SZILlKATTUDOMANY. Aszfaltkcverekek reo16giai tulajdonsagainak vizsgalata

Átírás

1 ,, SZLlKATTUDOMANY Aszfaltkcverekek reo16giai tulajdonsagainak vizsgalata Gomze A. Laszlo - Kovacs Akos Miskolci Egyetern, Keramia- es Szillkatmernokl Tanszek Bevezetes nyersanyagok, valamint az epitoanyag-ipari alapanyagok es felkesz termekek reologiai tulajdonsagainak korszeru A bonyolult, nemlinearis, keplekeny-viszkorugalmas kutatasahoz; de alkalmas az olyan osszetett es bonyolult szilikatipari nyersanyagok es felkesz termekek reologiai anyagszerkezetek komplex reologiai es tribologiai vizstulajdonsagainak vizsgalata, kutatasa a Miskolci Egyetemen galatara is, mint az aszfalt es az aszfaltbeton. mintegy evre nyulik vissza; reszben egyiittmukodve az akkor meltan nemzetkozi hiru Moszkvai Epitdmemoki Egyetem munkatarsaival [1,2,3 es 4], reszben sajat adott 1. Eldzmenyek sagainkra es lehetosegeinkre tamaszkodva [5, 6, 7 es 8]. A bonyolut keplekeny-viszkoelasztikus anyagok reologiai A korszeni utburkolatok egyik legelterjedtebb epitoanyaga, kutatasanak ujabb lendiiletet adott a Miskolci Egyetemen a az aszfalt olyan mesterseges anyag, amelyet bitumen, Keramia- es Szilikatmernoki Tanszekjogelodjenek, a Nem ko liszt, homok es zuzalek sajatos m6don keszitett femes Anyagok Technologiaja Tanszeknek julius 1 keverekebol tomorites utjan allitanak elo. Skovranko [15] jen tortent megalapitasa az akkori Anyag- es Kohomemoki szerint az aszfalt kotoanyag es szemcses asvanyi anyagok Kar altal. Ezt a megnovekedett kutatasi aktivitastj61tiikrozi kevereke, mely jellege szerint lehet tomor zart, tomor nemcsaka szamos hazai es nemzetkozi publikacio [9,10,, nyitott es utantomorodo. 12 es 13], de az 1. abran bemutatott, szabadalmi mintaolta Az aszfalt szerkezeti, morfol6giai es mechanikai lommal vedett, kornbinalt reotribometer [14] is. Az alabbi tulajdonsagai mai ertelernben is korszeru vizsgalati abran bemutatott kesziilek a Miskolci Egyetemen megte m6dszereinek kidolgozasa, rendszerezese Gezencvej remtette a felteteleket nemcsak a kerarnia- es szilikatipari nevehez ftizodik. 6 jatszott utt6ro szerepet az aszfalt es ~ :::l::----,..._--\1 14 ~G 8 7 T 5 2-Cl= :dj 4 i =-_ abra. A kombinalt reotribometer vazlata 1. meroasztal; 2. csigahajtomu; 3. villamos motor; 4. kabeldob; 5. kotelpalya; 6. merokocsi (rajta a nyirolap); 7. induktiv elmozdulasmero; 8. eromero (spider); 9.futheto mintatarto; 10. pneumatikus munkahenger; 11. magnesszelep; 12. nyomasmero ora; 13. kompresszor; 14. termosztat; 15. vezerloegyseg; 16. meresadatgyujto (Spider 8); 17. szamitogep (adatgyujtes esfeldolgozas) 34 Epitoanyag 57. evf szam

2 F E, - a Hooke-test 11, a Newton-test E, a Voigt-Kelvin test 11, a Voigt-Kelvin test E, - pillanatnyi rugalmas Em maradand6 viszk6zus E, - kesleltetett rugal mas 0,14, ~ ~ 0,12 ~ 01.g', J!l 0,08 ~ 0,06 ~ 0,04.~ 0,02 z 0 _~------_'l Elmozdulas [mm) 3. abra. A Marshall-mintakon mert tipikus nyirofesziiltseg-elmozdulas diagramok 2. abra. A Burgers-fete anyagok reologiai modellje az aszfaltbetonok reol6giai tulajdonsagainak kutatasaban, modellezeseben is. skolat teremto konyveben [16] bar az aszfaltot es az aszfaltbetont "rugalmas-viszk6zus-keplekeny" anyagnak jellemezte, reol6giai tulajdonsagait ugyanakkor Maxwell-fele "rugalmas-viszk6zus" testkent modellezte. Gezencvej kovetoi napjainkban az aszfaltok es aszfaltbetonok mechanikai tulajdonsagaira a 2. abran bemutatott negyparameteres Burgers-fele modellel probaljak megmagyarazni, A Burgers-modellrol konnyen belathato, hogy minden olyan esetben, amikor kulso ero hatasara az aszfaltban kialakul6 mechanikai fesziiltseg erteke a> 0, (1) akkor a rendszer teljes janak valaszfiiggvenye (2) ahol: E,(t) = aiel - a Hooke-test janak valaszfuggvenye, Em(t) = ot/n. - a Newton-test janak valaszfuggvenye Ek(t) = a/e/l - expe2tlrb) - a Voigt-Kelvin elem janak valaszfuggvenye. A fenti Burgers-We modell szerint az aszfalt minden olyan esetben, amikor a nem egyenlo 0, vissza nem fordithato (3) maradand6 t szenved; es ez a az id6 mulasaval folytonosan novekszik. 2. Aszfaltkeverekek nyirovizsgalata A kulonbozo asvanyianyag-osszetetelii es bitumentartalmu aszfaltkeverekek nyirovizsgalatait az 1. abran bemutatott kesziileken vegeztuk; amelyen a fiithet6 mintatart6ba (9) behelyezett szabvanyos Marshall-minta nyirasahoz sziikseges mechanikai fesziiltseg, mint a pr6batestre hat6 nyomofesziiltseg (P), homerseklet (T), nyirasi sebesseg (v) es az aszfaltkeverek osszetetelenek (Q) fiiggvenyeben vizsgalhato az alabbi fiiggvenykapcsolat szerint: r = f(p, Q, T, v); [MPa]. (4) A mert adatokat a kialakitott merorendszer szamitogepen rogziti es tarolja. lyen tipikus mert nyirofesziiltsegelmozdulas diagramokat mutat be a 3. abra. Az abran bemutatott diagramok j6l szemleltetik az aszfaltkeverekek - aszfaltbetonok - reol6giai tulajdonsagainak bonyolultsagat. Ugyanis a T nyirofesziiltseg, valamint az 1. abran bemutatott kesziilek nyirolapja (6) es ftitheto mintatart6ja (9) als6 pereme kozotti H magassag es a v nyirosebesseg ismereteben az aszfaltkeverek effektiv az Tie = 'l'(h/v); [MPas] (5) osszefugges alapjan hatarozhato meg; melyet a rendszerhez csatlakoztatott szamitogep (17) egy egyszerii program segitsegevel szinten elvegez helyettiink es tarol, 3. Aszfaltkeverekek reol6giai vizsgalata Az aszfaltkeverekek, aszfaltbetonok reol6giai vizsgalataihoz a Gomze altai az azbesztcement masszakra mar korabban kidolgozott [8, 17, 18] m6dszert alkalmaztuk. Ehhez az 1. abran bemutatott kombinalt reotribometert a koteldob (4) es a kotelpalya (5) kozotti kapcsolat oldasaval (4. abra) alkalrnassa tettiik kuszasi (reologiai) vizsgalatok elvegzesere, A kesziileket atalakitva a 4. abran bemutatott e1vivazlat szerint, lehetove valt felvenni a kulonbozo osszetetelti aszfaltkeverekek es aszfaltbetonok -ido gorbeit (5. abrai valtozo F nyiroerok, F2 nyomoerok es T termosztat homersekletek mellett. lyen tipikus -ido gorbeket mutat be az abra. 35

3 F, = var - a nyirast gerjeszto era P Cc F/A ~ var - az F, altai OY gerjesztett nyomofesziiltseg A = const. - a Marshall-minta keresztmetszete; [mm'] Q ~ var - a Marshall-rninta anyagosszetetcle Az 5. abran bemutatott gorbek segitsegevel meghatarozhatova valtak a kiilonbozo asvanyi, kemiai osszetetelu es szerncseszerkezeni aszfaltkeverekek es aszfaltbetonok reo16giai parameterei; igy a pillanatnyi rugalmassagi modulus (E ), a kesleltetett rugalmassagi modulus (E ), 2 a "roncsolt" anyagszerkezet (n 1) es a "roncsolasmentes" anyagszerkezet (1l2)' valamint statikus folyashatara (T) az alabbi tenyezok ftiggvenyeben: 4. abra. A::..atalakitou., keszuleken vegzett kuszasi (reologiai) vizsgalatok elvi vazlata ;:: F, E, = f(t, p, Q, T); [MPa] E = f(1, p, Q, T); [MPa] z llj = f(1, p, Q, T); [MPas] (6) (7) (8) ;::k ;:: r a -----~-:-=~ // // ;:: r ;::0 :\ f- r- "'-., ---- t1 tz.1 t C Folyasi hatarnal kisebb feszultseqek mellett 't=o ' ~ r 0 t1 r -, f 0 k pl tz t.. 112= f(1, p, Q, T); [MPas] 1 0 = f(1, p, Q, T); [MPa] E, 1: 0 11, E, 11, l', l'p' l'k (9) (10) - a Hooke-test rugalmassagi modulusa - a kcplekeny-viszkozus test statikus folyashatara - a keplekeny-viszkozus test - a Voigt-Kelvin test - a Voigt-Kelvin test - pillanatnyi rugalmas - keplekeny-viszkozus - kesleltetett rugal mas Folyasi hatart meghalad6 feszultseqek eseten 5. abra. Aszfaltkeverek tipikus -ido fiiggvenye 6. abra. Bitumen kotoanyaggal kesziteu aszfaltkeverekek es aszfaltbetonok reologiai modellje Kiiliinbiizii aszfalrkeverekeken kiiliinbiizii terheliieriik mellett mert reolegial parameterek szamszeru ertekei!. tablazat N 150N 200N 250N 300N 350N 400N 1: [MPa] 0, , , , , , , E [MPa] 6,3636 3,818 3,182 4,545 4,773 5,568 5,415 E, [MPa] 4,2425 3,818 8,483 5,303 4,772 4,949 2,828 11, [MPa s] 6,874 28,128 48,3 81,91 139,58 114, ,54 i',i [1/s]-O" 2,671 2,829 2,914 2,465 1,885 2, [MPa s] 0,572 2,4818 0, ,6 5,473 6,745 11,6 r, [/s] 0, , , , , , , tjs] 0,135 0,649 0,0139 2, ,362 4,101 Us] 1,0802 7,367 15,17, 18,022 29, ,88 11, [MPa s] 0, , , , , , ,076223

4 A vizsgalatok eredmenyekent az aszfaltkeverekekre kiilonbozc hornersekleteknel es terheloeroknel sikeriilt meghataroznunk a fentebb reszletezett legfontosabb reol6giai parametereket. Egy ilyen 100 C-os aszfaltkeverek Marshall-rnintan mert reol6giai parameterertekeket ismertet az 1. tablazat valtozo mechanikai terheloerok mellett. A kornbinalt reotriborneteren elvegzett vizsgalati eredmenyek felhasznalasaval sikeriilt eloallitani az aszfaltbetonokra a 6. abran bemutatott reol6giai modelit is. Ennek a bonyolult - roncsolt es roncsolasmentes anyagszerkezetet egyarant tartalmaz6 szerkezeti anyagnak - a reol6giai egyenlete az alabbiak szerint irhat6 e: r(/) = r o [/r - r[t fi - -rtf/t; [MPa] { ~~ J] () ahol: - az anyagrendszer fajlagos janak id6.. szerinti els6 derivaltja; E - az anyagrendszer fajlagos janak id6 szerinti masodik derivaltja; To _ az anyagrendszer statikus folyashatara; [MPa],. - az anyagrendszer rugalmas janak "kesesi" ideje; [s] ii - az anyagrendszer fesziiltseg-relaxaciojanak ideje; [s]. Az (5) kifejezesben megadott "effektiv-viszkozitas" a () osszefiiggesbol az alabbiak szerint hatarozhato meg: 4. Eredmenyek osszegzese ; [MPas] ( 12) A Miskoci Egyetem Keramia- es Sz.ilikatmernoki Tanszeken vegzett kutat6munka eredrnenyekent a 6. abran megadott uj reologiai modellel a szerz6knek elsokent sikeriilt valaszt adniuk arra a kerdesre, hogy normal klimatikus viszonyok kozott miert csak relative nagy tengelynyomasok mellett alakul ki a nyornvalyu az aszfalt-, illetve aszfaltbeton burkolatu utakon. A vizsgalatok eredmenykent kapott () osszefiiggessel elsokent sikeriilt olyan mechanikai anyagegyenletet felallitani, amely adekvat valaszt ad az aszfalt- es aszfaltbeton utak es utburkolatok mechanikai terheles alatti viselkedesere. Az aszfaltkeverekbol es aszfaltbetonb61 keszitett utak es utburkolatok mechanikai, reol6giai tulajdonsagai, valamint terhelhetosege az asvanyi es kemiai osszetetel mellettjelent6s mertekben fiigg az igenybeveteljellegetol es a kornyezeti hornerseklettol is. rodalom [] Gomze A. L. - Turenko A. V. - Nazarov V.: A keplekeny agyag apritasanak 9. szarn (1974). matematikai elemzese. Epitoanyag, XXV. evf [2] Gomze A. L. - Csirszkoj A. Sz. - Szilenok Sz. G. - Turenko A. V.: Agyagok reologiaja es ararnlasi viszonyai sima hengerekkel vegzett apritaskor. Epitoanyag, XXX. evf. 12. szam (1981). [3] Gomze A. L. - Eller E. A.: Extrudalhato azbesztcement masszak reologiai vizsgalata, Epitoanyag, XXXV. evf. 1. szam (1983). [4] Gom:e A. L. - Eller E. A.: Univerzalis rotoviszko szilikatipari anyagok reologiai vizsgalatahoz. SZUKATTECHN1KA (1983). [5] Gomze A. Laszlo: Az ilveghengerlesnek nehany elmeleti kerdese a feldolgozando uvegolvadek fiziko-mechanikai tulajdonsagainak figyelembevetelevei. Kezirat. Miskolc, NME (1980). [6] Gomze A. Laszlo: Az apritando agyagasvanyok fiziko-mechanikai tulajdonsagai mint a sirnahengermuvek dinamikus igenybevetelet dontoen befolyasolo tenyezok. BME-kiadvany, Budapest (1980). [7] GomzeA. Laszlo: Agyagasvanyok apritasara hasznalt sima hengerek meretezesenek nehany specifikus problernaja, Epitoanyag, XXXll. evf. szam (1980). [8] Gomze A. Laszlo: Csigasajt6val eloallitott azbesztcement termekek preseles utani feszultsegallapotanak matematikai elernzese. Epitoanyag, XXXV. evf 5. szam (1983). [9] Nagy Aniko: Rheologisches Verhalten von Microsilica. Diplomaterv, tervezesvezeto: Dr. Gornze A. Laszlo, Miskolc (2000). [10] 1. Papp - A. L. Gomze - K. Olasz Kovacs - A. Nagy: Anderung der Rheologischen Eigenschaften des Kaolins A. Keramische Zeitschrift, v, 52. NO.9. (2000). [] Kocserha stvan - Gomze A. Laszlo: Keplekeny finomkerarnia-ipari masszak surlodasi vizsgalata. SZTE XX. Finornkerarniai Nap; kiadvany (2002). [12] Kocserha stvan: Teglaagyagok osszehasonlito vizsgalata - kiils6 surlodasi tenyezd rneghatarozasa, MicroCAD, [13] Gomze A. Laszlo: Az apritasi elmelet nehany aktualis kerdese - keplekeny viszkoelasztikus anyagok apritasa gorgojaraton. Epitoanyag, LV. evf 3. szarn (2003). [14] Gomze A. L. - Kocserha 1. - Czel Gy.: U szamu mintaoltalrnu talalmany, Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest (2002). [15] Skovranko Erno: Aszfalttcchnologiai alapismeretek. Kezirat. Bau Teszt Kft., Miskolc ( ) [16] Gezencvej L. B.: Aszfaltbeton utburkolatok. Kl'Mvkiadvany, Budapest (1964). [17] Eller E. A. - Gomze A. Laszlo: Patent No CCCP, Ustrojstvo dlya otsenki formovochnih svojstv plastichnih materialov. Moscow (1983). [18] GomzeAntal Laszlo: Vibor osnovnih parametrov shnekovih pressov dlya formovaniya slroitel'nih izdelij iz asbestocemenlnih mass; Avtoreferat; Moscow; UDK (1985). 37 fl _

5 Gomze. A. L. - Kovacs,.4.: nvestigation of Rheological Properties of Asphalt Mixtures University of Miskolc, Department of Ceramics and Silicates Engineering,femgomze@ul1i-miskolc.hu Key words: rheology, viscosity, asphalt mixtures Asphaltmixturesarethe onet of the most popular building materials in Hungary, because ofthe highway programme ofthe government. n spite of this large popularity, some of the mechanical properties of asphalts are not disclosed enough till today. Particularly there is no mechanical model usable to understand and explain the rheological behaviours ofasphalt mixtures with different composition of bitumen and mineral raw materials. The present used in industry rheological model of Burgers is not reliable enough to understand mechanical properties of asphalt mixtures, because ofthe included Maxwell element. This means, under any kind of mechanical forces the asphalt surfaces ofroads must be continuously deformed, is spite of these forces are as small as possible. The rheological model of Burgers suggests, the lifetime cycle of asphalt roads and highway must be very-very short, which is inconsistent with the real lifetime cycle of asphalt roads. Onthe basis of Rheo-tribometre instrumentdevelopedand patentedby Gomze A. L. and others, the authors have investigated and tested standard Marshall specimens of asphalt mixtures with different composition of bitumens and mineral raw materials. n their experimentsthe authors used different temperatures, loading pressures, shear ratios and speeds. As a result of these laboratory tests the authors could fmd out a new rheological model and mathematical terms to describethe realrheological properties of asphalt mixtures. The new rheological model developed by authors and its mathematical equation for asphalt mixtures are shown in the article below. E, - Hookean dinamic modulus To - statikus liquid limit of the plastic-viscous body 11, - viscosity of the plastic-viscous body E, - elasticity modulus of - the Voigt-Kelvin body 11, - vicosity of the a Voigt-Kelvin's body E, - actual elastic 1" - plasticy-viscous, - delayed elastic Rheological model! of/he graded mix with bitumen and asphalt concrete Finally the authors could give not only the rheo-mechanical model, but the mathematical equation ofeffective viscosity of so difficult material structures as asphalt mixtures and asphalt concretes as follow: ; [MPas] Magneses szeparatorok, vastartalmu anyagok levalasztasa Femdetektorok, femhulladekok kiszurese, levalasztasa Vlbraclos adagol6k, femtartalmu szennyezok levalasztasa Szurok es femkivalaszt6 berendezesek BMS - KEMA GmbH. KEMA aprit6, arlo es nyersanyag elokeszito gepek BMS adagol6k, keverok, szallit6berendezesek es epitoanyagipari gepek DRAYTON-Beaumont Kilns Ltd. Eur6pa egyik piacvezeto kemencegyart6ja a rnuszakl keramla, a szaniter es a porcelanlparban - Alagut, karnras, atmeno es haranqkernencek 1800 C_ig. DECOPRNT S.A. Miz a1atti, mazba slillyedo is maz feletti matrlcek szeles valaszteka az Liveg-, keramla-, porcellin- es zomancipari vallalatok, vallalkozasok szamara, Tel: (06) es (06) ; gomze@chello.hu ~gomze.hu 38