Technologia materiałów i nawierzchni
drogowych
Wykład 1
Właściwości reologiczne lepiszczy asfaltowych
1/59
Klasyfikacja lepiszczy bitumicznych
Lepiszcza bitumiczne
Smoła
Asfalt
Asfalt naturalny
Asfalty
ponaftowe
Skały asfaltowe
Gilsonit
Asfalt Trynidad
POLITECHNIKA
2/59
WARSZAWSKA
1
Lepiszcza asfaltowe
Lepiszcza asfaltowe  materiał wiążący pochodzenia organicznego
Proces wiązania i twardnienia  zjawisko fizyczne odwracalne 
zmiana kohezji i adhezji cząstek lepiszcza przy zmianie temperatury
Lepiszcza stosowane na gorąco - ogrzewanie lepiszcza przejście ze
stanu stałego w stan ciekły  zmniejszenie lepkości
Lepiszcza stosowane na zimno  wiązanie w wyniku odparowania
rozpuszczalnika lub rozpadu emulsji
POLITECHNIKA
3/59
WARSZAWSKA
Schemat produkcji asfaltu
destylacja atmosferyczna
gaz
benzyna
nafta
destylacja próżniowa
o
oleje gazowe
lekki olej próżniowy
ropa
ciężki olej próżniowy
naftowa
utlenianie asfaltu
temperatura ~280 C
podciśnienie
~ 380C
o
pozostałość
asfalt
atmosferyczna
powietrze
para wodna
pozostałość próżniowa
POLITECHNIKA
4/59
WARSZAWSKA
2
Skład chemiczny asfaltów
Średni skład elementarny asfaltu:
Węgiel 82 � 88%
Wodór 8 � 11%
Siarka 0 � 6%
Tlen 0 � 1,5%
Azot 0 � 1,0%
Asfalt  mieszanina wielocząsteczkowych węglowodorów o różnej
budowie i charakterze chemicznym
Liczba atomów węgla w cząsteczce
20 �150
Atomy azotu tlenu i siarki wpływają na stabilność układu
koloidalnego
POLITECHNIKA
5/59
WARSZAWSKA
Skład grupowy asfaltów
Oleje (malteny)  decydują o plastyczności asfaltów.
Zawartość od 30 do 48%
Gęstość od 0,1 do 0,3 g/dm3
Asfalteny  twarde nietopliwe substancje decydują o
twardości asfaltu.
Zawartość asfaltenów od 6 do 30%.
Wraz z żywicami stanowią micele.
Żywice  zwiększają ciągliwość i plastyczność asfaltu.
Zawartość od 30 do 45%
Gęstość od 0.99 do 1.08
POLITECHNIKA
6/59
WARSZAWSKA
3
Budowa koloidalna
Asfalt jest układem koloidalnym składającym się z dwóch
faz:
Faza rozproszona
micele = żywice + asfalteny
Faza rozpraszające  środowisko olejowe
POLITECHNIKA
7/59
WARSZAWSKA
Zależność między składem grupowym budową koloidalną i
właściwościami reologicznymi
Wyróżniamy trzy typy reologiczne:
Żel  duża zawartość asfaltenów i micel. Do tego typu
należą asfalty utlenione i przemysłowe.
Zol  mała ilość asfaltenów i miceli. Asfalty o wysokiej
wrażliwości temperaturowej ale odpornych starzenie.
Zolo-żel  asfalty drogowe o optymalnych
właściwościach. Lepkosprężystość w szerokim zakresie
temperatur odporne na deformacje i starzenie.
POLITECHNIKA
8/59
WARSZAWSKA
4
Penetracja
konsystencja w średniej temperaturze użytkowej
Warunki badania:
penetracja
Obciążenie 100g,
Temperatura 25�C,
Czas 5s,
100g
Aparat penetrometr,
0,1 mm
0
5s
Jednostka:
stopień penetracji, 0.1mm.
100
25OC
POLITECHNIKA
9/59
WARSZAWSKA
Temperatura mięknienia wg TPiK
konsystencja w podwyższonej temperaturze użytkowej
Badanie  aparat TPiK.
Ścinanie warstwy asfaltu przez kulę.
Asfalt nie ma określonej temperatury
topnienia,
5 oC
TPiK  przejście ze stanu lepkosprężystego
w stan lepki,
Naprężenie ścinające 0.25kPa,
TPiK (asfalty bezparafinowe):
penetracja 800�0.1mm,
lepkość 1300 Pa�s.
5oC/min
POLITECHNIKA
10/59
WARSZAWSKA
5
Temperatura łamliwości
wg Frassa
Aparat Fraassa,
Najwyższa temperatura w której
asfalt nałożony na płytkę pęka przy
o
0C
jej zginaniu w miarę obniżania
temperatury,
Temperatura łamliwości 
o
0C odpowiada penetracji 1.25�0.1mm.
Temperatura łamliwości - odpowiada
modułowi sztywności 1.1�108Pa,
czas obciążenia 11s,
POLITECHNIKA
11/59
WARSZAWSKA
Odporność na starzenie
metoda RTFOT
Cienka wirująca warstwa
(RTFOT  Rolling Thin Film Oven Test)
Symulacja starzenia technologicznego,
Ubytek masy (%) po ogrzewaniu asfaltu
(75min, T = 163�C)
Po badaniu określa się zmiany
właściwości:
Penetracji - pozostała penetracja,
Temperatury mięknienia  wzrost.
POLITECHNIKA
12/59
WARSZAWSKA
6
Indeks penetracji
log penetracji = AT + C
800
ą
100
A = tgą
log pen w T1  log pen w T2
A =
T1  T2
10
Gdzie: T1 > T2
C
0
20 40 60
Temperatura, C
PiK
PI< -2 zol
-2 < PI < +2 zolo-żel
POLITECHNIKA
2 < PI żel 13/59
WARSZAWSKA
-25 -15
Karta jakości lepiszcza
część
eksploatacyjna
część technologiczna
14/59
7
Penetracja 0/10mm
Karta Jakości Lepiszcza
Określenie temperatury łamliwości  penetracja 1,25 � 0,1mm
Temperatura odpowiadająca penetracji 800 � 0,1mm - TPiK
Klasa asfaltu:
S (straight)  asfalty destylacyjne
B (blown)  asfalty utlenione
W (waxy)  asfalty parafinowe
Odczyt temperatury technologicznej:
Przepompowywanie asfaltu  lepkość 2 Pa�s
Otaczanie kruszywa  lepkość 0,2 Pa�s (0,15  0,3 Pa�s)
Końcowa faza zagęszczania  lepkość 20 Pa�s (po starzeniu
technologicznym)
POLITECHNIKA
15/59
WARSZAWSKA
Temperaturowy zakres plastyczności (TZP)
Nie zakres
lepkosprężystości
POLITECHNIKA
16/59
WARSZAWSKA
8
Właściwości reologiczne
Reologia  badanie wpływu obciążeń na zachowanie się
materiałów lub konstrukcji z uwzględnieniem czasu
trwania tych obciążeń
POLITECHNIKA
17/59
WARSZAWSKA
Parametry reologiczne
SPR
ŻYSTOŚĆ, LEPKOŚĆ
Asfalty, polimeroasfalty i MMA  ciała reologicznie
złożone
Odkształcenie pod działaniem obciążeń jest funkcją
czasu działania obciążenia oraz temperatury
Wysoka temperatura lub długotrwałe obciążenie 
zachowanie cieczy lepkich
Niska temperatura lub krótkotrwałe obciążenie 
zachowanie ciała sprężystego
W pośrednich temperaturach zachowanie
lepkosprężyste
POLITECHNIKA
18/59
WARSZAWSKA
9
Modele reologiczne
Krzywe odkształcenia
Model Burgersa
materiału lepkosprężystego
wg Burgersa E
1
Model Maxwela
�
1
t1
t2
naprężenie czas
E
2
�
2
G`
Model Kelwina
czas
odkształcenie
POLITECHNIKA
19/59
WARSZAWSKA
Metody pomiaru właściwości reologicznych
Właściwości reologiczne MMA zależą od właściwości
asfaltu
Stan lepkosprężysty można opisać za pomocą modułu
sztywności w funkcji temperatury i czasu obciążenia
Stan lepkosprężysty można scharakteryzować również
za pomocą badań normowych konsystencji i kochezji
(np. penetracja w funkcji temperatury)
POLITECHNIKA
20/59
WARSZAWSKA
10
Napr
ęż
enie
Odkształcenie
Lepkość
Jest to tarcie wewnętrzne występujące w wyniku
istnienia sił kohezji między cząsteczkami przy
przesuwaniu się jednej warstwy asfaltu względem
drugiej
Kohezja siła wzajemnego przyciągania się cząsteczek.
Lepkość określa się jako stosunek naprężenia (�) do
prędkości odkształcenia ( )
POLITECHNIKA
21/59
WARSZAWSKA
Lepkość dynamiczna
schemat pomiaru lepkości dynamicznej
F
A
dx du
y
d�
�
�
�
F
d�
�
�
�
Płyn
dx
dx
ą
ą
ą
ą
Jednostką lepkości
x
dynamicznej jest
paskcalosekunda
[Pa�s]
POLITECHNIKA
22/59
WARSZAWSKA
11
Metody pomiaru lepkości
Reometr o płytkach równoległych
Reometr o współosiowych cylindrach
Reometr stożek - płytka
POLITECHNIKA
23/59
WARSZAWSKA
Moduł sztywności
pod obciążeniem statycznym
Moduł sztywności S, określany przy rozciąganiu
czas obciążenia,
temperatura
Gdzie:
�  naprężenie
�t  wydłużenie
Moduł sztywności G, określany przy ściskaniu
POLITECHNIKA
24/59
WARSZAWSKA
12
Moduł sztywności
Asfalt drogowy typu zol
10
10
PI < -2
9
10
8
10
o
5 C
7
10
o
15 C
6
10
Moduł sztywności, Pa
o
5 o
25C
o
10
45C
35C
4
10
-4 -3 -2 -1 2
4
10
POLITECHNIKA 10 10 1 10 10 103
10 10
25/59
WARSZAWSKA
Czas obciążenia, s
Moduł sztywności
Asymptota sprężystości
-24
-18
-12
Czas obciążenia, s
Jerzy Piłat, Jan Król, Michał
POLITECHNIKA Sarnowski
Politechnika Warszawska 26/66
WARSZAWSKA
13
Moduł sztywno
ś
ci
Moduł sztywno
ś
ci, MPa
Moduł sztywności - BBR
Czas
obciążenia, s
Jerzy Piłat, Jan Król, Michał
POLITECHNIKA Sarnowski
Politechnika Warszawska 27/66
WARSZAWSKA
Moduł sztywności
pod obciążeniem dynamicznym
Dla materiałów lepkosprężystych wprowadzono pojęcie
kompleksowego modułu sztywności
Do materiału lepkosprężystego przykłada się obciążenie
sinusoidalnie zmienne o stałej amplitudzie i określonej
częstotliwości, wywołuje ono odkształcenie również
sinusoidalne o tej samej częstotliwości lecz z inną
amplitudą.
Lepkość materiałów powoduje, że odkształcenie jest
przesunięte w fazie o kąt delta w stosunku do
przyłożonego naprężenia
POLITECHNIKA
28/59
WARSZAWSKA
14
Moduł sztywno
ś
ci, MPa
Moduł sztywności
pod obciążeniem dynamicznym
Naprężenie
Czas
�
�
�
�
Odkształcenie
1 okres = 360O
POLITECHNIKA
29/59
WARSZAWSKA
Moduł sztywności
pod obciążeniem dynamicznym
Moduł kompleksowy określony przy badaniu
rozciąganie  ściskanie w niskiej temperaturze
oznaczamy E*
Moduł kompleksowy w badaniu ścinania oznaczamy
jako G*
POLITECHNIKA
30/59
WARSZAWSKA
15
Moduł sztywności
pod obciążeniem dynamicznym
Moduł zespolony  ściskanie, rozciąganie
G2
Moduł zespolony  ścinanie
G*
�
W postaci trygonometrycznej
naprężenie (t)
�
G1
�  kąt przesunięcia fazowego
�
�
�
E1, G1  cześć rzeczywista modułu
zespolonego, zgodna w fazie z
E2, G2  część urojona modułu
naprężeniem, stanowi część
zespolonego, stanowi energię rozproszoną
odzyskiwaną energii magazynowanej,
wskutek tarcia wewnętrznego.
POLITECHNIKA
31/59
WARSZAWSKA
Tangens kąta przesunięcia fazowego
(współczynnik stratności mechanicznej)
Wartość tangensa kąta przesunięcia fazowego jest parametrem
przydatnym do określenia właściwości lepkosprężystych asfaltów
W zależności od kąta d współczynnik stratności przyjmuje wartości:
dla materiałów lepkich � = 90�, tg � = "
dla materiałów lepkosprężystych
� = (0 � 90�), tg � = (0 � ")
dla materiałów sprężystych � = 0�, tg � = 0
POLITECHNIKA
32/59
WARSZAWSKA
16
materiał lepkosprężysty
tg� < "
asfalt o penetracji 50
Niewielki (5 krotny)
spadek tg� w funkcji
częstotliwości = małe
usztywnienie asfaltu
59,2 �C Dla materiałów
lepkosprężystych
tg� = (0 � ")
materiał lepkosprężysty
tg� > 0
POLITECHNIKA
-19,4 �C
33/59
WARSZAWSKA
Odkształcenia czysto
lepkie  płynie jak ciecz
newtonowska
Materiał lepki tg� = "
asfalt o penetracji 70
Dla materiałów
lepkosprężystych
tg� = (0 � ")
40,8 �C
Odkształcenia czysto
sprężyste
Materiał sprężysty
POLITECHNIKA
tg� = 0
34/59
-18,4 �C
WARSZAWSKA
17