Porovnanie vplyvu modifikátorov na vlastnosti asfaltovej zmesi

Transcription

1 Porovnanie vplyvu modifikátorov na vlastnosti asfaltovej zmesi Hrušková Lucia, Daučík Pavol Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, Oddelenie technológie ropy a petrochémie, Radlinského 9, Bratislava, Slovenská republika, hruskova.lucia@stuba.sk Abstract Present article deals with evaluation of changes in properties of asphalt mixed with additives. Influence of different modifiers and additives is evaluated. Asphalt properties are compared on the basis of applied additives such as polymers, crumb rubber and fibers, clays and zeolite. Crumb rubber and fibers were obtained from the grinding process of scrap tires. Present investigation is focused on the determination of penetration, softening point and changes in viscosity at different temperature. Results will be compared with properties of unmodified asphalt. Key words: asphalt, modifier, crumb rubber, fillers Úvod Asfalty sú organické zmesi ktoré majú rôznorodé chemické zloženie. Majú široké využitie v cestnom staviteľstve pretože môžeme upravovať ich viskózno-elastické vlastnosti. Asfalty sú tekuté pri vysokých teplotách a pri nízkej teplote sa stavajú krehkými. Pri zvyšovaní teploty a zaťaženia asfaltu dochádza k väčším deformáciám asfaltu. Preto je potrebné zlepšiť vlastnosti asfaltových materiálov (1). Vlastnosti asfaltov sa dajú zlepšiť pridaním rôznych modifikátorov a prísad. Dosahujú sa lepšie vlastnosti, asfalt odoláva zlým poveternostným podmienkam ako aj záťaži spôsobenej hustou dopravou. Modifikované asfalty v súčasnosti patria medzi najviac využívaný druh výrobkov z asfaltu a všeobecne sa predpokladá, že majú dlhšiu životnosť ako klasické asfalty (2). Je známe, že modifikovaný asfalt má vynikajúce vlastnosti, preto sa využívanie každým rokom zvyšuje. Najčastejšie používaným modifikátorom je polymér styrén-butadien-styrén. Ako modifikátor sa často používa aj etylén-vinyl-acetát. Iné polyméry (polyetylén, polypropylén) a gumová drvina sú tiež vhodnými modifikátormi. Ako prísady sú známe vlákna, diatomit, montmorilonit (MMT) a ďalšie. Polyméry sú najviac používané avšak sú drahé, preto je snaha o zapracovanie takých modifikátorov do asfaltov, ktoré budú vykazovať podobné vlastnosti ako polyméry ale cena bude výrazne nižšia (1). Vplyvom modifikátora sa zásadne zmenia termoviskózne a elastoviskózne vlastnosti pôvodného asfaltu. Podľa obsahu pridaného modifikátora sa menia aj iné vlastnosti produktov. Tieto produkty sa často používajú v cestnom staviteľstve alebo ako spojivo na mimoriadne namáhavé úseky (2). K prednostiam modifikovaných asfaltov patri širší rozsah plasticity (rozdiel bodu mäknutia KG a bodu lámavosti). Kým napríklad klasické asfalty dosahujú rozsah plasticity nižší ako 60 C u modifikovaných asfaltov býva hodnota až 80 C. Pri rovnakej penetrácii sa dosahuje u modifikovaných asfaltoch vyšší bod mäknutia. Kým klasické asfaltové spojivá nevykazujú žiadnu elasticitu, modifikované sú vysoko elastické. Pôsobením tlaku sa síce deformujú, ale po odstránení tlaku sa vracajú do svojej pôvodnej polohy. Tým sú modifikované asfalty odolné voči plastickým deformáciám, a to nielen v dôsledku elasticity, ale aj vyššieho bodu mäknutia. Modifikované asfalty sú často odolnejšie voči starnutiu a preto vykazujú vyššiu životnosť ako klasické. Vyššia odolnosť voči starnutiu sa dá u modifikovaných asfaltov zdôvodniť ich vyššou viskozitou, čím sa znižuje difúzny tok vzdušného kyslíka do asfaltu. Kvalitatívna úroveň a úžitkové vlastnosti modifikovaných asfaltov sú závislé na voľbe modifikátora a na jeho množstve v asfalte. Výberom asfaltovej

2 suroviny vhodného chemického zloženia a použitím správneho spôsobu technologickej prípravy možno pozitívne ovplyvniť kvalitu asfaltových zmesí (3). Polymér Europren styrén-budatién (EP) je klasifikovaný ako elastomér zvyšujúci elasticitu asfaltu. Polybilt, etylén-vinyl-acetát, (PB) je polymér, ktorý je klasifikovaný ako plastomér. Vstupuje do štruktúry asfaltu, čím dochádza k modifikácii a k vytvoreniu pevnej trojdimenzionálnej sieti, ktorá zlepšuje odolnosť voči deformácii. Gumová drvina (GD) je environmentálne prijateľný materiál s dobrými vlastnosťami na prípravu asfaltových zmesí. Po zmiešaní asfaltu s GD sa menia reologické vlastnosti asfaltu. Výsledná zmes má lepšie vlastnosti, vyššiu viskozitu, nižšiu citlivosť na teplotu, vyššiu odolnosť voči starnutiu a tým sa menia a zlepšujú aj mechanické vlastnosti asfaltu (4). Zeolity sú prírodné alebo syntetické hlinitokremičitany s trojrozmernou kryštalickou štruktúrou. Ich štruktúru vytvárajú tetraédre, v ktorých strede je umiestený katión Si 4+ alebo Al 3+ a tieto sú vzájomne pospájané kyslíkovými mostíkmi. Vnútri kryštalickej štruktúry zeolitu sa nachádzajú kanáliky resp. dutiny ktoré majú presne definované tvary a rozmery. Hlinky sú prírodné materiály ílovitého charakteru nachádzajúce sa v pôde, vo vzduchu vo forme prachových častíc vôkol nás. Montmorilonit patrí medzi hlinky a je vrstevnatý silikát zložený z dvoch tetraedrických sietí, medzi ktorými sa nachádza oktaedrická sieť. Tetraedrická sieť môže byť tvorená kaiónmi Si 4+, Fe 3+ alebo Al 3+ a oktaedriká sieť obsahuje katióny Al 3+, Fe 3+ Fe 2+ a Mg 2+. MMT má schopnosť niekoľko násobne zväčšiť objem absorpciou vody. Prísady ako sú rôzne textílie, vlákna, zeolity a hlinky nevstupujú do štruktúry asfaltu tým nedochádza k modifikácii asfaltu, napriek tomu môže dôjsť k zmene vlastností. Modifikátory sa môžu kombinovať s prísady na dosiahnutie ešte výraznejších zmien vlastností výslednej asfaltovej zmesi. Cieľom tohto príspevku je porovnať vplyv modifikátorov a prísad ako: Europren, Polybilt, gumová drvina, textílie z pneumatík, zeolit a hlinka (montmorilonit MMT) na vlastnosti výslednej asfaltovej zmesi. Výsledky boli porovnané s vlastnosťami asfaltu bez prídavku. Pri hodnotení vlastností asfaltov sa používajú normované skúšky ako stanovenie bodu mäknutia, penetrácie a viskozita. Metódy a experimenty Pri experimentoch bol použití asfalt s označením N4326 získaný zo Slovnaft a.s., Slovenská republika. Asfalt bol miešaný s 5 % PB, EP, GD, zeolitu, MMT a 0,3 % vlákien získaných separáciou pneumatík. GD a vlákna z pneumatík boli zadovážené z firmy V.O.D.S. Košice, ktorá sa venuje zberom a spracovaním opotrebovaných pneumatík. Zrnitosť použitej GD bola 0,09 mm. Vzorka zeolitu bola získaná z firmy Zeolyst a MMT Sigma-aldrich, Europren je zadovážený z firmy Enichem a Polybilt z ExxonMobil Chemical. Pri použití textílii boli urobené dve vzorky: prvá vzorka nebola nijako upravená a miešala sa s asfaltom 90 min. Druhá vzorka bola sušená v sušiarni po dobu 1 h pri teplote 105 C čím došlo k úbytku vlhkosti. Sušenie bolo robené z dôvodu že prvá vzorka sa zle miešala v asfalte a tvorili sa zhluky textílie. Experiment bol realizovaný na 7 vzorkách, z čoho jedna bola asfalt bez prídavku. Normované metódy ako: stanovenie penetrácie (5), bodu mäknutia (6) a viskozity (7) sa boli použité na hodnotenie vlastností asfaltov. Normované skúšky boli použité na stanovenie vlastností vzoriek asfaltu miešaného rôznymi prídavkami a výsledky boli porovnané s asfaltom bez prídavku. Označenie vzoriek: Asfalt A1, A+Europren A2, A+Gumová drivna A3, A+Textílie (nesušená) - A4, A+Textílie (sušená) - A5, A+Polybilt A6, A+Monmorilonit A7, A+Zeolit A8.

3 Bod mäknutia ( C) Namerané výsledky vzoriek vykazujú rôznu zmenu vlastností oproti vzorky A1. Pri porovnaní bodu mäknutia (obrázok 1) všetkých vzoriek došlo k zmene teploty bodu mäknutia. Niektoré vzorky (A4, A5, A8) nepreukázali zmenu alebo len minimálnu. Pri vzorke A7 ako pri jedinej došlo k zhoršeniu skúšky o 1,5 C oproti vzorke A1. Z hľadiska opakovateľnosti meraní bodu mäknutia KG možno konštatovať, že pridanie prísad do asfaltu vo vzorkách A4, A5 a A8 neovplyvnilo tento parameter kvality , ,4 44,7 44,7 52,3 42,8 44, A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Vzorky Obrázok 1 Porovnanie bodu mäknutia KG ( C) meraných vzoriek Stanovenie penetrácie, tvrdosti asfaltu, ukázalo, že všetky modifikátory zlepšili tvrdosť asfaltu. Pri 4%-nej opakovateľnosti merania penetrácie všetky prísady významne zvýšili penetráciu v porovnaní so vzorkou A1. Najväčší rozdiel zaznamenala vzorka A2 ktorá zlepšila vlastnosť vzorky A1 o 30 penetračných jednotiek (p.j). Výsledky znázornené na obrázku 2 ukazujú, že syntetické polyméry Europren (A2) a Polybilt (A6) podobne ako v prípade bodu mäknutia KG aj pri penetrácii najviac ovplyvňujú kvalitu asfaltu

4 Penetrácia (p.j) A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Vzorky Obrázok 2 Porovnanie penetrácie (p.j.=0.1 mm) meraných vzoriek Viskozita je dôležitým parametrom na hodnotenie vlastností asfaltu. Tabuľka 1 porovnáva viskozitu pri rôznej teplote všetkých nameraných vzoriek. Na obrázku 3 je možné vidieť správanie sa vzoriek so zmenou teploty. Vzorky A4, A5 a A7 majú takmer presnú líniu zmeny viskozity s teplotou ako vzorka A1. Vzorka A8 pri teplote 120, 130 a 135 C kopíruje hodnoty vzorky A1. Nelineárna závislosť viskozity ropných produktov od teploty je známa. Rôzne vzťahy logaritmov viskozity a teploty boli overené pre jednotlivé typy uhľovodíkových zmesí (8). Tabuľka 1 Prehľad viskozity vzoriek asfaltu Viskozita (mpa.s) Vzorky 100 C 110 C 120 C 130 C 135 C A A2 3* 3* A A4 1* A5 2* A A A * Textílie nesušené, 2*Textílie sušené, 3* vysoká viskozita mimo možností merania prístroja

5 log (η) Viskozita (mpa.s) A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A Teplota ( C) Obrázok 3 Porovnanie viskozity = f(t) všetkých vzoriek pri rôznych teplotách Pre lepšie znázornenie závislosti viskozity na teplote sa použil logaritmus viskozity. Obrázky 4 a 5 ukazujú samostatne prídavky, pri ktorých bola viskozita ovplyvnená v porovnaní so vzorkou A1 minimálne a samostatne vplyv polymérnych prísad. Na obrázku 4 sú jasne viditeľné rozdiely medzi vzorkami. Viskozita sa výrazne zmenila pri vzorkách A2, A3 a A6 pri porovnaní so vzorkou A1. Na obrázku 5 takýto rozdiel nie je zjavní aj keď sa viskozita pri vzorkách zmenila jej zmena je minimálna a vlastnosť asfaltu výrazne neovplyvnila. 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 A1 A2 A3 A Teplota ( C) Obrázok 4 Závislosť logaritmu viskozity od teploty, vzorky s modifikátormi

6 log (η) 3,4 3,2 3 2,8 A1 A4 A5 A7 A8 2,6 2,4 2, Teplota ( C) Obrázok 5 Závislosť logaritmu viskozity od teploty, vzorky s prísadami Záver Viskozita je dôležitý parameter na posúdenie typu prídavku do asfaltu. Je jednoznačným kritériom, či prídavok pôsobí ako modifikátor alebo ako prísada. Pri porovnaní výsledkov vzoriek asfaltu s prídavkom so vzorkou bez prídavku je možné konštatovať, že Europren, Polybilt a gumová drvina sa pri zamiešaní do asfaltu správali ako modifikátory. Vstupujú do štruktúry asfaltu čím vytvárajú modifikovaný asfalt. Pri použití jemnejšej zrnitosti (0.09 mm) gumovej drviny je predpoklad, že časť GD devulkanizovala, čo je možné usudzovať na základe nameraných výsledkov. GD s ktorej časť devulkanizovala mení štruktúru asfaltu a tým pôsobí ako modifikátor. Textílie z GD, zeolit a hlinka zmenili vlastnosti asfaltu len čiastočne, nevstúpili do štruktúry asfaltu, preto nedošlo k výraznej zmene vlastností. Tým nepôsobia ako modifikátor ale ako prísada do asfaltu. Pre lepšie dosiahnuteľné výsledky by bolo vhodné prísady kombinovať spolu s modifikátormi. Ďalším cieľom štúdia je devulkanizácia GD za účelom zvýšenia efektívnosti použitia ako modifikátora a dosiahnuť takú zmenu vlastností asfaltu ako u asfaltov modifikovaných polymérmi.

7 Použitá literatura [1] Yu, J., Zeng, X., Wu, S., Wang, L., Liu, G.,. Preparation and properties of montmorillonite modified asphalts. Materials Science and Engineering A 447, stránky , [2] Baxa, J., Daučík, P., Židek, Z.,. Technológia ropy I. Bratislava : Slovenská Technická Univerzita v Bratislave, ISBN , [3] Runa, A.,. Ropa a uhlie. Technológia ropy a uhľovodíkových plynov. 35, číslo 4, RAU 35 (4) , [4] Moreno, F., Rubio, M.C., Martinez-Echevarria, M.J.,. Analysis of digestion time and the crumb rubber percentage in dry-process crumb rubber modified hot bituminous mixex. Construction and Building Materials 25, stránky , 2011, [5] EN1426. Asfalty a asfaltové spojivá. Stanovenie penetrácie ihlou. [6] EN1427. Asfalty a asfaltové spojivá. Stanovenie bodu mäknutia, Metoóda krúžok a guľôčka. [7] EN Asfalty a asfaltové spojivá. Stanovenie dynamickej viskozity modifikovaných asfaltov metódou kúžeľom a platničkou. [8] Wauguier, J.P. Crude oil. Petroleum products process flow sheets : Editions technip, Sv. ISBN X, 1995.