135,7k - Politechnika Gdańska

Prof. dr hab. inż. Józef Judycki
Dr inż. Waldemar Cyske
Mgr inż. Marek Pszczoła
Politechnika Gdańska
Polska
WYTRZYMAŁOŚĆ I SZTYWNOŚĆ W NISKICH TEMPERATURACH BETONÓW
ASFALTOWYCH O ZWIĘKSZONEJ ODPORNOŚCI NA DEFORMACJE TRWAŁE
STRENGTH AND STIFFNESS AT LOW TEMPERATURE OF ASPHALT CONCRETE
OF INCREASED RESISTANCE TO RUTTING
Streszczenie
W Polsce po wystąpieniu intensywnych kolein na drogach wprowadzono betony asfaltowe o
zwiększonej odporności na deformacje trwałe. Betony asfaltowe o zwiększonej odporności na
deformacje trwałe zawierają twardszy asfalt, mniej asfaltu, mniej wypełniacza, więcej grysów
i grubsze kruszywo. Powoduje to ich większą sztywność. W celu określenia różnic pomiędzy
betonami asfaltowymi o zwiększonej odporności na deformacje trwałe oraz tradycyjnie
stosowanych betonów asfaltowych (projektowanych zgodnie z normą PN-74/S-96022) wykonano
badania pośredniego rozciągania oraz zginania próbek betonów asfaltowych w niskich
temperaturach. Wyniki badań wykazały, że betony asfaltowe o zwiększonej odporności na
deformacje trwałe są bardziej podatne na spękania w niskich temperaturach niż betony asfaltowe
według starej normy.
Summary
In Poland, after occurrence of intensive rutting on asphalt roads, asphalt concrete of increased
resistance to rutting was introduced. Asphalt concrete of increased resistance to rutting contain
harder asphalt, less amount of bitumen, more crushed aggregate and coarser aggregate. It causes
higher stiffness of a mix. In order to indicate differences between asphalt concrete of increased
resistance to rutting and traditionally used asphalt concrete (designed according to PN-74/S-96022
standard) tests for indirect tension and bending of asphalt concrete samples at low temperature
were performed. Tests results indicated that asphalt concrete of increased resistance to rutting is
more susceptible to cracking at low temperature.
1.
Wstęp
Większość eksploatowanych dróg w Polsce ma nawierzchnię wykonaną w oparciu o normę
PN-74/S-96022. Jest to norma obowiązująca od 1974 do 2000 roku. W latach 90-tych, gdy
wystąpił gwałtowny wzrost ruchu drogowego, najpoważniejszym problemem drogownictwa były
koleiny. Aby im przeciwdziałać zaczęto projektować i wykonywać betony asfaltowe o zwiększonej
odporności na deformacje trwałe – Zeszyt 48 IBDiM (rok 1995) i norma PN-S-96025:2000 (rok
2000).
Ze studiów literatury wynika, że na spękania niskotemperaturowe są bardziej podatne takie
mieszanki mineralno–asfaltowe, które:
• są bardziej sztywne w niskich temperaturach,
• zawierają twardszy asfalt - o niższej penetracji, wyższej lepkości i sztywności,
• zawierają asfalt o dużej wrażliwości temperaturowej,
• zawierają więcej wolnych przestrzeni – są podatne na starzenie,
• zawierają mniej asfaltu - mniejsza grubość otoczki asfaltowej na ziarnach kruszywa,
• zawierają mniej mastyksu - mniej asfaltu i wypełniacza,
• są mniej wytrzymałe i mniej odkształcalne w niskich temperaturach.
Wpływ czterech pierwszych czynników jest bardzo duży, a pozostałych istotny, ale mniejszy.
Bardzo istotny jest wpływ starzenia asfaltu i wieku nawierzchni na spękania niskotemperaturowe.
Spękania takie raczej nie występują w nowych nawierzchniach. Z wiekiem nawierzchnie asfaltowe
się starzeją, wzrasta ich sztywność i kruchość. Proces starzenia jest tym szybszy im warstwa
ścieralna zawiera więcej wolnych przestrzeni i mniej asfaltu. W sztywnych i kruchych
nawierzchniach spękania niskotemperaturowe występują częściej.
Nasuwa się więc pytanie: jak betony asfaltowe o zwiększonej odporności na koleinowanie, o
większej sztywności, zawierające twardszy asfalt, mniej asfaltu, mniej wypełniacza, więcej grysów
i grubsze kruszywo będą zachowywały się w niskich temperaturach? Niniejszy artykuł jest próbą
odpowiedzi na to pytanie.
2.
Metody badań
W celu określenia właściwości betonów asfaltowych w niskich temperaturach stosowano dwa
rodzaje badań:
• pośredniego rozciągania na próbkach walcowych.
• zginania na próbkach w postaci belek.
W badaniu pośredniego rozciągania określono:
• moduł sztywności sprężystej,
• wytrzymałość na pośrednie rozciąganie.
W badaniu zginania belek określono:
• wytrzymałość na rozciąganie,
• odkształcenie graniczne,
• moduł sztywności.
2.1.
Formowanie próbek walcowych
Do badań modułu sztywności sprężystej i wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przygotowano
standardowe próbki Marshalla formowane przez ubijanie (zgodnie z normą PN-74/S-96022),
stosując 75 uderzeń ubijaka na każdą stronę próbki.
2.2.
Formowanie belek do badania zginania
W laboratorium formowano płyty o grubości 5 cm. Zagęszczano je walcem stalowym aż do
uzyskania równej powierzchni, co przy odważonej masie próbki i znanych wymiarach formy
gwarantowało uzyskanie wymaganego wskaźnika zagęszczenia. Płyty zostały pocięte piłą
diamentową na belki prostopadłościenne o wymiarach 50x50x300 mm. Skrajne belki zostały
odrzucone ze względu na możliwość nieprawidłowego dogęszczenia przy brzegu formy.
2.3.
Temperatury badań
Wszystkie badania pośredniego rozciągania na próbkach walcowych wykonywano w
następujących temperaturach: -20°C, -10°C, 0°C, +10°C, +20°C. Badania zginania na belkach
wykonano w temperaturach: -20°C i +10°C.
2.4. Metodyka badań
Metodykę badania pośredniego rozciągania na próbkach walcowych opisano w pracy [4].
Metodykę badania zginania belek opisano w pracy [3].
3.
Badane betony asfaltowe
W celu porównania właściwości betonów asfaltowych o różnym składzie wykonano następujące
mieszanki:
Mieszanka A
beton asfaltowy na warstwę ścieralną 0/20 według Zeszytu 48 IBDiM (beton
asfaltowy o zwiększonej odporności na deformacje trwałe) z asfaltem D50.
Mieszanka B
beton asfaltowy na warstwę ścieralną 0/12,8 według normy PN-74/S-96022
(stara norma) z asfaltem D50.
Mieszanka C
beton asfaltowy na warstwę ścieralną 0/12,8 według normy PN-74/S-96022
(stara norma) z asfaltem D70.
Skład betonów asfaltowych zaprojektowano w oparciu o wyżej wymienione przepisy, ustalając
krzywą uziarnienia kruszywa, a następnie dobrano ilość asfaltu na podstawie wyników badań
próbek Marshalla. Skład i podstawowe właściwości projektowanych mieszanek przedstawiono w
tablicy 1.
Tablica 1. Skład i podstawowe właściwości projektowanych betonów asfaltowych
Beton asfaltowy A Beton asfaltowy B Beton asfaltowy C
(wg PN-74/S(wg PN-74/S(wg Zeszytu 48
Cecha
96022)
96022)
IBDiM)
asfalt D70
asfalt D50
asfalt D50
100,0
Uziarnienie [sito mm] 20
89,3
16
100,0
100,0
75,4
12,5
90,6
90,6
66,2
10
73,4
73,4
58,9
8
61,9
61,9
51,3
6,3
53,1
53,1
43,8
4
42,1
42,1
30,5
2
33,4
33,4
21,2
0,85
25,1
25,1
16,1
0,425
21,0
21,0
14,2
0,3
15,3
15,3
10,6
0,18
13,9
13,9
9,8
0,15
9,7
9,7
6,2
0,075
Zawartość asfaltu
5,0 %
5,7 %
5,5 %
Stabilność wg Marshalla
9,55 kN
6,50 kN
6,80 kN
Odkształcenie wg Marshalla
3,3 mm
5,0 mm
5,0 mm
Wskaźnik Marshalla
2,9 kN/mm
1,3 kN/mm
1,4 kN/mm
Zawartość wolnych przestrzeni
3,7%
1,6%
1,6%
Wypełnienie wolnych przestrzeni
76,8%
84,1%
84,5%
asfaltem
Moduł odkształcenia przy
obciążeniu statycznym, w
28,4 MPa
6,2 MPa
5,4 MPa
temperaturze +40°C
4.
Wyniki badań według metody pośredniego rozciągania
4.1.
Moduł sztywności sprężystej według metody pośredniego rozciągania
Moduły sztywności sprężystej badanych betonów asfaltowych, rosną wraz z obniżaniem się
temperatury, co jest oczywiste. Jednocześnie na rysunku 1 można zauważyć, że beton asfaltowy
projektowany według Zeszytu 48 IBDiM (zasady projektowania betonów asfaltowych o zwiększonej
odporności na koleinowanie) z asfaltem D50 oznaczony jako mieszanka A, w każdej temperaturze,
ma wyższe moduły sztywności sprężystej od pozostałych mieszanek, projektowanych zgodnie z
normą PN-74/S-96022. Różnice średnich wyników badań są istotne w sensie statystycznym. Jest
to spowodowane mniejszą zawartością asfaltu o większej twardości, mniejszą zawartością
wypełniacza oraz grubiej uziarnionym szkieletem mineralnym w mieszance A.
Moduł sztywności sprężystej [MPa]
35000
30000
mieszanka A
mieszanka C
25000
mieszanka B
20000
15000
10000
5000
0
-20
-10
0
10
20
Temperatura badania [ C]
Rysunek 1. Zależność modułu sztywności sprężystej określonego metodą pośredniego rozciągania
od temperatury badania
mieszanka A – wg Zeszytu 48 IBDiM, asfalt D50
mieszanka B – wg PN-74/S-96022, asfalt D50
mieszanka C – wg PN-74/S-96022, asfalt D70
Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie
6
Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie
[MPa]
4.2.
5
4
3
Mieszanka A
2
Mieszanka C
Mieszanka B
1
0
-20
-10
0
10
20
Temperatura badania [ C]
Rysunek 2. Zależność wytrzymałości na pośrednie rozciąganie
od temperatury badania
mieszanka A – wg Zeszytu 48 IBDiM, asfalt D50
mieszanka B – wg PN-74/S-96022, asfalt D50
mieszanka C – wg PN-74/S-96022, asfalt D70
Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie, badanych betonów asfaltowych, zmienia się nieliniowo.
W temperaturach większych od zera wyraźnie spada ona wraz ze wzrostem temperatury. W
temperaturach ujemnych, poczynając od 0°C, wytrzymałość spada wraz ze spadkiem temperatury,
ale zmiany wytrzymałości są znacznie mniejsze niż w temperaturach dodatnich.
Wyższe wytrzymałości na pośrednie rozciąganie, w każdej temperaturze, ma beton asfaltowy
projektowany według Zeszytu 48 IBDiM (zasady projektowania betonów asfaltowych o zwiększonej
odporności na koleinowanie), czyli mieszanka A zawierająca asfalt D50. Istotność statystyczna
różnic wartości średnich pomiędzy betonem asfaltowym A, odpornym na deformacje i betonem
asfaltowym wg PN (B i C) jest dość zróżnicowana i niejednoznaczna jak widać z tablicy 2.
Mieszanka A ma wyższą wytrzymałość na rozciąganie pośrednie ponieważ na wynik tego badania
wpływa nie tylko kohezja ale także kąt tarcia wewnętrznego mieszanki mineralno-asfaltowej. Kąt
tarcia wewnętrznego jest większy dla gruboziarnistej mieszanki.
5.
Wyniki badań według metody zginania belek
Na rysunku 3 przedstawiono wyniki badań w temperaturze –20°C, według metody
zginania belek:
εgr
- odkształcenie graniczne,
Rrz
- wytrzymałość na rozciąganie,
E
- moduł sztywności.
Podano również wskaźnik usztywnienia wu, który jest miarą wzrostu modułu sztywności
przy obniżeniu temperatury o 1°C:
∆E
wu =
∆T
Z danych zawartych na rysunku 3 wynika, że beton asfaltowy o zwiększonej odporności na
deformacje trwałe, w temperaturze –20°C, charakteryzuje się:
• najmniejszą wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu,
• najmniejszym odkształceniem granicznym,
• najwyższym modułem sztywności,
• podobną wrażliwością temperaturową do innych badanych materiałów.
Beton asfaltowy o zwiększonej odporności na deformacje trwałe jest więc mniej wytrzymały, mniej
odkształcalny i bardziej sztywny w niskich temperaturach od tradycyjnych betonów asfaltowych,
projektowanych według starej normy. Przyczyną tego jest przede wszystkim mniejsza zawartość
asfaltu, cieńsza otoczka asfaltu na ziarnach kruszywa, mniejsza zawartość mastyksu, większa
zawartość wolnych przestrzeni i grubsze uziarnienie.
Na podstawie wyników badań można przypuszczać, że betony asfaltowe nowego typu będą
bardziej podatne na spękania w niskich temperaturach. Dotyczy to zarówno spękań
niskotemperaturowych wywołanych gwałtownym spadkiem temperatury jak i spękań
spowodowanych przez obciążenia kołami pojazdów w okresie wiosenno-zimowym.
1
25
0,8
20
0,7
0,589
0,6
0,5
0,567
0,444
0,4
0,3
0,2
Moduł sztywności [GPa]
Odkształcenia graniczne [%]
0,9
19,37
17,04
17,77
15
10
5
0,1
0
Mieszanka A
Mieszanka B
0
Mieszanka C
Mieszanka A
Mieszanka B
Mieszanka C
Rodzaj mieszanki
0,7
14
12
9,75
10
8
9,19
7,76
6
4
2
Wskaźnik usztywnienia [GPa/ C]
Wytrzymałosć na rozciąganie przy zginaniu [MPa]
Rodzaj mieszanki
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
Mieszanka A
Mieszanka B
Rodzaj mieszanki
Mieszanka C
Masa A
Masa B
Masa C
Rodzj mieszanki
Rysunek 3. Właściwości betonów asfaltowych w temperaturze –20°C
mieszanka A – wg Zeszytu 48 IBDiM, asfalt D50
mieszanka B – wg PN-74/S-96022, asfalt D50
mieszanka C – wg PN-74/S-96022, asfalt D70
6.
Statystyczna ocena wyników
Przeprowadzono ocenę istotności statystycznej różnic pomiędzy wartościami średnimi wyników
badań betonów asfaltowych przy poziomie ufności P=90% (tablica 2).
Pomijając pojedyncze przypadki, różnice średnich wyników badań dla mieszanek projektowanych
według nowych zasad i według starej normie są istotne w sensie statystycznym. Wyjątek stanowi
wytrzymałość na pośrednie rozciąganie w temperaturach ujemnych, gdzie różnice są nieistotne.
Oznacza to, że właściwości badanych mieszanek w badanym zakresie temperatur są różne.
Tablica 2. Ocena istotności różnic pomiędzy wartościami średnimi wyników badań betonów
asfaltowych przy poziomie ufności P=90%
Określenie czy różnice w wartościach średnich są
istotne w sensie statystycznym przy poziomie ufności
Cecha
P=90%
AiB
BiC
AiC
Moduł sztywności przy pośrednim
Tak
Tak
rozciąganiu w temperaturze: +20oC
Tak
o
+10 C
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
0oC
Tak
Tak
Tak
-10oC
Nie
Tak
Tak
-20oC
Tak
Wytrzymałość na pośrednie
Tak
Tak
rozciąganie w temperaturze: +20oC
Tak
+10oC
Tak
Nie
Tak
Tak
Nie
0oC
Tak
Nie
Nie
-10oC
Nie
Nie
Nie
-20oC
Nie
Moduł sztywności przy zginaniu w
temperaturze: +10oC
Tak
Tak
Tak
-20oC
Tak
Nie
Nie
7.
Odkształcenia graniczne przy
zginaniu w temperaturze:
+10oC
-20oC
Nie
Tak
Tak
Tak
Tak
Nie
Wytrzymałość na rozciąganie przy
zginaniu w temperaturze: +10oC
-20oC
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Wnioski
1. Badania przeprowadzone według metody rozciągania pośredniego, przy obciążeniach
powtarzalnych krótkotrwałych, jak również badania zginania belek pod obciążeniem
statycznym wykazały, że beton asfaltowy według nowych zasad projektowania charakteryzuje
się wyższym modułem sztywności w przedziale temperatur od -20°C do +20°C od betonu
asfaltowego według starej normy PN-74/S-96022.
2. W metodzie zginania beton asfaltowy według nowych zasad projektowania charakteryzuje się
mniejszymi odkształceniami granicznymi przy pęknięciu w temperaturze -20°C, mniejszą
wytrzymałością na rozciąganie, większymi modułami sztywności niż betony asfaltowe
projektowane według starej normy. Przyczyną tego jest mniejsza zawartość asfaltu,
wypełniacza i mastyksu w betonie asfaltowym nowego typu.
3. Podsumowując wyniki badań można stwierdzić, że beton asfaltowy według nowych zasad
projektowania (Zeszyt 48 IBDiM, PN-S-96025:2000) jest bardziej podatny na spękania
niskotemperaturowe niż beton asfaltowy według starej normy PN-74/S-96022, ponieważ
charakteryzuje się on większym modułem sztywności sprężystej, mniejszym odkształceniem
granicznym i mniejszą wytrzymałością na rozciąganie. Wyniki badań potwierdziły
przypuszczenia wynikające ze studiów literatury tego zagadnienia.
Literatura
[1]
Arand W.: Behaviour of asphalt aggregate mixes at low temperatures. IV International RILEM
Symposium, Budapest 1990.
[2]
Judycki J. Cyske W. Pszczoła M.: Badania wytrzymałości w niskich temperaturach betonu
asfaltowego według nowych zasad projektowania. Gdańsk 2000.
[3]
Judycki J., Pszczoła M., Jaskuła P.: Modyfikacja metody zginania belek z mieszanek
mineralno-asfaltowych i ocena parametrów reologicznych. Kielce 2001.
[4]
Judycki J., Jaskuła P.: Wpływ rodzaju asfaltu na odporność betonu asfaltowego na działanie
wody i mrozu. Kielce 1998.
[5]
Judycki J.: Bending test of asphaltic mixtures under statical loading. IV International RILEM.
Budapest 1990.
[6]
Jung D.H., Vinson T.S., Low temperature crackg resistance of asphalt concrete mixtures.
Proc. AAPT 62 (1993).
[7]
Zeng, H.: On the low temperature cracking of asphalt pavements. Report, Royal Institute of
Technology, Stockholm 1995.