Effect of reclaimed asphalt shingles addition on asphalt concrete dynamic modulus master curves

The paper presents the comparison of dynamic modulus and phase lag in different loading conditions for asphalt concrete mixture with or without reclaimed asphalt shingles (RAS) addition. For each mixture, 6 samples were tested using the four point bending beam method, at four temperatures and at six frequencies. The results of the study were subjected to the analysis of the statistical significance of differences between mixtures. The graphic form of results presentation includes Black curves and Cole-Cole plots. Then, matching the sigmoidal functions enabled the creation of master curves of the complex stiffness module and the phase shift angle, being a function of the load frequency. It has been observed that the mixture with the addition of RAS has higher stiffness and elasticity in the range of higher temperatures (20°C and 30°C) and lower load frequencies, which results in higher values of the complex stiffness module and lower values of the phase lag. At 0°C, the behavior of both mixtures is very similar, while at 10°C significant differences between the tested mixtures were found only for low frequency loads (up to 5 Hz). Test results have shown that mixtures with the addition of RAS have a lower thermal sensitivity in terms of the complex stiffness modulus and phase lag than the reference mixture. The above results confirmed an improvement in rutting resistance for RAS mixes observed in previous work.

W dobie potrzeby zrównoważonego rozwoju coraz częściej, także w mieszankach mineralno-asfaltowych, wykorzystuje się materiały z recyklingu. Oprócz granulatu asfaltowego pochodzącego z frezowania przebudowywanych nawierzchni innym materiałem zawierających cenne lepiszcze asfaltowe jest odzyskana papa (RAS). Zastosowanie RAS pozwala zmniejszyć zużycie nowego asfaltu a także kruszywa drobnego, przy równoczesnym spełnieniu przez mieszankę wymagań technicznych. Jak wynika z przeglądu literatury podstawowym problemem mieszanek mineralno-asfaltowych z dodatkiem RAS jest ich zachowanie w niskich temperaturach eksploatacyjnych, prowadzących do powstawania spękań nawierzchni. Równocześnie badania pokazują, że dodatek odpadowej papy asfaltowej pozwala poprawić odporność mieszanki na deformacje trwałe, powstające w podwyższonych temperaturach eksploatacyjnych. Jedną z najbardziej efektywnych metod oceny właściwości MMA w szerokim zakresie obciążeń (temperatura i czas obciążenia) jest przedstawienie w formie krzywej wiodącej modułu sztywności, co zostało wykonane w przedmiotowej pracy. Do badań wykorzystano mieszankę betonu asfaltowego AC 16 W 50/70 z dodatkiem 4% RAS i porównawczo bez tego dodatku. Krzywa uziarnienia i całkowita zawartość lepiszcza w obu mieszankach została zaprojektowana na tym samym poziomie, aby wyeliminować ewentualny wpływ składu mieszanki na jej właściwości. Do badania z każdej mieszanki przygotowano metodą wałowania po 2 płyty o wymiarach 405×305×90 mm, z których wycięto belki o wymiarach 63,5×50×405 mm. Następnie po wysezonowaniu próbek zgodnie z PN-EN 12697-26 wykonano badania dynamicznego modułu sztywności metodą belki czteropunktowo zginanej, przy poziomie odkształceń 50×10-6. Badania przeprowadzono na 6 próbkach dla każdej MMA, w 4 temperaturach: 0°C, 10°C, 20°C i 30°C oraz przy 6 częstotliwościach: 0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz i 30 Hz. Następnie dla 100-go cyklu obciążenia odczytywano wartości zespolonego modułu sprężystości i kąta przesunięcia fazowego. Do oceny istotności różnic wyników pomiędzy badanymi mieszankami wykorzystano testy wielokrotnych porównań z wykorzystaniem kwadratów najmniejszych różnic w programie Statgraphics. Wyniki badań przedstawione w formie krzywych Blacka pokazały, że mieszanki z dodatkiem RAS charakteryzują się mniejszą wrażliwością termiczną w zakresie zespolonego modułu sztywności i kąta przesunięcia fazowego od mieszanki referencyjnej. Badania pokazały, że mieszanka z dodatkiem RAS jest bardziej sztywna i sprężysta w zakresie wyższych temperatur (20°C i 30°C) i niższych częstotliwości obciążeń, co objawia się wyższymi wartościami zespolonego modułu sztywności oraz części rzeczywistej modułu sztywności i niższymi wartościami kąta przesunięcia fazowego oraz części urojonej modułu sztywności. W temperaturze 0°C zachowanie obu mieszanek jest bardzo zbliżone, natomiast w temperaturze 10°C stwierdzono istotne różnice pomiędzy badanymi mieszankami jedynie dla niskich częstotliwości obciążenia (do 5 Hz). Ponadto wyniki przedstawiono w formie sigmoidalnych krzywych wiodących modułu sztywności i kąta przesunięcia fazowego, wykorzystując procedurę podaną w raporcie NCHRP. Zastosowano zasadę superpozycji czasowo-temperaturowej, częstotliwość zredukowaną jak również współczynniki przesunięcia temperaturowego obliczono z wykorzystaniem równania Arrheniusa. Wartość maksymalnego modułu sztywności MMA wyznaczono z wykorzystaniem modelu Hirscha, gdzie maksymalna sztywność lepiszcza asfaltowego to 1 GPa. Uzyskane wg badań i modelu maksymalne wartości zespolonego modułu sztywności obu mieszanek są bardzo podobne, podczas gdy wartości minimalne różnią się dość istotnie, tj. minimalna sztywność mieszanki z dodatkiem RAS jest około dwukrotnie wyższa w porównaniu do mieszanki referencyjnej. Uzyskane współczynniki determinacji (R2) dla modeli krzywych wiodących są satysfakcjonujące i wynoszą: 94% dla mieszanki referencyjnej oraz 93% dla mieszanki z dodatkiem RAS. Dla obu mieszanek zbadane wyniki zespolonego modułu sztywności dla temperatury 0°C są niższe od wyznaczonych z modelu, co można wytłumaczyć niedoszacowaniem maksymalnych wartości przez model Hirscha. W zakresie wysokich częstotliwości obciążeń dla obu mieszanek stwierdzono zbliżone wartości kąta przesunięcia fazowego, natomiast wraz ze spadkiem częstotliwości obciążeń kąt ten w przypadku mieszanki z dodatkiem RAS zaczyna być istotnie niższy w stosunku do mieszanki referencyjnej. Generalnie mieszanki z dodatkiem RAS wykazują większą sztywność i sprężystość przy niższej prędkości obciążeń i w wyższych temperaturach, co jest pozytywnym efektem w aspekcie redukcji deformacji trwałych. Powyższe wyniki potwierdziły poprawę odporności na koleinowanie dla mieszanek z RAS, zaobserwowaną we wcześniejszych testach. W przyszłości należy rozszerzyć badania mieszanek z dodatkiem RAS także w aspekcie zmęczenia, zwłaszcza w zakresie stałego poziomu odkształcenia.