INFORMACJA TECHNICZNA rozwijamy2 doskona e technologie
INFORMACJA TECHNICZNA nr 2 o nowych asfaltach drogowych 35/50 i 50/70 produkowanych w Dziale Technologii, Badaƒ i Rozwoju ORLEN Asfalt Sp. z o.o. od 15 marca 2003 r. Od poczàtku 2003 r. w dwóch najwi kszych rafineriach w Polsce produkowane sà asfalty drogowe wg normy europejskiej PN-EN-12591. RównoczeÊnie GDDKiA zaleci a do stosowania na drogach krajowych asfalty wed ug tej normy. W poprzedniej Informacji Technicznej (nr 1) z 16 kwietnia 2003 r. Zak ad Asfaltów PKN ORLEN S.A. przedstawi wst pne wyniki badaƒ nowych asfaltów 35/50 i 50/70. Asfalty te nale à do najpopularniejszych lepiszczy do mieszanek na goràco. W kwietniowych badaniach wykonanych na doêç ma ej próbie asfaltów (z pierwszego miesiàca produkcji) stwierdzono, e w porównaniu do D50 i D70 lepkoêç asfaltów wzros a o oko o 5%, czego konsekwencjà by a nieznaczna zmiana temperatur technologicznych pompowania, otaczania i zag szczania. A zatem nowe asfalty sà twardsze ni dawne D50 i D70 i wymagajà podgrzewania do nieco wy szej temperatury. W niniejszej Informacji przedstawiamy wyniki badaƒ dotyczàcych dzia ania podwy szonej temperatury na mieszank mineralno-asfaltowà z nowymi asfaltami 35/50 i 50/70. Celem badaƒ by o odpowiedzenie na pytanie co si dzieje z asfaltem, kiedy podczas produkcji MMA zostanie przegrzana ponad dopuszczalne w normie granice temperaturowe? Przegrzana mieszanka mineralno-asfaltowa Przegrzanie MMA jest jednym z cz stych b dów produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych. O ile nieznaczne przekroczenie temperatury otaczania kruszywa nie niesie za sobà powa nych skutków dla mieszanki, to ju temperatury o kilkanaêcie stopni wy sze od zalecanych powodujà znaczne zmiany we w aêciwoêciach asfaltu, a przede wszystkim jego przyêpieszone starzenie (tzw. technologiczne). Kluczowymi parametrami wp ywajàcymi na starzenie technologiczne asfaltu sà: temperatura kruszywa, iloêç asfaltu w mieszance, rodzaj mieszanki i czas mieszania w mieszalniku. GruboÊç warstewki asfaltu na ziarnach goràcego kruszywa nie przekracza zwykle 5-15 mikronów. Przy tak cienkiej warstwie asfaltu jest on bardzo wra liwy na dzia anie wysokiej temperatury powodujàcej odparowanie lekkich frakcji oraz utlenianie. Najszybszy proces starzenia asfaltu zachodzi w mieszalniku otaczarki intensywne mieszanie sprawia, e dost p tlenu do asfaltu na kruszywie jest u atwiony. Dlatego ka de znaczne zwi kszenie czasu mieszania mo e mieç wp yw na stopieƒ starzenia asfaltu. PrzyÊpieszone i nadmierne procesy starzenia asfaltu nie wyst pujà podczas transportu asfaltu w cysternach i podczas jego sk adowania w zbiornikach na WMB. Przede wszystkim dlatego, e powierzchnia dost pu tlenu do asfaltu jest bardzo ograniczona (tylko powierzchnia lepiszcza w zbiorniku), czyli asfalt znajduje si w bardzo grubej warstwie. JeÊli nawet asfalt ma wtedy przez jakiê czas wy szà temperatur ni 175 C, to nie grozi to powa nymi nast pstwami. Jak badano? Do badania odpornoêci asfaltu na starzenie technologiczne stosowane sà obecnie dwie metody: metoda odparowania w cienkiej warstwie (TFOT Thin Film Oven Test) lub metoda odparowania w cienkiej wirowanej warstwie (RTFOT Rotated Thin Film Oven Test). Metoda RTFOT jest wskazana w nowej normie asfaltowej (PN-EN-12591: 2002) jako metoda w aêciwa do badania starzenia asfaltów. Starsza metoda TFOT by a stosowana wczeêniej przez wiele lat w polskich (i nie tylko) laboratoriach asfaltowych. Standardem w obydwu metodach badania starzenia jest ta sama temperatura (163 C) a ró ny czas trwania testu (TFOT 5 godz., RTFOT 75 min.). Ró ne jest te traktowanie próbki asfaltu w metodzie TFOT asfalt znajduje si na poziomych talerzach, w RTFOT w obracajàcych si cylindrach, w których warstwa asfaltu ca y czas obmywa Êcianki i poddawana jest nadmuchowi goràcego powietrza. Dost pne wyniki odpornoêci na starzenie to wyniki TFOT lub RTFOT w 163 C. Przy za o eniu, e te warunki testu odpowiadajà poprawnemu traktowaniu MMA otrzymujemy symulacje, co si dzieje z MMA w przypadku braku przegrzania. eby sprawdziç zachowanie asfaltu w znacznie wy szych temperaturach (do 200 C) odpowiadajàcych znacznemu przegrzaniu MMA wykonano test TFOT w temperaturach 163, 175, 190 i 200 C. W ka dej temperaturze test trwa 5 godzin. Ze wzgl dów sprz towych nie uda o si wykonaç badania RTFOT w tak wysokich temperaturach, wykonano jedynie pomiar porównawczy w 163 C. 6
Przyj ta metoda pozwala oceniç, co dzieje si z asfaltem tylko w sposób bardzo przybli ony nie stanowi dok adnego i jednoznacznego odwzorowania procesów starzenia w przegrzanych MMA. Do badaƒ wykorzystano próbki asfaltów: 35/50 o penetracji 45x0,1 mm, PiK=53,7 C, TFraass=-15 C 50/70 o penetracji 65x0,1 mm, PiK=48,1 C, TFraass=-17 C wyprodukowanych w P ocku w kwietniu 2003 r. Przed badaniem starzenia oraz po serii TFOT (4 temperatury) i RTFOT (jedna temperatura) wykonano nast pujàce badania: penetracji w 25 C, temperatury mi knienia met. PiK, temperatury amliwoêci met. A. Fraassa, lepkoêci dynamicznej w 60 C oraz obliczono odpowiednie Indeksy Penetracji i Starzenia. Wyniki badaƒ Na wykresach 1-5 przedstawiono wyniki badaƒ. Rys. 1. Wp yw przegrzania MMA na penetracj asfaltu. Analiza zmian penetracji w 25 C (rys. 1) asfaltów poddanych starzeniu TFOT w wysokich temperaturach pozwala stwierdziç, e do temperatury 175 C konsystencja asfaltu nie zmienia si znaczàco w porównaniu z temperaturà referencyjnà 163 C. Szczególnie dobrze jest to widoczne dla asfaltu 35/50, natomiast wi kszy wp yw podwy szenia temperatury na spadek penetracji widoczny jest dla 50/70. Powy ej temperatury 180 C nast puje doêç szybki spadek penetracji, aby w ok. 200 C osiàgnàç ró nic w stosunku do Êwie ego asfaltu Pen= (45-26) =19x0,1 mm dla asfaltu 35/50. Dla asfaltu 50/70 spadek wyniós Pen= (65-37) =28x0,1 mm. Mo na zatem oszacowaç, e przegrzanie asfaltu powoduje zmian jego penetracji i przejêcie do asfaltu o jeden rodzaj twardszego, tzn. z asfaltu 35/50 otrzymujemy 20/30, a z asfaltu 50/70 35/50. Podobny charakter zale noêci, co w badaniach penetracji, zaobserwowaç mo na w wynikach badaƒ temperatury mi knienia metodà PiK (rys. 2). Tak e tutaj tolerancja na niewielkie przegrzanie jest widoczna w asfalcie 35/50, mniejsza w asfalcie 50/70. Po przekroczeniu temperatury 175-180 C zale noêci TPiK od wzrostu temperatury sà podobne. W porównaniu ze Êwie ym asfaltem, po starzeniu w 200 C temperatura mi knienia PiK dla asfaltu 35/50 wzros a o PiK=9,2 C, a dla asfaltu 50/70 o PiK=9,3 C. 7
Rys. 2. Wp yw przegrzania MMA na temperatur mi knienia asfaltu. Bardzo dobrze widoczny jest wp yw przegrzania asfaltu na temperatur amliwoêci zbadanà metodà A. Fraassa (rys. 3). Uzyskane wyniki pozwalajà stwierdziç, e ta cecha asfaltu jest bardzo wra liwa na przegrzanie i nie ma adnego zakresu tolerancji. Widoczne jest to zarówno dla 35/50 jak i dla 50/70. Rys. 3. Wp yw przegrzania MMA na temperatur amliwoêci asfaltu. 8
Rys. 4. Wp yw przegrzania MMA na Indeks Starzenia asfaltu. W wyniku badania lepkoêci dynamicznej w 60 C dla asfaltów przed i po starzeniu w ró nych temperaturach obliczono Indeksy Starzenia IS (rys. 4) wg wzoru: IS x = --------- [*] η x TFOT η 60 w którym: η 60 lepkoêç dynamiczna asfaltu w 60 C przed starzeniem, η x TFOT lepkoêci dynamiczne asfaltu w 60 C zbadane po starzeniu TFOT w temperaturze X IS x Indeks Starzenia dla temperatury X w jakiej wykonano badanie TFOT Indeks Starzenia jest miarà zmian lepkoêci asfaltu w wyniku starzenia. Standardowo, w badaniach asfaltów otrzymuje si dla starzenia w 163 C wartoêci IS w granicach 1,8-2,5. Nale y zauwa yç, co si dzieje, gdy zostanie podniesiona temperatura starzenia nast puje doêç szybki wzrost lepkoêci, a IS osiàga wartoêci 4,5-5,5 dla temperatury 200 C. To znaczy, e lepkoêç wzros a prawie 5-krotnie w porównaniu do lepkoêci Êwie ego asfaltu. Podobnie jak w wynikach penetracji czy temperatury mi knienia, asfalt 35/50 cechuje si pewnà tolerancjà na przegrzanie do 175-180 C. Uzyskane wyniki pozwoli y na obliczenie Indeksów Penetracji PI (Pen/PiK). Jakkolwiek metoda obliczania PI z temperatury mi knienia jest niezbyt dok adna, zosta a ona wpisana do normy PN-EN- 12591: 2002 (U). Indeks Penetracji jest miarà wra liwoêci termicznej asfaltów. Im wi ksza wartoêç PI, tym asfalt jest mniej wra liwy na zmiany temperatury. Wykres (rys. 5) przedstawia uzyskanà zale noêç PI (T TFOT ). Dla asfaltu 35/50 widoczny jest trend Êwiadczàcy o ma ym wp ywie przegrzania do 190 C zmiany sà niewielkie (przegi cie wykresu w dó mo e byç spowodowane wp ywem dok adnoêci pomiaru Pen i PiK), powy ej 190 C zmiany PI sà ju bardzo znaczne. W przypadku 50/70 nast puje widoczny wzrost PI ju powy ej 163 C, ze znacznym wzrostem powy ej 190 C (tak jak dla 35/50). PI jako parametr obliczany z dwóch innych pomiarów cechuje si doêç du ym b dem, stàd obserwowane niejednoznaczne przebiegi krzywych PI (T TFOT ). 9
Rys. 5. Wp yw przegrzania MMA na Indeks Penetracji asfaltu. Ró nice w wynikach mi dzy TFOT a RTFOT Jak napisano we wst pie, uznaje si, e badanie RTFOT lepiej oddaje proces technologicznego starzenia asfaltu ni TFOT. Niestety, nie by o mo liwe zastosowanie metody RTFOT do temperatur powy ej 163 C (parametry suszarki) i stàd wykorzystano metod TFOT. Niemniej jednak uzyskano wyniki po RTFOT dla temperatury 163 C. Ogólna ocena po porównaniu wszystkich parametrów jest taka, e starzenie RTFOT w ka dym przypadku wykazywa o wi ksze zmiany we w aêciwoêciach asfaltu ni TFOT. Przyk adem tego jest rys. 6 z wykresem penetracji dla asfaltu 35/50 po starzeniu TFOT (4 temperatury) i RTFOT (1 temperatura). Przede wszystkim widoczna jest du a ró nica mi dzy wynikiem po TFOT i RTFOT w 163 C. Ró nice takie sà widoczne w ka dym zbadanym parametrze (tablica 1). Potwierdza si zatem opinia, e badanie RTFOT jest znacznie bardziej agresywne wobec asfaltów. Na rys. 6 przedstawiono prawdopodobnà lini zmian penetracji po badaniu RTFOT. Nie przebiega ona równolegle do linii TFOT poniewa zakres zmian w strukturze asfaltu w wyniku RTFOT jest znacznie wi kszy ju w 163 C (odparowanie lekkich frakcji itd.) i dalej nie jest ju tak du y jak w TFOT. 10
Tablica 1. W aêciwoêç Penetracja w 25 C [0,1 mm] - przed starzeniem - po RTFOT w 163 C - po TFOT w 163 C Temperatura mi knienia PiK [ C] - przed starzeniem - po RTFOT w 163 C - po TFOT w 163 C Temperatura amliwoêci wg Fraassa [ C] - przed starzeniem - po RTFOT w 163 C - po TFOT w 163 C LepkoÊç dynamiczna w 60 C [Pa.s] - przed starzeniem - po RTFOT w 163 C - po TFOT w 163 C Asfalt 35/50 45 28 37 53,7 60,9 57,8-15 -10-12 612 1417 1273 Asfalt 50/70 65 40 50 48,1 54,1 51,6-17 -13-15 245 658 407 T Rys. 6. Porównanie wyników penetracji asfaltu 35/50 po RTFOT i TFOT Od wielu lat znany jest wzór do przybli onego obliczania penetracji asfaltu w nawierzchni (po starzeniu technologicznym na otaczarce). Wed ug wzoru, penetracja odzyskanego asfaltu z nawierzchni równa jest w przybli eniu 65% penetracji asfaltu przed wbudowaniem. Analizujàc wyniki dla TFOT i RTFOT, mo na zauwa yç, e te 65% le y mi dzy wynikami TFOT a RTFOT, bli ej tego ostatniego. 11
Wnioski Mo na oszacowaç, e podane w Informacji Technicznej nr 1 z kwietnia 2003 r. temperatury technologiczne otaczania MMA znajdujà si w bezpiecznym zakresie temperaturowym. Przedstawione w normie PN-S-96025: 2000 temperatury technologiczne (tablica 2) dla asfaltów D50 i D70 mo na przenieêç do stosowania asfaltów 35/50 i 50/70. Górna granica temperaturowa produkcji mieszanki SMA jest uzale niona w normie od rodzaju stabilizatora. W aêciwie rzecz ujmujàc, nale a oby zapisaç dla SMA te same temperatury, jak dla betonu asfaltowego, z zastrze eniem, e wp yw stabilizatora na temperatury technologiczne okreêla Aprobata Techniczna. Temperatury technologiczne [ C] wg PN-S-96025:2000 temperatura asfaltu w zbiorniku roboczym temperatura betonu asfaltowego temperatura SMA D50 145-165 140-170 140-180 D70 140-160 135-165 135-175 Ryzykowne jest przekraczanie temperatury 175-180 C dla wyprodukowanej MMA d ugotrwa e dzia anie temperatur powy ej 175 C powoduje nadmierne starzenie si lepiszcza asfaltowego. Znaczne zwi kszenie czasu mieszania MMA powinno byç traktowane ze szczególnà ostro noêcià. Bardziej odporny na niewielkie przegrzanie MMA jest asfalt 35/50, spowodowane jest to wi kszym stopniem utlenienia asfaltu podczas produkcji. Dzi ki temu asfalt ten zyskuje pewien zakres tolerancji na utlenianie zachodzàce podczas mieszania z goràcym kruszywem. Wyniki porównania TFOT i RTFOT pokazujà, e metoda RTFOT jest metodà bardziej agresywnà wobec asfaltu i w jej wyniku otrzymuje si wi ksze starzenie próbki. Wskazane jest wykonanie badaƒ w aêciwoêci przegrzanych MMA i sprawdzenie wp ywu zbyt wysokiej temperatury produkcji na parametry u ytkowe MMA. Tego typu badania b dà zdecydowanie lepiej pokazywa y wp yw przegrzania MMA ni poêrednie badania asfaltów. Przygotowa : Dyrektor Dzia u Technologii, Badaƒ i Rozwoju, mgr in. Krzysztof B a ejowski, telefon (+48 24) 365 48 60. 12