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
Top Related