Poprawa właściwości użytkowych warstw nawierzchni dzięki zastosowaniu asfaltów wysokomodyfikowanych dr inż. Krzysztof Błażejowski Dyrektor ds. Badań i Rozwoju ORLEN Asfalt sp. z o.o. Akademia dobrych praktyk w sektorze promocja innowacji. Inżynieria wartości w praktyce III 20.10.2017, Wrocław ORLEN. NAPĘDZAMY PRZYSZŁOŚĆ
Agenda Grupa ORLEN Grupa Kapitałowa ORLEN Asfalt Oferta Grupy Kapitałowej ORLEN Asfalt Wprowadzenie Case study ORBITON HiMA definiowanie problemu pierwsza i druga próba osiągnięcie nowego rozwiązania efekty Podsumowanie 2
Grupa ORLEN PKN ORLEN wraz ze spółkami tworzącymi Grupę ORLEN jest międzynarodowym koncernem paliwowo-energetycznym, największą firmą w Europie Środkowo-Wschodniej oraz jedyną polską spółką notowaną w prestiżowym rankingu największych firm świata Fortune 500. Koncern dysponuje nowoczesnymi, zintegrowanymi aktywami zdolnymi do przerobu ponad 30 mln ton różnych gatunków ropy rocznie, a sprzedaż detaliczna prowadzona jest z wykorzystaniem największej w regionie Europy Środkowo- Wschodniej sieci ponad 2700 nowoczesnych i stacji paliw. Oferta Grupy ORLEN to ponad 50 najwyższej jakości produktów petrochemicznych i rafineryjnych sprzedawanych w ponad 80 krajach. W 2016 roku Koncern osiągnął najwyższą kapitalizację na Giełdzie Papierów Wartościowych i nieprzerwanie od kilku lat uznawany jest za najcenniejszą markę w Polsce, wycenianą na poziomie 3,9 mld zł. PKN ORLEN jest także jedyną w regionie firmą, która otrzymała już czwarty razy z rzędu prestiżowy tytuł The Most Ethical Company, przyznawany przez amerykański Ethisphere Institute. Źródło: Raport Roczny 2016 3
Grupa Kapitałowa ORLEN Asfalt CZOŁOWY DOSTAWCA ASFALTÓW NA RYNKU POLSKIM ORLEN Asfalt Sp. z o.o. należy do Grupy Kapitałowej ORLEN i jest jednym z największych w Polsce dostawców lepiszcza asfaltowego wykorzystywanego do produkcji nawierzchni drogowych. Całościowy pakiet udziałów w spółce należy do PKN ORLEN S.A. CAŁKOWITE MOCE PRODUKCYJNE 1,5 mln ton Rejestracja spółki ORLEN Asfalt 2013 JEDEN Z WIODĄCYCH DOSTAWCÓW ASFALTÓW W EUROPIE ŚRODKOWO- WSCHODNIEJ ROK 2015 REKORD SPRZEDAŻY 1,25 MLN TON Konsolidacja segmentu asfaltowego w grupie kapitałowej ORLEN rejestracja spółki ORLEN Asfalt Česká republika 2012 sprzedając swoje produkty do 31 krajów na świecie (19 w Europie) Rejestracja oddziału spółki w Rumunii, uruchomienie terminala w miejscowości Floresti 2013-2014 LIDER TECHNOLOGII I INNOWAWCJI Wprowadzenie na rynek asfaltów wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA 4
Oferta Grupy Kapitałowej ORLEN Asfalt OFERTA GRUPY KAPITALOWEJ ORLEN ASFALT PŁOCK Asfalty drogowe Asfalty modyfikowane Asfalty wysokomodyfikowane Asfalty przemysłowe PARDUBICE Asfalty drogowe Asfalty wielorodzajowe Asfalty przemysłowe TRZEBINIA Asfalty drogowe LITVINOV Asfalty drogowe Asfalty modyfikowane Asfalty wysokomodyfikowane Asfalty przemysłowe FLORESTI Asfalty drogowe 50/70 Asfalty drogowe 70/100 MOŻEJKI Asfalty drogowe 5
Wprowadzenie ORLEN Asfalt jest spółką GK ORLEN, specjalizującą się w produkcji i dostawach lepiszczy asfaltowych do firm budowlanych (głównie drogowych). Jesteśmy więc producentem wyrobów budowlanych. Prawo krajowe oraz prawo UE, precyzyjnie określa szczególny nadzór nad produkcją i wprowadzaniem do obrotu takich wyrobów. Oprócz procedur kontroli jakości, istotne dla funkcjonowania firmy jest także posiadanie szerokiej wiedzy o właściwościach i użytkowaniu własnych produktów, możliwość profesjonalnego doradztwa technicznego oraz prowadzenie własnych prac badawczych w zakresie rozwoju produktowego. Dział Badań i Rozwoju funkcjonuje w firmie ORLEN Asfalt od początku istnienia spółki - tj.: od 2003 r. 6
Wprowadzenie W niniejszej prezentacji, w formie przeglądu, przedstawione zostaną możliwości uzyskania lepszych parametrów nawierzchni asfaltowych dzięki zastosowaniu asfaltu wysokomodyfikowanego polimerami ORBITON HiMA. Produkt ten był pierwszym w naszej części Europy zastosowaniem koncepcji amerykańskiej asfaltu wysokomodyfikowanego polimerami. Obecnie Polska jest jednym z krajów, w których ten typ lepiszcza jest stosowany i znormalizowany, a także w którym liczba doświadczeń praktycznych jest bardzo duża. 7
ORBITON HiMA 8
Powstanie ORBITON HiMA potrzeby rynkowe W latach 90. XX w. nastąpiła stopniowa przebudowa nawierzchni asfaltowych w polskim drogownictwie, której podstawowym celem było budowanie warstw odpornych na deformacje trwałe (koleinowanie). Ubocznym skutkiem tych zmian było niestety zwiększenie częstości występowania spękań niskotemperaturowych oraz innych szkód zimowych. W ostatnich latach coraz większy nacisk kładzie się na zwiększanie odporności nawierzchni na wszystkie czynniki zewnętrzne w jak najszerszym przedziale temperatury. Jest to presja zarówno ze strony inwestora (administracji drogowej), jak i samych firm drogowych. Pewnym obrazem tej tendencji jest zwiększanie długości okresów gwarancyjnych, które sięgają już nawet 10 lat. 9
Powstanie ORBITON HiMA potrzeby rynkowe Warunki pracy nawierzchni drogowej w zakresie obciążenia klimatem, są w Polsce niekorzystne. Występują: w zimie: wiele przejść przez 0 C, długie okresy zamrożenia nawierzchni, szybkie spadki temperatury, stosowanie środków odladzających, w lecie: wysoka temperatura długie okresy rozgrzanej nawierzchni penetracja wysokiej temperatury do dolnych warstw nawierzchni 10
Powstanie ORBITON HiMA potrzeby rynkowe Warunki pracy nawierzchni drogowej w zakresie obciążenia ruchem są typowe dla gospodarek szybko rozwijających się. Występują: duże wzrosty ruchu r/r wąskie gardła na sieci dróg ruch powolny średni stan taboru transportowego ruch powolny duży udział pojazdów przeciążonych szacunkowo 20-30% pojazdów 11
Powstanie ORBITON HiMA potrzeby rynkowe Przykładowe lokalizacje o ekstremalnych warunkach i obciążenia: Zakres temperaturowy pracy nawierzchni od -25 C do +60 C Skrzyżowania: ruch powolny i przeciążony -> wymagana odporność na koleinowanie. Pasy ruchu ciężkiego (powolnego): ruch powolny i przeciążony -> wymagana odporność na koleinowanie. Nawierzchnie na mostach: duże odkształcenia nawierzchni -> wymagana wytrzymałość zmęczeniowa i elastyczność. 12
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA Asfalt modyfikowany polimerami produkowany przez ORLEN Asfalt od 2003 r. W zależności od komponentu polimerowego znacząco zmieniają się właściwości użytkowe asfaltu. Uzyskujemy mniejszą podatność na pękanie w zimie i większą odporność na koleinowanie w lecie. Do uzyskania takich efektów przyczynia się tzw. sieć polimerowa utworzona wewnątrz lepiszcza przez polimery typu SBS. źródło: Kraton Polymers źródło: Kraton Polymers 13
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA W 2010 roku, w USA wyprodukowano nowy, eksperymentalny polimer przeznaczony do modyfikacji asfaltów. Dzięki współpracy z producentem polimeru, Dział B+R OA otrzymał jego próbkę i możliwe było rozpoczęcie badań. Celem prac badawczych ORLEN Asfalt był asfalt klasy premium o zdecydowanie ponadstandardowych właściwościach użytkowych, o uniwersalnym zastosowaniu, tworzący nowy rodzaj lepiszczy asfaltowych. 14
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA Rodzina lepiszczy wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA: ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA ORBITON 65/105-80 HiMA Zastosowany skrót HiMA, zgodny z nomenklaturą z USA, oznacza Highly Modified Asphalt. Właściwości nowych asfaltów opisano zgodnie z Normą Europejską PN-EN 14023 Asfalty i lepiszcza asfaltowe -- Zasady klasyfikacji asfaltów modyfikowanych polimerami, w której dodano tabelę z wymaganiami krajowymi dla HiMA (opublikowana w kwietniu 2014 r.) 15
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA Zakres temperaturowy pracy ORBITON HiMA wg amerykańskiej metody Superpave: asfalt do warstw przykrytych (dolnych) 16
ORBITON HiMA Właściwości nawierzchni w niskiej temperaturze 17
Temperatura łamliwości Fraassa wg EN 12593 Badanie temperatury łamliwości metodą Alfreda Fraassa - jest to stara, ponad 100-letnia metoda badawcza. Polega na zginaniu blaszki z 0,5 mm warstwą asfaltu i określaniu temperatury pęknięcia asfaltu.
Temperatura łamliwości Fraassa wg EN 12593 wyniki Interpretacja wykresu: mniej = lepiej
Superpave metoda badawcza BBR Reometr zginanej belki Bending Beam Rheometer (BBR) (metoda wg EN lub ASTM) Źródło: www.pavementinteractive.org
Interpretacja wykresu: mniej = lepiej Klasyfikacja asfaltów OA wg Superpave
Właściwości niskotemperaturowe MMA Aparat do badania temperatury umownej pęknięcia nawierzchni na skutek skurczu termicznego (TSRST) TSRST = Tensile Stress Restrained Specimen Test Metoda znormalizowana od niedawna, wg EN 12697-46:2012 Metoda od wielu lat stosowana w badaniach naukowych w Niemczech, przez prof. Aranda na Politechnice w Brunszwiku.
Właściwości niskotemperaturowe MMA Zasada badania TSRST:
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA Uzyskane efekty odporność na pękanie w niskiej temperaturze (metoda TSRST, 10K/h): mniej = lepiej 24
ORBITON HiMA Właściwości nawierzchni w wysokiej temperaturze 25
Badanie MSCR nowe badanie lepiszczy asfaltowych Test MSCR (Multiple Stress Creep Recovery test) jest badaniem stosowanym w USA od 2010 r. w ramach zmodyfikowanej metody Superpave Plus, w systemie Performance Grade. Badanie MSCR wykonywane jest zgodnie z normami: W USA, wg: AASHTO TP 70: Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR) ASTM D7405: Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery (MSCR) of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer. W Europie, wg: EN 16659:2015 Bitumen and Bituminous Binders Multiple Stress Creep and Recovery Test (MSCRT). 26
Badanie MSCR nowe badanie lepiszczy asfaltowych Do badania MSCR wykorzystuje się reometr dynamicznego ścinania DSR (Dynamic Shear Rheometer). Element składowy reometru stożek Element składowy reometru płaszczyzna Reometr dynamicznego ścinania Dynamic Shear Rheometer (DSR) (metoda wg EN lub ASTM) Foto: ORLEN Asfalt Sp. z o.o. 27 27
Wyniki badań MSCR Wyniki badań MSCR lepiszczy asfaltowych na wykresie MSCR: Jnr 3.2 [kpa -1 ], temperatura 64 C Interpretacja wykresu: mniej = lepiej 28
Wyniki badań MSCR Wyniki badań MSCR lepiszczy asfaltowych na wykresie MSCR: Jnr 3.2 [kpa -1 ], temperatura 70 C Interpretacja wykresu: mniej = lepiej 29
Wyniki badań MSCR Klasyfikacja lepiszczy po badaniu MSCR według obciążenia ruchem Rodzaj bitumu Klasyfikacja ruchu w temperaturze 64 C 70 C Drogowy 20/30 E E Drogowy 35/50 E V Drogowy 50/70 S * Drogowy 70/100 * * Modyfikowany ORBITON 25/55-60 E E Modyfikowany ORBITON 45/80-55 E V Modyfikowany ORBITON 45/80-65 E E Wysokomodyfikowany ORBITON 25/55-80 HiMA E E Wysokomodyfikowany ORBITON 45/80-80 HiMA E E Wysokomodyfikowany ORBITON 65/105-80 HiMA E E 30
ORBITON HiMA Właściwości nawierzchni - wytrzymałość zmęczeniowa 31
Zmęczenie nawierzchni asfaltowych Zmęczenie warstw asfaltowych uznawane jest za podstawowe kryterium projektowania trwałych nawierzchni. Liczba cykli zmęczeniowych (ugięć nawierzchni), jaką może wytrzymać układ warstw asfaltowych jest nazywana trwałością zmęczeniową (Nf). Zmęczenie warstw asfaltowych jest procesem powtarzalnych ugięć konstrukcji i wynikających z nich powtarzalnych naprężeń/odkształceń rozciągających na spodzie warstwy podbudowy asfaltowej. Każde pojedyncze ugięcie nie wywołuje szkody w nawierzchni. Kumulacja setek tysięcy i milionów ugięć powoduje przekroczenie wytrzymałości zmęczeniowej mieszanki mineralno-asfaltowej zastosowanej w podbudowie i inicjację jej pęknięcia.
Zmęczenie nawierzchni asfaltowych Inicjacja pęknięcia dolnej warstwy asfaltowej pakiet warstw asfaltowych podbudowa z kruszywa podłoże ulepszone
Badanie zmęczenia próbek, metoda 4 PB PR W metodzie 4PB-PR stosowane są próbki prostopadłościenne. Wielkość siły jest tak dobierana przez system obciążenia, aby uzyskać zakładaną wielkość stałego odkształcenia rozciągającego w próbce (εt).
Wyniki zbiorcze Nf = f(ε t ) prezentujemy jako krzywe zmęczeniowe. Im wyżej położona jest krzywa zmęczeniowa tym lepiej. Można w ten sposób porównywać różne mieszanki mineralno-asfaltowe. Przykład: Badanie zmęczenia próbek
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA Uzyskane efekty wytrzymałość zmęczeniowa (tryb kontrolowanego odkształcenia, 10 C): wyżej = lepiej 36
Asfalty modyfikowane polimerami ORBITON HiMA Podsumowanie: trwałość zmęczeniowa ORBITON 45/80-80 HiMA jest 5 razy większa od trwałości zmęczeniowej asfaltu modyfikowanego klasycznie ORBITON 25/55-60 trwałość zmęczeniowa ORBITON 45/80-80 HiMA jest 20 razy większa od trwałości zmęczeniowej asfaltu drogowego 35/50
ORBITON HiMA Właściwości nawierzchni - odporność na pękanie 38
Badanie pękania próbek Norma europejska na badanie odporności na pękanie mieszanek mineralnoasfaltowych EN 12697-44. Metoda polega na rozłupywaniu próbki półwalcowej, naciętej. Badanie wykonujemy w 0*C, prędkość obciążenia 5 mm/min.
Badanie pękania próbek Jako wynik, oprócz zależności siły i przemieszczenia, naprężenia rozciągającego i odkształcenia, oblicza się wytrzymałość na pękanie K IC.
typowy wykres pękania próbki Fmax Badanie pękania próbek U=>Fmax
Badanie pękania próbek Maksymalna naprężenie rozłupywania 8 Maksymalne naprężenie 7 Naprężenie [MPa] 6 5 4 3 2 1 0 20/30 35/50 50/70 25/55-60 45/80-55 25/55-80 HiMA 45/80-80 HiMA
Badanie pękania próbek wyniki normowe Odporność na spękania odbite (metoda SCB, 0 C), wskaźnik Kic wg normy: więcej = lepiej 43
Badanie pękania próbek nowy wskaźnik KM 70 Wskaźnik: KM = Klc x max(u) Wskaźnik KM = Klc x max (u) 60 50 40 30 20 10 0 20/30 35/50 50/70 25/55-60 45/80-55 25/55-80 HiMA 45/80-80 HiMA
REALIZACJE 45
ORBITON HiMA odcinki doświadczalne 2013-2014 W latach 2013-2014, we współpracy z administracją drogową wykonano kilka odcinków doświadczalnych, na których przetestowano praktyczne zastosowanie nowych asfaltów wysokomodyfikowanych ORBITON HiMA. 46 źródło: mapa Google
ORBITON HiMA budowy w 2014-2016 r. W latach 2015-2016 r. asfalty wysokomodyfikowane ORBITON HiMA stosowano już na wielu budowach w Polsce.
ORBITON HiMA Finalizacja procesu tworzenia nowej grupy produktów dla rynku budownictwa drogowego została przeprowadzona przez Dział B+R razem z działami Marketingu i Handlu spółki. Zimą 2016 r., spółka została laureatem konkursu Diamenty Polskiej Infrastruktury, w dziedzinie Lider Innowacji Roku za opracowanie asfaltów ORBITON HiMA. 48
Podsumowanie 49
WNIOSKI Warunki pracy drogowych nawierzchni asfaltowych stawiają wysokie wymagania wobec stosowanych materiałów oraz jakości wykonania samej nawierzchni. Jednym z komponentów mieszanek mineralno-asfaltowych o dużym znaczeniu dla trwałości i jakości nawierzchni są lepiszcza asfaltowe. W ciągu ostatnich 30 lat pojawiły się na rynku nowe grupy lepiszczy: asfalty modyfikowane polimerami, asfalty wielorodzajowe i ostatnio asfalty wysokomodyfikowane typu HiMA. Stosowanie lepiszczy typu HiMA ma znaczący wpływ na zmianę właściwości użytkowych nawierzchni. 50
WNIOSKI W przypadku wysokiej temperatury nawierzchni, lepiszcza typu HiMA nadają warstwom asfaltowym bardzo dobrą odporność na koleinowanie. Jednocześnie nie obserwuje się bardzo dużego usztywnienia warstw i podatności na pękanie jak przy twardych asfaltach drogowych. W niskiej temperaturze, zbadana w teście TSRST wartość temperatury krytycznej pęknięcia dla mieszanek z ORBITON HiMA jest najniższa spośród wszystkich badanych lepiszczy. Badania zmęczeniowe, w metodzie 4PB-PR, w trybie kontrolowanego odkształcenia, najlepsze wyniki uzyskano dla ORBITON HiMA. Wyniki są tak znacząco lepsze od pozostałych lepiszczy, że można założyć nawet 10-krotny przyrost trwałości zmęczeniowej nawierzchni, w przypadku stosowania HiMA w podbudowie asfaltowej. 51
WNIOSKI Badania odporności na pękanie uszeregowały lepiszcza drogowe w podobny sposób jak badanie zmęczenia. Najlepsze okazały się asfalty wysokomodyfikowane ORBITON HiMA, potem asfalty modyfikowane w sposób klasyczny i asfalty drogowe. Tym, co różni ORBITON HiMA od innych lepiszczy, jest uzyskiwanie bardzo dobrych wyników dla właściwości użytkowych mieszanek mineralno-asfaltowych bez znaczącego pogorszenia innych parametrów. Przykładowo, dobra odporność na koleinowanie nie jest przeciwstawna do dobrej odporności na pękanie niskotemperaturowe. 52
WNIOSKI Asfalty modyfikowane polimerami charakteryzują się znacząco lepszymi wynikami niż asfalty drogowe. Spośród nich najlepsze okazały się asfalty wysokomodyfikowane ORBITON HiMA. Przyczyną lepszych wyników jest większa objętość polimeru (elastomeru) w asfalcie wysokomodyfikowanym. Uzyskiwanie dobrych rezultatów z lepiszczami typu HiMA wymaga doświadczenia w projektowaniu mieszanek z HiMA, bardzo dobrej koordynacji produkcji mma i wbudowania. Ze względu na swoje cechy, lepiszcza HiMA wymagają bardzo dobrej koordynacji logistycznej i wykonawczej. 53
Dziękuję za uwagę! 54