Vliv stárnutí na modifikovaná asfaltová pojiva

Transkript

1 Vliv stárnutí na modifikovaná asfaltová pojiva Marek Blaščík i Abstrakt: Článek pojednává o možnosti nahrazení jednoho cyklu dlouhodobého stárnutí třemi cykly krátkodobého stárnutí pro čtyři vybrané normované zkoušky asfaltového pojiva. Data byla naměřena pro zkoušku penetrace jehlou a pro metodu kroužek kulička, které jsou obě používány v České republice pro kategorizaci pojiva. Dále byla data naměřena pro zkoušku Multiple Stress Creep and Recovery a pro nízkoteplotní měření vlastností pojiva na trámečkovém reometru. Obě tyto zkoušky jsou součástí severoamerického testování Strategic Highway Research Program, které je organizací American Association of State Highway and Transportation Officials používáno ke kategorizaci pojiva a jejichž výsledky je možné vztáhnout na reologické chování materiálu. Měření bylo provedeno na nemodifikovaném pojivu, na pojivu modifikovaném reaktivním elastickým polymerem v kombinaci s polyfosforečnou kyselinou a na pojivu s kombinací reaktivního elastického polymeru s polymerem na bází styren-butadien-styren a s kyselinou polyfosforečnou. Klíčová slova: zkoušení asfaltového pojiva, Multiple Stress Creep and Recovery, Trámečkový reometr, Penetrace, metoda Kroužek Kulička, krátkodobé stárnutí, dlouhodobé stárnutí Abstract: This paper evaluates the possibility of replacing one cycle of long term aging by three cycles of short term ageing for four standardized tests. For penetration test and Ring and Ball test, which are used for asphalt standardization in Czech Republic and also for Multiple Stress Creep and Recovery and Bending Beam Rheometer testing, which are part of Strategic Highway Research Program testing introduced by American Association of State Highway and Transportation Officials and their results correlates with rheological behaviour of the binder. The tests were performed for non-modified binder as well as for polymer modified binders wit added reactive elastomeric polymer with polyphosphoric acid and for binder wit combination of reactive elastomeric polymer and styrene butadiene styrene polymers with added polyphosphoric acid. Keywords: asphalt binder testing, Multiple Stress Creep and Recovery, Bending Beam Rheometer, Penetration test, Ring and Ball test, short term aging, long term aging 1. Úvod Modifikací asfaltového pojiva je možné snížit degradaci materiálu vlivem času a dopravního zatížení konstrukce pozemní komunikace. Technologie umožňuje navrhnout takovou formuli pojiva a polymeru (popřípadě dalších aditiv), která rozšíří teplotní rozsah (PG třídu) použití materiálu a tím vytváří univerzálnější pojivo. Právě toto rozšíření teplotního rozsahu je pro co nejefektivnější využívání nerostných surovin důležité, naakumulovaná teplota v asfaltové vozovce může v letních měsících v České republice dosahovat 60 C a v zimních naopak klesat až k -30 C. Navržení pojiva, které by bylo schopné odolávat trvalým deformacím při vysokých teplotách a zároveň nebylo náchylné na mrazové či únavové trhliny při nízkých teplotách je značně usnadněno při použití technologie i Ing. Marek Blaščík, ČVUT FD, Ústav dopravních systémů, Horská 3, Praha 2, blascmar@fd.cvut.cz 1

2 modifikace pojiva polymery, čím větší je teplotní rozsah (PG třída), ve kterém musí pojivo splňovat limity určitých normovaných zkoušek, tím obtížnější (a dražší) je navrhnout správnou kombinaci pojiva a polymeru a zároveň tím menší jsou budoucí servisní náklady na pozemní komunikaci. Pro zjištění vlastností asfaltového pojiva slouží zkoušky normované americkou silniční asociací (AASHTO) a ostatní zkoušky. Aby bylo možné zkoušet v laboratoři materiál, který má vlastnosti srovnatelné s vozovkou, která byla vystavena po dobu své životnosti klimatickým podmínkám a dopravnímu zatížení, jsou zde dva typy laboratorního stárnutí. Krátkodobé stárnutí RTFO simuluje proces, kterým projde pojivo na obalovně a při pokládce směsi a dlouhodobé stárnutí PAV napodobuje vystavení materiálu klimatickým podmínkám a dopravnímu zatížení po dobu deseti let. Dlouhodobé stárnutí je časově nákladnější a je otázkou, jestli proces, kterým materiál při tomto stárnutí projde, skutečně simuluje používání pozemní komunikace po dobu deseti let. 2. Materiál Pro tento výzkum bylo použito asfaltové pojivo dodávané firmou Total ČR s katalogovou tvrdostí 50/70. Byl použit základní (nemodifikovaný) asfalt, asfaltové pojivo modifikované polymerem typu RET (reaktivní elastický polymer konkrétně Elvaloy 5160) v kombinaci s kyselinou polyfosforečnou (PPA) a jako třetí vzorek byl do takto modifikovaného pojiva (RET + PPA) přidán polymer typu SBS (polymer styren-butadien-styren, Kraton D). Celkově tedy vznikly tři laboratorní vzorky: Nemodifikovaný asfalt Reaktivní elastický polymer + kyselina polysforečná, (základní asfalt + RET + PPA) Reaktivní elastický polymer + kyselina polyfosforečná + polymer styren-butadienstyren, (základní asfalt + RET + PPA + SBS) Každý z těchto vzorků byl testován v nezestárlém stavu (original binder), po provedení jednoho cyklu stárnutí typu RTFO, třech cyklech RTFO (3xRTFO), po provedení jednoho cyklu stárnutí typu PAV a nakonec po provedení šesti cyklů krátkodobého stárnutí RTFO (6xRTFO). Celkově tedy byl každý vzorek asfaltového pojiva podroben pěti typům stárnutí: Nezestárlý asfalt krátkodobé stárnutí RTFO tři cykly krátkodobého stárnutí 3xRTFO jeden cyklus dlouhodobého stárnutí PAV šest cyklů krátkodobého stárnutí 6xRTFO 2

3 3. Metoda 3.1. Zkouška penetrace jehlou Zkouška je prováděna dle normy AASHTO T [1] v České republice se používá ke kategorizaci pojiva na základě jeho tvrdosti. Ta se zjišťuje pomocí jehly, která při 25 C penetruje pojivo po dobu pěti sekund. Na základě hloubky vpichu v milimetrech se asfaltové pojivo rozřazuje dle jeho tvrdosti. Výsledky této zkoušky není možné spojit s typickými poruchami asfaltových vozovek, jako jsou tvorba trvalých deformací nebo mrazové trhliny Kroužek kulička Druhou normovanou zkouškou, která je používána v České republice ke kategorizaci asfaltového pojiva se nazývá metoda Kroužek - Kulička. Tato zkouška se provádí dle teploty buď s použitím destilované vody, nebo pro vyšší teploty s použitím glycerinu. Z reologického hlediska tato zkouška není příliš vypovídající, výsledky tedy není možné stáhnout na tvorbu trvalých deformací nebo na náchylnost vozovky na tvorbu trhlin. Měření bylo provedeno v souladu s normou AASHTO T [2] 3.3. Zkouška Multiple Stress Creep and Recovery Multiple stress creep and recovery je zkouška, při které je pojivo opakovaně smykově namáháno a poté odtíženo s určitou frekvencí (0.1 s namáhání a 0.9 s doba pro relaxování pojiva). Namáhání probíhá nejprve při zatížení 0.1 kpa a při druhém cyklu 3.2 kpa, to má simulovat projíždějící vozidla na pozemní komunikaci. Výsledkem zkoušky je parametr Jnr pro 0.1 a 3.2 kpa, který reprezentuje ztrátu elastické části deformace. Větší Jnr znamená (dle zkoušky MSCR), že pojivo bude více náchylné na tvorbu trvalých deformací. Významný je zejména tento parametr pro opakované zatěžování pod tlakem 3.2 kpa. Zkouška je normována AASHTO T350 [3] a její výsledky vypovídají o náchylnosti pojiva na tvorbu trvalých deformací Trámečkový reometr BBR Pomocí zkoušky AASHTO T313 [4] jsou zjišťovány nízkoteplotní vlastnosti pojiva. Vzorek je při konstantní (záporné) teplotě namáhán tříosým ohybem, konstantní silou, po stanovenou dobu a z průhybu vzorku v milimetrech je přepočtena tuhost materiálu v kpa a m-hodnota, která reprezentuje změnu tuhosti v čase. Výsledky měření reprezentují náchylnost pojiva vůči mrazovým trhlinám Krátkodobé stárnutí RTFO Krátkodobé stárnutí asfaltového pojiva simuluje proces, kterým pojivo projde na obalovně při míchání s kamenivem a následně při pokládce směsi. Velmi tenký asfaltový film je vystaven foukání horkého vzduchu po dobu 85 minut, čímž dojde k homogenní oxidaci vzorku. Zkouška je normovaná AASHTO R30 [5] Dlouhodobé stárnutí PAV Dlouhodobé stárnutí pojiva je prováděno dle normy AASTHO R 28 [6], výsledné pojivo má vlastnosti srovnatelné s materiálem, který byl po dobu 10 let vystaven klimatickým jevům a dopravnímu zatížení na pozemní komunikaci. 3

4 4. Naměřená data Všechna data byla naměřena v souladu s normovanými zkouškami. Pro zjištění tvrdosti asfaltového pojiva byla provedena pro každý vzorek zkouška penetrace jehlou: Obr. 1 Penetrace Z Obr. 1 lze vyčíst, že modifikované pojivo (žlutá a modrá barva) bylo tvrdší než nemodifikované (šedá barva) vzorky. Pro dlouhodobě zestárlé vzorky (PAV) je situace opačná pro pojivo modifikované RET polymerem (žlutá barva). Další data byla naměřena metodou kroužek kulička, pro teploty naměřené v tomto souboru bylo jako měřící medium použita destilovaná voda. Bod měknutí je teplota, od které se pojivo přestává chovat jako pevná látka a začíná mít vlastnosti kapaliny. Ačkoli je tato veličina značně spjata s viskozitou pojiva, její aplikace na reologické vlastnosti materiálu nebyla prokázána, nicméně v České republice se zkouška používá ke kategorizaci asfaltového pojiva. 4

5 Obr. 2 Metoda Kroužek Kulička Z Obr. 2 lze vyčíst, že se stárnutím pojiva se zvyšuje teplota bodu měknutí asfaltu. Pro nezestárlé pojivo a pro jeden cyklus RTFO byla pomocí kombinací polymeru RET a SBS tato teplota snížena. To ovšem neplatí pro dlouhodobě zestárlé pojivo PAV. Zkouška pro kategorizaci pojiva se provádí na nezestárlém pojivu, tudíž zde je přidáním SBS umožněno dosáhnout nižší teploty (a pro ostatní zkoušky dosáhnout lepších reologických vlastností). Náchylnost asfaltového pojiva na tvorbu trvalých deformací byla zjišťována zkouškou MSCR, která se provádí na dynamickém smykovém reometru DSR: Obr. 3 MSCR 5

6 Na Obr. 2 nemodifikované pojivo (non modified) bylo vždy náchylnější na tvorbu trvalých deformací, pojivo modifikované pouze RET polymerem (žlutá barva) vykazovalo pro oba normované typy stárnutí (1xRTFO a PAV) lepší výsledky než po té, co se do formule zařadil polymer typu SBS. Nízkoteplotní vlastnosti asfaltu byly zjišťovány zkouškou na trámečkovém reometru BBR: Obr. 4 Zjišťování tuhosti na BBR Pro nezestárlé pojivo (original 50/70 Obr. 3) jevil lepší výsledky nemodifikovaný asfalt (šedá barva). Pro pojivo zestárlé krátkodobým stárnutím RTFO byly výsledky značně vyrovnané, ovšem ani zde efekt modifikace nepřinesl lepší výsledky. Pro pojivo zestárlé dlouhodobým stárnutím PAV jevily oba modifikované vzorky (jak RET, tak RET + SBS) lepší výsledky, které byly téměř totožné. 5. Diskuse výsledků Byl zkoumán vliv stárnutí na asfaltové pojivo, které bylo nemodifikované a modifikované dvěma typy standardně používaných polymerů. Laboratorní vzorky byly zkoumány jak nezestárlé, tak zestárlé dle dvou normovaných zkoušek (RTFO a PAV) a dále experimentálně třemi a šesti cykly krátkodobého stárnutí RTFO. Pro zjištění možnosti nahrazení dlouhodobého PAV stárnutí třemi nebo šesti cykly krátkodobým stárnutí PAV byla zvolena zkouška penetrace jehlou pro zjištění tvrdosti pojiva, zkouška MSCR pro zjištění náchylnosti pojiva na tvorbu trvalých deformací a měření na trámečkovém reometru BBR pro zjištění odolnosti pojiva proti tvorbě mrazových trhlin. Tvrdost asfaltového pojiva (zjišťováno penetrací jehlou) byla podobně ovlivněna třemi cykly stárnutí RTFO, jako byla ovlivněna jedním cyklem PAV. To platí především pro modifikované pojivo (oba typy modifikací). Komplexnější zkoušky (MSCR a BBR) již ukazují značně odlišné výsledky, zvláště při srovnání s PAV a šesti cykly RTFO. Právě tyto modernější zkoušky jsou důležité pro pochopení reálného chování materiálu a pro reologické objasnění jeho vlastností. 6

7 Dále je možné vypozorovat odlišné chování pojiva modifikovaného pouze polymerem typu RET a kombinací polymerů RET + SBS. Pro zkoušku MSCR byly výsledky pro nezestárlé a krátkodobě zestárlé pojivo značně odlišné, pro dlouhodobé stárnutí PAV výsledky nejsou nijak významně rozdílné. Pro zkoušku prováděnou na trámečkovém reometru (odolnost vůči tvorbě mrazových trhlin) jsou výsledky jak pro krátkodobé, tak pro dlouhodobé stárnutí značně podobné a vliv daného typu modifikace není až tak zřejmý. Dle naměřených dat nelze doporučit záměnu třech či šesti cyklů krátkodobého stárnutí RTFO za jeden cyklus dlouhodobého stárnutí PAV. Modifikace asfaltového pojiva ovlivňuje spíše vysokoteplotní vlastnosti (zkouška MSCR) a to především pro krátkodobé stárnutí RTFO. Vliv polymeru typu SBS na nízkoteplotní vlastnosti asfaltu byl v pojivu, ve kterém již byl přítomný polymer RET, zanedbatelný. Přidání polymeru typu SBS umožnilo dosáhnout normovaných hodnot, aniž by oproti pojivu s polymerem RET významně ovlivnilo reologické vlastnosti materiálu. Literatura [1] AASHTO. Standard Method of Test for Penetration of Bituminous Materials, T [2] AASHTO. Softening Point of Bitumen. AASHTO Designation: T [3] AASHTO. Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery, T350. [4] AASHTO. Standard Method of Test for Determining the Flexural Creep, T 313. [5] AASHTO. Standard Practice for Mixture Conditioning of Hot Mix Asphalt, R 30. [6] AASHTO. Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using, R 28. 7