PL231460B1 - Mieszanka betonu asfaltowo-cementowego do podbudów nawierzchni asfaltowych - Google Patents

Abstract

Mieszanka betonu asfaltowo-cementowego do podbudów nawierzchni asfaltowych zawierająca: destrukt z frezowania nawierzchni asfaltowych, kruszywo mineralne drobnoziarniste, piasek, cement, miał gumowy o uziarnieniu 0/1 mm, obtoczony asfaltem, charakteryzuje się tym, że składa się z granulatu gumowego tecRoad o wymiarze do 1 mm obtoczonego asfaltem 50/70 lub 70/100 w ilości wagowo od 2% do 8% składu mieszanki, cementu 42,5 lub 52,5 w ilości wagowo od 4% do 8% składu mieszanki, destruktu asfaltowego, łamanego kruszywa mineralnego o uziarnieniu ≤ 31,5 mm i piasku w ilości łącznej wagowo 84% do 92% składu mieszanki oraz wody w ilości wagowo od 4% do 8% składu mieszanki, odpowiadającej wilgotności optymalnej według zmodyfikowanej metody Proctora.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mieszanka betonu asfaltowo-cementowego do podbudów nawierzchni asfaltowych.

Dotychczas znane są betony asfaltowo-cementowe opisane na stronie 67-90 monografii Jerzego Kukiełki pt. Nawierzchnie asfaltowe dróg samorządowych, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej 2013 r., w monografii Jana Kukiełki pt. Betony asfaltowo-cementowe i ich zastosowanie, Prace naukowe Politechniki Lubelskiej z 2002 r.

Z polskiego opisu patentowego nr 221579 znana jest mieszanka kompozytowa do nawierzchni drogowych zawierająca destrukt z frezowania nawierzchni asfaltowych w ilości od 70% do 80% wagowo składu mieszanki, korzystnie 77%, zaprawę cementowo-piaskową w ilości >20% wagowo mieszanki, korzystnie z cementem 52,5 oraz miał gumowy 0:2 mm z recyklingu w ilości do 4% wagowo.

Podbudowy wykonywane dotychczas z betonów asfaltowo-cementowych projektowane były jako warstwy półsztywne albo jako podatne. Na podstawie wyników badań modułów sprężystości dynamicznej, podanych na str. 33 monografii Jana Kukiełki pt. Betony asfaltowo-cementowe i ich zastosowanie, cechy półsztywne posiadają one w temperaturze +10°C, gdy moduł sprężystości wynosi E=10 707 MPa oraz niższych, np. w temperaturze -2°C gdy moduł sprężystości wynosi E= 11 163 MPa. Wpływ temperatury na wytrzymałość betonów asfaltowo-cementowych podano na str. 30 wymienionej wcześniej monografii Jana Kukiełki.

Brak jest w Polsce instrukcji dotyczącej wykorzystania wyłącznie cementu do recyklingu nawierzchni asfaltowych, a zalecenia w Podręczniku Wirtgena z 2006 r. są niewystarczające do opracowania Specyfikacji Technicznych, będących podstawą wykonania robót. Dostosowanie wymagań zmodyfikowanych pod względem składu betonów asfaltowo-cementowych do Instrukcji projektowania i wbudowywania mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych opracowanej w 2013 r. wpływać będzie korzystnie na upowszechnienie ich wdrożenia.

Instrukcja dotycząca recyklingu nawierzchni asfaltowych opracowana w Politechnice Gdańskiej uwzględnia wybrane doświadczenia krajowe, zagraniczne i zawarte w Wymaganiach Technicznych WT-5 z 2010 r. W Instrukcji przyjęto w zależności od kategorii ruchu, że zawartość wolnych przestrzeni powinna wynosić od 8% do 18%, wytrzymałość na pośrednie rozciąganie w temperaturze 5°C po 28 dniach twardnienia od 0,6 MPa do 1,6 MPa, a moduł sztywności od 1500 MPa do 7000 MPa, wytrzymałość na rozciąganie pośrednie po nasączeniu wodą od 70% do 80% wytrzymałości w stanie powietrzno-suchym.

W przypadku recyklingu przy użyciu wyłącznie cementu zalecana jest w Podręczniku Wirtgena wytrzymałość na ściskanie osiowe od 2,0 MPa do 4,0 MPa i minimalna wytrzymałość na pośrednie rozciąganie 0,25 MPa. W przypadku mieszanki zawierającej 50% destruktu i 50% kruszywa łamanego zalecany jest w Podręczniku dodatek cementu ok. 2,5% a wytrzymałość na ściskanie powinna być mniejsza od 4,0 MPa. Dodatek 6% cementu i wytrzymałość do 10,0 MPa uwzględniono w Podręczniku, ale bez opisania warunków i przykładów stosowania. W Podręczniku recyklingu stwierdza się, że nieuniknione jest powstanie pęknięć poprzecznych, które można tylko ograniczyć oraz to, że następuje zwiększenie sztywności warstwy, gdy środkiem wiążącym jest wyłącznie cement.

W dotychczasowych polskich doświadczeniach praktycznych dotyczących betonów asfaltowocementowych stosowano najczęściej jako dodatek do destruktu 7,5% piasku i 7,5% cementu 52,5, przyjmując wytrzymałość na rozciąganie pośrednie około 1,0 MPa w temperaturze 5°C. Możliwe było zwiększenie wytrzymałości na pośrednie rozciąganie do 1,2 MPa w temperaturze 5°C poprzez dodanie piasku w ilości 22% jak podano na str. 76 monografii Jerzego Kukiełki lub do ok. 1,5 MPa w temperaturze 23°C poprzez zastąpienie piasku drobnym kruszywem granitowym 0/8 mm, dodawanym do destruktu w ilości 7,5%, jak w monografii Jana Kukiełki z 2002 r. na str. 40 i 41.

Pomimo dużej zawartości destruktu asfaltowego w dotychczas stosowanych mieszankach z betonu asfaltowo-cementowego w Polsce stwierdzono sporadyczne występowanie pęknięć skurczowych. Wadami mieszanek betonów asfaltowo-cementowych są ich niejednorodność, zależna od zmian cech destruktu asfaltowego, zmienna wodo- i mrozoodporność oraz nadmierna sztywność warstw w temperaturze <10°C.

Skład ziarnowy destruktu zależy od składu mieszanki mineralno-asfaltowej w warstwie oraz od rodzaju i stanu technicznego sprzętu używanego do frezowania. Wspólną cechą destruktu z nawierzchni na wschodzie Polski jest względnie mała zawartość frakcji >2 mm, która według górnej gra

PL 231 460 B1 nicznej krzywej uziarnienia wynosi 50% i na podstawie wykonanych badań materiału z ulic Lublina zawartość tych frakcji jest w przedziale od 8% do 35%. Zawartość grysów w destrukcie z nawierzchni wykonanych przed 1990 r. zmienia się w różnych regionach Polski od około 30% do 50% na wschodzie do ponad 50% w regionach występowania surowców skalnych. Zawartość asfaltu w destrukcie z warstw ścieralnych ze starych nawierzchni jest najczęściej większa od 6%.

Wymiar maksymalnych ziaren destruktu jest najczęściej mniejszy od D=31,5 mm i zawiera się głównie w przedziale 0/25 mm.

Destrukt z nawierzchni wykonanych po 1997 r. z uwzględnieniem wymagań norm europejskich jest zasadniczo różny pod względem zawartości asfaltu i grysów od pochodzącego ze stałych nawierzchni sprzed 1990 r. Frezowanie warstw nawierzchni asfaltowych eksploatowanych przez mniej niż 20 lat ma dotychczas incydentalny charakter. Mieszanki betonów asfaltowo-cementowych wytwarzano dotychczas w Polsce najczęściej w urządzeniach stacjonarnych a w doświadczeniach Wirtgena sposobem wymieszania składników na miejscu w warstwie wykonywanej podbudowy.

Istotą mieszanki betonu asfaltowo-cementowego do podbudów nawierzchni asfaltowych zawierającej destrukt z frezowania nawierzchni asfaltowych, kruszywo mineralne doziarniające, piasek, cement, miał gumowy o uziarnieniu 0/1 mm obtoczony asfaltem jest to, że składa się z granulatu gumowego tecRoad o wymiarze do 1 mm obtoczonego asfaltem 50/70 lub 70/100 w ilości wagowo od 2% do 8% składu mieszanki, cementu 42,5 lub 52,5 w ilości wagowo od 4% do 8% składu mieszanki, destruktu asfaltowego, łamanego kruszywa mineralnego o uziarnieniu <31,5 mm i piasku w ilości łącznej wagowo od 76% do 90% składu mieszanki oraz wody w ilości wagowo od 4% do 8% składu mieszanki odpowiadającej wilgotności optymalnej według zmodyfikowanej metody Proctora.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest wzrost trwałości podbudów wykonywanych sposobem recyklingu dzięki jednoczesnemu zastosowaniu dwóch składników występujących w granulacie gumowym tecRoad o wymiarze D<1 mm. Drobne uziarnienie przyczynia się do zmniejszenia zawartości wolnych przestrzeni, zwiększając odporność na działanie wody i mrozu, natomiast asfalt zwiększa trwałość zmęczeniową mieszanki. Wzrostowi zawartości tecRoad w mieszance odpowiada zmniejszenie sztywności warstwy podbudowy z betonu asfaltowo-cementowego, która spełnia wymagania Instrukcji z 2013 r. Wykorzystanie cementu do recyklingu, bez dodatku kosztownej emulsji asfaltowej korzystne jest także pod względem ekonomicznym. Miał gumowy w tecRoad jest chroniony przed starzeniem dzięki obtoczeniu asfaltem, który zapewnia lepszy jego kontakt z cementem, kruszywem doziarniającym i destruktem. Wiązaniu i twardnieniu cementu w porze letniej odpowiada zmniejszona lepkość asfaltu w destrukcie i tecRoad.

Maksymalny dodatek granulatu gumowego tecRoad w ilości wagowo 8% składu mieszanki stosuje się równocześnie ze zwiększonym dodatkiem uzupełniającego kruszywa łamanego i cementu 52,5, ale bez dodawania piasku. Dodatek 8% granulatu gumowego tecRoad przyczynia się do zwiększenia trwałości zmęczeniowej podbudowy z mieszanki o zwiększonej wytrzymałości na pośrednie rozciąganie, zawierającej do 20% doziarniającego kruszywa łamanego, którą stosuje się w nawierzchniach o średnim obciążeniu ruchem KR4 lub KR3.

Asfalt obtaczający granulat gumowy przyczynia się do częściowej regeneracji asfaltu w destrukcie i jego połączenia z łamanym kruszywem doziarniającym. Granulat tecRoad wypełnia część wolnych przestrzeni w mieszance przyczyniając się także do zmniejszenia jej nasiąkliwości.

Granulat gumowy tecRoad dodawany w ilości od 2% do 4% składu mieszanki, zawierającej destrukt, cement i piasek stanowiący zaprawę, po dodaniu wody przyczynia się do zwiększenia trwałości także poprzez zmniejszenie zawartości wolnych przestrzeni w mieszance charakteryzującej się wymaganą wytrzymałością na rozciąganie pośrednie. Badanie odporności na działanie wody i mrozu w XX wieku dotyczyło tylko warstw ścieralnych nawierzchni asfaltowych.

P r z y k ł a d 1:

Wykonano mieszankę betonu asfaltowo-cementowego składającą się z 70% destruktu asfaltowego o uziarnieniu D<31,5 mm, przechodzącego przez sito 8 mm w ilości wagowo 76% i sito 4 mm w ilości 48% zawierającego średnio 6,2% asfaltu, doziarniającego kruszywa łamanego 0/8 mm w ilości wagowo 12% składu mieszanki, 6% tecRoad wagowo składu mieszanki, 6% cementu 52,5 wagowo w składzie mieszanki oraz 6% wody wagowo, odpowiadającej wilgotności optymalnej wg zmodyfikowanej metody Proctora.

Przygotowano w laboratorium 15 próbek Marshalla 0100x60 mm, z wyżej wymienionej mieszanki, zagęszczając po 75 uderzeń na stronę znanym sposobem, które następnie badano pod wzglę

PL 231 460 B1 dem przydatności do wykonania podbudowy nawierzchni asfaltowej o ruchu kategorii KR4 według Instrukcji z 2013 r. dotyczącej mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych. Nasiąkliwość i zawartość wolnych przestrzeni w mieszance oraz wytrzymałość na pośrednie rozciąganie spełniają dolne wielkości wymagań Instrukcji, a moduł sztywności, malejący w czasie eksploatacji nawierzchni, spełnia wymagania dotyczące górnej granicy. Pozostała wytrzymałość na rozciąganie pośrednie po przechowywaniu próbek w wodzie, według Instrukcji, jest większa od 80% dzięki 6% zawartości wagowej tecRoad w mieszance, który objętościowo stanowi około 12% składu mieszanki.

P r z y k ł a d 2:

Do wytworzenia mieszanki betonu asfaltowo-cementowego wykorzystano: 80% wagowo składu mieszanki destrukt asfaltowy o uziarnieniu 0/31,5 mm, zawierający od 6% do 7,5% asfaltu, 7% wagowo składu mieszanki kruszywo łamane 0/8 mm, 3% wagowo składu mieszanki granulat gumowy tecRoad, 5% wagowo składu mieszanki cement 52,5 oraz 5% wagowo składu mieszanki wody, spełniającej warunek wilgotności optymalnej według zmodyfikowanej metody Proctora.

Z mieszanki przygotowanej w laboratorium wykonano znanym sposobem 15 próbek Marshalla 0100x60 mm, którą następnie badano pod względem przydatności mieszanki do wykonania podbudowy nawierzchni drogowej.

Wymagania wodo- i mrozoodporności według Instrukcji z 2013 r. dotyczącej mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej, spełnione są dla kategorii ruchu KR3 i KR4, a zatem także dla KR1 i KR2.

Dodatek tecRoad przyczynia się do zmniejszenia wolnych przestrzeni i nasiąkliwości, korzystnie wpływającej na wodoodporność, ale niekorzystnie na wytrzymałość na rozciąganie pośrednie próbek, która w temperaturze 5°C po 28 dniach dojrzewania jest większa od 0,6 MPa i odpowiada wymaganiom KR1 i KR2.

Mieszankę jak w przekładzie 2 zaleca sic do wykonywania podbudowy nawierzchni dróg o kategorii obciążenia ruchem KR2. Dodatkowym uzasadnieniem jest względnie duża niejednorodność destruktu asfaltowego, stanowiącego do 80% składu mieszanki.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Mieszanka betonu asfaltowo-cementowego do podbudów nawierzchni asfaltowych zawierająca: destrukt z frezowania nawierzchni asfaltowych, kruszywo mineralne doziarniające, piasek, cement, miał gumowy o uziarnieniu 0/1 mm obtoczony asfaltem, znamienna tym, że składa się z granulatu gumowego tecRoad o wymiarze do 1 mm obtoczonego asfaltem 50/70 lub 70/100 w ilości wagowo od 2% do 8% składu mieszanki, cementu 42,4 do 52,5 w ilości wagowo od 4% do 8% składu mieszanki, destruktu asfaltowego, łamanego kruszywa mineralnego o uziarnieniu <31,5 mm i piasku w ilości łącznej wagowo 76% do 90% składu mieszanki oraz wody w ilości wagowo od 4% do 8% składu mieszanki, odpowiadającej wilgotności optymalnej według zmodyfikowanej metody Proctora.