Zastosowanie klinoptilolitu do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych Mgr inż. Agnieszka Woszuk Dr hab. inż. Wojciech Franus Prof. PL
Podział technologii produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych mma na gorąco temp. produkcji 190-150 C (Hot Mix Asphalt), mma na ciepło temp. produkcji 100-140 C (Warm Mix Asphalt), mma na półciepło temp. produkcji 60 100 C (Half- Warm Mix Asphalt), mma na zimno temp. produkcji 0 40 C (cold mixes). Rys. Klasyfikacja mieszanek mineralno asfaltowych według temperatur i przybliżone zużycie paliwa 1) 1) [Judycki J. Badania mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze otaczania, projekt badawczy dla GDDKiA, 2011]
Korzyści stosowania WMA Korzyści stosowania WMA Środowiskowe Ekonomiczne Technologiczne Zmniejszenie emisji wyziewów i aerozoli Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych Poprawa komfortu pracy Większe wykorzystanie materiałów z recyklingu Zmniejszenie zużycia energii Mniejsze zużycie podzespołów w zakładzie produkcji Kary za przekroczenie norm emisji związków niebezpiecznych Lepsza urabialność mieszanki Wydłużenie drogi i czasu transportu gotowej mieszanki Wydłużenie sezonu robót drogowych Szybsze oddanie nawierzchni do ruchu Spowolnienie procesu starzenia asfaltu
Korzyści środowiskowe Emisja wyziewów i aerozoli 3) [mg/m3] 90.4 142 ºC 168 ºC 350.7 0 100 200 300 400 3) Barthel, W., Warm Mix Asphalt by Adding a Synthetic Zeolite, Proceedings of the Third Eurasphalt and Eurobitume Conference, 2004
Korzyści środowiskowe 150 C 120 C Wbudowywanie HMA i WMA
Korzyści ekonomiczne Temperatura produkcji 30 C Zużycie energii 9 kwh/ tonę MMA Energia do produkcji WMA 60% 80% Energii do produkcji HMA Koszty zastosowania mma na ciepło w różnych technologiach 5) Technologia WMA WAM-Foam Aspha-Min Koszt modyfikacji wytwórni lub instalacji Licencja $30 000- $70 000 $0-$40 000 $15.000 w pierwszym roku $5000/wytwównię/rocznie brak $0,30/tonę mma Koszt materiałów brak $ 1,30/kg 5) Rubio MC., Martínez G., Baena L., Moreno F.; Warm mix asphalt: an overview; Journal of Cleaner Production; 2012; 24, s.76 84.
Aspha-Min Zeolit syntetyczny zawierający około 21 % wody wydzielanej w temperaturach 85-182 C Po dodaniu do MMA woda zeolitowa paruje spieniając asfalt, co umożliwia otoczenie ziaren kruszywa w niższych temperaturach Dozowanie -0,3% w stosunku do masy MMA W recepcie mma zeolit zastępuje wypełniacz 2013-10-30
Wyniki badań klinoptylolit Parametry teksturalne kinoptilolitu oraz mączki wapiennej. Materiał S BET m 2 /g V mic cm 3 /g S mic m 2 /g V mes cm 3 /g S mes m 2 /g D p nm Klinoptilolit 18,3 0,0051 10,65 0,046 7,68 10,0 Mączka wapienna 1,91 0,000019 1,95 0,0075 1,65 18,3 gdzie: S BET powierzchnia właściwa, V mic /V mes objętość mikroporów/ objetość mezoporów, S mic /S mes powierzchnia mikroporów/powierzchnia mezoporów, D p średni promień porów
% Wyniki badań klinoptylolit Rozkład wielkości cząstek mączki wapiennej i klinoptilolitu 60 50 40 30 20 10 Klinoptilolit Mączka wapienna 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 µm
Wyniki badań klinoptylolit Podstawowe właściwości fizyczne mączki wapiennej i klinoptilolitu Materiał gęstość [ g/cm³] nasiąkliwość [%] wilgotność [%] mączka wapienna 2,618 22 0,36 klinoptilolit 2,135 50 4,4 klinoptilolit mączka wapienna
Metodyka badań wpływ klinoptilolitu na lepkość asfaltu Lepkość dynamiczna: badanie w aparacie Brookfielda na podstawie normy ASTM D 4402 Standard Test Method for Viscosity Determination of Asphalt at Elevated Temperatures Using a Rotational Viscometer temperatury badania: 60 C, 90 C, 135 C, 160 C czas od momentu wymieszania asfaltu z zeolitem do wykonania badania był stały i wynosił 30 minut nasycenie klinoptilolitu wodą wynosiło 25% wody wagowo w stosunku do masy suchego materiału, dodatek zeolitu w stosunku do masy lepiszcza 5%.
Wyniki badań wpływ klinoptilolitu na lepkość asfaltu Klinoptilolit nas. 800.333 Klinoptilolit 846.167 35/50 716.833 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Lepkość dynamiczna w 60 C [Pa s]
Wyniki badań wpływ klinoptilolitu na lepkość asfaltu Klinoptilolit nas. 20.659 Klinoptilolit 26.439 35/50 21.006 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 Lepkość dynamiczna w 90 C [Pa s]
Wyniki badań wpływ klinoptilolitu na lepkość asfaltu Klinoptilolit nas. 0.781 Klinoptilolit 0.949 35/50 0.844 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 Lepkość dynamiczna w 135 C [Pa s]
Wyniki badań wpływ klinoptilolitu na lepkość asfaltu Klinoptilolit nas. 0.266 Klinoptilolit 0.265 35/50 0.272 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 Lepkość dynamiczna w 160 C [Pa s]
Wyniki badań wpływ klinoptilolitu na właściwości asfaltu Właściwości asfaltu penetracja [mm] temperatura mięknienia [ C] indeks penetracji PI [-] 35/50 36,5 55,80-0,56 35/50+5% klinoptilolit nasączony 36 55,20-0,72 35/50+5% klinoptilolit 36 56,60-0,42
Wyniki badań wpływ klinoptilolitu na właściwości asfaltu klinoptilolit nas. 8.2 mączka wapienna+20% klinoptilolit 10.6 mączka wapienna+10% klinoptilolit 10.4 klinoptilolit 15 mączka wapienna 9 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Przyrost temperatury mięknienia [ C] Wykonano zgodnie z normą PN-EN 13179-1 Badania kruszyw wypełniających stosowanych do mieszanek bitumicznych - Część 1: Badanie metodą pierścienia delta i kuli
Wyniki badań - zeolity Warstwa wiążąca z betonu asfaltowego, KR 3-6 (AC 16 W) Nazwa składnika mieszanki Udział w mieszance [%] MM MMA wypełniacz dodany 4 3,8 zeolit* Wapień 0/4 34 32,4 Granodioryt 4/8 24 22,9 dolomit 8/12 18 17,2 Granodioryt 11/16 20 19,1 Asfalt 35/50 4,6 Zeolit od 0,2 do 1,0
0.063 0.125 0.25 0.5 1 2 4 5.6 8 11.2 16 22.4 31.5 Przechodzi przez sito [%] Wyniki badań recepta MMA Wykres krzywej uziarnienia mieszanki mineralnej 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Wymiar oczek [mm]
Wyniki badań - zeolity Teoretyczna ilość dozowanego zeolitu na podstawie zwartości wody i optymalnej jej ilości potrzebnej do spienienia asfaltu Rodzaj zeolitu Klinoptylolit Nasączony [%] Klinoptylolit [%] Wilgotność 30 10 Dodatek 0,40 1,20 Zawartość zeolitu w stosunku do asfaltu 8,70 26,09 Zawartość wody w stosunku do asfaltu 2,61 2,61
Wyniki badań zagęszczalność w prasie żyratorowej, metodyka PN-EN- 12697-31 Mieszanki mineralno-asfaltowe Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco Próbki zagęszczane w prasie żyratorowej średnica formy 100 mm, wysokość próbki 100 mm termostatowanie MMA przed badaniem - 30-45 minut, kąt wychylenia - 1,250, nacisk pionowy 600 kpa, szybkość obracania osi podłużnej 30 obrotów/minutę, liczba obrotów 100 temperatura zagęszczania -160 C, 145 C, 130 C.
Wolna przestrzeń V m [%] Wyniki badań zagęszczalność w prasie żyratorowej, wyniki 13.0 AC 16 W z dodatkiem zeolitu naturalnego klinoptilolitu 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 160 C 145 C 130 C 5.0 referencyjna klinoptilolit 0,25% klinoptilolit 0,5% klinoptilolit 0,75% klinoptilolit 1,0%
Wolna przestrzeń V m [%] Wyniki badań zagęszczalność w prasie żyratorowej, wyniki AC 16 W z dodatkiem nasączonego zeolitu naturalnego klinoptilolitu 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 160 C 145 C 130 C 5.0 referencyjna klinoptilolit 0,20% klinoptilolit 0,4% klinoptilolit 0,6% klinoptilolit 0,8%
Wolna przestrzeń V m [%] Wyniki badań zagęszczalność w prasie żyratorowej, wyniki 13.0 Gęstość objętościowa w zależności od temperatury zagęszczania 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 160 C 145 C 130 C 6.0 5.0 Referencyjna Klinoptilolit 1,0% Klinoptilolit nas. 0,4%
Wyniki badań zagęszczalność w ubijaku Marshalla, metodyka PN-EN 12697-30, Mieszanki mineralno-asfaltowe na gorąco. Metody badań. Zagęszczanie próbek ubijakiem, Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych, Wymagania techniczne WT2 2010, D=101,6 mm, H=63,5 mm, liczba ubić na stronę 75, termostatowanie MMA przed badaniem - 30-45 minut, temperatura zagęszczania 145 C, 130 C, 115 C.
Wolna przestrzeń Vm [%] Wyniki badań zagęszczalność ubijaku Marshalla, wyniki 8.0 Wolna przestrzeń V m [%] 7.0 6.0 5.0 4.6 5.1 6.4 4.9 5.5 4.3 4.2 5.3 5.9 4.0 Zagęszczanie 145 ºC 3.0 Zagęszczanie 130 ºC Zagęszczanie 115 ºC 2.0 1.0 0.0 referencyjna klinoptilolit 1,0 % klinoptilolit nas. 0,4 %
Wyniki badań odporność na działanie wody, metodyka PN-EN 12697-12 Mieszanki mineralno-asfaltowe - Metody badania mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco - Część 12: Określanie wrażliwości próbek asfaltowych na wodę Załącznik nr 1 Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych, Wymagania techniczne WT2 2010 D=101,6 mm, H=63,5 mm, liczba ubić na stronę 35 termostatowanie MMA przed badaniem - 30-45 minut, temperatura zagęszczania 145 C, 130 C, 115 C. temperatura badania 25 C Procedura kondycjonowania próbek z cyklem zamrażania składała sie z trzech etapów: próżniowego nasycania próbek wodą (temp. 20 C, ciśnienie 6,7 kpa, czas - 30 min) poddania próbek przedłużonemu oddziaływaniu wody w podwyższonej temperaturze (temp. 40 C, czas - 68 godz.) poddania próbek 1 cyklowi zamrożenia (temp.-18 C, czas - 16 godz.) odmrożenia (temp. 60 C, czas - 24 godz.).
ITSR [%] Wyniki badań odporność na działanie wody i mrozu, wyniki Odporność na działanie wody i mrozu próbek MMA z dodatkiem klinoptilolitu 110% 100% 90% 80% 92% 89% 94% 87% 87% 85% 86% 89% 81% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% referencyjna klinoptylolit 1,0 % klinoptylolit nas. 0,4 % Zagęszczanie 145 0C Zagęszczanie 130 0C Zagęszczanie 115 0C
ITS [Mpa] Wyniki badań odporność na działanie wody i mrozu, wyniki Wytrzymałość próbek MMA z dodatkiem klinoptilolitu w temperaturze badania 25ºC 1.200 1.000 0.928 0.855 0.830 1.008 0.990 0.917 0.941 0.901 0.875 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000 referencyjna klinoptylolit 1,0 % klinoptylolit nas. 0,4 % Zagęszczanie 145 0C Zagęszczanie 130 0C Zagęszczanie 115 0C
ITS [Mpa] Wyniki badań odporność na działanie wody i mrozu, wyniki Wytrzymałość próbek MMA z dodatkiem klinoplylolitu w temperaturze badania 25ºC, po 1 cyklu mrozoodporności 1.000 0.951 0.900 0.800 0.700 0.856 0.760 0.721 0.861 0.781 0.813 0.802 0.713 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 referencyjna klinoptylolit 1,0 % klinoptylolit nas. 0,4 % Zagęszczanie 145 0C Zagęszczanie 130 0C Zagęszczanie 115 0C
Wyniki badań odporność na działanie wody, metodyka PN EN 12697-26 Mieszanki mineralno- asfaltowe - Metody badań mieszanek na gorąco Sztywność. przygotowanie próbek 75 uderzeń na stronę w ubijaku Marshalla termostatowanie MMA przed badaniem - 30-45 minut, temperatura zagęszczania 145 C, 130 C, 115 C, temperatura badania 23 C, 10 C, -2 C test wykonywany przy kontrolowanym naprężeniu poziomym 250 kpa w czasie 0,124 s, długości cyklu 3 s
Moduł sprężystości [MPa] Wyniki badań moduł sprężystości w aparacie NAT 7000 Moduł sprężystości w temeraturze 23ºC 6000 5000 4987 4599 4317 5886 5522 4954 5206 4714 4423 4000 3000 2000 Zagęszczanie 145 ºC Zagęszczanie 130 ºC Zagęszczanie 115 ºC 1000 0 referencyjna klinoptylolit 1,0 % klinoptylolit nas. 0,4 %
Moduł sprężystości [MPa] Wyniki badań moduł sprężystości w aparacie NAT Moduł sprężystości w temeraturze 10ºC 14000 12000 10000 11348 11167 10052 12425 12277 11675 10866 10657 9984 8000 6000 4000 Zagęszczanie 145 ºC Zagęszczanie 130 ºC Zagęszczanie 115 ºC 2000 0 referencyjna klinoptylolit 1,0 % klinoptylolit nas. 0,4 %
Moduł sprężystości [MPa] Wyniki badań moduł sprężystości w aparacie NAT 21000 18000 Moduł sprężystości w temperaturze -2ºC 21479 20772 19806 19004 19221 17762 17892 17489 17133 15000 12000 9000 6000 Zagęszczanie 145 ºC Zagęszczanie 130 ºC Zagęszczanie 115 ºC 3000 0 referencyjna klinoptylolit 1,0 % klinoptylolit nas. 0,4 %
Wnioski Możliwe jest obniżenie temperatury zagęszczania MMA poprzez zastosowanie klinoptilolitu. Materiał zeolitowy różni się znacząco od mączki wapiennej, zarówno pod względem uziarnienia, składu chemicznego, jak i parametrów tekstualnych. Zeolit posiadają dużą powierzchnię właściwą i są materiałem porowatym. Na podstawie badań penetracji i temperatury mięknienia można stwierdzić, że 5% dodatek zeolitu w stosunku do masy asfaltu nie wpływa negatywnie na wrażliwość termiczną asfaltu. Badanie przyrostu temperatury mięknienia wskazuje, że klinoptilolit powoduje większe usztywnienie zaczynu asfaltowego niż mączka wapienna. Nasączanie zeolitu wodą wpływa pozytywnie na lepkość asfaltu, co powinno skutkować większymi możliwościami obniżenia temperatur technologicznych mieszanek mineralno-asfaltowych. Na podstawie badań zagęszczalności w prasie żyratorowej optymalna ilość dodatku klinoptilolitu wynosi 1% a klipotilolitu nasączonego wodą 0,4%.
Dziękuję za uwagę