Rodzaje mieszanek

Określenia dotyczące asfaltowej nawierzchni drogowej: 

 

nawierzchnia:  konstrukcja składająca się z jednej lub kilku warstw służących do przejmowania i rozkładania obciążeń od ruchu na podłoże warstwa technologiczna:  konstrukcyjny element nawierzchni układany w pojedynczej operacji warstwa:  element konstrukcji zbudowany z jednego materiału. Warstwa konstrukcyjna może składać się z jednej lub wielu warstw technologicznych warstwa ścieralna:  górna warstwa nawierzchni będąca w bezpośrednim kontakcie z ruchem warstwa wiążąca:  warstwa nawierzchni pomiędzy warstwą ścieralną a podbudową warstwa wyrównawcza:  warstwa o zmiennej grubości ułożona na istniejącej warstwie, w celu uzyskania odpowiedniego profilu potrzebnego do ułożenia kolejnej warstwy o wymaganej grubości  podbudowa:  główny element konstrukcyjny nawierzchni; podbudowa może być ułożona w jednej lub kilku warstwach określanych jako podbudowa górna, dolna itd.  mieszanka mineralno asfaltowa:  mieszanka kruszyw i lepiszcza asfaltowego  typ mieszanki mineralno asfaltowej:  określenie mieszanki mineralno asfaltowej wyróżniające tę mieszankę spośród zbioru wszystkich mieszanek mineralno  asfaltowych, wyróżnienie to może wynikać ze względu na metodę wyboru krzywej uziarnienia kruszywa (ciągłe, nieciągłe) lub zawartości wolnych przestrzeni, lub proporcji składników, lub technologii wytwarzania i wbudowania;  wyróżnia się następujące typy mieszanek mineralno asfaltowych: beton asfaltowy, beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw (mieszanka BBTM), mieszanka SMA, asfalt lany, asfalt porowaty  wymiar mieszanki mineralno asfaltowej:  określenie mieszanki mineralno asfaltowej wyróżniające tę mieszankę ze zbioru mieszanek tego samego typu ze względu na największy wymiar kruszywa, np. wymiar 8 lub 11 itd.  beton asfaltowy:  mieszanka mineralno asfaltowa, w której mieszanka kruszywa o uziarnieniu ciągłym lub nieciągłym tworzy wzajemnie klinującą się strukturę  beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw (mieszanka BBTM): mieszanka mineralno mineralna ma nieciągłe uziarnienie i tworzy połączenia ziarno do ziarno, co zapewnia uzyskanie otwartej tekstury mieszanka SMA: mieszanka mineralno asfaltowa o nieciągłym uziarnieniu, składająca się z grubego łamanego szkieletu kruszywowego związanego zaprawą mastyksową  asfalt lany: mieszanka mineralno asfaltowa o bardzo małej zawartości wolnych przestrzeni z lepiszczem asfaltowym, w której objętość wypełniacza i lepiszcza przewyższa objętość pozostałych wolnych przestrzeni w mieszance mineralnej  asfalt porowaty: mieszanka mineralno asfaltowa przygotowana, tak aby uzyskać bardzo dużą zawartość połączonych wolnych przestrzeni, które umożliwiają przepływ wody i powietrza w celu zapewnienia właściwości drenażowych i zmniejszających hałas  mieszanki drobnoziarniste: mieszanki mineralno asfaltowe do warstwy ścieralnej (z wyłączeniem asfaltu lanego), wiążącej i podbudowy o wymiarze górnego sita D<16mm  mieszanki gruboziarniste: mieszanki mineralno asfaltowe do warstwy wiążącej i podbudowy o wymiarze górnego sita D≥16mm skład mieszanki (recepta): skład mieszanki mineralno asfaltowej, podany jako skład docelowy Uwaga: Skład docelowy może być podany na dwa sposoby – jako skład wejściowy lub wyjściowy (patrz poniżej)  wejściowy skład mieszanki: przedstawienie składu mieszanki zawierającego materiały składowe, krzywą uziarnienia i procentową zawartość lepiszcza w stosunku do mieszanki mineralno asfaltowej  Uwaga: Zazwyczaj będzie to wynik walidacji laboratoryjnie zaprojektowanego składu mieszanki  wyjściowy skład mieszanki: przedstawienie składu mieszanki zawierające materiały składowe, uśrednione wyniki uziarnienia oraz zawartości lepiszcza rozpuszczalnego oznaczone laboratoryjnie  Uwaga: Zazwyczaj będzie to wynik walidacji produkcji  dodatek: materiał, który może być dodawany do mieszanki w małych ilościach, np. włókna organiczne i nieorganiczne, polimery w celu poprawy cech mechanicznych tej mieszanki, jej urabialności lub koloru  wymaganie funkcjonalne: wymaganie wobec podstawowej właściwości materiałowej (np. sztywności, zmęczenia), która wyraża zachowanie się materiału i pozwala prognozować jego zachowanie podczas eksploatacji wymaganie powiązane funkcjonalnie: wymaganie wobec właściwości (np. koleinowanie, parametry Marshalla), które są powiązane z właściwościami funkcjonalnymi prognozującymi zachowanie materiału podczas eksploatacji  specyfikacja empiryczna: zestaw wymagań wobec składu i materiałów składowych wraz z wymaganiami powiązanymi funkcjonalnie  specyfikacja funkcjonalna: zestaw wymagań funkcjonalnych oraz ograniczona liczba wymagań wobec składu i materiałów składowych, z większym stopniem swobody doboru składu niż w specyfikacji empirycznej projektowanie empiryczne mieszanki mineralno asfaltowej: projektowanie składu mieszanki mineralno asfaltowej na podstawie specyfikacji empirycznej  projektowanie funkcjonalne mieszanki mineralno asfaltowej: projektowanie składu mieszanki mineralno asfaltowej na podstawie specyfikacji funkcjonalnej  destrukt asfaltowy: mieszanka mineralno asfaltowa, która jest uzyskiwana w wyniku frezowania warstw asfaltowych, w wyniku rozkruszenia płyt wyciętych z nawierzchni asfaltowej, brył uzyskiwanych z płyt oraz z mieszanki mineralno asfaltowej odrzuconej lub będącej nadwyżką produkcji  granulat asfaltowy: określona ilość materiału do użycia jako materiał składowy w produkcji mieszanek mineralno asfaltowych w technologii na gorąco   wymiar kruszywa w destrukcie (granulacie) asfaltowym: oznaczenie wielkości ziarna kruszywa w destrukcie (lub granulacie) asfaltowym z zastosowaniem dolnego (d) i górnego (D) rozmiaru sita, wyrażone, jako d/D  UWAGA: W wypadku destruktu asfaltowego d będzie prawie zawsze 0  Wielkość kawałków destruktu (granulatu) asfaltowego: maksymalna wielkość kawałków mieszanki mineralno asfaltowej w destrukcie asfaltowym, wyrażona jako rozmiar sita (U)

SYMBOLE Do oznaczania typu mieszanki mineralno-asfaltowej, określania jej wymiaru (największego wymiaru kruszywa) i jej przeznaczania używane są skróty i symbole: D          wymiar górnego sita mieszanki mineralnej, w milimetrach (mm), w wypadku destruktu asfaltowego D jest większą wartością z: wymiaru sita M/1,4 (M jest najmniejszym wymiarem sita, przez które przechodzi 100% materiału) lub najmniejszego wymiaru sita, przez które przechodzi 85% materiału. U          wielkość kawałków destruktu asfaltowego, wyrażona przez najmniejszy wymiar sita w mm, przez które przechodzi 100 % kawałków destruktu asfaltowego. Oznaczenie typu mieszanki mineralno-asfaltowej: AC       beton asfaltowy (symbol ogólny bez wskazania warstwy, do której jest przeznaczony) BBTM   beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw SMA     mieszanka mastyksowo-grysowa MA       asfalt lany PA        asfalt porowaty RA        destrukt (granulat) asfaltowy.   Oznaczenie typu i wymiaru mieszanki mineralno-asfaltowej: AC D P/W/S lepiszcze              oznaczenie betonu asfaltowego, po którym następuje symbol D oznaczający największy wymiar kruszywa występujący w mieszance, w milimetrach (mm), oznaczenie przeznaczenia mieszanki mineralno-asfaltowej (dotyczy betonu asfaltowego) oraz symbol lepiszcza U RA d/D                                 oznaczenie destruktu asfaltowego, w którym U – wielkość kawałków destruktu - poprzedza ten skrót, a określenie wymiaru kruszywa d/D następuje po tym skrócie. Krajowa klasyfikacja uzupełniająca w celu określenia przeznaczania mieszanki mineralno-asfaltowej   (obecnie stosowana wyłącznie do betonu asfaltowego lub betonu asfaltowego o wysokim module  sztywności): P          do warstwy podbudowy W         do warstwy wiążącej S          do warstwy ścieralnej. Krajowe oznaczenie dodatkowe w celu określenia betonu asfaltowego o szczególnych właściwościach: AC WMS          beton asfaltowy o wysokim module sztywności. Przykłady:  AC 16 S 70/100                   beton asfaltowy o największym wymiarze kruszywa 16 mm, do                                           warstwy ścieralnej z asfaltem 70/100 typ: beton asfaltowy wymiar: 16 przeznaczenie: warstwa ścieralna AC WMS 16 W 20/30           beton asfaltowy o wysokim module sztywności o największym                                            wymiarze kruszywa 16 mm do warstwy wiążącej z asfaltem 20/30        typ: beton asfaltowy WMS        wymiar: 16        przeznaczenie: warstwa wiążąca BBTM 8A 50/70                   beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw, o największym wymiarze                                            kruszywa 8 mm i modelu uziarnienia A, z asfaltem 50/70                                            typ: beton asfaltowy do bardzo cienkich warstw (mieszanka BBTM)                                            wymiar: 8                                            model uziarnienia: A                                            przeznaczenie: warstwa ścieralna SMA 11 50/70                      mieszanka SMA, o największym wymiarze kruszywa 11 mm,        z asfaltem 50/70        typ: mieszanka SMA        wymiar: 11        przeznaczenie: warstwa ścieralna MA 11 35/50                        asfalt lany o największym wymiarze kruszywa 11 mm,                                           z asfaltem 35/50        typ: asfalt lany        wymiar: 11 40 RA 0/8mm                      destrukt asfaltowy, w którym największy wymiar kruszywa wynosi                                            8 mm, i maksymalna wielkość kawałków wynosi 40 mm. Nowe technologie asfaltowe w budownictwie drogowym Nawierzchnie asfaltowe stanowią w Europie ok. 90% długości sieci drogowej. Poza wysokimi wymaganiami technicznymi nawierzchnie powinny być przyjazne środowisku, estetyczne, stwarzać możliwość ich recyklingu oraz zapewniać bezpieczeństwo ruchu. Technologia wykonania musi  charakteryzować się prostotą i łatwością wykonania. Nawierzchnie asfaltowe stanowią w Europie ok. 90% długości sieci drogowej. Poza wysokimi wymaganiami technicznymi nawierzchnie powinny być przyjazne środowisku, estetyczne, stwarzać możliwość ich recyklingu oraz zapewniać bezpieczeństwo ruchu. Technologia wykonania musi  charakteryzować się prostotą i łatwością wykonania. Lepiszcza bitumiczne stanowią organiczne materiały wiążące, obejmują asfalty i smoły. Pod wpływem ogrzewania miękną i upłynniają się, a chłodzone do temperatury otoczenia twardnieją. Właściwości wiążące lepiszcza zawdzięczają zjawiskom fizycznym adhezji i kohezji. Stan urabialny lepiszcza można osiągnąć nie tylko przez ich ogrzewanie, ale również poprzez ich rozpuszczenie w rozpuszczalnikach organicznych – po odparowaniu rozpuszczalnika lepiszcze twardnieje. Proces wiązania lepiszczy bitumicznych jest procesem odwracalnym, co jest korzystne z uwagi na możliwość ich ponownego użycia (recykling). Obecnie stosowane są zarówno w budownictwie ogólnym (hydroizolacje), jak i budownictwie drogowym wyłącznie lepiszcza asfaltowe. Smoły zostały wycofane z użycia ze względu na niską jakość lepiszcza oraz szkodliwość dla zdrowia z powodu zawartości związków chemicznych o działaniu toksycznym (głównie fenoli). Asfalt naturalny jako lepiszcze stosowany był już w starożytnym Babilonie, gdzie do dziś przetrwały w wykopaliskach wyroby i budowle spajane zaprawą asfaltową. W wykopaliskach starożytnej Persji z okresu 2800–2500 lat p.n.e. stwierdzono również zastosowanie asfaltowej masy jako środka wiążącego. W starożytnej Grecji i Rzymie asfalt naturalny ze złóż z Bliskiego Wschodu był znanym i stosowanym materiałem. W XIV w. Marco Polo opisał złoża asfaltu naturalnego na Kaukazie (Baku). Pierwszy traktat naukowy o lepiszczach powstał w średniowieczu w Szwajcarii, opisywał smołę i asfalty naturalne oraz ich związek z ropą naftową. W drogownictwie asfalt znalazł zastosowanie po raz pierwszy w 1835 r. do budowy nawierzchni bitumicznych w postaci tzw. asfaltu prasowanego z rozdrobnionych skał nasyconych asfaltem. Rozwój przemysłu rafinacyjnego na przełomie XIX i XX w. spowodował szybki rozwój technologii z zastosowaniem asfaltów ponaftowych, które znajdują zastosowanie w budownictwie ogólnym i drogowym [1, 2]. W Polsce pierwsze próby zastosowania asfaltu do budowy dróg datują się od 1926–1927 r. Pierwsze próby poprawy właściwości asfaltów przez ich modyfikację siarką przeprowadzono w 1936 r. W latach 40. XX w. zastosowano w USA, Japonii i Europie pierwsze udane modyfikacje polimerami termoplastycznymi, a po 1960 r. powszechnie stosowano modyfikację kopolimerem SBS i innymi. W Polsce stosowanie asfaltów modyfikowanych SBS upowszechniło się po 1990 r. Należy stwierdzić, że asfalt jako jeden z najstarszych materiałów budowlanych spełnia wysokie wymagania techniczne stawiane współczesnym lepiszczom w zakresie cech technicznych i ochrony środowiska. Warstwy konstrukcyjne nawierzchni asfaltowych wykonuje się z różnego rodzaju mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA), w których jest średnio ok. 5–6% lepiszcza asfaltowego, resztę stanowi odpowiednio zestawiona mieszanka mineralna (MM) składająca się z mączki wapiennej, piasku i grysów. {mospagebreak} Klasyfikacja asfaltów drogowych wg PN EN-12591:2004 W Europie asfalty uzyskiwane w procesach rafineryjnych z ropy naftowej stosowane do budowy i utrzymania dróg klasyfikuje się na trzy grupy: gatunki oznakowane nominalnymi wartościami penetracji w temperaturach 25°C w zakresie od 20 do 330 • 0,1 mm o określonych wymaganiach penetracji w temperaturze 25°C i temperaturze mięknienia; gatunki oznakowane nominalnymi wartościami penetracji w temperaturach 25°C w zakresie od 250 do 900 • 0,1 mm o określonych wymaganiach penetracji w temperaturze 15°C i lepkości dynamicznej w 60°C; gatunki asfaltów miękkich oznakowane i określane lepkością kinematyczną w temperaturze 60°C. Zaproponowane wartości w normie określają jednoznacznie istotne cechy handlowe (penetracja, TPiK), bezpieczeństwo stosowania (temperatura zapłonu) i niektóre cechy użytkowe (odporność na starzenie) [1, 2].  Właściwości asfaltów Asfalt jest lepiszczem termoplastycznym, którego właściwości są funkcją temperatury i czasu obciążenia. Zależnie od rodzaju asfaltu, warunków obciążenia i temperatury asfalt może występować w trzech podstawowych stanach: lepkim, lepkosprężystym i sprężystym. Wraz ze zmianą temperatury i czasu obciążenia zmienia się konsystencja asfaltu. Znajomość konsystencji jest niezbędna do określenia najkorzystniejszych warunków związanych z transportem, pompowaniem, składowaniem lepiszcza oraz wytwarzaniem: transportem, rozścielaniem i zagęszczaniem mieszanki mineralno-asfaltowej, a także eksploatacją nawierzchni drogowej [2]. Fot.1. Most nad rzeką Bóbr – Droga Krajowa M-18. (Fot. J. Tomczyk: archiwum ULMA Construction Polska S.A.) Zakres temperatur, przy których należy określić właściwości lepiszcza, składa się z dwu stref: strefy temperatur eksploatacyjnych i strefy temperatur technologicznych. Strefę temperatur eksploatacyjnych w Polsce przyjmuje się od około –40°C (najniższa temperatura powietrza) do około 80°C (najwyższa temperatura normalnie eksploatowanej nawierzchni). Strefa temperatur technologicznych obejmuje zakres od około 90–100°C (najniższa temperatura zagęszczania MMA) do około 180–220°C (temperatura wytwarzania MMA). Sformułowanie wymagań dla asfaltów w tak szerokim zakresie temperatur (od –40°C do 220°C) wymaga znajomości jego właściwości w zakresie: wymagań normowych, właściwości reologicznych (konsystencja, kohezja, wrażliwość temperaturowa, moduł sztywności), adhezji, odporności na starzenie. {mospagebreak} Funkcjonalne właściwości asfaltów. Procedury SHRP Dotychczasowe standardowe metody badań asfaltów dostarczają informacji dotyczących właściwości w jednej (lub  najwyżej w dwóch) temperaturze i nie pozwalają na przewidywanie i ocenę właściwości funkcjonalnych lepiszcza, tj. jego zachowania się w pełnym zakresie temperatur eksploatacyjnych nawierzchni drogowej. Na podstawie tych badań nie można ocenić zachowania przy odkształceniu, zmęczeniu i starzeniu lepiszcza. W latach 1988–1993 podjęto w USA obszerny program badawczy SHRP (Srategic Highway Research Program) na temat oceny jakości i trwałości oraz projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych z uwzględnieniem rzeczywistych warunków eksploatacji nawierzchni, gdy są szczególnie narażone na działanie zróżnicowanych temperatur i obciążeń [3]. Dla nawierzchni drogowej można określić zniszczenia występujące w czasie ich eksploatacji związane z właściwościami lepiszcza. Procentowy udział właściwości lepiszcza w podstawowych rodzajach zniszczeń nawierzchni asfaltowej przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Procentowy udział właściwości lepiszcza w podstawowych rodzajach zniszczeń nawierzchni asfaltowej Do oceny wpływu właściwości lepiszcza na zachowanie się nawierzchni bitumicznej niezbędna jest znajomość jego właściwości: w wysokiej temperaturze, ze względu na odporność na odkształcenia trwałe (koleiny) oraz urabialność, w niskiej temperaturze ze względu na spękania indukowane termicznie, w średnich temperaturach eksploatacyjnych ze względu na zniszczenie zmęczeniowe pod wpływem ruchu samochodowego. Nowa generacja drogowych materiałów asfaltowych Poprawę cech technicznych mieszanek mineralno-asfaltowych stosowanych do budowy nawierzchni drogowych odpornych, na koleiny, spękania niskotemperaturowe i spękania zmęczeniowe, można osiągnąć poprzez modyfikację asfaltów polimerami typu SBS, APP, EVA, dodatkami miału gumowego oraz soli organometalicznych. W ostatnich latach, ze względu na ochronę środowiska i ekonomikę stosowania lepiszczy, zaleca się stosowanie lepiszczy na zimno lub na ciepło. Dotychczas lepiszcze na zimno było uzyskiwane w wyniku zemulgowania asfaltu, w wyniku czego otrzymuje się emulsję asfaltową. Drugim sposobem na otrzymanie lepiszcza na zimno jest dodatek rozpuszczalnika, który powoduje upłynnienie asfaltu. Niemniej jednak ta technologia wskutek odparowania lotnego rozpuszczalnika, który traci się bezpowrotnie i zanieczyszcza środowisko, będzie stopniowo wycofywana. Trwają prace nad zastosowaniem olejów roślinnych do upłynniania asfaltów drogowych oraz coraz częściej stosuje się technologię asfaltu spienionego. Technologie te mogą mieć zastosowanie przy recyklingu, zabiegach utrzymaniowych i konserwacji nawierzchni. Poprawę cech technicznych i użytkowych nawierzchni, poza stosowaniem asfaltów modyfikowanych, można również osiągnąć przez stosowanie nowych rozwiązań materiałowo-technologicznych, np. mastyksu grysowego SMA, mieszanki o zwiększonej odporności na koleinowanie, nawierzchni typu Perpetual – tj. nawierzchni podatnej o długiej żywotności, której trwałość określa się na 50 lat, oraz nawierzchni drenażowych o podwyższonym bezpieczeństwie ruchu i zmniejszających emisję hałasu komunikacyjnego (w Polsce dotychczas niestosowane ze względu na warunki klimatyczne). Ciekawą technologią stosowaną z powodzeniem w Niemczech jest technologia wbudowywania warstw asfaltowych nawierzchni metodą kompaktową – Kompaktasfalt. {mospagebreak} Asfalty modyfikowane polimerami Stosowanie asfaltów modyfikowanych zostało wymuszone wzrastającym natężeniem ruchu samochodowego i w związku z tym koniecznością stosowania lepiszczy wysokiej jakości. Produkowane w Polsce asfalty spełniają wysokie wymagania wg PN-EN 12591, ale w przypadku budowy nawierzchni dla ciężkiego ruchu ich właściwości są niewystarczające. Asfalty drogowe produkowane w Polsce są to asfalty utleniane. Proces utleniania utwardza asfalty i w efekcie zwiększa ich odporność na powstawanie kolein w wysokich temperaturach eksploatacyjnych. Utlenianie jednak nie poprawia właściwości w niskich i średnich temperaturach eksploatacyjnych. Oddziaływanie na nawierzchnie obciążeń od ruchu samochodowego i środowiska (temperatura) może powodować w nawierzchniach występowanie spękań niskotemperaturowych i zmęczeniowych. Stąd konieczność poprawy właściwości asfaltów przez ich modyfikację najczęściej polimerami. Stosowane do modyfikacji polimery to najczęściej elastomery (SBS, SIS) poprawiające odporność lepiszczy w całym zakresie temperatur eksploatacyjnych nawierzchni, tj. od –30°C do +60°C na powstawanie kolein i spękań niskotemperaturowych. Stosowane do modyfikacji plastomery (EVA) poprawiają głównie odporność lepiszczy na powstawanie odkształceń trwałych wysokotemperaturowych (kolein). Poprawę właściwości asfaltów modyfikowanych elastomerami można uzyskać, pod warunkiem że stosowany asfalt i polimer są kompatybilne, tj. mieszanina w czasie będzie stabilna i nie będzie się rozsegregowywała w czasie składowania. Wymaga to użycia  asfaltów o odpowiednim składzie grupowym, właściwych polimerów oraz zastosowania właściwej technologii wytwarzania polimeroasfaltów. Asfalty modyfikowane elastomerami charakteryzują się większą lepkością, a nawierzchnie z tymi lepiszczami – poprawą odporności na odkształcenia wysokotemperaturowe, spękania zmęczeniowe i niskotemperaturowe. Zalecane są do stosowania szczególnie do warstw ścieralnych nawierzchni dróg dla wyższych kategorii ruchu. Lepiszcza gumowo-asfaltowe Jedną z metod poprawy jakości asfaltu przez jego modyfikację jest dodanie do asfaltu lub MMA miału gumowego uzyskanego z rozdrobnienia zużytych opon samochodowych. Dodanie miału gumowego do asfaltu pozwala wykorzystać cenne właściwości kauczuków naturalnych i syntetycznych w celu modyfikacji lepiszcza. Lepiszcza gumowo-asfaltowe mają wiele zalet. Dodatek miału gumowego powoduje obniżenie temperatury mięknienia, korzystne rozszerzenie temperaturowego zakresu plastyczności oraz wzrost lepkości dynamicznej. Wykorzystanie w budownictwie odpadów ze zużytych opon samochodowych i innych wyrobów gumowych ma aspekt zarówno techniczny, jak i ekologiczny. Uzyskuje się poprawę właściwości lepiszcza i mieszanek MA oraz zagospodarowuje się niebezpieczne dla środowiska materiały odpadowe [4]. Znane są dwa sposoby dozowania materiału gumowego (granulatu gumowego) do mieszanek mineralno-asfaltowych: dozowanie miału gumowego do asfaltu (metoda wet) oraz dozowanie granulatu gumowego do kruszywa (tzw. metoda dry). Według pierwszego sposobu otrzymuje się zmodyfikowane lepiszcze gumowo-asfaltowe, według drugiego – zmodyfikowaną mieszankę mineralno-gumowo-asfaltową. {mospagebreak} Lepiszcza gumowo-asfaltowe charakteryzują się wieloma dodatnimi cechami w porównaniu z lepiszczami standardowymi. Dodatek miału gumowego do asfaltu powoduje obniżenie temperatury mięknienia oraz korzystne rozszerzenie temperaturowego zakresu plastyczności do ponad 60°C i wzrost lepkości dynamicznej. Modyfikowane lepiszcze charakteryzuje się również poprawionym indeksem penetracji, co wskazuje na zmniejszenie jego wrażliwości temperaturowej. Polepszają się również właściwości sprężyste lepiszcza gumowo-asfaltowego w porównaniu z asfaltem wyjściowym. W lepiszczach gumowo-asfaltowych obserwuje się wzrost nawrotu sprężystego wraz ze wzrostem czasu wygrzewania. W metodzie „dry” część kruszywa mineralnego w mieszance mineralno-asfaltowej zastępuje się granulatem gumowym. Projektuje się skład mieszanki mineralnej o nieciągłym uziarnieniu. Wyniki badań mieszanek MMA modyfikowanych miałem gumowym (metoda „dry process”) przeprowadzone m.in. w USA wykazały, że MMA modyfikowane drobnoziarnistym granulatem gumowym charakteryzują się wyższym modułem sprężystości i niższą trwałością zmęczeniową w porównaniu z mieszankami tradycyjnymi oraz zwiększoną odpornością na odkształcenia trwałe. Modyfikacja asfaltu dodatkiem soli organometalicznej (Chemcrete) Sól organometaliczna jest substancją chemiczną, która dodana do asfaltu w ilości 2% reaguje z nim, powodując jego usztywnienie w wyniku polimeryzacji. Na rynku sól ta występuje pod nazwą handlową Chemcrete. Reakcja asfaltu z Chemcrete rozwija się w czasie, jest najbardziej gwałtowna w podczas trwania procesów technologicznych związanych z wytworzeniem i ułożeniem mieszanki mineralno-asfaltowej w nawierzchni drogowej. Proces utleniania może trwać w nawierzchni jeszcze kilka lat, a jego szybkość zależy od temperatury i dostępu tlenu z powietrza. Dlatego też Chemcrete jest stosowana głównie do warstw wiążących i podbudowy. W Polsce podjęto działania w celu modyfikacji warstw konstrukcyjnych przez zastosowanie do mieszanek mineralno-asfaltowych lepiszcza z dodatkiem Chemcrete. Zrealizowano obszerny program badawczy, który objął swym zasięgiem lepiszcza modyfikowane (między innymi badania pod obciążeniem dynamicznym) oraz mieszanki mineralno-asfaltowe z tym lepiszczem (między innymi badania koleinowania i trwałości zmęczeniowej). Zostały wykonane odcinki dróg z nawierzchnią, w której skład wchodziła mieszanka mineralno-asfaltowa z dodatkiem Chemcrete w warstwie wiążącej i podbudowie. Badania polowe na odcinkach doświadczalnych oraz badania laboratoryjne wykazały, że dodatek soli organometalicznej do asfaltu korzystnie wpływa na właściwości lepkosprężyste mieszanki mineralno-asfaltowej, poprawia się jej odporność na odkształcenia trwałe, nie pogarsza się trwałość zmęczeniowa, warstwa konstrukcyjna charakteryzuje się polepszoną sztywnością, a konstrukcja nawierzchni jako całość wykazuje zwiększoną trwałość w wydłużonym okresie eksploatacji [5]. Mieszanki mineralno-asfaltowe w technologii na ciepło Według technologii na ciepło istnieje możliwość przeprowadzenia procesów otoczenia mieszanki mineralnej asfaltem, transportu i układania mieszanki w nawierzchni drogowej w znacznie niższych temperaturach w porównaniu do temperatur stosowanych w technologii na gorąco. Jest to możliwe dzięki temu, że technologia na ciepło pozwala obniżyć lepkość lepiszcza. Produkcja mieszanki mineralno-asfaltowej może odbywać się w temperaturze niższej aż o 37 °C [6]. {mospagebreak} Technologia na ciepło posiada wiele zalet, a z jej stosowaniem wiążą się liczne korzyści: mniejsze zanieczyszczenie powietrza (niższa emisja zanieczyszczeń powstających podczas ogrzewania i odpylania kruszywa); mniej dymu i nieprzyjemnego zapachu w miejscu produkcji oraz w otoczeniu miejsc, gdzie dokonuje się układanie i zagęszczanie mieszanki mineralno-asfaltowej; łatwiejszy i bardziej efektywny sposób układania i zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych; możliwość wydłużenia sezonu budowlanego (zmniejszenie różnicy pomiędzy temperaturą zagęszczenia mieszanki i temperaturą powietrza atmosferycznego). Znane są trzy technologie produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej. Po raz pierwszy tę technologię zastosowano w Europie, a jej rozpowszechnienie wiąże się z koniecznością redukcji o 15% emisji dwutlenku węgla w UE do 2010 r. Pierwsza technologia (Aspha-Min) polega na obniżeniu lepkości asfaltu poprzez zastosowanie syntetycznego dodatku (zeolitu) spieniającego asfalt. Zeolit jest krzemianem glinu z 18% zawartością związanej wody. Występuje w postaci drobnego proszku, który po dodaniu do mieszalnika otaczarki wywołuje efekt spienienia asfaltu. Dozowany jest w ilości około 0,3% m/m w stosunku do mieszanki mineralno-asfaltowej. W wyniku spienienia asfaltu otoczenie mieszanki mineralnej może odbywać się w temperaturze 130–145°C. Obniżenie temperatury produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej w drugiej technologii (WAM-Foam) można przeprowadzić dozując asfalt w dwóch etapach. W pierwszym etapie kruszywo jest otaczane miękkim asfaltem w temperaturze 100–120°C. Następnie twardy asfalt jest podawany w formie asfaltu spienionego. Mieszanka mineralno-asfaltowa po wytworzeniu jest układana i zagęszczana w temperaturze 80–90°C. Trzecia technologia na ciepło związana jest z wprowadzeniem do asfaltu dodatków organicznych, które poprzez działanie chemiczne powodują obniżenie lepkości lepiszcza. Najbardziej znane dodatki to: syntetyczna parafina i niskomolekularny ester. Oba dodatki topią się w temperaturze 99°C. Dodane do asfaltu w ilości 3–4% (m/m) po stopieniu powodują obniżenie lepkości asfaltu, a co za tym idzie obniżenie temperatury otaczania od 18°C do 54°C. Parafina stosowana w technologii na ciepło występuje na rynku pod nazwą handlową Sasobit. Otrzymuje się ją w procesie zgazowania węgla kamiennego. Ester o nazwie handlowej Asphaltan B jest produktem ubocznym ekstrakcji toluenem węgla brunatnego. Dotychczasowa praktyka pokazuje, że stosując technologię na ciepło nie pogarsza się cech technicznych warstw nawierzchni. W USA obecnie realizowane są programy wdrożeniowe technologii na ciepło. Asfalty spienione Rys. 2. Idea powstawania asfaltu spienionego Asfalt spieniony jest materiałem kompozytowym, składającym się z asfaltu w ilości około 97–98%, pary wodnej w ilości 1–3% oraz dodatków w zmiennej ilości i o chwilowym istnieniu. Asfalt ten zalicza się do lepiszczy stosowanych na zimno [7]. Idea powstawania asfaltu spienionego przedstawiona została na rys. 2. Wytwarzanie asfaltu spienionego odbywa się w komorze ekspansji. Po dodaniu zimnej wody do gorącego asfaltu (o temperaturze 170–180°C) zachodzą następujące zjawiska: energia cieplna asfaltu ogrzewa krople wody do temperatury 100°C, przy tym sam asfalt oziębia się; powstała para wodna wtłaczana jest pod ciśnieniem w fazę asfaltu; po przejściu przez iniektor bąbelki pary wodnej pokryte cienką błonką lepiszcza (o grubości 0,01 mm) pozostają w stanie równowagi przez krótki czas mierzony w sekundach; asfalt spieniony po zetknięciu z powierzchnią ziarn kruszywa ulega rozpadowi, bąbelki ulegają zniszczeniu pozostawiając drobne kropelki asfaltu. {mospagebreak} Wykonywanie warstw konstrukcyjnych z mieszanek mineralno-asfaltowych z asfaltem spienionym (górna lub dolna warstwa podbudowy) jest stosowane z powodzeniem w wielu krajach. W technologii na zimno z asfaltem spienionym mogą być stosowane materiały nowe, materiały z zużytych nawierzchni drogowych, jak również materiały odpadowe. Do najważniejszych zastosowań asfaltu spienionego należy zaliczyć: mieszanki mineralno-asfaltowe w technologii na zimno z zastosowaniem kruszywa nowego dobrej jakości; mieszanki mineralno-asfaltowe w technologii na zimno z wykorzystaniem materiałów z zużytych warstw nawierzchni asfaltowych (destruktu asfaltowego); mieszanki mineralno-asfaltowe w technologii na zimno z wykorzystaniem materiałów zawierających szkodliwe dla ludzi i środowiska substancje, takie jak smoła i azbest, w celu ich ekologicznego zagospodarowania; mieszanki mineralno-asfaltowe w technologii na ciepło (podgrzanie kruszywa). Rodzaj kruszywa mineralnego stosowanego do mieszanek z asfaltem spienionym zależy od tego, do której warstwy podbudowy jest ona przeznaczona i wielkości obciążenia ruchem, na który projektuje się nawierzchnię drogową. We Francji do mieszanek stosuje się najczęściej kruszywo o uziarnieniu 0/20 mm. W przypadku kruszywa kwaśnego należy stosować środki adhezyjne, które dodaje się do wtryskiwanej wody lub asfaltu. Zawartość lepiszcza w mieszance mineralno-asfaltowej wytrąconego z asfaltu spienionego w zależności od zawartości wypełniacza może wynosić od 3 do 5%. Mieszanki mineralno-asfaltowe z asfaltem spienionym przy ograniczonym dostępie powietrza mogą być składowane przez kilka tygodni, a nawet kilka miesięcy (stosowanie zabezpieczających plandek). Technologia, według której wykorzystuje się materiały starych warstw nawierzchni asfaltowych, polega na dozowaniu asfaltu spienionego do destrektu. Produkcja tej mieszanki może odbywać metodą recyklingu na miejscu lub w wytwórni. Według pierwszej technologii po wymieszaniu destruktu z asfaltem spienionym w komorze wirnika frezarki stabilizacyjnej następuje wbudowanie mieszanki w warstwę podbudowy i jej zagęszczenie walcami. W wytwórni można produkować mieszankę w otaczarce o działaniu ciągłym. Grubość warstw podbudowy wykonywanych na zimno z destruktu i asfaltu spienionego zazwyczaj wynosi od 18 do 22 cm. Mieszanki mineralno-asfaltowe z zastosowaniem asfaltu spienionego w technologii na ciepło wymagają przy produkcji podgrzania kruszywa. Podgrzewanie kruszywa, przed otoczeniem go asfaltem spienionym, wpływa korzystnie na jednorodne rozprowadzenie lepiszcza w mieszance, lepsze otoczenie ziarn kruszywa mineralnego i destruktu bitumicznego, zwiększając przez to odporność mieszanki w podbudowie na działanie destrukcyjne wody i wzrost trwałości zmęczeniowej. {mospagebreak} Lepiszcza ekologiczne Są to lepiszcza fluksowane, stosowane na gorąco mogące zastąpić asfalty upłynnione stosowane w technice powierzchniowego utrwalania. Surowcem do produkcji ekologicznego lepiszcza są estry kwasów tłuszczowych otrzymywane z reakcji estryfikacji olejów roślinnych alkoholem metylowym. Mała lotność estrów powoduje, że wzrost konsystencji lepiszcza po jego rozścieleniu na podłożu i po rozsypaniu grysu następuje nie na skutek odparowania składników, lecz na skutek reakcji sykatywizacji, wysychania, to jest twardnienia monoestrów w wyniku reakcji z tlenem. Sykatywizacja cząsteczek jest tym szybsza, im więcej wiązań nienasyconych jest w łańcuchu estru i im bardziej łańcuchy są połączone [8]. Tego rodzaju lepiszcze ekologiczne może być alternatywne dla asfaltów upłynnionych rozpuszczalnikowych (nieekologicznych). Zaletą lepiszcza ekologicznego jest możliwość jego modyfikacji dodatkiem polimerów. Bardzo dobra adhezja do kruszywa stwarza możliwości stosowania kruszyw kwaśnych. Stosowaniu tego rodzaju lepiszczy nie towarzyszy emisja składników organicznych do atmosfery. Podsumowanie Nawierzchnie dróg są w większości (~90%) wykonywane z mieszanek mineralno-asfaltowych. Stosowanie technologii z zastosowaniem lepiszczy asfaltowych jest możliwe dzięki zastosowaniu modyfikowanych lepiszczy o poprawionych właściwościach technicznych. Najczęściej stosowane modyfikatory asfaltu w postaci elastomerów i plastomerów poprawiają właściwości lepiszczy charakteryzujących się szerokim zakresem lepko-sprężystości w temperaturach eksploatacyjnych i podwyższoną trwałością. Możliwa jest również poprawa właściwości asfaltów przez ich chemiczną modyfikację (Chemcrete) lub modyfikację materiałami odpadowymi, np. miałem gumowym ze zużytych opon samochodowych. Stosowane lepiszcza modyfikowane w nowych technologiach asfaltowych powinny spełniać wymagania w zakresie ochrony środowiska przy wytwarzaniu, wbudowywaniu i eksploatacji. Technologie te powinny stwarzać możliwość recyklingu przy zachowaniu minimum nakładów energetycznych, np. technologie na zimno i na ciepło. W zakresie ochrony środowiska perspektywiczną technologią jest produkcja lepiszczy asfaltowych, stosowanych na ciepło, uzyskiwanych z olejów roślinnych przy zabiegach utrzymaniowych i budowanych nawierzchniach drogowych. Literatura [1] J. Gaweł, M. Kalabińska, J. Piłat: Asfalty drogowe. WKiŁ, Warszawa 2001. [2] J. Piłat, P. Radziszewski: Nawierzchnie asfaltowe. WKiŁ, Warszawa 2004. [3] P. Bellin: Die Ergebnisse der Bitumen – und Asphaltforschung des Strategic Highway Research Program SHRP. Teil 1. Bindemittel – Spezifikationen: Bitumen 1995, 2 str. 50. [4] J. Piłat, P. Radziszewski: Lepiszcza i mieszanki gumowo-asfaltowe. „Autostrady” nr 11/2004. [5] P. Radziszewski, J. Piłat: Właściwości lepkosprężyste lepiszczy modyfikowanych dodatkiem soli organometalicznych. Konferencja Naukowa, tom V, Krynica 2004. [6] J. Wayne: Warm mix asphalt pavement: technology of future. Asphalt Vol 19, Nr 3/2004. [7] K.J. Jenkins, M.F.C. Van de Ven, J.L.A. De Groot: Characterization of foamed bitumen, 7th Conference on asphalt pavements for Southern Africa 1999. [8] J.P. Antonine, M. Pelon: Bioflux, Bioflex La région Aqitaine adopte les liants de répandage écologiques. EGRA, nr 787/2000. prof. dr hab. inż. Jerzy PiłaT Politechnika Warszawska prof. dr hab. inż. Piotr Radziszewski Politechnika Białostocka mgr inż. Jan Król Politechnika Warszawska Artykuł zamieszczony w "Inżynierze budownictwa", styczeń 2007.