Asfalty Drogowe

STUDIA INŻYNIERSKIEE

KIERUNEK: BUDOWNICTWO

Przedmiot:

NAWIERZCHNIE DROGOWE I TECHNOLOGIA ROBÓT DROGOWYCH

Temat: Lepiszcza asfaltowe

dr inż. Piotr Zieliński

Politechnika Krakowska

Katedra Budowy Dróg i Inżynierii Ruchu

Rok akademicki 2012/2013

Historia stosowania asfaltów

Asfalt był już znany w starożytności jako materiał wodoszczelny,

konserwujący,

właściwościach

adhezyjnych

termoplastycznych.
Pierwsze  odnotowane  użycie  asfaltu  miało  miejsce  ok.  3800  lat
p.n.e. przez Sumerów.
W  1931  roku  odkryto  w  wykopaliskach  w  okolicy    Bagdadu
fragmenty  ścian  i  posadzek  z  okresu  3200  do  2900  p.n.e.,
wykonane z bloków kamiennych spojonych zaprawą asfaltową.
W Biblii (Genesis 6.14) wspomniane jest, iż Noe użył bitumu do
uszczelnienia arki.
W  Babilonie  stosowano  zaprawę  asfaltową  przy  budowie

systemów  odwadniających,  murów  obronnych,  dróg  oraz
budowli (w tym pałacu Nabuchodonozora).
Starożytni  Egipcjanie  (2500  do  1500  p.n.e.)  wykorzystali

właściwości konserwujące asfaltu używając go do mumifikacji

zwłok.

Historia stosowania asfaltów - cd

W  czasach  nowożytnych  (XV  –  XVI  w.)  asfalt  naturalny
stosowano do uszczelniania statków.
W drogownictwie znalazł zastosowanie dopiero w XIX wieku. W
1837  roku  na  Placu  de  la  Concorde  w  Paryżu  ułożono  pierwszą

nawierzchnię z płyt asfaltowych, a w 1858 r., również w Paryżu,
zbudowano jezdnię asfaltową. Pierwsze drogi w Europie i USA

były wykonane z asfaltów naturalnych.
W  1881  roku  odkryto  i  opatentowano  w  USA  proces
otrzymywania  asfaltów  naftowych  utlenionych.  Wkrótce  potem

rozpoczęto w Stanach Zjednoczonych, a później w Europie,

produkcję  asfaltów  z  ropy  naftowej  i  wykorzystano  je  w
budownictwie drogowym.
W  Polsce  asfalty  naftowe  znalazły  zastosowanie  w  konstrukcji
nawierzchni drogowych w latach 20-tych XX wieku.

Asfalt - definicja

Asfalt  jest  to  mieszanina  węglowodorów  naturalnie
występująca  w  przyrodzie  lub  otrzymywana  w  wyniku
przerobu  ropy  naftowej,  stosowana  do  budowy
nawierzchni drogowych lub jako materiał budowlany o
właściwościach hydroizolacyjnych.
Jest  on

układem koloidalnym

o dużej trwałości,

składającym się z dwóch faz: rozproszonej (

asfalteny

) i

rozpraszającej (

oleje

Rodzaje asfaltów drogowych

1. Asfalty drogowe niemodyfikowane
Najczęściej stosowane w mieszankach: 20/30, 35/50, 50/70, 70/100

2. Asfalty specjalne
Asfalty kolorowe (na bazie żywic, np.”Kameleon”)
Asfalty wielorodzajowe (multigrade) 35/50, 50/70, 60/80
Asfalty drogowe twarde 10/20 i 15/25.

3. Asfalty drogowe modyfikowane polimerami (PMB):
PMB 25/55-60, PMB 25/55-65, PMB 45/80-55, PMB 45/80-60, PMB 65/105-

60, PMB 65/105-70

4. Asfalty drogowe modyfikowane dodatkami innymi niż polimery:
włóknami, asfaltenami, solami

Podstawowe metody produkcji asfaltów

• Destylacja próżniowa do żądanej penetracji - asfalty

destylacyjne

• Komponowanie asfaltów - mieszanie pozostałości

próżniowej z twardymi asfaltami dla uzyskania
asfaltu o wymaganych parametrach

• Utlenianie asfaltów - utlenianie pozostałości

próżniowej do żądanej penetracji (stosuje się metodę
periodyczną lub ciągłą)

Budowa koloidalna asfaltu:

• asfalteny - w asfalcie występują w ilości od 5% do

25%, są to czarne lub brązowe ciała stałe o

temperaturze mięknienia ok. 150 do 200°C; ich

zawartość ma bardzo duży wpływ na właściwości
asfaltu.

• żywice - stałe lub półstałe ciała koloru brązowego,

mają wpływ na zdolności adhezyjne asfaltu, od ich

proporcji z asfaltenami zależy typ koloidalny asfaltu

(zol, żel lub zol-żel),

• oleje - są najlżejszą frakcją asfaltu, stanowią fazę

rozpraszającą. Wzajemne proporcje między tymi

składnikami decydują o właściwościach asfaltu.

Zmiany w składzie grupowym asfaltów

na skutek utleniania

• Zawartość części olejowych w niewielkim stopniu

ulega zmniejszeniu

• Spada zawartość części aromatycznych –tworzą

się żywice

• Spada zawartość żywic – tworzą się asfalteny
• Wzrasta zawartość asfaltenów w wyniku

utleniania żywic

Testy laboratoryjne dla asfaltów

Własności reologiczne:
• Penetracja w 25ºC
• Temperatura mięknienia –metoda „Pierścień i Kula”
• Lepkość dynamiczna (metoda kapilary lub metoda Brookfield’a)
• Temperatura łamliwości wg Fraassa
• Lepkość kinematyczna
Wrażliwość termiczna:
• Indeks penetracji PI (Pen/Penlub Pen/PiK)
Starzenie:
• Badanie starzenia technologicznego metodą cienkiej wirowanej warstwy

RTFOT; parametry po starzeniu: zmiana masy, pozostała penetracja,
zmiana PiK, wzrost PiK

• Badanie starzenia eksploatacyjnego metodą PAV
Inne parametry:
• Zawartość parafin
• Temperatura zapłonu metodą COC (Cleveland Open Cup)
• Rozpuszczalność

Zależność lepkości asfaltu od temperatury

Lepkość - opór ciała płynnego wobec wszelkich nieodwracalnych zmian

położenia jego elementów objętościowych.
W odniesieniu do asfaltów pojęcie lepkości można zdefiniować jako tarcie

wewnętrzne między cząsteczkami przy przesuwaniu się jednej warstwy asfaltu

względem drugiej. Im wyższa temperatura asfaltu, tym mniejsza jest jego

lepkość. Z tej zależności wyznacza się temperatury pompowania asfaltu,
otaczania nim kruszywa i zagęszczania nawierzchni

Starzenie asfaltu

Podczas podgrzewania asfaltu zachodzą w nim następujące

procesy:

• Odparowanie frakcji olejowych
• Przyśpieszone utlenianie asfaltu (dzięki dostępowi powietrza),

a w konsekwencji zmiana wzajemnych proporcji składników

asfaltu. Im wyższa temperatura, tym dzieje się to szybciej.

Na skutek starzenia asfalt twardnieje (zwiększa swoją sztywność),

a to znaczy, że

- spada jego penetracja
- wzrasta temperatura mięknienia
- wzrasta (pogarsza się) temperatura łamliwości
- wzrasta lepkość

Starzenie technologiczne (krótkotrwałe)

Zachodzi podczas mieszania asfaltu z gorącym
kruszywem w mieszalniku otaczarki. Temperatura jest

wtedy najwyższa, a warstwa asfaltu na kruszywie –

najcieńsza. Wtedy odparowanie frakcji olejowych i

utlenianie zachodzą najszybciej i są największe.

Właśnie dlatego przepisy zabraniają nadmiernego
przegrzewania mieszanki mineralno-asfaltowej.

Asfalt wbudowany w nawierzchnię jest już asfaltem
po starzeniu technologicznym.
Dlatego badamy podatność na starzenie.

Starzenie eksploatacyjne (długoterminowe)

Zachodzi ono podczas eksploatacji nawierzchni

asfaltowych i polega na oddziaływaniu tlenu, promieni
UV oraz substancji zawartych w wodach opadowych.

Starzenie eksploatacyjne powoduje stopniową zmianę

właściwości asfaltu w ciągu wielu lat użytkowania
nawierzchni.

Ostatnim rodzajem starzenia asfaltu jest starzenie
fizyczne. Jest procesem jeszcze dość słabo

rozpoznanym, a związanym z działaniem niskich
temperatur.

Testy laboratoryjne symulujące starzenie

asfaltu:

• Test „odparowania w grubej warstwie” zapisany w starej polskiej

normie. Jest to przestarzały, zupełnie nieefektywny sposób badania

odporności asfaltu. Dziś nikt go już nie stosuje.

• Test TFOT „odparowanie w cienkiej warstwie” (PN-EN 12607-2:2002

(U)) był i jest dość popularny. Polega na wygrzewaniu warstwy asfaltu o

grubości 3mm w temperaturze 163 stopniach Celsjusza przez 5 godzin.

• Test RTFOT „odparowanie w cienkiej wirowanej warstwie” (PN-EN

12607-1:2002 (U)) jest ulepszeniem testu TFOT (warstwa asfaltu

przepływa podczas testu wewnątrz szklanych pojemników w suszarce) jest

to najpopularniejsza obecnie metoda, zarówno w Europie jak i USA.

• Test RFT „odparowanie w kolbie obrotowej” (PN-EN 12607-1:2002

(U)) jest wariantem testu RTFOT i uznawany jest za test jemu

równoważny.

• Test PAV „pressure aging vessel” (AASHTO PP-1) jest badaniem

symulującym starzenie eksploatacyjne tj. występujące w długim czasie.

Asfalty modyfikowane

Poprawa cech asfaltu:
• wrażliwości termicznej (większa sztywność w wysokiej

temperaturze, mniejsza sztywność w niskiej temperaturze
niż asfalt tego samego rodzaju, lecz o wyższej wrażliwości)

• Kohezji (lepsza spójność mieszanki, większa odporność na

deformacje trwałe)

• Trwałości zmęczeniowej (zwiększona odporność na

powtarzalne obciążenia)

• Adhezji (lepsza przyczepność do kruszywa – poprawa

odporności na złuszczenia)

• Starzenia (mniejsza wrażliwość na starzenie)

Modyfikatory asfaltu

• Elastomery (np. SBS, SBR, SIS, itp.)
• Plastomery (np. EVA, EMA, PE, PP itp.)
• Żywice syntetyczne
• Destrukt gumowy z utylizacji opon
• Związki metaloorganiczne
• Siarka
• Asfalty naturalne (Trinidad, UNITATE)
• Parafiny (np. Sasobit)

Testy specjalne dla asfaltów modyfikowanych

• Nawrót sprężysty (w temp. 25ºC lub 10ºC, dla asfaltu przed i

po starzeniu technologicznym)

• Ciągliwość z pomiarem siły (w temp. 5ºC lub 10ºC, dla

asfaltu przed starzeniem)

• Stabilność magazynowania – test tubowy (różnica penetracji

i temperatur mięknienia dla próbek pobieranych z dołu i z góry
tuby z asfaltem, przechowywanej przez 3 doby w suszarce w
temperaturze 180ºC)

Badania asfaltów wg Superpave (SHRP)

1) Właściwości w niskich temperaturach
•

reometr belki zginanej BBR – sztywność pełzania w
temperaturze (T) – S i parametr m

2) Właściwości w wysokich temperaturach:
•

Reometr dynamicznego ścinania DSR: zespolony moduł
sztywności G* i kąt przesunięcia fazowego δ asfaltu

Oznaczenie asfaltu wg Superpave: np. PG 64-22

gdzie:

64 - maksymalna temperatura użytkowa dla danego asfaltu w ºC

22 – minimalna ujemna temperatura użytkowa dla danego asfaltu w ºC.

EMULSJE ASFALTOWE - WSTĘP

Asfalty  mogą  być  stosowane  w  drogownictwie  wyłącznie  w
postaci  płynnej.  Można  to  osiągnąć  przez  podgrzanie,
zemulgowanie lub dodatek rozpuszczalnika.

W wyniku zemulgowania asfaltu otrzymuje się emulsję
asfaltową, gdy stosuje się dodatek rozpuszczalnika otrzymuje się
asfalt upłynniony.

W  ostatnich  latach  ze  względu  na  ochronę  środowiska  oraz
ekonomię  procesów  technologicznych  ogranicza  się  stosowanie
asfaltów upłynnionych zastępując je emulsjami.
Emulsją  jest  układ  dwu  fazowy  złożony  z  dwu  nie
rozpuszczających  się  wzajemnie  cieczy,  z  których  jedna  jest
rozproszona w drugiej w postaci małych kropelek.

EMULSJE ASFALTOWE - POWSTAWANIE

Emulsja  asfaltowa  składa  się  z  asfaltu  i  wody.    Rozproszenie  jednej
cieczy w drugiej uzyskuje się w wyniku wkładu znacznej ilości energii,
przy  zastosowaniu  specjalnych  młynów  szybkoobrotowych,  zwanych
młynkami  koloidalnymi  lub  homogenizacyjnymi.  Niezbędnym
warunkiem otrzymania trwałej emulsji jest ponadto dostarczenie ciepła
oraz wprowadzenie emulgatora.
Emulgatory

należą do substancji powierzchniowo czynnych

obniżających  napięcie  międzyfazowe  cieczy  (asfalt,  woda).  Powodują
one  ponadto  stabilizację  emulsji.  Jako  emulgatory  stosuje  się  związki
powierzchniowo  czynne  o  cząsteczkach  zbudowanych  z  dwu  części  –
hydrofilowej (rozpuszcza się w wodzie) i hydrofobowej (rozpuszcza się
w  asfalcie).  Stosuje  się  je  w  ilości  od  0,2%÷3%  w  stosunku  do  masy
asfaltu,  w  zależności  od  aktywności  emulgatora  i  od  żądanego  czasu
rozpadu emulsji.

EMULSJE ASFALTOWE - PODZIAŁ

EMULSJE

ASFALTOWE

ANIONOWE

KATIONOWE

MODYFIKOWANE

NIEMODYFIKOWANE

EMULSJE ANIONOWE (ZASADOWE)

Jako  emulgatory  anionowe  stosowane  są  sole  sodowe  lub
potasowe kwasów tłuszczowych, tzw.  mydła, o ogólnym wzorze
R-COONa, gdzie R oznacza łańcuch węglowodorowy.
Dysocjują one w roztworach wodnych na jony:

R-COONa → R-COO¯ + Na

W  emulgatorach  anionoaktywnych  częścią  czynną  w  procesie
emulgacji  jest  anion.  Ponieważ  rozpuszcza  się  on  w  asfalcie,
nadaje  jego  cząstkom  ładunek  ujemny.  Wokół  ujemnie

naładowanej cząstki asfaltu zgrupowane są na skutek działania sił
elektrostatycznych jony dodatnie Na+ .

Schemat budowy emulsji anionowej (zasadowej)

ASFALT

R-COO¯

Schemat budowy emulsji kationowej

(kwaśnej)

ASFALT

Cl¯

NIEMODYFIKOWANE EMULSJE

KATIONOWE

Drogowe emulsje kationowe zawierają w swym składzie
asfalt, emulgator wodę i dodatki. Stosownie do technologii

należy używać asfaltów charakteryzujących się penetracją
od 4 do 30 mm. Asfalt może być upłynniony dodatkiem

produktów pochodzenia naftowego lub węglowego.

Najczęściej są stosowane asfalty o penetracji 70/80,
120/140, 180/200.
W Polsce emulsje te dzieli się na klasy 1÷7 w zależności od

wartości indeksu rozpadu. Oznaczenie indeksu rozpadu
polega na określeniu max ilości piasku kwarcowego, który

można wymieszać ze 100g emulsji.

Zastosowanie emulsji asfaltowych:

• złączanie warstw konstrukcji nawierzchni (ZM)
• remonty cząstkowe nawierzchni (RC)
• powierzchniowe utrwalenia (PU)
• cienkie warstwy asfaltowe układane na zimno (CWZ)
• mieszanki mineralno-emulsyjne (ME)
• mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjne (R), stosowane w
recyklingu na zimno

MODYFIKOWANE EMULSJE

KATIONOWE

Emulsje modyfikowane to emulsje, których lepiszcze

(wytrącone) jest lepiszczem modyfikowanym. Rozróżniamy
dwa typy tych emulsji: jednofazowe i dwufazowe.
Emulsje  jednofazowe  charakteryzują  się  tym,  że  ich  faza
rozproszona  składa  się  tylko  z  kropelek  modyfikowanego
polimeroasfaltu.  Emulsje  dwufazowe  charakteryzują  się
tym,  że  ich  faza  rozproszona  składa  się  z  dwóch  rodzajów
kropelek: asfaltu i środka modyfikującego (polimeru).
Modyfikacja  emulsji  wpływa  na  obniżenie  penetracji
lepiszcza,

rozszerzenie

przedziału

plastyczności,

zwiększenie kohezji w wysokiej i niskiej temperaturze oraz
pojawienie się sprężystości w przypadku modyfikacji
elastomerami termoplastycznymi.

Produkcja niemodyfikowanej emulsji

kationowej

Zawartość  asfaltu  w  emulsji  wynosi  od  45  do  72%,  zawartość
wody odpowiednio od 55 do 28%. Zawartość emulgatora od 0,1
do  1,5%  w  stosunku  do  masy  emulsji.  W  procesie  produkcji
stosuje się dodatkowo: kwas solny w ilości ok. 0,1%, upłynniacz
(benzyna  techniczna)  0,1%.  Wytwarzanie  emulsji  metodą  ciągłą
polega  na  tym  ,  że  przygotowane  odpowiednio  składniki
podawane  są  w  sposób  ciągły  do  młyna  koloidalnego,  w
przewidzianych  recepturą  proporcjach.  Przygotowanie  asfaltu
polega  na  podgrzaniu  go  łącznie  z  dodatkiem  upłynniacza  do
temp  100÷150°C  w  celu  zbliżenia  się  jego  lepkości  do  lepkości
wody.  Wodę wraz z kwasem solnym i emulgatorem ogrzewa się
do  temp  80÷85°C.  Średnia  arytmetyczna  temp  asfaltu  i  wody
powinna  wynosić  100°C  co  zapobiega  pienieniu.  Wszystkie

składniki podawane są do młyna koloidowego, gdzie następuje
ich wymieszanie i zdyspergowanie asfaltu w wodzie.

Schemat produkcji niemodyfikowanej emulsji

kationowej

ASFALT

UPŁYNNIACZ

EMULATOR

WODA

KWAS

FAZA ROZPRASZANA

FAZA ROZPRASZAJĄCA

MŁYN KOLOIDALNY

EMULSJA

Produkcja modyfikowanej emulsji kationowej

a) JEDNOFAZOWA
Emulsje modyfikowanie wytwarza się wg tego samego
schematu jak dla emulsje tradycyjne za wyjątkiem procesu
dodawania

modyfikatora.

Emulsje

modyfikowane

jednofazowe wytwarza się z asfaltu modyfikowanego tzn.
modyfikator już znajduje się w asfalcie. Ze względu na

lepkość asfaltu modyfikowanego konieczne jest stosowanie
znacznie wyższej temperatury dla fazy zdyspergowanej niż
w przypadku tradycyjnych emulsji. Temperatura u wyjścia z

młyna jest wyższa od 100°C i konieczne jest stosowanie
systemu chłodzącego.

Schemat produkcji modyfikowanej emulsji

kationowej jednofazowej

ASFALT

MODYFIKOWANY

UPŁYNNIACZ

EMULATOR

WODA

KWAS

FAZA ROZPRASZANA

FAZA ROZPRASZAJĄCA

MŁYN KOLOIDALNY

EMULSJA

Transport do zbiorników

Produkcja modyfikowanej emulsji kationowej

B) DWUFAZOWA
W przypadku dwufazowej emulsji modyfikowanej modyfikator dodaje się w

postaci lateksu (wodną dyspersją naturalnych lub sztucznych polimerów o

bardzo drobnych cząsteczkach, podstawową ich własnością jest sprężysty,

gumowaty charakter, który pozwala przenosić duże odkształcenia przy

rozciąganiu). Dodawanie lateksu można wykonać:
– przez zdyspergowanie w fazie wodnej
– przez wtryskiwanie bezpośrednio do młyna koloidalnego
– zdyspergowanie już w wytworzonej emulsji
Metoda zdyspergowania lateksu w fazie wodnej pozwala dobrze regulować

parametry emulsji, jak również uzyskanie dobrej jednorodności. Metoda

wtryskiwania lateksu bezpośrednio do asfaltu może powodować zaburzenia w

działaniu młyna koloidalnego (para wodna). Metoda dyspersji lateksu już w

wytworzonej emulsji daje produkt o pogorszonej stabilności ze względu na

mieszanie dwu emulsji o różnych właściwościach.

Schemat produkcji modyfikowanej emulsji

kationowej dwufazowej

ASFALT

UPŁYNNIACZ

EMULATOR

WODA

KWAS

FAZA ROZPRASZANA

FAZA ROZPRASZAJĄCA

MŁYN KOLOIDALNY

EMULSJA

Transport do zbiorników

LATEX

EMULSJE ASFALTOWE – BADANIA

OZNACZENIE ZAWARTOŚCI LEPISZCZA

Zawartość asfaltu w emulsji (X%) określa się metodą

pośrednią poprzez oznaczenie zawartości wody. Zawartość

asfaltu oblicza się jako różnicę:

         X = 100 – zawartość wody (%)

Jako metodę uzupełniającą do szybkich oznaczeń zawartości
lepiszcza  stosuje  się  metodę  suszarkową.  Oznaczenie  to
polega  na  określeniu  ubytku  masy  (%)  powstałego  w
wyniku ogrzewania w temp 105°C w laboratoryjnej suszarce
grawitacyjnej.

OZNACZENIE LEPKOŚCI EMULSJI

METODA ENGLERA

Lepkość emulsji jest miarą jej konsystencji (ciekłości).

zależy ona od składu emulsji, rodzaju, stopnia

zdyspergowania oraz temperatury. Lepkość względna E

jest

w stopniach (°E) jest to stosunek czasu wypływu z

lepkościomierza Englera 200cm

badanej cieczy (τ) w temp

20°C do czasu wypływu 200cm

wody destylowanej w temp

20°C. lepkość względną (E

) w °E, oblicza się ze wzoru:

= τ / k

Stała k lepkościomierza Englera to czas wypływu 200cm

destylowanej wody w temp 20°C. Metodę stosuje się dla

emulsji, które dają regularny strumień wypływu w czasie

oznaczenia. Za miarodajny uznaje się wynik do 15°E.

OZNACZENIE LEPKOŚCI EMULSJI

METODA BTA

Oznaczenie lepkości umownej polega na pomiarze wpływu
(s) określonej ilości cieczy (200cm

) przez otwór o średnicy

4mm  znajdujący  się  w  dnie  cylindrycznego  kubka.
Oznaczenie  to  wykonuje  się  w  wypadku  przekroczenia
zakresu  pomiaru  metodą  ENGLERA  (>15°E)  Temperatura
pomiaru  metodą  BTA  wynosi  20°C.  w  przypadku
ponownego  przekroczenia  zakresu  (wpływ  nieciągły  lub
jego  brak),  należy  podnieść  temperaturę  pomiaru  do  40°C.
gdyby  i  to  nie  było  wystarczające  ,  należy  użyć  kubek

wypływowy z otworem o średnicy 10mm.

OZNACZENIE INDEKSU ROZPADU

EMULSJI NA PIASKU KWARCOWYM

Oznaczenie indeksu rozpadu polega na określeniu

maksymalnej ilości piasku kwarcowego, który można

wymieszać ze 100g emulsji. Piasek dodaje się do emulsji

gdy mieszanka osiągnie konsystencje pasty. Indeks rozpadu

oblicza się ze wzoru:

IR = 100 * m/E

gdzie:

m – masa dodanego piasku

E – masa emulsji

Materiałem stosowanym do oznaczenia jest drobny piasek

kwarcowy pochodzenia naturalnego o następujących

właściwościach :

-kolor biały

-zawartość SiO

– 98%

-gęstość 2,65 g/cm

-odpowiednie uziarnienie

OZNACZENIE SEDYMENTACJI EMULSJI

Oznaczenie polega na określeniu różnicy zawartości

lepiszcza w emulsji pomiędzy górną, a dolną częścią

szklanego cylindra po 5 dniach składowania. Zawartość

lepiszcza w emulsji w dolnej i górnej warstwie określa

się metodą destylacyjną lub suszarkową.
Sedymentację S (%) określa się ze wzoru:

S = L

– L

gdzie:
L

– zawartość lepiszcza w górnej części cylindra (%)

– zawartość lepiszcza w dolnej części cylindra (%)