Analysis of the compactibility of bituminous mixtures for reflective crack relief interlayers (RCRI)

• Autorzy: Merska Oliwia , Mieczkowski Paweł , Majer Stanisław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148907

Warianty tytułu

PL

Analiza zagęszczalności mieszanek mineralno-asfaltowych do warstw przeciwspękaniowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The physical properties determining the strength parameters of bituminous mixtures are strongly influenced by the processes of placement and compaction. The effectiveness of this process depends on the compactive effort and is directly related to the mixture temperature. This research focused on the assessment of compactibility of mixtures designed for reflective crack relief interlayers (RCRI) which, in most cases, are applied in thin layers. The materials analysed for compactibility in this research included AC – asphalt concrete, AC AF – asphalt concrete “anti-fatigue”, SMA – stone mastic asphalt and SMA-MA – stone mastic asphalt rich in bitumen mastic. The gyratory compactor method was used to determine the compaction slope K, the locking point LP and the compaction densification index CDI. All the tested mixtures were fine-graded, i.e., contained grains up to 8 mm in diameter, each mixed with a different type of bituminous binder. The values of CDI show a substantially greater input of energy required for compaction of high-polymer modified mixtures, as compared to mixtures of the same design, yet containing the 50/70 bitumen. Locking point analysis showed that SMA and SMA-MA mixtures attain 98% relative compaction before reaching the locking point at which the aggregate skeleton starts to resist further compaction. This is quite the opposite as with the AC and AC AF mixtures. Among the tested mixtures the best compaction behaviour was observed in the case of SMA-MA 8 50/70, and this over a wide range of working temperature (100–160 C) and pressures (150 kPa, 600 kPa). The design of the mixture SMA-MA as an anti-fatigue layer assumes an increase in the content of filler and binder, as compared to conventional SMA. This composition is bound to reduce the resistance to compaction, i.e., provide a better compaction behaviour as compared to a conventional SMA mixture.

PL

Wbudowanie i zagęszczanie mieszanki mineralno-asfaltowej to etapy kształtujące jej właściwości fizyczno-wytrzymałościowe. Celem zagęszczania jest zmniejszenie zawartości wolnych przestrzeni i osiągniecie odpowiedniego ułożenia ziaren dla uzyskania warstwy o założonych na etapie projektowania parametrach. Efektywność tego procesu zależy od wkładu pracy zagęszczania i jest ściśle związana z temperaturą mieszanki. W badaniach skupiono się głównie na ocenie zagęszczalności mieszanek do warstw przeciwspękaniowych wbudowywanych najczęściej w cienkich warstwach. Materiał wbudowany w cienkich warstwach (grubościach rzędu 20–30 mm) ma mniejszą pojemność cieplną co skutkuje szybszym jego wychłodzeniem w wyniku oddziaływania czynników zewnętrznych (tj. wiatr, woda, temperatura podłoża) podczas procesu zagęszczania. Dąży się zatem, aby proces zagęszczania prowadzić w temperaturach, w których lepkość dynamiczna lepiszcza asfaltowego mieści się w granicach 2–20 Pa·s. Dla mieszanek cienkowarstwowych oznacza to, że czas na zagęszczanie jest bardzo krótki, a proces musi rozpocząć się bezpośrednio za stołem rozkładarki. Z tego względu istotnym kryterium oceny cienkich warstw na gorąco stosowanych do warstw przeciwspękaniowych jest ich szczelność, urabialność i podatność do wbudowania (zagęszczalność). Aby wykonana warstwa przeciwspękaniowa działała jak membrana odpowiednio odkształcalna, zdolna do absorbowania i rozpraszania naprężeń powinna charakteryzować się jak najniższą zawartością wolnych przestrzeni (ok. 1–2%), dużą zawartością lepiszcza (w ujęciu objętościowym), drobnym uziarnieniem, odpowiednią grubością (ok. 20–30 mm) i bardzo dużą odpornością na zmęczenie i rozciąganie w szerokim zakresie temperatur. Warunki te spełniają drobnoziarniste mieszanki mineralno-asfaltowe na bazie asfaltu wysokomodyfikowanego (polimerami lub miałem gumowym) stosowane dotychczas do warstw przeciwzmęczeniowych. Przykładem może być AC AF (AF – Anti-Fatique), tj. beton asfaltowy do warstw przeciwzmęczeniowych, składający się głównie z kruszywa drobnego (do 5 lub 8 mm), wypełniacza (10–15%) i dużej ilości lepiszcza (8–15%). Niestandardowym materiałem w tego typu rozwiązaniach mogą być również mieszanki mastyksowogrysowe o zwiększonej zawartości mastyksu SMA-MA, które do tej pory stosowane były głównie jako warstwy ochronne obiektów mostowych. Do badan wybrano mieszanki drobnoziarniste o uziarnieniu do 8 mm i zróżnicowano je ze względu na rodzaj lepiszcza asfaltowego (asfalt drogowy 50/70 oraz asfalt wysokomodyfikowany PMB 65/105-80). Analizę zagęszczalności przeprowadzono dla mieszanek typu betonowego (AC S, AC AF) i mieszanek mastyksowo-grysowych (SMA i SMA-MA). W ramach prowadzonych badan próbki zagęszczano prasą żyratorową zgodnie z normą PN-EN 12697-31:2019-03 w trzech temperaturach badawczych (100 C, 130 C i 160 C) i przy zróżnicowanym ciśnieniu kontaktowych (150 kPa i 600 kPa). Na podstawie pomiarów prowadzonych w prasie żyratorowej wyznaczono dla każdej z mieszanek przy zmiennych temperaturach i ciśnieniu współczynnik zagęszczalności K, żyratorowy punkt blokowania (LP) oraz wskaźnik CDI. W analizie ogólnej zaobserwowano, że dla mieszanek typu SMA-MA 8 na bazie asfaltu drogowego 50/70 uzyskanie wymaganego wskaźnika zagęszczenia jest możliwe w szerokim zakresie temperatur od 100 C do 160 C. To oznacza, że czas efektywnego zagęszczania na budowie jest dla tej mieszanki dłuższy i jest ona mniej wrażliwa na zmiany temperatury od pozostałych badanych mma. Dodatkowo mieszanka SMA-MA 8 50/70 zagęszcza się również przy obniżonej energii zagęszczania wyrażonej ciśnieniem kontaktowym o wartości c = 150 kPa (w stosunku do typowej c = 600 kPa). W temperaturze 130 C przy ciśnieniu c = 600 kPa mieszanki typu AC AF nie uzyskują wymaganego poziomu zagęszczenia, w przeciwieństwie do mieszanek typu SMA i SMA-MA. Za optymalne warunki zagęszczania dla wszystkich badanych mieszanek można przyjąć T = 160 C oraz ciśnienie c = 600 kPa. Dla tych parametrów wszystkie badane ma spełniły warunek zagęszczenia (wolnej przestrzeni) odpowiadającego założeniom recepty (BT – Badania Typu). Szczegółowo podatność do zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych oraz efektywność tego procesu analizowano w oparciu o wskaźnik zagęszczalności K, współczynnik CDI oraz LP. W oparciu o wartość wskaźnika K można wnioskować, że mieszanki SMA-MA są bardziej podatne na zagęszczenie niż mieszanki AC AF. Jednak ze względu na ograniczenia tej metody nie powinno się jej stosować do porównania mieszanek o różnej wartości wolnych przestrzeni w początkowej fazie zagęszczania. Problematyczna jest również ocena wpływu rodzaju asfaltu na zagęszczalność mieszanki przy wykorzystaniu współczynnika K. Analiza wskaźnika CDI pokazała, że do zgęszczenia ma na bazie asfaltów wysokomodyfikowanych (PMB) potrzeba znacznie więcej energii niż w przypadku tych samych mieszanek z asfaltem 50/70. Jest to efektem stopnia modyfikacji lepiszcza i jego parametrów, m.in. wyższej lepkości w zakresie stosowanych temperatur zagęszczania oraz lepkością mastyksu. Punkt blokowania związany jest z typem mieszanki mineralno-asfaltowej. Analiza punktu blokowania (LP) pokazała, że mieszanki typu SMA i SMA-MA uzyskują wskaźnik zagęszczenia na poziomie 98% przed pojawieniem się punktu blokowania, czyli momentu, w którym mieszanka stawia wyraźny opór dla dalszego zagęszczania. Odwrotną charakterystykę zauważono w przypadku mieszanek typu AC S i AC AF. Zwiększona zawartość mastyksu w mieszankach SMA-MA w stosunku do tradycyjnych mieszanek SMA powoduje spadek oporu zagęszczania. Podobnie jest w przypadku mieszanek AC AF, ale zmiany są znacznie mniejsze. Podsumowując spośród badanych mieszanek najlepsze predyspozycje do zagęszczania w szerokim zakresie temperatur (100–160 C) i ciśnienia (150 kPa, 600 kPa) wykazuje mieszanka SMA-MA 8 50/70. Projekt innowacyjnej mieszanki SMA-MA zakłada wzrost zawartości wypełniacza oraz lepiszcza asfaltowego w stosunku do typowej mieszanki SMA. Taka kompozycja mieszanki powoduje spadek oporu zagęszczania i mieszanka SMA-MA staje się łatwiej zagęszczalna niż typowa mieszanka SMA.

Słowa kluczowe

EN

bottom asphalt layer; compactibility; gyratory compactor; locking point; stone mastic asphalt

PL

mieszanka SMA-MA; prasa żyratorowa; punkt blokowania; zagęszczalność

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 201--217
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Merska Oliwia

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil and Engineering, ul. Piastów 50A, 70-333 Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7085-7307

autor

Mieczkowski Paweł

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil and Engineering, ul. Piastów 50A, 70-333 Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2128-5327

autor

Majer Stanisław

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil and Engineering, ul. Piastów 50A, 70-333 Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2476-1982

Bibliografia

• [1] J.P. Mahoney, “Study of long-lasting pavements in Washington state”, Transportation Research Circular, no. 503, pp. 88–95, 2001. [Online]. Available: https://trid.trb.org/view/717438. [Accessed: 19 Sep. 2022].
• [2] M. Nagórska, R. Nagorski, and K. Blazejowski, “Selected aspects of design lifespan of flexible pavement with anti-fatigue course”, Archives of Civil Engineering, vol. 61, no. 1, pp. 103–118, 2015, doi: 10.1515/ace-2015-0007.
• [3] D.E. Newcomb, M. Buncher, and I.J. Huddleston, “Concepts of perpetual pavements”, Transportation Research Circular, no. 503, 2001. [Online]. Available: https://trid.trb.org/view/717432. [Accessed: 19 Sep. 2022].
• [4] I. Ruttmar, A. Grajewska, and K. Pełczyńska, Perpetual pavement design and construction using anti-fatigue base layer on expressway S8 in Poland. Prague, 2016, doi: 10.14311/EE.2016.175.
• [5] P. Radziszewski, J. Piłat, M. Sarnowski, J. Król and K.J. Kowalski, Nawierzchnie asfaltowe na obiektach mostowych. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2016.
• [6] W. Bańkowski and M. Gajewski, “Badania przyspieszone w skali rzeczywistej innowacyjnych nawierzchni drogowych”, Roads and Bridges – Drogi i Mosty, vol. 11, no. 2, pp. 89–121, 2012.
• [7] B. Budziński and P. Mieczkowski, “Application of innovative SMA-MA mixtures on bridges”, Applied Sciences, vol. 10, no. 19, 2020, doi: 10.3390/app10196958.
• [8] P. Mieczkowski, S. Majer, and B. Budziński, “Heavy maintenance of concrete paved roads using the regional roads No. 102 and No. 142 as an example”, Roads and Bridges – Drogi i Mosty, vol. 18, no. 1, pp. 25–38, 2019, doi: 10.7409/rabdim.019.002.
• [9] P. Mieczkowski and B. Budzinski, “Influence of the type of HMA and free space content and the thermal conductivity coefficient λ”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 603, no. 4, 2019, doi: 10.1088/1757-899X/603/4/042014.
• [10] P. Mieczkowski, “The heat exchange in the edge area – the problem of hot mix asphalt compaction”, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol. 10, no. 3, 2015, doi: 10.3846/bjrbe.2015.26.
• [11] B.V. Kök, M. Yilmaz, and T. Alataş “Evaluation of the mechanical properties of field- and laboratory-compacted hot-mix asphalt”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 26, no. 9, 2014, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000963.
• [12] B. Dołżycki and J. Judycki, “Wpływ metod zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych na wyniki badan ich cech mechanicznych”, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej. Budownictwo Lądowe, no. 60, pp. 129–136, 2006.
• [13] J.M. Gudimettla, L.A. Cooley, and E.R. Brown, “Workability of Hot-Mix Asphalt”, Transportation Research Board, vol. 1891, no. 1, pp. 229–237, 2004, doi: 10.3141/1891-27.
• [14] A.E. Hunter, G.D. Airey, and A.C. Collop, “Aggregate orientation and segregation in laboratory-compacted asphalt samples”, Transportation Research Board, vol. 1891, no. 1, pp. 8–15, 2004, doi: 10.3141/1891-02.
• [15] R. Miró, A. H. Martínez, F. E. Pérez-Jiménez, R. Botella, and A. Álvarez, “Effect of filler nature and content on the bituminous mastic behaviour under cyclic loads”, Construction Building Materials, vol. 132, pp. 33–42, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.11.114.
• [16] J. Pei, Y. Bi, J. Zhang, R. Li, and G. Liu, “Impacts of aggregate geometrical features on the rheological properties of asphalt mixtures during compaction and service stage”, Construction Building Materials, vol. 126, pp. 165–171, 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.09.033.
• [17] A. Plewa, “Ocena wpływu wskaźnika zagęszczenia na moduł sztywności betonu asfaltowego”, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, vol. 3, no. 3, pp. 133–139, 2012.
• [18] M.R. Pouranian and J. E. Haddock, “Effect of aggregate gradation on asphalt mixture compaction parameters”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 32, no. 9, 2020, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003315.
• [19] H. Saedi, “Assessment of Compaction Temperatures on Hot Mix Asphalt (HMA) Properties”, International Journal of Civil and Geological Engineering, no. 6, pp. 159–163, 2012.
• [20] B. Stefańczyk and P. Mieczkowski, Mieszanki mineralno-asfaltowe: wykonawstwo i badania. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2009.
• [21] ASTM/D6925-15 Standard Test Method for Preparation and Determination of the Relative Density of Asphalt Mix Specimens by Means of the Superpave Gyratory Compactor. American Society for Testing and Materials.
• [22] P. Tutka, M. Złotowska, K. Błazejowski, and R. Nagórski, “The influence of highly modified asphalt binder on pavement fatigue life prediction – selected problems”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 4, pp. 605–624, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.138521.
• [23] M. Kucińska, “Zagęszczanie próbek mieszanek mineralno-asfaltowych z wykorzystaniem prasy żyratorowej”, Drogownictwo, no. 7–8, pp. 236–240, 2013.
• [24] F. Leiva and R. C.West, “Analysis of Hot-Mix Asphalt Lab Compactability Using Lab Compaction Parameters and Mix Characteristics”, Transportation Research Board, vol. 2057, no. 1, pp. 89–98, 2008, doi: 10.3141/2057-11.
• [25] P. Li, J. Su, P. Gao, X. Wu, and J. Li, “Analysis of aggregate particle migration properties during compaction process of asphalt mixture”, Construction Building Materials, vol. 197, pp. 42–49, 2019, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.11.164.
• [26] P. Polaczyk, B. Huang, X. Shu, and H. Gong, “Investigation into Locking Point of Asphalt Mixtures Utilizing Superpave and Marshall Compactors”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 31, no. 9, 2019, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002839.
• [27] P. Polaczyk, Y. Ma, W. Hu, R. Xiao, X. Jiang, and B. Huang, “Effects of Mixture and Aggregate Type on Over-Compaction in Hot Mix Asphalt in Tennessee”, Transportation Research Board, vol. 2676, no. 4, pp. 448–460, 2022, doi: 10.1177/03611981211061558.
• [28] EN 12697-10:2018-02 Bituminous mixtures – test method – Part10: Compatibility.
• [29] K. Al-shamsi and L. Mohammad, “A Look at the Bailey Method and Locking Point Concept in Superpave Mixture Design”, Transportation Research Circular, E-C124, pp. 12–32, 2007.
• [30] P. Polaczyk, B. Han, B. Huang, X. Jia, and X. Shu, “Evaluation of the hot mix asphalt compactability utilizing the impact compaction method”, Construction and Building Materials, vol. 187, pp. 131–137, 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.07.117.
• [31] W.R. Vavrik and S.H. Carpenter, “Calculating Air Voids at Specified Number of Gyrations in Superpave Gyratory Compactor”, Transportation Research Board, vol. 1630, no. 1, pp. 117–125, 1998, doi: 10.3141/1630-14.
• [32] Y. Du, P. Liu, J. Tian, J. Zhang, and Y. Zheng, “Preliminary Investigation of the Feasibility of Using a Superpave Gyratory Compactor to Design Cement-Treated Aggregate Mixture”, Applied Sciences, vol. 8, no. 6, 2018, doi: 10.3390/app8060946.
• [33] A.F.F. Mahmoud and H. Bahia, Using gyratory compactor to measure mechanical stability of asphalt mixtures. Wisconsin Highway Research Program, Technical Report, Oct. 2004. [Online]. Available: http://digital.library.wisc.edu/1793/6907. [Accessed: 19 Sep. 2022].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).