320,8k - Politechnika Gdańska

Piotr JASKUŁA1
Józef JUDYCKI2
WPŁYW STARZENIA I ODDZIAŁYWANIA WODY I MROZU NA
ZMIANĘ WŁAŚCIWOŚCI
MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH
1. Wstęp
Referat przedstawia wyniki badań wykonanych podczas dwuletniego projektu badawczego
przeprowadzonego w latach 1998-2000 dla Komitetu Badań Naukowych w Warszawie. Znaczna
część wyników została już opublikowana na konferencjach krajowych i zagranicznych w latach
1999-2000.
Celem projektu badawczego było badanie zmian właściwości mechanicznych mieszanek
mineralno-asfaltowych wskutek oddziaływania dwóch czynników: starzenia, występującego
podczas produkcji i wbudowania mieszanek, jak i w czasie eksploatacji nawierzchni drogowych
oraz wody i mrozu - czynników klimatycznych, które działają destrukcyjne na nawierzchnie
asfaltowe.
Projekt badawczy zawiera: (a) studia literatury dotyczące przedstawionych problemów,
(b) opracowanie metodyki badawczej, (c) badania asfaltów, (d) badania właściwości
mechanicznych mieszanek mineralno-asfaltowych tj. betonów asfaltowych, mastyksów
grysowych SMA i asfaltu drenażowego przed i po poddaniu czynnikom starzenia, jak i betonów
asfaltowych, mastyksów grysowych SMA przed i po poddaniu oddziaływania wody i mrozu,
(e) analiza uzyskanych wyników badań oraz (f) opracowanie wniosków i zaleceń.
2. Starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych
W starzeniu asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej można wyodrębnić dwa etapy:
technologiczny i eksploatacyjny. Etap starzenia technologicznego jest krótki, ale zmiany
starzeniowe asfaltu zachodzą w nim gwałtownie. Obejmuje on: produkcję, mieszanki mineralnoasfaltowej, jej wbudowanie i zagęszczanie. Starzenie technologiczne nazywane też jest
starzeniem krótkoterminowym (“short-term aging”). Termin ten, przyjęty przez badaczy
Strategicznego Programu Badań Drogowych (SHRP - Strategic Highway Reaserch Program) w
USA, jest obecnie często stosowany. Podczas starzenia krótkoterminowego następuje przede
wszystkim odparowanie lżejszych węglowodorów oraz dodatkowo utlenianie asfaltu. Etap
starzenia eksploatacyjnego obejmuje zmiany zachodzące w asfalcie podczas użytkowania
nawierzchni. Proces starzenia eksploatacyjnego jest wolny i długotrwały, w czasie jego trwania
następuje przede wszystkim utlenianie asfaltu. Ten etap starzenia nosi nazwę starzenia
długoterminowego (“long-term aging”). Starzenie długoterminowe jest bardziej intensywne w
ciepłym i suchym klimacie, czyli przy dużej radiacji słonecznej. Przebiega szybciej w otwartych
mieszankach, wyeksponowanych na dostęp tlenu atmosferycznego.
Starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych ściśle wiąże się ze starzeniem asfaltu poprzez
wzrost lepkości i wzrost sztywności mieszanki. Powoduje to większą kruchość nawierzchni i
1
2
Mgr inż., Zakład Budowy Dróg, Politechnika Gdańska
Prof. dr hab. inż., Kierownik Zakładu Budowy Dróg, Politechnika Gdańska
wiąże się z takimi uszkodzeniami konstrukcji jak: spękania termiczne, spękania zmęczeniowe
oraz powstawanie wykruszeń i wybojów. Czynniki wpływające na szybkość starzenia mieszanek
mineralno-asfaltowych w trakcie użytkowania dróg można podzielić na dwie główne grupy:
właściwości mieszanek i czynniki klimatyczne. Do czynników mających związek z
właściwościami mieszanki mineralno-asfaltowej można zaliczyć: zawartość wolnych przestrzeni,
charakterystykę asfaltu, zawartość asfaltu, uziarnienie i rodzaj kruszywa. Do czynników
klimatycznych zaliczyć należy promieniowanie słoneczne i temperaturę powietrza.
2.1. Badane materiały
Tablica 1 przedstawia właściwości badanych asfaltów. Badano asfalty zwykłe,
niemodyfikowane z Rafinerii Gdańskiej S.A. D50G i D70G, asfalt zwykły z rafinerii
zagranicznej Nynas D70Z, asfalt modyfikowany elastomerem SBS z Rafinerii Gdańskiej S.A.
DE50 4G. Pozostałe asfalty wymienione w tablicy 1 wykorzystano w dalszych badaniach.
Tablica 1. Właściwości fizyczne asfaltów przed starzeniem
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Badanie
D50G
D70G
DE50 3G
DE50 4G
D50Z
Penetracja, 100g, 5s, [0,1mm]:
8
11
10
10
7
7°C
20
27
30
27
16
15°C
30
50
44
49
26
20°C
52
76
79
77
45
25°C
Ciągliwość [cm]:
119
101
15°C
>158
>158
124
133
>158
25°C
51
46,4
61,6
70,7
50,1
Temperatura mięknienia PiK [°C]
Temperatura łamliwości wg Frassa
-9
-5
-9
-10
-6
[°C]
Lepkość dynamiczna [Pa*s]:
504,8
209,8
784,8
60°C
25,87
68,41
90°C
0,67
0,37
0,81
1,23
0,85
135°C
91,8
95,7
Nawrót sprężysty w 25°C [%]
Wyniki badań po odparowaniu w cienkiej warstwie w 165°C (TFOT)
Zmiana masy po wygrzewaniu w
0,00
-0,04
-0,07
-0,08
-0,01
cienkiej warstwie 165°C, [%]
Penetracja, 100g, 5s, [0,1mm]:
8
7
10
8
7
7°C
15
16
20
22
11
15°C
22
31
38
37
19
20°C
34
50
58
54
29
25°C
Ciągliwość [cm]:
78
76
15°C
>158
>158
152
99
>158
25°C
54,3
49,5
59,8
69,6
57,5
Temperatura mięknienia PiK [°C]
Temperatura łamliwości wg Frassa
-8
-4
-9
-10
-7
[°C]
Lepkość dynamiczna [Pa*s]:
950,2
353,5
2161
60°C
30,07
81,86
90°C
0,86
0,55
1,11
1,44
1,23
135°C
82,0
88,2
Nawrót sprężysty w 25°C [%]
„-„ oznacza - nie badano
D70Z Olex45
9
24
42
72
49,9
>158
49,3
-13
>158
65,9
-16
367,6
0,55
-
24,6
2,2
66
0,01
-
8
18
30
47
39,1
>158
52,6
-8
152
62,8
-
939,4
0,95
-
43,8
3,45
66
Do badanych mieszanek mineralno-asfaltowych użyto grysy bazaltowe frakcji 8/11, 5/8,
2/5, 0/4 mm z Wilkowa, piasek łamany 0/2 mm z Granicznej oraz wypełniacz wapienny z
Trzustkawicy. Jako stabilizator do mastyksu grysowego SMA i asfaltu drenażowego
zastosowano włókna celulozowe Technocel 1004 w ilości 0,3% w stosunku do masy mieszanki
mineralno-asfaltowej.
Zaprojektowano trzy typy mieszanek mineralno-asfaltowych: beton asfaltowy, mastyks
grysowy SMA oraz asfalt drenażowy. Przy projektowaniu betonu asfaltowego zastosowano
mieszankę o uziarnieniu do 12,8 mm, mastyksu grysowego SMA i asfaltu drenażowego
mieszankę o uziarnieniu do 11 mm. Do betonu asfaltowego użyto czterech rodzajów asfaltów:
D50G, D70G, D70Z, DE50 4G, natomiast do SMA użyto asfaltów: D70G, DE50 4G i D70Z. Do
mieszanki asfaltu drenażowego użyto asfalty: D70 i DE50B. W sumie przebadano 9 rodzajów
mieszankę mineralno-asfaltowych.
Betony asfaltowe i mastyksy grysowe SMA zaprojektowano zgodnie ówczesnymi polskimi
i niemieckimi przepisami obowiązującymi w czasie trwania badań [1,2]. Asfalt drenażowy
zaprojektowano zgodnie z europejskimi przepisami [3].
2.2. Badania starzenia mieszanek mineralno-asfaltowych
Badanie starzenia asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej polegało na określeniu jej cech
mechanicznych tj.: modułów sztywności sprężystej i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po
krótkoterminowym i długoterminowym starzeniu.
Krótkoterminowe i długoterminowe starzenia wykonywano wg. procedury opracowanej w
Katedrze Inżynierii Drogowej na podstawie instrukcji z amerykańskiego programu badawczego
SHRP. Krótkoterminowe starzenie (STOA – starzenie krótkoterminowe w suszarce) mieszanki
mineralno-asfaltowej symuluje zmiany jakie zachodzą podczas produkcji, transportu,
wbudowania i zagęszczenia mieszanki mineralno-asfaltowej. Długoterminowe starzenie (LTOA
– starzenie długoterminowe w suszarce) mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany jakie
zachodzą podczas użytkowania nawierzchni. Przyjętymi miarami starzenia asfaltu w mieszance
mineralno-asfaltowej są: zmiana modułu sztywności sprężystej, zmiana wytrzymałości na
pośrednie rozciąganie.
W prezentowanej pracy badania modułów sztywności sprężystej i wytrzymałości na
pośrednie rozciąganie dla określenia odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na starzenie
wykonano w temperaturze 25°C.
2.2.1. Proces przygotowania i starzenia próbek
Starzenie krótkoterminowe
Mieszankę wytwarzano w mechanicznej mieszarce, w temperaturze 150° albo 160°C
odpowiednio do penetracji użytego asfaltu 70 j.pen., 50 j.pen. Przed wymieszaniem z asfaltem
kruszywo grzano w temperaturze mieszania przez minimum 2 godziny. Następnie
niezagęszczoną mieszankę poddano procesowi starzenia krótkoterminowego (STOA). Mieszankę
rozkładano w blaszane formy tak, aby grubość warstwy wynosiła 1,5 cm (około 21 do 22 kg/m2).
Formy z mieszanką poddano starzeniu w suszarce z nawiewem wymuszonym w temperaturze
135°C ±1°C. Mieszankę cyklicznie mieszano 5 razy, w ciągu 4 godzin ±5 minut, w równych
odstępach czasu (co 48 minut). Następnie mieszankę podgrzewano do temperatury 150°, lub
160°C odpowiednio do stosowanego asfaltu (70 j.pen., lub 50 j.pen.) i formowano typowe próbki
jak do badania Marshalla (D=101 mm, H=63,5 mm), używając normowego ubijaka Marshalla.
Próbki zagęszczano 75 uderzeniami ubijaka na każdą stronę. Po zagęszczeniu próbki studzono, a
następnie wyciskano z form stalowych i umieszczano w pomieszczeniu do przechowywania
próbek.
Starzenie długoterminowe
Starzenie długoterminowe przeprowadzono na próbkach zagęszczonych i poddanych
wcześniej starzeniu krótkoterminowemu. Długoterminowe starzenie (LTOA) polegało na
przechowywaniu uformowanych i zagęszczonych próbek w suszarce z nawiewem przez 120
godzin ± 0,5 godz. (5 dni) w temperaturze 85°C ± 1°C. Próbki owinięte były drobną siatką
miedzianą celem zabezpieczenia przed ewentualnymi deformacjami. Po 120 godzinach suszarkę
z nawiewem wyłączano i pozostawiano próbki do czasu ich schłodzenia w temperaturze
pokojowej.
Próbki niestarzone
Jako próbki kontrolne przygotowywano próbki nie poddawane starzeniu krótko- i
długoterminowemu zwane dalej “niestarzonymi” (N.S.). Po przygotowaniu mieszanki mineralnoasfaltowej i osiągnięciu przez mieszankę temperatury 150° lub 160°C odpowiednio do penetracji
użytego asfaltu 70 j.pen., lub 50 j.pen. formowano typowe próbki jak do badania Marshalla
(D=101 mm, H=63,5 mm), używając normowego ubijaka Marshalla. Próbki zagęszczano 75
uderzeniami ubijaka na każdą stronę.
Inne dane
Do badań przyjmowano próbki, w których zawartość wolnych przestrzeni zawierała się w
zakresie ( v − 2 s; v + 2 s) , gdzie v -średnia zawartość wolnych przestrzeni, s- odchylenie
standardowe.
Wszystkie próbki przed właściwymi badaniami poddane były kondycjonowaniu w
temperaturach badania przez okres min. 4 godzin (dla temperatur 20 i 25°C) oraz od 12 do 24
godzin (dla temperatur od+10 do -10°C).
Każdą próbkę badano stosując nieniszczące badanie modułu sztywności sprężystej przy
pośrednim rozciąganiu i niszczące badanie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie.
2.2.2. Moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu
Badanie modułu sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu przeprowadzono w
aparacie Nottingham Asphalt Tester (NAT) podczas dynamicznego obciążania próbek.
Obciążenie polegało na wywarciu stałego naprężenia poziomego 220 kPa dla temperatury
badania 25°C w czasie 0,1 s i odciążeniu w czasie 0,6 s. Podczas badania modułu sztywności
sprężystej wykorzystano test kontrolowanego naprężenia. Poziomy naprężenia dla
poszczególnych temperatur dobrano w oparciu o dodatkowe analizy i badania.
2.2.3. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie
Badanie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przeprowadzono w prasie do badania
Marshalla, o przesuwie tłoka 50 mm/min. Obciążenie było przekazywane przez przekładki o
szerokości 12 mm i krzywiźnie o promieniu 50,5 mm, aż do zniszczenia próbki. Temperatura
badania wynosiła 25°C.
Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie wyznaczono na podstawie wzoru (1):
2P
(1)
Rt =
T
πHD
gdzie:
RtT - wytrzymałość na pośrednie rozciąganie w temperaturze badania T, w [MPa],
P - maksymalna siła w chwili zniszczenia próbki, w [MPa],
H - grubość próbki, w [m],
D - średnica próbki, w [m],
π - 3,1416.
2.2.4. Sposób interpretacji wyników badań
Miarą starzenia mieszanek mineralno-asfaltowych jest ich usztywnienie się wyrażone
poprzez wzrost modułu sztywności sprężystej oraz wzrost wytrzymałości na pośrednie
rozciąganie próbek w temperaturze badania 25°C. Miarami starzenia są: wskaźnik modułu
sztywności sprężystej oraz wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie.
Wskaźnik modułu sztywności sprężystej zdefiniowany jest jako:
Mr( po starzeniu )
(2)
* 100%
WS =
Mr(nie starzone )
gdzie:
Mr(po starzeniu) - średni moduł sztywności sprężystej próbek po starzeniu, w [MPa],
Mr(nie starzone) - średni moduł sztywności sprężystej próbek nie starzonych, w [MPa],
Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie zdefiniowany jest jako:
R( po starzeniu )
(3)
WR =
* 100%
R(nie starzone )
gdzie:
R(po starzeniu) - średnia wytrzymałość próbek po starzeniu, w [MPa],
R(nie starzone) - średnia wytrzymałość próbek nie starzonych, w [MPa].
Wskaźniki modułu sztywności sprężystej oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie
większe od wartości 1 wskazują na postępujący proces starzenia mieszanek mineralnoasfaltowych. W przypadku wartości mniejszych od 1, co ma miejsce dla mieszanek z asfaltami
modyfikowanymi, również zachodzi proces starzenia, lecz jest on związany z rozpadem
polimerów w asfaltach.
2.2.5. Wyniki badań starzenia i ich analiza
Z powodu ograniczeń co do objętości referatu zdecydowano się do przedstawienia tylko
części wyników. Tablice 3 i 4 przedstawiają tylko wyniki badań próbek starzonych zgodnie z
ostatecznymi zaleceniami SHRP, badanych tylko w jednej temperaturze i jednego parametru –
modułu sztywności sprężystej.
Przedstawione wyniki badań modułu sztywności sprężystej pokazują, że starzenie
krótkoterminowe próbek wszystkich typów mieszanek zależy od rodzaju asfaltu.
Spośród czterech rodzajów asfaltów zastosowanych w mieszankach betonu asfaltowego,
asfalt D70G okazał się najbardziej wrażliwy na starzenie. Najbardziej odporna na proces
starzenia krótkoterminowego okazała się mieszanka betonu asfaltowego zawierająca asfalt
modyfikowany DE50 4G. Krótkie oddziaływanie wysokiej temperatury (135°C) powoduje
wzrost sztywności od 15 do 79%. Żeby w pełni skomentować te różnice należy wyjaśnić proces
starzeniowy jaki zachodzi w asfalcie modyfikowanym.
Tablica 3. Moduł sztywności sprężystej i jego wskaźniki w 25oC dla betonów asfaltowych
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Właściwość
Moduł sztywności sprężystej, MPa, dla betonów
asfaltowych z następującymi asfaltami
D70G
D50G
DE50 4G
D70Z
Moduł sztywności sprężystej, MPa
Niestarzone (NA)
2363
4651
2670
3038
Starzenie krótkoterminowe (STOA)
4222
5483
3081
4254
Starzenie długoterminowe (LTOA)
4805
6710
2359
6389
Wskaźniki modułów
STOA / NA
1,79
1,18
1,15
1,40
LTOA / STOA
1,14
1,22
0,77
1,50
LTOA / NA
2,03
1,44
0,88
2,10
Tablica 4. Moduł sztywności sprężystej i jego wskaźniki w 25oC dla SMA i asfaltu drenażowego
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Właściwość
Moduł sztywności sprężystej, MPa
Dla SMA z następującymi
Dla asfaltu
asfaltami
drenażowego
DE50 4G
D70Z
D70G
DE50 4G
D70G
Moduł sztywności sprężystej, MPa
Niestarzone (NA)
2156
2269
Starzenie krótkoterminowe (STOA)
3593
2531
Starzenie długoterminowe (LTOA)
4182
2837
Wskaźniki modułów
STOA / NA
1,67
1,12
LTOA / STOA
1,16
1,12
LTOA / NA
1,94
1,25
2291
3232
4020
1412
3889
4725
1745
1921
2436
1,41
1,24
1,75
2,75
1,21
3,35
1,10
1,27
1,40
Istnieje hipoteza, że w asfalcie modyfikowanym podczas obróbki termicznej z dostępem
tlenu zachodzi częściowy rozpad polimeru. Rozpad ten powoduje spadek sztywności asfaltu.
Jednocześnie zachodzą procesy odparowywania lekkich frakcji węglowodorowych i utleniania,
powodujące usztywnianie się asfaltu. Te dwa procesy, zachodzące w tym samym czasie
nakładają się na siebie. Można też przypuszczać, że proces utleniania i odparowania lekkiej
frakcji węglowodorowej jest spowolniony w asfalcie modyfikowanym przez jego specyficzną
strukturę. W asfalcie tym część lekkich frakcji jest wchłonięta przez domeny poliestrowe, które
pęcznieją i wchłaniając lekkie frakcje asfaltu wielokrotnie zwiększają swoją objętość. W
rezultacie pozostała (niewchłonięta) część węglowodorów jest cięższa i bardziej odporna na
odparowanie.
Wyniki badań starzenia długoterminowego w 85°C próbek betonu asfaltowego pokazały, że
rodzaj asfaltu ma nieznaczny wpływ na poziom starzenia długoterminowego. Najbardziej
podatny na starzenie okazał się asfalt D70Z z firmy Nynas. Pozostałe wyniki badań
prezentowane w raporcie z projektu badawczego pozwoliły sformułować wniosek, że szybkość
starzenia długoterminowego próbek betonu asfaltowego zależy od rodzaju asfaltu, temperatury
starzenia, czasu starzenia oraz zawartości wolnych przestrzeni w mieszance. W momencie
wzrostu zawartości wolnych przestrzeni lub temperatury starzenia tempo starzenia określone
wskaźnikiem modułu sztywności sprężystej również rosło.
Mieszanki mastyksowo-grysowe SMA i asfaltu drenażowego zawierające asfalt
modyfikowany DE504G okazały się mniej wrażliwe na starzenie krótkoterminowe niż mieszanki
zawierające asfalty zwykłe. W starzeniu długoterminowym rodzaj asfaltu nie wpływał istotnie na
zmiany starzeniowe.
3. Odporność na działanie wody i mrozu
Ruch samochodowy i czynniki atmosferyczne wpływają niszcząco na nawierzchnie
drogowe. Czynniki atmosferyczne takie jak temperatura, powietrze i woda mogą być główną
przyczyną wpływającą na trwałość mieszanki mineralno-asfaltowej. W klimacie łagodnym, gdzie
dobre gatunkowo kruszywa i asfalty są dostępne, główną przyczyną niszczenia nawierzchni
asfaltowych jest ruch samochodowy, czego następstwem mogą być spękania zmęczeniowe,
koleinowanie (odkształcenia trwałe) i zniszczenia powierzchniowe. Ale kiedy bardziej srogi
klimat idzie w parze z gorszymi materiałami i dużym ruchem samochodowym efektem będą
przedwczesne uszkodzenia nawierzchni w postaci złuszczeń lub rakowin.
Chociaż wiele czynników środowiskowych przyczynia się do niszczenia nawierzchni
asfaltowych, to kluczowym elementem w degradacji mieszanek mineralno-asfaltowych jest woda
i mróz. Główne mechanizmy niszczenia przez wodę i mróz struktury wewnętrznej mieszanki
mineralno-asfaltowej są następujące:
-odmywanie asfaltu z kruszywa („stripping”),
-utrata kohezji i sztywności cienkiej warstwy asfaltu,
-utrata adhezji pomiędzy kruszywem i asfaltem,
-pękanie poszczególnych ziaren kruszywa poddanych zamrażaniu i odmrażniu,
-rozsadzanie mieszanki mineralno-asfaltowej przez zamarzającą wodę.
Mechanizmy te powodują obniżenie parametrów wytrzymałościowych mieszanek.
Siła destrukcyjnego działania czynników atmosferycznych zależy, tak jak wspomniano
wcześniej, od rodzaju materiałów użytych do mieszanek mineralno-asfaltowych, a ściśle mówiąc
od powiązania na powierzchni styku asfaltu z kruszywem.
3.1. Badane materiały
Do badań oddziaływania wody i mrozu wykorzystano 11 rodzajów asfaltów: 5 asfaltów
modyfikowanych elastomerem SBS i 6 asfaltów zwykłych z rafinerii krajowych i zagranicznych.
Parametry badanych asfaltów przedstawiono w tablicach 1 i 5.
Tablica 5. Wyniki badań części asfaltów wykorzystanych do mastyksów grysowych SMA
przy badaniach oddziaływania wody i mrozu
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Badanie
D50RG
D70RG
DE50RG
Penetracja, 100g, 5s, [0,1mm]:
12,2
14,2
11,3
5°C
20,6
29,8
26,4
15°C
54,2
70,0
70,0
25°C
Ciągliwość [cm]:
125,7
15°C
>155
>155
145,2
25°C
57,9
48,5
58,8
Temperatura mięknienia PiK [°C]
-16*
-18*
-13*
Temperatura łamliwości wg Frassa [°C]
Lepkość dynamiczna [Pa*s]:
60°C
727,83
224,49
1736*
21,48
9,41
23,43
90°C
0,74
0,43
1,07
135°C
74
Nawrót sprężysty w 25°C [%]
Wyniki badań po odparowaniu w cienkiej warstwie w 165°C (TFOT)
Zmiana masy po wygrzewaniu w
-0,07
-0,03
0,05
cienkiej warstwie 165°C, [%] **
Penetracja, [100g, 5s, 0,1mm]:
8,6
10,2
7,0
5°C
16,1
23,5
20,3
15°C
33,8
50,3
55,3
25°C
Ciągliwość [cm]:
120,9
15°C
65,8
>155
142,7
25°C
65,5
55,8
67,8
Temperatura mięknienia PiK [°C]
-10*
-13*
-12*
Temperatura łamliwości wg Frassa [°C]
Lepkość dynamiczna [Pa*s]:
60°C
487,65
42,10
15,24
32,00
90°C
1,14
0,59
1,23
135°C
brak
Nawrót sprężysty w 25°C [%]
DE90RG
14,2
43,6
117,0
144,3
137,3
79,0
-15*
29,09
1,13
96
0,31
9,3
27,5
73,4
123,2
136,5
80,5
-14*
45,07
1,25
brak
* - przyjęto na podstawie świadectw jakości asfaltów,
** - znak minus oznacza spadek masy, znak plus oznacza przyrost masy.
Do badania odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu użyto
grysy granitowe frakcji 11/16, 8/11, 5/8, 2/5, 0/5 mm z Glensanda (Szkocja), piasek łamany 0/2
mm z Granicznej oraz wypełniacz wapienny z Piechcina.
Zaprojektowano dwa typy mieszanek mineralno-asfaltowych: beton asfaltowy i mastyks
grysowy SMA. Przy projektowaniu betonu asfaltowego zastosowano mieszankę o uziarnieniu do
0/20 mm (maksymalne ziarno 16 mm), a mastyksu grysowego SMA mieszankę o uziarnieniu do
11 mm. Do betonu asfaltowego użyto siedmiu rodzajów asfaltów: D50G, D70G, D50Z, D70Z,
DE50 3G, DE50 4G, Olex45 natomiast asfaltów: D50RG, D70RG, DE50RG i DE90RG użyto do
SMA. Jako stabilizator do mastyksu grysowego SMA zastosowano włókna celulozowe
Technocel 1004 w ilości 0,3% w stosunku do masy mieszanki mineralno-asfaltowej. W
mastyksie grysowym SMA uzupełniająco zastosowano dodatek adhezyjny Teramin14 w ilości
0,3% w stosunku do asfaltu.
W sumie przebadano 15 rodzajów mieszanek mineralno-asfaltowych.
Betony asfaltowe i mastyksy grysowe SMA zaprojektowano zgodnie z ówczesnymi
polskimi i niemieckimi przepisami [1,2].
3.2. Badania odporności na działanie wody i mrozu mieszanek mineralno-asfaltowych
Badanie odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody i mrozu polegało
na określeniu i ocenie wybranych cech mechanicznych zagęszczonych mieszanek po przejściu
odpowiednich cykli pielęgnacyjnych, symulujących warunki atmosferyczne panujące na drodze.
Badano moduły sztywności sprężystej i wytrzymałość na pośrednie rozciąganie.
Badania odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na działanie wody oraz łącznie wody
i mrozu przeprowadzono opierając się na procedurach badaczy amerykańskich. Odporność na
działanie wody przeprowadzono wg metody D. G. Tunnicliffa i R. E. Roota znormalizowanej w
postaci normy ASTM D 4867. Odporność na działanie wody i mrozu łącznie przeprowadzono
wg metody R. P. Lottmana znormalizowanej w postaci normy AASHTO T283. Metodę
AASHTO trochę zmodyfikowano przez: wydłużenie cykli zamrażania i odmrażania z 1 do 18
cykli i wprowadzenie dodatku soli kuchennej do rozmrażania.
Miarą odporności mieszanki mineralno-asfaltowej na działanie wody i mrozu są zmiany
modułu sztywności sprężystej i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po przejściu cykli
pielęgnacyjnych w stosunku do modułu sztywności i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie bez
pielęgnacji. Oznacza się to przez wskaźniki modułu sztywności sprężystej i wskaźnik
wytrzymałości na rozciąganie pośrednie.
Wskaźnik modułu sztywności sprężystej zdefiniowany jest jako:
WS =
średni moduł sztywności sprężystej próbek pielęgnowanych
⋅ 100%
średni moduł sztywności sprężystej próbek bez pielęgnacji
(4)
Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie zdefiniowany jest jako:
WR =
średnia wytrzymałość próbek pielęgnowanych
⋅ 100%
średnia wytrzymałość próbek bez pielęgnacji
(5)
Im mniejsze są wskaźniki WS i WR tym bardziej mieszanka mineralno-asfaltowa jest
wrażliwa na działanie wody i mrozu. Akceptowalne wartości WS i WR są na poziomie 70–80%.
3.2.1. Przygotowanie próbek do badań odporności na działanie wody i mrozu
Przygotowywano próbki z mieszanki mineralno-asfaltowej po krótkoterminowym starzeniu
opisanym w punkcie 2.2.1. Temperaturę zagęszczenia i liczbę uderzeń ubijaka normowego
Marshalla wyznaczono doświadczalnie dla każdej mieszanki mineralno-asfaltowej (2 rodzaje
mieszanki i 11 rodzajów asfaltów), tak by uzyskać około 6-8 % wolnych przestrzeni w
mieszance mineralno-asfaltowej wg. zaleceń badaczy amerykańskich Lottmana, Roota i
Tunnicliffa.
Dla przykładu zagęszczany beton asfaltowy, przeznaczony do badań odporności na
działanie wody i mrozu zawierał około 8,5% wolnych przestrzeni. Ten sam beton asfaltowy
zagęszczany normowo według Marshalla zawierał od 3,0 do 3,5% wolnych przestrzeni.
Zawartość wolnych przestrzeni zwiększona w badanych próbkach do 8%, a nawet 10%, jest
zalecana w procedurach amerykańskich (SUPERPAVE, AASHTO T283). Zwiększa to
agresywność działania wody i mrozu na beton asfaltowy oraz modeluje przypadki ekstremalne, tj
gdy warstwa nawierzchni nie została w pełni zagęszczona. Do badań przyjmowano próbki, w
których zawartość wolnych przestrzeni zawierała się w przedziale: Vv= (V − 2s;.V + 2s ) , gdzie V średnia zawartość wolnych przestrzeni, s- odchylenie standardowe.
Próbki przygotowane z każdego rodzaju mieszanki mineralno-asfaltowej podzielono na trzy
grupy tak, aby każda grupa miała zbliżoną średnią gęstość pozorną i zbliżoną zawartość wolnych
przestrzeni. Sposób postępowania z każdą grupą próbek podano poniżej.
Grupa kontrolna (nie poddana pielęgnacji)
Grupa pierwsza - kontrolna nie poddana pielęgnacji, była przechowywana w laboratorium w
warunkach pokojowych, do czasu pierwszego badania próbek.
Pielęgnacja A (odporność na działanie wody)
Grupa druga próbek została poddana pielęgnacji A (odporność na działanie wody) wg
procedury Rootta, Tunnicliffa. Procedura pielęgnacji A składa się z dwóch etapów: próżniowego
nasycania próbek wodą, a następnie poddania próbek przedłużonemu oddziaływaniu wody w
podwyższonej temperaturze. Próbki zalane wodą o temperaturze 20°C przechowywano w
komorze próżniowej o ciśnieniu 200 hPa przez 30 min. Następnie umieszczono je w łaźni
wodnej o temperaturze 60°C i przechowywano przez 24 godz.
Pielęgnacja B (odporność na działanie wody i mrozu)
Grupa trzecia próbek została poddana pielęgnacji B (odporność na działanie wody i mrozu)
zbliżonej do zmodyfikowanej procedury Lottmana. Procedura pielęgnacji B składa się z trzech
etapów: próżniowego nasycania próbek wodą, cyklicznego zamrażania-odmrażania i poddania
próbek przedłużonemu oddziaływaniu wody w podwyższonej temperaturze. Próbki zalane wodą
o temperaturze 20°C przechowywano w komorze próżniowej o ciśnieniu 200 hPa, przez 30 min.
Następnie poddano je 18-krotnemu zamrażaniu i odmrażaniu (-18°C przez 4 godz., +20°C przez
4 godz.). Odmrażanie odbywało się w 2% wodnym roztworze soli kuchennej NaCl. Kolejnym
etapem było umieszczenie próbek w łaźni wodnej o temperaturze 60°C i przechowywanie przez
24 godz.
W procedurach pielęgnacyjnych A i B warunki pierwszego etapu tj. próżniowego nasycania
są następujące: ciśnienie 200 hPa i czas nasycania 30 min. Ustalono je doświadczalnie, by
osiągnąć poziom względnego nasycenia 60-80%. Nasycenie względne opisuje zależność:
NW =
zawartość wody w próbce w cm 3
zawartość wolnych przestrzeni w próbce w cm 3
(6)
Wielkość nasycenia względnego wyznaczano stosując wzór (7):
NW = [(B-A)/V(B-C)]*100%
(7)
gdzie:
NW - nasycenie względne [%],
A - ciężar próbki suchej w powietrzu [g],
B - ciężar próbki nasyconej mierzony w powietrzu (wycieranej wilgotną szmatką) [g],
C - ciężar próbki nasyconej mierzony w wodzie [g],
V - zawartość wolnych przestrzeni w próbce, wyrażona w liczbie dziesiętnej.
Jeżeli nasycenie względne było wyższe niż 80% próbki odrzucano, jeżeli był niższy niż
60% próbki ponownie poddawano próżniowemu nasycaniu, aby osiągnąć poziom 60-80%.
3.2.2. Badanie modułu sztywności i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie
Badanie modułu sztywności i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przeprowadzono
zgodnie z pkt. 2.2.2. i 2.2.3 z tą różnicą, że temperatura badania wynosiła 20°C.
3.2.3. Wyniki badań i ich analiza
Tablice 6 i 7 przedstawiają niektóre wyniki badań odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na oddziaływanie wody i mrozu.
Tablica 6. Zestawienie średnich wyników badań odporności betonów asfaltowych na
działanie wody i mrozu.
L.p.
Beton asfaltowy z użyciem asfaltu:
Parametr
D50 G
1
2
3
4
Moduł sztywności sprężystej w 20°C [MPa]
Bez pielęgnacji
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Wskaźnik modułu sztywności sprężystej, %
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Wytrzymałość na rozciąganie pośrednie w 20°C [MPa]
Bez pielęgnacji
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Wskaźnik wytrzymałości, %
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
DE50 3G DE50 4G
D50 Z
D70 Z
D70 G
Olex45
4415
2782
2229
4139
3114
2470
3602
3029
2581
4600
2810
1927
3054
1957
1382
4131
1636
809
3757
3108
2848
63,0%
50,5%
75,2%
59,7%
84,1%
71,6%
61,1%
41,9%
64,1%
45,2%
39,6%
19,6%
82,7%
75,8%
0,98
0,59
0,51
1,30
0,84
0,64
1,29
0,88
0,70
0,99
0,57
0,39
0,81
0,52
0,35
0,86
0,38
0,28
1,14
0,91
0,89
60,2%
52,0%
64,6%
49,2%
68,2%
54,3%
57,6%
39,4%
64,2%
43,2%
44,2%
32,6%
79,8%
78,0%
Tablica 7. Zestawienie średnich wyników badań odporności mastyksów grysowych SMA na
działanie wody i mrozu.
Lp.
1
2
3
4
Parametr
Moduł sztywności sprężystej w 20°C [MPa]
Bez pielęgnacji
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Wskaźnik modułu sztywności sprężystej, %
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie w 20°C [MPa]
Bez pielęgnacji
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciaganie, %
Po pielęgnacji A (woda)
Po pielęgnacji B (woda i mróz)
Mastyks grysowy SMA z użyciem asfaltu:
DE50RG DE90RG D50RG+T D70RG+T DE50RG+ T DE90RG+ T
D50RG
D70RG
2660
1541
1188
1930
1434
1014
1836
1633
659
967
831
752
2708
2085
2105
2800
1718
1794
2674
2065
1695
1519
1209
1025
57,9%
44,7%
74,3%
52,5%
88,9%
35,9%
85,9%
77,8%
77,0%
77,7%
61,4%
64,1%
77,2%
63,4%
79,6%
67,5%
0,86
0,59
0,46
0,82
0,60
0,45
0,89
0,68
0,36
0,69
0,57
0,45
0,96
0,70
0,67
0,84
0,70
0,68
0,97
0,76
0,69
0,83
0,74
0,74
68,6%
53,5%
73,2%
54,9%
76,4%
40,4%
82,6%
65,2%
72,9%
69,8%
83,3%
81,0%
78,4%
71,1%
89,2%
89,2%
Uwaga: „+T” – oznacza dodatek środka adhezyjnego Teramin 14
Z badanych betonów asfaltowych największą odporność na działanie wody oraz wody i
mrozu mają betony z asfaltami modyfikowanymi, a najgorszą odporność z asfaltem D70G.
Asfalty D50 G, D50 Z iD70 Z zajmują pośrednie miejsce. Asfalt D50G ma lepszą odporność na
łączne działanie wody i mrozu od asfaltów D50 Z i D70 Z, ale różnice pomiędzy nimi nie są
duże. Z przeprowadzonych badań betonów asfaltowych wynika, że żaden z badanych asfaltów
poza Olex45 nie zapewnia odporności na działanie wody i mrozu, i do każdego z nich poza
Olex45 należy stosować środki adhezyjne. Jeżeli przyjąć 70% jako minimalną (wymaganą)
wartość wskaźników wytrzymałości i wskaźników modułów, to można stwierdzić, że tylko
mastyks grysowy SMA z asfaltem D50RG z dodatkiem Teraminu14 spełnia to kryterium i tym
samym wykazuje wystarczającą odporność na działanie wody (WS=77% i WR=78%) oraz
łącznie wody i mrozu (WS=73% i WR=70%). Asfalt D50RG bez dodatku środka adhezyjnego
nie wykazał odporności na działanie wody jak i łącznie wody i mrozu.
Zaskakujące wyniki badań uzyskano dla dwóch asfaltów modyfikowanych. O ile asfalty
DE50RG i DE90RG bez dodatku i z dodatkiem Teraminu14 zachowały odporność na działanie
wody, to nie zachowały odporności na działanie łącznie wody i mrozu. Dodatek środka
adhezyjnego także nie uodpornił mieszanek SMA na działanie wody i mrozu (WS<70%),
pomimo wyraźnego wzrostu odporności.
Analizując powyższe wyniki należy zwrócić uwagę na to, że stosowane procedury
badawcze odnoszą się do betonu asfaltowego. Mastyks grysowy SMA jest innym typem
mieszanki niż beton asfaltowy. Wpływ wody i mrozu na właściwości mechaniczne SMA w
warunkach laboratoryjnych może być odmienny niż w rzeczywistości. Sprawa ta wymaga
dalszych badań i analiz.
4. Wnioski
Wyniki przeprowadzonych badań starzenia betonów asfaltowych, mastyksów grysowych
SMA oraz asfaltów drenażowych pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:
1. Badania wykazały dużą wrażliwość metody badania modułu sztywności na zmiany
właściwości mieszanki oraz na warunki badania. Dlatego, przy zastosowaniu modułu
sztywności sprężystej jako narzędzia do badania starzenia, wszystkie właściwości
mieszanki mineralno-asfaltowej oraz warunki badania powinny być dokładnie
kontrolowane.
2. Wyniki badań pokazały, że rodzaj mieszanki, zawartość wolnych przestrzeni oraz rodzaj
asfaltu wpływają na wrażliwość mieszanek mineralno-asfaltowych na starzenie w tych
samych warunkach starzenia.
3. Wielkość starzenia krótkoterminowego (STOA) w znacznym stopniu zależy od rodzaju
asfaltu dla tych samych mieszanek mineralno-asfaltowych. Wielkość starzenia
długoterminowego (LTOA) w mniejszym stopniu zależy od rodzaju asfaltu.
4. Wskaźnik modułu sztywności sprężystej jest dobrym parametrem do oceny wrażliwości
na starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych.
5. Rodzaj asfaltu ma znaczący wpływ zarówno na poziom starzenia krótkoterminowego jak i
długoterminowego mieszanek mineralno-asfaltowych. Trzy badane typy mieszanek: beton
asfaltowy, mastyks grysowy SMA oraz asfalt drenażowy, zawierające asfalt
modyfikowany DE50B wykazały wolniejsze tempo starzenia krótkoterminowego i
długoterminowego niż mieszanki zawierające asfalt zwykły D70. Jednakże, w celu
wyraźnego określenia wpływu starzenia na właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych
zawierających asfalty zwykłe i modyfikowane, istnieje potrzeba prowadzenia dalszych
badań.
Wyniki przeprowadzonych badań betonów asfaltowych i mastyksów grysowych SMA
pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:
1. Badania modułu sztywności sprężystej oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie
pozwalają na ocenę asfaltów w poszczególnych mieszankach mineralno-asfaltowych pod
względem ich wrażliwości na oddziaływanie wody i mrozu.
2. Wskaźnik modułu sztywności i wskaźnik wytrzymałości jest dobrym parametrem do oceny
wrażliwości mieszanek mineralno-asfaltowych na oddziaływanie wody i mrozu. Konieczne
są dalsze badania do ustalenia jednoznacznego kryterium liczbowego oceny mieszanek w
polskich warunkach klimatycznych.
3. Mieszanki mineralno-asfaltowe z zastosowaniem asfaltów modyfikowanych wykazały
większą odporność na oddziaływanie wody, oraz łącznie wody i mrozu w porównaniu do
mieszanek mineralno-asfaltowych z zastosowaniem asfaltów zwykłych.
4.
Środek adhezyjny Teramin 14 podnosił istotnie odporność na działanie wody i mrozu w
większości badanych mieszankach. Zdarzały się jednak mieszanki, gdy jego oddziaływanie
było mało skuteczne.
Literatura
[1]Zasady projektowania betonu asfaltowego o zwiększonej odporności na odkształcenia trwałe,
Zeszyt 48, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, 1995
[2] ZTV bit-StB 84/90,Zusäzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau
von Fahrbahndecken aus Asphalt
[3] Lefebvre G. and working group, Porous Asphalt, AIPCR PIARC, 08.01.B, 1993
[4] Judycki J., Jaskuła P., Pszczoła M., Wpływ starzenia i oddziaływania wody i mrozu na
zmianę właściwości mechanicznych mieszanek mineralno-asfaltowych, Sprawozdanie z projektu
badawczego, KBN, Gdańsk 2001
THE INFLUENCE OF AGEING AND ACTION OF WATER AND
FROST ON CHANGES OF PROPERTIES OF ASPHALT MIXES
Summary
The paper presents some results of research carried out at the Gdansk University of
Technology under the contract granted by the Committee of Scientific Research. The research
covered two groups of environmental factors which very significantly affect pavement
performance, namely ageing and action of water and frost. Ageing of asphalt mixes was
simulated in the laboratory according to the procedure worked out by the Strategic Highway
Research Programe in USA. Action of water and frost was tested with use of a modified
AASHTO T283 procedure. The following variables were analyzed: (a) type of asphalt mix
(asphalt concrete and stone mastic asphalt SMA), (b) type of bitumen (pure unmodified and
modified, produced in different refineries, with different viscosities and other engineering
properties), (c) use of adhesive agent (mixes with and without adhesive agent). The main findings
were the following. It was proved the testing methods used were effective and enabled proper
evaluation of tested mixes. Ageing was mainly dependent upon type of a mix, voids content the
type of bitumen used. The effect of the bitumen used was very pronounced for short term oven
ageing and was less important for long term oven ageing. Mixes with modified bitumens were
more resistant to action of water and frost. Adhesive agent was in most cases effective in increase
of water and frost resistance of asphalt mixes. However, the same adhesive agent was not
effective for some tested mixes.