Politechnika Poznańska Instytut Inżynierii Lądowej Zakład Budownictwa Drogowego LEPISZCZA DROGOWE MODYFIKOWANE ASFALTAMI NATURALNYMI A WYMAGANIA SPECYFIKACJI SUPERPAVE dr inż. Marcin Bilski dr hab. inż. Mieczysław Słowik, prof. PP
WPROWADZENIE ASFALTY NATURALNE 2
Gilsonite Trinidad Epuré Zawartość asfaltenów w lepiszczu: od 50% do 65% Zawartość asfaltenów w lepiszczu: od 33% do 37% Rys. 1. Składniki asfaltów naturalnych (Boden i Tripp 2012; Laborhandbuch 2013; Jurczak i Mieczkowski 2013) 3
2015 1958 Rys. 2. Fragment autostrady w Berlinie (Niemcy) wykonanej z zastosowaniem asfaltu naturalnego Trinidad (natężenie ruchu 190 tys. poj./dobę) (źródło: folder reklamowy Trinidad Lake Asphalt GmbH & Co. KG) 4
WPROWADZENIE WYBRANE WYMAGANIA SUPERPAVE 5
Klasyfikacja asfaltów drogowych wg Superpave oraz amerykańskiej normy AASHTO M 320 Klasyfikacja Performance Grade (PG) jest związana z odpornością MMA w określonych zakresach temperatury nawierzchni na (Superpave 2001): tworzenie się kolein, powstawanie spękań zmęczeniowych, powstawanie spękań niskotemperaturowych. 6
Wg PG rodzaj lepiszcza asfaltowego dobiera się na podstawie warunków klimatycznych oraz prędkości ruchu i jego natężenia. PG x y (np. PG 58 28), gdzie: x (górne PG) oznacza maks. średnią 7-dniową temperaturę powietrza, y (dolne PG) oznacza min. 1-dniową temperaturę powietrza. Prognozowane natężenie ruchu przekracza 10 lub 30 milionów ESAL górne PG podwyższa się odpowiednio o 6 C lub 12 C. Ruch powolny lub postój pojazdów górne PG podwyższa się odpowiednio o 6 C lub 12 C. 7
Tablica 1. Klasyfikacja funkcjonalna lepiszczy wg PG zgodnie z AASHTO M 320 w zależności od temperatury eksploatacyjnej nawierzchni maksymalna średnia 7-dniowa temp. powietrza, C minimalna 1-dniowa temp. powietrza, C górne PG < 46 < 52 < 58 < 64 < 70 < 76 < 82 > -34 > -40 > -46 > -10 > -16 > -22 > -28 > -34 > -40 > -46 > -16 > -22 > -28 > -34 > -40 dolne PG > -10 > -16 > -22 > -28 > -34 > -40 > -10 > -16 > -22 > -28 > -34 > -40 > -10 > -16 > -22 > -28 > -34 > -10 > -16 > -22 > -28 > -34 8
normy: Zmiana normy: wybór Laboratoryjne metody symulacji procesów starzenia zachodzących w lepiszczach asfaltowych wg Superpave starzenie krótkookresowe (technologiczne) metoda RTFOT AASHTO T 240 ; PN-EN 12607-1 masy lepiszcza asfaltowego wg AASHTO M 320 w wyniku procesu starzenia metodą RTOFT powinna być 1,0%. starzenie długookresowe (eksploatacyjne) metoda PAV AASHTO R 28 ; PN-EN 14769 warunków badania: temp. (90±1) C, (100±1) C lub (110±1) C 9
Odporność nawierzchni na tworzenie się kolein wg Superpave Wymagania wobec lepiszczy asfaltowych oznaczane w reometrze DSR przy częstości kątowej drgań równej ω = 10 rad/s w temp. równej górnemu PG (zakres wysokiej temp. eksploatacyjnej): G * /sin(δ) 1,0 kpa w przypadku lepiszczy asfaltowych niepoddanych starzeniu, G * /sin(δ) 2,2 kpa w przypadku lepiszczy asfaltowych poddanych starzeniu RTFOT. normy: AASHTO T 315 ; PN-EN 14770 10
Odporność nawierzchni na powstawanie spękań zmęczeniowych wg Superpave Wymagania wobec lepiszczy asfaltowych oznaczane w reometrze DSR przy częstości kątowej drgań równej ω = 10 rad/s w temp. zależnej od górnego i dolnego PG (zakres umiarkowanej temp. eksploatacyjnej): G * sin (δ) 5000 kpa w przypadku lepiszczy asfaltowych poddanych starzeniu RTFOT+PAV. normy: AASHTO T 315 ; PN-EN 14770 11
Tablica 2. Wymagania dla lepiszczy o górnym PG równym 76 i 82 wg AASHTO M320 12
Odporność nawierzchni na powstawanie spękań niskotemperaturowych wg Superpave Wymagania wobec lepiszczy asfaltowych oznaczane w reometrze BBR w chwili t = 60 s w temp. wyższej o 10 C od dolnego PG (zakres niskiej temp. eksploatacyjnej) w przypadku lepiszczy asfaltowych poddanych starzeniu RTFOT+PAV: S (60 s) 300 MPa, m (60 s) 0,3. normy: AASHTO T 313 ; PN-EN 14771 13
Ocena odporności nawierzchni na tworzenie się kolein (metodyka Superpave) RET (ang. Rutting Equivalent Temperatures) najmniejsza wartość temperatury, przy której spełnione są wymagania AASHTO M320 tzn.: G * /sin(δ) 1,0 kpa (unaged) oraz G * /sin(δ) 2,2 kpa (RTFOT). Ocena odporności nawierzchni na powstawanie spękań zmęczeniowych (metodyka Superpave) FET (ang. Fatigue Equivalent Temperature) największa wartość temperatury, przy której spełnione są wymagania AASHTO M320 tzn.: G * sin(δ) 5000 kpa (RTFOT+PAV). 14
Ocena odporności nawierzchni na powstawanie spękań niskotemperaturowych (metodyka Superpave) T cr (ang. Critical Temperature) wartość temperatury wyznaczona wg wzoru (1) odpowiadająca wartości dolnego PG. gdzie: T cr = max (T S=300 MPa ; T m=0,3 ) 10 C, C (1) T cr temperatura krytyczna, C, T S=300 MPa temperatura, w której wartość modułu sztywności oznaczona w reometrze BBR w chwili t = 60 s osiąga wartość równą 300 MPa, C, T m=0,3 temperatura, w której wartość parametru m oznaczona w reometrze BBR w chwili t = 60 s osiąga wartość równą 0,3, C. 15
PRZEDMIOT BADAŃ 16
Asfalty drogowe: 20/30, 35/50 i 50/70. Asfalty modyfikowane: sporządzone z udziałem asfaltów drogowych 35/50 i 50/70 oraz dodatku asfaltów naturalnych w ilości (wagowej) 3%, 5% i 7% w przypadku Gilsonite (GIL) oraz 15%, 25% i 35% w przypadku Trinidad Epuré (TE). Opis próbki asfaltu modyfikowanego np.: 35/50 + 5%GIL oznacza lepiszcze składające się w 95% z asfaltu drogowego 35/50 oraz w 5% z asfaltu naturalnego Gilsonite. 17
WYNIKI BADAŃ 18
Rys. 3. Procentowa utrata masy lepiszczy asfaltowych w wyniku starzenia krótkookresowego metodą RTFOT 19
Rys. 4. Wartości Performance Grade odpowiadające wyznaczonym temp. równoważnym w przypadku asfaltów drogowych i modyfikowanych sporządzonych z udziałem asfaltu 35/50 20
Rys. 5. Wartości Performance Grade odpowiadające wyznaczonym temp. równoważnym w przypadku asfaltów drogowych i modyfikowanych sporządzonych z udziałem asfaltu 50/70 21
Rys. 6. Wartości Performance Grade odpowiadające wyznaczonej temperaturze krytycznej w przypadku asfaltów drogowych i modyfikowanych 22
Tablica 3. Wartości PG analizowanych lepiszczy asfaltowych wyznaczone na podstawie wartości temperatur równoważnych FET i RET oraz temperatury krytycznej Lepiszcze 20/30 35/50 50/70 PG 82-16 70-22 70-22 Lepiszcze 35/50 + 3% GIL 35/50 + 5% GIL 35/50 + 7% GIL PG 76-22 82-16 82-16 Lepiszcze 35/50 + 15% TE 35/50 + 25% TE 35/50 + 35% TE PG 82-16 82-16 82-16 Lepiszcze 50/70 + 3% GIL 50/70 + 5% GIL 50/70 + 7% GIL PG 76-22 76-22 82-22 Lepiszcze 50/70 + 15% TE 50/70 + 25% TE 50/70 + 35% TE PG 76-22 82-16 82-16 23
PODSUMOWANIE 24
Rys. 7. Wartości Performance Grade lepiszczy asfaltowych w zależności od regionu Polski w przypadku warstwy wiążącej (Sybilski i Mirski 2000; Pszczoła, Ryś i Jaskuła 2017) 25
Rys. 8. Wartości Performance Grade lepiszczy asfaltowych w zależności od regionu Polski w przypadku warstwy podbudowy (Sybilski i Mirski 2000; Pszczoła, Ryś i Jaskuła 2017) 26
WNIOSKI 27
o Zawartość asfaltu naturalnego w lepiszczu modyfikowanym należy dobierać w sposób indywidualny w zależności od rodzaju warstwy w asfaltowej nawierzchni drogowej, w której ma być zastosowane lepiszcze oraz strefy klimatycznej. o W warunkach klimatycznych występujących na terytorium Polski (wg specyfikacji Superpave i analiz Sybilski i Mirski 2000; Pszczoła, Ryś i Jaskuła 2017) lepiszcze w warstwie wiążącej lub podbudowie powinno zawierać: Gilsonite w ilości do 3% w przypadku modyfikacji asfaltu 35/50, Gilsonite w ilości do 7% a Trinidad Epuré do 15% w przypadku modyfikacji asfaltu 50/70. 28
o Wybrane lepiszcza asfaltowe zawierające asfalty naturalne charakteryzują się lepszymi właściwościami użytkowymi (odporność na powstawanie kolein, spękań zmęczeniowych i spękań niskotemperaturowych) niż asfalty drogowe 20/30, 35/50 i 50/70. Dodatki te mogą być zastosowane w MMA typu asfalt lany (MA) lub do betonu asfaltowego o wysokim module sztywności (AC WMS) zastępując twarde asfalty drogowe. o W celu zwiększenia odporności na spękania niskotemperaturowe lepiszczy zawierających asfalty naturalne modyfikacji należałoby poddać miękkie asfalty drogowe (70/100 lub 100/160) lub asfalty zawierające dodatki np. zmniejszające ich lepkość. 29
LITERATURA Boden T., Tripp B. Gilsonite veins of the Uinta Basin. Utah Geological Survey, Salt Lake City 2012 Jurczak R., Mieczkowski P. 2013. Zastosowanie asfaltów naturalnych do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych. Zachodniopomorskie Seminarium Drogowe, Szczecin 2013 ; www.sitkszczecin.org.pl/images/stories/prezentacjeiii/kntzsd2.pdf Laborhandbuch für Trinidad Naturasphalt, Carl Ungewitter Trinidad Lake Asphalt, Brema 2013 Pszczoła M., Ryś D., Jaskuła P. 2017. Analysis of climatic zones in Poland with regard to asphalt performance grading. Analiza stref klimatycznych w Polsce z uwzględnieniem klasyfikacji funkcjonalnej asfaltów Performance Grade. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 16 (4) s. 245-264 Superpave mixture design guide, Federal Highway Administration Department of Transportation, Waszyngton DC 2001 Sybilski D., Mirski K. 2000. Zalecane lepiszcza asfaltowe w warstwach nawierzchni w Polsce z uwzględnieniem warunków klimatycznych i obciążenia ruchem. Prace IBDiM, 1-2, s. 103-157 30
NORMY EUROPEJSKIE OBOWIĄZUJĄCE W POLSCE PN-EN 12607-1:2014-12 Asfalty i lepiszcza asfaltowe Oznaczanie odporności na starzenie pod wpływem ciepła i powietrza Cześć 1: Metoda RTFOT PN-EN 14769:2012 Asfalty i lepiszcza asfaltowe Przyspieszone starzenie długoterminowe/kondycjonowanie w komorze starzenia ciśnieniowego (PAV) PN-EN 14770:2012 Asfalty i lepiszcza asfaltowe Oznaczanie zespolonego modułu ścinania i kąta przesunięcia fazowego Reometr dynamicznego ścinania (DSR) PN-EN 14771:2012 Asfalty i lepiszcza asfaltowe Oznaczanie sztywności pełzania przy zginaniu Reometr zginanej belki (BBR) 31
NORMY AMERYKAŃSKIE AASHTO M 320-16 Performance-Graded Asphalt Binder AASHTO R 28-12 Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel (PAV) AASHTO T 313-12 Standard Method of Test for Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the Bending Beam Rheometer (BBR) AASHTO T 315-12 Standard Method of Test for Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR) AASHTO T 240-13 Standard Method of Test for Effect of Heat and Air on a Moving Film of Asphalt (Rolling Thin-Film Oven Test) 32
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 33