Széchenyi István Egyetem Építész-, Építő- és Közlekedésmérnöki Kar Közlekedésépítési Tanszék

Átírás

1 Széchenyi István Egyetem Építész-, Építő- és Közlekedésmérnöki Kar Közlekedésépítési Tanszék Aszfaltkeverék-tervezés támogatása a bitumenek dinamikus nyíróreométeres (DSR) vizsgálatával, avagy elég-e a penetráció és lágyuláspont ismerete a maradó alakváltozás előrebecsléséhez?

2 Téma aktualitása Előadás tartalma Klímaváltozás hatása az útépítésben Hazai útburkolatok állapota (nyomvályúk) Bitumenek fokozat-besorolásához alkalmazott jellemzői Bitumen teljesítményalapú jellemzői és az aszfaltkeverékek maradó alakváltozással szembeni ellenállása közötti kapcsolat Kutatási célok Kutatási módszerek Kutatási eredmények További kutatási célok és javaslatok

3 Téma aktualitása Szemléltető eszköz

4 Téma aktualitása Szemléltető eszköz

5 Téma aktualitása Klímaváltozás hatásai a 20-30% -ra forrás: NASA

6 Téma aktualitása Klímaváltozás hatásai a 20-30% -ra forrás: Ed Hawkins

7 Téma aktualitása Klímaváltozás hatásai a 20-30% -ra Magyarország évi középhőmérsékletének alakulása 1901 és 2009 között, az as időszak átlagához viszonyítva forrás: OMSZ

8 Téma aktualitása Klímaváltozás hatásai a 20-30% -ra A hőségnapok éves számának idősora, a tízéves mozgó átlaggal, 1901 és 2009 között forrás: OMSZ

9 Téma aktualitása Klímaváltozás hatásai a 20-30% -ra A fagyos napok éves számának idősora, a tízéves mozgó átlaggal, 1901 és 2009 között forrás: OMSZ

10 Téma aktualitása Forma-1 Magyar Nagydíj 216 Szombati időmérő edzés forrás:

11 Téma aktualitása Forma-1 Magyar Nagydíj 2016 Léghőmérséklet: +28 C Burkolathőmérséklet: +51 C forrás: AC 11 kopó (F) B50/70 Lágyuláspont: C Vasárnapi futam forrás:

12 Téma aktualitása Hazai útburkolatok állapota Országos közutak keréknyomvályú-mélység osztályzat szerinti megoszlása 2015-ben (%) Teljes kiépített hálózat 8,3 4,4 2,7 3,1 Főhálózat 6,5 8,6 10,4 80,4 Jó Megfelelő Tűrhető Nem megfelelő Rossz 18,3 forrás: Magyar Közút NZrt. 55,9 88,7% 74,2% Jó Megfelelő Tűrhető Nem megfelelő Rossz forrás: Magyar Közút NZrt.

13 Téma aktualitása Szabványos bitumenvizsgálatok Útépítési célú bitumenek alkalmazásának mérföldkövei: Útépítési bitumenek 1834 Európa, 1872 USA Modifikált bitumenek 1970-es évek Multigrade típusú bitumenek 1995 környéke Gyakorlatban a mai napig használatos fokozatbesoroláshoz alkalmazott jellemzők: Tűpenetráció 1888 Gyűrűs-golyós lágyuláspont 1900-as évek eleje

14 Téma aktualitása Szabványos bitumenvizsgálatok Bitumen: Európa Penetráció és gyűrűs-golyós lágyuláspont tapasztalati (empirikus) jellemzők USA SHRP-bitumenazonosítás - Komplex nyírási modulus teljesítményalapú (fundamentális) jellemzők Aszfalt: Európa: tapasztalati és teljesítményi (választhatóan) USA: SHRP-Superpave - teljesítményi

15 Téma aktualitása Bitumen teljesítményalapú jellemzői és az aszfaltkeverékek maradó alakváltozással szembeni ellenállása közötti kapcsolat Reológiai vizsgálatok általában valamilyen adalékszer vagy modifikálószer hatásának vizsgálatára Hiányzik a kapcsolat a bitumenek teljesítményalapú jellemzői és az aszfaltok alakváltozási paraméterei között

16 Kutatási célok Konvencionális és teljesítményalapú bitumenjellemzők között összefüggések keresése Bitumenek reológiai alapú jellemzői és az aszfaltkeverékek empirikus valamint fundamentális alakváltozási jellemzői között összefüggések keresése Teljesítményi bitumenjellemző azonosítása a keveréktervezés támogatására, és a beépítendő aszfaltkeverék teljesítménye kedvezőbb, illetve pontosabban előrebecsülhető lehet Előrelépés a bitumenjellemzők és aszfaltjellemzők teljesítményi kapcsolata felé

17 Kutatási módszerek Laboratóriumi vizsgálatok a bitumenek (összesen 37 minta) empirikus (Pen, LP, PI), alapvető reológiai tulajdonságainak (DSR) meghatározásához. Aszfaltbeton keverékek jellemzőinek kutatása Keréknyom-képződési vizsgálatok (WTT) kiskerekes berendezéssel, ismételt terhelésű összenyomódási vizsgálat (TCCT) univerzális hidraulikus aszfaltvizsgáló berendezéssel. Vizsgált keverék szemeloszlása AC 16 kopó keveréknek felelt meg.

18 Kutatási módszerek Bitumen reológiai jellemzői Bitumen empirikus jellemzői Aszfaltkeverék nyomképződési jellemzői Aszfaltkeverék dinamikus kúszási jellemzői

19 Kutatási módszerek AC 16 kopó aszfaltkeverékhez alkalmazott bitumentípusok illetve azok penetrációja és gyűrűs-golyós lágyuláspontja Penetráció [1/10 mm] Gyűrűs-golyós lágyuláspont [ C] 10/20 70/100 50/70 35/50 50/70 50/70 SFB / /80-65 KSGB 10/40-65

20 Kutatási módszerek Fundamentális (T =+60 C) Fundamentális (T=+ 20 C) Fundamentális (T =+60 C) A kutatás során vizsgált 40 bitumenjellemző Penetráció Gyűrűs-golyós lágyuláspont LVE-tartományok Komplex nyírási modulus Komplex viszkozitás MSCR-jellemzők Burgers-modell elemei Zéró nyírási viszkozitás Feszültségérzékenység Feszültség-viszkozitási tényező Jellemző típusa Empirikus Bitumenjellemzők Paraméter Penetráció 25 C-on Gyűrűs-golyós lágyuláspont Penetrációs index G * 10 J * 10 G * 10/sinδ η * 10 G * 0,883 J * 0,883 η * 0,883 G * 3 J * 3 η * 3 γ LVE5% γ LVE10% ZSV creep ZSV cr-rec η 3MSCR (3,2) J nra (0,1) J nra (3,2) Bitumenjellemzők Jellemző Paraméter típusa J nra (6,4) ΔJ nra (0,1-3,2) ΔJ nra (3,2-6,4) ΔJ nra (0,1-6,4) γ reca (0,1) γ reca (3,2) γ reca (6,4) γ una (0,1) γ una (3,2) γ una (6,4) Δγ reca (0,1-3,2) Δγ reca (3,2-6,4) Δγ reca (0,1-6,4) SVF SSV G * 10 G * 10/sinδ η * 10 γ LVE5% γ LVE10%

21 γ reca [%] Kutatási módszerek Néhány jellemző alakulása Átlagos fajlagos rugalmas alakváltozás (γ rec,a,[%]) 0,1 kpa 3,2 kpa 6,4 kpa

22 J nra [1/kPa] Kutatási módszerek Néhány jellemző alakulása Átlagos visszamaradó kúszási hajlam (J nr,a ) 0,1 kpa 3,2 kpa 6,4 kpa 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

23 PRD AIR [%] Kutatási módszerek WTS AIR [mm/1000 ciklus] AC 16 kopó aszfaltkeverékek keréknyom-képződési jellemzői (WTT) 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00

24 Kutatási módszerek Aszfaltkeverékek ismételt terhelésű összenyomódási vizsgálata (TCCT) Görbeillesztés a Francken-képlet módosításával ε [μstrain] εfrancken [μstrain] ε(n) = a nb + c [exp (d nu) 1] ε [μstrain] ε [μstrain] εfrancken-módosított [μstrain] ε [μstrain] Ciklus [db] Ciklus [db] 41. Útügyi Napok, Balatonfüred

25 Kutatás eredményei log ZSV cr-rec [Pa s] Pen&LP vs. fundamentális jellemzők PI és G *, η *, G * /sinδ között T=+20 C, f=10hz mellett kedvező a kapcsolat útépítési bitumeneknél (R 2 =0,8..0,9) CEN/TS eljárása η 0 (ZSV creep ) időigényes mérése helyett egyciklusos kúszásvisszalakulás módszere η 3 (ZSV cr-rec ) (R 2 =0,92) 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 log ZSV creep [Pa s]

26 Kutatás eredményei Pen&LP vs. fundamentális jellemzők PI és G *, η *, G * /sinδ között T=+20 C, f=10hz mellett kedvező a kapcsolat útépítési bitumeneknél (R 2 =0,8..0,9) CEN/TS eljárása η 0 (ZSV creep ) időigényes mérése helyett egyciklusos kúszásvisszalakulás módszere η 3 (ZSV cr-rec ) (R 2 =0,92) Keréknyom-képződési vizsgálat vs. Bitumenjellemzők PRD air kedvező kapcsolata G * 0,883, η * 0,883, η 3MSCR (3,2), J nr,a (3,2), γ un,a (3,2) (R 2 =0,84..0,87) Kúszássebesség vs. Bitumenjellemzők f c és η 3MSCR (3,2), J nr,a (3,2), γ un,a (3,2) jellemzők kedvező kapcsolata (R 2 =0,81..0,87)

27 Kutatás eredményei Fundamentális (T=+ 20 C) Fundamentális (T =+60 C) Regresszió analízis statisztikai eredménye Bitumenjellemzők Jellemző típusa Paraméter PRD AIR WTS AIR n in mért ε in mért f c mért mért /n in m φ mért n in reg ε in reg f c reg n reg /n in r Penetráció 25 C-on Gyenge Nincs Gyenge Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Gyenge Nincs Gyenge Gyenge Empirikus Gyűrűs-golyós lágyuláspont Nincs Közepes Gyenge Nincs Gyenge Gyenge Nincs Gyenge Nincs Gyenge Gyenge Penetrációs index Gyenge Közepes Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs G * 10 Jó Nincs Jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge J * 10 Közepes Nincs Jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge G * 10/sinδ Jó Nincs Jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge η * 10 Jó Nincs Jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge G * 0,883 Jó Nincs Jó Nincs Közepes Gyenge Gyenge Nagyon jó Nincs Gyenge Gyenge J * 0,883 Jó Nincs Gyenge Nincs Közepes Gyenge Gyenge Gyenge Nincs Gyenge Gyenge η * 0,883 Jó Nincs Nagyon jó Nincs Közepes Gyenge Gyenge Nagyon jó Nincs Gyenge Gyenge G * 3 Jó Nincs Jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge J * 3 Jó Nincs Gyenge Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Gyenge Nincs Gyenge Gyenge η * 3 Jó Nincs Jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge γ LVE5% Gyenge Nincs Gyenge Nincs Nincs Nincs Nincs Gyenge Nincs Nincs Nincs γ LVE10% Közepes Nincs Jó Nincs Nincs Nincs Gyenge Jó Nincs Nincs Nincs ZSV creep Gyenge Gyenge Gyenge Nincs Gyenge Gyenge Nincs Gyenge Nincs Gyenge Gyenge ZSV cr-rec Gyenge Gyenge Közepes Nincs Közepes Közepes Nincs Közepes Nincs Közepes Közepes η 3MSCR (3,2) Jó Gyenge Nagyon jó Nincs Jó Jó Közepes Nagyon jó Nincs Jó Jó J nra (0,1) Jó Közepes Jó Nincs Nagyon jó Jó Gyenge Jó Nincs Jó Jó J nra (3,2) Jó Gyenge Jó Nincs Jó Jó Gyenge Jó Nincs Jó Jó J nra (6,4) Jó Gyenge Közepes Nincs Jó Jó Gyenge Közepes Nincs Jó Jó ΔJ nra (0,1-3,2) Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs ΔJ nra (3,2-6,4) Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs ΔJ nra (0,1-6,4) Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs Nincs γ reca (0,1) Gyenge Közepes Jó Nincs Közepes Közepes Nincs Jó Nincs Közepes Jó γ reca (3,2) Gyenge Közepes Közepes Nincs Közepes Közepes Nincs Közepes Nincs Közepes Közepes γ reca (6,4) Gyenge Gyenge Közepes Nincs Gyenge Közepes Nincs Közepes Nincs Közepes Közepes γ una (0,1) Jó Közepes Jó Nincs Nagyon jó Jó Gyenge Jó Nincs Jó Jó γ una (3,2) Jó Gyenge Jó Nincs Jó Jó Gyenge Jó Nincs Jó Jó γ una (6,4) Jó Gyenge Közepes Nincs Jó Jó Gyenge Közepes Nincs Jó Jó Δγ reca (0,1-3,2) Gyenge Gyenge Közepes Nincs Közepes Közepes Nincs Közepes Nincs Közepes Közepes Δγ reca (3,2-6,4) Gyenge Gyenge Közepes Nincs Közepes Közepes Nincs Közepes Nincs Közepes Közepes Δγ reca (0,1-6,4) Gyenge Közepes Közepes Nincs Közepes Közepes Nincs Közepes Nincs Közepes Közepes SVF Közepes Nincs Jó Nincs Közepes Közepes Gyenge Jó Nincs Közepes Közepes SSV Közepes Gyenge Közepes Nincs Közepes Közepes Gyenge Közepes Nincs Közepes Közepes G * 10 Gyenge Nincs Gyenge Nincs Nincs Nincs Nincs Gyenge Nincs Nincs Nincs G * 10/sinδ Gyenge Nincs Közepes Nincs Nincs Nincs Gyenge Közepes Nincs Nincs Nincs η * 10 Gyenge Nincs Gyenge Nincs Nincs Nincs Nincs Gyenge Nincs Nincs Nincs γ LVE95% Jó Nincs Nagyon jó Nincs Gyenge Gyenge Gyenge Jó Nincs Gyenge Gyenge γ LVE90% Jó Nincs Jó Nincs Nincs Nincs Gyenge Jó Nincs Nincs Nincs

28 Kutatás eredményei Miben nyújtanak többet a teljesítményalapú paraméterek? Az η 3MSCR (3,2), γ una (3,2) és J nra (3,2) reológiai jellemzők alapján az azonos összetételű kőanyaghalmazzal készülő aszfaltbeton keverék WTT és TCCT vizsgálatok során nyújtott teljesítménye jó közelítéssel előrebecsülhető. A fenti reológiai paraméterekkel jellemzett bitumenek közül az aszfaltbeton keverékekkel szemben támasztott melegviselkedési követelmények figyelembe vételével a legkedvezőbb bitumentípus választható ki alkalmazásra. A WTT és TCCT összefüggései hasznosak lehetnek a hazai gyakorlatban korábban elvégzett szabványos és nagy mennyiségben rendelkezésre álló WTT vizsgálatok eredményeinek felhasználásánál.

29 További kutatási célok Más reológiai modellek alkalmazása a paraméterek meghatározására (η 3MSCR ) További aszfalttípusok teljesítményi tulajdonságainak kutatása a kötőanyag reológiai jellemzőinek tekintetében (SMA, PA, BBTM) Különböző kőtermékek alkalmazása, azok hatásainak vizsgálata a teljesítményi tulajdonságokra In situ vizsgálatok, lehetséges beépítési helyek keresése További aszfaltjellemzők (pl. fáradás, komplex modulus) együttes egymásra hatásának vizsgálata Hidegviselkedési jellemzők vizsgálata

30 És akkor A kérdés Aszfaltkeverék-tervezés támogatása a bitumenek dinamikus nyíróreométeres (DSR) vizsgálatával, avagy elég-e a penetráció és lágyuláspont ismerete a maradó alakváltozás előrebecsléséhez? Klímaváltozás? Hőség napok? SHRP? Nyomvályúk? A teljesítmény 20-30% -a? Úgy tűnik, rövid távon elegendő. DE közép és hosszú távon biztosan szükség lesz a teljesítményalapú jellemzők vizsgálatára és használatára a tervezés során. Ehhez meg kell találni a megfelelő paramétereket.

31 Köszönöm a figyelmet! Dr. Füleki Péter fulekip@sze.hu