Skrót pracy dyplomowej:

Zastosowanie włókna celulozowego do mieszanki mineralno-asfaltowej 0/20 mm otaczanej na gorąco 

przeznaczonej na warstwę ścieralną

Praca dyplomowa napisana w Katedrze Budownictwa Drogowego

Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy.

Autor: mgr inż. Alicja Głowacka

Wzrastające natężenie ruchu drogowego stwarza konieczność zwracania coraz większej uwagi na staranne projektowanie stosowanych mieszanek mineralno-asfaltowych. Nowoczesna nawierzchnia powinna spełniać wymagania współczesnych norm, które wraz ze wzrostem obciążeń stają się coraz ostrzejsze. Skład mieszanek coraz częściej musi spełniać wymagania dla ruchu ciężkiego, którego udział na polskich drogach ciągle wzrasta. Dlatego naturalnym dążeniem technologów jest stosowanie nowych rozwiązań, które sprostałyby wysokim wymaganiom odnośnie projektowanej mieszanki, przy jednoczesnym uwzględnieniu aspektów ekonomicznych.

Czy odpowiedzią na coraz większe oczekiwania stawiane mieszankom mineralno-asfaltowym może być zastosowanie włókien celulozowych jako dodatku do ich składu wpływającego na właściwości fizyczne i mechaniczne mieszanek? Próbę odpowiedzi na to pytanie podjęto w ramach tej pracy wykonując odpowiednie badania laboratoryjne.

Z uwagi na ogromną rolę, jaką odgrywa warstwa ścieralna w konstrukcji nawierzchni drogowej, jak i jej bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego, mieszanka na tę warstwę powinna być projektowana ze szczególną uwagą i w wieloaspektowym ujęciu. Poprawnie zaprojektowana recepta powinna zapewniać spełnienie wszystkich wymagań normowych dotyczących cech fizycznych i mechanicznych, gwarantować ochronę dolnych warstw konstrukcyjnych nawierzchni, odpowiednią szorstkość, poziom hałasu, odporność na koleinowanie, itp.

Przedmiotem badań było zaprojektowanie mieszanki na warstwę ścieralną z zawartością włókien celulozowych i sprawdzenie, jak zmieniają się cechy mechaniczne próbek. Zdecydowano się na mieszankę mineralno-asfaltową 0/20 mm projektowaną wg starej normy BN-74/8934-06 [2]. Z uwagi na to, że projektowana mieszanka miała być odpowiedzią na coraz większe wymagania stawiane nawierzchniom drogowym, zdecydowano się na porównanie otrzymanych wyników z wymogami najnowszej polskiej normy PN-S-96025:2000 „Drogi samochodowe i lotniskowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania” [1]. Norma ta uwzględnia obciążenie nawierzchni ruchem drogowym rozróżniając kategorie ruchu (KR). Ze względu na wzrastający udział ruchu ciężkiego na polskich drogach projektowanej mieszance postawiono wymagania dla odpowiedniej kategorii ruchu: KR3 – KR6 (tj. od 71 do 2001 i więcej osi obliczeniowych (100 kN) na obliczeniowy pas ruchu na dobę).

Składniki mieszanki mineralno-asfaltowej

W badaniach nad wpływem włókna celulozowego wykorzystano granulat tego dodatku – Viatop 66. W swym składzie zawiera on od 63% do 67% włókien celulozowych oraz 34% asfaltu D20. Na rynku - oprócz granulatu - dostępne są również włókna celulozowe luzem. Wybór granulatu do badań nie był przypadkowy - włókna granulowane są chętniej stosowane ze względu na łatwość odważania i dozowania porcji potrzebnych do produkcji [6]. W przypadku granulatu włókna są otoczone substancją przeciwdziałającą chłonięciu wody (asfaltem, woskiem lub olejem), gdyż mała odporność na wilgoć jest słabą stroną włókien. Jednak przy produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej, szczególnie betonu asfaltowego, należy przestrzegać pewnych zasad, aby pozbawić włókno celulozowe tej ochronnej otoczki.

Wymagania postawione projektowanej mieszance mineralno-asfaltowej o uziarnieniu 0/20 mm były wysokie, stąd też wykorzystane kruszywa to w większości materiał łamany: grys bazaltowy 2/6,3 mm, grys bazaltowy 10/16 mm (pochodzące z kamieniołomu Zaręby i spełniające wymagania normy PN-B-11112:1996), grys kamienny 4/10 mm, mieszanka kruszywa granulowanego 0,075/4 mm (pochodzące z Nowej Wsi i odpowiadające normie PN-B-11112:1996), piasek łamany (pochodzący z Antoniewa i badany wg normy PN-B-11113:1996). Jako wypełniacza użyto mączki wapiennej z MOWAP Wapienno, która spełnia wymagania normy PN-S-96504:1961. Zastosowane lepiszcze to asfalt D50 z Rafinerii Gdańskiej, którego właściwości odpowiadają normie PN-C-96170:1965.

Badania mieszanki mineralno-asfaltowej

Aby uzyskać miarodajne wyniki badań, na podstawie których można by wnioskować o przydatności granulatu celulozowego Viatop 66 do mieszanki wbudowywanej w warstwę ścieralną, ustalono pięć zawartości asfaltu zgodnie z wymaganiami normy BN-74/8934-06: 5,2%; 5,4%; 5,6%; 5,8%; 6,0%. Dla każdej serii stopniowano granulat celulozowy w ilościach: 0%, 0,15%, 0,30%, 0,45% (m/m). Wykonano po trzy próbki w punkcie, co dało łącznie 60 próbek. Poddano je oznaczeniu metodą Marshalla, w trakcie którego odczytywano wartość stabilności (SM) i odkształcenia (FM) [3]. Na podstawie tych wielkości określono wartość wskaźnika sztywności Marshalla (QM). Określono również zawartość wolnych przestrzeni w mieszance oraz jej gęstość strukturalną.

Wykonane oznaczenia dostarczyły szeregu ciekawych wyników i warto niektóre z nich nieco szerzej przedstawić.

Wyniki badań

Otrzymane wyniki jednoznacznie wskazują, że dodatek włókien granulowanych wpływa pozytywnie na badane cechy mieszanki. Można to już wyraźnie zauważyć na wykresie przedstawiającym zależność odkształcenia od zawartości dodatku (wykres nr 1):

Wykres 1. Zależność wartości odkształcenia wg Marshalla od zawartości granulatu włókien celulozowych

Obecność już 0,15% (m/m) granulatu wpływa na obniżenie odkształceń o ok.11%. Natomiast dalszy wzrost ich zawartości do 0,45% (m/m) daje redukcję tego zjawiska o ok.30%.

Nie zaobserwowano natomiast wyraźnego wzrostu wartości stabilności przy zwiększającym się udziale granulatu celulozowego. Nawet przy dodaniu 0,45% (m/m) tego dodatku wartość parametru nie wzrasta znacząco (wykres 2).

Wykres 2. Zależność wartości stabilności wg Marshalla od zawartości granulatu włókien celulozowych

Analizowane cechy mieszanki – stabilność i odkształcenie- można ująć jednym wykresem posługując się wskaźnikiem sztywności Marshalla QM, który jest ilorazem tych wielkości, czyli QM=SM/FM [kN/mm] (wykres nr 3):

Wykres 3. Zależność wartości wskaźnika sztywności Marshalla od zawartości granulatu włókien celulozowych

Łatwo można zauważyć pozytywny wpływ granulatu - jego zawartość 0,15% (m/m) to ponad 10-procentowy wzrost określanego wskaźnika QM. Widoczne są wyraźnie dwie grupy mieszanek, których rozgraniczeniem jest zawartość 5,5% asfaltu. Mieszanki z większą zawartością asfaltu nie wykazują tak znacznych zmian wskaźnika QM jak te z mniejszą ilością lepiszcza. Świadczyć to może o pewnym „przesyceniu” mieszanki asfaltem i nieskuteczności działania włókien.

Analiza wyników

Podstawową cechą włókien celulozowych jest zdolność chłonięcia asfaltu ze względu na swoją dużą powierzchnię właściwą. Jeden gram tego włókna może wchłonąć ok. 5 gramów asfaltu. I przede wszystkim tą właściwością można wytłumaczyć otrzymane zależności.

W wyniku zmieszania asfaltu z włóknem celulozowym zmieniają się pewne cechy użytkowe lepiszcza i można przypuszczać, że obecność tego dodatku w asfalcie wpływa na jego właściwości termoplastyczne, a więc na wrażliwość temperaturową. Włókna nie tworzą co prawda tak silnej przestrzennej sieci jak np. elastomery, nie łączą się z lepiszczem w sensie chemicznym, lecz tworzą w nim swego rodzaju „mikrozbrojenie” potrafiące przenieść niewielkie obciążenie. Trzeba przyznać, że pod tym względem inne włókna, np. szklane czy syntetyczne, charakteryzują się lepszą zdolnością tworzenia efektu zbrojenia. Powstanie tej wewnętrznej siatki daje efekt zmiany konsystencji asfaltu- staje się on twardszy i bardziej sztywny. Podwyższa się lepkość w temperaturze 60°C czyniąc mieszankę mineralno-asfaltową bardziej odporną na powstanie deformacji trwałych (wykres nr 1 – zmiana odkształcenia próbek). Pamiętając ciągle o zdolności chłonięcia nadmiaru lepiszcza można więc stwierdzić, że włókna celulozowe wiążą się głównie z poprawą odporności na koleinowanie.

Natomiast zwiększająca się zawartość granulatu włókien celulozowych nie wpływa znacząco na wartość stabilności Marshalla. Za przenoszenie obciążeń w nawierzchni odpowiedzialna jest głównie mieszanka mineralna, jednak lepiszcze odgrywa również znaczącą rolę. W badanych mieszankach mineralno-asfaltowych zastosowano stosunkowo dużą zawartość asfaltu i pomimo zdolności chłonięcia lepiszcza przez włókna celulozowe, nie były one w stanie wchłonąć go w takiej ilości, aby w znaczący sposób wpłynąć na wzrost stabilności. Na wartość tego parametru nie miało więc wpływu wspomniane „mikrozbrojenie” tworzone przez włókna.

Dzięki właściwości chłonięcia przez włókna celulozowe asfaltu można zaprojektować większą zawartość asfaltu bez uszczerbku dla stabilności mieszanki i jej odkształcenia. Możliwość zastosowania większej ilości lepiszcza powoduje, że ziarna kruszywa otoczone są grubszą warstwą asfaltu, co wpływa na przedłużenie trwałości nawierzchni. Jest ona wówczas bardziej odporna na działanie wilgoci, asfalt nie ulega tak szybkiemu starzeniu, a ziarna kruszywa są mniej podatne na wykruszanie się.

W wyniku przeprowadzonych badań optymalną zawartością asfaltu w mieszance okazała się ilość 5,4% dla wszystkich zawartości granulatu włókien celulozowych jak i w przypadku jego braku. I pomimo, że dodatek 0,15% (m/m) granulatu nie spowodował uzyskania najlepszych parametrów użytkowych mieszanki mineralno-asfaltowej przy większej ilości lepiszcza, to należy podkreślić jego widoczny pozytywny wpływ już przy tej zawartości asfaltu na wspomniane cechy mieszanki.

Dobrana normowo zawartość asfaltu w ilości 5,6%, 5,8% i 6,0% okazała się zbyt duża, co łatwo zauważyć na wykresach. Wraz ze wzrastającą zawartością asfaltu rośnie wartość odkształceń, pogarsza się stabilność mieszanki, gdyż w mniejszym stopniu obciążenie przejmuje kruszywo, które jest przecież „szkieletem” mieszanki odpowiedzialnym za przenoszenie tych obciążeń.

Prowadząc badania z wykorzystaniem granulatu włókien celulozowych Viatop 66 należy zwrócić uwagę, że zawiera on 34% asfaltu D20. W przypadku dodania do mieszanki mineralno-asfaltowej 0,15% (m/m) granulatu wprowadza się do niej tym samym 0,05% asfaltu D20. Ten twardy asfalt może również wpłynąć na obniżenie wartości penetracji asfaltu D50.

Przy wytwarzaniu mieszanki w laboratorium należy najpierw ogrzać granulat do odpowiedniej temperatury (zbliżonej do temperatury mięknienia asfaltu D20), po to, aby włókna zostały uwolnione z asfaltowej otoczki.

Dla prawidłowo zaprojektowanej mieszanki na warstwę ścieralną wartość wskaźnika Marshalla QM dla ruchu KR3-KR6 wg PN-S-96025:2000 powinna być większa od 2,2 kN/mm, a wg Zeszytu 48 IBDiM większa od 2,5 kN/mm. To kryterium od razu dyskwalifikuje wspomniane już mieszanki ze zbyt dużą zawartością asfaltu (5,6%, 5,8%, 6,0%). Przekroczone wartości normowe odkształceń (do 4,5 mm wg PN-S-96025:2000) oraz mniejsza od wymaganej stabilność (>10 kN wg PN-S-96025:2000) mieszanki znajduje odzwierciedlenie właśnie w tym praktycznym wskaźniku.

Dodatek granulatu celulozowego wpłynął również na obniżenie się gęstości strukturalnej – jego obecność w ilości 0,45% (m/m) spowodowała spadek wartości tego parametru o ok. 2%.

Wyniki uzyskane z badań metodą Marshalla dla projektowanej mieszanki o uziarnieniu 0/20 mm należy poddawać dość ostrożnej analizie. Ziarna kruszywa o tak dużej średnicy w stosunku do objętości próbki (ok. 520 cm3) nie zawsze mogą oddawać rzeczywistą wartość badanych cech mieszanki.

Wnioski

• Zastosowanie 0,15% (m/m) granulatu celulozowego do mieszanki mineralno-asfaltowej jest ilością optymalną. Mimo, że ciągły wzrost modyfikatora polepsza właściwości, to przy zawartości 0,45% (m/m) granulatu mogą pojawić się problemy z urabialnością mieszanki.

• Samo dodawanie włókien celulozowych nie jest zbyt kłopotliwe i skomplikowane technologicznie, a jego zawartość 0,15% (m/m) nie jest aż tak uciążliwym obciążeniem finansowym mając na uwadze zalety otrzymanej mieszanki.

• W wyniku przeprowadzonych badań zaprojektowano finalny skład mieszanki mineralno-asfaltowej, która spełnia wymogi normy PN-S-96025:2000 odnośnie przebadanych cech:

Zawartość granulatu celulozowego Viatop 66 – 0,15% (m/m)

Uziarnienie mieszanki mineralnej przedstawia krzywa uziarnienia:

Wykres 4. Krzywa uziarnienia mieszanki mineralnej

Właściwości mieszanki mineralno-asfaltowej 0/20 mm z dodatkiem 0,15% granulatu włókien celulozowych Viatop 66:

 Włókno celulozowe jako stabilizator do SMA

O ile dodatek włókien celulozowych do mieszanki mineralno-asfaltowej o uziarnieniu ciągłym jest propozycją dość nowatorską, warto wspomnieć o szerokim ich zastosowaniu do innych mieszanek, gdzie pozytywne działanie włókien nie budzi żadnych wątpliwości. Popularność tego dodatku ściśle wiąże się z coraz częstszym stosowaniem do warstwy ścieralnej dróg na całym świecie mastyksu grysowego SMA. W tej dość specyficznej mieszance o nieciągłym uziarnieniu dodatek włókien celulozowych ma kluczowe znaczenie. Celowy nadmiar lepiszcza wiąże się z koniecznością zapobiegania spływaniu asfaltu z ziaren kruszywa oraz rozsegregowywaniu się mieszanki podczas jej przechowywania i transportu [8]. Dzięki zdolności efektywnego chłonięcia asfaltu, włókno celulozowe wiąże lepiszcze, przez co nie obserwuje się wspomnianych niekorzystnych zjawisk. Dlatego niemożliwe jest wyprodukowanie SMA bez udziału najbardziej rozpowszechnionego do tego celu włókna celulozowego (czyli stabilizatora SMA).

Badania przydatności włókien celulozowych do mieszanek mineralno-asfaltowych o ciągłym uziarnieniu wymagają jeszcze przeprowadzenia szeregu dodatkowych badań. Jeśli pozostałe wyniki będą pozytywne, granulat włókna celulozowego może być dobrą propozycją na warstwy ścieralne polskich dróg, a tym samym odpowiedzią na wyzwania ciężkiego ruchu.

Bibliografia:

 Data ostatniej aktualizacji: 14 października 2006
Witryna istnieje od stycznia 1999 r.

Optymalizowane dla rozdzielczości 800x600, IE 4+

Webmaster road.pl
Copyright 1999 - 2005  by Krzysztof Błażejowski
zasady korzystania z witryny www.road.pl