zasyać iaskiem lub mieszanką drobną granulowaną. Ma to na celu zamknięcie owierzchniowe narawianego fragmentu nawierzchni i jej zabezieczenie rzed wnikaniem wody. Podsumowując, rzedstawiona owyżej analiza rzeływu cieła w obszarach rzykrawędziowych, oarta badaniami w skali laboratoryjnej, owinna uświadomić wykonawców na temat istniejących tam zagrożeń. Prawie natychmiastowe wrowadzanie maszyn zagęszczających na wrażliwe fragmenty nawierzchni umożliwia rawidłowe rzerowadzenie rocesu wbudowania mma rzy założeniu, że warunki atmosferyczne i stan odłoża odczas rowadzenia robót są odowiednie. Pozwoli to w konsekwencji uniknąć bardzo często widocznych na naszych drogach ubytków nawierzchni w miejscach szwów odłużnych i krawędzi bocznych warstw z mma. Bibliografia [] Mieczkowski P.: The heat balance In the rocess of comacting of hot ashalt mineral mixtures using steel rollers. Archives of civil engineering, LII,, 2006, s. 5-75 [2] Mieczkowski P.: Wymiana cieła w rocesie zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych walcami stalowymi. Drogownictwo nr 3/2003, s. 82-85 [3] Mieczkowski P.: Zagęszczanie mieszanek mineralno-asfaltowych w grubych warstwach korzyści i roblemy. Drogownictwo, nr /2007 [4] Mieczkowski P.: Zagęszczanie mma w cienkich warstwach. Uwarunkowania cielne. Magazyn Autostrady, 2006, nr 0, s. 94-04 [5] Stefańczyk B., Mieczkowski P.: Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wykonawstwo i badania. WKiŁ, Warszawa 2008 [6] Hobler T.: Inżynieria chemiczna. Ruch cieła i wymienniki. WNT, Warszawa 97 [7] Wiśniewski S.: Wymiana cieła. PWN, Warszawa 988 [8] Staniszewski S.: Wymiana cieła. Podstawy teoretyczne. PWN, Warszawa 979 [9] Petela R.: Przeływ cieła. PWN, Warszawa 983 [0] Daniels K.: Sonnenenergie in Theorie und Praxis. VDI Verlag, Düsseldorf 976 [] Kostkowski E.: Promieniowanie cielne. PWN, Warszawa 993 2 Drogownictwo /200