nr 2/2004 - ORLEN Asfalt

INFORMACJA TECHNICZNA
2
rozwijamy
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:
ηxTFOT
ISx= η--------- [*]
60
w którym:
η60 – lepkoÊç dynamiczna asfaltu w 60°C przed starzeniem,
ηxTFOT – lepkoÊci dynamiczne asfaltu w 60°C zbadane po starzeniu TFOT w temperaturze X
ISx – 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 (TTFOT). 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 (TTFOT).
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
Asfalt 35/50
Asfalt 50/70
Penetracja w 25°C [0,1 mm]
- przed starzeniem
- po RTFOT w 163°C
- po TFOT w 163°C
45
28
37
65
40
50
Temperatura mi´knienia PiK [°C]
- przed starzeniem
- po RTFOT w 163°C
- po TFOT w 163°C
53,7
60,9
57,8
48,1
54,1
51,6
Temperatura ∏amliwoÊci wg Fraassa [°C]
- przed starzeniem
- po RTFOT w 163°C
- po TFOT w 163°C
-15
-10
-12
-17
-13
-15
LepkoÊç dynamiczna w 60°C [Pa.s]
- przed starzeniem
- po RTFOT w 163°C
- po TFOT w 163°C
612
1417
1273
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
D50
D70
temperatura asfaltu w zbiorniku roboczym
145-165
140-160
temperatura betonu asfaltowego
140-170
135-165
temperatura SMA
140-180
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