Marek IWAŃSKI

Anna CHOMICZ-KOWALSKA

ASFALT SPIENIONY - INNOWACYJNYM LEPISZCZEM

Sposoby obniżania temperatur technologicznych mma

http://nynas.com

Technologie wykorzystujące zjawisko pienienia asfaltu

ZeolitWilgotne kruszywo

System do spieniania

Dodatki WMA [6]

Dodatki z grupy wosków iamidów kwasów tłuszczowych

wpływające na lepkość asfaltu

Dodatki działające powierzchniowo czynnie

i polepszające zwilżalność kruszywa przez asfalt

• Sasobit

• Asphaltan-B

• Rediset WMX

• Licomont BS 100

• …

• Rediset LQ

• CECA Base RT

• Iterlow T

• …

Technologia spieniania przy użyciu wody w dyszach spieniających nie wymaga stosowania dodatków w celu uzyskania

chwilowego obniżenia lepkości asfaltu (wytworzenia piany asfaltowej).

Dodatki mogą być wykorzystane do poprawy parametrów piany i/lub modyfikacji właściwości lepiszcza i mma.

Celem wytworzenia mma w technologii:

WMA „na ciepło” (Warm Mix Asphalt, 100C – 135C)

HWMA „na półciepło” (Half Warm Mix Asphalt, 60C – 100C)

Technologia asfaltu spienionego

Zasada wytwarzania asfaltu

spienionego:

kontrolowane wprowadzenie

nieogrzanej wody i powietrza do

asfaltu stwarza optymalne warunki

do powstawania piany asfaltowej,

sprężone powietrze w sposób ciągły

wypiera powstającą pianę asfaltową

z komory ekspansji przez dyszę

spieniającą,

piana asfaltowa kierowana jest

bezpośrednio do mieszalnika

(na materiał mineralny).

~160-180ºC

~20ºC

0,5MPa

1,0 % ÷ 4,0%

Rys. 1. Schemat wytwarzania asfaltu spienionego [2]

Spieniarka laboratoryjna

Cechy fizyczne piany asfaltowej

Właściwości fizyczne piany asfaltowej

oceniane są na podstawie

dwóch parametrów:

maksymalny wskaźnika ekspansji

(ERm - Expansion Ratio) – stosunek

maksymalnej objętości asfaltu po

spienieniu do początkowej objętości

asfaltu (przed spienieniem), określa

wielokrotność zwiększenia się

objętości asfaltu podczas jego

spieniania,

okresu półtrwania (HL- Half-life) –

czas mierzony w sekundach dla

asfaltu spienionego w chwili

uzyskania połowy maksymalnej

objętości – ERm (tzw. czas

połowicznego rozpadu).

Rys. 2. Pomiar cech fizycznych piany asfaltowej [2]

http://www.asphaltacademy.co.za/

Rozwój technologii asfaltu spienionego [4]

1889 r. – Nebraska (USA), pierwsze próby stosowania asfaltu

spienionego do podbudowy podczas naprawy głębokiej

nawierzchni;

1928 r. – Darmstadt (Niemcy), August Jacobi wyprodukował i

opatentował pierwsze urządzenie do spieniania gorącego asfaltu;

1957 r. – Iowa (USA), Prof. Ladis Csanyi wykazał możliwość

zastosowania asfaltu spienionego w celu wykorzystania kruszywa

o bardzo niskiej jakości do budowy dróg. System spieniania

składał się z pary wprowadzanej pod ciśnieniem do gorącego

asfaltu;

1971 r. – Australia, Mobil Oil Corporation opatentował własną

metodę spieniania asfaltu, parę wodną zastępując zimną wodą;

Od 1991 r. gdy prawa patentu Mobil wygasły nastąpił rozwój

nowych systemów spieniania oraz technologii mieszanek z

użyciem asfaltów spienionych.

Rys.3. Klasyfikacja technologii wytwarzania mma

w zależności od zakresu temperatury ich produkcji [1]

Tech

no

log

ie p

rod

ukcji

mm

a HMA

• Hot Mix Asphalt(„na gorąco”)

• 135C – 190C

WMA

• Warm Mix Asphalt(„na ciepło”)

• 100C – 135C

HWMA

• Half-Warm Mix Asphalt(„na półciepło”)

• 60C – 100C

CMA

• Cold Mix Asphalt(„na zimno”)

• < 60C

Zastosowania asfaltu spienionego

Źródło: www.warmmixasphalt.com

Zastosowania asfaltu spienionego

Wytwarzanie mieszanek w technologii:

• CMA (Cold Mix Asphalt) – recykling konstrukcji

nawierzchni (możliwość wykorzystania destruktu

zawierającego szkodliwe substancje, np.: smołę),

• WMA (Warm Mix Asphalt),

• HWMA (Half Warm Mix Asphalt).

Źródło:

http://wirtgen.de [2]

Źródło:

http://wirtgen.de

Zastosowania asfaltu spienionego

Źródło: www.astecinc.com

Zbiornik na wodęSystem spieniania

Warm Mix system –ASTEC Double Barrel Green

Źródło: www.astecinc.com

Wytwarzanie mieszanek w technologii:

• CMA (Cold Mix Asphalt) – recykling konstrukcji

nawierzchni (możliwość wykorzystania destruktu

zawierającego szkodliwe substancje, np.: smołę),

• WMA (Warm Mix Asphalt),

• HWMA (Half Warm Mix Asphalt):

łatwość modernizacji wytwórni każdego typu – przystawkę

„wpina” się w istniejącą instalację dozowania asfaltu;

implementacja systemu zwraca się po wyprodukowaniu

ok. 60-80 tyś. ton mma (przy obniżeniu temperatury mma

o ok. 30ºC) [3].

Źródło:

www.astecinc.com

Źródło:

www.astecinc.com

Tradycyjna technologia wytwarzania mma

„na gorąco” (HMA)

technologia bardzo energochłonna –

podgrzewanie składników do wysokich temperatur,

emisja dużej ilości lotnych związków

z asfaltu do atmosfery,

negatywny wpływ na właściwości asfaltu -

intensywne starzenie (twardnienie) lepiszcza

wywołane wysoką temperaturą produkcji

mieszanki;

ograniczenie sezonu budowlanego ze względu

szybkie wychładzanie mma,

emisja gazów cieplarnianych,

uciążliwe warunki pracy podczas wbudowywania

mma,

…

Źródło:

[http://international.fhwa.dot.gov]

Fot. 1. Załadunek MMA produkowanej

w technologii HMA oraz WMA

http://international.fhwa.dot.gov

Efekty stosowania mma o obniżonych

temperaturach technologicznych

redukcja emisji szkodliwych gazów

cieplarnianych;

zmniejszenie ilości energii

niezbędnej do doprowadzenia

lepiszcza do wymaganego

poziomu lepkości;

polepszenie warunków układania z

uwagi na niższy poziom emisji

lotnych frakcji olejowych zawartych

w asfalcie;

zmniejszenie uciążliwości wytwórni

mma w pobliżu terenów

zamieszkanych.

ŚrodowiskoweTechnologiczno-produkcyjne

Ekonomiczne

zmniejszenie zużycia

energii poświęcanej na

podgrzanie głównych

materiałów składowych

mieszanki, tj. kruszywa

i asfaltu, a tym samym

kosztów.

zmniejszenie intensywności procesu starzenia asfaltu i mma z uwagi na ograniczenie temperatury w procesie wytwarzania;

wydłużenie sezonu wykonawczego;

wydłużenie czasu transportuz wytwórni na miejsce wbudowania;

Skrócenie czasu stygnięcia mieszanki do poziomu, w którym można wprowadzić ruch;

poprawa warunków pracy przy wytwarzaniu, transporcie i układaniu mma.

Rys. 4. Wpływ temperatury kruszywa na zdolność

do otaczania mm w technologii HWMA ( [Jenkins 1999]

Rys. 6. HMA (mieszanka związana lepiszczem w sposób ciągły)

Rys. 5. CMA z asfaltem spienionym (punktowo związana lepiszczem)

Zwiększanietemperatury

Źródło:

http://wirtgen.de

Źródło:

http://wirtgen.de

Przy wykorzystaniu asfaltu spienionego zdolność do

otaczania grubszych ziaren mieszanki mineralnej silnie

zależy od temperatury materiału mineralnego.

W 1999 r. Jenkins z zespołem badawczym opracowali

proces produkcji mma „na półciepło” HWMA

z asfaltem spienionym, których temperatura wynosi < 100C .

Technologia CMA i HWMA z asfaltem spienionym

Technologia CMA i HWMA z asfaltem spienionym

Rys. 6. HMA (mieszanka związana lepiszczem w sposób ciągły)

Rys. 5. CMA z asfaltem spienionym (punktowo związana lepiszczem)

Zwiększanietemperatury

Źródło:

http://wirtgen.de

Źródło:

http://wirtgen.de

CMA – MCAS (20ºC)

HWMA – AC 8S (95ºC)

Czynniki wpływające na cechy fizyczne piany asfaltowej

• ilość wody spieniającej (FWC – foaming water content),

• właściwości reologiczne asfaltu,

• temperatura asfaltu przed procesem spieniania,

• skład chemiczny asfaltu (pochodzenie, skład grupowy, …),

• obecność modyfikatorów i dodatków chemicznych

i pochodzenia organicznego,

• parametry techniczne procesu spieniania

(ciśnienie robocze asfaltu, wody, powietrza)

• ….

Czynnik FWC wpływa w następujący sposób

na cechy piany asfaltowej:

zwiększenie FWC prowadzi do wzrostu ERm

jednocześnie skracając czas półtrwania piany

asfaltowej HL,

zmniejszenie FWC prowadzi do zmniejszenia

objętości piany asfaltowej (ERm) jednocześnie

wydłużając czas jej HL.

Rys. 7. Zależność cech fizycznych asfaltu spienionego wytworzonego z lepiszcza 35/50

od ilości wody spieniającej (170ºC)

Laboratoryjne warunki wytwarzania asfaltu spienionego

Typowe laboratoryjne warunki wytwarzania piany asfaltowej

w celu ustalenia jej cech fizycznych:

- temperatura wyjściowa asfaltu: (145ºC) 170-180ºC

- temperatura wody spieniającej: ok. 20ºC

- przepływ wody: 100 g/s

- ciśnienie powietrza: 500 kPa

- ciśnienie wody: 600 kPa

http://wirtgen.de

Spieniarka laboratoryjna

Dysza spieniająca

ERm jest miarą lepkości piany asfaltowej i określa

on jak dobrze piana dysperguje w mieszance

mineralnej w celu uzyskania jednorodnej struktury.

HL jest miarą stabilności piany i dostarcza

orientacyjnych informacji, z jaką prędkością piana

się rozpada.

(J.K. Jenkins, 2000)

Badania wybranych lepiszczy asfaltowych

Badane asfalty

Grupa Aasfalty drogowe(PN-EN 12591)

• 35/50

• 50/70

• 70/100

• 100/150

• 160/220

Grupa Basfalty wielorodzajowe

(PN-EN 13924-2)

• MG 20/30

• MG 35/50

• MG 50/70

Grupa Casfalty z dodatkiem wosku

Fischera Tropscha (FT)

• 50/70 + 1% FT

• 50/70 + 2% FT

• 50/70 + 3% FT

http://sasolwax.com

Celem badań laboratoryjnych była analiza właściwości asfaltów spienionych

wytworzonych różnych rodzajów lepiszczy do oceny ich przydatności

w drogownictwie podczas produkcji materiałów przeznaczonych do warstw konstrukcji

nawierzchni drogowych.

Poprawę pienistości asfaltu 50/70 uzyskano poprzez zastosowanie wosku

syntetycznego FT, który obniżając lepkość asfaltu w temperaturach > 100ºC

(przed procesem spieniania) wpłynął na poprawę parametrów piany asfaltowej

odpowiedzialnych za prawidłowe jej rozproszenie i obtoczenie mieszanki mineralnej.

Wyniki badań asfaltów spienionych – grupa A i B [8]

Rys. 8. Zestawienie wyników z pomiaru cech fizycznych piany asfaltowej:

ERm (a) i HL (b) dla asfaltów z grupy A i B przy zmiennym poziomie FWC

a)

b)

Wyniki badań asfaltów spienionych – grupa C [8]

R2=0,989 R2=0,987

a) b)

Rys. 9. Zależność pomiędzy cechami fizycznymi piany asfaltowej: ERm (a) i HL (b) a ilością FT i FWC badanych lepiszczy z grupy C

Ustalenie optymalnego poziomu FWC [8, 9]

Bitumen

Optimum

FWCERm HL

(%) (-) (s)

Group A

35/50 3.0 10.0 9.6

50/70 2.5 10.6 10.7

70/100 2.5 14.2 11.5

100/150 2.5 8.4 9.0

160/220 2.5 8.0 8.5

Group B

MG 20/30 3.0 20.2 13.8

MG 35/50 3.0 14.3 13.9

MG 50/70 3.0 18.3 15.3

Group C

WAX 50/70/1 2.5 12.1 11.3

WAX 50/70/2 2.0 17.3 16.4

WAX 50/70/3 1.5 17.0 17.7

Tablica 3. Właściwości asfaltu spienionego przy

optymalnym poziomie FWC

Zalecenia:

(Wirtgen 2012, TG2 2009, Jenkins 2000):

CMA: ERm ≥ 8 HL ≥ 6 s

WMA / HWMA: ERm ≥ 17 HL ≥ 13s

CMA – recykling na zimno z asfaltem spienionym

Od 2010 r. na terenie województwa świętokrzyskiego

przebudowano ok. 40km dróg obciążonych ruchem

KR3-KR4 w technologii recyklingu na zimno z asfaltem

spienionym metodą mieszania na miejscu, z czego

ponad 35 km stanowią drogi wojewódzkie.

Grubość wykonanych warstw podbudowy z mieszanek

mineralno-cementowych z asfaltem spienionym (MCAS)

wynosiła od 20 do 29 cm.

Wykonane w 2015 r. pomiary nośności ugięciomierzem

dynamicznym FWD wszystkich konstrukcji nawierzchni z

podbudową MCAS zlokalizowanych na terenie woj.

świętokrzyskiego potwierdziły ich wysoką nośność i

trwałość.

CMA – recykling na zimno z asfaltem spienionym

Zrealizowane odcinki dróg z podbudową MCAS objęte są

stałym programem monitorowania, prowadzone są

rozszerzone badania i pomiary mające na celu

usprawnienie i przyspieszenie tempa realizacji

przedsięwzięć drogowych przy jednoczesnym zapewnieniu

wymaganej trwałości konstrukcji nawierzchni.

Rozszerzenie standardowej metody badania nośności

(VSS) o płytę dynamiczną na potrzeby szybkiej oceny stanu

nośności i zagęszczenia wbudowanego materiału w celu

skrócenia czasu realizacji zadań drogowych;

Dostosowanie obecnej procedury zagęszczania metodą II –

pasą hydrauliczną (zmiana czasu, sposobu obciążania oraz

wielkości nacisku) do warunków rzeczywistych, tj. gęstości

objętościowej i zawartości wolnych przestrzeni uzyskiwanej

w zagęszczonej warstwie podbudowy.

Materiały mineralneSkład ramowy mieszanek mineralnych [%]

Odcinek A Odcinek B Odcinek C

Surowce

wtórne

Destrukt asfaltowy 45 17 -

Destrukt kamienny 40 12 -

Pyły wapienne pozyskane z procesu

odpylania kruszywa na WMB3 4 -

Kruszywa

naturalne

Kruszywo drobne łamane o ciągłym

uziarnieniu (wapień) 0/4 mm12 - -

Kruszywo drobne łamane o ciągłym

uziarnieniu (wapień) 0/2 mm- - 18

Kruszywo o ciągłym uziarnieniu 0/31,5 mm - 67 82

CMA - Przykładowe składy mieszanek podbudowy MCAS

Rys.10. Uziarnienie mieszanek mineralnych na warstwę

podbudowy (KR3) wraz z wymaganiami w zależności od KR

Odcinek A Droga powiatowa nr 0382T Tokarnia-Wolica

Odcinek B Droga powiatowa nr 0325T Bieliny

Poduchowne-Zofiówka

Odcinek C DW 753 Mała Pętla Świętokrzyska

(Huta Nowa-Wólka Milanowska)

Udział materiałów z recyklingu

i odpadowych na zrealizowanych odcinkach

dróg na terenie woj. świętokrzyskiego

stanowił od 0% do 90%.

• ok. 2% CEM

• 2-4% asfaltu

spienionego

Fot. 2. Pomiar parametrów piany asfaltowej pobranej z kontrolnej dyszy recyklera

Fot. 4. Zestaw maszyn do recyklingu głębokiego

na zimno z asfaltem spienionym (DW 753, Huta

Nowa-Wólka Milanowska, 2011 r.)

Fot. 3. Proces rozsypywania środka wiążącego

przed przejazdem recyklera (DW 753, Huta

Nowa-Wólka Milanowska, 2011 r.)

Proces technologiczny wbudowywania mieszanek MCAS

Fot. 5. Mieszanka MCAS po przejściu recyklera a) Wirtgen WR 2000 (rdoga powiatowa Nr 0382T, Tokarnia,

2010 r.), b) Wirtgen WR 4200 (DW 744, Radom-Wierzbica-Starachowice, 2013 r.)

a) b)

Proces technologiczny wbudowywania mieszanek MCAS

Podsumowanie

w wykonywanych badaniach, modyfikacja asfaltu 50/70 woskiem FT doprowadziła do

zwiększenia zakresu możliwości jego stosowania do technologii spieniania (do HWMA),

prowadząc w efekcie do uzyskania lepiszcza bardziej twardego, a mma wytworzona z jego

udziałem będzie o polepszonych parametrach mechanicznych, w szczególności

o podwyższonej odporności na powstawanie deformacji trwałych;

wszystkie przebadane asfalty drogowe mogą być wykorzystywane podczas wytwarzania

mieszanek w technologii recyklingu głębokiego „na zimno” z asfaltem spienionym;

do wytwarzania mma w technologii “na półciepło” (HWMA) z asfaltem spienionym zaleca się

stosować asfalty wielorodzajowe (MG 20/30, MG 35/50 i MG 50/70) oraz asfalt 50/70

(oraz 70/100) modyfikowany woskiem FT w ilości ok. 2-3%;

Podsumowanie

korzystne jest stosowanie technologii recyklingu na zimno z asfaltem spienionym dającej

możliwość przetwarzania rozmaitych, nawet niskiej jakości materiałów o zmiennych

właściwościach (które w odniesieniu do tradycyjnych technologii kwalifikowane są jako

materiał odpadowy) w jednorodną i nośną warstwę pełniącą funkcję podbudowy zasadniczej,

pomocniczej czy też wzmocnienia słabonośnego podłoża;

dotychczasowe doświadczenia potwierdziły skuteczność i zasadność stosowania asfaltu

spienionego do technologii CMA w naszych warunkach klimatycznych, jednocześnie

potwierdzając potrzebę prowadzenia dalszych analiz w celu m.in. dostosowania procedur

badawczych dla skrócenia czasu realizacji zadań drogowych przy jednoczesnym

zapewnieniu wymaganej trwałości konstrukcji nawierzchni w założonym okresie eksploatacji.

[1] Brian D. Prowell.: Warm Mix Pashalt. The International Technology Scanning Program. Summary

Report. 2007. www.warmmixasphalt.com

[2] www.wirtgen.de

[3] www.astecinc.com

[4] Van der WaIt N., Botha P., Semmelink C., Englebrechtand F., Salminen N.: The use of Foamed

Bitumen in Full-depth In-place Recycling of Pavement Layers llIustrating the Basic Concept of Water

Saturation in the Foaming Process. Proceedings of the 7tn Conference on Asphalt Pavements for

Southern Africa, Victoria Falls, Zimbabwe, 1999.

[5] Jenkins K. J.: Mix Design Considerations for Cold and Half-Warm Bituminous Mixes with Emphasis

on Foamed Bitumen. PhD Dissertation, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering,

University of Stellenbosch, Stellenbosch, South Africa, 2000

[6] Stienss M.: Zalecenia dotyczące projektowania, produkcji i wbudowywania mieszanek mineralno-

asfaltowych o obniżonej temperaturze otaczania i wbudowania (WMA) z dodatkami obniżającymi

temperaturę produkcji. GDDKiA, Politechnika Gdańska, Katedra Inżynierii Drogowej, Gdańsk, 2013.

[7] Judycki J, Jaskuła P., Pszczoła M., Alenowicz J., Dołżycki B., Jaczewski M., Ryś D., Stienss M.:

Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. GDDKiA, czerwiec 2014 r.

[8] Chomicz-Kowalska A.: Statistical methods for evaluating associations between selected foamed

bitumen parameters. 6th International Conference Bituminous Mixtures and Pavements.

Thessaloniki, Greece, 10-12 June 2015.

[9] Iwański M., Chomicz-Kowalska A., Maciejewski K.: Application of synthetic wax for improvement of

foamed bitumen parameters. Construction and Building Materials, Tom: 83, Strony: 62-69.

[10] Chomicz-Kowalska A.: Zastosowanie recyklingu na zimno z asfaltem spienionym w regionie

świętokrzyskim – Część 1. Drogownictwo, 6 (2015), s. 172-176.

Bibliografia

Marek Iwański

Anna Chomicz-Kowalska

DZIĘKUJĘ PAŃSTWU

ZA UWAGĘ!