ANALIZA WPŁYWU RODZAJU ASFALTU SPIENIONEGO NA ROZKŁAD WYBRANYCH CECH RECYKLOWANYCH MIESZANEK

Celem badań było ustalenie wpływu rodzaju asfaltu wyjściowego poddanego spienieniu na zmiany właściwości fizyczno-mechanicznych recyklowanych mieszanek oraz określenie ich wodo- i mrozoodporności. W badaniach analizie porównawczej poddano mieszankę mineralno-cementową z asfaltem spienionym (MCAS-1) wyprodukowanym na bazie asfaltu 85N, której skład i właściwości szczegółowo przedstawiono w pracach [3, 11]. W kontrolnej mieszance (MCAS-2) natomiast jako lepiszcze wykorzystano powszechnie stosowany w drogownictwie asfalt 50/70, jednakże charakteryzujący się słabszymi zdolnościami pieniącymi a parametry wyprodukowanej piany asfaltowej nie spełniają w pełnym zakresie rekomendowanych wymagań. Zawartość obu lepiszczy asfaltowych w MMA wynosiła od 2,0% do 3,5% przy wzroście o 0,5%. Natomiast na podstawie przeprowadzonej wielokryterialnej optymalizacji statystycznej [11] ustalono, iż mieszanka MCAS-1 charakteryzuje się korzystnymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi oraz wodo- i mrozoodpornością na wymaganym poziomie według zastosowanych kryteriów oceny przy stosowaniu cementu w ilości co najmniej 2,0%. W związku z tym, w badaniach porównawczych w kontrolnej mieszance MCAS-2 przyjęto na tej podstawie minimalną zawartość cementu wynoszącą 2,0%. Niecelowe jest stosowanie większej ilości spoiwa hydraulicznego, która może powodować powstawanie spękań w podbudowie oraz w wyżej leżących warstwach konstrukcyjnych nawierzchni. Ponadto wyższa zawartość drobnych frakcji w recyklowanym materiale wymaga stosowania większych ilości lepiszcza asfaltowego, co nie jest korzystne ze względów ekonomicznych.

Do oceny porównawczej właściwości recyklowanych mieszanek w aspekcie rodzaju użytego wyjściowego lepiszcza asfaltowego do technologii spieniania na kontrolnej mieszance MCAS-2 określono podobnie jak na referencyjnej MCAS-1 następujące parametry: zawartość wolnych przestrzeni, wytrzymałość na pośrednie rozciąganie przed i po nasączeniu wodą wg wytycznych [5, 10] oraz wskaźnik odporności na oddziaływanie wody zgodnie z wymaganiami [5, 10]. Kompleksową ocenę przeprowadzono na podstawie określenia wskaźników wytrzymałości na rozciąganie pośrednie po pielęgnacji w wodzie oraz łącznie w wodzie i mrozie zgodnie z procedurami amerykańskimi (wg zmodyfikowanej metody AASHTO T283) [12]. Ponadto analizie poddano otrzymane wartości modułów sztywności sprężystej w pośrednim rozciąganiu w trzech temperaturach badania (-10ºC, 0ºC, 25ºC) zgodnie z PN-EN 12697-26 [13], które pozwalają określić wrażliwość recyklowanych mieszanek mineralnych z asfaltem spienionym na zmiany temperatury.

Na rysunku 1 zestawiono średnie zawartości wolnych przestrzeni (Vm) oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przed i po nasączeniu wodą (ITS_S, ITS_N).

a) b)

Rys. 1. Wpływ rodzaju i ilości asfaltu spienionego na zmiany a) zawartości wolnych przestrzeni b) wytrzymałości na pośrednie rozciąganie recyklowanych mieszanek (słupki błędów prezentują odchylenie standardowe)

Oceniając uzyskane rezultaty badań można wnioskować, że wpływ na właściwości fizyczne i mechaniczne recyklowanych mieszanek ma rodzaj oraz ilość użytego asfaltu do technologii spieniania. Wraz ze wzrostem ilości lepiszcza zawartość wolnych przestrzeni w mieszankach podbudowy zwykle maleje, ponieważ są łatwiej urabialne i zagęszczane. Mieszanki z najmniejszą zawartością lepiszcza charakteryzują się najwyższą zawartością wolnych przestrzeni, co w konsekwencji może mieć negatywny wpływ na wodo- i mrozoodporność tego rodzaju materiału. Należy dodać, iż mieszanka MCAS-2, w skład której użyto asfaltu spienionego na bazie lepiszcza 50/70 przy jego koncentracji 2,0% cechuje się zbyt wysoką wartością tego parametru przekraczającą wymaganą granicę według wymagań technicznych [14] wynoszącą 16%.

Analizując wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przed i po nasączeniu wodą można zauważyć, iż w badanym zakresie lepiszcza (od 2,0% do 3,5%) recyklowane mieszanki podbudowy charakteryzują się wyższymi wartościami obu parametrów (ITS_S, ITS_N) od minimalnej wymaganej wynoszącej zgodnie z wymaganiami [5] odpowiednio 225 kPa i 100 kPa. Parametr ten uzyskał najniższe wartości w przypadku stosowania najmniejszej ilości asfaltu spienionego. Taki rezultat może być konsekwencją stosunkowo wysokiej zawartości wolnej przestrzeni w recyklowanym materiale wpływającej na spadek wytrzymałości na rozciąganie pośrednie.

Na rysunku 2 przedstawiono zależność pomiędzy wskaźnikiem odporności na działanie wody i mrozu (TSR, WRW, WRW+M) a rodzajem i zawartością asfaltu spienionego (AS) w MMA. Natomiast rysunek 3 prezentuje zmiany modułów sztywności sprężystej w pośrednim rozciąganiu (ITSM) recyklowanych mieszanek podbudowy.

a) b)

Rys. 2. Zależność pomiędzy wskaźnikiem odporności na działanie a) wody TSR b) wody i mrozu (WRW, WRW+M) wg AASHTO T283 a rodzajem i ilością asfaltu spienionego w recyklowanych mieszankach podbudowy

MCAS-1 MCAS-2

AS

[%] Funkcja liniowa R² Funkcja liniowa R² 2,0 y=-79,391x+4488,7 0,771 y=-55,221x+3266,1 0,715 2,5 y=-104,38x+4909,1 0,720 y=-71,43x+3607,4 0,779 3,0 y=-120,52x+6024,4 0,813 y=-90,438x+4283,9 0,861 3,5 y=-105,56x+6540,4 0,708 y=-74,248x+4596,2 0,726 Nota: y-ITSM, x-zawartość asfaltu spienionego

Rys. 3. Zależność modułów sztywności sprężystej od temperatury badania recyklowanych mieszanek z asfaltem spienionym

Oceniając wyniki badań przedstawione na rysunku 2 zauważyć można, iż wzrost zawartości asfaltu spienionego w recyklowanych mieszankach podbudowy powoduje uzyskanie wskaźnika TSR na wyższym poziomie. Mieszanka MCAS-1 zawierająca w swoim składzie asfalt spieniony otrzymany na bazie lepiszcza 85N charakteryzuje się wymaganą odpornością w badanym zakresie lepiszcza, natomiast mieszanka MCAS-2 spełnia założone kryterium (TSR≥0,7 wg [5]) przy zawartości co najmniej 3,0% asfaltu spienionego.

Kompleksową ocenę wodo- i mrozoodporności badanych mieszanek mineralnych z asfaltem spienionym dokonano zgodnie z procedują AASHTO T283 [12], polegającą na oznaczeniu ich wytrzymałości na pośrednie rozciąganie przed i po procesie pielęgnacji.

Kiedy wskaźnik wytrzymałości odzwierciedlający te właściwości jest większy od 70% [12], wówczas przyjmuje się, że mieszanki odporne są na oddziaływanie wody i mrozu. Analizując rezultaty badań recyklowanych mieszanek podbudowy można stwierdzić, iż nastąpił spadek badanych parametrów i nie wszystkie one osiągnęły minimalną wymaganą wartość. Wyższą odporność na badane czynniki zapewnia zastosowanie większej zawartości asfaltu spienionego w składzie recyklowanej podbudowy. Należy zaznaczyć, że przy koncentracji 2,5% asfaltu spienionego wyprodukowanego z lepiszcza 85N uzyskano już wymagane wartości obu parametrów (WRW=78,3%, WRW+M=70,2%), zapewniając podbudowie odporność na oddziaływanie wody oraz łącznie wody i mrozu. Należy dodać, iż mieszanka MCAS-2 z udziałem piany asfaltowej na bazie lepiszcza 50/70 założone kryterium spełnia jedynie przy maksymalnej koncentracji asfaltu spienionego (3,5%).

Ocenę odporności na działanie niskich temperatur recyklowanych MMA z asfaltem spienionym przeprowadzono również na podstawie analizy modułów sztywności sprężystej w pośrednim rozciąganiu. Do oceny wrażliwości temperaturowej badanie wykonano

w temperaturze -10ºC, 0ºC i 25 ºC. Analizując wyniki oznaczeń zauważyć można, iż wzrost ilości asfaltu spienionego w obu mieszankach wpływa na podwyższenie ocenianego parametru.

W temperaturze 25ºC zaobserwowano zmniejszenie tempa wzrostu wartości modułów sztywności sprężystej w badanym zakresie lepiszcza. W temperaturze -10ºC zanotowano najwyższe wartości ocenianego parametru niezależnie od rodzaju użytego asfaltu spienionego w zakresie od 4221,2MPa do 8379,3MPa, natomiast w temperaturze 0ºC na poziomie 2661,9MPa

÷ 5365,4MPa. Uzyskane zależności w postaci funkcji liniowych charakteryzują się wartością współczynnika determinacji R² > 0,71 i wyjaśniają w stopniu większym niż 71% zmienności wyników. Odnosząc się do wymagań [10] stawianych MMA z asfaltem spienionym dla tego typu materiału mineralnego (mieszanka destruktu asfaltowego i kruszywa łamanego) wartość ITSM w temperaturze 25ºC powinna wynosić w granicach od 2500MPa do 4000MPa.

Analizując powyższe wyniki badań można stwierdzić, że mieszanka MCAS-1 z zawartością od 2,0% do 3,0% asfaltu spienionego spełnia to kryterium, natomiast wykorzystanie lepiszcza 50/70 do technologii spieniania w recyklowanym materiale wymaga w tym celu stosowania jego wyższych koncentracji (od 3,0% do 3,5%).

4. WNIOSKI

W oparciu o analizę uzyskanych wyników badań recyklowanych mieszanek w aspekcie rodzaju użytego asfaltu do technologii spieniania sformułowano następujące wnioski:

 rodzaj asfaltu poddanego spienieniu istotnie wpływa na zmiany wybranych parametrów fizycznych i mechanicznych recyklowanych mieszanek podbudowy,

 stosowanie asfaltu 85N do technologii spieniania w recyklowanych mieszankach podwyższa ich parametry mechaniczne (ITSS, ITSN) w porównaniu do mieszanek, w których użyto pianę asfaltową wytworzoną z lepiszcza 50/70,

 mieszanka mineralno-cementowa z asfaltem spienionym wyprodukowanym na bazie lepiszcza 85N (MCAS-1) uzyskała zawartość wolnych przestrzeni na niższym poziomie w porównaniu do kontrolnej mieszanki MCAS-2, co wpływa istotnie na podwyższenie jej odporności na destrukcyjne działanie wody i mrozu,

 przy ocenie modułów sztywności sprężystej w pośrednim rozciąganiu w różnych temperaturach badania zanotowano spadek parametru wraz ze wzrostem temperatury niezależnie od ilości i rodzaju zastosowanego lepiszcza asfaltowego, wyższe wartości badanej cechy uzyskano dla mieszanki MCAS-1,

 wykorzystanie lepiszcza 85N do technologii spieniania podczas recyklingu na zimno w ilości co najmniej 2,5% oraz cementu na poziomie 2,0% pozwala uzyskać podbudowę charakteryzującą się wysokimi parametrami mechanicznymi oraz wymaganą odpornością na działanie wody i mrozu, natomiast w mieszance z lepiszczem 50/70 wymagania te są spełnione przy stosowaniu większej o 1,0% koncentracji lepiszcza.

Określenie odporności na oddziaływanie wody i mrozu MMA z asfaltem spienionym jest niezbędnym kryterium oceny trwałości podbudowy zwłaszcza w warunkach klimatycznych występujących w naszym kraju (klimat umiarkowany) oraz z uwagi na wysoką zawartość wolnych przestrzeni w recyklowanym materiale. Badania potwierdziły, że kryterium odporności recyklowanej podbudowy na oddziaływanie wody tylko na podstawie wskaźnika TSR jest niewystarczające i należy je uzupełnić np. o zaproponowaną metodykę AASHTO T283.

W artykule przedstawiono wyniki badań naukowych, które zostały wykonane w ramach realizacji projektu “Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju” współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

Piśmiennictwo

[1] Romanoschi, S.A., M. Heitzman, A.J. Gisi, Foamed asphalt stabilized reclaimed asphalt pavement: A promising technology for Mid-western roads, Mid-continent transportation research symposium, Iowa State University, Iowa, Australia, 2003.

[2] Iwański M.: Podbudowa z asfaltem spienionym. Drogownictwo Nr 3, 2006, s. 97-106.

[3] Iwański M., Chomicz-Kowalska A.: Właściwości recyklowanej podbudowy z asfaltem spienionym. Drogownictwo Nr 9, 2011, s. 271-277.

[4] Iwański M., Chomicz-Kowalska A.: Przydatność do spieniania asfaltów drogowych stosowanych w Polsce. Drogownictwo Nr 8, 2006, s. 267-271.

[5] Bitumen Stabilised Materials, A Guideline for the Design and Construction of Bitumen Emulsion and Foamed Bitumen Stabilised Materials, Technical Gudeline 2 (TG2), Asphalt Academy, Second Edition, Pretoria, South Africa, May 2009.

[6] PN-EN 12591:2004 Asfalty i produkty asfaltowe - Wymagania dla asfaltów drogowych.

[7] Jenkins K. J., de Groot J. L. A., van de Ven M. F. C.: Characterisation of foamed bitumen.

7th Conference on Asphalt pavements for Southern Africa, Victoria Falls, Zimbabwe, 1999.

[8] Muthen K. M.: Foamed asphalt mixes. Mix design procedure. Contract Report CR 98/077, SABITA Ltd & CSIR Transportek (Council for Scientific and Industrial Research Transportek), Pretoria, South Africa, 1999.

[9] Karta charakterystyki asfaltu: www.nynas.com/pl/, www.orlen-asfalt.pl

[10] Cold Recycling Manual, Wirtgen GmbH, 3nd edition, Windhagen, Germany, 2010.

[11] Chomicz-Kowalska A.: Właściwości recyklowanej podbudowy z asfaltem spienionym w aspekcie optymalizacji jego zawartości. IV Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna „Nowoczesne Technologie w budownictwie drogowym”, Poznań, 2009, s. 278-288.

[12] Judycki J., Jaskuła P.: Badania odporności betonu asfaltowego na działanie wody i mrozu.

Drogownictwo Nr 12, 1997, s. 374-378.

[13] PN-EN 12697-26:2007 Mieszanki mineralno-asfaltowe - Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco - Część 26: Sztywność.

[14] Zawadzki J., Matras J., Mechowski T., Sybilski D: Warunki techniczne wykonywania warstw podbudowy z mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej (MCE). Warszawa, Zeszyt 61, IBDiM, 1999.

EVALUATION OF WATER AND FROST RESISTANCE OF BASE COURSE MIXES