PL226583B1 - Modyfikowana mieszanka mineralno‑asfaltowa oraz sposób wytwarzania modyfikowanej mieszanki mineralno‑asfaltowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest modyfikowana mieszanka mineralno-asfaltowa oraz sposób wytwarzania modyfikowanej mieszanki mineralno-asfaltowej do wykonywania nawierzchni drogowych, zwłaszcza o podwyższonej mrozoodporności i odporności na koleinowanie.

Znane są mieszanki mineralno-asfaltowe, zawierające granulat gumowy. Granulat gumowy może być dodawany do mieszanki mineralno-asfaltowej metodą na sucho, tj. przez dodanie granulatu gumowego o uziarnieniu do 2,0 mm bezpośrednio do mieszanki mineralno asfaltowej, lub metodą na mokro, to jest po wcześniejszym otoczeniu granulatu gumowego asfaltem w temperaturze 180-190°C i dodaniu otrzymanego granulatu gumowo-asfaltowego do mieszanki mineralno-asfaltowej. Proces otrzymywania granulatu gumowo-asfaltowego, przeznaczonego do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych do budowy dróg jest opisany w szeregu publikacjach, m.in. w publikacji Antoniego Szydło i Henryka Koby, dostępnej na stronach internetowych jako fragment raportu.

Dodawanie granulatu gumowo-asfaltowego ma tę zaletę, że ułatwione jest dobre wymieszanie składników i zagęszczenie mieszanki po ułożeniu na nawierzchni drogowej, a w konsekwencji zmniejszenie wolnych przestrzeni w mieszance, co wpływa na zmniejszenie nasiąkliwości wodą i tym samym zwiększenie mrozoodporności.

Z francuskiego opisu patentowego nr 2 717 511 znana jest technologia „na sucho”, która polega na tym, że mieszanka, wytwarzana na gorąco, składa się z asfaltu zwykłego lub asfaltu modyfikowanego i kruszywa o nieciągłym uziarnieniu, zawierającego żwir średni i frakcję piaskową, w której część frakcji piaskowej jest zastąpiona proszkiem z kauczuku naturalnego lub syntetycznego o rozdrobnieniu do 1,5 mm. Proces produkcji tej mieszanki polega na tym, że proszek kauczukowy o temperaturze otoczenia dodaje się po zakończeniu suszenia kruszyw mineralnych, ale przed początkiem mieszania kruszyw z lepiszczem, ogrzanym do temperatury otaczania. W innym wykonaniu tego procesu proszek kauczukowy o temperaturze otoczenia dodaje się w trakcie mieszania kruszywa z lepiszczem w temperaturze otaczania. Udział procentowy asfaltu w masie mieści się pomiędzy 4-14%. Mieszanka jest przeznaczona do wykonywania górnej warstwy, o grubości od 1,5 do 4 cm, nawierzchni drogowej.

Inna, znana min. z polskich publikacji, np. aprobaty technicznej IBDiM nr 0888 z 2000 r., technologia „na sucho”, polega na tym, że mieszanki mineralno-asfaltowe, wytwarzane metodą „na gorąco”, zawierają granulat gumowy o uziarnieniu od 2 do 12,8 mm, uzyskiwany z opon samochodowych, dodawany w ilości od 3 do 6% składników mieszanki. Granulat gumowy jest w procesie produkcji mieszanki traktowany jako kruszywo, a więc razem z kruszywem wprowadzany jest do bębna suszącego a następnie w mieszarce następuje wymieszanie kruszywa z lepiszczem, którym może być asfalt drogowy lub asfalt modyfikowany - elastomeroasfalt. Mieszanki, w których granulat gumowy zastępuje część frakcji grysowej kruszywa, są przeznaczone do wykonywania warstwy ścieralnej o grubości do 2,5 mm nawierzchni drogowych oraz do chodników, ścieżek rowerowych, placów zabaw, parkingów, obiektów sportowych.

Z publikacji D. Sybilski, I. Ruttmar, W. Bańkowski „Nawierzchnie drogowe z granulatem gumowo-asfaltowym - analiza hałasu i właściwości reologicznych” - Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2012, wiadomo jest, że obecnie coraz częściej stosuje się, jako dodatek, do mieszanek mineralno-asfaltowych granulat asfaltowo-gumowy. Granulat ten jest asfaltem modyfikowanym gumą i ma postać proszku, który może być łatwo dodawany bezpośrednio do mieszanki mineralno-asfaltowej w mieszalniku otaczarki. Badania porównawcze lepiszczy asfaltowych modyfikowanych gumą lub polimerem SBS wykazały zbliżone właściwości reologiczne. Stosowanie dodatku gumy w nawierzchni asfaltowej zapewnia zwiększoną trwałość cichych nawierzchni, wykonanych z mm-a z otwartą strukturą (PA) lub odpowiednią teksturą (BBTM).

Jednakże nawierzchnie drogowe, wykonane z mieszanek mineralno-asfaltowych wytwarzanych opisanymi wyżej metodami, tj. przy zastosowaniu dodatku granulatu gumowego (metodą „na sucho”) lub granulatu gumowo-asfaltowego (metodą „na mokro”), mają swoje mankamenty. Ciężki ruch samochodowy, w kontakcie koła z nawierzchnią prowadzi do poważnych odkształceń w nawierzchni, ponieważ powoduje duże naprężenia pomiędzy ziarnami kruszyw i osłabia wiązania w lepiszczu z granulatem gumowym, wypełniającym przestrzeń pomiędzy ziarnami kruszyw. Cyklicznie powtarzające się naprężenia w takiej nawierzchni powodują przedwczesne zmęczenie połączeń, a w konsekwencji prowadzą do zużycia nawierzchni drogowej. Z drugiej strony zastosowany drobny granulat gumowy, który w nawierzchni poddany jest dużym siłom nacisku, wywołuje zmniejszenie wolnych przestrzeni w strukturze mieszanki mineralno-asfaltowej, powodując powstawanie deformacji trwałych (kolein).

PL 226 583 B1

Żadna ze znanych mieszanek mineralno-asfaltowych, a więc także zawierających granulat gumowo-asfaltowy, nie eliminuje słabych stron nawierzchni drogowych, zwłaszcza związanych ze spękaniami. Zastosowanie tych mieszanek do nawierzchni drogowych nie hamuje rozprzestrzenianie się istniejących spękań zmęczeniowych, ani też nie zapobiega powstawaniu spękań w nowych, obecnie budowanych nawierzchniach. Zwiększenie odporności nawierzchni na spękania i koleinowanie uzyskuje się przeważnie poprzez zastosowanie membran przeciwspękaniowych. Powszechnie znane i stosowane technologie przeciwspękaniowe, wykorzystujące geosyntetyki, włókniny i siatki przeciwspękaniowe, są rozwiązaniami kosztownymi i wymagającymi specjalnych zabiegów podczas stosowania w budowie nowych nawierzchni.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej mieszanki mineralno-asfaltowej, która umożliwi wykonanie nawierzchni drogowej o zwiększonej odporności na koleinowanie i spękanie oraz wyeliminuje potrzebą stosowania membran i dodatkowych zabiegów przeciwspękaniowych.

Ten efekt można uzyskać przez zastosowanie mieszanki mineralno-asfaltowej, zawierającej granulat gumowo-asfaltowy oraz dodatek włókien polimerowych i krzemionki koloidalnej.

Zgodnie z wynalazkiem do mieszanki mineralno-asfaltowej, zawierającej lepiszcze asfaltowe, tj. asfalt zwykły lub asfalt modyfikowany polimerem, kruszywo mineralne, którego skład granulometryczny umożliwia zaprojektowanie mieszanek betonu asfaltowego AC lub mieszanki SMA o uziarnieniu do 12 mm, i granulat gumowo-asfaltowy, otrzymany w wyniku otoczenia gorącym lepiszczem granulatu gumowego, powstającego z utylizacji opon samochodowych, gdzie granulat gumowo-asfaltowy występuje o średnicy do 2 mm i składa się z 30%-50% gumy i 50%-70% lepiszcza i ewentualnie innych dodatków, dodaje się włókna polimerowe o długości do 20 mm oraz krzemionkę koloidalną o zawarto₂ ści SiO2 powyżej 90% tlenku krzemu i powierzchni właściwej od 200 m²/g.

Zawartość procentowa granulatu gumowo-asfaltowego w mieszance wynosi od 2% do 40% w stosunku do asfaltu, krzemionki koloidalnej - od 0,1% do 10%m/m i włókien polimerowych - od 0,1% do 1% m/m.

Zawartość asfaltu w mieszance wynosi od 4 do 10% m/m.

Proces produkcji mieszanki według wynalazku polega na tym, że kruszywo podgrzewa się do temperatury otaczania i następnie dodaje się do tego kruszywa granulat gumowo-asfaltowy i włókna polimerowe w sposób ciągły lub periodycznie. Na końcu procesu mieszania kruszywa z granulatem gumowo-asfaltowym i włóknem polimerowym dodaje się lepiszcze asfaltowe i całość miesza w temperaturze otaczania około 180°C. Po wymieszaniu mieszanki z asfaltem dodaje się krzemionkę koloidalną i dalej miesza się całość do momentu uzyskania jednorodnej mieszanki.

Modyfikowana mieszanka mineralno-asfaltowa według wynalazku, wytwarzana w technologii na gorąco może służyć przede wszystkim do warstwy przeciwspękaniowej. Dzięki dodaniu do mieszanki mineralno-asfaltowej granulatu gumowo-asfaltowego, nadającego sprężystości, włókna polimerowego, nadającego tej mieszance elastyczności oraz krzemionki koloidalnej uzyskuje się trwałą mieszankę mineralno-asfaltową, w wysokim stopniu przeciwdziałającą powstawaniu nowych spękań, jak również hamującą rozprzestrzenianie się istniejących spękań w nawierzchni drogowej.

Zastosowanie krzemionki koloidalnej wg wynalazku poprawia właściwości reologiczne i zagęszczenie mieszanki mineralno asfaltowej, polepsza właściwości mechaniczne nawierzchni drogowej, wykonanej z tej mieszanki.

Granulat gumowo-asfaltowy o średnicy do 2 mm, korzystnie do 1 mm, zastosowany w mieszankach mineralno-asfaltowych według wynalazku, nadaje mieszance mineralno-asfaltowej właściwość sprężyste. Użyty w tej postaci granulat gumowo-asfaltowy, wypełniający przestrzenie pomiędzy kruszywem pomimo, że w znanych mieszankach powoduje odspajanie się asfaltu od kruszywa, co prowadzi do przedwczesnego uszkodzenia nawierzchni drogowej, to w połączeniu z dodanym do mieszanki, według wynalazku, włóknem polimerowym oraz krzemionką koloidalną istotnie poprawia właściwości użytkowe nawierzchni drogowej z tej mieszanki, zwłaszcza odporność na koleinowanie. Włókna polimerowe tworzą mikro zbrojenie w mieszance mineralno-asfaltowej, poprzez zdolność do tworzenia połączeń o charakterze fizykochemicznym, a krzemionka koloidalna poprawia właściwości reologiczne nawierzchni drogowej, natomiast w procesie technologicznym pozwala na uzyskanie lepszego efektu homogenizacji mieszanki.

Wynalazek jest przedstawiony w następujących przykładach wykonania.

Przygotowano dwa warianty mieszanki mineralno-asfaltowej: o znanym składzie - mieszanka A i o składzie według wynalazku - mieszanka B. Skład każdej z mieszanek podano w tablicy 1, natomiast skład granulometryczny granulatu gumowo-asfaltowego podano w tabeli 2.

PL 226 583 B1

T a b e l a 1

Składy mieszanki mineralno-asfaltowej

Lp.	Skład mieszanki	Rodzaj mieszanki
A	B
Zawartość	w % m/m
1	Grys bazaltowy 2/5	53,5	53,0
2	Grys bazaltowy 0/2	32,0	30,0
3	Krzemionka koloidalna	-	3
4	Granulat gumowo-asfaltowy 0/2 (skład granulometryczny według tab. 2)	-	2,0
5	Mączka wapienna	8,0	4,0
6	Włókno polimerowe	0,3	0,3
7	Asfalt 50/70	6,2
8	Asfalt 100/150	-	7,7

T a b e l a 2 *Skład granulometryczny granulatu gumowo-asfaltowego 0/2:

Sito mm	Udział %
2	49,3
Poniżej 2	45,2

Proces wykonania mieszanki B o składzie podanym w tabeli 1 przebiega następująco: Odważona porcja kruszywa po wysuszeniu w piecu obrotowym podawana jest do otaczarni, do której wsypuje się następnie porcjami granulat gumowo-asfaltowy i włókno polimerowe w trakcie mieszania oraz wypełniacz wapienny. Po dodaniu do kruszywa całej zgodnej z receptą ilości granulatu i włókien polimerowych i wymieszaniu z kruszywem w temperaturze otaczania dodaje się lepiszcze, a całość miesza się w temperaturze otaczania, około 180°C, aż do uzyskania jednorodności. Na końcu dodaje się krzemionkę koloidalną i miesza do momentu uzyskania jednorodnej mieszanki.

Uzyskaną mieszankę stosuje się na gorąco do wykonania górnej warstwy, jak również warstw pośrednich nawierzchni drogowej. Mieszanka może być zastosowana na zniszczonej drodze, posiadającej zarówno spękania zmęczeniowe, jak i niskotemperaturowe, a także może służyć do wykonania warstwy przeciwspękaniowej w nawierzchniach nowych i eksploatowanych oraz do wykonania warstwy ścieralnej wyrównawczej nawierzchni drogowych. W zależności od potrzeb grubość warstwy może wynosić od 1,5 do 12 cm.

Nawierzchnia wykonana z mieszanki według wynalazku jest odporna na uszkodzenia, co potwierdziły uzyskane wyniki z badań symulujących zmęczenie. Badania te wykazały kilkukrotną poprawę odporności na zmęczenie. Dobre wyniki uzyskano również przy badaniu wskaźnika odporności na działanie wody - ITSR, którego wzrost wynosił około 15%. Jest to dowód na to, że mieszanka w ykazuje dużą odporność na spękania i odkształcenia i nadaje się do wykonywania warstwy przeciwspękaniowej, która może zastępować stosowane dotychczas membrany z geowłókniny i siatek syntetycznych.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mieszanka mineralno-asfaltowa, składająca się z asfaltu zwykłego lub asfaltu modyfikowanego, pochodzącego z rafinacji ropy naftowej, kruszywa mineralnego mającego frakcję grysową i frakcję piaskową oraz wypełniacza i granulatu gumowo-asfaltowego, znamienna tym, że zawiera włókna polimerowe o długości do 20 mm w ilości od 0,1% do 1% m/m oraz krzemionkę koloidalną w ilości 0,1% do 10% m/m, korzystnie od 0,1 do 3%.

   PL 226 583 B1
2. 2. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera krzemionkę koloidalną o po₂ wierzchni właściwej od 200 m²/g i zawartości tlenku krzemu SiO2 powyżej 90%.
3. 3. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera włókna polimerowe o długości do 10 mm.
4. 4. Sposób wytwarzania mieszanki mineralno-asfaltowej składającej się z asfaltu zwykłego lub asfaltu modyfikowanego jako lepiszcza, kruszywa mineralnego posiadającego frakcję grysową i piaskową i wypełniacza oraz granulatu gumowo-asfaltowego, znamienny tym, że do kruszywa ogrzanego do temperatury otaczania dodaje się granulat gumowo-asfaltowy o uziarnieniu do 2 mm, korzystnie do 1 mm oraz włókna polimerowe o długości do 20 mm, w ilości od 0,1% do 1% m/m, a po wymieszaniu tych składników dodaje się krzemionkę koloidalną w ilości od 0,1% do 10% m/m, korzystnie od 0,1 do 3%.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że krzemionka koloidalna SiO2 zawiera powyżej 90% tlenku krzemu.