nr 4/2005 - ORLEN Asfalt

Bohdan Dołzycki
Politechnika Gdańska
Polska
Odporność na starzenie i spękania niskotemperaturowe
betonów asfaltowych zawierających
asfalt wielorodzajowy
Streszczenie: W roku 2004 w Laboratorium Badań Drogowych Politechniki Gdańskiej przeprowadzono badania odporności na starzenie i spękania niskotemperaturowe betonów
asfaltowych zawierających asfalty zwykłe, modyfikowane oraz asfalt wielorodzajowy
(typu multigrade). Badanie starzeni przeprowadzono według procedury opracowanej w
programie SHRP, badanie odporności na spękania niskotemperaturowe przeprowadzono
według metody opracowanej na Politechnice Gdańskiej. W wyniku tych badań stwierdzono, że betony asfaltowe zawierające asfalty wielorodzajowe charakteryzowały się wyraźnie mniejszymi modułami sztywności w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi
pozostałe asfalty oraz charakteryzowały się lepszą odpornością na spękania niskotemperaturowe. Starzenie betonów asfaltowych zawierających asfalt wielorodzajowy było większe w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi pozostałe asfalty.
1. Wprowadzenie
W projektowaniu betonu asfaltowego powinno się dążyć do uzyskania z jednej strony podatnego betonu, o małej sztywności, odpornego na spękania a z drugiej strony na tyle
sztywnego, aby był odporny na deformacje trwałe. Przeprowadzone w 2004 roku w Katedrze Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej pokazały, że takie efekt można uzyskać stosując asfalt wielorodzajowy. Przeprowadzono obszerne badania określające odporność
betonów asfaltowych na starzenie oraz na działanie niskich temperatur [1].
Badania te obejmowały:
1. Określenie wpływu starzenia na moduł sztywności sprężystej przy pośrednim rozciąganiu,
2. Określenie wpływu starzenia na wytrzymałość na pośrednie rozciąganie,
3. Określenie wpływu starzenia na zmianę sztywności w temperaturach od +20 do -20°C.
4. Określenie odporności na spękania niskotemperaturowe.
Przeprowadzone badanie pozwoliły na przedstawienie korzystnego wpływu asfaltu
wielorodzajowego na cechy betonu asfaltowego.
2. Badania laboratoryjne
2.1. Materiał
Do badań zaprojektowano dwa rodzaje betonu asfaltowego wg PN-S-96025:2000 „Drogi
samochodowe i lotniskowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania.”. Dla asfaltów: 35/50
oraz DE 30 B zaprojektowano beton asfaltowy 0/20 do warstwy wiążącej. Dla asfaltów 50/
70 i DE 80 B zaprojektowano beton asfaltowy do warstwy ścieralnej. Z asfaltem wielorodzajowym 50/70 wykonano beton asfaltowy zarówno do warstwy wiążącej jak i do ścieralnej.
1
2.2. Przygotowanie próbek do badań
Do badań przygotowano dwa rodzaje próbek:
• Do badania pośredniego rozciągania próbki walcowe, o średnicy 101 mm i średniej wysokości 63,5 mm, zagęszczane udarowo w ubijaku Marshalla,
• Do badania zginania próbki prostopadłościenne, belki o wymiarach 50 x 50 x 300
mm, zagęszczane walcem.
Do badań przygotowano beton asfaltowy według trzech schematów kondycjonowania:
1. Próbki niestarzone (BS) – próbki niepoddane procesowi starzenia. Wyniki uzyskane
dla tych próbek były poziomem odniesienia, w stosunku do jakiego porównywano
wyniki uzyskane dla próbek poddanych procesowi starzenia.
2. Próbki po starzeniu krótkoterminowym (SK) – próbki z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego. Starzenie krótkoterminowe mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany, jakie zachodzą podczas produkcji, transportu, wbudowania i zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej
3. Próbki po starzeniu długoterminowym (SD) – próbki wykonane z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego a po nim dodatkowo procesowi starzenia długoterminowego. Starzenie długoterminowe mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany, jakie zachodzą podczas eksploatacji nawierzchni.
Starzenie krótkoterminowe i długoterminowe przeprowadzono według procedury, opracowanej w Katedrze Inżynierii Drogowej przez Ar-Rabtiego i Judyckiego [2, 3, 4], na podstawie badań prowadzonych w ramach amerykańskiego programu badawczego SHRP
(Strategic Highway Reaserch Program) [4, 5, 6].
2.3. Badania laboratoryjne
Do określenia cech betonów asfaltowych zastosowano następujące metody badawcze:
• Pośrednie rozciąganie (rys. 1), w którym określono moduł sztywności sprężystej oraz
wytrzymałość na pośrednie rozciąganie [7].
• Badanie odporności na zginanie (rys. 2), w temperaturze +10°C i -20°C, w którym
określono odkształcenie graniczne, wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu,
moduł sztywności oraz wskaźnik usztywnienia [8,9,10].
Rysunek 2. Próbka podczas badania zginania belki
Rysunek 1. Badanie pośredniego
rozciągania
2
2.4. Ocena betonów asfaltowych
Ocena odporności na starzenie. Wpływ starzenia w pośrednim rozciąganiu określono
poprzez wyznaczenie wskaźnika modułu sztywności oraz wskaźnika wytrzymałości na
pośrednie rozciąganie w temperaturze +25°C. Wskaźniki zdefiniowano jako stosunek
wartości uzyskanej po procesie starzenia krótko lub długoterminowego do wartości
uzyskanych dla próbek niepoddanych procesom starzenia. Betony asfaltowe w wyniku starzenia powinny charakteryzować się jak najmniejszymi zmianami. Im mniejszy
wskaźnik, tym lepsza odporność betonu asfaltowego na procesy starzenia.
Ocena sztywności betonu asfaltowego. Ocenę sztywności betonu asfaltowego przeprowadzono w poprzez określenie modułów sztywności sprężystej w temperaturach
od -20°C do +20°C, dla próbek niepoddanych starzeniu oraz poddanych starzeniu
krótko i długoterminowemu. Beton asfaltowy o mniejszej sztywności jest mniej podatny
na spękania.
Ocena odporności na spękania niskotemperaturowe. Ocena badanych betonów
asfaltowych przeprowadzona została w oparciu o odkształcenie graniczne, wytrzymałość na rozciągnie przy zginaniu, moduł sztywności, w temperaturze -20°C oraz
wskaźnik usztywnienia określający zmianę modułu sztywności w miarę oziębiania
próbki z betonu asfaltowego. Najbardziej korzystne cechy w niskich temperaturach
ma beton asfaltowy, który:
1. Ma większą wytrzymałość na pośrednie rozciąganie, ponieważ może przenieść
większe naprężenia termiczne,
2. Ma wyższe odkształcenia graniczne, ponieważ jest bardziej podatny i zachowuje
największą odkształcalność,
3. Ma mniejszy moduł sztywności, ponieważ naprężenia termiczne są wprost proporcjonalne do wielkości tego modułu,
4. Ma mniejszy wskaźnik usztywnienia, ponieważ jest najmniej wrażliwy termicznie.
3. Wyniki badań
Zestawienie wyników badań modułu sprężystości oraz wytrzymałości na pośrednie
rozciąganie, w +25°C, na podstawie których oceniano wpływ starzenia, przedstawiają
odpowiednio rysunek 3 i rysunek 4. Wyniki badań modułu sztywności przedstawiające
zmiany sztywności w temperaturach +20°C, +10°C, 0°C, -10°C i -20°C przedstawiono
na rysunku 5. Wyniki badania odporności na zginania, na podstawie których oceniano
odporność na spękania niskotemperaturowe przedstawiono na rysunku 6.
3
1000
0
35/50
1500
50/70
35/50
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
50/70 W
Wska nik sztywno ci,
warstwy cieralnej w +25°C
1,65
2,00
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
1,17
1,16
Wska nik sztywno ci [-]
1,80
1,13
0,85
1,04
1,33
1,35
Wska nik sztywno ci [-]
WS po starzeniu d ugotermionwym
1949
starzenie d ugotermionowe
50/70 W
WS po starzeniu krótkotermionowym
2640
3271
bez starzenia
starzenie krótkotermionowe
1000
500
Wska nik sztywno ci,
warstwy wi
cej w +25°C
2,00
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
2346
2500
2000
0
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
2012
3000
3121
4443
2694
3500
3119
4000
1,60
bez starzenia
starzenie krótkotermionowe
starzenie d ugotermionowe
2000
4500
1,35
3000
Modu sztywno ci [MPa]
4817
2668
4000
3038
4690
6239
7260
5000
Modu sztywno ci warstwy cieralnej w +25°C
5000
4033
6000
5565
7000
5369
Modu sztywno ci [MPa]
8000
cej w +25°C
1,63
Modu sztywno ci warstwy wi
9000
WS po starzeniu
krótkotermionowym
WS po starzeniu d ugotermionwym
50/70
50/70 W
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
50/70 W
Rysunek 3. Moduły sztywności oraz wskaźniki sztywności betonu asfaltowego 0/20 do warstwy wiążącej
oraz betonu asfaltowego 0/16 do warstwy ścieralnej w temperaturze +25°C
Wytrzyma o na po rednie rozci ganie
warstwy cieralnej w +25°C
bez starzenia
starzenie krótkotermionowe
starzenie d ugotermionowe
0,84
0,85
0,83
1,03
1,02
1,02
1,18
0,2
starzenie d ugotermionowe
0,4
WR po starzeniu krótkotermionowym
0,2
WR po starzeniu d ugotermionwym
0,0
1,01
1,02
1,01
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
WR po starzeniu
krótkotermionowym
WR po starzeniu d ugotermionwym
50/70
50/70 W
50/70 W
Wska nik wytrzyma o ci
warstwy cieralnej w +25°C
1,4
1,2
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
1,00
1,28
0,6
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
starzenie krótkotermionowe
50/70
0,8
35/50
bez starzenia
0,4
50/70 W
1,07
1,03
0,91
1,10
1,09
1,0
0,6
0,0
Wska nik wytrzyma o ci
warstwy wi
cej w +25°C
1,4
0,8
1,06
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
1,0
1,05
0,2
Wska nik wytrzyma o ci []
0,4
1,2
1,11
Wytrzyma o na
po rednie rozci ganie
[MPa]
0,91
0,76
0,71
0,6
1,4
1,06
1,6
1,34
0,8
35/50
Wska nik wytrzyma o ci [-]
1,3
1,0
0,0
1,2
1,18
1,2
1,33
1,4
1,21
Wytrzyma o na
po rednie rozci ganie
[MPa]
1,6
1,32
Wytrzyma o na po rednie rozci ganie
warstwy wi
cej w +25°C
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
50/70 W
Rysunek 4. Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie oraz wskaźniki wytrzymałości betonu asfaltowego
0/20 do warstwy wiążącej oraz betonu asfaltowego 0/16 do warstwy ścieralnej w temperaturze +25°C
4
Warstwa wi
Warstwa cieralna bez starzenia
ca, bez starzenia
30000
Modu sztywno ci [MPa]
Modu sztywno ci [MPa]
25000
20000
15000
10000
35/50
DE 30 B
50/70 W
5000
0
-30
-20
Warstwa wi
20
15000
10000
50/70
DE 80 B
50/70 W
5000
30
-30
-20
-10
0
10
Temperatura [°C]
20
30
Warstwa cieralna po starzeniu krótkotermionowym
ca, po starzeniu krótkotermionowym
30000
Modu sztywno ci [MPa]
Modu sztywno ci [MPa]
20000
0
-10
0
10
Temperatura [°C]
30000
25000
20000
15000
35/50
DE 30 B
50/70 W
10000
5000
0
25000
20000
15000
10000
50/70
DE 80 B
50/70 W
5000
0
-30
-20
Warstwa wi
-10
0
10
Temperatura [°C]
20
30
-30
-20
-10
0
10
Temperatura [°C]
20
30
Warstwa cieralna po starzeniu d ugotermionowym
ca, po starzeniu d ugotermionowym
30000
Modu sztywno ci [MPa]
30000
Modu sztywno ci [MPa]
25000
25000
20000
15000
35/50
DE 30 B
50/70 W
10000
5000
0
-30
-20
-10
0
10
20
25000
20000
15000
10000
50/70
DE 80 B
50/70 W
5000
0
30
-30
Temperatura [°C]
-20
-10
0
10
Temperatura [°C]
20
30
Rysunek 5. Moduły sztywności betonów asfaltowych do warstwy wiążącej i ścieralnej w zależności od
zmiany temperatury badania
5
cej w -20°C
Odkszta cenie graniczne warstwy cieralnej w -20°C
0,0
3,64
Wytrzyma o
5,35
2,0
2,0
50/70
50/70 W
Modu sztywno ci warstwy cieralnej w -20°C
cej w -20°C
5,24
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
Wska nik usztywnienia warstwy wi
cej
0,6
0,38
Wska nik usztywnienia
[GPa/°C]
0,6
0,42
0,7
0,17
0,3
0,2
0,1
0,0
35/50
DE 30 B
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
50/70 W
Wska nik usztywnienia warstwy cieralnej
0,7
0,4
8,47
50/70
50/70 W
0,5
0,4
0,27
35/50
20,0
18,0
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
11,13
12,02
13,01
Modu sztywno ci warstwy wi
Modu sztywno ci [GPa]
50/70 W
4,0
13,95
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
Modu sztywno ci [GPa]
35/50
0,5
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
6,0
0,0
0,0
Wska nik usztywnienia
[GPa/°C]
6,49
8,0
[MPa]
8,0
5,44
[MPa]
Wytrzyma o
10,0
20,0
18,0
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
50/70 W
Wytrzyma o na rozci ganie przy zginaniu
warstwy cieralnej w -20°C
10,0
4,0
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
0,0
50/70 W
Wytrzyma o na rozci ganie przy zginaniu
cej w -20°C
warstwy wi
6,0
50/70
0,2
7,54
DE 30 B
Rodzaj asfaltu
0,4
7,25
35/50
0,55
0,2
0,6
0,46
0,4
0,8
0,36
0,6
0,45
0,8
1,0
0,56
Odkszta cenie graniczne [‰]
0,73
1,0
0,91
1,2
1,2
0,41
Odkszta cenie graniczne [‰]
Odkszta cenie graniczne warstwy wi
0,3
0,2
0,1
0,0
50/70 W
50/70
Rodzaj asfaltu
DE 80 B
Rodzaj asfaltu
Rysunek 6. Wyniki badania zginania betonów asfaltowych do warstwy wiążącej i ścieralnej
6
50/70 W
4. Wnioski
4.1 Starzenie betonu asfaltowego
Na podstawie przeprowadzonych badań odporności na starzenie betonów asfaltowych można stwierdzić, że:
1. Beton asfaltowy zawierający asfalt wielorodzajowy do warstwy wiążącej, po starzeniu długoterminowym, ma większy wskaźnik sztywności oraz wskaźnik wytrzymałości w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi asfalt zwykły lub modyfikowany.
2. Beton asfaltowy do warstwy wiążącej z asfaltem wielorodzajowym 50/70 charakteryzował się wskaźnikami sztywności typowymi dla betonów asfaltowych badanych
dotychczas w Laboratorium Badań Drogowych.
3. W przypadku warstwy ścieralnej wskaźnik sztywności był podobny niezależnie od
rodzaju asfaltu zastosowanego do betonu asfaltowego. Wskaźniki sztywności praktycznie nie uległy zmianie, pomimo procesów starzenia betonu asfaltowego.
4. W badaniu odporności na starzenie stwierdzono wyraźnie mniejszą wytrzymałość
na pośrednie rozciąganie oraz mniejszy moduł sztywności betonów asfaltowych
zawierających asfalty wielorodzajowe. Wskazuje to na mniejszą sztywność mieszanek mineralno-asfaltowych zawierających asfalt wielorodzajowy.
4.2. Sztywności betonu asfaltowego
Badania modułów sztywności w temperaturach od -20°C do +20°C pozwalają stwierdzić, że moduł sztywności betonów asfaltowych, zarówno do warstwy wiążącej jak i
ścieralnej, zawierających asfalt wielorodzajowy jest wyraźnie mniejszy od modułów
sztywności betonów asfaltowych zawierających asfalty zwykłe lub modyfikowane.
Szczególnie widoczne jest to w temperaturach mniejszych od 0°C. Dzięki mniejszej
sztywności betony asfaltowe zwierające asfalt wielorodzajowy są bardziej podatne i
odporna na spękania.
4.3. Odporność na spękania niskotemperaturowe
Beton asfaltowy do warstwy wiążącej zawierający asfalt wielorodzajowy okazał się
betonem o wyraźnie większym odkształceniu granicznym, mniejszej wytrzymałości,
mniejszym module sztywności i wyraźnie mniejszym wskaźniku usztywnienia w porównaniu z betonami asfaltowymi zawierającymi asfalt zwykły lub modyfikowany. W przypadku betonu asfaltowego do warstwy ścieralnej tendencje były podobne. Beton
asfaltowy z asfaltem wielorodzajowym miał wyraźnie większe odkształcenie, mniejszy
moduł sztywności oraz mniejszy wskaźnik usztywnienia. W badaniu zginania w niskich
temperaturach betony asfaltowe zarówno do warstwy ścieralnej jak i wiążącej zawierające asfalt wielorodzajowy okazały się wyraźnie bardziej podatne i mniej wrażliwe
na zmiany temperatury w porównaniu z pozostałymi asfaltami.
5. Podsumowanie
Betony asfaltowe, zarówno do warstwy wiążącej jak i ścieralnej, zawierające asfalt
wielorodzajowym 50/70, co prawda charakteryzowały się mniejszą odpornością na
starzenie, w porównaniu z pozostałymi badanymi betonami asfaltowymi, ale były zdecydowanie mniej sztywne i charakteryzowały się najlepszą odpornością na spękania
niskotemperaturowe, spośród badanych betonów asfaltowych. Dzięki tym cechom
warstwa zbudowana z takiego betonu asfaltowego będzie bardziej podatna, mniej
sztywna a przez to bardziej odporna na spękania.
7
Literatura
1. Judycki J., Dołżycki B. Badania wpływu właściwości asfaltów produkcji ORLEN ASFALT Sp. z o.o. na starzenie i spękania niskotemperaturowe betonów asfaltowych,
Politechnika Gdańska, praca niepublikowana, Gdańsk 2004
2. Ar-Rabti A. The effect of aging on mechanistically properties of asphalt concrete,
stone mastic asphalt and porus asphalt mixes, Doctor’s thesis, Gdańsk 1998
3. Ar-Rabti A.H.G, Judycki J. Effect of Some Testing Variables on Resilient Modulus of
Asphalt Mixes Determined in Indirect Tensile Method, International Journal of Road
Materials and Pavement Design, vol. 1, iss. 3, 2002
4. SHARP-A-383, (1994), Selection of Laboratory Aging Procedures for Asphalt-Aggregate Mixtures, Strategic Highway Research Program, Washington, D.C
5. SHARP-A-384, (1994), Aging: Binder Validation, Strategic Highway Research Program,
National Research Council, Washington, D.C.
6. SHARP-A-390, (1994), Laboratory Aging of Asphalt Aggregate Mixtures: Field Validation, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, D.C.
7. Nottingham Asphalt Tester, NAT Manual, 1st version, October 1994
8. Judycki J. Pszczoła M. Jaskuła P. Modyfikacja metody zginani belek z mieszanek
mineralnoasfaltowych i ocena ich parametrów reologicznych, Kielce 2001
9. Judycki J. Metoda badań właściwości reologicznych drogowego betonu asfaltowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Budownictwo Lądowe, Nr 29, Gdańsk
1976
10. Judycki, J. Asfalty drogowe i mieszanki mineralno-asfaltowe modyfikowane elastomerem, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Budownictwo Lądowe, XLV, Nr 45,
Gdańsk 1991
RESISTANCE TO AGING AND LOW TEMPERATURE CRACKING OF ASPHALT CONCRETE
CONTAINING MULTIGRADE BITUMEN
In 2004 the Road Laboratory of Gdańsk University of Technology conducted an investigation of resistance to aging and low temperature cracking of asphalt concrete
containing pure, modified and multigrade bitumen. The investigation of aging was
conducted according to the SHRP procedure. The investigation of low temperature
cracking was conducted according to the Gdańsk University of Technology procedure. It was found that asphalt concrete containing multigrade bitumen is less resistant to
aging, has a lower stiffness and is more resistant to temperature cracking than asphalt
concretes containing pure or modified bitumen. Asphalt layer built from asphalt concrete containing multigrade bitumen is more flexible and more resistant to cracking.
8