Badania właściwości mieszanek mineralno-asfaltowych

Badania mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze produkcji rozwinęły się szczególnie po roku 2008, kiedy nastąpił znaczny wzrost zainteresowania tą technologią. Początkowe prace badawcze miały charakter przeglądowy, mający na celu zebranie wstępnych informacji na temat dostępnych technologii obniżania temperatury. Do tego rodzaju zaliczają się min. publikacje [4], [16], [20], [50], [107] oraz raporty [22] autorstwa D’Angelo i innych, a także [93]

Prowell’a, które opracowano dla FHWA na podstawie danych zebranych w 2007 roku przez przedstawicieli amerykańskiej administracji drogowej i firm wykonawczych podczas wizyt w krajach europejskich stosujących już technologie WMA. Celem tego przedsięwzięcia było pozyskanie użytecznych informacji na temat mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze produkcji, które byłyby pomocne w ich wdrażaniu w USA. Nieco wcześniej, w 2004 roku, wykonano w tym kraju jeden z pierwszych, ściśle zaplanowanych, odcinków doświadczalnych z mieszankami zawierającymi dodatki Sasobit i zeolit, co było poprzedzone również etapem badań doświadczalnych. Wyniki opublikowano w pracach [51] oraz [52] przygotowanych pod kierownictwem Hurley’a i Prowella. Mieszanki z dodatkami WMA badano w zakresie modułów sztywności, odporność na działanie wody, wytrzymałości na pośrednie rozciąganie i odporności na koleinowanie. Uzyskane wówczas wyniki wskazywały, że mieszanki produkowane w niższej temperaturze z dodatkami Sasobitu i zeolitu nie odbiegały właściwościami od mieszanek tradycyjnych.

Zaobserwowane nieco niższe wartości wytrzymałości na pośrednie rozciąganie dla mieszanek z dodatkiem Sasobitu tłumaczono mniejszym starzeniem technologicznym asfaltu, ponieważ temperatura produkcji mieszanki WMA wynosiła jedynie 121 ºC. W obu przypadkach zwrócono uwagę na możliwość powstawania uszkodzeń nawierzchni wynikających ze złej przyczepności asfaltu do kruszywa,

która może być spowodowana przez niecałkowite usunięcie wody z porów ziaren agregatu mineralnego podczas suszenia w obniżonej temperaturze ([51], [52]).

W dalszych pracach badawczych prowadzonych zarówno w Stanach Zjednocznych, jak i Europie można wyróżnić kilka kierunków skupionych na rozwiązaniu konkretnych zagadnień:

• uwzględnienie działania dodatków WMA w projektowaniu składu mieszanek mineralno-asfaltowych ([10], [12], [13], [46], [59], [75]),

• wyjaśnienie odporności mieszanek WMA na oddziaływanie wody, również w sytuacji wykorzystywania technologii spieniania asfaltu ([18], [42], [70], [71], [81]),

• ocenie wpływu dodatków WMA na zagęszczalność ([40], [44], [96], [108], [116]),

• możliwość stosowania technologii WMA przy wytwarzaniu mieszanek z dodatkiem destruktu asfaltowego lub asfaltem modyfikowanym gumą ([2], [3], [28], [90], [114]),

• odporności mieszanek WMA na spękania niskotemperaturowe ([23], [47], [80]),

• wykorzystania cech mieszanek WMA w projektowaniu nawierzchni ([39], [88], [98], [101]).

W pierwszej grupie wyróżnia się obszerny cykl badań wykonanych w ramach amerykańskiego programu „Mix Design Practices for Warm-Mix Asphalt”, którego wyniki opublikowane w raportach ([10], [12], [13], [59]) pod redakcją Bonaquista i Harrigana. Jego celem było opracowanie metody projektowania składów mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze produkcji, zgodnej proceduralnie i sprzętowo z obowiązującą metodą projektowania mieszanek tradycyjnych.

Analizowano poszczególne etapy procesu projektowania składu (sposób mieszania, zagęszczalność, czasy kondycjonowania próbek) oraz właściwości asfaltów i gotowych mieszanek (odporność na działanie wody, deformacje trwałe oraz zmęczenie). Parametry mieszanek z etapu laboratoryjnego były weryfikowane na odcinkach doświadczalnych. Wnioski z przeprowadzonych analiz wskazywały, że proces projektowania mieszanek WMA jest w dużym stopniu zbliżony do projektowania mieszanek tradycyjnych. Mogą być stosowane asfalty o tej samej klasyfikacji PG. Zwrócono uwagę, że oczekiwana na podstawie teorii poprawa właściwości niskotemperaturowych asfaltów z uwagi na mniejsze starzenie technologiczne była odczuwalna jedynie przy radykalnie niższych temperaturach produkcji mieszanek, trudnych do osiągnięcia w warunkach praktycznych. W pozostałych przypadkach pozytywny efekt mniejszego wygrzewania asfaltu podczas produkcji był bardzo nieznaczny. Ponadto stwierdzono, że pomimo próby oceny zagęszczalności mieszanek tradycyjnych i mieszanek WMA za pomocą kilku sposobów (urządzenie UMass, Nynas, prasa żyratorowa, urządzenie Uniwerystetu New Hampshire) uzyskiwane różnice były bardzo niewielkie. Różnice pomiędzy poszczególnymi rodzajami mieszanek uwidaczniały się dopiero przy temperaturach

niższych o około 30 ºC od temperatur zagęszczania występujących na drodze, w rzeczywistych warunkach stosowania mieszanek WMA. W tablicy 2.3. przedstawiono zestawienie metod pomiaru zagęszczalności, które stosowano w badaniach [10].

Tablica 2.4. Zestawienie analizowanych metod pomiaru zagęszczalności mieszanek mineralno-asfaltowych [10]

Rodzaj urządzenia / metoda

pomiarowa Mierzona wielkość

Zmodyfikowane urządzenie NCAT Moment obrotowy mieszadła przy stałej prędkości Urządzenie UMass Moment obrotowy mieszadła przy stałej prędkości

Zmodyfikowane urządzenie Nynas Siła przy przesuwaniu porcji luźnej mieszanki przez łopatkę Norma ASTM D6704 Siła przy wciskaniu łopatki w luźną mieszankę

Prasa żyratorowa Naprężenia ścinające podczas zagęszczania próbki Uniwersytet New Hampshire Moment obrotowy występujący na wale mieszarki ręcznej

W pracy Mogaweera i Masada [81] ocenę zachowania się mieszanek poddanych działaniu wody przeprowadzono analizując dane uzyskane z badania w koleinomierzu HWT (Hamburg Wheel Tester], posługując się stosunkiem modułów dynamicznych próbek kondycjonowanych do modułów próbek referencyjnych oraz wykorzystując analizę energii powierzchniowej i zagadnienia mechaniki spękań.

Według Mogaweera ewentualne problemy z odpornością mieszanek WMA na działanie wody (zwłaszcza przy stosowaniu technologii wykorzystujących spienianie) mogą być rozwiązane za pomocą tych samych środkow adhezyjnych, jakie stosowane są dla mieszanek tradycyjnych. Analizy energii powierzchniowej wskazały na mniejsze napięcie powierzchniowe asfaltów występujących w mieszankach WMA, co polepsza zwilżalność kruszywa i w istocie powinno zwiększać odporność na działanie wody [81].

Amirkhanian i Akisetty ([2], [3], [114]) zajmowali się tematyką jednoczesnego stosowania dodatków obniżających temperaturę i asfaltów modyfikowanych gumą.

Wyniki przez nich uzyskane wskazywały na brak negatywnych efektów wprowadzania środków WMA do mieszanek opartych o takie lepiszcze. Inne prace z tej dziedziny przeprowadził również Hajj z zespołem [41].

Przy określaniu zachowań niskotemperaturowych mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze produkcji wykorzystywane były metoda TRST. Badania takie opisał Butz [17] oraz Butt, Tasdemir i Edwards ([15], [32]). W pracy [17]

zamieszczono wyniki badań próbek betonów asfaltowych i mieszanek SMA wytworzonych zarówno z asfaltami zwykłymi (50/70, 30/45), jak i modyfikowanymi (PmB 45). Odnotowane różnice w pomiarach naprężeń oraz temperatur przy których wystąpiło pęknięcie w próbce były niewielkie. Wprowadzenie do obu rodzajów

asfaltów 3% dodatku Sasobitu powodowało wzrost naprężeń rzędu 0,1 MPa i wzrost temperatury pęknięcia o 1 ºC. Większe różnice otrzymano podczas badań opisanych w publikacji [15] dotyczącej asfaltów lanych. Dodatek 4% Sasobitu do asfaltu PmB 32 spowodował wzrost temperatury pęknięcia o 5 ºC (z -35 na -30 ºC). Inne podejście do zagadnienia spękań niskotemperaturowych zaprezentowali Hill, Behnia, Hakimzadeh i Buttlar [47], którzy do oceny zachowania się mieszanek w niskich temperaturach wykorzystali parametry związane z mechaniką spękań, tj. energię pęknięcia i współczynniki koncentracji naprężeń. Wielkości te określano na podstawie badań próbek o geometrii DC(T) (Disk-Shaped Compact-Tension) oraz 3PB (Three Point Bending), które nacinano w celu inicjacji spękania w określonym miejscu. Wyniki uzyskane przez Hilla i jego zespół pokazały, że energia pęknięcia zależała od rodzaju technologii WMA. W przypadku dodatku Redisetu oraz Evothermu odnotowano zwiększenie energii pęknięcia w stosunku do mieszanki tradycyjnej, oznaczający również lepsze charakterystyki pracy nawierzchni w niskich temperaturach. Dla dodatku Sasobit oraz zeolitu energia pęknięcia była mniejsza.

Autorzy pracy [47] nie wskazują jednak na jednoznaczne powody takiego zachowania, wymieniając jako prawdopodobne przyczyny różny skład chemiczny analizowanych środków lub różną istotę ich działania, na które dodatkowo mógł nałożyć się efekt mniejszego starzenia asfaltu przy produkcji w niższej temperaturze.

Z kolei rezultaty badań Kima [80] pokazały, że mieszanki WMA zawierające dodatek wosku parafinowego i Evothermu charakteryzowały się niegorszymi lub większymi współczynnikami intensywności naprężeń, przekładającymi się na lepsze właściwości niskotemperaturowe.