asfalty+kruszywa.doc

Zastosowanie asfaltów w drogownictwie

Asfaltem nazywamy materiał bitumiczny o barwie od brązowej do czarnej, konsystencji plastycznej, właściwościach wiążących, występujący w naturze lub wyprodukowany z ropy naftowej. Asfalty pochodzące ze złóż nazywamy asfaltami naturalnymi, a otrzymane w wyniku przeróbki ropy naftowej – asfaltami naftowymi.

Historia stosowania asfaltów. Asfalt był już znany w starożytności jako materiał wodoszczelny, konserwujący, o właściwościach adhezyjnych i 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. 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.

Schemat koloidalnej budowy asfaltu

Chemicznie asfalt jest mieszaniną (układem koloidalnym) wielkocząsteczkowych wę­glowodorów. Chemiczna budowa asfaltu jest bardzo skomplikowana, ale wy­odrębniono w nim trzy główne składniki:

- 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.

Rys.1.2. Klasyfikacja lepiszczy wg CEN TC 227 WG 1993 [6]

Z występujących w przyrodzie asfaltów naturalnych najbardziej znany jest asfalt z Trynidadu na Antylach, gdzie wydobywany jest z „jeziora” asfaltowego. Asfalt naturalny występuje ponadto w skałach wapiennych i piaskowych przesyconych asfaltem. Wydobywany jest on na Kaukazie, Uralu w Albanii, Syrii, Ameryce Południowej i Środkowej, Francji. W Polsce asfalty naturalne występują w skałach wapiennych i piaskowcach, ale z powodu małej wydajności ich eksploatacja nie jest opłacalna. Asfalty naturalne przed użyciem poddaje się oczyszczaniu przez ogrzewanie, w czasie którego usuwa się z nich wodę i grubsze zanieczyszczenia mineralne. Asfalty naturalne posiadają wysoką temperaturę mięknienia ( 100 – 2000 C).

Z uwagi na dużą twardość i kruchość, asfalty naturalne nie są wykorzystywane jako samodzielne, ale służą do ulepszania zbyt ciekłych asfaltów ponaftowych dla nadawania im wyższej temperatury mięknienia i obniżenia penetracji.

Asfalt ponaftowy stanowi pozostałość po destylacji ropy naftowej. Ponieważ ropy wydobywane w różnych miejscach różnią się zawartością poszczególnych składników, dlatego otrzymane z nich asfalty różnią się właściwościami. Asfalty ponaftowe mogą być wykorzystywane bez dodatkowej obróbki jako asfalty miękkie .

Asfalty ponaftowe ze względu na przeznaczenie dzielimy się na:

- drogowe,

- przemysłowe (do produkcji papy, izolacyjne, do farb i lakierów, masy zalewowe).

- do celów specjalnych.

Około 80% asfaltów produkowanych na świecie stanowią asfalty drogowe.

Odmianą asfaltów ponaftowych jest asfalt poekstrakcyjny. Przy rafinacji olejów smarnych nowoczesnymi metodami – rozpuszczalnikami selektywnymi (krezol, furfurol itp.), które usuwają z olejów składniki chemicznie nietrwałe – otrzymuje się wyciągi (ekstrakty), które utlenione powietrzem dają produkty o charakterze asfaltów. Asfalty te, znane są pod nazwą handlową DEX. Mieszają się prawie w każdym stosunku ze smołami koksowniczymi i są używane do uszlachetniania smół, do produkcji tzw. smół stabilizowanych. Proces utleniania tych asfaltów prowadzony jest tylko do uzyskania produktu o pożądanej penetracji lub temperatury mięknienia i nie jest doprowadzany do całkowitego utleniania wszystkich składników dających się utlenić. Dalszy proces utleniania tego asfaltu może, więc przebiegać dalej po użyciu asfaltu na budowie.

Inną odmianą asfaltu poekstrakcyjnego jest asfalt wysokopróżniowy. Uzyskuje się go przez destylację pozostałości naftowych pod bardzo niskim ciśnieniem. Asfalty te charakteryzują się bardzo wysoką temperaturą mięknienia i niską penetracją. Stosowane są do produkcji lakierów i do prac izolacyjnych w specjalnie trudnych warunkach użytkowania.

Asfalty dmuchane nazywane również utlenionymi lub oksydowanymi są otrzymywane przez tzw. „dmuchanie”. Polega ono na wdmuchiwaniu pod ciśnieniem do rozgrzanego asfaltu powietrza lub pary wodnej pod ciśnieniem. W wyniku przedmuchiwania następuje utlenianie części składników asfaltu. Asfalty dmuchane posiadają większą niż asfalty ponaftowe zawartość asfaltenów, które powstają w czasie dmuchania. Zaletą asfaltów dmuchanych jest wyższa temperatura mięknienia, i wyższa ciągliwość przy tej samej penetracji oraz niższa temperatura łamliwości. Są one ponadto bardziej elastyczne od asfaltów zwykłych dzięki mniejszej ilości składników olejowych. Asfalty dmuchane są również mniej wrażliwe na działanie czynników atmosferycznych i temperatury.

Modyfikacją asfaltów są asfalty kolorowe. Są stosowane ze względów estetycznych, oraz bezpieczeństwa ruchu. W przeszłości próbowano metody najpierw rozjaśniania asfaltu dodatkiem bieli tytanowej, a następnie otrzymaną ciemno-szarą substancję barwiono na ciemno-zielono. Lepiszcze o tak ciemnym zabarwieniu nie zachowuje swoich kolorowych „walorów" zbyt długo - na systematycznie zanieczyszczanej drodze nawierzchnia znów staje się czarna. Problem utrzymywania koloru jest jednym z podstawowych, na jakie natrafiali twórcy barwnych lepiszczy. O skali trudności w osiągnięciu efektywnego rozwiązania świadczy fakt, że na początku lat 90 istniało tylko kilka takich rozwiązań na świecie, z których najbardziej znany był Mexphalt C firmy Shell. W latach 1993-1994 w laboratorium IBDiM powstało także polskie lepiszcze nadające się do barwienia o nazwie „Kameleon". Lepiszcze to nie jest asfaltem powstałym z destylacji ropy naftowej, jest specjalnie skomponowanym, sztucznym lepiszczem o właściwościach porównywalnych z asfaltem drogowym o podobnej twardości. Cechą szczególną Kameleona jest barwa, która w cienkiej war­stwie jest koloru miodowego. Takie lepiszcze można barwić dodatkiem pigmentów (farb) stosowanych np. do barwienia betonowych kostek brukowych.

Klasyfikacja asfaltów drogowych

Asfalty drogowe należą do lepiszczy bitumicznych tj. do materiałów wiążących pochodzenia organicznego, których wiązanie i twardnienie jest zjawiskiem fizycznym odwracalnym, polegającym na zmianie kohezji i adhezji cząstek lepiszcza przy zmianie temperatury. Lepiszcza należą do tworzyw termoplastycznych, niemających wyraźnie zaznaczonej temperatury topnienia i wrzenia. Ogrzewanie tych materiałów powoduje stopniowe ich przejście ze stanu stałego w stan ciekły przy równoczesnym obniżeniu się adhezji układu oraz jego kohezji, co się wyraża zmniejszeniem lepkości. Odwrotnie zjawisko zachodzi przy chłodzeniu lepiszczy

Podstawą klasyfikacji asfaltów drogowych w Polsce i innych krajach europejskich jest penetracja określona w temperaturze 250 C (w czasie 5 s, dla próbki o masie 100 g), będąca miarą konsystencji asfaltu. Jednostką penetracji jest [1mm].

Klasyfikacja asfaltów drogowych wg Polskiej Normy PN -65/C-96170

Według obowiązującej obecnie normy asfalty drogowe dzieli się na podstawie wartości penetracji w 250 C na siedem rodzajów tj. D300, D200, D100, D70, D50, D35, D20. Ze względu na zawartość parafiny rozróżnia się typ asfaltu bezparafinowego (D) o zawartości parafiny ≤ 2,0% m/m i parafinowego (Dp) o zawartości parafiny od 2,0 do 3,0% m/m. ten podział zanika w opracowanej nowelizacji normy, w której zawartość parafiny w asfalcie drogowym ograniczono do 2,2%.

Klasyfikacja asfaltów drogowych wg nowelizacji PN -65/C-96170

Podstawą do nowelizacji normy był projekt normy europejskiej EN 12591 ”Specyfikacje asfaltów drogowych”.

Wymagania dla asfaltów drogowych wg projektu nowelizacji normy PN -65/C-96170 podano w tab. 1.2.

Podstawą klasyfikacji wg noweli normy są przedziały penetracji w 250 C. Wyróżnia się siedem rodzajów asfaltów: D20/30, D35/50, D50/70, D70/100, D100/150, D160/220, D250/330. W porównaniu do wymagań starej normy (tab. 1.1) wprowadzono następujące zmiany:

- badanie ciągliwości w temperaturze 130 C dla asfaltu D50/70 i temperaturze 70 C          dla asfaltów D70/100 i D100/150,

- badanie lepkości dynamicznej w 600 C jako istotnego parametru charakteryzującego konsystencję lepiszcza w podwyższonych temperaturach eksploatacyjnych,

- badanie lepkości kinematycznej w temperaturze 1350 C jako parametru istotnego w temperaturach wytwarzania, układania, zagęszczania,

- zawartość parafiny ograniczono do 2,2% m/m. Zlikwidowano podział na asfalty parafinowe i bezparafinowe,

- zlikwidowano wymagania dotyczące zawartości wody w asfalcie, gdyż w nowej technologii produkcji nie występuje woda w asfalcie].