PL242685B1 - Spoiwo hydrauliczne normalnie wiążące, stosowane zwłaszcza w mieszankach mineralno-cementowych z emulsją asfaltową - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest spoiwo hydrauliczne normalnie wiążące, stosowane zwłaszcza w mieszankach mineralno-cementowych, stosowanych do wytwarzania podbudowy drogowej, zawierające w swoim składzie cement portlandzki, które charakteryzuje się tym, że składa się z cementu portlandzkiego klasy I w ilość 60% wagowych, wapna hydratyzowanego Ca(OH)2 o zawartości CaO + MgO ≥ 90% w ilość 20% wagowych oraz pyły cementowe o składzie SiO2 ≥ 17,0%; Al2O3 ≥ 3,5%, Fe2O3 ≥ 2,0%, K2O ≤ 6,8% w ilości 20% wagowych, przy czym suma udziału procentowego składników jest równa 100%.

Description

Przedmiotem wynalazku jest spoiwo hydrauliczne normalnie wiążące, stosowane zwłaszcza w mieszankach mineralno-cementowych z emulsją asfaltową.

Technologia recyklingu głębokiego na zimno z emulsją asfaltową jest stosowana do wytwarzania podbudowy drogowej w ramach przebudowy lub remontu nawierzchni drogowych. Tradycyjne składniki stosowane w składzie recyklowanej mieszanki mineralno-cementowej z emulsją asfaltową to destrukt asfaltowy, czyli zniszczone warstwy asfaltowe z mieszanek mineralno-asfaltowych, kruszywo naturalne, sztuczne lub z recyklingu, lepiszcze asfaltowe, to jest emulsja asfaltowa oraz cement portlandzki.

Skład recyklowanej podbudowy z emulsją asfaltową określony jest w wytycznych zagranicznych (Wirtgen Group, Cold Recycling Technology, 1th edition, Wirtgen GmbH, Windhagen, Germany, 2012). Rozpoznanie wiedzy, poprzez analizę literatury i wytycznych wskazuje, że wymagane jest stosowanie w składzie podbudowy recyklowanej z emulsją asfaltową jedynie cementu portlandzkiego. Taki rodzaj spoiwa hydraulicznego generuje duże ryzyko wystąpienia przesztywnienia podbudowy i wystąpienia spękań skurczowych. Ich obecność może się objawiać jako liczne spękania odbite, pęknięcia poprzeczne występujące w regularnych odstępach na całej szerokości warstwy ścieralnej, które mogą zostać przeniesione na warstwy z mieszanek mineralno-asfaltowych. Dlatego też niezbędne jest opracowanie dedykowanego spoiwa hydraulicznego do podbudów drogowych wykonywanych w technologii recyklingu głębokiego na zimno z emulsją asfaltową, którego skład pozwoli na zachowanie wymaganej nośności podbudowy i przy jednoczesnym ograniczaniu jej sztywności.

Występujące w polskich warunkach normy dedykowane spoiwom hydraulicznym szybko wiążącym (PN-EN 13282-1) oraz spoiwom hydraulicznym normalnie wiążącym (PN-EN 13282-2) określają wymagania w zakresie składu spoiwa spoiw hydraulicznych. Normy zharmonizowane określają również ograniczania w zakresie składników drugorzędnych, których ilość łącznie nie może przekraczać 10% masy spoiwa.

Znane jest z publikacji wynalazku PL164323 spoiwo do produkcji betonu komórkowego, składające się z popiołu lotnego w ilości 40-60% wagowych; wapna palonego mielonego 15-40% wagowych; żużla konwertorowego 5-25% wagowych, kamienia gipsowego 5-12% wagowych.

Z polskiego opisu patentowego PL220745 znane jest hydrauliczne spoiwo drogowe, które stosowane jest przede wszystkim do stabilizacji i ulepszania przewilgoconych gruntów spoistych i mało spoistych o niskiej jakości. Spoiwo to zawiera klinkier cementowy, łupki przywęglowe, popioły i składa się z 38-50 części wagowych klinkieru cementowego, 6-15 części wagowych piasków z kotła fluidalnego zawierających bezwodny siarczan wapnia w przeliczeniu na SO3 w ilości nie mniej niż 10% wagowych, 38-50 części wagowych przepalonych łupków przywęglowych zawierających 10-35% wagowych pyłu z procesu suszenia łupków przywęglowych, 2-8 części wagowych pyłu piecowego klinkierowego powstającego w procesie produkcji klinkieru oraz do 3 części wagowych pyłów z procesu suszenia surowców mineralnych stosowanych do produkcji klinkieru i/lub cementu.

Znana jest z publikacji opisu wynalazku PL372780 mieszanina stabilizująca dla budownictwa lądowego, mająca zastosowanie w szczególności do budowy nasypów, wałów, dróg i umocnień, składająca się z materiału mineralnego w ilości 65-93% wagowych, popiołu w ilości 7-35% wagowych oraz czynnika nawilżającego, a jej wilgotność wynosi 9-15%. Korzystnym materiałem mineralnym jest łupek przywęglowy nieprzepalony w postaci odpadu popłuczkowego.

Stosowanie rekomendowanego spoiwa, czyli cementu portlandzkiego w podbudowach drogowych z emulsją asfaltową wykonywanych w technologii recyklingu głębokiego na zimno, lub spoiw z jego znaczącym udziałem powyżej 75%, napotyka na ograniczenia w aplikacji wynikające z dużego prawdopodobieństwa uzyskania nadmiernej sztywności mieszanki.

Celem wynalazku jest opracowanie składu dedykowanego spoiwa hydraulicznego, o zwiększonej zawartości ubocznych cementowych produktów pylastych (UCPP), to jest składników drugorzędnych powyżej 10% masy, przeznaczonego do podbudowy drogowej z emulsją asfaltową wykonanej w technologii recyklingu.

Spoiwo hydrauliczne normalnie wiążące, stosowane zwłaszcza w mieszankach mineralno-cementowych z emulsją asfaltową do wytwarzania podbudowy drogowej, zawierające w swoim składzie cement portlandzki, charakteryzuje się tym, że składa się z cementu portlandzkiego klasy I w ilości 60% wagowych, wapna hydratyzowanego Ca(OH)2 o zawartości CaO + MgO > 90% w ilości 20% wagowych oraz pyłów cementowych o składzie SiO2 > 17,0%; AŁO3 > 3,5%, Fe2O3 > 2,0%, K2O < 6,8% w ilości 20% wagowych.

PL 242685 Β1

Wprowadzenie na etapie wytwarzania dedykowanego spoiwa hydraulicznego do składu recyklowanej podbudowy wpływa korzystnie na przebieg procesów wiązania. W efekcie niniejszy dodatek powoduje zmniejszenie sztywności w stosunku do mieszanki kontrolnej zawierającej w składzie cement portlandzki.

Przykład

W celu uzyskania spoiwa hydraulicznego miesza się następujące składniki: cement portlandzki klasy I o wytrzymałości 32,5 (zgodny z normą EN 197-1) o przyspieszonym początkowym czasie wiązania „R”, wapno hydratyzowane Ca(0H)2 o zawartości CaO + MgO > 90% oraz pyły cementowe o zawartości SiO₂ > 17,0%; AI2O3 > 3,5%, Fe2O3 > 2,0%, K2O < 6,8%. Obecność wapna hydratyzowanego pełni rolę stabilizatora pęcznienia wywołanego obecnością pyłów cementowych oraz redukuje nadmierny przyrost sztywności spoiwa. Przykładowy udział procentowy spoiwa do mieszanki mineralnej z emulsją asfaltową zamieszczono w tabeli 1. Przedstawione kompozycje charakteryzowały się stałością objętości (wg EN 196-3) poniżej 30 mm.

Tabela 1

	Wapno Ca(OH)2 [%]	CEMI 32,5R m	Pyły cementowe m
Skład spoiwa dedykowanego do mieszanki mineralno-cementowej z emulsją asfaltową	20	60	20

Składniki spoiwa miele się ze sobą wspólnie do uzyskania powierzchni właściwej 5000 cm²/g ± 12% wg Bleine’a.

Następnie przygotowuje się mieszankę mineralną z emulsją asfaltową z udziałem destruktu asfaltowego, kruszywa naturalnego o ciągłym uziarnieniu (materiał doziarniający), tak aby krzywa uziarnienia znajdowała się pomiędzy punktami kontrolnymi jak w tabeli 2. Proces przygotowania mieszanki jest następujący:

• oznaczenie zawartości lepiszcza w destrukcie asfaltowym na podstawie badania ekstrakcji, • wykonanie analizy sitowej (na mokro) mieszanki mineralnej oraz sprawdzenie, czyjej uziarnienie mieści się w polu ograniczonym krzywymi granicznymi tabela 2, • dobór ilości środków włażących (zalecana zawartość cementu powinna wynosić od 1,0% do 3,0% (m/m), natomiast emulsji asfaltowej od 2,0% do 5,0% (m/m)), • zaprojektowanie składu mieszanki mineralno-cementowej, • oznaczenie wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej mieszanki mineralno-cementowej wg metody Proctora, • wykonanie próbek w formach typu Marshalla z mieszanki MCE;

Tabela 2

Sito [mm]	% masy przechodzącej przez sito
63,0	100
31,5	80 - 100
16,0	55-93
8,0	35-80
4,0	25 - 67
2,0	16 - 55
1,0	9-43
0,5	5-33
0,125	2-15
0,063	0-12

W recyklowanej mieszance należy zastosować emulsję asfaltową w ilości od 1,2% do 5,0%, a zawartość spoiwa hydraulicznego musi się mieścić w przedziale od 1,0% do 3,0%. Należy również określić wilgotność mieszanki, którą określa się w oparciu o wilgotność optymalną mieszanki mineralno-spoiwowej wyznaczoną w badaniu Proctora zgodnie z normą PN-EN 13286-2: „Mieszanki niezwiązane i związane spoiwem hydraulicznym. Część 2: Metody określania gęstości i zawartości wody. Zagęszczanie

PL 242685 Β1 metodą Proctora”. Destrukt asfaltowy, materiał doziarniajacy (kruszywo naturalne, sztuczne lub z recyklingu) należy dozować z dokładnością 15%, emulsję asfaltową z dokładnością 10% w stosunku do założonego jednostkowego zużycia.

Mieszankę mineralno-spoiwową z emulsją asfaltową miesza się przez 5 minut przy wilgotności optymalnej, a następnie z gotowej i jednorodnej mieszanki odważa się taką ilość materiału, która zapewni uzyskanie maksymalnej gęstości objętościowej. Próbki zagęszcza się w prasie żyratorowej (wg PN-EN 12697-31) w formie 0150 mm. Wysokość docelowa próbki musi być równa 180 mm ±5%. Próbki przechowuje się przez okres 28 dni, ułożone na płaskiej powierzchni w pomieszczeniu o wilgotności względnej od 40% do 70% i temperaturze +20°C ±5°C.

Korzystając z przedstawionego w tabeli 1 składu spoiwa hydraulicznego, dedykowanego do mieszanki mineralno-spoiwowej z emulsją asfaltową (MCE), sporządzono serię próbek laboratoryjnych. Celem tego działania było zainicjowanie procesu optymalizacji stanowiącego podstawowe narzędzie poszukiwania kompozycji spoiwa mieszanego o najlepszych walorach użytkowych. Efektem końcowym było zbudowanie nomogramu rozwiązań dopuszczalnych w skali znormalizowanej. Nomogram pozwala na odczytanie poziomu efektywności wpływu kompozycji przedmiotowego spoiwa mieszanego w skali od 0 (nieakceptowane) do 1 (najkorzystniejsze). Celem optymalizacji było wskazanie przestrzeni rozwiązań przedmiotowego składu spoiwa (tabela 1), dla której recyklowana mieszanka będzie odznaczać się zmniejszoną sztywnością przy zachowaniu jej maksymalnej sprężystości (δ ^min). Do analizy wykorzystano badania przedstawione w tablicy 3.

Tabela 3

wiono na rysunku, na którym oznaczono wapno hydratyzowane CaOH2, uboczne cementowe produkty pylaste UCPP oraz cement portlandzki klasy I jako CEM.

Kompozycje znajdujące się w wewnątrz obszaru nomogramu, dla których wynik optymalizacji wynosił U111 > 0,67, reprezentują mieszankę recyklowana o właściwościach wysoce satysfakcjonujących spełniającej założone kryteria, powyżej założonej wartości minimalnej określonej przez kryteria, opierając się na skali funkcji użyteczności Harringtona. Natomiast rozwiązania optymalizacji wewnątrz obszaru, w którym wyniki optymalizacji wynosiły Ulll > 0,37, reprezentują rozwiązania satysfakcjonujące, wciąż użyteczne, lecz znajdujące się blisko wartości granicznych przyjętych w tabeli 3. Wyniki optymalizacji Ulll < 0,37, uznano jako nieakceptowane. Na podstawie nomogramu odczytano kompozycję

PL 242685 Β1 spoiwa z tabeli 1, która najkorzystniej wpłynęła na właściwości mieszanki recyklowanej względem kryteriów w tabeli 3.

Sugerując się rezultatami wykonanej optymalizacji zawartej w nomogramie, zdefiniowano ostatecznie rozwiązania składu spoiwa mieszanego gwarantującego uzyskanie założonych, co najmniej na poziomie satysfakcjonującym, to jest użytkowym, wyników odnoszących się do jakości mieszanki recyklowanej przeznaczonej do podbudowy drogowej. Wyniki optymalizacji pozwalają na zastosowanie pyłów cementowych w ilości co najmniej 20% w składzie spoiwa mieszanego w mieszance recyklowanej. Niniejsze rezultaty przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4

	Wapno Ca(OH)2 [%]	CEMI 32,5R m	Pyły cementowe [%]
Skład spoiwa dedykowanego do MCE	20	60	20

Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Spoiwo hydrauliczne normalnie wiążące, stosowane zwłaszcza w mieszankach mineralnocementowych, stosowanych do wytwarzania podbudowy drogowej, zawierające w swoim składzie cement portlandzki, znamienne tym, że składa się z cementu portlandzkiego klasy I w ilości 60% wagowych, wapna hydratyzowanego Ca(OH)2 o zawartości CaO + MgO > 90% w ilości 20% wagowych oraz pyłów cementowych o składzie S1O2 > 17,0%; AI2O3 > 3,5%, Fe2Os > 2,0%, K2O < 6,8% w ilości 20% wagowych.