156,1k - Politechnika Gdańska

Prof. dr hab. inż. Józef Judycki
Mgr inż. Marek Pszczoła
Politechnika Gdańska
Zakład Budowy Dróg
Polska
WPŁYW RODZAJU I ZAWARTOŚCI ASFALTU ORAZ TYPU MIESZANKI MINERALNOASFALTOWEJ NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE
INFLUENCE OF THE KIND AND CONTENT OF BITUMEN AND THE TYPE OF ASPHALT MIX
ON LOW TEMPERATURE CRACKING
Streszczenie
W referacie przedstawiono wyniki badań odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na
spękania niskotemperaturowe. W badaniach wykorzystano metodę zginania belek w temperaturze
-20°C. Zastosowano trzy rodzaje asfaltów: dwa zwykłe D50 i D70 oraz asfalt wysokomodyfikowany
Elastobit 80C. Zostały zastosowane również dwa typy mieszanek mineralno-asfaltowych: beton
asfaltowy i mastyks grysowy SMA. Stwierdzono, istotny wpływ rodzaju asfaltu na parametry
mieszanek mineralno-asfaltowych w temperaturze -20°C. Zanotowano niewielkie różnice pomiędzy
betonem asfaltowym a mastyksem grysowym SMA.
Summary
The paper presents results of investigations of asphalt mix resistance to low temperature cracking.
The bending method at -20°C was utilised. Three types of bitumens, two normal paving grades
(D50, D70) and one modified with elastomer SBS (Elastobit 80C) were tested. Two types of
asphalt mixtures were investigated: asphalt concrete and stone mastic asphalt SMA. It was found
that the type of bitumen has significant effect on properties of asphalt mixes at -20°C. Small
differences were found between asphalt concrete and stone mastic asphalt SMA.
1.
Wstęp
W ostatnich latach główny nacisk podczas projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych został
położony na zapewnienie ich wysokiej odporności na deformacje trwałe. Jest to zrozumiałe z
uwagi na dużą liczbę dróg, na których występują mniejsze lub większe koleiny. Większa odporność
na deformacje wiąże się przede wszystkim ze wzrostem sztywności mieszanek mineralnoasfaltowych co z kolei jest niebezpieczne podczas spadków temperatury w okresie zimowym.
Obniżanie temperatury w przypadku sztywnych mieszanek powoduje szybsze pojawienie się
spękań niskotemperaturowych. Jest to szczególnie istotne w rejonach Polski PółnocnoWschodniej, gdzie temperatura w najchłodniejszych okresach zimy spada poniżej -30˚ C.
Niebezpieczne dla „przesztywnionych” mieszanek mineralno-asfaltowych są również gwałtowne
spadki temperatury oraz częste jej wahania.
W chwili obecnej brak jest jasnych kryteriów jakimi powinien kierować się projektant podczas
projektowania nowych mieszanek mineralno-asfaltowych bardziej odpornych na spękania
niskotemperaturowe. O ile zagadnienie deformacji trwałych nawierzchni asfaltowych zostało w
dużej mierze poznane i nauczono się przeciwdziałać koleinom, o tyle problem spękań
niskotemperaturowych nie został w pełni rozwiązany.
W artykule przedstawiono wyniki badań zginania mieszanek
temperaturze -20°C oraz wnioski wynikające z tych badań.
2.
mineralno-asfaltowych
w
Metodyka badań
Odporność mieszanek mineralno-asfaltowych na spękania niskotemperaturowe badano na
belkach o wymiarach 50x50x300 mm w temperaturze -20°C. Szczegółowy opis metody badań
przedstawiono w [2]. Modyfikacją metody badania odporności mieszanek mineralno-asfaltowych w
roku 2001 było stworzenie odrębnego stanowiska badawczego oraz opracowanie programu
komputerowego, który usprawnił i przyspieszył całą procedurę badawczą. Usprawnienia
wynikające z zastosowania programu komputerowego są następujące:
• Możliwość łatwiejszego ustawienia czujnika indukcyjnego mierzącego przemieszczenie na
spodzie belki w zakresie pomiarowym (krótszy czas badania),
• Możliwość obserwacji w czasie badania zachowania się próbki na wykresie zależności
wzrastającej siły do przemieszczenia,
• Uzyskanie gotowych wyników: wartości odkształcenia granicznego, wytrzymałości na zginanie
oraz modułu sztywności od razu po zakończeniu badania.
Wszystkie te elementy pozwoliły na skrócenie czasu badania pojedynczej próbki co jest
szczególne ważne w temperaturze -20˚C, ponieważ pozwala na ograniczenie wpływu temperatury
otoczenia na wyniki badań.
W badaniu zginania belek określano następujące parametry:
• Odkształcenie graniczne,
• Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu,
• Moduł sztywności.
3.
Badane mieszanki mineralno-asfaltowe
3.1.
Rodzaje badanych mieszanek mineralno-asfaltowych
W badaniach zastosowano pięć mieszanek mineralno-asfaltowych: trzy z asfaltami zwykłymi (D50
RG i D70 RG) i dwie z asfaltem wysokomodyfikowanym elastomerem SBS (E80C RG). Do
wszystkich mieszanek dodano środek adhezyjny Teramin 14. Zestawienie mma przedstawiono w
tablicy 1.
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
3.2.
Tablica 1. Rodzaje zastosowanych mieszanek mineralno-asfaltowych
Rodzaj mieszanki
Zastosowane
Przeznaczenie
Wymagania
lepiszcze
Beton asfaltowy
D50 RG
Warstwa ścieralna,
PN-S-96025:2000
0/12,8
KR 3 – KR 6
Beton asfaltowy
D70 RG
Warstwa ścieralna,
PN-S-96025:2000
0/12,8
KR 1 – KR 2
Beton asfaltowy
E80C RG
Warstwa ścieralna
PN-S-96025:2000
0/12,8
KR 3 – KR 6
Mastyks grysowy
D50 RG
Warstwa ścieralna,
ZTV Asph. StB 94
0/11
KR 3 – KR 6
Mastyks grysowy
E80C RG
Warstwa ścieralna,
PN-S-96025:2000
0/8
KR 3 – KR 6
Pozyskanie mieszanek mineralno-asfaltowych
Ważnym elementem przeprowadzonych badań było przygotowanie miarodajnych próbek. Aby jak
najlepiej odtworzyć rzeczywiste warunki pracy nawierzchni zdecydowano się na pobieranie
mieszanek mineralno – asfaltowych z wytwórni mas bitumicznych. Pobieranie mieszanek miało
miejsce po ich wytworzeniu, w chwili załadunku na samochody. Mieszanki po pobraniu były
transportowane do laboratorium i tam były z nich wykonywane próbki do badań.
Pobieranie mieszanek mineralno – asfaltowych z wytwórni pozwoliło na badanie materiału, który
przeszedł rzeczywisty proces starzenia krótkoterminowego. Jest to ważne, ponieważ starzenie się
asfaltu oraz zmiany jakie w nim zachodzą podczas otaczania w otaczarce mają znaczący wpływ
na odporność betonu asfaltowego na działanie niskich temperatur.
3.3.
Zwiększenie zawartości asfaltu
W połowie badanych próbek zwiększono zawartość asfaltu w mma o 0,5% w stosunku do
zawartości rzeczywistej. Zwiększenie zawartości asfaltu przeprowadzono po to, aby zbadać jaki
wpływ ma większa zawartość asfaltu na odporność mma na spękania w niskich temperaturach.
W tym miejscu należy zaznaczyć, że dodawany asfalt nie był poddany procesowi starzenia
krótkoterminowego, tak jak asfalt w mieszance mineralno – asfaltowej. W wyniku zmieszania
dwóch asfaltów, w próbkach o zwiększonej zawartości asfaltu, uzyskiwano asfalt o niższej
lepkości. Ilości asfaltu w badanych mieszankach pobranych z wytwórni mas bitumicznych i po
zwiększeniu zawartości asfaltu w laboratorium podano w tablicy 2. W celu uproszczenia opisu, dla
rzeczywistej zawartości asfaltu w próbkach dostarczonych z wytwórni przyjęto określenie
„zawartość normalna”. Natomiast zawartość „sztucznie” zwiększoną w laboratorium przez dodanie
0,5% m/m asfaltu nazwano „zawartością normalną +0,5%”.
Tablica 2. Zawartość asfaltu w badanych mieszankach mineralno – asfaltowych
Lp. Mieszanka
Zawartość
Zawartość asfaltu
Wymagania
normalna
normalna +0,5%
1. Beton asfaltowy 0/12,8
5,4
5,9
4,8 – 6,5
z asfaltem D50 RG
2. Beton asfaltowy 0/12,8 mm
5,9
6,4
5,0 – 6,5
z asfaltem D70 RG
3. Beton asfaltowy 0/12,8 mm
5,6
6,1
4,8 – 6,5
z asfaltem E 80C RG
4. Mastyks grysowy 0/11 mm
6,3
6,8
5,5 – 6,8
z asfaltem D50 RG
5. Mastyks grysowy 0/8 mm
6,5
7,0
6,0 – 7,0
z asfaltem E 80C RG
3.4.
Starzenie długoterminowe
Część próbek została poddana starzeniu długoterminowemu, które modeluje starzenie
występujące w czasie eksploatacji nawierzchni. Starzeniu poddano uformowane płyty przed
pocięciem ich na belki. Aby ograniczyć deformowanie się płyt krawędzie pionowe obłożono drobną
siatką a próbki umieszczono w specjalnym stelażu, który ograniczał deformowanie się płyt. Widok
zestawu podczas starzenia długoterminowego przedstawiono na rysunku1.
Rysunek 1. Widok zestawu do badania starzenia długoterminowego
Starzenie długoterminowe przeprowadzono zgodnie z procedurą SHRP M – 007 (A-379), która
przedstawia się następująco:
1. Próbki umieszczono w suszarkach z nawiewem na tacach perforowanych na okres 120 ± 0,5
godzin w temperaturze 85°C ± 1°C.
2. Po zakończeniu starzenia próbki wyjmowano i pozostawiano w temperaturze pokojowej do
schłodzenia.
3.5.
Badanie
Próbki cięto przy pomocy piły diamentowej na belki prostopadłościenne wymiarach 50×50×300
mm. Dla każdego wariantu masy przygotowano pięć jednorodnych belek. Bezpośrednio przed
badaniem wszystkie próbki przechowywano w komorze termostatycznej w temperaturze -20°C
przez okres 10-12 godzin. Odkształcenie graniczne, wytrzymałość i moduł sztywności badano przy
zginaniu belek wolnopodpartych siłą przyłożoną w środku rozpiętości. Prędkość zginania wynosiła
1.25 mm/min.
4.
Wyniki badań i ich analiza
4.1.
Wyniki badań odkształcenia granicznego
0,880
0,922
0,870
0,900
0,830
0,920
0,90
0,640
0,380
0,540
0,520
0,550
0,500
0,542
0,490
0,50
0,503
0,60
0,510
0,70
0,550
0,80
0,494
0,40
0,30
0,20
SMA E80C
RG
BA E80C
RG
BA D50 RG
0,00
A norm + 0,5 % przed starzeniem
A norm +0,5 % po starzeniu
BA D70 RG
A norm przed starzeniem
A norm po starzeniu
0,10
SMA D50
RG
Odkształcenie graniczne [‰]
1,00
0,840
Wyniki badań odkształcenia granicznego przedstawiono na rysunku 3.
Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej
Rysunek 3. Zestawienie wyników badań odkształcenia granicznego mma
Odkształcenie graniczne badane w teście zginania belek jest jedną z miar odporności mieszanek
mineralno-asfaltowych na działanie niskich temperatur. Im wartość odkształcenia granicznego jest
większa, tym badana mieszanka mineralno-asfaltowa jest bardziej odporna na spękania w niskich
temperaturach.
Przedstawione na rys. 3 zestawienie wyników badań odkształcenia granicznego w temperaturze 20°C pokazuje, że najwyższe wartości uzyskały mieszanki mineralno-asfaltowe z asfaltem
wysokomodyfikowanym elastomerem SBS - E80C RG. Pozostałe mma zawierające asfalty zwykłe
uzyskały wartości niższe i zbliżone do siebie.
4.2.
Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu
Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu przedstawiono na rysunku 4.
8,25
8,01
9,31
9,62
5,98
6,62
5,47
6,00
5,82
6,61
6,59
6,23
7,65
7,90
8,14
7,71
8,00
8,01
4,00
A norm + 0,5 % przed starzeniem
A norm + 0,5 % po starzeniu
SMA E80C
RG
BA D50 RG
0,00
BA D70 RG
A norm przed starzeniem
A norm po starzeniu
BA E80C RG
2,00
SMA D50
RG
Wytrzymałość [MPa]
10,00
9,69
9,60
10,66
12,00
Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej
Rysunek 4. Zestawienie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu mma
Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu jest, podobnie jak odkształcenie graniczne, miarą
odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie niskich temperatur. Im wyższa wartość
wytrzymałości, tym większa odporność mma na powstawanie spękań niskotemperaturowych.
Zestawienie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu przedstawione na rys. 4
pokazuje, że najwyższe wartości uzyskał beton asfaltowy z asfaltem wysokomodyfikowanym
elastomerem SBS – E80C RG. Najniższe wartości wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu
uzyskał beto asfaltowy z asfaltem D70 RG.
4.3.
Wyniki badań modułu sztywności
Wyniki badań modułu sztywności przedstawiono na rysunku 5.
20,73
21,32
16,41
18,26
16,52
18,21
17,97
18,83
24,52
27,19
20,52
20,46
20,00
20,33
18,57
21,90
25,73
21,89
23,69
25,00
21,70
15,00
10,00
A norm + 0,5 % przed starzeniem
A norm + 0,5 % po starzeniu
SMA E80C
RG
BA D50 RG
0,00
BA D70 RG
A norm przed starzeniem
A norm po starzeniu
BA E80C
RG
5,00
SMA D50
RG
Moduł sztywności [GPa]
30,00
Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej
Rysunek 5. Zestawienie wyników badań modułu sztywności mma
Trzeci parametr badany w teście zginania belek to moduł sztywności. Im wartość modułu
sztywności jest większa, tym badana mieszanka mineralno-asfaltowa staje się bardziej sztywna i
mniej odporna na spękania w niskich temperaturach.
Wyniki badań przedstawione na rys. 5 pokazują, ze najmniej sztywny jest beton asfaltowy z
asfaltem wysokomodyfikowanym E80C RG. Podobne cechy ma SMA z asfaltem E80C RG.
Pozostałe mieszanki mineralno-asfaltowe okazały się nieznacznie sztywniejsze.
4.4.
Wpływ zwiększonej zawartości asfaltu
Wpływ zwiększonej zawartości asfaltu o 0,5% ponad zawartość normalną okazał się w niewielkim
stopniu istotny.
4.5.
Wpływ starzenia długoterminowego
Tylko w niektórych przypadkach starzenie długoterminowe spowodowało pogorszenie cech
mieszanek mineralno-asfaltowych w niskich temperaturach (np. zmniejszenie εgran w przypadku
betonów asfaltowych: BA D70RG oraz BA E80C RG).
5.
Wnioski
1.
W podsumowaniu przeprowadzonych badań laboratoryjnych można stwierdzić, że wpływ
rodzaju asfaltu oraz tego czy był to asfalt zwykły, czy modyfikowany, na wszystkie cechy
mma w temperaturze -20°C był bardzo istotny. Mieszanki mineralno-asfaltowe zawierające
elastomeroasfalt wykazały lepsze właściwości niskotemperaturowe niż mieszanki
zawierające asfalty zwykłe.
2.
Zanotowano niewielkie różnice pomiędzy betonem asfaltowym a mastyksem grysowym
SMA. Obie mieszanki miały podobne właściwości w niskiej temperaturze.
3.
Wpływ zwiększonej zawartości asfaltu o 0,5% powyżej zawartości normalnej na cechy mma
w niskich temperaturach okazał się mniej nieistotny.
4.
Symulowane w laboratorium starzenie długoterminowe (eksploatacyjne) według procedury
SHRP miało wyraźny wpływ na cechy tylko niektórych mma w temperaturze -20°C.
Literatura
[1] Judycki J. Cyske W. Pszczoła M.: Wytrzymałość i sztywność w niskich temperaturach
betonów asfaltowych o zwiększonej odporności na deformacje trwałe. Konferencja Kielce
2001.
[2]
Judycki J. Pszczoła M. Jaskuła P.: Modyfikacja metody zginania belek z mieszanek
mineralno-asfaltowych i ocena parametrów reologicznych. Konferencja Kielce 2001.
[3]
Judycki J. Pszczoła M. Dołżycki B.: Opracowanie zaleceń technologicznych zmierzających
do redukcji spękań niskotemperaturowych w nawierzchniach asfaltowych. Praca
niepublikowana, wykonana na zlecenie GDDP, Gdańsk 2001.
[4]
Anderson K. O. Hussain S.R. Jardine K.G. “Evaluation of low temperature and permanent
deformation characteristics of some engineered asphalts”, Canadian Technical Asphalt
Association Proceedings, 1989