PL237069B1 - Sposób spieniania asfaltu z zastosowaniem dodatku dwuskładnikowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spieniania asfaltu z zastosowaniem dodatku dwuskładnikowego, który jest dodawany do mieszanki mineralnej przed dozowaniem asfaltu.

Z załącznika do zarządzenia nr 47 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 18.11.2014 r. NAWIERZCHNIE ASFALTOWE NA DROGACH KRAJOWYCH WT-2 2014 - część I Mieszanki mineralno-asfaltowe Wymagania Techniczne (WT 2 2014), str. 22, 25, 27, 28, 31, 34, 38, 39, 41 znane są wymagania odnośnie uziarnienia mieszanki mineralnej i zawartości lepiszcza asfaltowego do mieszanek mineralno-asfaltowych do warstw podbudowy, wiążącej, wyrównawczej i ścieralnej.

Z WT 2 2014 punkt 7.2 strona 15 znane są również rodzaje lepiszczy asfaltowych stosowanych w mieszankach mineralno-asfaltowych. Są to:

- asfalty drogowe według PN-EN 12591:2010,

- asfalty modyfikowane polimerami według PN-EN 14023:2011,

- asfalty drogowe wielorodzajowe według PN-EN 13924-2:2014-04.

Z publikacji Rubio M.C., Martinez G., Baena L., Moreno F. Warm mix asphalt: an overview. Journal of Cleaner Production, 2012, 24, str. 76-84, znane są rożne metody spieniania asfaltu: bezpośrednie spienianie asfaltu wodą oraz spienianie asfaltu poprzez dodatki zawierające wodę np. zeolity.

Z publikacji Woszuk A., Franus W. 2017 A review of the application of zeolite materials in Warm Mix Asphalt technologies. Applied sciences, 7, 293, wiadomo, że spienianie asfaltu przez dodatki zawierające wodę w postaci zeolitów umożliwia obniżenie temperatury produkcji i zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych, w skrócie MMA, od 15 do 40°C, w efekcie czego uzyskuje się tzw. „mieszanki mineralno-asfaltowe na ciepło”.

Z publikacji Rubio M.C., Martinez G., Baena L., Moreno F. Warm mix asphalt: an overview. Journal of Cleaner Production, 2012, 24, str. 76-84, znane są korzyści stosowania mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło. Zmniejszenie temperatury produkcji MMA to redukcja emitowanego przez wytwórnie ditlenku węgla 5 ok. 30-40%, a innych związków niebezpiecznych - nawet o 70%. Zmniejsza się również emisja wyziewów i aerozoli co wpływa na zdrowie i komfort pracy osób zatrudnionych przy produkcji i wbudowywaniu MMA.

Z publikacji DAngelo J., Bartoszek J., Corrigan M., Jones W., Newcomb D., Prowell B. Warm-Mix Asphalt: European Practice, 2008, wiadomo, że podczas produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych w 180°C emisje gazów i oparów osiągają już bardzo wysokie wartości. Niewielki ich udział występuje w temperaturze 150°C.

Sposobem spieniania asfaltu jest zastosowanie dodatku zeolitu syntetycznego o nazwie handlowej Aspaha-Min, opisanego w publikacji Hurley G., Prowel B., Evaluation of Aspha-Min zeolite for use in warm mix asphalt., National Center for Asphalt Technology, Auburn 2005. Zeolit Aspaha-Min dodawany jest to mieszanki mineralno-asfaltowej w tym samym czasie co lepiszcze asfaltowe, w ilości 0,3 % w stosunku do masy mieszanki mineralno-asfaltowej, co obniża temperaturę produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej o 12°C.

Z opisu patentowego nr PL230907 (B1) znany jest sposób spieniania asfaltu, w którym do gorącego asfaltu o temperaturze od 145°C do 180°C dodaje się mieszaninę zeolitu z wodą w ilości od 2% do 10 % wagowo w stosunku do masy asfaltu i miesza się do momentu rozpoczęcia spieniania asfaltu. Następnie spieniony asfalt dodaje się do mieszanki mineralnej o temperaturze od 115°C do 140°C i miesza się do uzyskania całkowitego otoczenia kruszywa asfaltem. Powstałą mieszankę mineralnoasfaltową kondycjonuje się i zagęszcza w temperaturze 105°C - 130°C.

Z opisu patentowego nr PL230908 (B1) znany jest sposób spieniania asfaltu, w którym do gorącego asfaltu o temperaturze od 145°C do 180°C dodaje się mieszaninę mezoporowatego materiału krzemionkowego o uporządkowanej strukturze z wodą w ilości od 2% do 10% wagowo w stosunku do masy asfaltu i miesza się do momentu rozpoczęcia spieniania asfaltu. Następnie spieniony asfalt dodaje się do mieszanki mineralnej o temperaturze od 115°C do 140°C i miesza się do uzyskania całkowitego otoczenia kruszywa asfaltem. Powstałą mieszankę mineralno-asfaltową kondycjonuje się i zagęszcza w temperaturze 105°C - 130°C.

Wermikulit jest stosowany w budownictwie jako materiał izolacyjny. Z opisu zgłoszenia patentowego nr ęN109651828(A) znane jest zastosowanie wermikulitu, który po połączeniu z składnikami w postaci glikolinu propylenowego, nanoproszku spinelu i ognioodpornymi włóknami kompozytowymi z poliamidu stanowi dodatek do asfaltu o działaniu zmniejszającym palność asfaltu i tłumiącym dym.

PL 237 069 B1

Z opisu zgłoszenia patentowego nr CN110041717 (A) znane jest zastosowanie wermikulitu w procesie przygotowania dodatku do mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło. Zgodnie ze sposobem przygotowania poprzez zmieszanie wermikulitu i żużla wielkopiecowego powstają porowate cząstki, w których w procesie tworzenia polimeru osadzają się kryształy siarczanu miedzi utworzone przez siarczan miedzi, jednocześnie cząstki są owijane utworzonymi polimerami które mają silną zdolność wiązania z asfaltem. Uzyskuje się zwiększoną zdolność wiązania asfaltu i materiału podstawowego, zwiększoną odporność na pękanie w niskiej temperaturze, a ponadto wydajność spieniania asfaltu poprawia się poprzez uwalnianie się związanej w kryształach siarczanu miedzi wody. Zsyntetyzowana ciecz jonowa może poprawić stabilność asfaltu, a pierwiastki takie jak siarka, zmniejszają lepkość asfaltu przez co efektywność wytwarzania mieszanki na ciepło została poprawiona.

Celem wynalazku jest obniżenie temperatury produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej, przy zachowaniu ciągu technologicznego jak podczas produkcji mieszanek na gorąco oraz poprawa trwałości zmęczeniowej i odporności na deformacje trwałe wytworzonej mieszanki.

Istotą sposobu spieniania asfaltu z zastosowaniem dodatku dwuskładnikowego zawierającego zeolit syntetyczny oraz z zastosowaniem mieszanki mineralnej w postaci frakcji grysowej, piaskowej i wypełniacza jest to, że do zeolitu syntetycznego wymieszanego z wermikulitem w proporcjach wagowych od 1:4 do 4:1 dodaje się wodę w ilości od 25 do 200% wagowych suchej mieszanki i miesza się do momentu uzyskania mieszaniny o jednolitej strukturze. Następnie dodaje się tą wytworzoną mieszaninę do mieszanki mineralnej o temperaturze od 110 do 135°C i miesza się przez czas od 15 do 180 s. Stosunek masy mieszaniny, do założonej masy mieszanki mineralno-asfaltowej wynosi od 0,2 do 2% wagowych. W dalszej kolejności dodaje się asfalt rozgrzany do temperatury od 140 do 175°C i miesza się do momentu całkowitego otoczenia kruszyw spienionym asfaltem. Po czym mieszankę mineralno-asfaltową kondycjonuje się i zagęszcza w temperaturze od 105 do 130°C. Pożądane jest aby mieszankę mineralno-asfaltową kondycjonować w czasie od 15 do 60 min.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest obniżenie temperatury produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej, co wpływa na zmniejszenie zużycia energii, niższe koszty produkcji oraz zmniejszenie emisji związków niebezpiecznych i zmniejszenie negatywnego wpływu na ludzi zajmujących się bezpośrednio produkcją i wbudowywaniem mieszanek mineralno-asfaltowych. Kolejną zaletą jest to, że zastosowane materiały w postaci zeolitu syntetycznego i wermikulitu charakteryzujących się dużą powierzchnią właściwą oraz dużą objętością mezoporów, co umożliwia wchłonięcie znacznej ilości wody. Przy czym intensywność oddawania pochłoniętej wody jest większa w przypadku wermikulitu, co wpływa na wzrost efektywności spieniania asfaltu i umożliwia skrócenie czasu kondycjonowania wytworzonej mieszanki mineralno-asfaltowej. Zastosowanie wynalazku daje możliwość wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych według wynalazku w istniejących wytwórniach mas bitumicznych lub przy niewielkiej ich modyfikacji. Do korzystnych skutków należy również wzrost trwałości zmęczeniowej wytworzonych mieszanek mineralno-asfaltowych oraz podwyższona odporność na deformacje trwałe.

P r z y k ł a d y

Mieszanki mineralno-asfaltowe z betonu asfaltowego o maksymalnym uziarnieniu kruszywa 16 przeznaczone na warstwę wiążącą - AC 16 W, przygotowywano w laboratorium według składu przedstawionego w tabeli 1.

PL 237 069 Β1

Tabela 1

Składniki mieszanki mineralno-asfaltowej w 1 i 2 przykładzie wykonania

Nazwa składnika mieszanki	Udział masowy składników w mieszance [ % wagowych]
mieszanka mineralna	mieszanka mineralno-asfaltowa
Wypełniacz wapienny	3,5	3,3
Kruszywo drobne 0/2	36,5	34,8
Kruszywo grube 2/8	23,0	22,0
Kruszywo grube 8/11	17,0	16,2
Kruszywo grube 11/16	20,0	19,1
Asfalt 35/50	-	4,6

Wykonanie mieszanek mineralno-asfaltowych w przykładach wykonania przeprowadzono według poniżej opisanych czynności.

Poszczególne składniki i parametry dla poszczególnych mieszanek przedstawiono w tabeli 2.

Zeolit syntetyczny o powierzchni właściwej Fz zbadanej zgodnie z normą ISO 9277:2010, powierzchni mezoporów Xz zbadanej zgodnie z normą ISO 9277:2010 i objętości mezoporów Yz zbadanej zgodnie z normą ISO 9277:2010 w ilości mz wymieszano z wermikulitem o powierzchni właściwej Fw zbadanej zgodnie z normą ISO 9277:2010, powierzchni mezoporów Xw zbadanej zgodnie z normą ISO 9277:2010 i objętości mezoporów Yw zbadanej zgodnie z normą ISO 9277:2010 w ilości mw i dodano wodę w ilości uH2O suchej mieszanki - mH2O i mieszano do uzyskania mieszaniny o jednolitej strukturze przez czas t1. Uzyskaną mieszaninę dodano do mieszanki mineralnej rozgrzanej do temperatury T1 i mieszano przez czas t2. Ilość dodanej mieszaniny wynosiła mm, co stanowi urn w stosunku do założonej masy mieszanki mineralno-asfaltowej wynoszącej mmm-a . Następnie dodano asfalt rozgrzany do temperatury Ta i mieszano do momentu całkowitego otoczenia kruszyw spienionym asfaltem przez czas t3. Gotowy zarób wstawiono do suszarki rozgrzanej do temperatury zagęszczania Tz i kondycjonowano przez czas tk. Następnie wykonano próbki przeznaczone do badania trwałości zmęczeniowej i wykonano badanie wg normy PN-EN 12697-24, metodą belki 4-punktowo zginanej przy częstotliwości odkształceń wynoszącej 10 Hz i poziomie odkształcenia wynoszącym 100 μΠΊ/ηΊ, oraz wykonano próbki przeznaczone do badania odporności na deformacje trwałe zgodnie z normą PN-EN 12697-22 + A1:2008, metoda B, w powietrzu.

PL 237 069 Β1

Tabela 2

Dane dotyczące przykładów wykonania

Wyszczególnienie	1 przykład wykonania	2 przykład wykonania
Rodzaj zeolitu	Zeolit syntetyczny Na-A	Zeolit syntetyczny Na-X
Powierzchni właściwa zeolitu Fz [m2g·1]	22	219
Powierzchnia mezoporów zeolitu Xz [m2 g·1]	6,9	63
Objętości mezoporów zeolitu Yz [cm3g 1]	0,235	0,156
Ilość zeolitu mz [g]	20	1280
Powierzchni właściwa wermikulitu Fw [m2 g·1]	12	12
Powierzchnia mezoporów wermikulitu Xw [m2 g·1]	7,9	7,9
Objętości mezoporów wermikulitu Yw [cn^ g1]	0,015	0,015
Ilość wermikulitu mw [g]	80	320
Ilość dodanej wody uH2O [% wagowych]	200	25
Ilość dodanej wody mH2O [g]	200	400
Czas mieszania t1 [s]	30	30
Temperatura mieszanki mineralnej T1 [°C]	135	110
Czas mieszania t2 [s]	180	15
Ilość dodanej mieszaniny mm [g]	160	1600
Ilość dodanej mieszaniny urn [% wagowych]	0,2	2
Założona masa mieszanki mineralno-asfaltowej mmm-a [kg]	80	80
Temperatura asfaltu Ta [°C]	175	140
Czas mieszania t3 [s]	120	120
Temperatura zagęszczania Tz [°C]	130	105
Czas kondycjonowania tk [min]	60	15
Liczba cykli obciążenia do utarty trwałości zmęczeniowej	112 235	97 008
Proporcjonalna głębokość koleiny PRDair [ %]	6,9	7,4
Przyrost głębokości koleiny WTSair [mm/103 cykli]	0,12	0,14

PL 237 069 Β1

W celu skonfrontowania wyników przeprowadzonych badań z zastosowaniem wynalazku z wynikami badań z zastosowaniem dotychczasowej technologii produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco, zrealizowano ten proces z zastosowaniem materiałów pochodzących z tego samego źródła oraz składem ilościowym przedstawionym w tabeli 1. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3

Wyniki badań mieszanki mineralno-asfaltowej wytworzonej w technologii na gorąco, gdzie temperatura mieszanki mineralnej wynosiła 180°C, a temperatura zagęszczania wynosiła 140°C

Właściwości	Wynik badania
Liczba cykli obciążenia do utarty trwałości zmęczeniowej	92 302
Współczynnik, zagęszczalności K [-]	4,133
Wskaźnik stabilności mieszanki - MSI [-]	149,80

Zastrzeżenia patentowe

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób spieniania asfaltu z zastosowaniem dodatku dwuskładnikowego zawierającego zeolit syntetyczny oraz z zastosowaniem mieszanki mineralnej w postaci frakcji grysowej, piaskowej i wypełniacza, znamienny tym, że do zeolitu syntetycznego wymieszanego z wermikulitem w proporcjach wagowych od 1:4 do 4:1 dodaje się wodę w ilości od 25 do 200% Wagowych suchej mieszanki i miesza się do momentu uzyskania mieszaniny o jednolitej strukturze, następnie dodaje się tą wytworzoną mieszaninę do mieszanki mineralnej o temperaturze od 110 do 135°C i miesza się przez czas od 15 do 180 s, przy czym stosunek masy mieszaniny, do założonej masy mieszanki mineralno-asfaltowej wynosi od 0,2 do 2% wagowych, a następnie dodaje się asfalt rozgrzany do temperatury od 140 do 175°C i miesza się do momentu całkowitego otoczenia kruszyw spienionym asfaltem, po czym mieszankę mineralno-asfaltową kondycjonuje się i zagęszcza w temperaturze od 105 do 130°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszankę mineralno-asfaltową kondycjonuje się w czasie od 15 do 60 min.