|
Metoda Marshalla jest tak znana wszystkim drogowcom, że
aż wstyd o niej jeszcze coś pisać. Okazuje się jednak, że zupełnie nieoczekiwanie i
w czymś tak rozpoznanym można napotkać pewne problemy. Poniżej przedstawiamy opis
zjawiska nazwanego umownie "płynięciem próbek Marshalla", występującego
już od dawna, ale ujawnionego niedawno, dzięki stosowaniu elektronicznych pras Marshalla
z wydrukiem wykresów Stabilności i Odkształcenia.
Poniższy tekst ukazał się w zbiorze referatów
konferencji Kieleckiej '1999 oraz w miesięczniku Drogownictwo nr 9/1999.
Krzysztof Błażejowski
Test Marshalla - zjawisko "płynięcia" próbek
1. Wprowadzenie
Metoda Marshalla jest w Polsce dobrze znana, wręcz
powszechna. Jest opisana w Polskiej Normie, a oznaczenia stabilności i odkształcenia na
standardowym sprzęcie jest powszechnie wykonywane.
W niniejszym artykule przedstawiono jedno ze spostrzeżeń, które autor nazwał umownie
"płynięciem" próbek Marshalla. Ponieważ jest to badanie powszechnie
stosowane, warto przyjrzeć się bliżej potencjalnym problemom.
2. Test Marshalla
Metoda Marshalla służy do określania optymalnej
zawartości lepiszcza w danej mieszance mineralnej. Wszyscy wiemy, jak wygląda konkretny
pomiar stabilności i odkształcenia, bo to o tym pomiarze będziemy dalej mówili. W
wyniku ściśnięcia próbki powinniśmy otrzymać znany wykres
stabilność-odkształcenie (rys. 1). Niestety nie zawsze otrzymujemy właśnie taki
wykres, dużo zależy od rodzaju mieszanki mineralnej, kruszywa i lepiszcza. Dlatego
można zobaczyć również wykresy (wyniki) innego rodzaju (rys.2). W tym artykule
zjawisko przedstawione na rysunku nr 2. nazwano "płynięciem próbek". Choć
rzadko, jednak takie "płynięcie" próbki się pojawia.
Rys. 1. Typowy wykres zależności
stabilność-odkształcenie w teście Marshalla
Rys. 2. Nietypowy wykres zależności
stabilność-odkształcenie w teście Marshalla - "płynięcie próbki"
3. Co się stało z próbką?
Proszę spojrzeć - wykres standardowy (rys.1)
charakteryzował się zdecydowanym osiągnięciem maksimum stabilności, przy odpowiednim
przyroście odkształcenia. Jak można zauważyć na rysunku 2, po okresie przyrostu
stabilności następuje załamanie jej wzrostu, a następnie coś w rodzaju
"płynięcia" próbki tzn. przy prawie stałej (niewzrastającej) stabilności
następuje ciągły przyrost odkształceń. Bardzo trudno jest stwierdzić w takim
momencie, gdzie jest maksimum stabilności i określić odpowiadające jej odkształcenie
próbki.
Problem się powiększa, jeśli dysponujemy prasą Marshalla sterowaną elektronicznie, w
której maszyna sama ocenia, kiedy maksimum stabilności zostało osiągnięte i wyłącza
ściskanie. Zwykle wyszukiwanie maksimum stabilności przez automat polega na sprawdzeniu,
czy po kolejnym odkształceniu próbki stabilność spadła o np. 10%. Jeśli nie - to
test jest kontynuowany, jeśli tak - jest zatrzymywany, a wartość ostatniej zmierzonej
stabilności jest uznana za maksimum. W momencie, kiedy zachodzi zjawisko
"płynięcia" próbki, zmiany stabilności stają się niewielkie (np. mniejsze
niż 10%) i maszyna kontynuuje test aż do końca zakresu odkształcenia. W rezultacie
wyświetlony zostanie wynik np. S=6 kN, O=10 mm. Wynik bardzo zastanawiający i, dla
technologa, niezbyt radosny.
Przypadki "płynięcia" próbek mogą zajść
gdy:
· stosujemy w próbce elastomeroasfalt lub ogólniej polimeroasfalt,
· badamy próbkę o dużej zawartości lepiszcza,
· badamy próbkę o przeważającej zawartości drobnego kruszywa, a jednocześnie dużej
zawartości zaprawy.
4. Dlaczego tak się dzieje?
Aby odpowiedzieć na pytanie o przyczyny tego zjawiska,
musimy rozpatrzyć kilka czynników wpływających na zachowanie próbek Marshalla podczas
wykonywania badania.
Właściwości elastomeroasfaltu i asfaltu drogowego
Elastomeroasfalt to asfalt drogowy zawierający polimer z rodziny elastomerów (sztuczny
kauczuk). Taki polimer (elastomer) po dodaniu do asfaltu i procesie jego modyfikacji,
tworzy wewnątrz asfaltu ciągłą sieć elastomerową. W każdym następnym procesie
rozgrzewania i ochładzania elastomeroasfaltu, sieć ta ulega odpowiednio rozpadowi i
ponownemu łączeniu. Temperatura, w której następuje "rozerwanie sieci"
wynosi około 100°C, dlatego w wyższych temperaturach możliwa jest "obróbka"
elastomeroasfaltu (pompowanie, otaczanie kruszywa itd.). W temperaturze poniżej 100°C,
sieć jest ciągła i tym silniejsza, im więcej elastomeru dodano do asfaltu. Sieć
wzmacnia strukturę asfaltu i stąd o wiele mniejsza wrażliwość elastomeroasfaltu na
wysokie temperatury. Dla różnych rodzajów elastomeroasfaltów temperatury mięknienia
PiK osiągane są w granicach 60-80°C.
Asfalt drogowy (niemodyfikowany) ma o wiele wyższą wrażliwość na wysoką
temperaturę. Temperatury mięknienia asfaltów D50 i D70 mieszczą się w granicach
46¸51°C.
Temperatura próbek w teście Marshalla
Już proste porównanie temperatur mięknienia PiK elastomeroasfaltu i asfaltu drogowego
pozwala stwierdzić, że podczas wykonywania badania Marshalla w temperaturze 60°C,
asfalt niemodyfikowany w próbkach już rozpoczął przejście w stan lepki, a
elastomeroasfalt jeszcze jest na granicy lepko-sprężystości. Praktycznie można to
zjawisko ująć w sposób następujący: w temperaturze +60°C, kiedy asfalt
konwencjonalny przestał "wiązać" ziarna kruszywa, elastomeroasfalt nadal
spełnia funkcje lepiszcza. Dlatego z reguły próbki z elastomeroasfaltem mają wyższą
stabilność (od pewnego czasu słychać głosy, że badanie Marshalla w temperaturze
60°C nie jest odpowiednie dla próbek zawierających polimeroasfalty i temperaturę
badania należy podnieść, jest to wniosek logiczny w świetle przedstawionego powyżej
rozumowania).
Zawartość zaprawy w mieszance
Mieszanki mineralno-asfaltowe (modyfikowane lub niemodyfikowane) o dużej zawartości
zaprawy (asfaltu+drobnych części mineralnych) ponad zawartość optymalną,
charakteryzują się dość dużą plastycznością w wysokiej temperaturze. Im więcej
zaprawy znajduje się w mieszance, tym bardziej plastyczna będzie próbka. Częsciowo
potwierdza to regułę, że takie mieszanki są bardziej podatne na odkształcenia
trwałe.
Dlaczego nie ma jednego maksimum stabilności?
Jeśli złożymy wymienione czynniki, to zjawisko możemy spróbować wytłumaczyć tak:
· w temperaturze badania (60°C) zdolności wiążące elastomeroasfaltu są jeszcze na
tyle duże, że nie dochodzi do szybkiego zerwania struktury wewnętrznej (zniszczenia)
próbki; odpowiada za to sieć elastomerowa wewnątrz elastomeroasfaltu, która nie tylko
podwyższa jego temperaturę mięknienia powyżej 60°C, ale także jego kohezję
(spójność wewnętrzną);
· natomiast w mieszankach o dużej zawartości zaprawy, dochodzi do jej uplastycznienia i
zwiększenia "kleistości" próbki; próbka nie jest krucha i nie występuje
jednoznaczny punkt pęknięcia.
Potwierdzeniem tych wniosków może być spostrzeżenie,
że zjawisko zachodzi głównie w mieszankach "bogatych" w lepiszcze lub w
zaprawę. W takich mieszankach rola właściwości termicznych i wytrzymałościowych
lepiszcza jako czynnika podwyższającego stabilność, jest znaczna.
Dodatkowo, na przedłużenie trwania "płynięcia" próbki ma wpływ duża
kohezja elastomeroasfaltu (czyli ciągliwość, wytrzymałość na rozciąganie). Widoczny
jest także wpływ stopnia modyfikacji - im większa zawartość elastomeru tym silniejsza
sieć wewnętrzna i bardziej "gumowe" zachowanie elastomeroasfaltu. Dlatego
"płynięcie" obserwować można po zastosowaniu elastomeroasfaltów klasy B
(średniomodyfikowanych) i C (wysokomodyfikowanych).
To ciekawe zjawisko bardzo rzadko występuje podczas badania próbek Marshalla
zmodyfikowanych metodą "bezpośrednią" (wsypową). Przyczyną jest
prawdopodobnie nieco inny sposób działania elastomeru dodawanego do mieszanki
mineralno-asfaltowej. Skrótowo rzecz ujmując, próbki modyfikowane elastomerem metodą
"bezpośrednią" są sztywniejsze niż próbki z elastomeroasfaltem. Wyższa
sztywność pozwala na uzyskanie bardziej jednoznacznego punktu zniszczenia przy
ściskaniu.
5. Jak sobie poradzić (propozycja)
Zakładamy, że każdy zestaw Marshalla
wyposażony jest w urządzenie do zapisu graficznego stabilności i odkształcenia.
Otrzymujemy więc wykres "z płynięciem" (rys. 3) i interpretujemy go
nastepująco: uznajemy, że pierwsze maksimum lokalne (punkt oznaczony A na rysunku 3) po
przegięciu wykresu stabilności jest wynikiem stabilności (SA). Zgodnie z tak przyjętym
"umownym" maksimum stabilności określamy odkształcenie próbki (OA).
Czasami zdarza się, że w dalszej części wykresu znajduje się punkt (oznaczony tutaj
jako X) o nieco większej wartości stabilności (Sx) niż przyjęta według proponowanej
metody. Jednak odpowiadająca jej wartość odkształcenia (Ox) nie odpowiada
"realnej" wartości odkształcenia, ponieważ leży poza obszarem
quasi-proporcjonalności stabilności i odkształcenia.
Rys. 3. Propozycja określenia
"umownego" maksimum stabilności
6. Podsumowanie
Opisane zjawisko "płynięcia" próbek podczas
ściskania w prasie Marshalla występuje sporadycznie i w zasadzie tylko w momentach
działania kilku czynników:
· zastosowania w próbkach elastomeroasfaltów (najczęściej klas B lub C),
· mieszanek mineralno-asfaltowych o dużej zawartości lepiszcza i zaprawy, np. SMA,
beton asfaltowy drobnoziarnisty do warstwy ścieralnej itd.
Nie znaczy to jednak, że w każdym przypadku, kiedy występują te wszystkie czynniki -
"płynięcie" nastąpi. Zawsze przecież pozostają czynniki niezbadane: wpływ
mieszanki mineralnej, rodzaju kruszywa itp.
Występowanie opisanego w artykule zjawiska nie
dyskwalifikuje w żadnym stopniu elastomeroasfaltów jako pełnowartościowego materiału
drogowego. Nietypowe wyniki badań pojawiały się zawsze, jednak wraz z wprowadzeniem do
technologii drogowych dużej liczby nowych materiałów z tzw. nowoczesnej chemii,
prawdopodobieństwo bycia zaskoczonym "dziwnym" wynikiem stale się zwiększa.
Czasami próby wyjaśnienia przyczyn nietypowego wyniku, wymagają zrozumienia
"charakteru" tego nowego materiału i jego nierzadko "ukrytego"
działania.
| 
