Teza de doctorat: MIXTURI ASFALTICE ECOLOGICE CU ADAOS DE COMPUȘI OBȚINUȚI PRIN PRELUCRAREA DEȘEURILOR INDUSTRIALE [306956]
CUPRINS
1. INTRODUCERE ÎN SUBIECTUL TEZEI 5
1.1. Necesitatea și actualitatea temei de cercetare 5
1.2. Obiectivele tezei de doctorat 7
1.3. Structura tezei de doctorat 8
2. CONCEPTUL MIXTURILOR ASFALTICE CU DEȘEURI INDUSTRIALE 9
2.1. Noțiuni generale 9
2.2. Posibilități de utilizare a deșeurilor industriale în mixturi asfaltice ecologice 10
2.2.1. Utilizarea agregatelor artificiale în mixturi asfaltice 13
2.2.1.1. Cercetare la nivel național 13
2.2.1.2. Cercetare la nivel mondial 14
2.2.2. Utilizarea pulberilor provenite din deșeuri industriale în mixturi asfaltice 18
2.2.2.1. Cercetare la nivel național 19
2.2.2.2. Cercetare la nivel mondial 20
2.2.3. Utilizarea lianților bituminoși modificați cu deșeuri industriale și a bio-uleiului în mixturi asfaltice 22
2.2.3.1. Cercetare la nivel național 22
2.2.3.2. Cercetare la nivel mondial 29
2.2.3.3. [anonimizat] ………………………………………………………………………………..42
2.2.4. Mixturi asfaltice reciclate 47
3. PROIECTAREA REȚETELOR DE MIXTURĂ ASFALTICĂ CU DEȘEURI INDUSTRIALE 54
3.1. Elaborarea dozajelor mixturilor asfaltice 54
3.2. Metode de proiectare a rețetelor mixturilor asfaltice 61
3.2.1. Metoda suprafeței specifice 61
3.2.2. Metoda volumului de goluri 63
3.2.3. Metoda Laboratorului Central de Cercetări Rutiere din Bruxelles 64
3.2.4. Metoda Asphalt Institute 64
3.2.5. Metoda Kraemer 65
3.2.6. Metoda de determinare a dozajului de liant pentru mixturi asfaltice executate la rece …………………………………………………………………………….66
4. STUDII DE CERCETARE EFECTUATE ÎN LABORATOR 68
4.1. Deșeuri industriale utilizate în compoziția mixturilor asfaltice 68
4.1.1. Zgurile metalurgice 68
4.1.2. Cenușa de termocentrală 70
4.1.3. Sulfatul de calciu 73
4.1.4. Gips sintetic umectat 76
4.2. Studiu de laborator asupra agregatelor utilizate 77
4.2.1. [anonimizat] 78
4.2.2. Interpretare rezultate și concluzii 81
4.3. Determinări în regim static asupra mixturilor asfaltice conform AND 605/2014 82
4.3.1. Metoda Marshall de confecționare a mixturii asfaltice 83
4.3.2. Determinarea densității aparente a mixturilor asfaltice 84
4.3.3. Determinarea densității maxime a mixturii asfaltice 85
4.3.4. Determinarea absorbției de apă 85
4.3.5. Determinarea stabilității Marshall și a indicelui de curgere 87
4.4. Înlocuirea agregatelor naturale cu agregate din zgură în compoziția mixturii asfaltice de tip AB 25 89
4.4.1. Proiectare rețetă AB 25 cu înlocuire agregate naturale în procente din cantitatea totală de agregat 89
4.4.1.1. [anonimizat] 91
4.4.2. Interpretarea rezultatelor și concluzii 100
4.4.2.1. Proiectarea rețetei de mixtură asfaltică AB 25 cu înlocuirea pe sorturi de agregate naturale cu agregate artificiale din zgură 101
4.4.2.2. Studii de laborator 103
4.4.3. Interpretarea rezultatelor și concluzii 108
4.4.4. Încercări de laborator asupra pulberilor minerale provenite din deșeuri industriale 112
4.4.4.1. Determinarea umidității filerului 112
4.4.4.2. Determianarea solubilității în apă 112
4.4.4.3. Determinarea masei volumice reală a filerului 113
4.4.4.4. Determinarea părților fine 114
4.4.4.5. Determinarea punctului de înmuiere. Metoda cu inel și bilă 116
4.4.5. Rezultate obținute în urma studiilor de laborator asupra pulberilor din deșeuri industriale 117
4.4.6. Interpretare rezultate și concluzii 126
4.5. Utilizarea filerelor studiate în compziția mixturii asfaltice AB 25 128
4.5.1. Proiectarea rețetelor de mixtură asfaltică AB 25 cu înlocuirea agregatelor și utilizarea filerelor din deșeuri industriale 128
4.5.2. Rezultate obținute în urma studiilor de laborator 129
4.5.3. Interpretarea rezultatelor și concluzii 134
4.6. Studii complexe de laborator pe rețeta optimă obținută AB 25 136
4.6.1. Determinări în regim dinamic conform AND 605/2014 136
4.6.1.1. Rezistența la făgășuire 137
4.6.1.2. Rezistența la oboseală 141
4.6.1.3. Modulul de rigiditate 147
4.6.1.4. Volumul de goluri 148
4.6.2. Rezultate obținute în urma cercetărilor de laborator 150
4.6.3. Interpretarea rezultatelor și concluzii 155
4.7. Proiectare rețetă de mixtură asfaltică – strat de uzură cu filer din gips sintetic umectat 156
4.7.1. Studii de laborator asupra agregatelor din rețeta BA 16 157
4.7.2. Încercări de laborator în regim static asupra rețetei optime BA 16 martor 161
4.7.3. Încercări în regim dinamic asupra rețetei martor optime BA 16 163
4.7.4. Proiectare rețete BA 16 cu filere din deșeuri industriale 164
4.7.5. Încercări de laborator pe rețetele proiectate BA 16 cu filere din deșeuri industriale 165
4.7.6. Interpretare rezultate și concluzii 146
4.7.7. Proiectare rețetă BA 16 cu 75% filer din gips sintetic umectat 151
4.7.8. Studii de laborator asupra rețetei BA 16 cu 75% filer de sodă 152
4.7.9. Încercări dinamice pe mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer din gips sintetic umectat 156
4.7.10. Interpretare rezultate și concluzii 163
5. CONCLUZII, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE 163
6. BIBLIOGRAFIE 165
INTRODUCERE ÎN SUBIECTUL TEZEI
Necesitatea și actualitatea temei de cercetare
Dezvolatarea unei societăți a avut întotdeauna la bază drumurile datorită faptului că acestea asigură mobilitatea în continuă evoluție atât a oamenilor cât și a mărfurilor.
În prezent, România are aproximativ 800 km de autostradă, Master Planul General de Transport al României pentru anul 2030 propune 2074 km de autostradă, ceea ce presupune o construcție nouă de autostrăzi de aproximativ 1300 km. În plus, în Master Planul de Transport este prevezută și construcția de drumuri express (1877 km) precum și drumuri naționale și europene (3147 km) așa cum este prezentat în harta din figura 1.
Figura 1. Harta principalelor proiecte rutiere conform Master Planul General de Transport al României în perioada 2014-2030
Având în vedere tendința de dezvoltare rapidă a rețelelor naționale de drumuri, se impune stabilirea unor principii de utilizare a deșeurilor industriale în proiectarea rețetelor de mixtură asfaltică.
Intensa exploatare industrială a resurselor și degradarea continuă a mediului provocată de criza ecologică a condus la o soluție și anume dezvoltarea durabilă care are ca scop principal prezervarea calității mediului înconjurător.
Fără a pune în pericol echilibrul natural al planetei, dezvoltarea durabilă își propune să promoveze conceptul de conciliere între progresul economic și cel social. Acest concept are ca și idee de bază asigurarea unei calități de viață mai bună, atât pentru generațiile viitoare dar și pentru generația prezentă.
Cea mai cunoscută definiție a dezvoltării durabile este cea dată de Comisia Mondială pentru Mediu și Dezvoltare (WCED) în raportul „Viitorul nostru comun”, cunoscut și sub numele de „Raport Brundtland”, și anume „Dezvoltarea durabilă este dezvoltarea care urmărește satisfacerea nevoilor prezentului, fară a compromite posibilitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi”.
Cu scopul de a realiza investiții care să contribuie la dezvoltare durabilă este necesar să se țină cont de Master Planul General de Transport al României care prevede o considerabilă extindere a rețelelor de transport rutier în perioada 2014-2030. Din acest punct de vedere este important să se analizeze și să se ia în considerare posibilitatea utilizării mixturilor asfaltice ecologice care au în compoziție adaos de compuși obținuți prin prelucrarea unor deșeuri industriale. Această posibilitate conduce atât la ecologizarea terenurilor ocupate cu depozitarea acestor deșeuri industriale și în același timp, conservă resuesele naturale care sunt neregenerabile.
Lucrarea de față prezintă rezultatele cercetării anumitor tipuri de deșeuri industriale ce are la bază Declarația asupra Mediului și Dezvoltării privind-o ca viziune de lungă durată asupra dezvoltării durabile – „Pentru ca dezideratul dezvoltării durabile să poată fi atins, protecția mediului va constitui parte integrantă a procesului de dezvoltare și nu poate fi abordată independent de aceasta” astfel, conservarea și managementul resurselor naturale precum și managementul deșeurilor, trebuie să fie considerat de întreaga comunitate cu prioritate și deosebită seriozitate.
În funcție de caracteristicile produsului derivat și stadiul cunoașterii dintr-o anumită perioadă, produsele derivate pot găsii o utilizare socială și atunci sunt denumite subproduse iar dacă nu justifică vreo utilizare, fiind transmise în haldă, acestea intră în categoria deșeurilor.
Managementul deșeurilor are ca și obiectiv principal îndepărtarea acestora prin reciclare integrală și reintroducere (refolosire) în circuitul economic (productiv) al țării, ceea ce va conduce implicit la conservarea resurselor naturale pentru utilizarea lor de către generații viitoare, iar gestionarea resurselor reprezintă reacția întregii omeniri la cantitățile de deșeuri generate și existente.
Plecând de la această premisă consider că acestă lucrare de cercetare va constitui un bun material documentar despre cum ar putea fi transformate anumite deșeuri industriale în materiale necesare care pot fi utilizate în construcția structurilor rutiere. Prezentul studiu urmărește posibilitățile unor deșeuri industriale de a fi utilizate ca materiale de construcție în anumite straturi rutiere, precum și în specifice rețete de mixtură asfaltică.
Materialele naturale fiind epuizabile în natură, cantitatea acestora este în declin treptat. De asemenea, costul de extragere a materialelor naturale este în creștere. Preocupați de aceste lucruri, oamenii de știință caută materiale alternative pentru realizarea mixturilor asfaltice care pot fi utilizate pe diverse sectoare rutiere, iar deșeurile industriale reprezintă o oportunitate din acest punct de vedere.
În cazul în care materiale provenite din deșeuri industriale pot fi introduse în compoziția mixturilor asfaltice se vor diminua sau chiar pot fi eliminate și problemele de poluare produse de acestea prin stocare, depozitate și prelucrare, este astfel implicit eliminată și necesitatea depozitelor de deșeuri industriale.
Obiectivele tezei de doctorat
Obiectivul principal al tezei de doctorat constă în realizarea unei mixturi asfaltice ecologice care să conducă la rezultate care se încadrează în cerințele și limitele impuse în normativele în vigurare și în același timp să contribuie la reintroducerii în uz a deșeurilor industriale și să susțină mediul înconjurător.
Datorită complexității procesului de proiectare a rețetelor mixturilor asfaltice lucrarea va urmării într-o primă etapă studiul asupra deșeurilor industriale care se vor adăuga în compoziția mixturii asfaltice precum evaluarea agregatelor artificiale obținute din prelucrarea deșeurilor industriale provenite din industria siderurgică precum și evaluarea mai multe tipuri de pulberi minerale provenite din prelucrarea deșeurilor industriale ale uzinelor sodice și ale industriei energetice.
S-a pus un deosebit accent pe studiul de cercetare asupra fiecărui material provenit din deșeuri industriale înainte de utilizarea acestora în proiectarea rețetelor de mixturi asfaltice.
Apoi studiul a continuat cu evaluarea posibilităților de înlocuire a agregatelor naturale cu agregate artificiale precum și posibilitatea de înlocuire a filerului de calcar cu pulberile minerale studiate, înlocuind în rețetele mixturilor asfaltice în diferite dozaje cu scopul de a urmării cât mai optim influența acestora asupra comportamentului și proprietăților mixturilor asfaltice studiate.
Privind în perspectivă, amploarea noilor programe de dezvoltare și modernizare a rețelei naționale de drumuri, afirmarea economiei concurențiale precum și sporirea constrângerilor ecologice privind depozitarea deșeurilor de la termocentralele electrice și furnalele siderurgice vor argumenta interesul administratorilor cât și a utilizatorilor pentru valorificarea acestora în construcțiile de drumuri.
Performanțele tehnice, eficiența economică și influențele ecologice benefice constituie argumente concrete pentru promovarea acestui procedeu tehnic la nivel decizional.
Structura tezei de doctorat
…….
CONCEPTUL MIXTURILOR ASFALTICE CU DEȘEURI INDUSTRIALE
Noțiuni generale
O parte importantă a activității în construcții o reprezintă valorificarea subproduselor și deșeurilor industriale, acțiune care promovează economia de energie, de materii prime și aceste etape conduc la conservarea resurselor naturale precum și la protecția mediului. Toate aceste aspecte sunt luate în considerare atât de specialiștii din proiectare și execuție cât și de producătorii și utilizatorii de deșeuri.
În lucrările de drumuri, deșeurile granulare (care se află în stare inertă sau după efectuarea tratamentului de inertizare) care pot fi valorificabile apar ca rezultat în urma diverselor activități specifice din industrii precum cea extractivă, energetică, metalurgică, chimică și a materialelor de construcții.
Utilizarea deșeurilor sau a materialelor secundare în locul materialelor naturale poate avea beneficii mari, cum ar fi cele economice și de mediu. Consumul de energie poate fi redus prin reutilizarea subproduselor în locul materialelor naturale. Riscurile asupra mediului pot fi reduse prin utilizarea de subproduse în loc de stocare a acestora.
Valorificarea de subproduse industriale în domeniul construcțiilor este o activitate curentă la nivel mondial, concretizată în numeroase lucrări de stabilizare cu lianți pe bază de zguri și cenuși de termocentrală în sisteme activate a agregatelor sau a pământurilor din stratul de formă, din straturile de bază sau de fundație, în lucrări de terasamente cu zgură de furnal concasată, zgură de oțelărie, sterile, cenuși CET, precum și în structuri rutiere în care s-au utilizat agregate din zgură înlocuind agregatele naturale, s-a utilizat pudreta de cauciuc provenită din anvelope uzate cu scopul de a îmbunătății performanțele lianților bituminoși care influențează proprietățile mixturilor asfaltice.
Unele deșeuri industriale sunt utilizate de peste un secol în construcții rutiere precum gudronul (reziduu la cocsificarea cărbunilor) și bitumul (reziduu la distilarea petrolului) reprezintă exemple de deșeuri care au ajuns în timp la stadiul de materii prime. Mergând pe același principiu au fost și zgurile de furnal și cenușile de termocentrală, deșeuri industriale care sunt utilizate în construcția de drumuri de la începutul erei industriale.
Utilizarea deșeurilor industriale în alcătuirea sistemelor rutiere pune probleme referitoare la caracteristicile manifestate ulterior de mixturile asfaltice precum performanțele fizico-mecanice, evoluția în timp a deformațiilor permante și a rezistenței la oboseală, corelate cu cele de trafic.
În cadul acestui studiu de cercetare au fost detaliate posibilitățile de utilizare ale deșeurilor industriale în lucrări de drumuri. În această etapă au fost prezentate cât mai multe posibilități de utilizare a deșeurilor pe plan național cât și mondial cu unele dintre materialele prezentate care pot fi viabile și la noi în țară, iar altele care nu au fost încă studiate.
Posibilități de utilizare a deșeurilor industriale în mixturi asfaltice ecologice
Creșterea volumului de lucrări de construcții în general, de infrastructură în special cât și a celui de deșeuri industriale a făcut ca o parte din cererea crescută de materiale de construcții să fie alocată din unele deșeuri industriale. În special, este vorba despre materiale pentru producerea de agregate, ciment, beton, materiale de umplutură, pentru utilizarea în mixturi asfaltice, etc.
Exact ca și celelalte industrii, industria construcțiilor are un impact semnificativ asupra mediului, începând cu etapa de producere a materialelor de construcții și ajungând până la demolarea acesteia, conduce direct sau indirect la diferite forme de poluare. Orientarea în practicile actuale de gestionare conduc, în prezent, la valorificarea sau reciclarea deșeurilor industriale.
Ultimii ani au condus la elaborarea unui nou concept privind abordarea deșeurilor industriale bazându-se pe „încetarea statutului de deșeu”. Acest criteriu denumit „end of waste criteria” se bazează pe principiile ecologiei industriale și este promovat prin „Strategia tematică privind prevenirea și reciclarea deșeurilor” adoptat în anul 2007 de Comisia Europeană. Acest criteriu urmărește de fapt reducerea utilizării iraționale a resurselor, a nivelului poluării și a depozitelor de deșeuri, reprezintă un sitem bazat pe multidisciplinaritate care conduce la evaluarea complexului integrat om-sistem natural și concluzionează că deșeurile obținute dintr-o industrie pot devenii intrări ca materii prime pentru alte concluzii.
La nivelul Uniunii Europene acesta este un concept care reprezintă condițiile și criteriile în care un deșeu încetează să fie considerat deșeu și poate fi utilizat ca material secundar sau subprodus pentru a fi introdus pe piață.
Cel mai des utilizat concept în zilele noastre este reprezentat de „utilizarea durabiă a resurselor”. Acesta se bazează pe ciclul de viață al materialelor și anume de la extracția materiilor prime, urmată de producția materialului, de consumul acestuia, continuând cu valorificarea și reciclarea. Obiectivele acestui concept sunt reprezentate de conservarea resurselor naturale și de reducerea impactului asupra mediului.
În funcție de fiecare sursă existentă de deșeuri industriale trebuie să se țină cont de un calcul economic cât și de beneficiile pe care acea sursă le poate aduce mediului. În plus față de aceste aspecte este necesar să se ia în considerare și aspectul tehnic datorită faptului că deșeul trebuie caracterizat pentru a se vedea dacă proprietățile sale sunt potrivite utilizării dorite. Astfel, se poate concluziona că există o mare nevoie de reutilizare sau valorificare a deșeurilor industriale în construcția de drumuri, acestă etapă aduce numeroase beneficii însă este necesar să se evalueze corect fiecare tip de deșeu înainte de a fi utilizat.
Directiva referitoare la deșeuri 2008/89/CE exclude din domeniul de aplicare deșeurile rezultate în urma activităților de prospectare, extracție, tratare și stocare a resurselor minerale, exploatări de cariere (acestea intră sub incidența Directivei 2006/21/CE privind gestionarea deșeurilor din industrii extractive). Tot sub Directiva 2006/21/CE sunt și deșeurile de agregate din extracție din resurse naturale dar și cele din procese industriale precum zgurile, șlamul sau agregatele reciclate din construcții și demolări.
Stabilirea planurilor de gestionare a deșeurilor din industriile extractive este detaliată în HG 856/2008 care cuprinde măsurile și procedurile pentru prevenirea sau reducerea oricăror efecte negative asupra mediului, în special asupra apei, aerului, solului, funei, florei și peisajului precum și oricăror riscuri asupra sănătății populației.
Completarea cerințelor tehnice pentru caracterizarea deșeurilor stabilite de Directiva 2006/21/CE vine prin Decizia 2009/360/CE care stabilește cerințele pentru gestiunea deșeurilor provenite din industria extractivă și impune criterii pe termen scurt și lung pentru ca un deșeu să fie considerat inert.
La nivel mondial orientarea către domeniul reciclării și valorificării deșeurilor este promovată prin criterii coerente cu privire la compatibilitatea tehnică și integrarea în mediul înconjurător a materialelor, însă, în țara noastră sunt puține centre de cercetare cu interes în acest domeniu, majoritatea anexate pe reciclarea în domeniul industriei metalurgice sau a cimentului/betonului. Reglementările noi naționale cât și cele internaționale solicită gestionarea deșeurilor conform ierarhizării prioritare urmărind etapele: prevenire, minimizare, recuperare, reciclare, valorificare și eliminare.
Figura 2. Reciclarea deșeurilor industriale la nivel mondial
Conform legislației europene, până în anul 2020 producătorii de deșeuri și autoritățile administrației publice locale trebuie să atingă un nivel de pregătire pentru reutilizare, reciclare și alte operațiuni de valorificare materială.
Mai mulți cercetători din Polonia, Spania, Belgia, Danemarca și Marea Britanie au studiat materialele ecologice care vor conduce la un nou concept de mixturi asfaltice. Aceștia au precizat că se estimează că mai mult de 90% din cele 5,2 milioane de kilometrii de drumuri și autostrăzi europene sunt acoperite cu mixtură asfaltică. De asemenea, în jur de 44% din cantitatea de mărfuri transportată în Uniunea Europeană se desfășoară pe structurile rutiere, iar acest aspect este extrem de important să se mențină calitatea acestora datorită faptului că este crucial pentru economie. Construcția unui nou drum are un anumit număr de implicații de mediu, consumând un număr mare de materiale necesare și energie. În plus, prețul petrolului, care este sursa primară a bitumului rutier, a crescut foarte mult în ultimii ani. Acest lucru a condus la creșterea prețului final al mixturilor asfaltice.
Cu scopul de a promova soluțiile sustenabile și să se combată creșterea prețului mixturilor asfaltice este necesar să se implementeze pe scară largă aceste măsuri. Dezvoltarea de noi materiale și tehnologii pentru integrarea soluțiilor ecologice, a deșeurilor și a materialelor reciclate în ciclul de producție a mixturilor asfaltice este o soluție care îmbunătățește atât din punct de vedere al reducerii poluării dar și prin eficientizarea costurilor de producție a structurilor rutiere. Având în vedere compoziția structurilor rutiere, pot fi prezentate principalele inovații precum: în stratul de uzură s-a adăugat un modificator al bitumului derivat din producția de deșeuri industriale recuperate de bioetanol ca o alternativă la aditivii tradițional utilizați pentru modificarea polimerului, în stratul de bază agenții fluxanți bio permit integrarea unui procent mai mare de mixtură asfaltică reciclată în proiectarea noilor rețete de mixtură și straturile de fundație care sunt alcătuite în principal de materiale provenite din prelucrarea deșeurilor industriale sau din materiale provenite din deșeuri de construcție și de demolare.
Sectorul construcțiilor rutiere necesită măsuri pentru reducerea consumului de energie, reducerea impactului negativ asupra mediului și, cel mai importat, reducerea costurilor de utilizare a materiilor prime. S-a urmărit contribuția la dezvoltarea durabilă prin aderarea la politicile UE relevante și prin reducerea impactului asupra mediului asociat construcției de drumuri. Obiectivul a fost de a demonstra tehnologii care să permită reciclarea mixturii asfaltice, utilizarea deșeurilor și lianți bio integrate în mod adecvat în proiectarea rețetelor de mixturi asfaltice inovatoare, crescând astfel viabilitatea lor comercială.
Prithvi S. Kandhal a evaluat, în laborator sau pe teren, mai multe tipuri de deșeuri industriale care pot fi utilizate în compoziția mixturilor asfaltice și a precizat faptul că reciclarea acestora în construcția de drumuri trebuie încurajată. Cu toate acestea, este necesar să se abordeze preocupări tehnice, preocupări de mediu și preocupări economice înainte de a se utiliza oricare material nou pe scară largă și o primă etapă o presupune evaluarea în laborator urmată de sectoare experimentale pe aceste soluții. Mixturile asfaltice la cald care conțin unul sau mai multe deșeuri industriale, în proporții diferite, ar trebui să se comporte la fel de bine ca rețeta standard a aceleiași mixturi asfaltice sau chiar să fie îmbunătățită.
În raportul final al studiului de cercetare denumit “Utilizarea deșeurilor industriale în construcția autostrăzilor” dezvoltat de Imtiaz Ahmed pentru Departamentul de Transporturi din Statele Unite ale Americii s-a evaluat posibilitatea de utilizare a mai multor materiale provenite din deșeuri industriale precum cauciuc din anvelope uzate, deșeuri din sticlă utilizată, materiale provenite din reciclarea straturilor rutiere, zguri și cenuși, materiale reutilizate din construcții, nămoluri și șlamuri. Rezultatele obținute în urma studiilor sunt favorabile utilizării acestora și susținerii reintroducerii în uz a anumitor produse considerate deșeuri precum și pentru susținerea dezvoltării durabile.
Utilizarea agregatelor artificiale în mixturi asfaltice
În literatura de specialitate, atât pe plan național cât și internațional, se menționează mai multe soluții care pot fi utilizate cu scopul de a îmbunătății performanțele mixturilor asfaltice care au în compoziție diverse adaosuri de natură ecologică obținute prin reciclarea diverselor deșeuri.
Cercetare la nivel național
În România s-au efectuat studii pentru toate tipurile existente de zguri (de la Reșița, Hunedoara, Galați, Câmpia Turzii, Targoviște) însă, cererea de astfel de agregate la noi în țară rămâne încă mică, și în special interesul este pentru granulometrie mică, sort 1.6-8mm, care reprezintă deasemenea o cantitate scăzută în structura rutieră. Încercările efectuate au demonstrat că pot fi utilizate agregatele din zguri pentru sortul 4-8 mm într-un procent de 25% într-o mixtură asfaltică. Prin acest studiu efectuat s-a demonstrat că se poate îmbunătăți cantitatea agregatelor din zgură de la 10% până la aproximativ 55-60%.
Elena Diaconu și Ștefan Lazăr au studiat valorificarea zgurii de oțelărie în îmbrăcămințile bituminoase cilindrate la cald în anul 2009. În cadrul acestui studiu s-au efectuat încercări în vederea utilizării zgurilor de oțelărie sub 8 mm pentru înlocuirea criblurii în mixturile asfaltice. S-a urmărit stabilirea cantității optime de zgură de oțelărie care poate fi folosită ca înlocuitor în compoziția unei mixturi asfaltice tip AB2. În acest scop s-au confecționat și încercat probe pentru trei rețete de mixtură asfaltică cu zgură de oțelărie sort 0-8mm în procente de 20%, 50% și 100%. Rezultatele obținute au demonstrat că se poate folosi zgura de oțelărie sortul 0-8mm la agregat pentru mixturile asfaltice tip AB2 pentru cel puțin un procent de 50% . S-a mai precizat că pentru a înlocui total criblura cu zgura de oțelărie, cantitatea de bitum necesară în mixtură trebuie să fie mai mare cu cca. 10%.
Laurențiu Stelea și Georgeta Grîsîc au făcut cercetări în anul 2012 asupra utilizării zgurilor în construcția de drumuri și anume s-au înlocuit agregatele naturale cu agregate din zgură. În prima etapă s-a studiat zgura de furnal granulată de la Galați (LIDONITUL) și s-au făcut determinări pe sortul 0-63 mm, iar în partea a doua a studiului s-a studiat zgura de furnal expandată de la Hunedoara pe sorturile 0-4, 4-8, 8-16 și 0-63mm. Astfel s-a demonstrat că prin procesarea chimică și fizică a unei zguri siderurgice (cu condiția să se scadă conținutul de CaO sub 4%) se asigură granulozitatea sorturilor, coeficientul de formă al granulelor, rezistența la uzură Los Angeles, rezistența la strivire, coeficientul de gelivitate, adezivitatea la bitum, însemnând că agregatele artificiale provenite din zguri de furnal pot fi utilizate la lucrări de drumuri și autostrăzi.
Agregatele artificiale din zgură de furnal utilizate în acest studiu de cercetare provin de la haldele de zgură ale ArcelorMittal Galați și se găsesc sub următoarele sorturi 0/4mm, 0/8mm, 8/16mm, 16/31,5 mm, 31,5/63mm, 0/31,5mm, 0/63mm; acestea pot fi materiale nelegate sau legate hidraulic, utilizate în ingineria civilă și în construcția drumurilor.
Cercetare la nivel mondial
Un raport efectuat de Alexander Brand din cadrul Departamentului de Transporturi din Illinois în decembrie 2011, dezvoltă un studiu documentar despre utilizarea materialelor reciclate și recuperate în construcția autostrăzilor din Illinois în două mari capitole ce oferă informații despre tipurile, cantitățile, costurile și unde au fost utilizate aceste materiale în Illinois în anul 2010. Sinteza documentară începe cu cercetări asupra zgurilor de furnal răcite în aer datorită faptului că din întrega producție de agregate artificiale provenite din prelucrarea superioară a deșeurilor din industria siderurgică din Statele Unite ale Americii s-a raportat că acestea au fost utilizate în procent de 90%. De exemplu, dacă sunt incluse în compoziția Hot Mix Asphalt aceste agregate dau proprietăți de frecare excepționale și oferă stabilitate îmbunătățită, în schimb, au un mic dezavantaj și anume necesită o cantitate mai mare de liant pentru a fi anrobate corespunzător. În anul 2010 s-a estimat că au fost utilizate 1 639 tone pentru construcția autostrăzilor, iar costul acestora însumând aproximativ 11 768 $.
Un studiu efectuat în Malaesia cu scopul de a determina proprietățile Hot Mix Asphalt în momentul în care se utilizează agregate din zgura siderurgică, arată că: mixtura asfaltică obținută cu agregate din zgură are o valoare mai mare a conținutului optim de bitum comparativ cu aceeași mixtură asfaltică dar cu agregate convenționale. Acest lucru este posibil datorită gradului mai mare de porozitate al agregatelor din zgură. Rezultatele încercării de modul rezilient arată că mixtura cu zgură are valoare mai mare comparativ cu mixtura cu agregate convenționale. În ceea ce privește făgășuirea, mixtura preparată cu agregate din zgură are o forță de coeziune mai mare față de mixtura convențională. Încercarea la fluaj ne prezintă că mixtura cu zgură are deformații permanente mai mici comparativ cu agregatele convenționale. Motivul din spatele acestui rezultat se datorează proprietăților zgurilor siderurgice care au o mai mare aderență față de mixtura asfaltică.
În Croația s-a studiat, la Universitatea din Zagreb de către cercetătorii Praveen Mathew, Leni Stephen, Jaleen George, posibilitatea utilizări zgurilor siderurgice în producția mixturilor asfaltice iar în urma numeroaselor încercări de laborator efectuate pe astfel de mixturi (comparație între proprietățile fizice pe agregate naturale și cele obținute din zgură; proprietăți fizico-mecanice ale mixturilor asfaltice cu zguri, comparativ cu cele clasice; făgășuire, rezistența la derapaj și textura suprafeței mixturilor asfaltice) și s-a concluzionat că zgurile utilizate în acest studiu pot înlocui cu succes agregatele naturale, precum și că evaluarea zgurilor au ca rezultate geometrice, fizice, mecanice și proprietăți mecanice care satisfac caracteristicile necesare pentru utilizarea lor în mixturile asfaltice.
În Arabia Saudită producția anuală în anul 2002 era de 350 000 tone și se estima că în 2003 producția să crească la 500 000 tone. Marea problemă în Arabia Saudită este clima, datorită temperaturilor ridicate, acestea sunt fenomene extrem de comune in structurile flexibile care influențează foarte mult deformațiile permanente/făgășuirea și rezistența la oboseală. Utilizarea agregatelor din zguri în mixturile asfaltice pot fi benefice în mai multe moduri. Acestea pot depăși performanțele agregatelor naturale în ceea ce privește rezistența la derapaj și o durată de viață la oboseală mai mare.
La nivel modial se precizează că greutatea mai mare și porozitatea ridicată a agregatului pot duce la costuri suplimentare atunci când sunt utilizate în mixturile asfaltice la cald (HMA). Greutatea mai mare crește costul transportului agregatului de la sursa unde sunt produse la locul unde se prelucrează și se pun în operă, iar porozitatea ridicată a agregatului conduce la o cerere pentru mai mult liant bituminos comparativ cu mixturile asfaltice folosind agregate naturale. Greutatea mai mare a mixturii asfaltice cu agregate din zgură înseamnă că o anumită greutate de mixtură nu acoperă același volum de drum ca o mixtură convențională cu agregate naturale. Prin urmare, mai multe tone de amestec bituminos sunt necesare pentru a acoperi aceeași lungime, lățime și adâncime de sector rutier decât HMA convenționale. Acest lucru, împreună cu nevoia de mai mult liant bituminos, ridică costurile de producție a mixturii asfaltice.
Informații privind costul utilizării agregatelor artificiale în mixturi asfaltice sunt dificil de cuantificat. Anumite state din Statele Unite ale Americii care utilizează agregatele atificiale din zgură ca înlocuitor al agregatelor naturale în compoziția mixturilor asfaltice indică faptul că datorită proprietăților dezvoltate ca agenți de îmbunătățire a frecării, costul mărit al utilizării acestora este echivalent cu costul importului de agregate mai bune din statele adiacente.
În statul Washington, executantul care folosește agregate artificiale din zgură de furnal în zona Seattle, pe proiecte private, indică o economie de costuri pentru utilizarea agregatelor naturale provenite din surse apropiate locațiilor de punere în aplicare a structurilor rutiere. Acest lucru este acceptat datorită limitărilor privind disponibilitatea agregatelor din zgură, limitată la instalația Nucor din Seattle, nu este economic să se utilizeze astfel de agregate pentru a înlocui agregatul natural în cazul în care sunt implicate distanțe mari de la producător la locul de punere în operă a structurii rutiere.
Un număr de 16 state și districte din Columbia au raportat că utilizează sau au utilizat agregate artificiale din zgură de furnal.
Criteriile de acceptare ale acestora ca înlocuitor pentru agregatele naturale sunt detaliate mai jos, în funcție de jurisdicția fiecărui stat în care se folosesc:
Indiana – Departamentul de Transport Indiana (InDOT) include agregatele din zgură de furnal în specificațiile lor tehnice. Încercarea pentru a determina conținutul de părți fine nocive trebuie să includă și încercarea de expansiune înante să se utilizeze; În cazul în care conținutul de părți fine nocive este mai mic de 4% agregatele pot fi utilizate;
Illinois – Departamentul de Transporturi Illinois (IDOT) a impus o politică în 2008 subliniind că este necesar să se prezinte de către producător granulometria agregatelor, calitatea și metoda de obținere a acestora, densitatea specifică, absorbția de apă și încercarea de expansiune înante să se facă transport cu aceste agregate în statul Illinois și să se accepte utilizarea acestora;
Iowa – se folosesc agregatele din zgură în straturile de uzură ca agregat cu rezistență mare la frecare pe autostrăzi interstatale, în partea de sud-est și centrală, apoape de singura sursă de agregate din zgură din stat. Costul e echivalent cu importul agregatelor cu frecare sportiă din Dakota de Sud și se înlocuiesc 20-30% din totalul agregatelor;
Minnesota – este necesar să se facă încercarea de expansiune înante să se utilizeze, nu se poate utiliza un dozaj mai mare de 25% din cantitatea totală a agregatelor utilizate în proiectarea unei rețete de mixtură asfaltică. Departamentul de Transport din Minnesota (MnDOT) acceptă agregatele din zgură de furnal în specificațiile tehnice și standarde pentru mixturi asfaltice;
Missouri – Departamentul de Transporturi din Missouri (MoDOT) impune menținerea timp de trei luni consecutive a agregatelor de zgură la sensibilitatea la apă, după care se poate lua decizia dacă se pot utiliza sau nu în compoziția mixturilor asfaltice. Agregatele din zgură de furnal nu pot fi amestecate sub nici o formă de la două surse de proveniență diferite;
Ohio – controlul calității al Departamentului de Transport din Ohio (ODOT) prevede că producătorul agregatelor este în egală măsură răspunzător pentru calitățile tehnice ale agregatelor cu cel care procesează și utilizează astfel de agregate artificiale. Planul de controlul calității al producătorului include desemnarea responsabililor pentru fiecare furnal în parte, pe etape de lucru, pe metode utilizate pentru obținerea zgurii, verificarea produsului final prin granulometrie, absorbție de apă, procent de părți fine care includ aglomerări de var, etc. Până la 100% din agregatul grosier poate fi înlocuit de agregate din zgură, dar dacă este utilizat acest dozaj de înlocuire, utilizarea agregatului fin din zgură este limitat la 50%. Se poate preciza că s-a demonstrat că totalul costului unei mixturi asfaltice este dat de costul liantului bituminos mai mult decât de costul agregatului artificial din zgură;
Pennsylvania – agregatele artificiale din zgură sunt sortate și dimensionate, eșantionate și testate la expansiune folosind o proceduă de încercare PennDOT (a Departamentului de Drumuri Pennsylvania). Stocul este acceptat dacă expansiunea este mai mică de 0.5%, în cazul în care nu trece de testul de expansiune, stocul este udat cu apă și retestat după minim 6 luni. Dacă din nou nu trece testul de expansiune este nevoie să se pună la înmuiat încă 2 luni în plus;
South Carolina – materialele granulare dimensionate și sortate trebuie păstrate într-un depozit controlat și saturat continuu, timp de minim 6 luni, înainte de utilizare. Materialul se încearcă la expansiune înainte de utilizare conform unei metodologii SCDOT. Dacă materialul nu trece testul de expansiune se pune în mediu saturat timp de încă 2 luni, după care se efectuează din nou încercarea. Datorită volumului redus de agregate din zgură din anul 2010 se utlizează doar în straturile de bază și pot înlocui agregatele naturale în proporție de maxim 20%;
Washington – agregatele din zgură de furnal sunt utilizate de Lakeside Industries în proiecte private. Aceștia utilizează 10-12% ca înlocuitor al agregatelor naturale în mixturile asfaltice. Agregatele din zgură costă cu 2-3$ / tonă mai puțin decât agregatele naturale;
West Virginia – agregatele se dimensionează și sortează după care se mențin în condiții umede pentru o perioadă de minim 6 luni după care se testează expansiunea acestora; valoarea trebuie să fie mai mică de 0,5% la 7 zile după încercare în conformitate cu ASTM D4792.
Modulul rezilient reprezintă modulul de rigiditate dinamic al mixturilor asfaltice și se determină prin încercarea acestora la încovoiere sub efort constant. Modulul de rigiditate furnizează informații despre gradul de deformare al materialului sub acțiunea unei încărcări date, depinde de valorile deformațiilor permanente și de fenomenul de fisurare din oboseală, depinde de temperatură și de viteza cu care este aplicată încărcarea.
Rezultatele încercării de modul rezilient (figura 14) au demonstrat că mixtura cu zgură obține valoari mai mari comparativ cu mixtura cu agregate convenționale. Mai mult, temperatura influențează și ea rezultatele acestei încercări.
Figura 3. Modulul rezilient pentru mixtura ACW14 (roșu) și pentru ACB28 (verde)
În ceea ce privește încercarea la făgășuire (figura 15), mixtura confecționată cu agregate din zgură are o forță de coeziune mai mare față de mixtura convențională. Astfel se poate observa, în urma rezultatelor obținute, că mixtura asfaltică care are în compoziție agregate din zgură prezintă o rezistență mai mare comparativ cu mixtura asfaltică convențională.
Figura 4. Încercarea de fluaj
Încercarea la fluaj ne prezintă că mixtura cu agregate din zgură are deformații permanente mai mici comparativ cu agregatele convenționale. Motivul din spatele acestui rezultat se datorează proprietăților zgurilor siderurgice care au o mai mare aderență față de mixtura asfaltică.
Rezultatele acestui studiu sugerează că utilizarea agregatelor din zgură sunt benefice pentru mediul înconjurător și, în același timp, reduce utilizarea agregatelor naturale neregenerabile în construcția drumurilor.
Cu rezultatele excelente obținute pentru modul rezilient și cu potențialul redus la făgășuire, este recomandat ca zgurile siderurgice să fie utilizate ca înlocuitori ale agregatelor clasice pentru o dezvoltare durabilă în sectorul construcției de drumuri.
Studiul efectuat de cercetătorii Ludfi Djakfar, Hendi Bowoputro și Yulvi Zaika din Indonesia în anul 2013 a demonstrat că utilizarea agregatelor din zguri în mixturi asfaltice poroase oferă cele mai bune performanțe ale mixturii asfaltice, atât pentru stabilitate cât și pentru permeabilitate.
Utilizarea pulberilor provenite din deșeuri industriale în mixturi asfaltice
Cercetare la nivel național
Ideea utilizării pulberii din cenușă de termocentrală în locul filerului în compoziția mixturilor asfaltice ca materil de adaos nu este un concept nou. Utilizarea sa în amestecurile bituminoase a fost investigată de mulți oameni de știință, iar concluziile cercetărilor conduc către aspecte pozitive în cazul utilizării acesteia.
În România, Paul Marc a studiat în cadrul tezei de doctorat și utilizarea cenușii de termocentrală la prepararea mixturilor asfaltice și a ajuns la următorele concluzii în urma experimentelor realizate la Universitatea Politehnica din Timișoara (2011): stabilitatea Marshall determinată pentru temperaturi mai mari ca temperatura de testare cu 10°C, respectiv 20°C, datorită conductivității și căldurii specifice superioare pentru mixtura asfaltică ce conține în amestec un procent semnificativ de cenușă (7.5%, 10.0%) scade cu aproximativ 5% față de 30% pentru mixtura ce conține în amestec filer de calcar.
Modulul de rigiditate determinat la temperaturi mai mari decât temperatura de testare (15°C) cu 5°C respectiv 10°C, pentru mixtura ce conține cenușă, scade cu 30% față de 60% pentru mixtura ce conține filer, ambele având același procent de bitum.
Fluajul determinat pentru temperaturi mai mari cu 10°C, respectiv 20°C ca temperatura standard de 50°C, arată o creștere a deformației permanente cu aproximativ 58% pentru mixtura asfaltică ce conține cenușă în amestec și prezintă caracteristici termice superioare față de 68% pentru mixtura ce conține filer, diferența între valorile asociate vitezei de fluaj, respectiv deformației permanente este din ce în ce mai mică.
Referitor la rezistența la oboseală, se poate concluziona că datorită căldurii specifice superioare rezultate pentru proba de mixtură asfaltică ce conține în amestec cenușă, valoarea deformației verticale respectiv orizontale este mai mică decât în cazul mixturii asfaltice ce conține în amestec filer.
La arderea în suspensie de gaz a cărbunilor fin măcinați în focarele centralelor termice rezultă 15-25% zgură de focar, care se depune în instalația de ardere și 78-85% cenuși separate de gazele de ardere în sisteme de desprăfuire mecanică sau electrostatică. Fracțiile granulometrice mai grosiere de cenușă se depun în cicloane, iar cele fine, numite cenuși volante (zburătoare) sunt captate în electrofiltre.
Cantitățile cele mai mari de cenușă sunt utilizate în lucrări de umplutură și de stabilizare a pământurilor, în condițiile corelării densității și umidității cenușii cu compactibilitatea.
În plus, se utilizează în compoziția mixturilor asfaltice preponderent ca înlocuitor al părții fine din agregate cu scopul îmbunătățirii lucrabilității și impermeabilității acestora. Studiile efectuate au demonstrat că oferă caracteristici îmbunătățite tuturor straturilor din compoziția structurilor rutiere.
Pe plan național s-au făcut studii și evaluări privind depozitarea cenușii zburătoare rezultate la arderea cărbunilor din CET-uri în conformitate cu cerințele de mediu și a postutilizării acesteia în infrastructura rutieră.
Reziduul anorganic din procesul de ardere a cărbunilor în focarele instalațiilor termoenergetice este un solid granular cunoscut sub denumirea de subprodus de la arderea combustibililor sau, altfel spus, cenușa de termocentrală. Aceasta este o pulbere fină formată în special din particule sferice, produsă în timpul arderii combustibililor pulverizați.
Figura 5. Bazin de decantare al uzinelor sodice și cenușa captată
Cenușile de la CET-uri (figura 25) reprezintă un deșeu industrial care datorită compoziției chimice și proprietăților hidraulice, poate constitui surse noi de materii prime valorificabile în diverse domenii. La noi în țară cenușa este captată pe electrofiltre și este eliminată umed pe halde construite în acest scop. Administrarea acestor depozite presupune un consum imens de apa pentru menținerea cenușii în stare umedă (adică în formă stabilă împotriva acțiunii vântului). Stabilizarea cenușii adică solidificarea acesteia constă în transformarea dintr-un solid granular într-un corp solid, cu rezistențe mecanice suficiente pentru a rezista la acțiunea agenților climatici (respectiv a vântului sau a ploii).
În vederea găsirii unei soluții pentru valorificarea în diverse lucrări rutiere a cenușii de termocentrală de la CET Govora, protocolul încercărilor de laborator a urmărit în cadrul studiului și înglobarea acesteia într-o matrice liantă utilizându-se proprietățile puzzolanice bine cunoscute ale acestor tipuri de materiale. În acest scop, au fost preparate diverse amestecuri: cenuță, var, apă de batal, ciment, produsele rezultate după întărire fiind supuse testului de levigare pentru a urmări în final, capacitatea de imobilizare ireversibilă a metalelor toxice componente ale cenușii de termocentrală în matricea silicioasă. În urma cercetărilor efectuate în acest studiu s-a concluzionat că cenușile studiate pot fi prelucrate și ulterior pot fi folosite ca filere în mixturile asfaltice având proprietăți foarte bune și aducând mixturii asfaltice beneficii precum și îndepărtarea acestora de pe suprafața terenurilor, redarea acestora în uz și protejarea mediului înconjurător prin eliminarea substanțelor nocive care ajung în teren și în apa de suprafață.
Cercetare la nivel mondial
Henning a investigat efectul cenușii de clasa C asupra proprietăților mixturii asfaltice. El a concluzionat că prin adăugarea de 4% cenușă în masa mixturii asfaltice rezultă o stabilitate ridicată, dar cu volum de goluri scăzut. Henning a declarat de asemenea ca și antecedenții săi cercetători, că cenușa conduce la o stabilitate mai mare după ce proba a fost imersată în apă.
Rosner și alții au folosit cenușa ca material de umplere în mixtura asfaltică, atrătând astfel că probele își păstrează rezistența, iar prin adăugarea de cenușă, rezistențele cresc. În majoritatea cazurilor, ei au considerat că rezistența mixturii asfaltice ce conține cenușă ca material de umplere este mai mare față de utilizarea ca materiale de umplere a materialelor naturale.
Suheibani a efectuat un studiu în care s-a analizat modul de acoperire al particulelor de cenușă în funcție de mărime, remarcând astfel că un surplus de cenușă în amestec afectează vâscozitatea mixturii asfaltice. A examinat, de asemenea, efectul proprietăților cenușii zburătoare, declarând astfel că utilizarea cenușii în mixtura asfaltică ar putea conduce la economii considerabile, dar fără cerință suplimentară de liant în amestec.
Cele mai numeroase și uzuale filere obținute din cenușă de termocentrală au granulometria cuprinsă între 60-90% trecând pe sita de 75μm.
Figura 6. Filer de cenușă de termocentrală
Cercetătorul Rosner a folosit cenușa ca material de umplere în mixtura asfaltică, atrătând astfel că probele își păstrează rezistența, iar prin adăugarea de cenușă, rezistențele cresc. În majoritatea cazurilor, ei au considerat că rezistența mixturii asfaltice ce conține cenușă ca material de umplere este mai mare față de utilizarea ca materiale de umplere a pulberii din filer de calcar.
Figura 7. Exemple tipuri de filer
Sankaran și Rao au făcut o comparație între utilizarea cenușii de termocentrală și alte materiale destinate ca materiale de umplere în mixturile asfaltice, cum ar fi argila și praful rezultat de la agregate. Ei au determinat că la un conținut de cenușă de 2% au obținut cea mai mare stabilitate față de celelalte materiale de umplere.
Henning a investigat efectul cenușii de clasa C asupra proprietăților mixturii asfaltice. El a concluzionat că prin adăugarea de 4% cenușă în masa mixturii asfaltice rezultă o stabilitate ridicată, dar cu volum de goluri scăzut. Henning a declarat la fel ca și antecedenții săi cercetători, că cenușa conduce la o stabilitate mai mare după ce proba a fost imersată în apă.
Warden și alții au afirmat că cenușa este un material de umplere corespunzător în mixturile asfaltice, astfel introducerea ei asigură o stabilitate îmbunătățită, o rezistență mai bună la umiditate cât și flexibilitate.
Suheibani a efectuat un studiu în care a analizat modul de acoperire al particulelor de cenușă în funcție de mărime, remarcând astfel că un surplus de cenușă în amestec afectează vâscozitatea mixturii asfaltice. A examinat, de asemenea, efectul proprietăților cenușii zburătoare, declarând astfel că utilizarea cenușii în mixtura asfaltică ar putea conduce la economii considerabile și fără cerința suplimentară de liant în amestec.
Utilizarea lianților bituminoși modificați cu deșeuri industriale și a bio-uleiului în mixturi asfaltice
Cercetare la nivel național
Bitumul rutier (figura 30) este cel mai cunoscut liant în construcția drumurilor. Oricum, necesitatea pentru drumuri cât mai durabile și sigure implică o înțelegere cât mai bună a lianților cu privire la mecanismul de îmbătrânire, și cum pot fi îmbunătățite carecteristicile acestora prin adăugarea de polimeri. Cu toate că bitumurile modificate cu cauciuc măcinat provenit din anvelope uzate au fost aplicate cu mare succes peste tot în lume, fenomenul de interacțiune dintre bitum și cauciuc nu este deplin cunoscut.
Figura 8. Liant bituminos
Un studiu efectuat de Bogdan Andrei și alții prezintă folosirea lianților puzzolanici pe baza unor cercetări tematice, atât cu caracter fundamental cât și cu caracter aplicativ, întreprinse în România la Universitățile Tehnice din București, Iași, Timișoara și Cluj-Napoca, precum și la Institutele Naționale de Cercetare-Dezvoltare din domeniile transporturilor și al materialelor de construcții.
Obiectivul acestei lucrări este de a aduce în prim plan calitățile competitive ale unui liant puzzolanic, și anume, tuful vulcanic în amestec cu var. În urma încercărilor de laborator asupra mai multor tipuri de tuf vulcanic și numeroase procente de amestecuri, se desprind observații asupra proprietăților fizico-mecanice ale liantului tuf+var precum: din punct de vedere al fineței de măcinare trecerile pe sita de 0,09 mm sunt practic aceleași; dar și faptul că dozajul optim de activare pentru toate tipurile de tuf este de 40% . Dozajul relativ mic de activator cât și utilizarea unui material natural conduc la obținerea unui liant ce nu necesită consumuri mari de energie așa cum este cazul cimentului Portland, fapt ce poate plasa lianții pe bază de tuf vulcanic și activator pe poziția unui liant alternativ la stabilizarea materialelor locale pentru lucrări rutiere.
Au fost efectuate studii atât pe plan național cât și internațional pentru bitumurile cu polimeri sau elastomeri, după cum urmează:
Eugen Țucă a studiat bitumul modificat cu polimeri în vederea asigurării adezivității. Rezultatele testelor de adezivitate efectuate cu OMV Bitumem Plus pe o categorie dificilă de agregate (cum este cuartzit-ul) subliniază următoarele avantaje: potențiatorii de adezivitate sporesc afinitatea dintre bitum și agregate; stabilitatea mai bună a mixturii asfaltice datorită umectării mai bune a agregatelor și a adezivității sporite; reduce efectul de dezgrădinare, prelungește durata de viață a drumului și reduce cheltuielile de întreținere. Iar ca și concluzie generală a susținut că folosirea unui bitum cu caracteristici potrivite datorită adăugării unui potențiator conduce la lărgirea gamei de agregate în producerea mixturilor asfaltice prin îmbunătățirea adezivității în mod semnificativ.
În România, parteneriatul cu firma EVONIK conduce la un produs cu preț avantajos și favorabil mediului. Folosirea de polimeri pentru modificarea bitumului și a mixturilor asfaltice conduce la costuri de construcție puțin mai ridicate, dar în același timp se pot realiza cheltuieli minime privind întreținerea drumurilor, astfel încât se ajunge la un preț mult mai avantajos de construcție și de întreținere a drumurilor. Prin utilizarea produsului ROAD+, care are componenta de bază pudreta de cauciuc în combinație cu un alt produs inventat și pantentat de această firmă (Vestenamer), favorizează dispersarea pudretei de cauciuc în bitum și formează o legătură chimică cu pudreta, evită emisii importante de CO2 și, în acest fel, se aduce un beneficiu atât climei cât și mediului înconjurător. Având în vedere calitatea extrem de variată a bitumurilor folosite în Romania, marele avantaj al produsului Road+ este că poate modifica orice tip sau sortiment de bitum, indiferent de proveniență. Rezultate excelente s-a obținut pe mastic, beton asfaltic, asfalt silențios și straturi SAMI (Stress Absorbing Membrane Interlayer). Are capacitatea de a compensa tensiunile datorate variațiilor extreme de temperatură de la zi la noapte, indiferent de zona climatică (tropicală sau polară).
Figura 9. Mixtură asfaltică cu ROAD +
Adoptând managementul național la sfârșitul de viață al cauciucului (figura 47) pe baza analizei diverselor situații poate fi dificil, dacă nu chiar imposibil și trebuie elaborate instrucțiuni generale. De fapt, un număr sporit care evaluează ciclurile de viață (Life Cycle Assessment-LCA) au fost efectuate, în ultimii ani la nivel internațional și au demonstrat beneficiile mediului înconjurător (sau impactul asupra acestuia) asociate cu utilizarea cauciucului reciclat din anvelope care substituie celelalte materiale elastice.
Cu scopul de a ilustra beneficiile de mediu asociate cu utilizarea mixturilor asfaltice la cald cu cauciuc, energia si salvarea emisiilor de CO2 poate fi cuantificată în timpul întregului proces de construcție al drumului, care constă în:
Producerea de mixturi la cald (marunțirea anvelopelor, granularea, transpotul cauciucului mărunțit, producția de bitum modificat și amestecarea în stații de mixturi asfaltice), presupunând un strat cu o grosime de 3 cm în ciuda a 6 cm de mixtură asfaltică convențională;
Transportul mixturii asfaltice la cald. Salvarea energiei în această fază este esențială datorită reducerii grosimii stratului de la suprafață;
Frezarea. Consumul total de combustibil al unei freze de asfalt poate fi evaluat luând în considerare grosimea suprafeței îndepărtate;
Dispoziția materialelor rezultate, presupunând o distanță medie de 10 km între locul unde trebuie pusă în operă și depozitul de deșeuri;
Bitumul natural este luat de la o rafinărie de la maxim 100 km distanță de la locul unde se pune în operă și agregatele de la o distanță de 20 km;
În stratul nou de îmbrăcăminte asfaltică, ținându-se cont de puterea nominală a fiecărei mașini utilizate.
Principala concluzie este că în ceea ce privește reciclarea anvelopelor uzate și utilizarea în construcția drumurilor, protecția mediului nu mai este o povară, ci este o resursă.
Nechita Ruxandra a studiat mixturile asfaltice realizate cu bitum modificat cu polimeri sau cu bitum și polimeri echivelenți. Cel mai des se utilizează polimerul termoelastic strien-butadien-strien SBS. Prin amestecul unei cantități relativ scăzute de SBS (3…15%) în bitum se majorează gama de activitate cu bitumul, o elasticitate mai mare și se încetinește procesul de îmbătrânire al bitumului. Folosirea modificatorilor pentru bitumurile rutiere se reflectă nu numai asupra liantului, ci și asupra caracteristicilor fizico-mecanice ale mixturii asfaltice, în sensul îmbunătățirii comportării la temperaturi scăzute și temperaturi ridicate, precum și la solicitări mecanice repetate. Ca și produs alternativ a considerat un polimer echivalent care reprezintă un produs granular alcătuit din polimeri flexibili semi-rigizi, cu punctul de înmuiere și topire în intervalul de 150°C – 160°C, care din punct de vedere al comportării elastice se situează undeva între elastomeri și polimeri rigizi fiind alcătuit din materiale flexibile.
Astfel, a utilizat următoarele materiale din anvelopele uzate, în urma unui proces de măcinare și cernere se obțin granule de cauciuc și pudretă. O aplicație industrială este utilizarea pudretei și a granulelor în mixturile asfaltice, aplicație ce a condus la obținerea unor bune rezultate în reducerea zgomotului de rulare a automobilului, în reducerea riscului derapării și în garantarea unei durate de viață mai mare a drumurilor. Amestecul de bitum rutier și pudretă de cauciuc vulcanizat obținut printr-un procedeu termo-calitativ urmat de granulare adăugat direct, aproximativ 12% în malaxorul stației de producere a mixturilor asfaltice imediat după dozarea agregatelor încălzite, malaxarea uscată și apoi se adaugă un procent de bitum stabilit. Amestecul solid din pudretă de cauciuc și un polictenamer cristalin se adaugă direct 5…20% în malaxorul stației de producere a mixturilor asfaltice imediat după dozarea agregatelor încălzite, malaxarea uscată și apoi se adaugă procentul de bitum stabilit.
În urma încercărilor, s-a concluzionat că: bitumul modificat cu polimeri poate fi util deoarece rezistă mai bine condițiilor de temperaturi extreme și are ca rezultat o deformare elastică mai degrabă decât una plastică, de aceea este preferat în majoritatea țărilor europene. Pentru reducerea costurilor ridicate ale bitumurilor modificate cu polimeri, cercetătorii fac eforturi să integreze în bitum plastic reciclat. Materialele plastice/polimerii cu cel mai mare potențial sunt polietilenele cu densitate mare sau mică. Proprietățile plastice și elastice ale mixturilor asfaltice cu bitum modificat sau soluții alternative de modificare a mixturilor asfaltice sunt: ameliorarea rezistenței la deformări vâsco-plastice (făgașe) în perioada de vară, ameliorarea rezistenței la crăpături și fisurări în perioada de iarnă, influențarea duratei de viață a îmbrăcăminților suple și normale ale sistemului rutier, posibilitatea reducerii cu 10% a grosimii straturilor de mixturi asfaltice și posibilitatea reducerii procentului de bitum în mixturile asfaltice.
Un program național coordonat de Marin Radu si Mariana Georgescu intitulat „Bitumuri modificate cu sistemul polimeric INDIGEN CAPS pentru realizarea de îmbrăcăminți rutiere performante” a demonstrat utilitatea folosirii modificatorilor pentru bitumurile rutiere care se reflectă nu numai asupra liantului, ci și apupra caracteristicilor fizico-mecanice ale mixturii asfaltice, în sensul îmbunătățirii comportării la temperaturi scăzute și temperaturi ridicate, precum și la solicitări mecanice repetate. Sistemului polimeric CAPS-R se încorporează în bitumurile rutiere, în proporție de 4-6%, acesta fiind alcătuit dintr-un elastomer (cauciuc), un termoplast (polietilenă) și un agent de reticulare (sulf), așa cum este prezentat și în figura 32.
Omogenitatea amestecului (dispersia polimerului) este foarte bună în cazul polimerului CAPS. Domeniul concentrațiilor de polimer pentru modificarea bitumului a fost cuprins între 2-6%. Rezultatele încercărilor efectuate pentru stabilirea proporției optime de modificator CAPS în bitum arată că această valoare este de cca 4% modificator. În urma analizelor efectuate se constată următoarele:
– punctul de înmuiere inel și bilă IB crește odată cu creșterea concentrației de polimer;
– penetrația are o scădere evidentă cu creșterea concentrației de polimer, ajungând pentru 6% CAPS la o penetrație de 50 1/10mm, ceea ce înseamnă un bitum foarte dur;
– proprietățile de elasticitate (revenirea elastică la 13°C) au o creștere spectaculoasă la >2% CAPS.
Se poate concluziona că: dozajele cuprinse între 2 – 3,4% demonstrează că polimerul nu are o pondere prea importantă în bitum; la valori mai mari de 5-6% se deteriorează grav proprietățile importante ca IB și penetrație și deci lucrabilitatea lui. Caracteristicile bitumului modificat Bm cu CAPS, sunt prezentate în tabelul 9.
Utilizarea unui bitum îmbunătățit prin adaos de modificatori polimerici se va resimți benefic și în proprietățile fizico-mecanice și implicit în obținerea unor structuri rutiere durabile și performante.
Figura 10. Microfotografia, în lumină fluorescentă, a bitumului modificat cu CAPS
Tabel 1. Caracteristicile bitumurilor (Arpechim) modificate cu polimeri
Ca și concluzii se poate afirma că modificatorii polimerici îmbunătățesc calitatea lianților bituminoși, care reduc susceptibilitatea termică și cresc rezistența la oboseală și îmbătrânire; CAPS – R este un modificator polimeric (realizat de CCMMM- București) și este un perpolimer; proporția optimă în bitum este de 4%, caracteristicile fizico-chimice și mecanice ale bitumului modificat sunt superioare unui bitum clasic; cresc valorile proprietăților de elasticitate, în special revenirea elastică la 13°C; crește clasa de performanță a bitumului de la 50-54 la 76; utilizarea unui bitum modificat la prepararea mixturilor asfaltice conduce la realizarea de structuri rutiere performante.
Carmen Răcănel și Adrian Burlacu au studiat comportarea la oboseală a mixturilor asfaltice cu bitum modificat cu polimeri. Modulul de rigiditate obținut pentru mixtura asfaltică studiată (MAMR 16) este un modul ridicat cu o valoare de 9300 MPa. Rezistența la oboseală a mixturilor asfaltice studiate pune în evidență faptul că trebuie corelată temperatura de lucru din laborator cu temperatura atmosferică, în situ. La temperaturi mai mari, deformația specifică atinsă pentru un milion de cicluri de încărcare este mai mare: la o creștere a temperaturii cu 10°C corespunde o creștere a deformației specifice cu aproape 280%, ceea ce este de mare importanță în dimensionarea structurilor rutiere.
Un studiu efectuat la Iași de Elena Ursachi prezintă studiul influenței aditivilor Atica ABR 1 (produs de Atica Chemicals SRL Râmnicu Vâlcea) și Adeten 01 (produs de SC Poll Chimic SA Giurgiu). Acești aditivi au fost adăugați la două tipuri de bitum și s-au determinat valorile principalelor caracteristici, atât în stare pură (bitum martor), cât și în amestec 0,4%, respectiv 0,5% (din greutate) aditiv. Aceste bitumuri au fost utilizate la prepararea a 5 tipuri de mixtură diferită iar din analiza rezultatelor obținute în urma cercetării s-a constatat că utilizarea aditivilor nu modifică semnificativ valorile caracteristicilor principale ale bitumurilor și nici tipul de structură inițială (sol-gel) caracteristic bitumurilor rutiere. De asemenea analiza variației valorilor caracteristice fizico-mecanice ale seriilor de mixturi preparate cu bitumuri neaditivate (martor) a dus la următoarele concluzii: densitatea aparentă determinată pe epruvetele martor rămâne practic neschimbată; se remarcă o scădere de 5-10% a absorbției de apă la mixturile cu bitum aditivat. Determinarea valorilor umflării prezintă o reducere a umflării cu circa 20…70%, ceea ce denotă o bună comportare a mixturilor la acțiunea apei în timp. Se observă o creștere a stabilității Marshall și a indicelui de curgere până la dozajul 6,25% bitum, iar peste această valoare stabilitatea Marshall cât și indicele de curgere au valori mai scăzute.
În urma cercetării efectuate în laborator s-a arătat că cele mai bune rezultate pentru stabilitatea Marshall, indicele de curgere, rigiditate și rezistența la oboseală se obțin prin utilizarea aditivului ADETEN 01 cu dozajul de bitum de 6,25%.
În laboratorul de Drumuri CESTRIN, Vasilica Beica și ceilalți au studiat îmbunătățirea lucrabilității mixturilor asfaltice preparate cu aditivi organici și minerali și efectele acestora asupra caracteristicilor tehnice ale mixturii. Probele aditivate au fost analizate comparativ cu probe neaditivate, prepararea și compactarea realizându-se cu aceleași echipamente. Conform acestui studiu, aditivi minerali de modificare a vâscozității pot fi: zeoliții (alumino silicați de sodiu ce prezintă o structură tridimensională, poroasă, ce le permite să absoarbă molecule străine în structura lor și să le elibereze apoi, fără a-și schimba forma și mărimea), amidele acizilor grași (hidrocarburi alifatice cu lanț lung de atomi de carbon), cerurile Fischer-Tropsch (hidrocarburi saturate cu lanț lung de atomi de carbon, obținute prin procedeul de gazeificare a cărbunelui la presiune înaltă și în prezența de catalizator). După încercarea probelor, rezultatele obținute conduc la următoarele concluzii: recomandările de punere în operă pentru amestecul granulat de cretă FT – fibra de celuloză au condus la obținerea unor caracteristici de curgere și deformare mult îmbunătățite comparativ cu mixtura martor; prin utilizarea granulatului în modul și condițiile de adăugare alese de laborator, s-au obținut caracteristici îmbunătățite; indiferent de modul de adăugare a granulatului de ceară FT- fibră în amestec și de temperatura de preparare/compactare, rezistența la deformații permanente (ornieraj) și a rezistenței la oboseală a mixturilor preparate cu acest aditiv este mai bună comparativ cu a mixturilor neaditivate.
Cercetare la nivel mondial
Tehnologia mixturilor asfaltice cu adaos de cauciuc a fost dezvoltată într-un moment când termenul sustenabilitate era departe de a fi un subiect atât de dezvoltat și utilizat. Cu toate acestea, este o tehnologie care susține mediul, care în timp a demonstrat a oferi performanțe mecanice foarte bune în toate condițiile climatice, care durează mai mult comparativ cu mixturile asfaltice convenționale și nu solocită mai puțină întreținere. Nu în ultimul rând, proiectarea mixturii asfaltice care conține soluții ecologice reciclate permite reducerea zgomotului și optimizarea acustică.
S-a făcut un studiu cu scopul de a determina cantitatea optimă de sticlă măcinată și deșeuri din sticlă (pudră) ca filer mineral în compoziția mixturilor asfaltice la cald ca o metodă alternativă la tradiționala metodă întâlnită uzual de praf de piatră spartă.
Conținutul optim de bitum a fost determinat prin metoda Marshall de proiectare utilizând 6 procente diferite de bitum (4,0%, 4,5%, 5,0%, 5,5%, 6,0% și 6,5%).
După stabilirea acestui parametru, au fost utilizate trei tipuri diferite de filere minerale (sticlă măcinată, deșeuri din sticlă și praf de piatră) și 6 diferite cantități de filer (4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%) au fost utilizate pentru a confecționa probele de mixtură asfaltică.
Probele au fost supuse încercării Marshall iar rezultatele au fost comparate. În urma acestui studiu s-a ajuns la concluzia că poate fi utilizată sticla măcinată precum și deșeurile din sticlă cu succes în compoziția mixturilor asfaltice ca materiale de umplere alternativă iar această soluție favorizează atât factorii de mediu cât și factorii economici.
Mixturile asfaltice modificate cu ROAD+ (vezi figura 31) sunt în totalitate reciclabile și produce în timpul acestui proces, mai puține emisii comparativ cu alte tipuri de mixtură. Studii ample referitoare la bilanțul ecologic (LCA) au dovedit că reciclarea cauciucurilor uzate și transformarea acestui deșeu în materie primă, reduc substanțial emisiile de CO2 și se economisesc combustibilii fosili (petrolul). La reducerea efectului de seră contribuie economisirea de minim 1,7 tone de CO2 pe tona de ROAD+.
Cauciucul este un elastomer sintetic sau natural, care poate fi vulcanizat pentru a spori proprietățile utile. Există două tipuri de cauciuc: natural și sintetic. Cauciuc natural latex se obține din arborele de cauciuc numit Hevea braziliensis. Molecula de cauciuc natural este o catenă liniară de hidrocarbură de izopren. La temperaturi sub 100°C acest cauciuc devine rigid și greu întrucât, atunci când este încălzit peste 100°C devine flexibil, moale și transparent.
Cauciucul sintetitic este realizat din produse petroliere și alte minerale și este produs în două etape principale: prima etapă reprezintă producția de monomeri (molecule unitare mici) iar cea de-a doua reprezintă polimerizarea pentru a forma un cauciuc. Există mai multe tipuri de cauciucuri sintetice disponibile pentru diferite aplicații. Unele dintre ele sunt: SBR (strien butadien cauciuc)- utilizat în mixturile asfaltice, cauciucuri de siliciu – utilizate în garnituri, etanșări, etc., cauciuc fluor-carbon – resistent la căldură și atac chimic și cauciuc epiclorhidrină – utilizat pentru confecționarea de jachete, furtun, cabluri, ambalate, etc.
Ilinois Center Transportation a efectuat un studiu detaliat de laborator concentrat pe efectul anumitor aditivi și modificatori când aceștia sunt adăugați în compoziția mixturilor asfaltice. Au fost studiate 2 tipuri de mixtură asfaltică N70, respectiv N90. Numărul 70 și 90 reprezentând numărul de girații aplicat la confecționarea mixturii. Aceste mixturi au fost alese deoarece sunt sensibile la umiditate, așa cum a fost detaliat în studiile de laborator. Aditivi și modificatori utilizați în acest studiu au avut ca scop determinarea directă sau indirectă a sensibilității la umiditate cu LIQUID ANTI-STRIP (îmbunătățește adeziunea între liant și agregate) LAS, striene-butadiene-strien (SBS), acid polifosforic (PPA) și var hidratat.
Figura 11. Mixtură asfaltică modificată cu aditiv anti-strip
LAS produce o adeziune mult mai bună a liantului la suprafața agregatelor. SBS este un polimer termoplastic care îmbunătățește în ansamblu performanțele mixturii asfaltice prin reducerea potențialelor făgășuiri care pot apărea vara și rezistența la oboseală iarna cu creșterea stabilității, elasticității și a rigidității a mixturii asfaltice (Tarefder și Zaman 2010).
La temperaturi ridicate, SBS devine vâscos, astfel poate fi ușor adăugat și amestecat cu liant bituminos.
PPA este un polimer mineral lichid care are multiple aplicații în industrie, incluzând aplicarea acestuia în liantul bituminos rutier cu scopul de a reduce sau de a încetini efectele de îmbătrânire ale mixturilor bituminoase.
PPA poate fi utilizat singur sau împreună cu alți aditivi precum varul hidratat sau LAS și deasemenea polimeri precum SBS. Un alt aspect important al PPA este că nu reacționează negativ cu agregatele artificiale.
S-au făcut studii asupra rețetelor optime ale celor 2 tipuri de mixtură asfaltică, apoi s-a evaluat și procentul de aditiv/modificator care putea fi introdus în fiecare rețetă. Mai jos se poate observa ceea ce s-a determinat în urma încercărilor pentru stabilirea acestor rețete, unde CM 11, CM 16, FM02 și MF reprezintă tipul de agregate utilizat și granulația acestuia (tabel 10):
Tabel 2. Proiectarea mixturii asfaltice N70 și N90 cu LAS, SBS și PPA
Încercările de laborator efectuate sunt conform standardelor AASHTO, s-au confecționat numeroase probe, s-a determinat densitatea și volumul de goluri.
S-au supus 6 probe la incercare indirectă de tracțiune IDT cu dimesniuni de 150 mm diametru și 9,5± 5 mm înălțime, unde volumul de goluri este de 7,0% ± 0,5% (așa cum este prezentat în figura 34) și s-a urmărit procedura de încercare a probelor.
Caracteristicile obținute în urma încercărilor sunt redate în tabelele 11 și 12.
Figura 12. Încercarea de întindere indirectă IDT
Tabel 3. Caracteristicile mixturii asfaltice N70 cu LAS, SBS și PPA
Tabel 4. Caracteristicile mixturii asfaltice N90 cu LAS, SBS și PPA
S-a urmărit și încercarea la cicluri de îngheț-dezgheț și s-au obținut următoarele (figura 35, respectiv 36):
Figura 13. Rezultatele obținute după 5 cicluri de înghț-dezgheț pentru mixtura N70
Figura 14. Rezultatele obținute după 5 cicluri de îngheț-dezgheț pentru mixtura N90
Cele mai importante concluzii în urma acestor studii pot afirma că adăugarea de SBS conduce la creșterea rezistenței la întindere a mixturilor asfaltice.
LAS poate spori adeziunea condiționată (umed), dar reduce rezistența la întindere necondiționată (uscat). Acest lucru poate conduce la reducerea duratei de viață la oboseală.
Toate metodele de adăugare a varului hidratat imbunătățește proprietățile atât uscate cât și umede ale mixturilor asfaltice, cu efecte neglijabile asupra proprietăților uscate pe mixtura N90 și mai puțin severe asupra proprietăților uscate ale mixturii N70 cu LAS.
Adăugarea de PPA unei mixturi cu o susceptibilitate scăzută poate duce mixtura la fenomenul de cedare, prin urmare, utilizând modificatorul adecvat LAS sau var hidratat împreună cu PPA este chiar recomandat.
Prin încercarea de făgășuire (figura 37), inginerii din Germania (cei care au dezvoltat această metodă de mai bine de două decenii) evaluează și susceptibilitatea la umezeală a mixturilor asfaltice HMA asociată cu structura agregatelor, rigiditatea liantului bituminos, sau adeziunea și legătura dintre agregate și liant. Dispozitivul testează două seturi a câte două probe simultan prin deplasarea roților metalice în lungul suprafeței probelor. Apoi, se măsoară șanțul făgășuirii în mai multe puncte pe lungimea probei, chiar și în timp ce se deplasează roțile și bineînșeles la finalul încercării. Probele încercate au avut un șanț de făgășuire de 12,5 mm la 10 000 de treceri.
Figura 15. Echipamentul de făgășuire
S-a studiat și fenomenul de rupere din oboseală prezentat în figura 38 (SCB), care depinde de tipul de bitum utilizat, de tipul de agregate, de conținutul de liant, dacă s-a folosit modificatori ai liantului, de conținutul de goluri (Li și ceilalți, 2010).
Cedarea prin rupere este un indicator al abilității de a rezista la influența temperaturii, care este un tip predominant de cedare in regiunile de temperatură joasă. În acest studiu s-a evaluat încercarea fenomenului de oboseală la temperatura de -12°C, pe jumătăți de probe cilindrice iar rezultatele sunt redate în forma grafică în figurile 39, 40, 41, 42 și 43, după cum urmează:
Figura 16. Tip proba și echipament de încercare pentru determinarea rezistenței la oboseală
Figura 17. Rezultate obținute în urma încercării de rezistență la rupere SCB
Figura 18. Încercarea de făgășuire pe mixtura N70
Figura 19. Încercarea de făgășuire pe mixtura N90
Figura 20. Reprezentrea cedării din oboseală pe mixtura N70
Figura 21. Reprezentarea cedării din oboseală pe mixtura N90
Concluzia finală, după toate încercările de laborator este că atât LAS cât și varul hidratat au demonstrat abilitatea de a menține caracteristicile de rezistență ale mixturilor la condiții severe de mediu. Modificatorul LAS reduce tensiunea superficială a liantului bituminos și îmbunătățește capacitatea de înmuiere a agregatelor, iar varul hidratat descrește tensiunea dintre liantul bituminos și apă. Asemenea performanțe au fost evidente în reducerea potențialului de cedare termică. Cu toate că SBS reduce făgășuirea mixturii la temperaturi ridicate, rigiditatea mixturii a scăzut mult mai rapid comparativ cu cea cu var hidratat sau LAS după condiționarea epruvetelor.
Recomandarea autorilor, în urma studiilor elaborate a fost după cum urmează: selecția de LAS ar trebui optimizată de tip și dozaj cu scopul de a îmbunătăți condițiile de cedare la oboseală în timp ce nu se reduce încărcarea la tracțiune. Adăugarea de modificatori LAS și var hidratat sunt eficienți în controlarea deteriorării din umiditate.
Modificatorul, în toate formele de var hidratat, este eficient în controlul deteriorării datorat umidității, cu metode umede care au grad de control îmbunătățit. Pentru mixturi extrem de sensibile la umiditate, este recomandat să se investigheze SBS cu LAS sau SBS cu var hidratat pentru a produce mixturi care au performanțe ce trec de condițiile impuse de standarde.
Figura 22. a) Schema, b) Poza cu unitatea de producție a mixturii asfaltice cu cauciuc, c) Poza prin microscopul optic a plasei de sârmă utilizată pentru a face coșul, d) Separarea dintre cauciucul măcinat și bitumul rezidual din mixtura asfaltică, e) Cauciucul recuperat, f) Bitumul rezidual după separare.
În urma descoperirii proprietăților excelente și a performanței sporite despre aceasta tehnică inovativă și sustenabilă, compania Asphalt Rubber Italia Srl a decis să introducă în anul 2006, pentru prima dată în Italia, tehnologia bitumului modificat cu cauciuc din anvelope uzate ( figura 44), metodă denumită metoda umedă (“wet method”). Înainte, mai multe experimente au fost făcute prin metoda uscată (figura 45 și 46), unele cu rezultate bune, dar prevederea națională (și Europeană) a cerut o tehnologie controlată care poate să asigure o performanță dată (mare) constantă în timp.
Figura 23. Producția de mixturi asfaltice cu adaos de cauciuc provenit din anvelope uzate prin utilizarea metodei uscate (Neto și ceilalți, 2006)
Figura 24. Schema de amestec continuu al bitumului cu cauciucul (adoptată după Caltrans, 2006)
Proprietățile acustice ale mixturilor asfaltice cu cauciuc au fost analizate într-un număr crescut de încercări de laborator efectuate în ultimii 4 ani. Principalele metode utilizate pentru a măsura volumul sunetului au fost acele pass-by nose sau close proximity (ISO 11819-2). Încercările efectuate prin cutiile de măsurare puse la aproximativ 4 m depărtare de stâlpii de iluminat pe lungimea drumului, au demonstrat o reducere a nivelului de zgomot, care depinde de viteza de deplasare, între 3dB(A) și 6dB(A).
Figura 25 Exportul anvelopelor marunțite din Italia (tone/an)
În particular, tehnologia mixturilor asfaltice cu cauciuc oferă oportunitatea de a îmbunătăți rețeaua de drumuri pentru condițiile de perormanță, durata de exploatare și suportul local precum și economiile naționale, reducând atât costurile cât și reducerea poluării asupra mediului.
În tabelul 13 consumul și câștigul de energie în kWh/m3 sunt raportate împreună cu emisiile CO2 (factorul de conversie: 0,58 kg CO2/kWh).
Tabel 5. Energia și impactul CO2 și câștigul pe m3 de mixtură asfaltică la cald ce are în compoziție cauciuc măcinat
Shihgo Kamiya și alții au studiat rolul copolimerului tribloc strien-butadien-strien asupra lianților bituminoși, câteva exemple de aditivi pot fi observate în figura 48. Bitumurile modificate cu polimeri cu o compoziție diferită au fost preparate cu copolimerul SBS și bitum. Maltenele, fracția solubilă extrasă din bitum, interacționează în mod preferențial cu polibutadina din SBS în timp ce asfaltenele, fiind fracția insolubilă, interacționează în special cu polistirenul, obervație făcută în urma măsurătorilor efectuate. Măsurătorile reologice și mecanice au demonstrat că vâscozitatea, penetrația și rezistența la întindere a materialului compozit au fost îmbunătățite chiar și la o concentrație foarte mică a componentului SBS (5…10%).
Componentele asfaltenelor și maltenelor au interacționat parțial cu unități specifice din SBS, astfel încât efectele de emulsificare ale SBS au rezultat în inversarea fazelor.
Figura 26. Exemple tipuri de aditivi
Un studiu efectuat de AL-Qadi și ceilalți (2014) privind folosirea zeolitului în componența mixturilor asfaltice de tip WMA demostrează că prin adăugarea acestui aditiv scade temperatura de compactare la 120°C. Cele mai bune performanțe obținute la încercarea Marshall au fost pentru un procent de 0,5% zeolit adăugat în compoziția mixturilor asfaltice. De asemenea, probele compactate la 120°C au o rezisteță sporită la acțiunea apei. Modulul de elasticitate determinat pe aceste probe are rezultate comparabile cu rezultatele obținute pe probe compactate la 140°C.
Utilizarea bio-uleiului ca înlocuitor al liantului bituminos în mixturi asfaltice
Conform noilor tehnologii avansate trebuie să se ia în considerare și înlocuirea totală sau parțială a bitumului cu bio-uleiuri.
Impactul economic al înlocuirii bitumului rutier cu bio-ulei este extrem de important, luând în considerare că înlocuirea a 25% bitum cu bio-ulei, la prețul curent de producție al mixturii asfaltice, va rezulta în salvarea economică directă cu 5%. Dacă reducerea malaxării și a temperaturii de compactare vor fi contabilizate, oportunitatea economică în utilizarea acestei tehnlogii este chiar mai mare.
Cu scopul de a obține bio-uleiul cu caracteristici potrivite pentru a fi utilizat ca un înlocuitor comparabil al bitumului convențional obținut din petrol, bio-uleiul produs prin unitatea de piroliză rapidă trebuie să fie îmbunătățit.
Potrivit studiilor anterioare, bio-uleiul posedă caracteristici foarte bune, similare cu liantul bituminos, la temperaturi medii și ridicate. Oricum, performanțele la temperaturi joase nu sunt acceptate pentru a putea fi utilizat în majoritatea statelor din Statele Unite ale Americii, deoarece are compoziție prea rigidă la temperaturi scăzute și este susceptibil la fisurare datorată acestor temperaturi. Abordarea de a încerca să rezolve această problemă a fost să se adauge cauciuc în bio-ulei.
Aplicând parametrii menționați mai sus, patru tipuri de bio-bitumuri au fost produse:
A – 90% bio-ulei plus 10% cauciuc – criogenic;
B – 85% bio-ulei plus 15% cauciuc – criogenic;
D -90 % bio-ulei plus 10 % cauciuc clasic;
E 85% bio-ulei plus 15% cauciuc clasic.
În plus, pentru a evalua schimbările care pot să apară in bio-ulei care au fost independente de interacțiunea cu particulele de cauciuc, bio-uleiul a fost încălzit timp de 1,5 ore la 125°C să se obțină îmbătrânirea bio-uleiului.
Principalii constituienți ai echipamentului de separare sunt reprezentați de filtru și de centrifugă (figura 49). Metoda consistă în introducerea bio-bitumului în filtru, se plasează filtrul în recipientul încălzit rezidual și centrifuga la o viteză de aproximativ 2000rpm timp de 3 minute.
Materialul centrigurat (Res) poate apoi fi reologic testat precum poate fi analizat și din punct de vedere chimic și greutatea materialul păstrat/reținut să determine conținutul de cauciuc.
`
Figura 27. Metoda de obținere a bio uleiului rezidual
Figura 28. Comparația evoluției valorilor dintre bio-ulei și alte materiale
Bio-uleiul produs prin piroliza rapidă a materialelor organice este disponibil de peste un deceniu. Acest material a fost folosit în principal drept combustibil, în același mod ca și petrolul.
Cu toate acestea, proprietățile sale sunt similare cu cele ale bitumului și se poate dovedi a fi un substituient excelent. În ceea ce privește construcția drumurilor, utilizarea mixturilor asfaltice cu cauciuc permit reducerea grosimii straturilor rutiere, (Amirkhanian,2003) precum și obținerea unui produs cu performanțe superioare (Thodesen și colab, 2009), deoarece aceste mixturi sunt mai bune atât din punct de vedere structural cât și funcțional, iar în principal conduc la reducerea fisurilor.
În plus, utilizarea de bitum modificat cu cauciuc măcinat contribuie la dezvoltarea durabilă prin stabilirea unei destinații finale pentru utilizarea eficientă a anvelopelor uzate (Campos, 2007) cât și prin îmbunătățirea performanțelor și a siguranței structurilor rutiere (Jeong, 2010). În comparație cu mixturile asfaltice clasice, mixturile care au în compoziție cauciuc măcinat au o durată de viață mai mare. (Xiang,2009 si Lee, 2008)
Creșterea substanțială a prețului petrolului în ultimii ani a fost reflectată și în prețul lianților bituminoși. Mai multe rafinării au instalat diverse facilități de cocsare pentru a crește randamentul de producție de combustibil ceea ce a condus la producerea unui reziduu de distilare care nu poate fi utilizat ca liant în mixturile asfaltice dar conduce la dezvoltarea substanțială a surselor alternative de lianți, inclusiv la fracționarea bio-uleiului din piroliza rapidă a biomasei cu potențial pentru aplicarea ca aditiv/ modificator/ exender în special în mixturi cu polimeri. De fapt, bio-uleiul poate chiar să înlocuiască întregul liant datorită faptului că prezintă proprietăți reologice similare cu acesta.
Punctul de topire ridicat al majorității polimerilor utilizați în prezent ca modificatori ai mixturilor asfaltice restricționează utilizarea lor cu bio-ulei datorită faptului că acesta trebuie manipulat la temperaturi scăzute. Necesitatea modificării bio-uleiului cu polimeri se datorează rezistenței scăzute la temperaturi joase. Pe lângă proprietățile antioxidante ale bio-uleiului (datorită conținutului ridicat de lignină) s-a constatat, de asemenea că acesta conține canități semnificative de furfurol care este benefic în promovarea interacțiunilor dintre liant și cauciuc.
Dezvoltarea acestui nou tip de bitum a fost testată în mare parte pentru stratul de legătură.
În anul 2010 s-a făcut o pistă de biciclete care a fost pavată cu mixtură asfaltică care conținea bio-uleiuri precum bio-bitumurile în statul Iowa conform ISU, 2010. Tot aici, în Des Moines, Iowa, 3% din bitumul rutier a fost înlocuit cu bio bitum. După 3 ani de la darea în exploatare nu s-a descoperit nici un semn de deteriorare.
Figura 29. Instalație experimentală de piroliză rapidă a bio-uleiului (Sursa: Iowa State University)
Bio-uleiurile (figura 51) au multe avantaje față de bitumurile de petrol deoarece sunt regenerabile, ecologice, oferă securitate energetică și prezintă o mare oportunitate economică. Cu toate acestea, până în prezent, aproape nici o cercetare nu a fost efectuată cu privire la aplicabilitatea utilizării bio-uleiurilor ca alternativă parțială sau integrală de înlocuire a lianților bituminoși din industria drumurilor rutiere.
Numărul limitat de referințe produse pe acest subiect arată că acest obiectiv ar putea fi atins în curând, prin aplicarea unei noi tehnologii cu încorporarea de polimeri.
Prin definiție, bio-uleiurile pot fi descrise ca lichide organice, maro închis, ce au curgere liberă, care sunt alcătuite în principal din compuși oxigenați. Cu alte cuvinte, aceasta este lichidul obținut prin încălzirea rapidă a biomasei într-o stare de vid.
Bio-uleiurile sunt produse din materii vegetale și reziduuri. Unul dintre procedeele termochimice utilizate pentru producerea de bio-uleiuri este piroliza rapidă. Piroliza rapidă este un proces de descompunere termică, care necesită o rată de transfer termic ridicat de particule de biomasă și un timp scurt de așezare al vaporilor în zona de reacție. După mulți autori, piroliza rapidă reprezintă descompunerea rapidă a materiei organice (biomasa), în absența oxigenului pentru a produce solide precum manganul, lichidul de piroliză sau uleiul (bio-uleiuri) și gaz.
O altă definiție dată de Mohan afirmă că piroliza este un proces de înaltă temperatură în care biomasa este încălzită rapid în vid și apoi se descompune pentru a produce vapori, aerosoli și uneori cărbuni precum manganul. După răcirea și condensarea vaporilor și aerosolilor se formează un lichid maro închis care curge (bio-ulei).
Când materia organică este biomasă, care constă in biopolimeri (de exemplu celuloză, hemiceluloză, lignină, etc) uleiurile produse sunt denumite bio-uleiuri. În general, piroliza rapidă este utilizată pentru a obține bio-ulei de înaltă calitate. Prin urmare, piroliza rapidă a biomasei duce la polimerizarea și fragmentarea acestor biopolimeri.
Studii de laborator au fost efectuate asupra deșeurilor din polimeri în mixturile asfaltice rutiere la Centrul de Ingineria Transporturilor la Universitatea Bangalore, India, unde materialul din plastic a fost utilizat ca un aditiv în bitumul încălzit în diferite proporții (care variau de la 0 la 12% din greutatea bitumului). Rezultatele obținute în urma investigațiilor de laborator au indicat că adăugarea materialului plastic prelucrat în cantitate de circa 8,8% din greutatea bitumului ajută la îmbunătățirea substanțială a stabilității, a rigidității, durata de oboseală precum și a altor proprietăți precum condițiile nefavorabile de absorbție de apă. Adăugarea de 8% din greutate de plastic procesat pentru bitumul modificat conduce la un câștig de 0,4% bitum din greutatea mixturii asfaltice sau aproximativ 9,6% bitum pe m3 de mixtură asfaltică.
În Tamil Nadu, lungimea drumurilor de aproximativ 1000m în diferite porțiuni au fost construite folosind deșeuri din plastic ca aditiv pentru liantul bituminos în cadrul proiectului 1000 km Plastic Tar Road și s-a constatat că performanța tuturor mixturilor puse astfel în operă au comportare satisfăcătoare.
Performanța întinderii de drumuri construite prin acest proiect folosind materiale plastice din deșeuri a fost acceptat și pus în operă și în Karnataka, unde s-au demonstrat de asemenea calități satisfăcătoare. Construcția de drumuri folosind deșeurile provenite din plastic în statele menționate se bazează pe încercările și rezultatele elaborate de Universitatea Bangalore, CRRI și Colegiul de Inginerie din Madurai.
Mixturi asfaltice reciclate
Reciclarea diverselor materiale utilizate în construcții nu este o noutate. Romanii au folosit deșeuri de construcții precum ceramica în confecționarea betonului.
Oricum, în zilele noastre, făcând excepție de la marile dezastre naturale sau de la războaie și câteva țări europene, actuala reciclare a fracției minerale din materialele de construcție este mai degrabă o regulă decât o excepție.
Sporirea interesului în dezvoltarea durabilă și mai specific în construcții durabile, ca și reacție a societății la problemele globale sociale și de mediu, poate fi un factor decisiv la creșterea ratei de reciclare în viitorul apropiat. A fost demonstrat că recilarea implică și fenomenul de durabilitate, bazat pe măsuri de rezistență și încercări pe probe experimentale de laborator.
Cele mai importante proprietăți cerute de mixturile asfaltice sunt: stabilitate, durabilitate, flexibitate, rezistență la oboseală, rezistență la deformații permanente, rezistență la derapaj, impermeabilitate și lucrabilitate.
În domeniul tehnologiei de punere în operă a mixturilor asfaltice (figura 16), reciclarea acestora poate fi vazută ca o opțiune de durată, asa cum este un proces de producție cu beneficiu asupra mediului dar și asupra economiei.
Figura 30. Agregate reciclate din mixtură asfaltică
În majoritatea țărilor, cantitatea mixturilor asfaltice reciclate și producția de noi mixturi asfaltice cu conținut de RAP este într-o continuă creștere. (PIARC, 2002) Numeroase studii au fost efectuate în ultimii ani asupra conținutului ridicat de RAP (de până la 60%) care este în mare parte limitat de partea practică de producție a mixturilor asfaltice în teren.
Cercetările asupra reciclării mixturilor asfaltice au condus la apariția unei tehnici inovatoare, numită reciclare totală, care reutilizează 100% RAP în mixturile asfaltice reciclate (figura 17). Această nouă tehnologie utilizează aditivi cu scopul de a îmbunătății performanțele, în particular poate utiliza și o combinație a unui rejuvenator cu un reactivator.
Figura 31. Reciclarea agregatelor
Îmbrăcămintea asfaltică rutieră deteriorată se caracterizează printr-o calitate slabă în exploatare și degradări fizice, cum ar fi crăpături, făgașe și suprafață lunecoasă de rulare.
Deteriorarea îmbrăcăminții asfaltice rutiere este influențată în mare măsură de condițiile climaterice aspre, de volumul ridicat de trafic, precum și de modul de construcție al drumului și de calitatea lucrărilor de întreținere. Asa cum este prezentat și în figura 18, procesul de deteriorare al îmbrăcăminții asfaltice rutiere se accelerează după câțiva ani de exploatare, dar reabilitarea din timp prin reasfaltare sau reciclare poate restaura calitatea îmbrăcăminții asfaltice rutiere și se extinde astfel durata de viață a respectivei artere rutiere.
Utilizarea mixturii asfaltice reciclate (RAP) în HMA a devenit din ce în ce mai populară datorită unui număr mare de factori, cel mai notabil, datorită rarității spațiului necesar depozitării mixturii asfaltice frezate, scăderea cantității agregatelor naturale de înaltă calitate și prețul tot mai mare al combustibilului necesar punerii în operă a straturilor rutiere.
Prin frezarea îmbrăcăminții asfaltice degradate și aplicarea unor soluții de reciclare prin ameliorarea calității materialelor recuperate, determinate prin cercetări de laborator aferente studiilor specifice de regenerare a funcțiilor structurale ale rețetei mixturii asfaltice, se obține un material bituminos cu caracteristici fizico mecanice acceptabile reutilizării în sistemul rutier (figura 20).
Figura 32. Efectul îmbătrânirii și al temperaturii asupra liantului bituminos (partea de sus) și în structuri rutiere (partea de jos), unde simbolurile utilizate reprezintă: saturatele reprezentate cu galben, hidrocarburile aromatice sunt cu roz, rașinile sunt reprezentate cu roșu iar asfaltenele cu mov (punctele negre simbolizează starea oxidată)
În exemplul care urmează, se pune în evidență etapele de cercetare în laborator pentru determinarea caracteristicilor reziduale ale mixturii asfaltice recuperate prin frezare, prin comparație cu o rețeta similară obținută cu agregat nou:
În prima etapa se face o analiză granulometrică a materialului frezat și recuperat pentru reciclare prin comparație cu rețeta similară determinată cu agregat nou (figura 21);
Figura 33. Agregate naturale comparate cu agregate reciclate din mixtura asfaltică
Apoi se fac rețete cu amestecuri de agregate în proporții predeterminate, raportate la utilizarea de agregat nou pentru studii de performanță în laborator pe mixtură asfaltică reciclată (figura 22).
Figura 34. Agregate cu și fără liant
Tabel 6. Compoziția mixturii asfaltice
Tabel 7. Metoda de confecționare
În urma malaxarii la temperatură controlată se fac ulterior studii de performanță pe mixtură asfaltică reciclată și se detrmină rețeta optimă care se aplică apoi în teren (figura 23).
Figura 35. Malaxarea mixturii asfaltice reciclate
Figura 36. Schimbarea temperaturii în timpul malaxării probelor de mixtură asfaltică
În acest studiu se prezintă variația temperaturii din timpul malaxarii (0-13 minute), în care, prin imagini obținute prin termoviziune se urmărește procesul de malaxare (figura 24).
De zeci de ani, cei responsabili cu calitatea îmbrăcăminții rutiere, au încercat diferite metode de reciclare pentru a putea folosi mai bine agregatele și bitumul existent în mixturile asfaltice deteriorate.
Mai mult de jumătate din Statele Unite ale Americii permit un procent mare de 25% RAP (Recycled Asphalt Pavement) pentru a fi utilizat în compoziția mixturilor asfaltice, cu toate acestea însă, încorporarea conținutului ridicat de RAP a fost relativ scăzut în comparație cu oferta disponibilă de RAP. O explicație pentru acest lucru îl reprezintă preocuparea legată de rezistența la oboseală precum și de resistența la fisurare a noii mixturi obținute prin utilizarea RAP.
În Portugalia, University of Minho ne oferă un studiu efectuat asupra reciclării totale a mixturilor asfaltice (HMA) ca o alternativă sustenabilă pentru drumuri. Reciclarea mixturii asfaltice (RAP) ajută autoritățile care se ocupă cu drumurile să își îndeplinească scopul de a obține un sistem de transport durabil atât reducând producția materialelor provenite din deșeuri cât și reducerea consumului de materiale neregenerabile. Beneficiile de mediu și economice utilizând mixtura asfaltică reciclată în HMA pot fi împinse la limită, prin producerea de mixturi asfaltice noi cu 100% mixtură asfaltică reciclată, însă performanțele acestei alternative trebuie să fie satisfăcătoare.
Conform Pavement Recycling Executive Summary and Report (Federal Highway Administration) utilizarea materialului RAP după procesare poate să producă mixturi asfaltice reciclate la cald convenționale (Recycled Hot Mix – RHM) care este cea mai comună metodă de reciclare și este considerată o procedură standard de procesare a mixturilor asfaltice.
Angelo Benedetii și ceilalți din cadrul Asociației de Reciclare și Reutilizare a Mixturilor Asfaltice (ARRA) au demonstrat în Basic Asphalt Recycling Manual că există date tehnice din abundență ce prezintă că reciclarea mixturilor asfaltice la cald este echivalentă în cantitate și performanțe structurale cu convenționala mixtură asfaltică la cald (HMA), dacă ținem cont de fenomenul de făgășuire, de fenomenul de cedare din oboseală și de influența factorilor climaterici. În general la reciclarea HMA, apare fenomenul de îmbătrânire mult mai redus și sunt mult mai rezistente la acțiunea apei comparativ cu o mixtură convențională HMA.
Mallick și ceilalți susțin că limita maximă a conținutului de RAP în mixturile asfaltice la cald produse în teren este considerată a fi 50%, limitată atât de limita capacității de încălzire a utilajelor din teren cât și de emisiile gazelor de hidrocarbon. Pot fi confecționate mixturi asfaltice care să conțină un procent de mixtură asfaltică de 60…70% în echipamentele disponibile din amplasamentele în teren. Există și cazuri speciale bazate pe tehnologia microundelor care a fost dezvoltată să limiteze emisiile de gaze la producerea mixturilor asfaltice la cald utilizând conținut foarte mare de RAP (de până la 100%), dar costurile de încălzire sunt mult mai mari decât la sistemele convenționale. Acest procedeu a fost descoperit și dezvoltat în California și este utilizat doar limitat.
PROIECTAREA REȚETELOR DE MIXTURĂ ASFALTICĂ CU DEȘEURI INDUSTRIALE
Elaborarea dozajelor mixturilor asfaltice
Elaborarea dozajelor pentru mixturile asfaltice reprezintă un ansamblu de operații efectuate cu scopul stabilirii proporțiilor adecvate între materialele care le alcătuiesc, astfel încât, în final, să conducă la caracteristici fizico-mecanice specifice tipului de mixtură asfaltică studiat.
În funcție de tipul mixturii asfaltice pentru care se face proiectarea este necesară aplicarea unor dozaje corecte, în același timp ținându-se cont și de caracteristicile materialelor care intră în compoziția amestecului bituminos, cu intenția de a se obține dozaje optime, rațional stabilite. Dozajul reprezintă un procent din masa totală a mixturii asfaltice, pentru toate materialele componente ale rețetei amestecului respectiv.
Etapa preliminară stabilirii dozajelor o presupune analiza și încercările asupra fiecărui material ce intră în compoziția mixturii asfaltice, acestea trebuie să corespundă cerințelor declarate în condițiile tehnice impuse.
Mixturile asfaltice se proiectează în urma unui studiu de rețetă în laborator, pentru trasarea curbei granulometrice funcție de natura și compoziția granulometrică a agregatelor naturale, dar mai ales pentru conținutul optim de bitum. Se va ține seama de asemenea de tipul drumului de executat, de grosimea necesară stratului evaluat, de volumul de trafic și de temperatura zonei în care se va executa drumul respectiv.
Caracterizarea fizico-mecanică a mixturilor asfaltice se face atât prin încercări în regim static precum densitate aparentă maximă, absorbție de apă, caracteristici Marshall, dar mai ales din punct de vedere al încercărilor în regim dinamic, în conformitate cu normativele europene și internaționale SHRP și SUPERPAVE (au o însemnătate deosebită, ele prefigurând comportarea mixturilor în exploatare, sub condițiile de trafic).
Proiectarea rețetelor se face ținând seama de granulometria fiecărui agregat, stabilindu-se o curbă mediană sau inferioară a intervalului inferior – superior, precum și de tipul de mixtură asfaltică studiată.
Componentele mixturii asfaltice trebuie să îndeplinească anumite caracteristici fizico-mecanice pentru a putea fi utilizate în compoziția amestecurilor bituminoase, aceste caracteristici vor fi detaliate, după cum urmează:
Agregatele
La realizarea mixturii asfaltice este considerat a fi cel mai important component datorită faptului că reprezintă scheletul de rezistență al mixturii asfaltice, reprezentând 90-95% din greutatea amestecului asfaltic și conține inițial 75-80% din volumul structural.
Condițiile tehnice de calitate ale agregatelor naturale utilizate la lucrări de drumuri sau străzi sunt funcție de clasa tehnică a drumului sau categoria străzii și de poziția stratului în componența căruia intră agregatul, în structura rutieră. Agregatele naturale pot fi de carieră, concasate (cribluri) sau pietrișuri, și pot fi din cele mai variate cariere, funcție de zona de aprovizionare și de cerința de execuție a drumului. În același timp se pot utiliza și agregatele artificiale, cele mai frecvent întâlnite fiind agregatele provenite din deșeurile industriale ale uzinelor siderurgice.
Agregatele naturale trebuie să provină din roci omogene, fără urmă de degradare, rezistente la îngheț – dezgheț și să nu conțină corpuri străine.
S-a demonstrat în numeroase studii de cercetare că indiferent de tipul de agregate utilizat în compoziția mixturii asfaltice, acestea influențează volumul de goluri precum și performanțele și durata de serviciu a mixturilor asfaltice, astfel agregatele trebuie să îndeplinească mai multe condiții dintre care se menționează următoarele:
agregatele trebuie să fie curate, să nu prezinte un conținut ridicat de argilă, praf sau alte impurități organice deoarece este foarte bine știut că este exclusă posibilitatea obținerii unei mixturi asfaltice acceptabile folosind agregate murdare (procesul de dezanrobare este iminent iar ca și consecință conduce la o mixtură asfaltică compromisă);
acestea trebuie să prezinte uzură redusă la contactul intergranular din cadrul stratului rutier asfaltic în perioada de exploatare, sub solicitările de încărcare ciclică și dinamică rezultate din traficul rutier. În plus, trebuie să nu apară uzura de suprafață a agregatelor în momentul contactului pneu-carosabil, fenomen de uzură manifestat în urma solicitărilor de frânări, accelerări sau de schimbări ale direcției de mers pe suprafața carosabilă (de exemplu, agregatele provenite din roci cu duritate mare conduc la reducerea uzurii de suprafață la contactul pneu-carosabil);
agregatele minerale concasate sub formă de cribluri sau pietriș concasat conduc la o compactare mai dificilă la execuție, însă mărește stabilitatea structurală la solicitările date de traficul rutier.
Mixturile asfaltice obțin capacitate bună de funcționare datorită unei proiectări bune, o executare optimă și așternerii efectuate conform cerințelor tehnice și de calitate. Datorită faptului că o mixtură asfaltică are în compoziție un procent semnificativ de agregate se recomandă o atenție sporită la calitatea acestora care poate fi influențată de următorii factori:
– dimensiunea maximă a agregatelor reprezintă un rol extrem de important deoarece aceasta asigură rezistența amestecului bituminos prin frecarea de contact intergranular, și în același timp condiționează și grosimea stratului asfaltic rutier;
– conținutul de părți fine influențează modul de compactare: un procent mic de părți fine conduce la un volum de goluri remanent mare, are influențe negative asupra comportării mixturii asfaltice la fenomenul de rezistență la oboseală iar un procent mare de părți fine necesită un procent mare de bitum cu influențe de apariție și dezvoltare a deformațiilor permanente în mixtura asfaltică;
– granulozitatea reprezintă una dintre proprietățile cele mai importante ale agregatelor; aceasta este reprezentată sub formă de grafic prin intermediul unei curbe granulometrice care prezintă pe verticală trecerea prin site iar pe orizontală sunt reprezentate dimensiunile particulelor.
Filerul
Filerul este o pulbere minerală obținută prin măcinarea fină a rocilor cu o dimensiune maximă a granulelor de 2 mm și un procent minim de 80% granule sub 0,009 mm. Influența acestuia asupra mixturilor asfaltice este reprezentat de volumul de goluri din scheletul mineral precum și de procentul optim de liant bituminos în mixtura asfaltică.
Filerul prezintă calitatea de a nu reacționa chimic cu lianții și asigură o bună adezivitate a liantului pe granulele de filer, iar granulele acestuia trebuie să fie poroase cu scopul de a nu mării consumul de liant prin absorbție.
Caracteristicile unei mixturi asfaltice pot fi extrem de mult influențate de proprietățile unui filer prin suprafața specifică mare (în funcție de care se determină și dozajul de liant bituminos). În același timp, suprafața specifică mare și natura filerului este influențată de umiditate; din această cauză normativele în viguare impun condiții speciale de depozitare până la fabricarea mixturii asfaltice.
Filerul de calcar se obține prin măcinarea fină a rocilor calcaroase compacte, brecioase, mozaicate, cu conținut de carbonat de calciu peste 90%. Filerul de cretă se obține prin măcinarea fină a cretei brute. Filerul de var stins în pulbere se obține prin stingerea varului bulgări pentru construcții, cu cantități calculate stoechiometric, de apă sau aburi, urmată de separare corespunzătoare.
Utilizarea filerului în compoziția mixturilor asfaltice presupune ca acesta să fie uscat, să aibă finețea necesară precum și să nu absoarbă în mod selectiv anumiți componenți ai bitumului care să conducă la modificarea în mod necorespunzător a caracteristicilor liantului bituminos.
Filerul are rolul să mărească vâscozitatea liantului de consistență scăzută, astfel dacă filerul este dozat în mod corespunzător se poate utiliza o cantitate mai mare de liant bituminos cu scopul de a mări coeziunea și impermeabilitatea fără să apară posibilitatea ca mixtura să devină instabilă sau să apară bitum la suprafața mixturii (adică fenomenul de exudație). În plus, mărește frecarea interioară din bitum și coeziunea bitumului și prin aceasta îmbunătățește comportarea mixturii asfaltice la solicitări statice și la rupere; împiedică îmbătrânirea bitumului acționând astfel încât bitumul să își păstreze timp îndelungat proprietățile sale de liant.
Stabilitatea unei mixturi asfaltice este dată de raportul dintre bitum și filer. Așa cum s-a precizat, filerul modifică proprietățile liantului și îi oferă vâscozitate mai bună. Adezivitatea bitumului la agregatele naturale este sporită de utilizarea filerului și mărește în același timp domeniul de plasticitate al liantului bituminos. Excesul de filer este dăunător deoarece rezistențele mecanice și stabilitatea la temperaturi ridicate scad, iar în mixtura asfaltică se formează bulgări reducândui-se lucrabilitatea; pentru a obține o rezistență maximă a mixturii asfaltice este necesar ca toate granulele agregatului natural să fie învelite cu o peliculă de bitum cât mai subțire.
Principalele proprietăți pe care trebuie să le îndeplinească filerul utilizat la prepararea mixturilor asfaltice sunt: să nu reacționeze chimic cu lianții, să asigure o bună adezivitate a liantului pe granule de filer; să aibă granulele cât mai poroase (să nu mărească consumul de liant prin adsorbtie); să nu absoarbă în mod selectiv anumiți componeți ai bitumului (să nu modifice caracteristicile liantului bituminos); să fie uscat și să aibă finețea necesară ().
Caracteristicile fizico-chimice ale filerelor (tabel 11) trebuie să țină cont de precizările din standardele în viguare și anume:
Tabel 1. Caracterisitici fizico-chimice filere de calcar
Bitumul
Cel mai importat rol în realizarea unei mixturi asfaltice îl deține liantul hidrocarbonat, adică bitumul. Compoziția acestuia este foarte complexă, iar calitatea lui influențează calitatea mixturilor asfaltice cât și calitatea și durabilitatea structurilor rutiere. În compoziția unei mixturi asfaltice bitumul reprezintă între 5-7% din masa acesteia; trebuie acordată atenție sporită asupra determinării procentului optim de bitum cu scopul de a obține o structură adecvată a mixturii asfaltice.
În funcție de tipul de mixtură asfaltică ce trebuie preparată se alege tipul de bitum (bitum pur, bitum modificat, bitum aditivat sau derivați ai bitumului precum emulsiile bituminoase sau bitumul tăiat) în funcție de caracteristicile fizico-mecanice care se iau în considerare pentru proiectarea mixturii asfaltice.
Lianții bituminoși se selectează în funcție de penetrație, în concordanță cu zonele climatice și anume:
pentru zonele calde se utilizează bitumurile 35/50 și 50/70 și bitumuri modificate 25/55 și 45/80;
pentru zonele reci se utilizează bitumurile 70/100 și bitumuri modificate 40/100 cu penetrație mai mare de 70 (1/10mm);
pentru mixturile stabilizate MAS (tip SMA), indiferent de zonă, se utilizează bitumurile 50/70 și bitumuri modificate 45/80.
Datorită proprietăților sale de liant, bitumul realizează anrobarea granulelor agregatului cu o peliculă fină, asigură o bună adezivitate la granulele agregatului precum și menținerea acesteia în prezența factorilor care au tendința să substituie bitumul la suprafața agregatelor.
Proprietățile fizico-mecanice ale mixturior asfaltice sunt extrem de mult influențate de raportul filer-bitum. Spre exemplu, dacă se ia în calcul creșterea raportului filer-bitum menținându-se constant procentul de bitum, conduce la o mixtură asfaltică mai rigidă ce necesită o anorbare energică. Sporirea rigidității mixturii asfaltice este determinată de reducerea volumului de goluri remanent precum și de creșterea punctului de înmuiere al masticului.
Aditivii pentru bitumurile rutiere sunt produse tensioactive de tip aminic, amino-aminic, imidazolinic sau derivați ai acestora, care adăugate în bitum ameliorează adezivitatea acestora față de agregatele naturale. Aceștia trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să fie compatibili cu bitumul, să prezinte capacitate de ameliorare a adezivității bitumului față de agregatele naturale (la un dozaj de max. 1…1,2%) și să fie stabili termic la temperaturile de preparare, stocare și prelucrare a bitumului aditivat, precum și la contactul cu agregatele calde în malaxor.
Adezivitatea unui bitum reprezintă rezistența pe care o opune pelicula de liant la acțiunea de dezanrobare a apei și constituie o caracteristică estențială de care depinde în foarte mare măsură durata de exploatare a straturilor rutiere bituminoase.
În ultimii ani a apărut o tendință sporită de a utiliza produse ca aditivii care ameliorează considerabil aderența bitumului. De fapt, acestă proprietate este un rezultat al compoziției și al structurii moleculare specifice (polar-nepolare) a aditivului.
Aditivul este alcătuit dintr-o grupare liofilă care se fixează în bitum și o grupare hidrofilă care se fixează pe suprafața agregatelor naturale.
Adezivitatea este definită prin intermediul mai multor fenomene complexe care apar când bitumul întâlnește agregatele, unele dintre ele fiind fenomene fizice sau fizico-chimice (cum ar fi textura suprafeței agregatelor sau porozitatea acestora și vâscozitatea bitumului, tensiunea interfacială, etc.) Agenții de aderență sunt agenți de suprafață capabili să modifice tensiunile interfaciale între agregate-bitum și să permită agregatelor să fie acoperite cu bitum.
Agenții de adezivitate îmbunătățesc rezistența lianților bituminoși astfel încât aceștia nu pot fi îndepărtați de apă și rămân fixați pe suprafața agregatului. Agregatele care intră în contact cu apa au o încărcare electrică pe suprafața lor datorită ionizării moleculelor lor. Valoarea acestei încărcări permite clasificarea lor în agregate acide și agregate bazice. Agregatele acide (cuarț, granit, porfir) sunt în special silicați, care formează SiO32- → ioni încărcați negativ, pe suprafața lor, în prezența apei. Agregatele bazice (calcit) sunt în special carbonați care formează Ca2+ →ioni încărcați pozitiv în prezența apei. Liantul bituminos conține compuși polari precum bitumuri sau rășini. În aceste molecule complexe, prezența grupurilor acide generează un comportament negativ atunci când apa intră în contact cu suprafața bitumului. Aceste molecule de acid se poziționează în bitum în singura direcție posibilă către suprafață, datorită grupării acide hidrofile, care acoperă particulele de bitum cu o încărcătură negativă.
Cu acest concept simplu, va fi mai ușor de înțeles că atunci când bitumul intră în contact cu un agregat calcaros (Ca2+), între ioni se formează o forță de atracție electrostatică cu sarcini electrice diferite pe ambele suprafețe, astfel încât se creează un anumit grad de aderență. Pe de altă parte, atunci când bitumul intră în contact cu un agregat silicios, ionii negativi de pe ambele suprafețe generează repulsie ceea ce oprește aderența. Agenții de aderență asigură o încărcare pozitivă pe suprafața bitumului, permițând o conexiune electrostatică cu agregatele silicioase negative și îmbunătățind aderența.
Caracteristicile fizico-chimice ale aditivilor pentru bitumurile rutiere se referă în principal la aspectul produsului și la bazicitatea acestora exprimată prin conținutul de azot aminic, prin bazicitatea totală sau prin alcalinitatea față de acidul percloric.
Mixturile asfaltice și straturile rutiere cu bitum aditivat își mențin performanțele mecanice o perioadă mai îndelungată de timp sub acțiunea factorilor de trafic și climă din exploatare, comparativ cu cele cu bitum neaditivat.
Cu scopul de a obține mixturi asfaltice ecologice cu caracteristici fizico-mecanice corespunzătoare trebuie avute în vedere și următoarele condiții:
– proiectarea unui dozaj pentru mixtura asfaltică astfel încât stratul bituminos ce urmează a fi executat cu aceasta să reziste solicitărilor și condițiilor de exploatare;
– producerea mixturii asfaltice în condițiile proiectate folosindu-se instalații care permit alocarea dozajelor optime;
– punerea în operă a mixturii asfaltice ecologice în condiții de calitate corespunzătoare; efectuarea unei compactări deosebit de îngrijite, respectându-se în totalitate tehnologia și condițiile de compactare.
Mixturile asfaltice ecologice realizate în dozaje corespunzătoare, puse în operă și compactate în bune condiții asigură realizarea unor straturi rutiere durabile și care oferă utilizatorilor un comfort sporit. Proprietățile bune ale mixturilor asfaltice sunt datorate caracteristicilor bune ale materialelor ce alcătuiesc compoziția mixturilor.
Solicitările de încărcare-descărcare exercitate asupra drumului, conduc la apariția degradărilor în timp. Materialul din sistemul rutier își pierde rezistența și se degradează din cauza însumării efectelor, după un număr foarte mare de cicluri. La baza straturilor asfaltice în timpul solicitărilor din trafic apar eforturile de întindere care conduc la apariția deformațiilor de întindere și acționează mai ales asupra masticului bituminos.
Materiale utilizate la realizarea mixturii asfaltice trebuie să fie calitative astfel încât să îndeplinească caracteristicile fizico-mecanice prevăzute de normative în viguare.
O mixtură asfaltică ce urmează a fi pusă în operă, în primul rând trebuie să prezinte lucrabilitate, condiție ce este îndeplinită dacă mixtura asfaltică este alcătuită printr-o bună proporționare a agregatelor și un dozaj corect al liantului, cu o fluiditate stabilită.
Proprietatea mixturii asfaltice de a putea fi pusă în operă în condițiile obținerii unor caracteristici fizico-mecanice ridicate ale straturilor rutiere este dată de lucrabilitatea mixturilor asfaltice.
Aceasta este influențată de mai mulți factori, dintre care: consistența și dozajul liantului bituminos, granulozitatea agregatului natural, natura și forma agregatelor, dozajul de filer.
Gradul de compactare al mixturilor asfaltice este foarte influențat de dozajul liantului bituminos, de natura și forma agregatelor utilizate, în plus, are foarte mare accent și tehnologia de compactare utilizată.
Mai mult, dozajul liantului bituminos este strâns legat de stabilitatea mecanică a mixturii asfaltice. Este foarte bine cunoscut faptul că un exces de bitum conduce la văluriri și făgașe ale îmbrăcăminții bituminoase pe timp călduros (deformații plastice), o cantitiate insuficientă însă generează suprafețe poroase care se degradează mai ușor sub acțiunea traficului și a apei (dezandrobare, dezgrădinare, etc). Stabilitatea mecanică este influențată și de scheletul mineral al mixturii asfaltice astfel, un schelet mineral puternic asigură o stabilitate bună a straturilor bituminoase.
Volumul de goluri din compoziția mixturii asfaltice și mărimea suprafeței particulelor care trebuie acoperită de bitum conduc la stabilirea conținutului optim de liant bituminos. Cea mai importantă problema ce apare la realizarea unei mixturi asfaltice o reprezintă stabilirea unui conținut optim de liant bituminos, orice cantitate în plus sau în minus față de dozajul optim în compoziția mixturii asfaltice influențează calitatea mixturii asfaltice din punct de vedere al caracteristicilor fizico-mecanice, ceea ce conduce la comportarea în exploatare.
În plus față de acești factori, în momentul în care se calculează rețeta unei mixturi asfaltice este nevoie să se ia în calcul următoarele aspecte: natura și intensitatea traficului, grosimea stratului rutier proiectat, tipul stratului rutier (strat de uzură, legătură sau de bază), zona climatică în care se regăsește drumul respectiv și temperaturile extreme (intensitatea înghețului respectiv temperaturile foarte ridicate).
Metode de proiectare a rețetelor mixturilor asfaltice
Numeroși cercetători s-au ocupat de-a lungul timpului cu determinarea unei metode optime de proiectare a rețetelor de mixtură asfaltică. Proiectarea unei astfel de rețete presupune alegerea unui amestec optim de agregate, bitum și filer pentru a obține o stabilitate și durabilitate cât mai mare a mixturii asfaltice proiectate. O rețetă bine proiectată a mixturii asfaltice și un grad de compactare corespunzător în situ conduc la o comportare bună a mixturii asfaltice pe întreaga perioada de exploarare.
În vederea elaborării dozajelor este necesară în prealabil efectuarea încercărilor preliminare asupra fiecărui material ce intră în compoziția mixturii asfaltice. Materialele care nu corespund condițiilor tehnice impuse nu vor fi luate în considerare și nu vor fi admise în procesul tehnologic de producere a mixturilor asfaltice întrucât compromit lucrarea. Se ține cont de caracteristicile fizico-mecanice mai importante pe care trebuie să le îndeplinească agregatele naturale, filerul și bitumul care urmează să intre în compoziția mixturilor asfaltice, caracteristici detaliate în cadrul subcapitolului anterior.
Atât pe plan național cât și internațional există mai multe metode de proiectare a rețetelor de mixtură asfaltică: metoda Asphalt Institute, metoda Kraemer, metoda Laboratorului Central de Cercetări Rutiere din Bruxelles, metoda pentru mixturile asfaltice proiectate la rece, iar cele mai intens metode de proiectare a rețetelor de mixtură asfaltică utilizate la nivel mondial sunt reprezentate de metoda suprafeței specifice (stabilește necesarul de liant într-o mixtură asfaltică în funcție de suprafața specifică a agregatului total) respectiv metoda volumului de goluri.
Trebuie menționat faptul că absolut toate metodele constă în determinarea unui calcul teoretic al procentului optim de liant bituminos, acesta trebuie completat de numeroase încercări de laborator cu scopul de a determina caracteristicile fizico-mecanice ale mixturilor asfaltice ale căror valori permit adoptarea dozajului optim de liant bituminos.
Metoda suprafeței specifice
Această metodă a fost elaborată de cercetătorul M. Duriez în Franța și ține cont de faptul că liantul bituminos trebuie să anrobeze toate granulele agregatului asigurând aglomerarea lor astfel încât, în final să realizeze cel mai bun grad de compactare al mixturii puse în operă și cel mai bun nivel de omogenitate în condițiile existente pe șantier.
Suprafața specifică totală luată în considerare o reprezintă în mare parte filerul și într-o măsură mai mică nisipul fin în timp ce celelalte fracțiuni din agregat au o influență nesemnificativă. Acest lucru este posibil datorită suprafeței specifice și anume: suprafața specifică a filerului de calcar este 135m2/kg, iar cea a agregatelor cu dimensiuni de peste 10mm este de 0,17 m2/kg, valori conform suprafeței specifice determinate de M. Duriez pentru diferite tipuri de agregate.
Relația utilizată pentru calcul în această metodă pentru stabilirea dozajului de liant este:
(%)
În care: b – conținutul de liant raportat la masa agregatului, în %;
α – coeficient în funcție de densitatea agregatelor, δs (α=1 → δs=2,65 g/cm3);
K- modulul de conținut;
S – suprafața specifică (calculată) a agregatului total, care intră în compoziția mixturii asfaltice, în m2/kg.
Modulul de conținut K este verificat pe o serie mare de probe de mixtură asfaltică utilizate la noi în țară pentru mortarele asfaltice (K=4,5…5,0), betoanele asfaltice bogate în criblură (K=4,0…4,5), betoane asfaltice pentru stratul de legătură (K=3,5…3,75) și pentru anrobatele bituminoase (K=3,5…4,0).
Conținutul de liant raportat la masa mixturii asfaltice se calculează cu realația:
(%)
Suprafața specifică se calculează utilizând relația:
(m2/kg)
În care: S – suprafața specifică, în m2/kg;
A – procentul de granule peste 10mm;
a – procentul de granule între 5 ÷ 10mm;
N – procenul de nisip grosier între 0,315 ÷ 0,08mm;
n – procentul de nisip între 0,315 ÷ 0,08mm;
f – procentul de filer (sub 0,08mm).
Suprafața specifică pentru betoane asfaltice se poate calcula (cu aproximație satisfăcătoare) cu relația următoare:
(m2/kg)
Suprafața specifică pentru mortare asfaltice se poate calcula (cu aproximație satisfăcătoare) cu relația următoare:
(m2/kg)
În care: f – procentul de filer (sub 0,08mm).
După stabilirea necesarului de liant se confecționează în laborator mixtura asfaltică, apoi se efectuează determinările fizico-mecanice. Dacă în urma determinărilor valorile obținute corespund prevederilor tehnice existente, se poate trece la aplicarea dozajului pe șantier.
Metoda volumului de goluri
Metoda consideră că dacă se ajunge la dozarea incorectă a procentelor de agregate, liantul bituminos va umple golurie existente în masa mixturii asfaltice astfel încât, după compactare va rămâne un volum de goluri denumit volum de goluri remanent, în valoare de 3÷5%. Cea mai bună stabilitate a mixturii asfaltice compactate se obține în momentul în care se ajunge la volumul de goluri remanent. Acesta scade și va ajunge la valori între 1,0 ÷ 2,0% după câțiva ani de exploatare datorită efectului produs de trafic.
Dozajul optim de liant în cazul metodei volumului de goluri se realizează cu ajutorul relației:
, în %
, în %
În care:
b – procent de liant raportat la masa liantului;
– volum de goluri al agregatului în stare îndesată, în %;
– densitatea agregatului în stare îndesată, în kg/m3;
– densitatea aparentă a agregatului, în kg/m3;
– densitatea bitumului, în kg/m3;
n – volumul de goluri remanent, în %.
Obținerea unui volum de goluri cât mai mic pentru agregatul în stare îndesată, înseamnă în același timp o suprafață specifică adaptată acestui volum de goluri, care conduce în final la obținerea unor rezultate apropiate de cele obținute prin metoda suprafeței specifice.
Metoda Laboratorului Central de Cercetări Rutiere din Bruxelles
Metoda consideră că procentul de liant este influențat într-o importantă măsură de următorii factori: cantitatea de filer utilizată, de procentul de goluri al filerului, de cantitatea de nisip și de caracteristicile de suprafață ale granulelor de nisip (rotunde și netede, colțuroase și rugoase).
Conținutul optim de liant (L) este exprimat în procente din masa mixturii asfaltice și se determină prin următoarea relație:
(%)
În care: F – procentul de filer din amestecul de agregate;
S – procentul de nisip din amestecul de agregate;
P – procentul de criblură mai mare de 3mm din amestec;
a – conținut optim de liant al filerului anrobat;
b – conținut de liant al nisipului anrobat;
c – conținut optim de liant al criblurii anrobate.
Valoarea lui a se determină ținând cont de caracteristicile filerului și de densitatea liantului. Valoarea lui b se determină ținând cont de densitatea agregatelor. Pentru agregate cu densitatea de 2,7 g/cm3, valoarea obținută pentru nisip natural cu granule rotunde și netede este de 3,6%, iar la nisip de concasaj cu granule corțuroase și rugoase este de 5,0%.
Valoarea lui c în cazul folosirii bitumului de petrol și a agregatelor cu densitatea în jur de 2,7 g/cm3.
Astfel se ajunge la determinarea conținutului optim de liant raportat la amestecul de agregate:
(%)
Metoda Asphalt Institute
Această procedură este concentrată în cinci etape principale, utilizând un soft special:
selectează sau determină datele de intrare;
selectează suprafața și materialele de bază care ulterior se adaugă în datele de intrare;
determină grosimea maximă a stratului rutier, apoi se adaugă în datele de intrare;
evaluează fezabilitatea construcției pe etape și pregătește planul de construcție, dacă este necesar;
efectuează o analiză economică a modelelor alternative și selectează cea mai bună rețetă și proiectare a rețetei.
Calculul conținutului de liant în cazul acestei metode este realizat cu ajutorul relației:
(%)
În care: b – procentul de bitum;
P – procentul de granule cu dimensiunea mai mare de 2mm;
N – procentul de granule cuprinse între 0,074 ÷ 2 mm;
F – procentul de părți fine (filer sub 0,074mm);
C – coeficient care ține seama de condițiile locale, de porozitatea rocii, etc; variază între 0,7 ÷1,0.
Metoda Kraemer
Această metodă constă în determinarea procentului de liant ținând cont de necesarul specific de liant pentru agregatul propus. Necesarul specific pentru anrobarea unui sort de agregate este în funcție de grosimea optimă a filmului de liant bituminos dar și de suprafața specifică a granulelor acelui sort, după cum urmează:
(cm3/100g)
În care: b – necesarul de liant, în cm3/100g;
S – suprafața specifică a agregatului, în cm3/100g;
l – grosimea optimă a filmului de liant, în cm.
Metoda de proiectare Kraemer a rețetei de mixtură asfaltică ia în considerare și intensitatea traficului:
(%)
În care: b – necesarul de liant calculat în procente din masa agregatului;
– densitatea bitumului, in g/cm3;
– necesarul specific optim de liant pentru anrobarea granulelor cuprinse în sortul i;
– procentul de agregate din sortul i, calculat față de masa agregatului total;
n – numărul de sorturi de agregate;
q – coeficientul care ține seama de intensitatea traficului astfel:
Trafic ușor →
Trafic mijlociu →
Trafic greu →
Metoda de determinare a dozajului de liant pentru mixturi asfaltice executate la rece
Calcului necesarului de liant are la bază exact aceleași principii ca în cazul mixturilor asfaltice preparate la cald, se poate utiliza oricare din metodele menționate mai sus.
Mixturile asfaltice preparate cu emulsie bituminoasă necesită ca în calcul să ia valoarea modulului de conținut mai mare (5,0 ÷5,5).
Se determină necesarul de liant după care se stabilește cantitatea de emulsie ținând cont de conținutul de bitum al acesteia, respectând următoarea relație:
(%)
În care: E – cantitatea de emulsie necesară, în %;
b – necesarul de liant, în %;
B – conținutul de bitum din emulsie, în %.
Mixturile asfaltice preparate cu suspensie de bitum filerizat (subif), au modulul de conținut recomandat pentru mortare de 6,0÷7,0, iar pentru betoane asfaltice destinate stratului de legătură de 3,75÷4,0.
După calcularea necesarului de liant (fie prin metoda suprafeței specifice sau prin metoda volumului de goluri) trebuie să se determine cantitatea de suspensie pentru 100kg nisip uscat.
Cantitatea de suspensie (S) se calculează cu relația:
(%)
În care: – conținutul de bitum în subif, în %;
A – raportul dintre subif și conținutul de bitum în subif;
b – necesarul de liant, în %.
STUDII DE CERCETARE EFECTUATE ÎN LABORATOR
Deșeuri industriale utilizate în compoziția mixturilor asfaltice
Partea experimentală a acestei teze de cercetare a presupus evaluarea unor materiale cunoscute dar și a unor materiale mai puțin uzuale în proiectarea rețetelor de mixtură asfaltică sau în construcția de drumuri.
Au fost studiate agregatele artifciale din zgură de furnal de la uzina siderurgică cu scopul de a înlocui agregatele naturale și de a susține mediul înconjurător prin eliminarea sau cel puțin decongestionarea a mari suprafețe de teren ocupate inutil cu depozite de astfel de deșeuri industriale și de a proteja mediul înconjurător.
Am continuat cercetarea cu evaluarea mai multor pulberi provenite din deșeuri industriale care să poată înlocui filerul de calcar din compoziția mixturilor asfaltice, precum: cenușa de termocentrală, cenușa de termocentrală cu 10% adaos de var (uzina energetică), gips sintetic umectat și sulfat de calciu (uzinele sodice).
Zgurile metalurgice
În România, se cunosc cu certitudine combinatele metalurgice feroase construite la: Hunedoara, Reșița, Deva, Târgoviște, Câmpia Turzii, Călărași, Tulcea, Galați, Suceava, Călan, Roman, cert este că după anul 1990 o mare parte din aceste combinate siderurgice feroase, au rămas în conservare, doar o mică parte din acestea au fost privatizate, iar dintre acestea nu mai sunt toate funcționale.
Figura 1. Prelucrarea agregatelor artificiale din zgură metalurgică
Studiile statistice au arătat că din anul 1945 până în 2000, producția în România, la toate oțelăriile funcționale, a crescut de la 125.000 tone oțel (1945) la 14,4 milioane de tone oțel (1984), când a înregistrat un maxim, ajungând la aproape 10 milioane tone în anul 2000.
Dacă se ia în calcul că din anul 1945 până în 2000, în România, zgura de oțelărie nu s-a utilizat niciodată (ci doar zgura de furnal), și considerând că se obțin, de asemenea, 250 kg de zgură la tonă de oțel, până în prezent datele statistice din aceeași sursă ne arată ca producția totală de oțel în România este de 342,3 milioane de tone, iar cea de zgură de oțelărie ajunge la aproximativ 85,6 milioane tone.
Combinatul siderurgic de la Arcelor Mittal Galați are o producție totală de oțel de 3,5 – 4 milioane de tone anual, iar, dacă se ia în calcul că la această cantitate de produs finit se obține cam 25% zgură de oțelărie, cantitatea anuală de zgură de oțelărie este de cam 875.000 – 1 milion tone zgură de oțelărie anual. La această cantitate se mai adaugă și tonele de zgură de furnal negranulată, depozitate în haldă și lăsate să se răcească liber în aer și care sunt, în acest moment, neutilizate. (DSU România, 2015)
Halda de depozitare a combinatului siderurgic Arcelor Mittal Galați are aproximativ 68.000.000 tone de zgură, se întinde pe 110 hectare și are înălțimea unui bloc cu 20 de etaje. Zilnic, combintatul produce 3 000 de tone de zgură. (Paul Andreea, 2013)
Aspectul pozitiv este că după anul 2000 și în România a început să se utilizeze zgurile de oțelărie care până atunci erau considerate adevarate deșeuri. Firme private, cu capital străin, au adus și în România experiența din Europa și USA. Astfel cantitățile de zgură de oțelărie de la combinatul de la Târgoviște de oțeluri speciale se spune că au fost epuizate, iar la Arcelor Mittal Galați se prelucrează anual peste 600.000 tone de zgură de oțelărie spre a fi vândute.
Procesarea zgurilor de oțelărie este o tehnică practicată de peste 20 ani în Europa și USA, transformarea acestor deșeuri solide în materiale granulare minerale valoroase este o preocupare mondială, mult mai veche.
Procesarea zgurilor de uzină metalurgică feroasă aduce beneficii din punct de vedere al protecției mediului înconjurător, din punct de vedere comunitar sau agricol cât și din punct de vedere tehnic: zgurile de uzină metalurgică feroasă, fiind materiale netoxice, dar având proprietăți fizico-mecanice asemănătoare rocilor, sunt o alternativă viabilă, în anumite aplicații chiar mai valoroase decât variantele naturale pentru domeniul construcțiilor.
Din punct de verere al protecției mediului, procesarea zgurilor vizează, direct și indirect, trei deziderate:
Controlul și reducerea poluării solului, inclusiv prin utilizarea unor tehnologii curate – realizat prin transformarea deșeurilor de zguri în materiale reciclate utilizate în domeniul construcțiilor. Instalația presupune concasarea, deferizarea și selectarea pe sorturi granulometrice a zgurii brute, procedeu umed (având instalații de udare pe benzile transportoare în vederea desprăfuirii);
Protecția resurselor naturale: produsele rezultate în urma procesării zgurilor sunt agregate din zgură utilizate în domeniul construcțiilor de drumuri, căi ferate, civile, hidrotehnice, ca alternativă la agregatele tradiționale din rocă naturală exploatată din carieră. Aducând pe piața construcțiilor această alternativă, se reduc exploatările de roci din cariere (aria județelor Galați, Brăila, Ialomița, Buzău, Vaslui, Vrancea fiind deficitară în piatră spartă provenită din cariere – în exploatare fiind doar carierele din Munții Măcin);
Gestionarea deșeurilor, inclusiv a deșeurilor periculoase.
În majoritatea cazurilor de derulare a proiectelor industriale, pot apărea schimbări ale habitatului, având ca rezultat afectarea florei sau faunei, produse mai ales de necesitatea depozitării deșeurilor rezultate în procesele industriale. De asemenea, efectele negative ale „munților” de zguri metalurgice depozitate, mai mult pe înălțime, în cadrul combinatelor, exercită, din cauza greutății, presiuni mari asupra pânzelor de apă freatică care traversează subteran zona haldelor, „gâtuind” practic alimentarea cu apă a localităților limitrofe.
Alt aspect pozitiv este acela că zgura este un material integral reciclabil: din zgura brută de oțelărie se extrage o parte feroasă, care se reintroduce în fluxul de fabricație al oțelului, și o parte minerală care se poate valorifica în forma de agregate (piatra spartă) pentru domeniul construcțiilor.
Un alt beneficiu al construirii unor asemenea instalații este legat direct de noțiunea obiectiv de „tehnologie curată”. Instalația de procesare a zgurilor este asemănătoare cu o instalație de concasare dintr-o carieră. Diferențele dintre acestea două sunt suficiente pentru a o integra pe prima ca făcând parte din categoria „tehnologiilor curate” datorită introducerii în plus a sistemelor de desprăfuire prin stropirea foarte eficientă a materialului pe banda transportatoare.
DSU România, afirmă un citat extrem de important de menționat ilustrând necesitatea utilizării agregatelor artificiale din zgură – Pentru că „Nu am moștenit Pământul de la părinți, îl împrumutăm de la copiii noștri”.
Într-un calcul economic efectuat pentru a determina și acest aspect s-a observat că o cantitate de 14285 de tone de zgură este suficientă pentru costrucția unui kilometru de autostradă. Mai mult, se estimează că halda ar mai conține cam 3-4 milioane de tone de fier vechi, care ar putea reintra în ciclul de producție al ArcelorMittal mult mai ieftin și mai competitiv. (Paul Andreea, 2013)
De aici putem să deducem că dacă se utilizează toată zgura depozitată în haldă se pot construii aproximativ 4 700 de kilometrii de autostradă. În plus, se poate elibera terenul ocupat de halda de depozitate iar prin eliberarea acestuia se rezolvă și problemele de mediu.
Cenușa de termocentrală
Cenușile de termocentrală sunt unanim catalogate drept deșeuri industriale cu impact ecologic sever, cu atât mai mult cu cât eliminarea lor de pe fluxurile de producere a energiei electrice pe baza arderii cărbunilor de pământ are loc masiv, pe arii geografice restrânse și adesea chiar punctuale, dacă zona de generare este raportată la scara unui areal natural mai larg.
Figura 2. Cenușă termocentrală
Din acest punct de vedere, cenușile de termocentrală (figura 2) pot fi considerate a fi „concurate” pe teritoriul României doar de către zgurile provenite din siderurgie (metalurgia feroasă). Între aceste două tipuri de deșeuri industriale pot fi găsite elemente surprinzătoare de similitudine, inclusiv legate de mențiunea anterioară, cum ar fi:
– evacuarea în cantități foarte mari de pe fluxurile industriale, de ordinul milioanelor de tone anual;
– sinergia „producției” curente cu elementul istoric al acumulării în depozitele constituite în timp, depozite care efectiv sunt de natură să modifice relieful geografic natural al zonelor de locație;
– valorificarea parțială: cenușile zburătoare (de electrofiltru) și zgurile de furnal sunt practic total utilizate pe fluxurile industriale de fabricare a cimenturilor cu întărire hidraulică, în timp ce cenușa de vatră și zgurile de elaborare a oțelului în convertizor sau cuptor electric cu arc (în ambele cazuri cu pondere masică de peste 80%), nu sunt valorificate decât foarte restrâns (sub 10% din cantitățile produse).
În literatura de specialitate, pe plan mondial, sunt prezentate rezultate pozitive obținute prin includerea ca materie primă a cenușii de termocentrală în mixturile asfaltice, cu o pondere masică de 3-14%. Concluzia specialiștilor este unanimă: cenușile de termocentrală reprezintă o materie primă de mare interes pentru industria materialelor de construcție și care, în cazul abordării riguroase a problemei valorificării, poate constitui o resursă minerală extrem de valoroasă. (Croitoru Lucica, 2015)
Acțiunea vântului antrenează cenușa uscată, determinând concentrarea metalelor grele în sol și în plante și creeză fenomene de poluare pe terenurile agricole din apropiere.
Cenușa prezintă un conținut apreciabil de metale grele-forme totale, mai ridicat în comparație cu valorile normale pentru solurile agricole, dar nu la un nivel așa de ridicat ca să fie limitativ pentru cultura plantelor. (Nica Badea Delia & Popa Roxana, 2011)
Instalațiile energetice prezintă un impact complex asupra tuturor factorilor de mediu (atmosferă, apă, sol, floră, faună), sectorul energetic fiind considerat ca o principală sursă de poluare. Aprecierea mediului dintr-o zonă, la un moment dat, este dată deci de calitatea aerului, apei, solului, starea de sănătate a populatiei, deficitul de specii de plante și animale înregistrat.
Fiecare dintre acești factori se pot caracteriza prin indicatori de calitate reprezentativi pentru aprecierea gradului de poluare și pentru care există limite admisibile stabilite. Solul este factorul de mediu care integrează toate cerințele poluării, el prezentând cea mai redusă variabilitate în timp. Gazele evacuate prin coșul de fum, datorită arderii cărbunilor, se depun pe sol, sub formă de pulberi sedimentabile.
Haldele de zgură și cenușă produc și ele poluare, prin spulberarea cenușii (fenomenul de deflație), comparabilă și chiar depășind poluarea produsă prin cenușa evacuată la coș. Se poate afirma că haldele de zgură și cenușă poluează nu numai solul ci și atmosfera, prin antrenarea de către vânt a particulelor de praf (cenușă uscată) de pe suprafața depozitului și transportul lor prin aer, la distanțe apreciabile.
Haldele de zgură și cenușă de la termocentrale care au folosit sau încă utilizează ca și combustilbil cărbunele și dacă acestea mai sunt în exploatare sau au încetat activitatea de exploatare și sunt abandonate, au un impact direct asupra mediului, reprezentând o continuare a formelor de impact viager:
ocuparea terenului pe care se află amplasată halda prin deturnarea destinației originale a terenului;
impactul estetic perceptibil prin modificarea peisajului, apariția unei formei noi de relief (deal) fiind lipsită de vegetație sau cu vegetație foarte săracă;
impactul produs de mișcarea cenușii nefixate asupra zonelor limitrofe: reduce vizibilitatea, prăfuiește clădirile și echipamente amplasate în aer liber, necrozarea parțială a țesuturilor vegetale ca urmare a impactului mecanic cu particule grosiere de cenușă spulberată de vânturile puternice, reduce capacitatea de fotosinteză prin acoperirea suprafețelor cu pulbere de cenușă, crește frecvența căderii florilor și a fructelor tinere la pomii fructiferi, apare o jenă respiratorie animală și chiar și umană.
Formele mai puțin precizate ale impactului haldelor abandonate asupra celorlalți factori de mediu, mai grave decât cele manifestate sunt:
modificarea compoziției și a calității solurilor din vecinătatea haldelor, ca urmare a depunerilor de particule de cenușă;
infiltrații în subsolul de ape de hidrotransport cu înaltă încărcătură salină din halde, datorită unor drenaje imperfecte sau a unor fisuri în chiuveta haldelor;
poluarea apelor freatice cu infiltrații din halde;
afectarea lanțului trofic, începând de la acumularea de metale grele în plante și până la afectarea sănătății umane;
radioactivitatea cenușilor depozitate în halde.
În ceea ce privește poluarea solului datorită activității centralelor, se impun următoarele:
Autorizarea locurilor de depozitare a gunoaielor, unele spații folosite în prezent chiar pe teritoriul termocentralelor, nefiind conforme cerințelor;
Reducerea spulberărilor de cenușă de pe halde;
Refacerea resurselor de descărcare a reactivilor pentru satisfacerea necesităților de aprovizionare, evitându-se pierderile accidentale. (Inișconi Ioan & Radu Sorin Mihai, 2012)
Sulfatul de calciu
În prezent, în cadrul S.C. Uzinele Sodice Govora S.A. (figura 3), există în funcțiune următoarele capacități de producție:
– producerea sodei calcinate (carbonat de sodiu): produsele sodice (precum soda calcinată ușoară, pudră și soda calcinată densă, grea) prezintă numeroase utilizări în industrii ca industria sticlei, industria detergenților și a săpunurilor, industria celulozei și a hârtiei, industria chimică, industria metalurgică, etc.;
– producerea de silicat de sodiu: pe piața internă este prezent în cea mai mare parte ăn formă lichidă, reprezintă o materie primă esențială pentru obținerea detergenților;
– producerea de sulfură de sodiu: sulfura de sodiu solidă (sub formă de fulgi) și lichidă se folosește ca agent de depilare la prelucrarea pielilor în tabăcării, la obținerea apei grele pentru industria nucleară, ca agent de flotație în extragerea metalelor neferoase și în băile de galvanizare unde se depun metale grele ca nichel, cadmiu și crom, la obținerea sodei calcinate, ca sasivant al utilajelor și traseelor tehnologice ;
– producerea varului industrial (bulgări): se produce cu scopul utilizării lui la fabricarea sodei calcinate , iar cea mai mare parte este utilizată pentru uz intern, insă în funcție de limita de producție, aproximativ 60.000 tone/an se livrează la OLTCHIM Râmnicu Vâlcea;
– producerea sitelor moleculare: utilizate în special în industria petrochimică la separarea și rafinarea n-parafinelor, uscarea gazelor de piroliză, a gazelor de sondă și la separarea bioxidului de carbon din aer, la uscarea aerului. (Decizia Consiliului Concurenței nr. 308, 2004)
Figura 37. Uzina sodică Govora
USG (Ciech) are în prezent o capacitate mai mică, de 430.000 de tone/an, și polonezii spun că vor să o aducă peste pragul de 500.000 de tone/an, necesar pentru aducerea fabricii pe profit și creșterea productivității muncii.
Haldele de producție ale companiei se întind pe 55 de hectare, iar iazul de decantare de pe malul drept al Oltului, unde se depozitează șlamul rezultat din procesul de producție, se întinde pe 160 de hectare.
Figura 38. Depozite de șlam ale uzinei sodice Govora / Ciech
Compoziția produsului considereat deșeu industrial ce urmează a fi studiat în partea experimentală ca fiind un posibil înlocuitor al filerului de calcar este detaliată în tabelul A, după cum urmează:
Tabel 8. Compoziția sulfatului de calciu
Gips sintetic umectat
Gipsul sintetic este format prin reacția chimică dintre filerul de calcar (CaCO3) și dioxidul de sulf (SO2) gazos generat la arderea cărbunelui energetic. În urma analizelor chimice pot fi evidențiate urme de cenușă precum și alte elemente chimice. De asemenea, în funcție de compoziția cărbunelui și a calcarului utilizat, gipsul sintetic poate să conțină urme de sulfat de magneziu (MgSO4), compuși ai sulfului (S), etc.
În stare uscată, gipsul sintetic este un solid sub forma de pudră, inodor de culoare albă, sau aproape albă. Acest material nu este exploziv sau combustibil. Expunerea la pudră uscată pe termen scurt nu reprezintă nici un pericol sau un pericol foarte mic.
La temperaturi de peste 1450°C gipsul sintetic se descompune în oxid de calciu (CaO) și dioxid de sulf (SO2).
Acest produs este uzual utilizat ca adaos în ciment, beton și produse de beton dar și în alte materiale de construcție precum fabricarea plăcilor de gips carton sau a componentelor de plăci gips carton.
Gipsul sintetic se manipulează cu grijă utilizând măsuri de control adecvate. Acesta poate să se acumuleze sau să adere la pereții spațiului în care este stocat și poate să se elibereze sau să se prăbușască în mod spontan și neașteptat. Cu scopul de a preveni scufundarea sau sufocarea nu intrați în spațiul de depozitare ( precum siloz, rezervor, cisterna de camion sau container de depozitare a materialului).
În momentul în care se taie, strivește, mărunțește plăci de gips carton, cimentul întărit, betonul sau a altor materiale cu conținut de silice cristalină va conduce la eliberarea în aerul respirat a silicei cristaline.
Acest produs poate reacționa cu apa, rezultând o ușoară eliberare de căldură, în funcție de cantitatea de calcar (oxid de calciu) prezentată.
Gipsul sintetic este incompatibil cu acizii, diazometan, fosor, aluminiu și agenții de oxidare puternici. Acesta se descompune în oxid de calciu și dioxid de sulf peste temperatura de 1450°C. Caracteristicile acestuia pot fi urmărite în tabelul A:
Tabel 9. Performanțe gips sintetic umectat
Studiu de laborator asupra agregatelor utilizate
Cunoașterea structurii mineralogice și petrografice are o deosebită importanță pentru alegerea corectă și corespunzătoare a agregatelor minerale ce intră în alcătuirea mixturilor asfaltice pentru diverse lucrări de construcții rutiere precum autostrăzi, drumuri naționale, județene, locale sau comunale, cu scopul realizării unor lucrări de calitate.
În cadrul acestui studiu de cercetare s-au luat în considerare agregatele prezentate în partea documentară respectiv agregate care provin de la două cariere diferite, cu scopul de a obține un domeniu de comportare cât mai larg și în același timp să se evalueze influența acestora (din punct de vedere al provenienței acestora, al formei granulei, etc), acestea fiind înlocuite cu agregate artificale provenite din zgură de furnal. Detalierea modului în care acestea au fost utilizate poate fi prezentată după cum urmează:
Agregate naturale provenite de la cariera Șoimoș sorturile 0/4, 4/8, 8/16, 16/25 mm și nisip de concasaj de la cariera Kosman (0-4mm);
Agregate naturale provenite de la cariera Lafarge sorturile 0/4, 4/8, 8/16, 16/25 mm și nisip de concasaj (0-4mm) de la aceeași carieră;
Agregate artificiale provenite din zgură de furnal de la Arcelor Mittal Galați sorturile 0/4, 4/8, 8/16, 16/25 mm.
Cu scopul de a înțelege cât mai bine modul în care aceste agregate se comportă în compoziția mixturilor asfaltice a fost necesar să se evalueze din punct de vedere al încercărilor fizico-mecanice cele 3 tipuri de agregate studiate, astfel au fost efectuate numeroase determinări de laborator precum determinarea granulometriei, a conținutului de particule fine, forma agregatelor, rezistența la sfărâmare, rezistența Micro-Deval, masa volumică, absorbția de apă și rezistența la îngheț-dezgheț.
Evaluare caracteristici fizico-mecanice pe agregate
Determinarea caracteristicilor fizico-mecanice asupra celor trei tipuri de agregate studiate și utilizate în această parte experimentală precum și comparația între proprietățile acestora reprezintă o bună certcetare înainte de integrarea lor în compoziția mixturii asfaltice, studiind o rețetă de mixtură asfaltică de tipul AB 25 pentru care s-a urmărit evoluția comportamentului acesteia în care se utilizează diferite tipuri de agregate.
Rezultatele obținute în urma tuturor încercărilor de laborator efectuate pot fi urmărite în tabelul 8, după cum urmează:
Tabel 10. Comparație caracteristici fizico-mecanice pe agregate
În urma determinării granulometriei agregatelor studiate se pot observa mult mai facil rezultatele obținute prin urmărirea curbelor granulometrice efectuate pentru fiecare sort în parte, unde se poate observa faptul că există diferențe între categoriile de încadrare conform standardului european SR EN 993-1:2012.
Figura 39. Curbe granulometrice pe agregate Șoimoș
Figura 40. Curbe granulometrice pe agregate din zgură de furnal Galați
Figura 41. Curbe granulometrice pe agregate calcaroase Lafarge
Interpretare rezultate și concluzii
Conținutul de particule fine pentru sortul 4/8mm este încadrat într-o categorie inferioară pentru agregatele calcaroase comparativ cu agregatele de la cariera Șoimoș.
Cantitatea de particule fine ce reprezintă cantitatea de albastru de metilen determinată conform SR EN 993-1+A1:2013 a condus la încadrarea în aceeași categorie pentru cele trei tipuri de agregate studiate.
Rezistența la sfărâmare Los Angeles a condus la rezultate foarte bune în cazul agregatelor de la cariera Șoimoș, iar agregatele calcaroase au rezultate aproximativ comparabile cu rezultatele demonstrate de agregatele din zgură, ambele tipuri de agregate având o rezistență mai scăzută la sfărâmare.
Rezistența Micro-Deval a condus la rezultate foarte bune pentru agregatele calcaroase și pentru cele Șoimoș, însă agregatele din zgură au demonstrat o rezistență scăzută.
Din punct de vedere al masei volumice, valorile cele mai scăzute sunt obținute pentru agregatelele calcaroase, iar agregatele din zgură au demonstrat valorile cele mai favorabile. De asemenea, coeficientul de apă absorbită după imersie 24 de ore a prezentat rezultate asemănătoare pentru agregatele calcaroase și cele Șoimoș, iar cele din zgură rețin mai multă apă.
Din punct de vedere al absorbției de apă se poate observa că ambele tipuri de agregate naturale au fost incluse în aceeași categorie.
Rezistența la îngheț-dezgheț prezintă valori care încadrează toate cele trei tipuri de agregate în aceeași categorie F1.
Astfel, după ce s-au studiat caracteristicile fizico-mecanice ale tuturor agregatelor folosite în acest studiu de cercetare s-a determinat că:
Agregatele din zură pot fi utilizate ca înlocuitor al agregatelor naturale din punct de vedere tehnic datorită faptului că îndeplinesc condițiile impuse în standardele în viguare;
comportarea agregatelor din zgură este foarte apropiată de cea a agregatelor naturale calcaroase de la cariera Lafarge.
Realizarea mixturilor asfaltice pentru straturi de bază tip AB 25 utilizate din studiul experimental a presupus conceperea a două tipuri diferite de proiectare pentru rețetele optime în care agregatele din zgură de furnal sunt utilizate ca înlocuitor a agregatelor naturale astfel:
Prima variantă de rețetă: s-au înlocuit pe rând sorturile de agregate în totalitate;
A doua variantă de rețetă: s-a înlocuit un anumit procent din toate sorturile din compoziția mixturii asfaltice.
În continuare se pot urmării rezultatele obținute pe mixturile asfaltice în compoziția cărora am înlocuit agregate naturale cu agregate din zgură, după cum urmează:
Determinări în regim static asupra mixturilor asfaltice conform AND 605/2014
În primul rând s-au confecționat probe de mixtură asfaltică pentru a putea efectua încercări statice pe acestea. În laborator există următoarele metode de compactare: compactarea statică, compactarea prin impact, compactarea prin frământare, compactarea giratorie, compactarea cu ajutorul compactorului cu rulou.
Compactarea statică: mixtura desfacută se pune în tiparul de formă și dimensiunea dorită și se comprimă sub aplicarea gradată a unei încărcări statice.
Compactarea prin impact: mixtura este compactată într-un tipar prin aplicarea repetată a încărcării tip impact, folosind un ciocan de greutate specifică ce cade de la o anumită înălțime.
Compactarea prin framântare: se realizează prin încarcare repetată prin intermediul unui picior de compactare mai mic ca dimensiune decât proba ce urmează a fi compactată. În timpul fiecărei aplicări, încărcarea este marită treptat, menținând-o un interval mic de timp.
Compactarea giratorie: folosind un efort de forfecare giratoriu, mixtura este compactată, supunând proba cilindrică unei mișcări de girație în timp ce presiunea este menținută la fiecare cap al probei, prin intermediul unor pistoane din oțel cu fețe paralele.
Compactarea cu "rolling wheel": se realizează compactarea mixturii folosind un cilindru, pe o suprafață mare, care poate da o presiune de compactare similară cu cea care apare in situ. De asemenea, la scară redusă, compactarea se poate face folosind un cilindru de oțel sau o anvelopă pneumatică.
Studiul experimental din acest raport de cercetare a implicat confecționarea de cilindrii Marshall din mixtură asfaltică, conform SR EN 12697-30:2012.
Metoda Marshall de confecționare a mixturii asfaltice
Ideea de bază a metodei a fost dezvoltată de Bruce Marshall de la departamentul de drumuri din statul Mississipi în jurul anului 1939, apoi aceasta a fost preluată și îmbunătățită de armata americană în anul 1943.
Aparatul Marshall și probe confecționate prin această metodă sunt prezentate în figura 3-3.
Figura 42. Aparatul Marshall și probe confecționate prin această metodă
Pentru o probă standard obținută prin această metodă este nevoie să se cântărească aproximativ 1200 g de mixtură asfaltică, se țin în etuvă până ajung la intervalul de temperaturi 150 °C…170°C, temperatura de confecționare este diferită în funcție de tipul de bitum.
Epruvetele au fost compactate prin aplicarea celor 50 de lovituri pe fiecare față. Probele astfel obținute au o grosime de 63,5±3.0mm. Epruvetele compactate trebuie decofrate din tipar asigurandu-se că au fost răcite în aer, pentru a se evita orice pericol de deformare. După decofrarea din tipar se așteaptă cel puțin 4 ore înainte de începerea încercării. Toate încercările trebuie efectuate în 32 de ore de la decofrare.
Se face o evaluare din punct de vedere volumetric a probelor confecționate, în funcție de un set dat de condiții, la un nivel de compactare dat. Energia de compactare este aleasă astfel încât să conducă la nivele de densitate similare cu cele impuse de compactarea sub trafic.
După compactare, se determină proprietățile volumetrice ale mixturii (volum de goluri în mixtură, volum de goluri în amestecul de agregate, volumul de goluri umplute cu bitum); acestea sunt apoi comparate cu valorile impuse prin standard (când există).
Toate rețete enumerate mai sus au fost studiate în urma rezultatelor obținute în laborator pe încercările statice ce urmează a fi detaliate conform standardelor corespunzătoare acestora.
Determinarea densității aparente a mixturilor asfaltice
Determinarea densității aparente se face conform SR EN 12697-6. Densitatea aparentă este masa unității de volum a mixturii asfaltice compactate, inclusiv golurile umplute cu aer și se exprimă în g/cm3 sau kg/m3. Cu ajutorul celor trei mase se poate determina densitatea fiecărei probe cu următoarea relație:
în care,
ρ – densitatea aparentă a mixturii asfaltice, în g/cm3 ;
m1 − masa epruvetei cântărită în aer în stare uscată, în g;
m2 − masa epruvetei cântărită în aer, după o oră de păstrare în apă, în g;
m3 − masa epruvetei sub apă, în g;
ρapă − densitatea apei, în g/cm3.
ρapă (densitatea maximă a apei) se determină din SR EN 12697-5:2010/AC:2012. Densitatea maximă a apei este (997,1*K) kg/m3, unde K este factorul de corecție.
Determinarea densității maxime a mixturii asfaltice
Densitatea maximă s-a determint prin metoda hidrostatică, conform SR EN 12697-5. După prepararea mixturii se prelevează o probă necompactată, cu masa de minim 50 de ori valoarea numerică a dimensiunii maxime a granulelor agregatului, în milimetri. Proba de mixtură asfaltică se mărunțește manual în particule grosiere și material aglomerat care nu trebuie să fie mai mari de 6 mm. Se determină masa recipientului gol în aer (m1) și scufundat în apă (m2). Se introduce proba de încercat în recipientul uscat și se aduce la temperatură ambiantă, apoi se determină masa recipientului, inclusiv proba de încercat, în aer (m3). Se umple recipientul cu apă distilată și se evacuează aerul rămas, prin agitare și vibrare. Se introduce recipientul în baia de apă la o temperatură constantă cunoscută (±1°C) în domeniul 20÷30°C, timp de cel puțin 30 minute, pentru a aduce temperatura probei de încercat și a apei din recipient la același nivel ca al apei din baia de apă. Se determină apoi masa recipientului, inclusiv a probei de încercat, scufundată în apă (m4).
Densitatea maximă a mixturii asfaltice se determină cu următoarea relație:
Determinarea absorbției de apă
Absorbția de apă, conform AND 605/2014, anexa B, reprezintă cantitatea de apă absorbită de golurile accesibile din exterior ale unei epruvete din mixtură asfaltică, la menținerea în apă sub vid și se exprimă în procente din masa sau volumul inițial al epruvetei.
Determinarea se efectuează pe epruvete sub formă de cilindri Marshall confecționați în laborator, precum si pe plăcuțe sau carote prelevate din îmbrăcămintea bituminoasă. Confecționarea epruvetelor se realizează conform SR EN 12697-30. Epruvetele din imbrăcămintea bituminoasă se usucă în aer la temperatura de maxim 20°C până la masă constantă.
Epruvetele astfel pregătite pentru încercare se cantăresc în aer (mu), după care se mențin timp de 1 oră, în apă, la temperatura de 20°C ± 1°C, se scot din apă, se șterg cu o țesătură umedă și se cântăresc în aer (m1) și apoi în apă (m2). Diferența dintre aceste două cântăriri raportată la densitatea apei reprezintă volumul inițial al epruvetei:
(cm3)
Epruvetele sunt introduse apoi în vasul de absorbție (exsicatorul de vid) umplut cu apă la temperatura de 20°C ±1°C se așează capacul de etansare și se pune în funcțiune evacuarea aerului astfel ca după circa 30 minute să se obțină un vid între 15…20 mmHg. Vidul se întrerupe după 3 ore , dar epruvetele se mențin în continuare în apă la temperatura de 20°C ±1°C timp de 2 ore la presiune atmosferică. Epruvetele se scot apoi din apă, se șterg cu o țesătură umedă și se cântăresc în aer (m3) și în apă (m4). Diferența între aceste două cantăriri raportată la densitatea apei reprezintă volumul final al epruvetelor:
(cm3)
Absorbția de apă se poate calcula în două moduri respectând următoarele formule:
Dacă volumul inițial al probei este mai mare ca volumul final, adică situația se aplică următoarele formule de calcul:
absorbția de apă (Am) raportată la masa epruvetei:
*100 (%)
absorbția de apă (Av) raportată la volumul epruvetei:
*100 (%)
Dacă volumul inițial al probei este mai mare ca volumul final, adică situația se aplică următoarele formule de calcul:
absorbția de apă (Am) raportată la masa epruvetei:
*100 (%)
absorbția de apă (Av) raportată la volumul epruvetei:
*100 (%)
în care:
mu – masa epruvetei după uscare, cântărită în aer, în grame;
m1 – masa epruvetei după 1 oră de menținere în apă, cântărită în aer, în grame;
m2 – masa epruvetei după 1 oră de menținere în apă, cântărită în apă, în grame;
m3 – masa epruvetei după 3 ore în vid și alte 2 ore la presiune atmosferică, cântărită în aer, în grame;
m4 – masa epruvetei după 3 ore în vid și alte 2 ore la presiune atmosferică, cântărită în apă, în grame;
ρw – densitatea apei, în g/cm3, calculată cu formula:
, unde t este temperatura apei.
Determinarea stabilității Marshall și a indicelui de curgere
Stabilitatea (S) reprezintă rezistența maximă la deformație, în kN, a epruvetelor confecționate din mixtură asfaltică.
Fluajul (F) sau indicele de curgere reprezintă deformația corespunzătoare a probei, în mm, în timpul încercării de stabilitate.
Încercarea se realizează conform SR EN 12697-34. Pentru efectuarea testului este necesar un set de minim 4 epruvete. Epruvetele de încercare se obțin prin compactare conform SR EN 12697-30, cu 75 lovituri pe ambele fețe pentru mixtura tip MASF și cu 50 lovituri pe ambele fețe pentru celelalte tipuri de mixturi.
Se poate selecta un număr diferit de lovituri în funcție de trafic: 35 lovituri pentru trafic ușor și 75 lovituri pentru îmbrăcăminte rutieră destinată traficului greu.
După răcire și decofrare, testul poate fi aplicat epruvetelor după cel puțin 4 ore. Toate testele trebuie să fie complete în 32 ore. Epruvetele nu trebuie să fie așezate unele peste altele înainte de a fi încercate.
Metoda se bazează pe supunerea la forfecare, prin comprimare diametrală a unei epruvete cilindrice așezată între două fălci metalice. Înaintea introducerii epruvetelor în baia de termostatare, se măsoară și se înregistrează înălțimea fiecăreia conform SR EN 12697-29. Înălțimea epruvetelor trebuie să fie cuprinsă între 60,5 și 66,5 mm. Se pregătește capul de testare prin preîncălzire la 60±1°C timp de 30 minute în baia de apă sau 60 minute în etuvă. Această acțiune trebuie să fie reluată după fiecare 12 probe încercate (timpul dintre două încercări să nu fie mai mare de 3 minute). Înaintea încercării fiecărei probe se curăță capul de testare cu un solvent corespunzător și se lubrifiază cu glicerină pentru a preveni aderarea probei la capul de testare.
Probele cilindrice se condiționează în baia de apă la temperatura de 60±1°C cel puțin 40 minute, dar nu mai mult de 60 minute. Se scoate proba din baia termostatată și se plasează central în capul de testare, asigurând o bună suprafață de contact. Întregul ansamblu se introduce în mașina de testare.
Se aplică încărcarea pe epruvetele de încercat pentru a se obține o viteză constantă de deformație de (50±2) mm/min în afara perioadei tranzitorii. Se continuă aplicarea acestei încărcări până se obține citirea maximă pe dispozitivul de măsurare a încărcării. Se înregistrază încărcarea indicată. Această parte a încercării trebuie efectuată în cel mult 40 s de la scoaterea epruvetelor de încercat din baia de apă. Valoarea maximă a sarcinii la care se produce ruperea reprezintă stabilitatea Marshall, iar deformația corespunzătoare reprezintă fluajul. Încărcarea maximă obținută reprezintă valoarea stabilității mixturii asfaltice numai dacă înălțimea epruvetei este egală cu cea recomandată de 63,5 mm.
Pentru epruvetele a căror înălțime este diferită, stabilitatea se obține prin înmulțirea valorii înregistrate cu un coeficient de corecție dependent de înălțimea probei încercate. Valoarea coeficientului este:
unde:
c – factor de corecție;
h – înălțimea probei în mm;
v – volumul epruvetei în mm3.
Pentru a obține valoarea fluajului (F) se măsoară pe curba forței, funcție de deformație, distanța dintre punctul de intersecție al tangentei cu axa orizontală, A, până în punctul în care este atinsă încărcarea maximă, M. Valorile fluajului Ft și FT se obțin în mod similar. Valorile obținute ale fluajului se înregistrează cu aproximație de 0,1 mm.
Coeficientul Marshall trebuie obținut prin calcularea S/F și notarea valorii obținute cu aproximație de 0,1kN/mm.
Figura 43. Stabilitate și fluaj Marshall
În care: S – stabilitate
F – fluaj (AM’)
Ft – fluaj tangențial (AB’)
FT – fluaj tangențial (OM’)
1 – Tangenta
2 – Fluajul F
Rezultatele încercării trebuie considerate fiabile dacă simultan variația stabilității între probe este mai mică de 15% și variația fluajului între probe este mai mică de 20%. Se resping epruvetele cu valoarea cea mai depărtată și se reține valoarea medie a celorlalte epruvete dacă :
valoarea de stabilitate a uneia sau mai multor probe diferă de valoarea medie de stabilitate cu mai mult de 15%;
valoarea de fluaj a uneia sau mai multor probe diferă de valoarea medie de fluaj cu mai mult de 20%.
În plus, dacă orice valoare diferă de la noua valoare medie cu mai mult de 15% pentru stabilitate sau 20% pentru fluaj, se repetă încercarea.
Înlocuirea agregatelor naturale cu agregate din zgură în compoziția mixturii asfaltice de tip AB 25
În cadrul acestui subcapitol am dezvoltat proiectarea mai multor rețete de mixtură asfaltică a stratului de bază AB 25 prin două metode de înlocuire a agregatelor naturale cu agregate artificiale.
Prima proiectare de rețetă de mixtură asfaltică presupune înlocuirea agregatelor naturale cu agregate artificiale în procente din cantitatea totală a agregatului din compoziția mixturii asfaltice. Astfel, s-au înlocuit 20, 40, 50, 60, 80, 100% toate sorturile de agregate naturale.
Cel de-al doilea tip de proiectare de rețetă de mixtură asfaltică presupune înlocuirea agregatelor naturale cu agregate artificiale pe sorturi. Aici am înlocuit, pe rând, sorturile 4/8, 8/16, 16/25 mm precum și mai multe combinații între acestea.
Proiectare rețetă AB 25 cu înlocuire agregate naturale în procente din cantitatea totală de agregat
Rețeta mixturii asfaltice AB 25 în care s-au înlocuit agregatele naturale cu agregate artificiale în procente din cantitatea totală de agregate este prezentată în funcție de numărul de rețete necesare evaluării acestui tip de proiectare după cum urmează:
Studiul s-a făcut pe un număr de 7 rețete pentru acest tip de mixtură asfaltică. Astfel, plecând de la rețeta martor (rețeta I), s-au înlocuit în proporție de 20, 40, 50, 60, 80, 100% din toate sorturile de agregate naturale cu zgură de furnal, notate după cum urmează:
Rețeta I – rețeta martor (0% zgură);
Rețeta II – s-a înlocuit 20% zgură în mixtură din toate sorturile existente;
Rețeta III – s-a înlocuit 40% zgură în mixtură din toate sorturile existente;
Rețeta IV – s-a înlocuit 50% zgură în mixtură din toate sorturile existente;
Rețeta V – s-a înlocuit 60% zgură în mixtură din toate sorturile existente;
Rețeta VI – s-a înlocuit 80% zgură în mixtură din toate sorturile existente;
Rețeta VII – s-a înlocuit 100% zgură în mixtură din toate sorturile existente.
Proiectarea acestor rețete de mixtură asfaltică AB 25 a fost realizată conform datelor prezentate în tabelul 4.
Tabel 3. Rețeta martor AB 25 cu înlocuire în % din agregat total
Curba de granulozitate pentru mixtura asfaltică martor AB 25 în care s-au înlocuit agregatele naturale cu cele din zgură, în procente, din toate sorturile din care este compusă rețeta mixturii asfaltice este reprezentată în figura 22:
Figura 44. Curba granulometrică a mixturii asfaltice AB 25 agregate calcaroase Lafarge
Studii de laborator – rețeta cu înlocuire în procent din agregat total
În urma proiectării acestui tip de mixtură asfaltică s-au efectuat mai multe încercări de laborator, precum: determinarea densității maxime, determinarea densității aparente, a volumului de gouri, a caracteristicilor Marshall, a modulului de rigiditate, stabiltatea la apă și absorbția de apă. Rezultatele obținute în funcție de dozajul de zgură din compoziția mixturii asfaltice pot fi urmărite, centralizat, după cum urmează, în tabelul numărul 12.
Tabel 11. Centralizator rezultate rețetă AB 25 cu înlocuire în procente din agregat total
Cu scopul de a pune în evidență și de a fi cât mai ușor de observat, rezultatele obținute se pot urmării în graficele corespunzătoare acestora, reprezentate în figurile ce urmează.
În graficul reprezentat în figura 29 se pot observa rezultatele obținute în urma determinării densității aparente a mixturilor asfaltice proiectate și :
Figura 45. Densitate aparentă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
Densitatea maximă a rețetelor de mixtură asfaltică AB 25 cu înlocuirea în procente din cantitatea totala de agregate a fost studiată și este reprezentată grafic în figura 30, după cum urmează:
Figura 46. Densitatea maximă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
În figura următoare (31) se poate observa evoluția volumului de goluri în funcție de procentul de zgură din mixtură:
Figura 47. Volumul de goluri în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
Caracteristicile Marshall obținute în urma încercării sunt prezentate în figura 32, în funcție de dozajul de zgură din compoziția rețetei de mixtură asfaltică studiată:
Figura 48. Caracteristici Marshall în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
În urma determinării modulului de rigiditate s-au obținut următoarele rezultate, conform figura 33:
Figura 49. Modulul de rigiditate în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
În urma determinării stabilității la apă a mixturii asfaltice studiate s-au obținut următoarele date, prezentate în figura 34:
Figura 50. Stabilitatea la apă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
Determinarea absorbției de apă a condus la următoarele rezultate în urma determinărilor efectuate pe toate rețetele proiectate, prezentate în figura 35:
Figura 51. Absorbția de apă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25
Evidențierea procentului de zgură din compoziția mixturii asfaltice și influența acestuia asupra densității mixturii asfaltice este pusă în valoare în figura A:
Figura 52. Influența dozajului de zgură asupra densității mixturilor asfaltice
Figura 53. Influența dozajului de zgură asupra stabilității Marshall a mixturilor asfaltice
Figura 54. Influența dozajului de zgură asupra indicelui de curgere a mixturilor asfaltice
Figura 55. Influența dozajului de zgură asupra raportului S/I a mixturilor asfaltice
Figura 56. Influența dozajului de zgură asupra modulului de rigditate a mixturilor asfaltice
Interpretarea rezultatelor și concluzii
În cazul studiului asupra acestui tip de rețetă de mixtură asfaltică se poate observa în urma centralizării rezultatelor obținute, precum și din graficele aferente acestora că înlocuirea agregatelor naturale cu agregate obținute din zgură de furnal poate fi pusă în practică pentru o înlocuire în procent de maxim 50÷60%. Cele mai bune rezultate au fost obținute în aceste cazuri, reprezentarea individuală a acestora poate fi observată în figurile 54, 55, respectiv 56.
Figura 57. Densitate aparentă și volum de goluri – rețete optime stabilite
Figura 58. Caracteristici Marshall obținute – rețete optime stabilite
Figura 59. Modulul de rigiditate și sensibilitatea la apă – rețete optime stabilite
În cazul în care se dorește utilizarea unui dozaj mai mare de agregate artificiale din zgură în compoziția mixturii asfaltice se pot aduce anumite îmbunătățiri asupra rețetei precum sporirea dozajului liantului bituminos și/sau îmbunătățirea calităților acestuia prin adăugarea unui agent de adezivitate și astfel proprietățile mixturii asfaltice obținute se vor îmbunătăți.
Acest tip de rețetă de mixtură asfaltică nu va mai fi luat în considerare în continuarea studiului experimental datorită faptului că se consideră că într-o stație de mixtură asfaltică este mult mai costisitor să sporești benzile colectoare până la 100% (adică dublarea numărului acestora) comparativ cu rețeta în care se va înlocui câte un sort sau maxim două, caz în care sunt suficiente maxim 2 astfel de benzi în plus.
În schimb, dacă se analizază evoluția mixturii asfaltice în cazul utilizării agregatelor din zgură comparativ cu utilizarea agregatelor calcaroase, evaluând rezultatele obținute pentru stabilitate Marshal se poate observa o îmbunătățire adusă de agregatele din zgură. O altă îmbunătățire este adusă și din punct de vedere al modulului de rigiditate unde se poate observa că utilizarea agregatelor din zgură sporește rigiditatea rețetelor de mixtură asfaltică comparativ cu cele în care s-au utilizat agregatele calcaroase.
Proiectarea rețetei de mixtură asfaltică AB 25 cu înlocuirea pe sorturi de agregate naturale cu agregate artificiale din zgură
Rețeta mixturii asfaltice AB 25 în care s-au înlocuit agregatele naturale cu agregate artificiale pe sorturi este prezentată în tabelul 2, iar reprezentarea grafică se poate observa în figura 4:
Tabel 12. Rețeta AB 25 cu înlocuire pe sorturi a agregatelor naturale cu zgură
Figura 60. Curba granulometrică AB 25 proiectată cu agregate Șoimoș
Studiul s-a făcut pe un număr de 8 rețete pentru acest tip de mixtură asfaltică. Astfel, plecând de la rețeta martor (rețeta I), s-au înlocuit în proporție de 100% anumite sorturi de agregate naturale cu zgură de furnal precum și mai multe combinații între sorturile de agregate, conducând la necesitatea utilizării următoarelor notații:
Rețeta I – rețeta martor (0% zgură);
Rețeta II – s-a înlocuit sortul 8-16 (12% zgură);
Rețeta III – s-a înlocuit sortul 4-8 (18% zgură);
Rețeta IV – s-a înlocuit sortul 16-25 (29% zgură);
Rețeta V – s-au înlocuit sorturile 4-8 și 8-16 (32% zgură);
Rețeta VI – s-a înlocuit sortul 8-16 și 16-25 (44,3% zgură);
Rețeta VII – s-au înlocuit sorturile 4-8 și 16-25 (47,8% zgură);
Rețeta VIII – s-au înlocuit sorturile 4-8, 8-16 și 16-25 (65% zgură).
Studii de laborator
După proiectarea acestor tipuri de mixtură asfaltică s-au efectuat numeroase studii de laborator precum determinarea densității maxime, determinarea densității aparente, volumul de goluri, caracteristicile Marshall, modulul de rigiditate și stabilitatea la apă.
Aceste proprietăți ale mixturilor proiectate pot fi urmărite în tabelul 13, în forma centralizată a rezultatelor obținute în urma încercărilor de laborator, rezultatele comparate întotddeauna și cu caracteristicile evaluate pe rețeta martor a mixturii asfaltice.
Tabel 13. Centralizator rezultate rețetă AB 25 cu înlocuire pe sorturi cu zgură
Cu scopul de a pune în evidență pentru a fi cât mai ușor de observat, rezultatele obținute se pot urmări în graficele corespunzătoare acestora.
În graficul din figura 23 se pot observa rezultatele obținute în urma determinării densității maxime a mixturilor asfaltice încercate:
Figura 61. Densitatea maximă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25 (rețeta A)
În figura 24 este reprezentată densitatea aparentă obținută pe tipurile de mixtură studiate în această etapă:
Figura 62. Densitatea aparentă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25 (rețeta A)
În continuare se reprezintă grafic volumul de goluri din mixtura asfaltică în figura 25:
Figura 63. Volum de goluri în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25 (rețeta A)
Caracterisiticile Marshall și anume: stabilitatea Marshall, indicele de curgere și raportul S/I sunt reprezentate în graficul din figura 26:
Figura 64. Stabilitate, indice de curgere și raport S/I în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25 (rețeta A)
Modulul de rigiditate obținut pentru toate tipurile de mixtură asfaltică studiate pot fi urmărite în figura 27:
Figura 65. Modulul de rigiditate în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25 (rețeta A)
Stabilitatea la apă a mixturii asfaltice AB 25 în care s-au înlocuit diverse sorturi de agregate așa cum a fost detaliat mai sus, a condus la următoarele caracteristici prezentate în figura numărul 28:
Figura 66. Stabilitatea la apă în funcție de dozaj zgură în mixtură AB 25 (rețeta A)
Interpretarea rezultatelor și concluzii
În urma studiilor de laborator efectuate asupra înlocuirii agregatelor naturale cu agregate artificiale din zgură utilizate în compoziția mixturilor asfaltice a condus la următoarele rezultate.
În cazul mixturii asfaltice în care s-au înlocuit pe sorturi agregatele naturale cu agregatele artificiale din zgură de furnal s-a demonstrat că înlocuirea sortului 4/8mm și înlocuirea sorturilor 4/8mm + 8/16mm sunt rețete de mixtură asfaltică ce conduc la caracteristici fizico-mecanice care se încadrează în cerințele și limitele impuse în normativele în viguare, în timp ce toate celelalte rețete studiate au prezentat valori care nu se încadrează în toate cerințele impuse în normativ AND 605 și astfel se ajunge la concluzia că proiectarea acestor rețete nu este corectă sau optimă.
Din acestă cauză se va lua în considerare următoarele 2 rețete de mixtură asfaltică (caracteristicile acestora fiind detaliate individual în figurile 12, 13, 14, 15 și 16), bineînteles comparându-se viitoarele rezultate ale încercărilor asupra acestora cu proprietățile obținute de rețeta martor a mixturii asfaltice AB 25.
Figura 67. Curba granulometrică a mixturii asfaltice AB 25 cu sort 4/8mm agregate din zgură
Figura 68. Curba granulometrică a mixturii asfaltice AB25 cu sorturi 4/8mm și 8/16mm din zgură
Figura 69. Densitate aparentă și volum de goluri – rețete optime stabilite
Figura 70. Caracteristici Marshall obținute – rețete optime stabilite
Figura 71. Modulul de rigiditate și sensibilitatea la apă – rețete optime stabilite
Ca și concluzii în urma rezultatelor obținute se poate aprecia că această etapă de cercetare conduce la rezultate importate cu privire la înlocuirea, pe rând, a câte un sort de agregate naturale cu sort similar cu agregate din zgură de furnal metodă pentru care s-au obținut caracterisitici fizico-mecanice ale mixturii care nu se schimbă în mod esențial.
Rezultatele obținute în urma încercării pentru determinarea stablității Marshall indică mai degrabă încadrarea (aproape în totalitate, indiferent de sorturile înlocuite), în aceeași categorie de valori (Smin12.5 și Smax15), având totuși două excepții și anume înlocuirea pentru sortul 8/16mm și pentru sortul 16/25mm, încadrându-le în categoria (Smin10 și Smax12.5).
Toate rețetele studiate îndeplinesc cerința impusă în normativele în viguare ca valoarea minimă a stabilității Marshall să fie de minim 6,5kN.
Indicele de curgere Marshall a condus la valori obținute care se încadrează în categoriile F3 și F5 (pentru cazul în care s-a înlocuir sortul 8/16mm și pentru cazul 16/25mm), în funcție de dozajul de zgură din compoziția mixturii asfaltice.
Sensibilitatea la apă este determinarea cea mai influențată de modificarea agregatelor utilizate și se poate observa că dacă se înlocuiește doar un sort de agregate valorile obținute cresc. Dacă se înlocuiesc două sau chiar trei sorturi de agregate se poate observa că sensibilitatea la apă scade cu până la aproximativ 30%.
În plus, se poate observa și o creștere a volumului de goluri cu 60 și chiar 100% în funcție de cantitatea de zgură din mixtură. Toate mixturile încercate se încadrează în aceeași categorie pentru ITSR (ITSR90) iar absorbția de apă depășește limitele impuse de normele în vigoare (1.5 – 5%).
Ținând cont de acest aspect extrem de important în comportarea mixturilor asfaltice trebuie să se acorde o atenție sporită atât în momentul execuției stratului rutier cât și pe durata de exploatare a acestuia.
Ca și concluzie se poate preciza că în urma acestui studiu de cercetare făcut pe mixtura asfaltică AB 25, înlocuirea agregatelor de Șoimoș cu agregate din zgură de furnal conduce la obținerea unei rețete de mixtură asfaltică pentru stratul de bază cu caracteristici îmbunătățite dacă procentul de zgură din agregatul total nu depășește 30%, iar sorturile înlocuite sunt 4/8mm, respectiv sortul 8/16mm.
Mai mult, analiza asupra valorilor determinate ne demostrează că cele mai bune rezultate s-au obținut în momentul în care s-a înlocuit cu agregate din zgură doar sortul 4/8mm de agregate naturale (reprezentând 18% din totalul agregatelor) iar situația cea mai defavorabilă a fost obținută în cazul înlocuirii tuturor sorturilor de agregate (ceea ce reprezintă 65% din agregatul total utilizat la realizarea mixturii asfaltice).
Încercări de laborator asupra pulberilor minerale provenite din deșeuri industriale
Cu scopul de a obține o mixtură asfaltică ecologică cu o compoziție cât mai bogată în deșeuri industriale s-au făcut studii de cercetare asupra mai multor pulberi minerale care se pot utiliza ca material de umplutură în compoziția mixturii. Astfel s-au făcut evaluări privind granulometria, masa volumică, umiditatea, solubilitatea, porozitatea filerului uscat, evaluarea particulelor fine nocive și încercarea bilă-inel.
Mai departe, studiul de cercetare asupra posibilitaților de utilizare a deșeurilor industriale în compoziția mixturilor asfaltice a urmărit înlocuirea parametrului filer cu materiale considerate deșeuri industriale, care însă pot fi utilizate cu succes în proiectarea rețetelor de mixtură asfaltică ca material de adaos așa cum se poate observa mai jos.
În această etapă experimentală am efectuat un studiu asupra a 5 tipuri de filere și anume un filer dintr-o cenușă de termocentrală, aceeași cenușă dar îmbunătățită cu adaos de 10% var, un șlam obținut în urma proceselor de prelucrare ale uzinelor sodice precum gipsul sintetic umectat, un filer din sulfat de calciu, precum și filerul uzual utilizat în România respectiv filerul de calcar.
Determinările efectuate pe toate tipurile de filere sunt prezentate succint mai jos, după cum urmează:
Determinarea umidității filerului
Această determinare se face conform STAS 539-79, punctul 3.1.
Subeșantionarea se face conform SR EN 932-2. Din proba de analizat se cântărește cu precizie de 0,1g o cantitate de 500g filer. Filerul se usucă în etuvă la 105±5°C până la masă constantă (diferența între două cântăriri succesive să fie de maxim 0,5g). După uscare filerul se lasă să se răcească într-un exicator, pană la temperatura mediului ambiant după care se cântărește.
Umiditatea filerului se calculează cu formula:
umiditate
În care: m – masa filerului umed, în grame;
m1 – masa filerului uscat, în grame.
Rezultatul este media aritmetică a trei determinări. Abaterea admisă între determinări este de maxim 0,1%.
Determianarea solubilității în apă
Această determinare se face conform SR EN 1744-1+A1:2013, punctul 16.
Solubilitatea în apă reprezintă componentele solubile ce se extrag dintr-un agregat/filer prin decantare.
Scopul încercării este de a determina solubilitatea în apă a agregatelor și a filerelor. Pentru filere se reduce eșantionul de laborator la o probă de încercat de 25g. Se usucă subeșantionul la o temperatură de (110±5)°C până la masă constantă. Se prelevează două probe de încercat, fiecare având masa de 5 ±2 g. Apoi se adaugă o masă de apă de cinci ori mai mare decât masa probei de încercat după care recipientele se închid etanș și se amestecă conținuturile lor prin vibrare sau rotire cu ajutorul unui agitator sau manual, timp de minim 24 de ore.
După 24 de ore se lasă să se decanteze majoritatea părților solide, se elimină o cantitate maximă de lichid de suprafață prin filtrare pe hârtie de porozitate medie, tarată în prealabil.
Se transferă agregatul decantat cu ajutorul unei cantități minime de apă într-o capsulă de evaporare din porțelan, tarată în prealabil. Se adaugă filtrul de hârtie și particulele reținute în interiorul capsulei. Se usucă într-o etuvă ventilată la 110±5°C și se răcește până la masă constantă. Se cântărește cu exactitate de 0,1g și se calculează masa agregatului prin scăderea maselor capsulei și a filtrului de hârtie (m12).
Solubilitatea WS în apă se calculează după următoarea formulă:
(%)
În care: – masa agregatului înainte de extracție, în grame;
– masa agregatului după extracție, în grame.
Determinarea masei volumice reală a filerului
Această determinare se face conform metodei cu picnometrul. Calibrarea picnometrului se face conform SR EN 1097-7:2008, Anexa A.
Se curăță picnometrul prin spălare de mai multe ori cu acetonă și se usucă. Se cântărește (cu exactitate de 0,0001g) picnometrul cu dop și se notează m0. Se umple picnometrul cu apă distilată și se plasează (fără dop) în baia de apă la (25±1°C), astfel încât marginea superioară să fie cu 2mm până la 3mm deasupra nivelului apei din baie. După 60 min se introduce dopul picnometrului astfel încât o cantitate de apă să iasă afară prin capilaritate. Se usucă partea superioară a capilarului și se îndepărtează picnometrului din baia de apă. Imediat se răcește în apa curgătoare pentru a preveni expandarea apei distilate prin capilaritate. Cu grijă se usucă partea exterioară și se cântărește picnometrul cu apă (m3). Rezultatul se rotunjește la 0,01ml.
Se calculează volumul picnometrului cu următoarea formulă, în mm:
În care: V – volumul picnometrului, în mm;
– masa picnometrului gol cu dop, în g;
– masa picnometrului umplut cu apă, în g;
– densitatea apei, în Mg/m3.
Se subeșantionează proba conform SR EN 932-2, praba supusă încercării va avea înainte de uscare minim 50g. Se usucă până la masă constantă, în etuvă la 110±5°C și se lasă să se răcească în exicator cel puțin 90 min. Se verifică proba să nu prezinte bulgări, caz în care se va omogeniza cu o spatulă.
Se cerne uscat proba de filer, pe sita de 0,125mm reținând tot ce e pe sită.
Determinarea masei volumice reale se face pe trei probe, folosind un picnometru calibrat și un lichid (apă distilată) de densitate cunoscută. Se cântărește picnometru (cu dop) și se notează masa m0. Se introduce în picnometru 10±1g filer din proba pregătită și se notează masa m1. Se adaugă apă distilată până acoperă total filerul. Se montează dopul picnometrului, se introduce în vacuum exsicator și se aplică o presiune de 3kPa aproximativ 5 minute. Se lasă picnometrul cel puțin 30 min în vacuum exsicator la presiunea de 3kPa. După ce se restabilește presiunea atmosferică în exicator, se scoate picnometrul și se umple cu lichid. Picnometrul fără dop se introduce în baia de apă la o temperatură de 25±0,1°C, astfel încât balonul picnometrului să fie sub nivelul apei cu 2-3 mm. După 60 min, se montează dopul picnometrului astfel încât o cantitate de lichid iese afară prin capilaritate. Se șterge dopul și se îndepărtează picnometrul din baia de apă. Se răcește rapid în apa curgătoare rece pentru a preveni expansiunea lichidului prin capilaritate. Se curăță cu grijă exteriorul și se cântărește picnometrul cu proba și lichid, m2.
Masa volumică reală a filerului se calculează cu formula:
În care: – masa picnometrului gol cu dop, în g;
– masa picnometrului cu filer, în g;
– masa picnometrului cu filer și lichid, în g;
– densitatea lichidului la 25°C, Mg/cm3;
V – volumul picnometrului, în ml.
Rezultatul reprezintă media aritmetică a trei determinări și se rotunjește la cel mai apropiat 0,01 Mg/cm3.
Determinarea părților fine
Această determinare reprezintă încercarea cu albastru de metilen.
Prin metoda sferturilor se reduce eșantionul până se obțin două probe de cel puțin 200g de particule de dimensiunea 0/2mm, sitate pe sita de 2 mm. Se usucă o probă cu masa M la 110±5°C până la masa constntă și se notează M'. Se determină conținutul de apă cu ajutorul formulei:
,%
Se ia cealaltă probă, se face o corecție în funcție de umiditatea aflată cu formula:
Se notează M0 masa probei și cu M1 masa probei după uscare la masă constantă astfel:
Pentru fracția de 0/0,125mm se procedează ca mai sus, dar cu masa probei de 30g.
Prepararea suspensiei de albastru de metilen: se ia (500±5) ml de apă distilată sau demineralizată într-un recipient se adaugă proba uscată agitând bine cu spatula. Se setează agitatorul la frecvența de rotație de 600 min-1 și poziția petalelor agitatorului la 10 mm deasupra fundului recipientului. Se pornește agitatorul timp de 5 minute la frecvența de rotație (600±60)min-1 și se agită în continuare cu frecvența de rotație de (400±40) rotații/min.
După fiecare adăugare a soluției de albastru de metilen, pata de test constă în prelevarea unei picături de suspensie cu ajutorul baghetei pe hârtia de filtru. Picătura trebuie să aibă un diametru al depozitului între 8-12 mm. Testul se consideră pozitiv dacă zona umedă formată în jurul depozitului este de aproximativ 1 mm. Se repetă testul din minut în minut pentru 5 minute fără a adăuga soluție.
Determinarea cantității culorii absorbite: după agitare se injectează o doză de 5ml soluție de albastru de metilen, se agită cu frecvența de rotație (400±40) min-1 pentru mai mult de 1min și se pune pe hârtie de filtru. Dacă aureola nu mai apare se mai adaugă 5 ml, se agită iar un minut și se pune o nouă pată pe hârtia de filtru. Dacă aureola nu apare în primele 4 minute se adaugă încă 5 ml de soluție. Dacă dispare aureola în primele 5 min se adaugă câte 2 ml de soluție. În toate cazurile se continuă agitarea și se efectuează pete pe hârtia de filtru până când aureola persistă pentru 5 minute.
Se înregistrează volumul total de saturație de metilen V1 adăugat pentru a produce o aureolă care persistă pentru 5 minute, la cel mai apropiat milimetru.
Calculul se face cu relația:
În care: M1 – masa probei de încercat, în grame;
V1 – volumul total al soluției de albastru de metilen, în milimetrii.
Se înregistrează valoarea MBF la cel mai apropiat 0,1g de soluție de albastru de metilen per kg de 0/2mm fracție granulară sau pentru 0/0,125mm fracție granulară.
Determinarea punctului de înmuiere. Metoda cu inel și bilă
Încercarea se aplică bitumurilor simple sau modificate cu polimeri utilizate la prepararea mixturilor asfaltice destinate executării straturilor bituminoase rutiere, bitumurilor îmbătrânite și bitumurilor obținute prin extracție din mixtura asfaltică precum și amestecurilor bitum/filer.
Scopul încercării este de a determina punctul de înmuiere al bitumului supus analizei și a capacității de întărire a filerelor amestecate cu bitum.
Punctul de înmuiere al unui bitum reprezintă temperatura la care o probă de bitum introdus într-un inel, în anumite condiții, se înmoaie suficient încât să permită trecerea prin inel a unei bile de un anumit diametru și cu o anumită masă.
Delta inel și bilă (ΔR&B) reprezintă creșterea punctului de înmuiere al unui amestec de bitum/filer, compus din 37,5 părți de volum filer și 62,5 părți de bitum, în raport cu punctul de înmuiere al bitumului utilizat în acest amestec.
Se încălzesc cele două inele dar nu și placa de turnare la o temperatură nu mai mare de 100°C peste punctul de înmuiere preconizat. Se așează inelele pe placa de turnare tratată în prealabil cu amestec de glicerină și talc. Se toarnă o cantitate de liant bituminos (încălzit la o temperatură nu mai mare de 100°C peste punctul de înmuiere preconizat) în fiecare dintre inele și apoi se lasă să se răcească 30 de minute la temperatura mediului ambiant. Când probele s-au răcit se îndepărtează excesul de liant bituminos cu un cuțit încălzit astfel încât proba să fie la același nivel cu marginea inelelor. Excesul de liant bituminos se taie imediat înainte de plasarea inelelor în ansamblu, pentru a evita contaminarea suprafeței.
Se pregătește o primă probă de încercat pentru determinarea densității particulelor conform EN 1097-7. Se cerne uscat un eșantion pe o sită de 0,125 mm și se elimină refuzul. Se reduce eșantionul de laborator cernut pentru a obține proba de încercat având o masă de cel puțin 60g. Se usucă proba de încercat la 110±5°C până la obținerea masei constante și se lasă să se răcească la temperatura ambiantă în exicator.
Se determină densitatea filerului așa cum este detaliat mai sus, se așează în etuvă o capsulă de laborator conținând cel puțin 60g bitum de clasa 70/100, o capsulă conținând proba de filer, o capsulă de evaporare și patru inele de alamă și se aduc la o temperatură de 150±5°C în 4,0±0,5h.
După încălzire se așează două dintre inelele de alamă pe placa de sticlă acoperită cu agentul de decofrare și se umplu cu bitum excesiv până la o ușoară debordare. Se așează capsula de evaporare pe balanță, utilizând un inel de plută pentru a izola balanța de căldură provenită de la capsulă. Se umple capsula cu 20±2g de bitum. Se înregistrează masa reală a bitumului mb cu citire la cel mai apropiat 0,1g. Se introduce capsula cu bitum în etuva încălzită și se menține la o temperatură de 150±5°C.
Pentru unele tipuri de filere (de exemplu filerul cu conținut mare de hidroxid de calciu) efectul de rigidizare pentru amestecul filer-bitum crește atât de mult încât nu se poate obține un amestec omogen în timpul de amestecare speficat. Dacă nu se poate obține un amestec omogen, testul va fi întrerupt. Rezultatul (diferența bilă-inel), se va înregistra ca fiind mai mare de 25°C. Se așează din nou capsula ce conține bitum pe balanța izolată cu inelul de plută și se adaugă mf g de filer în bitum, calculâd această masă cu ajutorul relației următoare:
În care: – masa de bitum, în grame;
– masa de filer adăugat, în grame;
– densitatea filerului, în Mg/m3;
– densitatea bitumului la 25°C, în Mg/m3.
Dacă nu se cunoaște exact densitatea bitumului utilizat se poate lua în calcul valoarea 1,025 Mg/m3. Aceste date permit obținerea unui amestec în volum de 37,5% filer și bitum 62,5%. Se așează capsula în etuvă și se introduce filerul în bitum timp de 150±5 secunde. Se continuă amestecarea timp de încă 150±5 secunde menținând temperatura la 150±5°C pentru a obține un amestec omogen.
Se așează celelalte două inele de alamă pe placa acoperită cu agentul de decofrare și se umplu cu amestecul de bitum/filer în exces, până la o ușoară debordare. Se determină punctul de înmuiere al bitumului și cel al amestecului bitum/filer conform SR EN 1427. Pentru fiecare fază a încercării se utilizează un inel de alamă în care s-a turnat bitum și un inel în care s-a turnat amestecul de bitum/filer. Se repetă încercarea în totalitatea sa dacă diferența dintre cele două temperaturi, pentru punctul de înmuiere al bitumului și/sau pentru punctul de înmuiere al amestecului bitum/filer depășește 3°C.
Se calculează media celor două temperaturi ale punctelor de înmuiere ale bitumului și ale amestecului bitum/filer rotunjită la 0,1°C. Se calculează diferența dintre cele două medii și se exprimă valoarea rotunjită la 0,5°C. Se înregistrează rezultatul rotunjit și se indică prin ΔR&B.
Rezultate obținute în urma studiilor de laborator asupra pulberilor din deșeuri industriale
În această etapă de cercetare s-a luat în calcul evaluarea unui număr de 5 tipuri posibile de pulberi minerale ce pot fi utilizate ca material de adaos în compoziția mixturior asfaltice. Primul filer analizat este filerul de calcar uzual întâlnit în compoziția mixturilor asfaltice din România, studiul a continuat cu evaluarea unui gips sintetic umectat (notat în continuare GSU în tabele și grafice) și a unui sulfat de calciu (ambele provenite de la uzinele sodice), o cenușă de termocentrală și aceeași cenușă de termocentrală cu 10% adaos de var.
Datorită faptului că nu este cunoscută absolut deloc comportarea pulberilordin deșeuri industriale provenite de la uzinele sodice am considerat necesară evaluarea acestora în mai multe dojaze precum posibilitatea de a înlocui 20% filerul de calcar cu oricare din filere studiae, apoi am continuat cu posibilitatea de a înlocui 50% filerul de calcar, mergând până la încercarea de înlocuire 100% a filerului de calcar cu pulberile studiate în cadrul acestui studiu experimental. Astfel evaluarea acestei etape a condus la evaluarea unui număr de 16 rețete de filer, rezultatele obținute în urma determinărilor de laborator conform normativelor în viguare sunt centralizate în tabelul 17 după cum urmează:
Tabel 4. Tabel centralizator rezultate obținute pe filere din deșeuri industriale
Se precizează că s-a analizat comportamentul filerului din sulfat de calciu pentru evaluarea solubilității și am efectuat aceeași determinare însă în acetonă și în carbonat de litiu iar în urma mai multor determinări s-a obținut că sulfatul de calciu are o solubilitate în acetonă de 1,5% (comportament ca al filerului de calcar în apă) iar în carbonatul de litiu rămâne insolubil indiferent de procentul de carbonat de litiu folosit.
Evoluția rezultatelor determinate pentru masa volumică sunt prezentate în funcție de tipul de filer analizat așa cum este prezentat în figura 36.
Figura 72. Evoluția masei volumice în funcție de tipul filerului studiat
Variația umidității în funcție de tipul de filer studiat este prezentată în figura 37.
Figura 73. Variația umidității în funcție de tipul de filer studiat
În figura 38 se prezintă grafic evoluția solubilității la apă a fiecărui filer studiat.
Figura 74. Evoluția solubilității în funcție de tipul de filer studiat
Evoluția porozității filerelor analizate este reprezentată în funcție de tipul de filer, în figura 39.
Figura 75. Variația porozității în funcție de tipul de filer studiat
Determinarea particulelor fine nocive a condus la următoare reprezentare grafică din figura 40.
Figura 76. Evoluția particulelor fine nocive cu tipul de filer studiat
Evoluția determinării bilă inel în funcție de tipul de filer este prezentată în figura 41.
Figura 77. Evoluția determinării bilă-inel în funcție de tipul de filer
Evoluția rezultatelor obținute în urma determinărilor pentru masa volumică în funcție de tipul filerului analizat se pot observa în figura numărul 42.
Figura 78. Variația masei volumice în funcție de tipul de filer
Variația porozității în funcție de influența determinării bilă inel poate fi observată în figura 43:
Figura 79. Variația porozității filerului în funcție de rezultatele bilă-inel
Variația porozității filerului uscat în funcție de masa volumică se poate observa în figura 44.
Figura 80. Variația porozității în funcție de masa volumică
Influența bilă inel în funcție de tipul filerului este prezentată în figura 45.
Figura 81. Variația bilă inel în funcție de tipul de filer
Determinarea porozității filerului uscat în funcție de tipul de filer studiat este prezentată în figura 46.
Figura 82. Variația porozității în funcție de tipul de filer
Interpretare rezultate și concluzii
După cum se poate observa, din punct de vedere al masei volumice obținute, filerul de sodă are valorile cele mai apropiate de filerul de calcar, iar filerul de cenușă prezintă comportarea cea mai diferită.
Analizând umiditatea acestora este foarte clar vizibil că filerul din sulfat de calciu este extrem de diferit de toate celelate pulberi studiate. Cel mai apropiat ca și comportare este filerul din sodă, urmat de filerul din cenușă aditivat cu var și filerul de cenușă.
O altă proprietate foarte importantă are rezultate diferite precum solubilitatea în apă a filerelor, diferențele cele mai mari putând fi observate între filerul martor și filerul din gips sintetic umectat (care este defapt insolubil în apă),a fost urmărită solubilitatea acestuia în acetonă ceea ce a condus la un comportament ca al filerului de calcar în apă. De asemenea această evaluare s-a făcut și în carbonat de litiu și indiferent de dozajul utilizat sulfatul de calciu devine insolubil.
Din punct de vedere al porozității filerului uscat s-au obținut valori mult mai mari pe toate filere noi studiate comparativ cu filerul martor, iar valorile cele mai apropiate de valoarea martor au fost obținute, bineînțeles, pentru cazurile în care s-a păstrat în rețetă 80% din filerul de calcar.
În plus, evaluarea părților nocive din compoziția pulberilor analizate ne-a demonstrat că acestea se comportă simiar filerului uzual utilizat în compoziția mixturilor asfaltice.
În afara studiului asupra proprietăților filerelor, cercetarea a continuat și cu interpretarea asupra conlucrării dintre filer și bitum prin încercarea bilă-inel, încercare care ne-a demonstrat că poate fi posibilă înlocuirea cu aproximativ 75% a filerului de calcar cu oricare din filere analizate.
După finalizarea acestei etape preliminare de studiu asupra filerelor și ținând cont de toate aspectele demonstrate de acestea prin încercările efectuate, precum și privind în ansamblu la posibilitatea utilizării lor pe scară largă s-a continuat cercetarea asupra rețetelor de mixturi asfaltice precizate anterior în urma cercetărilor de laborator, cu înlocuirea filerului de calcar cu două tipuri de filer din cele studiate și anume: filer de cenușă și cu filer din sulfat de calciu.
Filerul de cenușă a fost selectat deoarece a demonstrat calitățile cele mai apropiate de filerul de calcar iar filerul din sulfat de calciu fiindcă are proprietățile cele mai deosebite din ansamblul celor 5 filere studiate.
Nu s-a continuat studiul asupra filerul din cenușă aditivată cu var deoarece s-a considerat că acesta ar conduce la necesitatea unei stații de amestecare specială pentru a obține acest tip de filer (90% cenușă de termocentrală + 10% var), iar acest aspect implică în plus un cost în plus pentru o stație în care să se realizeze amestecarea dozajelor optime de cenușă și var, implică chiar și un spațiu necesar alocării acesteia.
Privind din aceeași perspectivă, și anume optimizarea utilizării acestor tipuri de filere, s-a constatat că utilizarea filerul din gips sintetic umectat ar fi mult mai oportună într-o mixtură asfaltică dintr-un strat de uzură datorită faptului că se urmărește influența acestuia asupra condițiilor climatice, în special la temperaturi joase.
În continuare, studiul experimental a constat în evaluarea mixturilor asfaltice de tip AB 25 care au în componență atât agregate artificiale din zgură de furnal iar ținând cont de experința demonstrată anterior s-a utilizat un sort (4/8mm) sau maxim două sorturi înlocuite (4/8mm și 8/16 mm) și în rețetele acestor mixturi s-a înlocuit filerul de calcar cu filer de cenușă (în totalitate și apoi o combinație de 50-50% cu filerul de calcar) precum și aceeași rețetă dar în care s-a utilizat filer din sulfat de calciu (100% și respectiv 50% din compoziția necesară în proiectarea acestei rețete).
După stabilirea rețetelor s-au efectuat determinări precum densitatea aparentă și densitatea maximă, atât absorbția de apă cât și volumul de goluri, stabilitatea Marshall și indicele de fluaj. Aceste încercări efectuate au rolul de a stabili ce tip de filer se apropie ca și comportare a mixturii asfaltice de mixtura martor precum și în ce procent acesta poate fi utilizat.
La început s-au studiat doar caracteristicile fizico-mecanice determinate prin încercări în regim static pe cilindrii Marshall. Datorită faptului că toate rezultatele obținute pentru densitate aparentă, absorbție de apă și caracteristici Marshall se încadrează în limitele impuse în Normativul AND 605/2014 nu se putea preciza cât mai corect o rețetă optimă, astfel studiul a fost continuat cu încă două determinări care sunt precizate a fi încercări în regim dinamic respectiv determinarea densității maxime cu scopul de a obține valoarea volumului de goluri din mixtură și modulul de rigditate.
Având și rezultatele acestei determinări s-a putut preciza că din toate rețetele studiate cele mai bune rezultate au fost obținute pentru rețeta de mixtură asfaltică AB 25 cu sort înlocuit 4/8mm și cu filer de calcar (50%) plus filer din sulfat de calciu (50%).
În princial, rezultatele cele mai bune au fost determinate pentru utilizarea a unui sort de agregate din zgură (respectiv sortul 4/8mm), rețetele care au în compoziție două sorturi de agregate înlocuite au rezultate mult mai slabe pentru volumul de goluri (valori ale volumului de goluri de peste 9%) și doar o rețetă se încadrează în limita impusă în vigurare pentru drum de clasă tehnică III-IV (rețeta AB 25 cu sorturi de agregate naturale înlocuite cu agregate din zgură 4/8 mm și 8/16 mm și cu filer de cenușă plus filer de calcar în proporții egale care a demonstrat un volum de goluri de 8,44%).
Valorile obținute în urma determinării volumului de goluri pentru înlocuirea filerului de calcar cu filerul din sulfat de calciu în rețeta cu două sorturi de agregate din zgură conduce la un volum de goluri aproximativ dublu determinat indiferent dacă se utilizează filerul din sulfat de calciu 100% (volum de gluri egal cu 9,02%) sau doar 50% în compoziția mixturii asfaltice (volum de goluri de 10,81%).
Chiar și utilizarea filerul din sulfat de calciu în rețeta care are în compoziție un sort de agregate din zgură a obținut un volum foarte mare de goluri (11,04% comparativ cu rețeta martor 5,63%).
Utilizarea filerelor studiate în compziția mixturii asfaltice AB 25
Ținându-se cont de rezultatele obținute în urma determinărilor pe filere am putut stabili că pentru un procent de 50% de filer de calcar înlocuit cu orice tip de filer studiat ar putea conduce la rezultate acceptabile din punct de vedere al încadrării în standardele în viguare.
Totuși, această afirmație este doar o presupunere în urma analizei și interpretării rezultatelor obținute până în acest moment și din această cauză este necesară evaluarea mixturilor precizate pentru a stabili și a demonstra proprietățile mixturilor asfaltice ecologice studiate.
Proiectarea rețetelor de mixtură asfaltică AB 25 cu înlocuirea agregatelor și utilizarea filerelor din deșeuri industriale
Studiul experimental pentru această etapă a fost efectuat pe 10 rețete de mixtură asfaltică după cum urmează:
Rețeta 0 – rețeta martor (100% agregate Șoimoș + 100% filer calcar);
Rețeta 1 – sort 4/8 mm agregate din zgură și 100% filer calcar;
Rețeta 2 – sort 4/8 mm agregate din zgură și 100% filer cenușă;
Rețeta 3 – sort 4/8 mm agregate din zgură și 50% filer calcar + 50% filer cenușă;
Rețeta 4 – sort 4/8 mm agregate din zgură și 100% filer din sulfat de calciu;
Rețeta 5 – sort 4/8 mm agregate din zgură și 50% filer din sulfat de calciu + 50% filer calcar;
Rețeta 6 – sort 4/8 mm și 8/16 mm agregate din zgură și 100% filer calcar;
Rețeta 7 – sort 4/8 mm și 8/16 mm agregate din zgură și 100% filer cenușă;
Rețeta 8 – sort 4/8 mm și 8/16 mm agregate din zgură și 50% filer calcar + 50% filer cenușă;
Rețeta 9 – sort 4/8 mm și 8/16 mm agregate din zgură și 100% filer din sulfat de calciu;
Rețeta 10 – sort 4/8 mm și 8/16 mm agregate din zgură și 50% filer din sulfat de calciu + 50% filer calcar.
Rezultate obținute în urma studiilor de laborator
Proiectarea acestor rețete a fost efectuată cu scopul de a se evalua proprietățile mixturilor asfaltice obținute precum denistate aparentă, densitate maximă, absorbție de apă, caracteristici Marshall și volum de goluri, urmărind posibilitatea înlocuirii parțiale sau totale a filerului de calcar.
Rezultatele obținute în urma încercărilor de laborator pe mixtura asfaltică cu sort 4/8 mm zgură și pe cea cu ănlocuirea a două sorturi de zgur 4/8 respectiv 8/16 mm în compoziția cărăra se înlocuiește 50% și apoi cu 100% filerul de calcar cu filer din cenușă și cu filerul din sulfat de calciu pot fi urmărite în tabelul 13, prezentat mai jos: NU E VARIANTA FINALA!!!!
Tabel 14. Rezultate mixtură AB 25 cu filer de cenușă și filer din sulfat de calciu
Conform rezultatelor precizate în tabelul de mai jus se exprimă și grafic valorile determinate pentru densitatea aparentă (figura 47), densitatea maximă (figura 48), evoluția caracteristicilor Marshall (figura 49) precum și volumul de goluri (reprezentat în figura 50).
Figura 83. Variația densitatății aparente în funcție de tipul de filer și de agregatele utilizate
Figura 84. Variația densitatății maxime în funcție de tipul de filer și de agregatele utilizate
Figura 85. Variația caracteristicilor Marshall în funcție de tipul de filer și de agregatele utilizate
Figura 86. Variația volumului de goluri în funcție de tipul de filer și de agregatele utilizate
Interpretarea rezultatelor și concluzii
Figura 87. Densitate aparentă și densitatea maximă – rețetă optimă cu filer sulfat de calciu (5)
Figura 88. Caracteristici Marshall – rețetă optimă cu filer sulfat de calciu (5)
Figura 89. Volum de goluri – rețetă optimă cu filer sulfat de calciu (5)
Din punct de vedere al densității aparente (figura 85) s-a putut observa că indiferent de tipul de filer utilizat cât și în funcție de dozajele utilizate în anumite rețete nu s-au obținut diferențe mari, denistatea aparentă suferind modificări relativ mici.
Rețeta clasică AB 25 cu agregate Șoimoș, se încadrează în categoria de valori pentru Smin12 și Smax15, s-a demonstrat și că rețetele martor pentru înlocuirea unui sort sau a ambelor sorturi de agregate naturale cu agregate artificiale se încadrează în aceeași categorie pentru stabilitatea Marshall obținută.
În cazul înlocuirii, în aceste rețete, filerul de calcar cu filer din cenușă de termocentrală sau cu filer din sulfat de calciu (indiferent de dojazul înlocuit) s-au obținut rezultate care conduc la încadrarea în categoria de valori Smin10 și Smax12.5. Toate rețetele au valori pentru stabilitate care îndeplinesc condiția impusă în standardele în viguare ca valoarea stabilității să fie de minim 6,5kN. Indicele de curgere Marshall a obținut valori care se încadrează în categoria F3.
Stabilitatea Marshall (figura 50) raportată la indicele de curgere se încadrează în condiția impusă și anume valoarea obținută pentru acest raport să fie mai mare de 1,6 kN/mm.
Absorbția de apă pentru rețeta în care s-a înlocuit un sort de agregate a condus la valori care se încadrează în limitele impuse în viguare 1,5-6%, dar rețeta care are două sorturi înlocuite a condus și la valori de 6,89% pentru utilizarea filerului de cenușă 100% și pentru utilizarea filerului din sulfat de calciu 50% s-a obținut valoarea de 6,45%.
Interpretarea rezultatelor obținute în urma determinării volumului de goluri (figura 51) din mixturile asfaltice studiate, conduce la împărțirea acestora în trei categorii, după cum urmează:
– prima categorie se poate utiliza pentru drumuri tehnice de categorie I-II și a obținut un volum de goluri sub 6% ceea ce înseamnă ca îndeplinește condiția ca volumul de goluri să fie de maxim 7,5%. Din această categorie face parte rețeta de mixtura clasică AB 25 agregate Șoimoș și rețetele martor în care s-au înlocuit doar agregatele naturale cu cele artificiale;
– a doua categorie se poate utiliza pe drumuri tehnice de categorie III-IV și au un volum de goluri de maxim 8,5%. Din această categorie fac parte rețetele în care s-a înlocuit doar sortul de agregate 4/8mm, cu filer de cenușă în procent de 50%, 100% și rețeta cu 50% filer din sulfat de calciu, iar în cazul utilizării a două sorturi de agregate artificiale în compoziția mixturii asfaltice singura rețetă care respectă condiția impusă este în cazul utilizării în dozaj de 50% a filerului de cenușă;
– cea de a treia categorie implică rețetele care nu se încadrează în condițiile impuse în normativele în vigurare și anume utilizarea în totalitate a filerului din sulfat de calciu în rețeta cu sort 4/8 agregate artificiale conduce la un volum de goluri de 11,04%, în rețeta cu 2 sorturi de agregate artificiale și filer din sulfat de calciu 100% s-a obținut un volum de goluri de 9,02%, aceeași rețetă cu 50% filer din sulfat de calciu a obținut 10,81% volum de goluri, iar filerul de cenușă în dozaj 100% a obținut un volum de goluri de 9,54%. Toate aceste rețete depășesc limitele impuse de maxim 8,5% volum de goluri pentru stratul de bază al structurilor rutiere.
În urma determinărilor efectuate pe aceste rețete de mixtură asfaltică s-au obținut rezultate ce au fost comparate cu valorile impuse de standardele în viguare și astfel s-a ajuns la concluzia că cea mai bună comportare o demonstrează mixtura AB 25 cu sort de agregate artificiale 4/8mm și filer din sulfat de calciu 50% cu 50% filer de calcar. Această rețetă va fi în continuare studiată și la comportarea caracteristicilor mixturii prin încercări dinamice.
Studii complexe de laborator pe rețeta optimă obținută AB 25
Această etapă implică studii de laborator precum încercările în regim dinamic asupra rețetei optime de mixtură asfaltică AB 25 în care s-a înlocuit, atât o parte din agregatele naturale (sortul 4/8 mm) , cât și înlocuirea parțială a filerului de calcar cu fier din sulfat de calciu (50%), încercări efectuate așa cum este precizat în normativul AND 605/2014.
Determinări în regim dinamic conform AND 605/2014
Rezistența la deformații permanente (încercarea la compresiune ciclică și încercarea la ornieraj) reprezentată prin:
Viteza de fluaj și fluajul dinamic al mixturii asfaltice, determinate prin încercarea la compresiune ciclică triaxială pe probe cilindrice din mixtură asfaltică, conform SR EN 12697-25, metoda B;
Viteza de deformație și adâncimea făgașului, determinate prin încercarea la ornieraj pe epruvete confecționate în laborator sau prelevate prin tăiere din stratul rutier (carote), conform SR EN 12697-22, dispozitiv mic în aer, procedeul B;
Rezistența la oboseală determinată conform SR EN 12697-24 prin una din metodele reglementate și prezentate în cadrul anexelor acestui standard;
Modulul de rigiditate – determinat prin încercarea la rigiditate a unei probe cilindrice din mixtură asfaltică, conform SR EN 12697-26, anexa C;
Volumul de goluri – determinat pe epruvete confecționate la presa de compactare giratorie, conform SR EN 12697-31.
Rezistența la făgășuire
Procedura se aplică atât mixturilor asfaltice preparate în laborator, cât și mixturii asfaltice obținute în instalații industriale, precum și carotelor de Φ200mm prelevate din îmbrăcămintea bituminoasă. Dimensiunea maximă a agregatelor pentru care se face determinarea este de 32mm.
Adâncimea făgașului – reprezintă reducerea în grosime a unei epruvete de încercat, în mm, cauzată de treceri repetate cu o roată încărcată.
Rata de ornieraj – reprezintă viteza cu care adâncimea făgașului crește în timp sub treceri repetate, ale unei roți încărcate (mm/h).
Suprafața de încercat – reprezintă suprafața epruvetei pe care se aplică încărcarea rulantă.
Urma pneului – reprezintă amprenta penului pe o suprafață plană, atunci când este aplicată o încărcare verticală.
Ciclu de încercare – reprezintă două treceri (dus-întors) a încărcării rulante.
Grosimea epruvetei – reprezintă grosimea stratului în care se poate forma un făgaș.
Confecționarea unei plăci poate fi efectuată cu mixtură asfaltică preparată în laborator, mixtură prelevată de la așternere sau din stație. Grosimea epruvetei trebuie să fie aceea la care mixtura va fi așternută în drum sau, în cazul mixturilor care sunt proiectate a fi așternute într-un domeniu de valori al grosimii, trebuie să corespundă grosimii proiectate cea mai aproape de:
– 25 mm pentru mixturi cu dimensiunea sitei superioare < 8mm;
– 40 mm pentru mixturi cu dimensiunea sitei superioare ≥ 8 mm și < 16mm;
– 60 mm pentru mixturi cu dimensiunea sitei superioare de ≥ 16 mm și ≤ de 32mm;
– 80 mm pentru mixturi cu dimensiunea sitei superioare > 22 și ≤ de 32mm.
În cazul în care epruvetele care urmează să fie încercare sunt prelevate din îmbrăcămintea rutieră numărul de carote trebuie să fie conform tabel 4:
Tabel 4. Număr minim de epruvete prelevate din teren
Observație: Încercarea la ornieraj nu trebuie să fie executată pe materiale la mai puțin de 2 zile de la compactarea finală. Toate epruvetele aparținând acelorași serii de încercări trebuie să aibă același timp ±10% și să fie ținute la o temperatură care să nu depășească 25°C.
Epruvetele preparate în laborator trebuie să fie supuse încercării ăntr-un tipar ale cărui dimensiuni nu diferăde cele ale tiparului în care a fost preparată cu mai mult de 0,5mm. Dacă dimeniunile diferă cu mai mult de 0,5mm, se umple spațiul liber dintre tipar și epruvetă cu ipsos. Epruveta prelevată din îmbrăcămintea rutieră se fixează în tipar astfel încât să nu se poată mișca și se asigură că există contact suficient între material și fundul tiparului și pereții formei prin calcare cu ipsos.
Încercarea la ornieraj se poate face prin două procedee (A respectiv B) cu următoarele caracteristici tehnice, prezentate în tabelul 5:
Tabel 5. Procedee utilizate pentru încercarea la ornieraj
Etapele parcurse pentru determinarea rezistenței la ornieraj sunt:
– în epruvetele de formă prismatică sau carotele cu diametrul de 200mm, prelevate din îmbrăcămintea bituminoasă, se execută cu ajutorul unui burghiu, un orificiu de φ3mm, la distanța de 6 cm de margine, în care se montează senzorul de temperatură;
– după montarea senzorului de temperatură, se precondiționează probele la temperatura specificată de încercare astfel:
minim 4 h pentru epruvetele cu grosime nominală ≤60mm;
minim 6 h pentru epruvetele cu grosime nominală > 60 mm;
maxim 24 h;
– dacă suprafața epruvetei este lipicioasă se va pudra ușor cu talc;
– se efectuează 5 cicluri ale sarcinii rulante înainte ca încercarea să înceapă.
Procedeul A
Măsurarea pantei făgașului
Pentru fiecare epruvetă de încercat se determină viteza medie de creștere a adâncimii urmei TR (μm/ciclu), din următoarele relații și asigurându-se că încercarea a durat cel puțin 5 minute:
– cel puțin 8 măsurători:
– de la 5 până la 7 măsurători:
– 3 sau 4 măsurători:
– 1 sau 2 masuratori:
Unde: n – numărul total de măsurători făcute la un interval de la 100 cicluri de încărcare până la 1000 cicluri de încărcare, excluzând măsurarea inițială;
– schimbarea în deplasarea verticală raportată la valoarea inițială , pentru I măsurarea corespunzătoare (mm);
– numărul de cicluri de încărcare până când adâncimea făgașului ajunge la 15 mm.
Dacă domenil de valori de la 6 determinări depășește de 1,1 ori media acestora, atunci valoarea cu cea mai mare diferență față de medie trebuie înlăturată. Dacă domeniul continuă să rămână mai mare de 1,1 ori media, atunci încercare trebuie privită ca nulă.
Panta medie a făgașului
Panta de ornieraj a materialului supus încercării WTR (μm/ciclu), trebuie calculată ca relația:
Unde: TRm – valoarea medie a determinărilor TR (μm/ciclu);
w – lățimea pneului pe care se plică încărcarea (mm);
L – încărcarea aplicată (N)
Panta de ornieraj trebuie înregistrată la o valoare rotunjită la 0,1 μm/ciclu, ca viteza de ornieraj a materialului supus încercării. Dacă o determinare a fost înlăturată, acea determinare trebuie să fie înregistrată ca valoare aberantă.
Adâncimea medie a făgașului
Pentru fiecare epruvetă la care adîncimea făgașului urmei roții este mai mică de 15 mm după 1000 cicluri, adîncimea făgașului corespunde variației deplasîrii verticale de la valoarea inițială r0 la cea de-a zecea măsurare r10.
Pentru fiecare epruvetă la care adîncimea făgașului este egală cu 15 mm înainte de 1000 cicluri, adâncimea făgașului este de 15000/n15 (mm).
Adâncimea făgașului RD pentru materialul supus încercării este adâncimea medie a făgașului epruvetelor cu ±0,1 mm exactitate.
Procedeul B
Măsurarea pantei făgașului
Panta de ornieraj WTS AIR (mm/103 cicluri) este:
Unde: d5000,10000 – adâncimea făgașului după 5000 și 10000 cicluri de încărcare (mm).
Panta medie a făgașului
Rezultatul înercării este media WTSAIR a celor două epruvete. Dacă încercarea se termină înainte de a se ajunge la 10000 de cicuri de încărcare, panta de ornieraj trebuie să fie calculată în partea liniară a curbei adâncimii făgașului și asigurându-se că acoperă un domeniu de cel puțin 2000 de cicluri de încărcare.
Adâncimea medie a făgașului
Adâncimea procentuală a făgașului PRDAIR pentru materialul supus încercării la N cicluri este adâncimea medie proporțională a făgașului pentru două epruvete cu exactitate de ±0,1%.
Adâncimea făgașului RDAIRv pentru materialul supus încercării la N cicluri este adâncimea medie procentuală a făgașului pentru două epruvete de ±0,1%.
Rezistența la oboseală
Conform standardului european SR EN 12697-24:2005 metodele de încercare (figura 29) pentru determinarea rezistenței la oboseală a mixturilor asfaltice sunt următoarele:
Încercarea la încovoiere în două puncte pe epruvete trapezoidale;
Încercarea la încovoiere în două puncte pe epruvete prismatice;
Încercarea la încovoiere în trei puncte pe epruvete prismatice;
Încercarea la încovoiere în patru puncte pe epruvete prismatice;
Încercarea la întindere indirectă pe epruvete cilindrice;
Încercarea la întindere directă pe epruvete cilindrice.
Figura 29. Tip încercare la oboseală a mixturilor asfaltice
Dintre acestea, în studiul experimental s-a utilizat încercarea la încovoiere în patru puncte pe epruvete prismatice (caracterizează comportarea la oboseală a mixturilor asfaltice sub o încărcare constantă în timp, pe probe zvelte sub formă de grinzi prismatice fixate cu bride interioare și exterioare amplasate simetric) cât și încercarea la întindere indirectă pe epruvete cilindrice.
Încercarea la încovoiere în patru puncte pe epruvete prismatice
Grinda prismatică trebuie supusă unei încovoieri periodice în patru puncte, cu rotație și translație liberă la toate punctele de reacție și încărcare. Încovoierea trebuie realizată prin încărcarea celor două puncte interioare de încărcare (bride interioare), în direcție verticală perpendicular pe axa longitudinală a grinzii. Trebuie fixată poziția verticală a extremităților (bride interioare), în direcție verticală perpendicular pe axa longitudinală a grinzii. Trebuie fixată poziția verticală a extremităților (bride exterioare). Această configurație de încărcare trebuie să creeze un moment constant și de aici, o deformație constantă, între două bride interioare. Încărcarea aplicată trebuie să fie sinusoidală. În timpul încercării, încărcarea necesară pentru încovoierea probei, deflexiunea și defazajul între aceste două semnale, trebuie măsurată funcție de timp. Caracteristicile la oboseală ale materialului încercat trebuie să se determine prin aceste măsurări.
Pentru fiecare încercare, grinda trebuie așezată simetric între bridele interioare și cele exterioare, cu respectarea centrului probei prismatice Ltot/2. Se aplică încărcări constante și egale la cele două bride interioare, se înregistrează forța aplicată, deflexiunea măsurată și dejazajul (sistemului) între forță și deflexiune. Se determină durata de viață la oboseală a probei de încercat, conform condiției ruperii alese. Conceptele principale ale unei încercări sunt prezentate în figura 30.
Figura 30. Principii de bază pentru încovoierea în 4 puncte
Grinda cu cele două bride exterioare și cele două bride interioare trebuie montată în cadrul de încărcare. Apoi, grinda se mișcă sinusoidal la fecvența aleasă, la deplasarea impusă inițial. Forța necesară se aplică prin cadrul de încărcare la cele două bride interioare. Modul de încărcare ales (de exemplu deflexiune constantă sau forță constantă) se asigură printr-o reacțiune a forței sau deplasării măsurate. Forța, deplasarea și defazajul între forță și deplasare se înregistrează după 100 cicluri și apoi, în mod regulat.
Valoarea inițială a modulului calculat Smix trebuie calculată din valorile măsurate pentru forță, deplasare și defazaj după cel de-al 100-lea ciclu (n=100). Încercarea la oboseală trebuie să continue până când modulul calculat Smix a scăzut la jumătate din valoarea sa inițială sau până la ruperea probei.
Pentru o temperatură și frecență date, încercarea trebuie realizată pe minimum trei nivele ale modului de încărcare ales (de exemplu trei nivele ale deformației cu deflexiune constantă), cu minim de șase repetări pe nivel. Nivelele modului de încărcare ales trebuie selectate astfel încât durata de viață la oboseală să fie în domeniul de la 104 la 2×106 cicluri.
Durata de viață la oboseală trebuie măsurată la cel puțin trei nivele ale incărcării cu cel puțin șase repetări pe nivel. Curba oboselii trebuie obținută prin trasarea unei regresii lineare între logaritmii naturali ai numărului de cicluri ale încărcării până la rupere și logaritmii naturali ai amplitudinii deformației inițiale (amplitudinea deformației la cel de-al 100-lea ciclu).
Încercarea la întindere indirectă pe epruvete cilindrice
În cazul încercării la întindere indirectă pe epruvete cilindrice se supune o probă cilindrică (confecționată în laborator sau prelevată din teren) la încărcări repetate de compresiune cu un semnal de încărcare al funcției haversine printr-un plan vertical diametral. Această încărcare formează impulsuri repetate ale tensiunii de întindere perpendiculare pe direcția încărcării aplicate, care provoacă fisurarea/despicarea epruvetei de-a lungul părții centrale a diametrului vertical. La intervale regulate de timp, în momentul încerării, trebuie determinată variația deformației orizontale a epruvetei pe durata unui ciclu de încărcare precum și deformația remanentă înainte ca următorul puls de încărcare să fie aplicat. Tensiunea la rupere se calculează în centrul epruvetei unde se aplică deformația remanentă sau, în cazul în care este aplicată o încărcare ciclică (fără perioade de repaus între ciclurile de încărcare), amplitudinea deformației orizontală precum și un coeficient Poisson estimat/considerat. Durata de viață la rupere (oboseală) trebuie determinată ca numărul total al aplicărilor încărcării înainte de a interveni ruperea epruvetei. Criteriul convențional de rupere poate fi aplicat încercărilor cu încărcări ciclice, fără perioade de repaus între impulsurile de încărcare. Criterii suplimentare de rupere pot fi definite în funcție de energia disipată în timpul încercării.
Principiile de bază pentru încercarea la întindere indirectă pe epruvete cilindrice este prezentată schematic în figura 31, iar benzile de încărcare și deformare sunt prezentate în figura 32.
1 – celula de încărcare 4 – benzi de deformare
2 – epruveta………… … 5 – benzi de încărcare
3 – extensometru
Figura 31. Principii de bază pentru încercarea la întindere indirectă pe epruvete cilindrice
1 – extensometru 3 – bandă de deformare
2 – benzi de încărcare 4 – epruvetă de mixtură asfaltică
Figura 32. Prezentarea benzilor de încărcare și deformare
Dimensiunile probelor trebuie să fie astfel:
– înălțime de cel puțin 40mm și diametru de (100±3) mm pentru dimensiunea maximă a agregatelor de 25mm;
– înălțime de cel puțin 60mm și diametru de (150±3) mm pentru dimensiunea maximă a agregatelor de 38mm.
Epruvetele trebuie să fie poziționate în camera termostatică și expuse la o temperatură specifică de încercare cu cel puțin 4 ore înainte începerii încercării. Încercările de oboseală trebuie realizate într-un domeniu de deformație la încărcare dinamică inițială de aproximativ 100μm/m. Durata de viață până la rupere a materialului încercat trebuie să fie în domeniul unui număr de încărcări alicate de 103÷106. Încercările ciclice demonstrează o aplitudine inițială a efortului tensiunii între 50÷200μm/m.
Trebuie să fie încercate epruvete la trei nivele ale tensiunii, care să aibă cel puțin trei epruvete pe fiecare nivel pentru epruvetele confecționate în laborator și cel puțin cinci epruvete pentru carotele prelevate din teren. Epruvetele trebuie să fie poziționate în echipamentul de încercare astfel încât axa benzilor de deformație să fie perpendiculară pe axa benzilor de încărcare.
Încercarea trebuie să înceapă la o amplitudine a încărcării de 250kPa. O funcție haversine este aplicată în mod repetat cu un timp de încărcare de 0,1s și un timp de repaus de 0,4s. Dacă deformația afișată pe monitor în timpul primelor 10 aplicații este în afara domeniului deformației 100 ÷400με, încercarea trebuie oprită imediat și verificat nivelul încărcării.
Atunci când se observă fisuri evidente pe axa veritcală, sau când deformația la întindere dinamică crește de două ori față de valoarea ei inițială, încercarea trebuie oprită.
Durata de viață la oboseală până la rupere trebuie să fie deteminată ca număr total de aplicații ale încărcării care provoacă o rupere completă a epruvetei (figura 33). Durata până la rupere este evidentă din relația între logaritmul numărului de aplicații ale încărcării și deformația orizontală totală.
Y – deformație orizontală (mm)
X – număr de aplicări ale încărcării
1 – durata de viață la oboseală
Figura 33. Determinarea duratei de viață la oboseală a unei epruvete
Efortul de încărcare și deformația în centrul epruvetei trebuie calculate utilizând următoarele formule:
Unde: – încărcarea orizontală aplicată în centrul probei, MPa;
F – forța măsurată, N;
t –grosimea probei, mm;
– diametrul probei, mm;
– efort orizontal, μm/m;
– deformația orizontală, mm;
– efortul maxim aplicat în perioada impulsului de încărcare, MPa,
– amplitudinea efortului aplicat în perioada impulsului de încărcare, MPa,
– deformația remanentă la întindere orizontală între implulsurile de încărcare, în μm/m;
– amplitudinea deformației în timpul unui ciclu de încărcare, în μm/m;
– modulul de rigiditate, MPa.
Deformația inițială remanentă trebuie calculată din deformația totală la a 100-a apliație a încărcării. Dacă se aplică o încărcare ciclică, amplitudinea deformației inițiale trebuie calculată din amplitudinea deformației măsurată la cel de-al 100-lea ciclu de încărcare.
Deformația orizontală totală, deformația rezilientă precum și deformația plastică sunt prezentate în graficul din figura numărul 34.
Y – deformația orizontală a – deformația orizontală totală
X – timp b – deformația rezilientă
………………………………….c – deformația plastică
Figura 34. Deformația totală orizontală
Criteriul de rupere pentru un anumit material bituminos, trebuie determinat din epruvetele încercate. Relația de regresie prin metoda celor mai mici pătrate trebuie aplicată la datele logaritmului deformației inițiale ca o variabilă independentă și datele logaritmului duratei de viață până la rupere ca o variabilă independentă, așa cum ne arată și relațiile acestora:
Unde: – numărul de aplicații ale încărcării;
k, n – constante de material;
– deformația de întindere în μ𝜀 la centrul epruvetei;
Observație: dacă R2 este mai mic decât 0,9 se mărește numărul de epruvete de încercat.
Modulul de rigiditate
Scopul încercării este de a determina modulul de rigiditate elastică prin întindere indirectă pentru mixturi asfaltice. Metoda este folosită pentru clasificarea mixturilor pe baza rigidității. Este utilizată în proiectarea structurilor rutiere ca un criteriu de estimare relativă a performanțelor straturilor și a comportamentului în timpul lucrărilor.
Rigiditatea reprezintă relația dintre efortul aplicat și deformația produsă asupra probei și este o caracteristică a materialelor vâsco-elastice studiate în domeniul deformațiilor liniare.
Încercarea începe în momentul în care epruveta atinge temperatura necesară încercării, minimum de epruvete necesare pentru obținerea unui rezultat al modulului de rigiditate este 4. Probele de încercat sunt cilindrice, cu înălțimea cuprinsă între 30-75 mm și diametrele nominale de 80, 100, 120, 150 sau 200mm. Temperaturile folosite în mod curent sunt 5°C, 10°C și 20°C, standardul SR EN 13108-20 recomandă temperatura de 20°C.
Se aplică cel puțin 10 pulsuri de condiționare pentru a permite echipametnului să ajusteze forța astfel încât deformația laterală să fie cea recomandată. După condiționare vor fi aplicate 5 pulsuri și vor fi înregistrate deformațiile laterale.
Pentru diametrul de 100mm deformația laterală recomandată este de 5μm. Proba se rotește cu 90 de grade și se va repeta încercarea. Dacă valoarea medie a modulului de rigiditate din a doua determinare este cuprinsă între +10% sau -20% din valoarea medie a primei determinări, atunci se face media dintre cele două determinări și se înregistrează valoarea. În caz contrar rezultatele încercării nu sunt acceptate.
Folosind măsurătorile de la 5 impulsuri ale încercării, modulul de rigiditate măsurat se determină pentru fiecare impuls cu relația:
În care: E – modulul de rigiditate, MPa;
F – forța verticală maximă aplicată, N;
z – deformația orizontală maximă obținută când forța este aplicată, mm;
h – grosimea medie a probei, mm;
– coeficientul lui Poisson, dacă nu a fost determinat se utilizează valoarea 0,35.
Modulul de rigiditate măsurat trebuie ajustat la factorul de suprafață al încărcării de 0,60 folosind următoarea relație:
În care: – modulul de rigiditate măsurat, ajustat la factorul de suprafață a încărcării de 0,60, MPa;
k – factorul de suprafață a încărcării măsurat;
E – modulul de rigiditate măsurat, la un factorul de încărcare k, MPa. (SR EN 12697-26, 2012)
Volumul de goluri
Metoda este adecvată pentru mixturile asfaltice compactate în laborator sau provenite din carote tăiate din pavaj după așternere și compactare. Aceste caracteristici volumetrice (precum conținutul de goluri Vm și conținutul de volum de goluri din agregatele minerale umplute cu liant VFB) pot fi folosite ca criteriu de dozare a mixturii sau ca parametrii de evaluare a mixturii asfaltice după turnare și compactare pe drum.
Volumul de goluri reprezintă volumul de aer dintre particulele de agregat acoperite cu bitum, într-o epruvetă bituminoasă compactă. Procentul de goluri (Vm) reprezintă volumul golurilor din epruveta bituminoasă, exprimat ca procent din volumul total al respectivei epruvete.
Volumul de goluri din spațiul intergranular dintre particulele de agregat (VMA) ale unei mixturi asfaltice compactate care include golurile de aer și volumul liantului bituminos din epruvetă, exprimat ca procent din volumul total al epruvetei.
Volumul de goluri umplute cu liant (VFB) reprezintă procentul de goluri din scheletul mineral umplute cu liant.
Determinarea volumului de goluri (Vm) din epruvetel bituminoase este calculat folosind masa volumică reală a mixturii și masa volumică aparentă a epruvetei., cu exactitate de 0,1%, (v/v) utilizând relația:
% (v/v)
În care: Vm – volumul de goluri din mixtură, în procent de 0,1(v/v);
– masa volumică reală a mixturii, kg/m3;
– masa volumică aparentă a epruvetei, kg/m3. (SR EN 12697-8, 2004)
Determinarea densității aparente se face conform SR EN 12697-6. Densitatea aparentă este masa unității de volum a mixturii asfaltice compactate, inclusiv golurile umplute cu aer și se exprimă în g/cm3 sau kg/m3. Cu ajutorul celor trei mase se poate determina densitatea fiecărei probe cu următoarea relație:
în care,
ρ – densitatea aparentă a mixturii asfaltice, în g/cm3 ;
m1 − masa epruvetei cântărită în aer în stare uscată, în g;
m2 − masa epruvetei cântărită în aer, după o oră de păstrare în apă, în g;
m3 − masa epruvetei sub apă, în g;
ρw – densitatea apei, în g/cm3, calculată cu formula:
, unde t este temperatura apei. (AND 605, 2016)
Densitatea maximă reprezintă masa unității de volum fără golurile de aer a unei mixturi asfaltice, la o temperatură de încercare cunoscută.
Densitatea aparentă reprezintă masa unității de volum inclusiv golurile de aer, a mixturii asfaltice la temperatura de încercare cunoscută.
Densitatea absolută a granulelor este raportul între masa unei probe de agregat uscat în etuvă și volumul ocupat de acesta în apă care include toate golurile interne închise, dar exclusiv porii deschiși accesibili.
Densitatea reală a agregatului, după uscare în etuvă reprezintă raportul între masa unie probe de agregat uscat în etuvă și volumul ocupat de acesta în apă, care include toate golurile interne și porii accesibili apei.
Densitatea aparentă a agregatului în vrac reprezintă raportul obținut prin împărțirea masei agregatului uscat care umple un anumit recipient, fără a fi compactat, la volumul recipientului respectiv.
Densitatea maximă s-a determint prin metoda hidrostatică, conform SR EN 12697-5:2010. După prepararea mixturii se prelevează o probă necompactată, cu masa de minim 50 de ori valoarea numerică a dimensiunii maxime a granulelor agregatului, în milimetri. Proba de mixtură asfaltică se mărunțește manual în particule grosiere și material aglomerat care nu trebuie să fie mai mari de 6 mm.
Se determină masa recipientului gol în aer (m1) și scufundat în apă (m2). Se introduce proba de încercat în recipientul uscat și se aduce la temperatură ambiantă, apoi se determină masa recipientului, inclusiv proba de încercat, în aer (m3). Se umple recipientul cu apă distilată și se evacuează aerul rămas, prin agitare și vibrare. Se introduce recipientul în baia de apă la o temperatură constantă cunoscută (±1°C) în domeniul 20÷30°C, timp de cel puțin 30 minute, pentru a aduce temperatura probei de încercat și a apei din recipient la același nivel ca al apei din baia de apă. Se determină apoi masa recipientului, inclusiv a probei de încercat, scufundată în apă (m4).
Densitatea maximă a mixturii asfaltice se determină cu următoarea relație:
Rezultate obținute în urma cercetărilor de laborator
Continuarea studiului de cercetare a presupus evaluarea din punct de vedere al încercărilor dinamice pe rețeta AB 25 optimă obținută comparând bineînțeles cu proprietățile demonstrate de rețeta martor AB 25 și evaluându-se toate rezultatele determinate din punct de vedere al condițiilor impuse în normativele în viguare.
În tabelul X se pot urmării determinările efectuate atât pe rețeta martor cât și pe rețeta în care s-a înlocuit un sort de agregate naturale (4/8mm) cu agregate din zgură și care conține în compoziție un adaos de 50% din cantitatea filerului de calcar o pulbere provenită din deșeuri industriale (sulfat de calciu).
Figura 90. Evoluția volumului de goluri cu influenta deșeurilor industriale din compoziția mixturii
Figura 91. Evoluția deformației la 40°C cu influenta deșeurilor industriale din compoziția mixturii
Infuența constituienților mixturii asfaltice AB 25 poate fi urmărită în figura A pentru a observa volumul de goluri, iar în figura AA este reprezentată deformația la 40°C, iar in figura AAA am reprezentat viteza de deformație.
Figura 92. Evoluția vitezei de deformație la 40°C cu influenta deșeurilor industriale din compoziția mixturii
Influența agregatelor artificiale șia filerului din sulfat de calciu poate fi urmărită și asupra modulului de rgiditate determinat la 20°C, conform figurii AAAA.
Figura 93. Evoluția modulului de rigiditate cu influenta deșeurilor industriale din compoziția mixturii
Compoziția rețetei de mixtură asfaltică conduce la rezultate diferite și în cazul studiului duratei de viață la oboseală, evaluare efectuată atât pe probe cilindrice (a se observa figura 94) cât și pe probe prismatice (conform figura 95).
Figura 94. Evoluția rezistenței la oboseală pe probe cilindrice cu influenta deșeurilor industriale din compoziția mixturii
Figura 95. Evoluția rezistenței la oboseală pe epruvete prismatice cu influenta deșeurilor industriale din compoziția mixturii
Interpretarea rezultatelor și concluzii
Rezultatele obținute în urma determinării volumului de goluri la 120 girații pentru rețeta martor AB 25 se încadrează în condiția tehnică impusă pentru clasa tehnică I-II a drumului, în cazul rețetei de mixtură asfaltică în care s-a înlocuit sortul 4/8mm a agregatelor naturale cu agregate din zgură și înlocuirea filerului de calcar în proportție de 50% cu filer din sulfat de calciu conduce la încadrarea în clasa tehnică III-IV a drumului.
Rezistența la deformații permantente (fluaj dinamic) a condus la o deformație la 40°C de 5500 µm/m pentru rețeta martor și de 2227 µm/m pentru rețeta cu deșeuri industriale în compoziție. Condițiile tehnice implică în această situație o deformațție de maxim 20 000 µm/m pentru clasa tehnică I-II și de maxim 30 000 µm/m pentru clasa tehnică III-IV. Viteza la deformație la 40°C prezintă o încadrare în clasa tehnică I-II cu valoarea 2 µm/m/ciclu maxim, iar pentru încadrarea în clasa tehnică III-IV cu valoarea 3 µm/m/ciclu maxim. În cazul celor 2 tipuri de mixtură studiată s-a obținut valoarea 0,55 µm/m/ciclu pentru rețeta martor și 0,08 µm/m/ciclu pentru rețeta cu deșeuri industriale.
În urma rezultatelor obținute se poate preciza că din punct de vedere al deformațiilor permanente mixtura Ab 25 cu sort 4/8mm cu agregate din zgură și filer din sulfat de calciu 50% are un comportament foarte bun, încadrându-se în condițiile tehnice pentru clasa tehnică I-II.
Rezultatele obținute pentru modulul de rigiditate a condus pentru ambele rețete de mixtură asfaltică la încadrarea în clasa tehnică III-IV datorită valorii minim impuse de 5600 MPa, iar clasa tehnică I-II începe cu minim 6000 MPa, însă ambele valori determinate pentru aceste rețete studiate se situează sub aceasta limită.
Rezistența la oboseală pe probe cilindrice solicitate la întindere indirectă se încadrează în clasa tehnică III-IV pentru ambele rețete datorită faptului că ambele rețete au valori cuprinse sub 500 000 de cicluri până la fisurare.
În plus, rezistența la oboseală pe probe trapezoidale
Proiectare rețetă de mixtură asfaltică – strat de uzură cu filer din gips sintetic umectat
S-a luat în considerare studiul asupra acestui tip de mixtură asfaltică datorită faptului că am cercetat posibilitatea de utilizare a mai multor tipuri de filere și am constatat că unul dintre filerele studiate, respectiv șlamul uzinelor sodice (sau gipsul sintetic umectat, prezentat în figura 35) prezintă posibilitatea de a aduce îmbunătățiri considerabile acestui tip de strat rutier din compoziția unei structuri rutiere.
Figura 35 . Bazinul de decantare a uzinei sodice din Govora – Ciech Chemical
Stabilirea rețetei pentru mixtura asfaltică BA 16 a fost realizată prin evaluarea mai multor procente de bitum în compoziția mixturii, cu scopul de a obține dozajul optim de liant bituminos necesar în funcție de tipul de mixtură asfaltică și ținând cont de agregatele utilizate.
Materialele utilizate la realizarea acestei rețete de mixtură asfaltică au fost agregate de la cariera Cerna (criblura și nisipul de concasaj), balastiera Găiseni (pentru nisipul natural), bitum D 50/70 producător Eni SpA TARANTO Italia și filer de calcar producător Sc Grup Industrial Filer Și Pulberi Topoloveni.
Studii de laborator asupra agregatelor din rețeta BA 16
Încercările efectuate pe criblură, nisipul concasat/natural și filerul utilizate în compoziția mixturii asfaltice sunt prezentate în tabelul 6:
Tabel 6. Determinări pe materialele utilizate la confecționarea mixturii BA 16 martor
Determinarea conținutului de particule fine pe sorturile necesare acestei rețete de mixtură asfaltică poate fi observat în figura 96, iar masa volumică reală a acestora poate fi urmărită în figura 97.
Figura 96. Conținutul de particule fine pe agregate Cerna și nisip Găiseni
Figura 97. Masa volumică reală pe agregate Cerna și nisip Găiseni
În continuare s-a urmărit determinarea curbei granulometrice (figura 37 și figura 37) pentru acest tip de rețetă de mixtură asfaltică BA 16, studiul efectuat a fost asupra granulozității agregatelor utilizate, precum și asupra raportului filer/bitum din compoziția amestecului bituminos ce urmează să fie proiectat. Caracteristicile determinate pentru această etapă de studiu pot fi urmărite în tabelul 7:
Tabel 7. Granulometrie BA 16 ( mixtura martor)
Figura 36. Curba granulometrică BA 16 conform AND 605/2014
În figura 36 respectiv figura 37 pot fi urmărite curbele ganulometrice pentru mixtura asfaltică BA 16, în primul grafic aceasta a fost prezentată conform limitelor impuse de Normativul AND 605/2014, iar în figura 37 curba de granulozitate a fost efectuată conform SR EN 13108-1.
Figura 37. Curba granulometrică BA 16 conform SR EN 13108-1
Încercări de laborator în regim static asupra rețetei optime BA 16 martor
În continuare s-au efectuat determinări în regim static cu scopul de a prezenta caracteristicile fizico-mecanice ale acestui tip de mixtură asfaltică cu scopul de a determina dozajul optim de liant bituminos necesar. Astfel s-au evaluat 5 procente diferite de liant bituminos, rezultatele obținute în urma încercărilor efectuate sunt prezentate în tabelul 38.
Tabel 15. Încercări statice pe mixtura martor BA 16
Cu scopul de a observa mult mai clar rezultatele obținute am reprezentat grafic valorile acestora, astfel se poate urmării graficul din figura 39 care ne prezintă variația stabilității Marshall, a indicelui de curgere și a coeficientului Marshall în funcție dedozajul de liant bituminos din compoziția mixturii asfaltice.
Figura 39. Variația dozajului de liant bituminos cu caracteristicile Marshall
Variația dozajului de liant bituminos asupra masei volumice aparente poate fi observată în figura 40.
Figura 40. Variația dozajului de liant bituminos cu valorile masei volumice aparente
Influența dozajului de liant bituminos cu absorbția de apă poate fi urmărită în figura 41:
Figura 41. Variația dozajului de liant bituminos cu absorbția de apă
Se poate observa foarte clar că rețeta optimă a fost obșinută pentru utilizarea dozajului de 5,8% liant bituminos în compoziția mixturii asfaltice BA 16. Cu această rețetă se va continua studiul experimental asupra căreia se vor face mai multe determinări.
Încercări în regim dinamic asupra rețetei martor optime BA 16
Conform rezultatelor obținute, se poate observa că varianta optimă determinată în urma rezultatelor obținute este rețeta de mixtură asfaltică BA 16 care are în compoziție un dozaj de 5,8% liant bituminos. În continuare, asupra acestei rețete de mixtură asfaltică BA 16 cu un dozaj optim de 5,8% liant bituminos, s-au efectuat încercări în regim dinamic conform AND 605/2014 și s-au obținut următoarele rezultate, prezentate în tabelul 8:
Tabel 8. Încercări dinamice pe mixtura BA 16 martor
Proiectare rețete BA 16 cu filere din deșeuri industriale
Ținând cont de faptul că studiul din raportul anterior a presupus și înlocuirea filerului atât în cantitate totală cât și partială, în această etapă de studiu se vor face înlocuiri ale filerului în rețeta de mixtură asfaltică BA 16 cu 5,8% bitum, după cum urmează:
Rețeta 1 – BA 16 cu 100% filer de calcar;
Rețeta 2 – BA 16 cu 100% filer din gips sintetic umectat;
Rețeta 3 – BA 16 cu 50% filerul de calcar + 50% filer din gips sintetic umectat;
Rețeta 4 – BA 16 cu 100% filer din cenușă de termocentrală;
Rețeta 5 – BA 16 cu 50% filerul de calcar + 50% filer din cenușă de termocentrală;
Rețeta 6 – BA 16 cu 100% filer din sulfat de calciu;
Rețeta 7 – BA 16 cu 50% filerul de calcar + 50% filer din sulfat de calciu.
Încercări de laborator pe rețetele proiectate BA 16 cu filere din deșeuri industriale
Asupra celor 6 rețete proiectate de mixtură tip BA 16 cu diferite tipuri și dozaje de filer s-au făcut determinări precum: masa volumică aparentă, determinarea densității maxime, absorbția de apă, caracteristicile Marshall, volumul de goluri și modulul de rigiditate.
Rezultatele obținute pe toate rețetele proiectate cu cele două tipuri de filere sunt prezentate în tabelul 9:
Tabel 9. Tabel centralizator rezultate obținute pe BA 16 cu filer din gips sintetic umectat, din cenușă de termocentrală și din sulfat de calciu
Valorile masei volumice aparente determinate în funcție de tipul și dozajul de filer din compoziția mixturii asfaltice pot fi urmărite în figura 42.
Figura 42. Masa volumică aparentă în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Influența tipului de filer utilizat în amestecul bituminos asupra densității maxime a mixturii asfaltice poate fi urmărit în figura 43.
Figura 43. Densitatea maximă în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Determinarea absorbției de apă pe mixtura asfaltică tip BA 16 cu influența tipului de filer utilizat poate fi urmărită în figura 44.
Figura 44. Absorbția de apă în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Determinarea caracteristicilor Marshall în funcție de influența tipului de filer a condus la prezentarea rezultatelor obținute sub formă de grafic în figura 45.
Figura 45. Caracteristicile Marshall în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Tipul de filer utilizat are influență și asupra volumului de goluri din compoziția mixturii asfaltice, reprezentarea grafică este prezentată în figura 46.
Figura 46. Volumul de goluri în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Modulul de rigiditate este influențat de tipul de filer utilizat, rezultatele acestuia pot fi urmărite în figura 47.
Figura 47. Modulul de rigiditate în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Interpretare rezultate și concluzii
Se poate observa faptul că toate rețetele proiectate au obținut rezultate similare pentru determinarea masei volumice aparente, mai mult, acestea manifestă aceeași evoluție și anume pentru înlocuirea 100% a filerului martor cu oricare din filerele studiate masa volumică aparentă are valoare mai mică comparativ cu valoarea obținută pentru înlocuirea a doar 50% din cantitatea totală de filer din compoziția rețetei mixturii asfaltice.
În cazul determinării densității maxime a compoziției amestecurilor bituminoase studiate, rețeta care are filer din cenușă de termocentrală manifestă o schimbare și prezintă o valoare mai mică pentru cazul în care s-a înlocuit 100% filerul de calcar comparativ cu valoarea obținută pentru înlocuirea a 50% a filerului de calcar cu filer din cenușă de termocentrală.
Absorbția de apă a demonstrat valori foarte mici în cazul utilizării combinației de filer de calcar în dozaj de 50% cu toate filerele studiate 50%. Valorile obținute pentru înlocuirea totală a filerului cu deșeurile industriale prezentate sunt foarte clar sporite. Din acest punct de vedere filerul din sulfat de calciu a prezentat valori foarte mari și anume 7,34% pentru înlocuirea 100% și 5,72% pentru înlocuirea 50% (valori peste limita maximă impusă de 5%) pentru ambele înlocuiri efectuate. Cenușa de termocentrală adăugată în mixtura asfaltică în procent total a prezentat valoarea 5,80%, depășind ușor limita maximă de 5% conform AND 605/2014. În plus, înlocuirea cu 50% filer din cenușă de termocentrală sau filer din gips sintetic umectat au condus la valori de 1,11 respectiv 1,03% absorbție de apă, limita minimă impusă fiind de 1,5%.
Stabilitatea Marshall în cazul mixturii asfaltice cu filer din gips sintetic umectat a prezentat valori foarte bune, ce se încadrează în limitele impuse în normative, mixtura cu filer din cenușă de termocentrală utilizată în dozaj 100% a obținut valoarea de 14,98kN, valoarea maximă admisă fiind de 13kN, însă în momentul utilizării a 50% a cenușii de termocentrală s-a obținut valoarea de 12,82 kN. Utilizarea sulfatului de calciu în totalitate în compoziția mixturii asfaltice a condus la o valoare a stabilității Marshall mai mică decât limita minimă impusă, obținând 5,60kN comparativ cu minim 6,5kN impus în normativ.
Din punct de vedere al indicelui de curgere se poate observa că valorile determinate pentru utilizarea filerului din gips sintetic umectat (denumit și filer de sodă) sunt mai mrite comparativ cu limita maximă impusă de 4mm, utilizarea a 100% filer de sodă a demonstrat un indice de curgere în valoare de 4,86mm iar utilizarea a 50% a condus la 5,80mm. Utilizarea a filerului din cenușă de termocentrală cât și a filerului din sulfat de calciu au condus la rezultate bune pentru indicele de curgere, valori ușor mărite au fost obținute pentru înlocuirea a 50% a acestor filere (4,18 repectiv 4,33mm).
Utilizarea filerului din sulfat de calciu a prezentat un volum de goluri foarte mărit față de limita impusă de maxim 6%, utilizarea 100% a condus la valoarea 13,20% iar utilizarea 50% a obținut valoarea 8,62%. Mixtura asfaltică ce are în compoziție filer din cenușă de termocentrală a prezentat valori ale volumului de goluri foarte bune și care se înscriu în limita impusă în vigurare. În cazul utilizării filerului din gips sintetic umectat a condus la o valoare de 7,80% pentru utilizarea 100% a acestuia, iar pentru utilizarea a 50% a condus la rezultatul de 1,45% volum de goluri prezent în compoziția amestecului bituminos.
Determinarea modulului de rigiditate nu a prezentat valori sub limita minimă impusă pentru nici un filer utilizat, în nici una din combinațiile studiate. Se poate observa foarte clar faptul că în cazul utilizării filerului de cenușă, rigiditatea mixturii asfaltice este îmbunătățită, aceeași comportare a prezentat și utilizarea a 50% filerului din sulfat de calciu.
Variația masei volumice aparente în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16 este prezentată în figura 48.
Figura 48. Variația masei volumice aparente în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Variația densității Marshall în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16 este prezentată în figura 49.
Figura 49. Variația densității maxime în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Variația absorbției de apă în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice este prezentată în figura 50.
Figura 50. Variația absorbției de apă în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Influența tipului de filer asupra caracteristicilor Marshall poate fi urmărită în figura 51.
Figura 51. Variația caracteristicilor Marshall în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Variația volumului de goluri cu tipul de filer este prezentată în figura 52.
Figura 52. Variația volumului de goluri în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Modulul de rigiditate al mixturii asfaltice BA 16 este influențat de tipul de filer utilizat și variația acestuia poate fi urmărită în figura 53.
Figura 53. Variația modulului de rigiditate în funcție de filerul din compoziția mixturii asfaltice BA 16
Așa cum am precizat și în urma interpretării rezultatelor obținute prin încercările în regim static, în urma studiului efectuat pe toate tipurile de filere analizate, filerul din cenușă de termocentrală a obținut valori foarte bune chiar și pentru mixtura asfaltică din stratul de uzură. Acest tip de filer poate fi utilizat chiar și pentru înlocuirea totală a filerului de calcar uzual utilizat la noi în țară.
În urma evaluării rezultatelor asupra filerului din sulfat de calciu se poate preciza că aceasta poate fi utilizat pentru un procent de maxim 50% în amestecurile bituminoase de tip BA 16.
Filerul din gips sintetic umectat a obținut valori foarte bune pentru utilizarea în amestec de 50% cu filerul de calcar, însă pentru folosirea acestuia în dozaj 100% rezultatele determinate sunt peste limitele maxime impuse în viguare, astfel am considerat necesar de evaluat și combinația de 75% filer din gips sintetic umectat și 25% filer de calcar.
Proiectare rețetă BA 16 cu 75% filer din gips sintetic umectat
Preliminar studiilor prin încercări complexe a fost nevoie să se evalueze din punct de vedere al determinărilor în regim static mixtura asfaltică BA 16 cu filer obținut dintr-un amestec de 75% filer de sodă și 25% filer de calcar.
Studii de laborator asupra rețetei BA 16 cu 75% filer de sodă
Se va ține cont de mixtura asfaltică BA 16 (rețeta martor), cât și de cele doua rețete pentru care am determinat deja caracteristicile fizico-mecanice pentru înlocuirea cu 50 respectiv 100% filerul din gips sintetic umectat iar acum se urmărește evaluarea poibilității de înlocuire cu un dozaj de 75%.
Rezultatele obținute în urma determinărilor de laborator au fost centralizate în tabelul A:
Tabel 16. Determinări asupra rețetei de mixtură asfaltică BA 16 cu 75% filer de sodă și 25% filer de calcar
În urma acestor determinări s-au prezentat și grafic rezultatele obținute pentru fiecare determinare în parte după cum urmează:
Variația masei volumice aparente cu tipul de filer utilizat în compoziția mixturii asfaltice este reprezentată în figura 54.
Figura 54. Masa volumică aparentă pentru cele 4 procente de filer din gips sintetic umectat analizat
Densitatea maximă determinată pentru reteta cu 0% filer din gips sintetic umectat a fost reprezentată grafic comparativ cu rezultatul obținut pe rețeta mixturii martor BA 16 cu 50, 75 respectiv 100% filer din gips sintetic umectat în figura 55.
Figura 55. Densitatea maximă pentru cele 4 procente de filer din gips sintetic umectat analizat
Determinarea absorbției de apă pe cilindrii Marshall de mixtură asfaltică a condus la rezultatele prezentate în figura 56.
Figura 56. Absorbția de apă pentru cele 4 procente de filer din gips sintetic umectat analizat
În urma determinărilor Marshall s-au obținut valori ale stabilității Marshall, ale indicelui de curgere, valorile coeficientului Marshall care au fost reprezentate grafic în figura 57.
Figura 57. Caracteristicile Marshall pentru cele 4 procente de filer din gips sintetic umectat analizat
Volumul de goluri determinat pentru rețeta mixturii asfaltice cu 75% filer din sodă este prezentat în figura 58, comparativ cu volumul de goluri determinat pentru celelalte rețete studiate.
Figura 58. Volumul de goluri pentru cele 4 procente de filer din gips sintetic umectat analizat
Determinarea modulului de rigiditate a condus la următoarele rezultate determinate pe rețetele de mixtură asfaltică studiate, prezentate în figura 59.
Figura 59. Modulul de rigiditate pentru cele 4 procente de filer din gips sintetic umectat analizat
Încercări dinamice pe mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer din gips sintetic umectat
În continuare s-au făcut determinări prin teste complexe asupra mixturii asfaltice tip BA 16 cu filer de calcar 25% și filer din gips sintetic umectat 75%. Rezultatele obținute în urma acestora sunt prezentate în tabelul 11, după cum urmează:
Pe plăci s-a determinat viteza de deformație la ornieraj și adâncimea făgașului așa cum este prezentat în figura 60.
Figura 60. Fenomenul de făgășuire pe mixtura asfaltică BA 16 cu filer de sodă 75%
Pe cilindrii confecționați cu presa giratorie s-a determinat modulul de rigiditate (figura 61), procentul de goluri, precum și rezistența la deformații permanente (fluaj dinamic) dată de deformație și de viteza de deformație.
Figura 61. Determinarea modulului de rigiditate pentru ambele tipuri de mixtură asfaltică studiate
Tabel 11. Rezultate încercărilor complexe efectute pe BA 16 cu 75% filer de soda +25% filer de calcar
Figura 98. Adâncimea făgașului în funcție de numărul de cicluri aplicate pentru mixtura tip AB 25 cu sort 4/8mm din agregate de zgură de furnal și 50% filer din sulfat de calciu
Figura 99. Adâncimea făgașului în funcție de numărul de cicluri aplicate pentru mixtura tip BA 16 cu filer de calcar 25% și 75% filer din gips sintetic umectat (sodă)
Figura 100. Adâncmea maximă a făgașului obținută pe placă ân funcție de numărul de treceri pentru tipul de mixtură asfaltică BA 16 cu filer din sodă 75%
Reprezentarea grafică a rezultatelor obținute în urma efectuării încercărilor menționare pot fi urmărite în figurile 60, 61, 62 respectiv 63.
Figura 101. Viteza de deformație la ornieraj determinată pentru mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer de sodă
Figura 63. Adâncimea făgașului determinat pentru mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer de sodă
Figura 64. Modulul de rigiditate determinat pentru mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer de sodă
Figura 65. Rezistența la deformatii permanente (fluaj dinamic) – deformația determinată pentru mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer de sodă
Figura 66. Viteza la deformație la 50°C determinată pentru mixtura asfaltică BA 16 cu 75% filer de sodă
Interpretare rezultate și concluzii
În urma rezultatelor determinate se poate observa că acest tip de mixtură asfaltică prezintă pentru absorbția de apă o valoare foarte mică (și anume 0,45%), iar indicele de curgere este mare, respectiv 7mm (în normativ maxim impus este 4mm), încadrându-se în categoria F8.
Stabilitatea Marshall a obținut o valoare foarte bună, apropiată de valoarea rețetei martor (11,6kN) obținând 11,08kN, ambele rezultate încadrându-se în categoria de valori pentru Smin12,5.
Din punct de vedere al încercărilor în regim dinamic efectuate se poate observa foarte clar faptul că încercarea la ornieraj nu a obținut valori care să se încadreze în limitele impuse.
Determinarea procentului de goluri a condus la valoarea 5,66%, încadrându-se în limita maximă impusă de 6%, comparativ cu utilizarea 100% a filerului de sodă care are un volum de goluri de 7,8%, încadrându-se în categoria Vmax6,0 conform SR EN 13108-1:2006.
Modulul de rigiditate a condus la rezultatul de 5678 MPa, limitele impuse fiind între 4200-9000 MPa. Valoarea obținută este foarte apropiată de cea a rețetei martor egală cu 5772MPa, încadrată în categoria Smin7 000, conform SR EN 13108-1:2006.
Fluajul dinamic a prezentat o rezistență la deformații permanete care se încadrează în limita impusă, iar viteza de deformație obținută de 0,40 mm/m/ciclu respectă condiția din Normativul AND 605/2014 ( 1 mm/m/ciclu) însă nu respectă condiția din SR EN 13108/2016 (0,2 mm/m/ciclu), dar se încadrează în categoria fcmax0,4, (datorită vitezei de fluaj) și PRDAIR9,0 (datorită adâncimii maxime a făgașului) conform SR EN 13108-1:2006.
Se poate preciza faptul că în urma unui studiu efectuat pe acest tip de rețetă de mixtură asfaltică, problema determinată și demonstrată în cele mai multe cazuri este pentru încercarea la ornieraj.
Acest aspect ne demonstrează că este foarte posibil ca rezultatul slab obținut pentru această determinare să nu fie influențat în totalitate de tipul și calitățile filerului utilizat ci și de proiectarea rețetei de mixtură asfaltică. Totuși, acest fapt poate fi demonstrat doar prin mai multe analize asupra acestui tip de rețetă de mixtură asfaltică cu filer din gips sintetic umectat.
Se poate afirma că rețeta de BA 16 cu 75% filer din gips sinetic umectat prezintă o deformație la ornieraj cu 0,85 mm/1000 cicluri mai mult comparativ cu rețeta martor BA 16 cu filer de calcar.
CONCLUZII, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE
În literatura de specialitate studiul comportamentului mixturilor asfaltice este un subiect foarte vechi, mulți specialiști în domeniu încercând să explice cauzele degradărilor, având în vedere diferiți factori.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Teza de doctorat: MIXTURI ASFALTICE ECOLOGICE CU ADAOS DE COMPUȘI OBȚINUȚI PRIN PRELUCRAREA DEȘEURILOR INDUSTRIALE [306956] (ID: 306956)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.