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.