S le tA fo m e n tf nr 5 wrzesień - październik 1999 r. TOM 3
W ło d z im ie r z B a r y ń * , L u d o m ir Ś lu s a r sk i*
Oddziaływania między gumą a asfaltem. Ocena stabilności układu.
Kompozycje asfaltowo-gumowe nabierają coraz większego znaczenia w budownictwie drogowym. Z jednej strony związane jest to z koniecznością modyfikacji asfaltów w celu zwiększenia wytrzymałości nawierzchni, a z drugiej stwarza szansę utylizacji odpadów gumowych, głównie opon.
W badaniach układów guma-asfalt, ze względu na większą gęstość gumy niż stopionego asfaltu, pojawia się słabo poznany i trudny do rozwiązania problem trwałości tego rodzaju kompozycji. Wykazują one silną tendencję do rozwarstwiania się. Podjęto badania oddziaływań między gumą bieżnikową a asfaltem i rozdrobnioną gumą bieżnikową a asfaltem. Stwierdzono, że maksimum pęcznienia gumy bieżnikowej występuje w temperaturze 180°C i wynosi 90%.
Oddziaływanie gumy z asfaltem nie powoduje zmian zawartości frakcji zolowej, natomiast powyżej temperatury 60°C lepkość asfaltu maleje, co przyczynia się do sedymentacji miału gumowego. Temu zjawisku można przeciwdziałać poprzez zwiększenie lepkości układu, co można osiągnąć zwiększając stopień spęcznienia miału gumowego oraz dodając jako zagęstnik regenerat gumowy.
Słowa kluczowe: kompozycja miał gumowy asfalt, stabilność układu
Interactions between rubber and asphalt.
Evaluation of system stability.
• Ground rubber-asphalt mixes are in increasing amount used in pavements construction. It enables to improve a durability o f pavements and gives a real chance to utilise a huge amount o f waste rubber goods, in particular tyres.
However there is a serious, technical problem o f insufficient ground rubber dispersion stability in a melt asphalt. Because o f a higher specific density a rubber powder settles easily at a bottom o f a chamber. Swelling o f rubber particles in an asphalt should also influence a rate o f its sedimentation. A dependence o f the mixes stability has been studied. It was stated that above 60°C a viscosity o f an asphalt drops rapidly what facilitates o f ground rubber sedimentation. A maximum o f tread rubber swelling is observed at 180°C and equals to 90%, without practical any change in sol-fraction content. A rate of rubber particles sedimentation is lowered as a consequence o f their swelling although a similar effect could be achieved it a viscosity o f the asphalt is enhanced e.g. owing an application o f reclaimed rubber as an thickening agent.
Key words: ground rubber - asphalt mixes, system stability
•Instytut Polimerów Politechniki Łódzkiej
TOM 3 wrzesień - październik 1999 r. S ia ć & M te ry nr 5
Wstęp
Nasilający się z roku na rok ruch na drogach oraz zwiększające się obciążenie pojazdów spowodowały konieczność poszukiw ania m etod m odyfikacji asfal
tów w celu popraw ienia w ytrzym ałości nawierzchni.
Jednocześnie coraz większa ilość odpadów gumowych, głównie opon grom adzonych na wysypiskach, skła
nia do poszukiw ania sposobów ich utylizacji.
Szczególnie obiecujące, ze w zględu na skalę przedsięw zięcia, jest zastosow anie w budow nictw ie drogowym kom pozycji asfaltow o-gum ow ych sporzą
dzanych “na m okro” (wet process). Jednak w tym przy
padku powstaje słabo poznany i jednocześnie trudny do rozw iązania problem trw ałości takich kom pozycji (silna tendencja do rozw arstw iania), w ynikający z większej gęstości gumy od gęstości stopionego asfal
tu. W ykazują one silną tendencję do rozw arstw iania się. Jest to poważny problem techniczny, gdyż osa
dzający się miał gum owy zapycha przewody i zaw o
ry. Ciągłe, intensywne mieszanie zawiesiny byłoby kło
potliwe i zwiększałoby koszty procesu.
Trwałość układu asfalt- miał gumowy odgrywa istotną rolę zarówno podczas sporządzania, jak i prze
chow yw ania kom pozycji asfaltow o-gum ow ych. W Instytucie Polimerów Politechniki Łódzkiej podjęto ba
dania właściwości takich kom pozycji.
Część doświadczalna
M a te ria ły
Do badań stosowano:
• miał gum owy z bieżników opon o granulacji 1,0 - 2,0 mm z Zakładów “Gum a - B olechow o”
• ścięty bieżnik opony typ 1.35 SR12 ZX Radial ze
“Stomilu O lsztyn”
• asfalt drogowy D-70 o w łaściw ościach podanych w tabeli 1, z Petrochem ii Płock S.A.
• regenerat gumowy z Zakładów “G um a-Bolechowo”
Tabela 1. Właściwości asfaltu
Właściwość Asfalt D-70
Penetracja w 25°C,cP 70
Temperatura mięknienia, °C 54
Temperatura zapłonu, °C <230
Temperatura łamliwości, °C -8
Zawartość parafiny, % wag. 2,2
Zawartość siarki, % wag. 7
11
Sfa& tM i& U f' nr 5 wrzesień - październik 1999 r. TOM 3
TOM 3 wrzesień - październik 1999 r. nr 5
13
S fa A tw t& U f nr 5 wrzesień - październik 1999 r. TOM 3
praw dopodobne, jeg o destrukcja term ooksydacyjna przy niedoborze tlenu. W zakresie tem peratury 500- 650 °C zachodzi spalanie pozostałości po rozkładzie asfaltu, głów nie sadzy. Powyżej 650 °C pozostaje ok.
4% masy próbki - są to substancje mineralne.
Natom iast gum a bieżnikow a zachowuje stabil
ność term iczną do tem peratury ok. 240°C, co potwier
dza przebieg krzywej TG (rys. 2). Powyżej tej tem pe
ratury rozpoczyna się jej destrukcja.
M ożna więc przyjąć, że asfalt jest trwały ter
micznie do tem peratury 300 °C, natom iast guma bież
nikowa do tem peratury ok. 240 °C.
Pęcznienie wulkanizatów bieżnikowych w asfalcie W oddziaływ aniach asfaltu z granulatem gum o
wym istotną rolę odgryw a stopień spęcznienia gumy.
W skutek spęcznienia gumy w asfalcie układ staje się bardziej jednorodny.
Szybkość pęcznienia w ulkanizatów bieżniko
wych w asfalcie oznaczano w tem peraturach 150°C, 180°C, 200°C i 240°C.
W pływ tem p eratu ry na stopień spęcznienia gumy w asfalcie przedstaw iono na rys. 3.
A naliza uzyskanych danych prowadzi do nastę
pujących spostrzeżeń:
• maksymalny stopień spęcznienia wulkanizatów osią
ga się po upływie 70 h. W ydłużenie czasu kontak
tu gumy z asfaltem prowadzi do nieznacznego, choć w yraźnego obniżenia stopnia spęcznienia .
• gum a bieżnikow a w najw iększym stopniu pęcznie
je w tem peraturze 180°C w całym badanym prze
dziale czasowym. Na rys. 4 przedstaw iono wpływ tem peratury na stopień spęcz
nienia wulkanizatów bieżniko
wych w asfalcie (czas pęcznie
nia 70 h). W ystępujące zm niej
s z e n ie s to p n ia s p ę c z n ie n ia gumy bieżnikowej w tem pera
turze powyżej 200°C jest zw ią
zane z dosieciowaniem wulka
nizatów.
0 40 80 120
C z a s p ę c z n i e n i a , h
TOM 3 wrzesień - październik 1999 r. S fa A tw t& U f' nr 5
Rys. 4. Wpływ temperatury na stopień spęcznienia wulkanizatów bieżnikowych w asfalcie
A n a liz a p r z e b ie g u krzyw ych (rys. 5) prowadzi do następujących wniosków i spostrzeżeń:
• asfalt w tem peraturze po
kojowej odznacza się stosun
kowo dużą lepkością, która gwałtow nie maleje w miarę wzrostu tem peratury;
• dodatek miału gum owego p ow o d u je w zro st lepko ści układu.
W trakcie oznaczeń lep
kości układu asfalt - miał gu
mowy poddany uprzedniemu pęcznieniu w asfalcie w ciągu 5 h w tem peraturze 180°C, stwierdzono, że kulka konsy- stometru gwałtownie zatrzy
muje się po przebyciu połowy drogi w cylindrze pom iaro
wym. Gwałtowna zmiana lep
kości wskazuje na pojawiają
ce się w temperaturze 600°C zjawisko sedymentacji miału gumowego. W takim przypad
ku oznaczono lepkość układu oddzielnie w górnej i dolnej części cylindra konsystometru.
N a rys. 5 lep k o ść w dolnej części cylindra konsy
stom etru zazn aczon o lin ią przerywaną.
cząstek miału gum owego.
W tej sytuacji postanowiono oszacować szybkość sedym entacji m iału gum ow ego w asfalcie w sp o sób p ośredni na p o dstaw ie pom iarów lepkości. Za pom ocą ko n sy sto m etru H o p p lera w tem p eratu rze 20-80°C w ykonano ozn aczen ia lep ko ści n a stę p u ją cych układów :
• asfalt;
• kom pozycja asfalto w o -g um o w a 20 cz. wag. mia- łu/100 cz. wag. asfaltu - przed jej sporządzeniem m iał poddano p ęczn ien iu w asfalcie w tem p era
turze 180°C w ciągu 50 h;
• kom pozycja asfalto w o -gu m ow a 20 cz. wag. mia- łu/100 cz. wag. asfaltu - przed jej sporządzeniem m iał gum ow y p ęczn iał w asfalcie w ciągu 50 h w tem peratu rze 180°C.
Wpływ regeneratu gumowe
go na trwałość układu asfalt-miał gumowy
U zn an o , że w y stę p u ją c em u zja w isk u se d y m entacji pow inno p rzeciw d ziałać dodanie do u k ła
du asfalt-m iał gum ow y zagęstnika. P rzypuszczano, że rolę tę m oże spełniać reg enerat gum owy, ro z
puszczony w asfalcie. W celu po tw ierd zen ia tego do m ieszaniny m iału z asfaltem , zaw ierającej 20 cz.
wag. m iału/100 cz. wag. asfaltu (przed sporządze
niem m iał pęczniał w asfalcie 5h w tem p eratu rze 180°C), dodano 5 cz. wag. reg eneratu/1 00 cz. wag.
asfaltu, przy czym przed użyciem reg enerat p ęcz
niał w asfalcie w tem p eraturze 180°C w ciągu 12 h.
W pływ regen eratu na lepkość kom pozycji m iału z asfaltem przedstaw iono na rys 6. Podobnie jak na rys. 5, lepkość w dolnej części cylindra konsy-
15
S fa A to tn & ity nr 5 wrzesień - październik 1999 r. TOM 3
Rys. 5. Lepkość kompozycji asfaltowo-gumowych stometru oznaczono linią przerywaną.
Zgodnie z oczekiw aniem dodatek regeneratu przyczynił się do wzrostu lepkości układu regenerat- miał gumowy. W ydaje się, że wprowadzenie regene
ratu do m ieszaniny asfaltu z m iałem gum owym jest celowe. Dzięki tem u uzyskano wzrost lepkości ukła
du oraz podw yższenie o ok. 20°C temperatury, w któ
rej rozpoczyna się sedy
m entacja miału.
Podjęto także pró
bę z a sto s o w a n ia s u b stancji desulfurującej - p re p a ra tu “ D e L in k ” . P rzy p u szczan o , że ten d o d a te k s p o w o d u je wzrost stopnia pęcznie
nia cząstek miału w sku
tek ro zp a d u s ia rc z k o wych wiązań poprzecz
n y c h , a ty m sa m y m przyczyni się do wzrostu lepkości układu.
Jednak okazało się, że “De Link” nie roztwa
rza się w asfalcie i nie przejaw ia działania de- sulfurującego.
Zawartość frakcji zolo- wej
Aby stwierdzić, czy w wyniku oddziały
wania asfaltu z gumą na
stępuje zm iana zaw arto
ści frakcji zolo wej, wul- kanizaty gumy bieżniko
wej poddano pęcznieniu w asfalcie w tem peratu
rze 180°C w ciągu 72h.
N astępnie, po całkow i
tym usunięciu asfaltu z próbek, oznaczono ich p ę c zn ie n ie w agow e w n-heptanie i toluenie (temperatura pokojowa, 48 h) oraz zawartość frakcji zolowej. W celu oznaczenia frakcji zolowej próbki poddano pęcznieniu w n-heptanie i to
luenie w tem peraturze pokojowej w czasie niezbęd
nym do osiągnięcia stałej masy spęcznionej próbki.
Tabela 2. Zawartość frakcji zolowej i pęcznienie bieżników opon
n-heptan |l||||||||| toluen
Rodzaj próbki Z.,% Q
M
1 /0 ..% Zz, % Qw,% 1/QW,%Bieżnik opon samochodowych 14 30 3,3 16 135 0,74
Bieżnik opon samochodowych spęczniony asfaltem 14 32 3,1 16 182 0,54
Oznaczenia: Zz - zawartość frakcji zolowej, % Qw - pęcznienie wagowe, %
TOM 3 wrzesień - październik 1999 r. SC aatotH & ty nr 5
T e m p e r a t u r a
Rys. 6. Lepkość kompozycji asfaltowo-gumowych W yniki badań przedstaw iono w tabeli 2. W sku
tek oddziaływ ania asfaltu z wulkanizatem bieżniko
wym nie następiła zm iana zaw artości frakcji rozpusz
czalnej zarówno w toluenie jak i n-heptanie. Natom iast zw iększeniu uległo p ęczn ien ie w to lu en ie próbek wcześniej poddanych działaniu asfaltu.
Podsumowanie w y
ników badań
• Na podstaw ie analizy term ogra- wim etrycznej i różnicowej analizy term icznej stw ierdzono, że asfalt zachow uje trw ałość term iczną do te m p e ra tu ry 300°C , n a to m ia s t gum a bieżnikow a do tem peratury 240°C.
• Gum a bieżnikow a w znacznym stopniu p ęcznieje w środow isku asfaltu, osiągając maksymalny sto
pień spęcznienia wynoszący powy
żej 90% w tem peraturze 180°C w ciągu 70h.
• Asfalt do tem peratury 60°C od
znacza się stosunkowo dużą lepko
ścią. Powyżej tej tem peratury lep
kość asfaltu gw ałtow nie m aleje.
W łaściw ość ta w znacznym stop
niu przyczynia się do w ystępow a
nia zjaw iska sedym entacji m iału gum owego w kom pozycjach asfal- tow o-gum ow ych. Przeciw działać tem u m ożna w drodze zwiększenia lepkości układu.
• D o w zrostu lepkości układów .j qq asfaltow o-gum ow ych, a tym sa
m ym ich trw ałości, przyczyniają się:
- w ię k sz y s to p ie ń s p ę c z n ie n ia g ranulatu gum ow ego
- dodatek zagęstnika np. regeneratu gum owego Oddziaływ anie asfaltu z w ulkanizatam i bieżniko
wymi nie wpływa na zm ianę zawartości frakcji zo- lowej.
• •
Zapraszamy naszych Czytelników do zamawiania prenumeraty na rok 2000. Warunki prenumeraty podajemy na s. 2.
• •
17
