Grabowski, Słowik, Wilanowicz, Soból

prof. dr hab. inŜ. Wojciech Grabowski
dr inŜ. Mieczysław Słowik
dr inŜ. Jarosław Wilanowicz
mgr inŜ. Tomasz Soból
Politechnika Poznańska
Instytut InŜynierii Lądowej
Polska
WPŁYW WYPEŁNIACZY WŁASNYCH NA STARZENIE
LEPISZCZY MODYFIKOWANYCH ELASTOMEREM SBS
ZACHODZĄCE W ZACZYNACH ASFALTOWYCH
BAGHOUSE FILLERS INFLUENCE TO SBS POLYMER MODIFIED BINDERS AGEING
OCCURRED IN ASPHALT MASTICS
Streszczenie
Przedmiotem badań i analiz były dwa rodzaje wypełniaczy – pyły mineralne uzyskane z instalacji
odpylania podczas produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych oraz wypełniacz wapienny jako
referencyjny. Przebieg procesu starzenia oceniano metodą laboratoryjną TFOT dla próbek lepiszczy
modyfikowanych elastomerem SBS i zaczynów sporządzonych z udziałem lepiszczy oraz wymienionych
powyŜej wypełniaczy. Badania i ocenę struktury i morfologii wypełniaczy przeprowadzono według własnej
metodyki, którą oparto na analizie jakościowej i ilościowej kształtu i tekstury ziaren. Ocenę właściwości
fizycznomechanicznych i funkcjonalnych, w szczególności właściwości usztywniających wypełniaczy w
zaczynach asfaltowych dokonano na podstawie wyników oznaczania lepkości dynamicznej oraz temperatury
mięknienia wg PiK. Te dwie miary są uznawane za najbardziej wiarygodne do oceny właściwości
usztywniających, ze względu na dobrą powtarzalność wyników i małą wraŜliwość na zjawisko sedymentacji
wypełniacza w zaczynie asfaltowym. Rezultaty badań wykazały wpływ zarówno stopnia modyfikacji
lepiszcza, jak i rodzaju zastosowanego wypełniacza na właściwości zaczynów asfaltowych sporządzonych z
ich udziałem po starzeniu metodą TFOT.
Summary
The objects of presented tests and analysis were two types of fillers – mineral dust obtained from de-dusting
system during asphalt mixtures production, as well as limestone filler as a referenced material. Ageing
process was assessed using laboratory method TFOT for samples of SBS polymer modified bituminous
binders and mastics prepared as a composite of these binders and the fillers mentioned above. Tests and
assessment of the fillers structure and morphology were carried out according to the authors’ own
methodology based on qualitative and quantitative analysis of shape and texture of filler grains. Physical,
mechanical and functional properties, particularly stiffening properties of fillers in asphalt mastics were
assessed on the basis of test results of dynamic viscosity and Softening Point acc. to “R&B” method. These
two parameters are acknowledged as the most reliable to fillers’ stiffening properties assessment because of
good repeatability of the results and small susceptibility to sedimentation of filler grains in asphalt mastic.
The test results showed influence of bitumen modification degree, as well as type of filler used on properties
of asphalt mastics composed on the basis of these materials, aged with TFOT method.
1. Wprowadzenie
Od wielu lat producenci mieszanek mineralno-asfaltowych wykazują zainteresowanie moŜliwością
wykorzystania pyłów mineralnych do budowy warstw asfaltowych nawierzchni drogowych w Polsce.
Aktualnie obowiązujące przepisy nie pozwalają na szerokie wykorzystanie do produkcji mieszanek
mineralno-asfaltowych pyłów uzyskanych z filtrów workowych podczas procesu odpylania kruszywa. Jako
wypełniacz naleŜy obligatoryjnie stosować mączkę wapienną produkowaną przemysłowo. Znaczna część
wypełniacza własnego pozostającego w filtrach workowych po odpyleniu kruszywa (szczególnie piasku
łamanego, gdzie zawartość ziaren mniejszych od 0,075 mm dochodzi do 15%) musi zostać potraktowana
jako odpad przemysłowy i zutylizowana. Prace badawcze prowadzone przez autorów referatu od 2002 roku
mają na celu wykazanie przydatności wypełniaczy własnych do wykonywania warstw asfaltowych
nawierzchni.
Na podstawie analizy literatury dotyczącej rozpatrywanego zagadnienia moŜna stwierdzić, Ŝe:
− bardzo drobne pyły zastosowane w mieszankach mineralno-asfaltowych powodują zwiększenie ich
nasiąkliwości oraz obniŜenie stabilności [1];
− pyły zatrzymane w filtrach workowych mogą być przydatne do produkcji mieszanek mineralnoasfaltowych pod warunkiem, Ŝe jakość kruszywa z którego zostały uzyskane jest odpowiednia [2];
− bardzo drobny pył o ziarnach < 0,02 mm zachowuje się jak domieszka do lepiszcza asfaltowego, co
moŜe skutkować koniecznością zmniejszenia zawartości asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej [3].
Podobne spostrzeŜenia zawarte są w pracy [1];
− temperaturę mięknienia oznaczoną wg metody PiK oraz lepkość dynamiczną moŜna uznać za najbardziej
wiarygodne miary oceny właściwości usztywniających pyłów w kompozytach mineralno-asfaltowych [4,
5];
− uziarnienie pyłów z filtrów workowych moŜe być bardzo zróŜnicowane. Rezultaty badań
przeprowadzonych w 32 wytwórniach MMA wykazały zmienność uziarnienia podczas produkcji
zarówno w czasie dnia roboczego jak i w poszczególnych dniach tygodnia [6];
− krytyce poddano zastosowanie metody reometru ścinania dynamicznego (DSR) do oceny właściwości
usztywniających pyłów z powodu problemów związanych z niekontrolowanym rozsegregowaniem
kompozytu w czasie prowadzenia badań [7];
Przedmiotem badań wykonanych w Politechnice Poznańskiej w latach 2003÷2005 [8, 9, 10, 11] były
pyły uzyskane z instalacji odpylania czterech rodzajów kruszywa: grano-diorytowego, bazaltowego,
dolomitowego i melafirowego. Wypełniacz wapienny, stosowany jako wypełniacz podstawowy do MMA,
uwzględniono w programie badań jako wypełniacz referencyjny. Badania te obejmowały ilościową ocenę
morfologii ziaren pyłów mineralnych, która istotnie rozszerzyła zakres poznawczy dotyczący wpływu ich
struktury i morfologii pyłów na ich właściwości funkcjonalne.
Celem niniejszej pracy było poznanie wpływu wypełniaczy o zróŜnicowanym pochodzeniu na
właściwości zaczynów asfaltowych z udziałem asfaltów modyfikowanych, z uwzględnieniem zjawiska
starzenia technologicznego. PoniewaŜ zagadnienie jest bardzo złoŜone, metodykę badań usystematyzowano
w taki sposób, aby moŜliwa była ocena wyników badań na trzech poziomach obserwacji:
− ocena wpływu rodzaju wypełniacza na właściwości zaczynów asfaltowych;
− poznanie wpływu zawartości elastomeru SBS na właściwości lepiszczy i zaczynów modyfikowanych;
− ocena wpływu starzenia technologicznego na właściwości lepiszczy i zaczynów asfaltowych.
W niniejszej pracy przedstawiono rezultaty badań cech strukturalnych wypełniaczy własnych:
bazaltowego i dolomitowego oraz wypełniacza wapiennego jako materiału referencyjnego. Badaniu poddano
próbki wypełniaczy uzyskane po odsianiu ziaren większych od 0,075 mm. Próbki te następnie wymieszano z
próbkami asfaltu gatunku 100/150, a takŜe z próbkami lepiszczy modyfikowanych dodatkiem 3, 5 oraz 7%
elastomeru SBS (Kraton D-1101 CM o strukturze liniowej), uzyskując zaczyny asfaltowe. We wszystkich
próbkach zaczynów asfaltowych zachowano identyczną wartość stosunku wagowego lepiszcza
i wypełniacza wynoszącą 1:1,5. W tablicy 1 przedstawiono sposób nazewnictwa poszczególnych próbek
wypełniaczy, lepiszczy i zaczynów asfaltowych poddanych badaniom.
Badania właściwości funkcjonalnych zaczynów asfaltowych przeprowadzono zarówno na próbkach
nie poddanych starzeniu, jak i na próbkach poddanych symulowanemu starzeniu technologicznemu metodą
laboratoryjną TFOT (Thin Film Oven Test).
Zawartość
elastomeru
SBS
0%
3%
5%
7%
Tablica 1. Symboliczne oznaczenie badanych próbek
Zaczyny asfaltowe
Lepiszcze
Rodzaj wypełniacza
asfaltowe
bazaltowy (B)
dolomitowy (D)
100/150
100/150+B
100/150+D
100/150+3%SBS 100/150+3%SBS+B 100/150+3%SBS+D
100/150+5%SBS 100/150+5%SBS+B 100/150+5%SBS+D
100/150+7%SBS 100/150+7%SBS+B 100/150+7%SBS+D
wapienny (W)
100/150+W
100/150+3%SBS+W
100/150+5%SBS+W
100/150+7%SBS+W
2. Badania charakterystyk strukturalnych wypełniaczy własnych
W celu oceny właściwości strukturalnych i funkcjonalnych analizowanych wypełniaczy
mineralnych, oznaczono następujące parametry:
− graficzną średnią średnicę ziaren ∅śr – według metody Folka i Warda stosowanej w badaniach
sedymentacji osadów mineralnych [12], według wzoru:
∅ = log2d
(1)
gdzie: d – średnica ziarna, mm;
powierzchnię właściwą Pw – metodą Blaine’a według EN 196-6;
porowatość P – obliczona została na podstawie oznaczonej gęstości i gęstości objętościowej w stanie
zagęszczonym;
− wskaźnik aktywności Aw;
− koncentrację objętościową KO;
− wskaźnik błękitu metylenowego – według EN 933-9.
Rezultaty oznaczenia cech strukturalnych i funkcjonalnych analizowanych wypełniaczy mineralnych
zestawiono w tablicy 2.
−
−
Tablica 2. Właściwości strukturalne i funkcjonalne ocenianych próbek wypełniaczy mineralnych
Graficzna
Powierzchnia
Wskaźnik
Koncentracja Wskaźnik błękitu
średnia
Porowatość
właściwa
aktywności
objętościowa
metylenowego
Wypełniacz
średnica
MBF , g/kg
Pw , cm2/g
P, %
Aw
KO , %
∅śr.
Bazaltowy
5,70
3 781
51,7
1,5
46,6
0,7
Dolomitowy
6,69
8 222
67,1
14,8
38,1
25,0
Wapienny
6,57
8 808
61,1
10,4
43,4
2,7
3. Rezultaty badań właściwości funkcjonalnych oraz odporności na starzenie zaczynów asfaltowych
Próbki asfaltów zwykłych i modyfikowanych oraz zaczynów asfaltowych przygotowane zgodnie z
opisem zamieszczonym w p. 1, poddano badaniom laboratoryjnym, oznaczając następujące właściwości:
− penetrację w temperaturze 25°C – zgodnie z PN-EN 1426 – wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 1;
− temperaturę mięknienia według metody „Pierścień i Kula” – zgodnie z PN-EN 1427 – wyniki pomiarów
przedstawiono na rys. 2;
− lepkość dynamiczną w temperaturach: 60, 90 i 110°C; pomiary przeprowadzono z uŜyciem
lepkościomierza rotacyjnego – wyniki pomiarów przedstawiono odpowiednio na rysunkach 3, 4 i 5; w
przypadku zaczynów sporządzonych z udziałem lepiszczy modyfikowanych dodatkiem 5 i 7%
elastomeru SBS nie przeprowadzono pomiarów lepkości dynamicznej ze względu na zbyt niski zakres
pomiarowy zastosowanego lepkościomierza.
10
0/1
5
0+
3
%S
BS
+W
0+
W
3,31E+03
1,97E+03
3,76E+03
2,10E+03
9,15E+03
1,42E+04
1,31E+04
62,0
26,0
28,5
22,8
46,6
49,3
38,0
32,7
22,9
22,8
27,2
25,3
30,5
25,8
29,6
22,3
25,1
26,4
28,0
20,4
19,8
20
85,3
91,5
82,5
81,0
76,0
67,0
54,5
57,0
94,5
91,8
81,5
81,0
82,5
73,3
68,5
67,0
53,5
61,5
70,5
34,3
27,8
38,2
49,1
47,2
50,4
59,5
51,3
60,8
73,6
65,3
100
10
0/1
5
0+
D
%S
BS
+B
Przed starzeniem TFOT
10
0/1
5
0+
3
2,98E+03
2,14E+03
1,2E+04
9,00E+03
Po starzeniu TFOT
10
0/1
5
1,0E+04
5,32E+03
Po starzeniu TFOT
0+
B
%S
BS
69,3
60,3
Przed starzeniem
10
0/1
5
0+
7
8,0E+03
2,53E+03
55,0
56,8
74,0
70,0
40
10
0/1
5
2,0E+03
1,62E+03
1,4E+04
%S
BS
1,6E+04
1,40E+03
1,8E+04
7,02E+02
80
69,5
70
56,5
10
0/1
10
50
0/1
50
+3
%S
10
BS
0/1
50
+5
%S
10
BS
0/1
50
+7
%S
BS
10
0/1
10
50
0/1
+B
50
+3
%S
10
BS
0/1
+B
50
+5
%S
10
BS
0/1
+B
50
+7
%S
BS
+B
10
0/1
10
50
0/1
+D
50
+3
%S
10
BS
0/1
+D
50
+5
%S
10
BS
0/1
+D
50
+7
%S
BS
+D
10
0/1
10
50
0/1
+W
50
+3
%S
10
BS
0/1
+W
50
+5
%S
10
BS
0/1
+W
50
+7
%S
BS
+W
Penetracja w temperaturze 25°C, dmm
60
0+
5
4,0E+03
%S
BS
6,0E+03
53,0
53,0
90
6,32E+02
50
2,34E+02
60
43,5
49,3
100
0+
3
0
10
0/1
10
50
0/1
50
+3
%S
10
BS
0/1
50
+5
%S
10
BS
0/1
50
+7
%S
BS
10
0/1
10
50
0/1
+B
50
+3
%S
10
BS
0/1
+B
50
+5
%S
10
BS
0/1
+B
50
+7
%S
BS
+B
10
0/1
10
50
0/1
+D
50
+3
%S
10
BS
0/1
+D
50
+5
%S
10
BS
0/1
+D
50
+7
%S
BS
+D
10
0/1
10
50
0/1
+W
50
+3
%S
10
BS
0/1
+W
50
+5
%S
10
BS
0/1
+W
50
+7
%S
BS
+W
Temperatura mięknienia wg PiK, °C
80
10
0/1
5
10
0/1
5
10
0/1
5
Lepkość dynamiczna w 60°C, Pa·s
103,8
120
Przed starzeniem
Po starzeniu TFOT
0
Rys. 1. Wyniki oznaczania penetracji w temperaturze 25°C lepiszczy i zaczynów asfaltowych
40
30
20
10
0
Rys. 2. Wyniki oznaczania temperatury mięknienia lepiszczy i zaczynów asfaltowych
0,0E+00
Rys.3. Wyniki oznaczania lepkości dynamicznej lepiszczy i zaczynów asfaltowych w temperaturze 60°C
0,0E+00
3,09E+03
2,70E+03
1,60E+03
3,90E+02
3,64E+02
6,55E+01
8,28E+01
9,74E+02
1,95E+03
1,64E+03
9,38E+02
6,62E+01
9,68E+01
7,51E+01
8,35E+01
3,98E+02
2,09E+02
2,24E+01
3,22E+01
5,0E+02
7,90E+00
1,47E+01
1,5E+03
9,38E+01
6,12E+01
2,0E+03
6,32E+02
3,60E+02
2,5E+03
1,18E+03
8,37E+02
3,0E+03
4,93E+02
3,74E+02
1,90E+03
Po starzeniu TFOT
3,5E+03
1,0E+03
3,50E+03
3,94E+03
Przed starzeniem TFOT
4,0E+03
10
0/1
10
50
0/1
50
+3
%S
10
BS
0/1
50
+5
%S
10
BS
0/1
50
+7
%S
BS
10
0/1
10
50
0/1
+B
50
+3
%S
10
BS
0/1
+B
50
+5
%S
10
BS
0/1
+B
50
+7
%S
BS
+B
10
0
/15
10
0/1
0+
D
50
+3
%S
10
BS
0/1
+D
50
+5
%S
10
BS
0/1
+D
50
+7
%S
BS
+D
10
0
/15
10
0/1
0+
W
50
+3
%S
10
BS
0/1
+W
50
+5
%S
10
BS
0/1
+W
50
+7
%S
BS
+W
Lepkość dynamiczna w 90°C, Pa·s
4,5E+03
0,0E+00
4,87E+02
4,00E+02
2,37E+02
1,61E+02
6,26E+01
5,74E+01
1,26E+01
1,54E+01
3,14E+02
2,50E+02
1,39E+02
1,81E+02
1,15E+02
1,50E+01
1,40E+01
5,30E+01
1,89E+01
1,0E+02
1,17E+01
9,80E+00
2,0E+02
4,20E+00
5,70E+00
3,0E+02
1,70E+00
2,90E+00
4,0E+02
1,05E+02
6,37E+01
5,0E+02
9,74E+01
6,18E+01
6,0E+02
1,42E+01
1,74E+01
Po starzeniu TFOT
7,0E+02
5,98E+02
6,86E+02
Przed starzeniem TFOT
8,0E+02
2,90E+02
9,0E+02
10
0/1
10
50
0/1
50
+3
%S
10
BS
0/1
50
+5
%S
10
BS
0/1
50
+7
%S
BS
10
0
/15
10
0/1
0+
B
50
+3
%S
10
BS
0/1
+B
50
+5
%S
10
BS
0/1
+B
50
+7
%S
BS
+B
10
0
/15
10
0/1
0+
D
50
+3
%S
10
BS
0/1
+D
50
+5
%S
10
BS
0/1
+D
50
+7
%S
BS
+D
10
0
/
10
15
0/1
0+
W
50
+3
%S
10
BS
0/1
+W
50
+5
%S
10
BS
0/1
+W
50
+7
%S
BS
+W
Lepkość dynamiczna w 110°C, Pa·s
Rys.4. Wyniki oznaczania lepkości dynamicznej lepiszczy i zaczynów asfaltowych w temperaturze 90°C
Rys.5. Wyniki oznaczania lepkości dynamicznej lepiszczy i zaczynów asfaltowych w temperaturze 110°C
4. Analiza i dyskusja wyników
Analizę rezultatów badań przeprowadzono z uwzględnieniem trzech poziomów obserwacji
opisanych w p. 1.
Oceniając cechy strukturalne i funkcjonalne badanych wypełniaczy mineralnych (tablica 2) moŜna
zauwaŜyć duŜe zróŜnicowanie uzyskanych wyników. Wypełniacz bazaltowy charakteryzuje się ziarnami o
największym średnim wymiarze (najniŜsza wartość ∅śr = 5,70), czego konsekwencją są najmniejsze wartości
powierzchni właściwej (3 781 cm2/g), porowatości (51,7%), wskaźnika aktywności (1,5) i najwyŜsza wartość
koncentracji objętościowej (46,6%). Stwierdzono równieŜ bardzo niską wartość wskaźnika błękitu
metylenowego wynoszącą 0,7, która świadczy o bardzo niskiej zawartości cząstek ilastych. Wypełniacz
dolomitowy cechuje się natomiast najniŜszym średnim wymiarem ziaren (najwyŜsza wartość ∅śr = 6,69), co
moŜe mieć wpływ na wartości liczbowe pozostałych parametrów – wysokie wartości powierzchni właściwej
(8 222 cm2/g), porowatości (67,1%), wskaźnika aktywności (14,8) i najniŜszą wartość koncentracji
objętościowej (38,1%). Szczególną uwagę naleŜy zwrócić na bardzo wysoką wartość wskaźnika błękitu
metylenowego (25,0), która świadczy o zbyt duŜej zawartości cząstek ilastych (wartość wskaźnika MBF nie
powinna przekraczać 10). W przypadku wypełniacza wapiennego nie stwierdzono ekstremalnych wartości
poszczególnych parametrów. Wyjątek stanowi największa wartość powierzchni właściwej wynosząca 8 808
cm2/g. Na podstawie niskiej wartości wskaźnika błękitu metylenowego (2,7) moŜna równieŜ wnioskować o
niskiej zawartości cząstek ilastych w wypełniaczu wapiennym.
Oceniając konsystencję lepiszczy i zaczynów asfaltowych poprzez analizę wyników oznaczania
penetracji w temperaturze 25°C (rys. 1) oraz temperatury mięknienia wg PiK (rys. 2) moŜna zauwaŜyć, Ŝe:
− dodanie kaŜdego z wypełniaczy do asfaltu wyjściowego 100/150 spowodowało jego usztywnienie
obserwowane poprzez spadek wartości penetracji i wzrost temperatury mięknienia; a efekt dodatku
kaŜdego z wypełniaczy do asfaltu jest zbliŜony;
− modyfikacja asfaltu elastomerem SBS spowodowała spadek wartości penetracji i wzrost temperatury
mięknienia zarówno w przypadku lepiszczy jak i zaczynów asfaltowych; efekt modyfikacji rośnie wraz
ze wzrostem zawartości elastomeru SBS w asfalcie; największe zmiany ilościowe zaobserwowano w
przypadku próbek: 100/150+7%SBS+W (najniŜsza wartość penetracji wynosząca 20,4 dmm) oraz
100/150+7%SBS+B (najwyŜsza wartość temperatury mięknienia równa 94,5°C);
− wpływ starzenia technologicznego jest zróŜnicowany; w przypadku asfaltu niemodyfikowanego i
zaczynów sporządzonych z jego udziałem starzenie zawsze powoduje spadek wartości penetracji oraz
wzrost temperatury mięknienia; modyfikacja elastomerem SBS (szczególnie przy duŜych zawartościach:
5 i 7%) powoduje odwrócenie tej prawidłowości, które moŜna szczególnie wyraźnie zaobserwować w
przypadku wyników oznaczania temperatury mięknienia; przyczyną tego zjawiska jest prawdopodobnie
degradacja polimeru, która zachodzi podczas wygrzewania próbek w temperaturze 163°C w czasie 5 h.
Zachowanie lepiszczy i zaczynów asfaltowych w wysokich temperaturach eksploatacji nawierzchni
oraz w temperaturach stosowanych w procesach technologicznych oceniano na podstawie wyników pomiaru
lepkości w temperaturach 60, 90 i 110°C zamieszczonych na rys. 3-5, na których zaobserwowano, Ŝe:
− zarówno dodatek poszczególnych wypełniaczy, jak i modyfikacja elastomerem SBS powodują
usztywnienie zaczynu asfaltowego – potwierdza to wyniki uzyskane podczas oznaczania penetracji i
temperatury mięknienia; jednak zmiany ilościowe charakteryzowane przyrostem względnym lepkości są
znacznie większe niŜ w przypadku penetracji i temperatury mięknienia, przy czym zmiany te są są coraz
większe, im wyŜsza jest temperatura pomiaru lepkości (np. modyfikacja asfaltu 100/150 elastomerem
SBS w ilości 7%, a następnie dodanie wypełniacza bazaltowego spowodowały ponad 400-krotny wzrost
wartości lepkości oznaczonej w temperaturze 110°C);
− charakter zmian lepiszczy spowodowanych symulowanym starzeniem technologicznym jest podobny jak
zaobserwowano w przypadku wyników oznaczania temperatury mięknienia; lepkość dynamiczna
oznaczona w temperaturach 90 i 110°C wzrasta w efekcie starzenia w przypadku asfaltu 100/150 oraz
zaczynów sporządzonych z jego udziałem, natomiast maleje w przypadku lepiszczy i zaczynów
modyfikowanych elastomerem SBS; prawidłowości takiej nie zaobserwowano w przypadku wyników
oznaczania lepkości w temperaturze 60°C, jednak brak jest wyników pomiaru lepkości zaczynów
wysokomodyfikowanych (dodatkiem 5 i 7% elastomeru SBS) w tej temperaturze, dla których moŜna się
spodziewać spadku wartości lepkości dynamicznej w wyniku starzenia; dla lepszego zobrazowania
zmian zachodzących w lepiszczach i zaczynach asfaltowych w efekcie starzenia, na rys. 6 przedstawiono
wartości indeksu stwardnienia obliczone na podstawie wyników pomiaru lepkości dynamicznej w
temperaturze 90°C próbek lepiszczy i zaczynów asfaltowych przed starzeniem i po starzeniu metodą
TFOT, z zastosowaniem wzoru:
IS =
η90TFOT
η90
(2)
gdzie:
η90TFOT - lepkość dynamiczna oznaczona w temperaturze 90°C na próbce lepiszcza lub zaczynu
asfaltowego poddanego starzeniu metodą TFOT;
η90 - lepkość dynamiczna oznaczona w temperaturze 90°C na próbce lepiszcza lub zaczynu
asfaltowego nie poddanego starzeniu
Na rys. 6 moŜna zauwaŜyć, Ŝe przyrosty lepkości w wyniku starzenia (IS > 1) nastąpiły w przypadku
lepiszcza i zaczynów niemodyfikowanych (najwyŜszy przyrost zaobserwowano dla próbki asfaltu
100/150 – IS = 1,86), a takŜe próbki lepiszcza niskomodyfikowanego (dodatkiem 3% elastomeru SBS).
Dla wszystkich pozostałych próbek lepiszczy i zaczynów modyfikowanych elastomerem SBS
zanotowano spadek wartości lepkości w efekcie starzenia, czyli wartości IS < 1.
Indeks Stwardnienia IS
2,0
1,86
1,46
1,44
1,5
1,26
1,11
0,93
1,0
0,65
0,57
0,53
0,76
0,71
0,57
0,48
0,87
0,61
0,56
0,5
10
0/1
10
50
0/1
50
+3
%S
10
BS
0/1
50
+5
%S
10
BS
0/1
50
+7
%S
BS
10
0/1
10
50
0/1
+B
50
+3
%S
10
BS
0/1
+B
50
+5
%S
10
BS
0/1
+B
50
+7
%S
BS
+B
10
0/1
10
50
0/1
+D
50
+3
%S
10
BS
0/1
+D
50
+5
%S
10
BS
0/1
+D
50
+7
%S
BS
+D
10
0
/15
10
0+
0/1
W
50
+3
%S
10
BS
0/1
+W
50
+5
%S
10
BS
0/1
+W
50
+7
%S
BS
+W
0,0
Rys. 6. Indeks stwardnienia lepiszczy i zaczynów asfaltowych obliczony na podstawie lepkości
dynamicznej oznaczonej w temperaturze 90°C
Na rysunku 7 zamieszczono wartości współczynnika wraŜliwości termicznej lepkości lepiszczy i zaczynów
asfaltowych obliczone według wzoru Walthera [14]:
mt =
log log(ηT2 + c) − log log(ηT1 + c)
(3)
log T2 − log T1
gdzie:
ηT1 , ηT2 - lepkość dynamiczna oznaczona w temperaturze odpowiednio T1 i T2, mPa⋅s;
4,07
2,58
2,46
2,68
2,61
2,86
2,90
3,00
3,00
2,32
2,52
2,79
2,62
2,46
2,82
2,78
3,02
2,59
2,28
2,93
2,68
2,71
Po starzeniu TFOT
2,69
3,17
3,74
Przed starzeniem
2,89
3,20
3
2,5
3,39
3,5
3,41
3,40
4
3,50
3,46
4,5
2
1,5
1
0,5
0
10
0/1
10
50
0/1
50
+3
%S
10
BS
0/1
50
+5
%S
10
BS
0/1
50
+7
%S
BS
10
0/1
10
50
0/1
+B
50
+3
%S
10
BS
0/1
+B
50
+5
%S
10
BS
0/1
+B
50
+7
%S
BS
+B
10
0/1
10
50
0/1
+D
50
+3
%S
10
BS
0/1
+D
50
+5
%S
10
BS
0/1
+D
50
+7
%S
BS
+D
10
0/1
10
50
0/1
+W
50
+3
%S
10
BS
0/1
+W
50
+5
%S
10
BS
0/1
+W
50
+7
%S
BS
+W
Współczynnik wraŜliwości termicznej lepkości mt
T1, T2 – temperatury pomiaru lepkości, K (przyjęto: T1 = 90°C = 363,15 K, T2 = 110°C = 383,15 K);
c – stała, dla asfaltów przyjmuje się wartość 0,8 mPa⋅s.
Rys. 7. Współczynnik wraŜliwości termicznej lepkości
Na rys. 7 moŜna zauwaŜyć, Ŝe dodatek wypełniacza powoduje bardziej intensywne zmniejszenie
wraŜliwości lepkości zaczynów na zmiany temperatury niŜ modyfikacja elastomerem SBS. Największe
zmiany ilościowe zaobserwowano w przypadku zaczynów z wypełniaczem dolomitowym. Starzenie
zaczynów spowodowało nieznaczne zwiększenie wraŜliwości termicznej lepkości.
5. WNIOSKI
Rozpatrywanie zaczynu asfaltowego z udziałem wypełniaczy o zróŜnicowanym pochodzeniu oraz
lepiszczy modyfikowanych naleŜy uznać za przypadek bardzo złoŜony. Algorytm wzajemnego
oddziaływania dla tego przypadku moŜna przedstawić następująco: rodzaj lepiszcza asfaltowego, rodzaj
i zawartość modyfikatora oraz rodzaj wypełniacza wzajemnie oddziałują na siebie zarówno przed jak
i w czasie procesu starzenia. Na interakcję komponentów zaczynu asfaltowego wpływ ma zawartość
lepiszcza i wypełniacza w zaczynie asfaltowym. Rodzaj wypełniacza naleŜy rozpatrywać jako dwa elementy:
skład chemiczny i mineralogiczny oraz charakterystykę strukturalną. MoŜna zauwaŜyć, Ŝe rodzaj
wypełniacza i zawartość modyfikatora asfaltu stanowią dwa z czterech elementów algorytmu. Dlatego
poznanie wpływu tych dwóch komponentów na zmiany właściwości zaczynów asfaltowych w wyniku
procesu starzenia w warunkach ustalonych (metodą TFOT) moŜliwe było metodami pośrednimi na
poszczególnych poziomach obserwacji. Rezultaty badań upowaŜniają do sformułowania następujących
wniosków.
• Modyfikacja asfaltu wyjściowego elastomerem SBS powoduje obniŜenie wartości indeksu stwardnienia
lepiszczy modyfikowanych z wyraźną zaleŜnością od stopnia modyfikacji.
• Wypełniacze w istotny sposób obniŜają usztywnienie spowodowane procesem starzenia zaczynu
asfaltowego z ich udziałem w porównaniu z asfaltem wyjściowym.
• Wartości indeksu stwardnienia obliczonych dla zaczynów asfaltowych z udziałem asfaltów
modyfikowanych są mniejsze od 1, co oznacza Ŝe wartości lepkości dynamicznej zaczynów oznaczonej
w temperaturze 90°C są większe przed starzeniem niŜ po starzeniu metodą TFOT.
• Małe róŜnice wartości indeksu stwardnienia dla zaczynów z udziałem lepiszczy o zróŜnicowanym
stopniu modyfikacji oraz trzech rozpatrywanych wypełniaczy świadczą o interakcji wpływu stopnia
modyfikacji asfaltu i rodzaju wypełniacza.
LITERATURA
[1] SCHRIMSER T., Baghouse Dust and its Effect on Asphaltic Mixtures. Research Report CA-DOT-TL-31401-76-50. California Department of Transportation, October, 1976.
[2] EICK J. M., SHOOK J. F., The Effects of Baghouse Fines on Asphalt Mixtures. Asphalt Institute. Research
Report 78-3, November, 1978.
[3] WARD R. G., MCDOUGAL J. M., Bituminous Concrete Plant Dust Collection System – Effect of Using
Recovered Dust In Paving Mix. Research Report FHWA/WV-79-003, Charleston, WV, West Virginia
Department of Highways, December, 1979.
[4] KANDHAL P. S., Evaluation of Baghouse Fines in Bituminous Paving Mixtures. Journal of the Association
of Asphalt Paving Technologists. 1981, Volume 50.
[5] KANDHAL P. S., Evaluation of Baghouse Fines in Bituminous Paving Mixtures. Pennsylvania Department
of Transportation Research Report 70-23, October, 1980.
[6] ANDERSON D. A., TARRIS J. P., Effect of Baghouse Fines on Mixture Design Properties. National Asphalt
Pavement Association, QIP 102, April, 1982.
[7] COOLEY L., STROUP-GARDINER M., BROWN E. R., HANSON D. I., FLETCHER M., Characterization
of Asphalt-Filler Mortars with Superpave Binder Tests. Paper Presented at the 1998 Annual Meeting of the
Association of Asphalt Paving Technologists, Boston, March, 1998.
[8] GRABOWSKI W., SŁOWIK M., WILANOWICZ J., SOBÓL T., Badania i ocena struktury wybranych
wypełniaczy mineralnych stosowanych do mieszanek mineralno-asfaltowych. L Konferencja Naukowa
KILiW PAN i Komitetu Nauki PZiTB, „Problemy Naukowo-badawcze budownictwa”. Krynica 2004, Wyd.
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004, Tom V „Mosty, InŜynieria Komunikacyjna”, s.137-144.
[9] GRABOWSKI W., WILANOWICZ J., SŁOWIK M., SOBÓL T., Ocena właściwości usztywniających
wypełniaczy mineralnych uzyskanych z instalacji odpylającej wytwórni mieszanek mineralno-asfaltowych.
III Międzynarodowa Konferencja Naukowo – Techniczna „Nowoczesne technologie w budownictwie
drogowym”. Poznań 2005, str. 299-309.
[10] GRABOWSKI W., SŁOWIK M., WILANOWICZ J., SOBÓL T., Badania i ocena wpływu wypełniaczy
mineralnych na ich właściwości usztywniające w zaczynach asfaltowych poddanych starzeniu
laboratoryjnemu. X Międzynarodowa Konferencja „Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe”. Kielce
2004, Wyd. IBDiM, Warszawa 2004, s.31-38.
[11] GRABOWSKI W., WILANOWICZ J., SŁOWIK M., SOBÓL T., Badanie wpływu starzenia
technologicznego na zmiany właściwości reologicznych zaczynów asfaltowych z udziałem wypełniaczy o
zróŜnicowanym pochodzeniu. III Międzynarodowa Konferencja Naukowo – Techniczna „Nowoczesne
technologie w budownictwie drogowym”. Poznań 2005, str. 289-298
[12] GRADZIŃSKI R., KOSTECKA A., RADOMSKI A., UNRUG R., Zarys sedymentologii, Wydawnictwo
Geologiczne, Warszawa 1986
[13] GAWEŁ I., KALABIŃSKA M., PIŁAT J., Asfalty drogowe, WKŁ, Warszawa 2001
[14] SYBILSKI D., Polimeroasfalty drogowe. Jakość funkcjonalna, metodyka i kryteria oceny, Studia i materiały, zeszyt 45, IBDiM, Warszawa 1996