• Nie Znaleziono Wyników

4. METODYKA BADAŃ LABORATORYJNYCH

4.4. W YKORZYSTANE METODY BADAWCZE

4.4.2. Wykorzystane metody badawcze mieszanek mineralno-asfaltowych

4.4.2.4. Starzenie

100

1 2

×

= R

ITSR R

(4.4)

gdzie:

R2 – średnia wytrzymałość próbek kondycjonowanych, R1 – średnia wytrzymałość próbek bez kondycjonowania.

Mniejsze wartości wskaźników ITSR i RMR wskazuję, że mieszanka mineralno-asfaltowa jest bardziej wrażliwa na działanie wody i mrozu. Wartości wskaźników zbliżone do 1,0 oznaczają brak wrażliwości mieszanki na działanie wody i mrozu.

4.4.2.4. Starzenie

Starzenie mieszanek mineralno-asfaltowych wynika ze zmian właściwości asfaltu wraz z upływem czasu, które spowodowane są oddziaływaniem podwyższonej temperatury oraz promieni ultrafioletowych. W efekcie zmianom podlegają również cechy mieszanki mineralno-asfaltowej. Mieszanka staje się bardziej sztywna i krucha przez co zmniejsza się jej odporność na spękania. Proces starzenia przebiega dwuetapowo:

• Etap I nazywany jest starzeniem krótkoterminowym. Przebiega on w trakcie wytwarzania, transportu i wbudowywania mieszanki mineralno-asfaltowej.

Starzeniu w I etapie sprzyja wysoka temperatura mieszanki, która konieczna jest ze względów technologicznych. Podczas etapu I starzenie przebiega najintensywniej w trakcie mieszania składników ponieważ w tym momencie występuje najwyższa temperatura w trakcie całego procesu produkcyjnego, zaś powierzchnia kontaktu z powietrzem asfaltu rozprowadzonego w cienkiej warstwie na ziarnach kruszywa jest największa.

• Etap II przebiega w trakcie eksploatacji nawierzchni i nazywany jest starzeniem długoterminowym. Na jego wpływ ma intensywność oddziaływania promieni słonecznych, temperatury otoczenia, a także ilość wolnych przestrzeni w mieszance warunkująca dostęp powietrza do błonki asfaltu na ziarnach agregatu mineralnego.

Proces starzenia asfaltu w mieszankach mineralno-asfaltowych ilustruje rysunek 4.4.

Rys. 4.4. Proces starzenie asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej w czasie wytwarzania, wbudowywania i eksploatacji wyrażony za pomocą zmiany lepkości

asfaltu, [7] za [110]

Badanie odporności betonów asfaltowych na proces starzenia polegało na określeniu zmian wybranych parametrów fizykomechanicznych – modułów sztywności sprężystej oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie – próbek mieszanek mineralno-asfaltowych przed i po poddaniu ich symulowanemu procesowi starzenia.

Symulacja ta polegała na przetrzymywaniu w wysokiej temperaturze luźnej mieszanki mineralno-asfaltowej przed jej uformowaniem i zagęszczeniem (symulacja starzenia krótkoterminowego, technologicznego) oraz następnie poddawaniu gotowych próbek oddziaływaniu podwyższonej temperatury i powietrza (symulacja starzenia długoterminowego, eksploatacyjnego). Miarą odporności betonu asfaltowego na proces starzenia są zmiany wytrzymałości na pośrednie rozciąganie oraz modułu sztywności sprężystej po przejściu symulowanych procesów starzenia w stosunku do wytrzymałości na pośrednie rozciąganie i modułu sztywności uzyskanych dla próbek bez kondycjonowania. Wymagało to przygotowania następujących serii próbek według trzech schematów:

• Próbki niestarzone (NS) – próbki niepoddane procesowi starzenia. Wyniki uzyskane dla tych próbek były poziomem odniesienia w stosunku do jakiego porównywano wyniki uzyskane dla próbek poddanych procesowi starzenia. W dalszej części pracy próbki takie oznaczono jako próbki bez starzenia (NS).

• Próbki po starzeniu krótkoterminowym w suszarce (SKS) – próbki z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego według procedury podanej w dalszej części tego punktu. Próbki te w pracy oznaczono jako próbki po starzeniu krótkoterminowym (SKS). Starzenie krótkoterminowe mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany, jakie zachodzą podczas

produkcji, transportu, wbudowania i zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej

• Próbki po starzeniu długoterminowym w suszarce (SDS) – próbki wykonane z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego a po nim dodatkowo procesowi starzenia długoterminowego. Przebieg tych procesów opisano w dalszej części tego punktu. W pracy próbki te oznaczono jako po starzeniu długoterminowym (SDS). Starzenie długoterminowe mieszanki mineralno-asfaltowej symuluje zmiany, jakie zachodzą podczas eksploatacji nawierzchni.

Procesy starzenia krótkoterminowego i długoterminowego przeprowadzono według procedury, opracowanej w Katedrze Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej przez Ar-Rabtiego i Judyckiego [5], na podstawie badań prowadzonych w ramach amerykańskiego programu badawczego SHRP (Strategic Highway Reaserch Program).

Starzenie krótkoterminowe (SKS) przeprowadzono wg następującej procedury:

• Mieszankę wytwarzano w mechanicznej mieszarce zgodnie z opisem przedstawionym w punkcie 4.3.2. Temperatura wytwarzania mieszanki w przypadku czystych asfaltów 50/70 oraz 45/80-55 wynosiła 160°C, natomiast dla asfaltów z dodatkami WMA 135°C.

• Luźną (niezagęszczoną) mieszankę mineralno-asfaltową rozkładano w formach tak, aby grubość warstwy wynosiła około 1,5 cm.

• Formy z mieszanką przetrzymywano w suszarce z wymuszonym nawiewem przez okres 4 godzin. Dla mieszanek z asfaltami czystymi 50/70 oraz 45/80-55 temperatura przetrzymywania wynosiła 135°C, zaś dla mieszanek z dodatkami WMA 110°C. Niższą temperaturę przetrzymywania dla mieszanek z WMA przyjęto, ponieważ założono że w docelowym trybie zastosowania ich produkcja i transport będzie odbywała się w temperaturze niższej, niż mieszanek tradycyjnych, a zatem symulacja procestu starzenia krótkoterminowego również musi odbywać się w niższej niż 135°C temperaturze.

• Po zakończeniu tego okresu partie mieszanek podgrzewano do odpowiadających im temperaturom zagęszczenia i formowano próbki do dalszych badań (próbki walcowe w ubijaku Marshalla).

Z uwagi na charakter działania zeolitu – spieniania asfaltu poprzez wodę zawartą w porach minerału jakim jest zeolit – i ryzyko utraty stanu spienienia w trakcie 4 godzinnego starzenia krótkoterminowego, nie wykonywano dla tego rodzaju mieszanki starzenia krótkoterminowego. Próbki mieszanek wykonanych z użyciem zeolitu poddawano tylko starzeniu długoterminowemu.

Starzenie długoterminowe (SDS) przeprowadzono wg następującej procedury:

• Próbki przygotowano z betonu asfaltowego poddanego procesowi starzenia krótkoterminowego.

• Po uformowaniu i zagęszczeniu próbki zabezpieczono przed rozpadnięciem się lub deformacjami pod własnym ciężarem drobnoziarnistą siatką miedzianą poprzez owinięcie próbek pobocznicy.

• Umieszczono próbki w suszarce z wymuszonym nawiewem.

• Próbki przetrzymywano przez 5 dni w temperaturze 85°C.

• Po tym czasie próbki poddano badaniom laboratoryjnym.

Widok próbek przygotowanych do starzenia długoterminowego przedstawiono na fotografii 4.14.

Fot. 4.14. Widok próbek walcowych w osłonkach z siatki miedzianej przygotowanych do starzenia długoterminowego

Wpływ starzenia w pośrednim rozciąganiu określono poprzez wyznaczenie wskaźników modułu sztywności sprężystej oraz wytrzymałości na pośrednie rozciąganie. Badania te wykonywano dla 4 temperatur: -10, 0, 10 oraz 20ºC. Dla każdej kombinacji 3 zmiennych – temperatury , rodzaju starzenia oraz danego składu – badano 3 próbki. Wskaźniki zostały one zdefiniowane następująco:

Wskaźnik modułu sztywności po starzeniu krótkoterminowym:

%

× 100

=

NS SKS

SKS

S

WS S

(4.5a)

Wskaźnik modułu sztywności po starzeniu długoterminowym:

%

× 100

=

SKS SDS

SDS

S

WS S

(4.5b)

Wskaźnik modułu sztywności po starzeniu całkowitym:

%

× 100

=

NS SDS

SCS

S

WS S

(4.5c)

gdzie:

WSSKS, WSSDS, WSSCS – wskaźniki modułu sztywności po starzeniu

krótkoterminowym, długoterminowym i całkowitym, SSKS – moduł sztywności sprężystej po starzeniu krótkoterminowym,

SSDS – moduł sztywności sprężystej po starzeniu długoterminowym, SNS – moduł sztywności sprężystej próbek niestarzonych.

Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po starzeniu krótkoterminowym:

%

× 100

=

NS SKS

SKS

R

WR R

(4.6a)

Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po starzeniu długoterminowym:

%

× 100

=

SKS SDS

SDS

R

WR R

(4.6b)

Wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po starzeniu całkowitym:

%

× 100

=

NS SDS

SCS

R

WR R

(4.6c)

gdzie:

WRSKS, WRSDS, WRSCS – wskaźnik wytrzymałości na pośrednie rozciąganie po starzeniu krótkoterminowym, długoterminowym i całkowitym

RSKS – wytrzymałość próbek po starzeniu krótkoterminowym, RSDS – wytrzymałość próbek po starzeniu długoterminowym, RNS – wytrzymałość próbek niestarzonych.