Λέξεις κλειδιά: ανακύκλωση µε τσιµέντο, φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα, παιπάλη, αντοχή σε εφελκυσµό, µέτρο ελαστικότητας

Transcript

1 Επίδραση του είδους των αδρανών και της παιπάλης στα µηχανικά χαρακτηριστικά των ανακυκλωµένων µε τσιµέντο µιγµάτων φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος και θραυστών αµµοχαλίκων Σ. Κόλιας Αν. Καθηγητής ΕΜΠ Μ. Κατσάκου Πολ. Μηχανικός Β. Αναγνωστόπουλος Φοιτητής Πολ. Μηχανικός ΕΜΠ Λέξεις κλειδιά: ανακύκλωση µε τσιµέντο, φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα, παιπάλη, αντοχή σε εφελκυσµό, µέτρο ελαστικότητας ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε κατεργασµένα µε τσιµέντο µίγµατα θραυστών αδρανών υλικών και φρεζαρισµένων ασφαλτοµιγµάτων εξετάζεται η επίδραση α) της προέλευσης του ασφαλτοµίγµατος β) της προέλευσης και του ποσοστού του λεπτόκκοκου υλικού - παιπάλης - των θραυστών αδρανών υλικών, στη αντοχή σε θλίψη και εφελκυσµό και στο µέτρο ελαστικότητας σε θλίψη και εφελκυσµό. Αποδεικνύεται ότι το λεπτόκοκκο κλάσµα - παιπάλη - των θραυστών αδρανών επηρεάζει τα µηχανικά χαρακτηριστικά και ιδιαίτερα αν η παιπάλη είναι επικολληµένη στην επιφάνεια των χονδρόκοκκων αδρανών. 1.ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να διερευνηθεί η µεταβολή των µηχανικών χαρακτηριστικών των ανακυκλωµένων µε τσιµέντο µιγµάτων θραυστών αδρανών υλικών και φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στις περιπτώσεις κατά τις οποίες µεταβάλλεται ένα από τα υλικά του µίγµατος (το φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα ή/και το θραυστό αµµοχάλικο). Η µεταβολή των υλικών του προς ανακύκλωση οδοστρώµατος θεωρείται συνήθης, διότι στην πράξη στα υπάρχοντα οδοστρώµατα, τόσο το ασφαλτόµιγµα των ασφαλτικών στρώσεων, όσο και το υποκείµενο ασύνδετο υλικό βάσεως ή και υποβάσεως είναι πολύ πιθανόν να µην παρουσιάζουν τα ίδια χαρακτηριστικά σε όλο το µήκος του οδοστρώµατος. Επίσης, µπορεί να παρουσιάζονται 1

2 σηµαντικές διακυµάνσεις στα πάχη των επιµέρους στρώσεων και εποµένως διακυµάνσεις στις αναλογίες των υλικών της ανακυκλούµενης στρώσης. Εποµένως στις εργασίες ψυχρής ανακύκλωσης παρουσιάζονται γενικά οι ακόλουθες πηγές ανοµοιοµορφίας στα προς ανακύκλωση υλικά : Ασφαλτοµίγµατα : ιαφορές στο είδος και στο πάχος Ασύνδετα αδρανή: ιαφορές στο είδος, στο πάχος και το βαθµό µόλυνσης από αργιλικά υποστρώµατα Η εργασία αυτή είναι µία πρώτη προσπάθεια διερεύνησης του παραπάνω πολυπαραγοντικού θέµατος. Για τον σκοπό αυτό αποφασίστηκε να εξετασθούν δύο φρεζαρισµένα ασφαλτοµίγµατα (ΦΑ1,ΦΑ2) που προήρχοντο από διαφορετικές εργασίες ανακύκλωσης στην Αττική (και στις δύο περιπτώσεις ασφαλτόµιγµα κλειστού τύπου Α265) και δύο θραυστά αµµοχάλικα από διαφορετικά λατοµεία (ΘΑ1, ΘΑ2). Η διαβάθµιση των θραυστών αδρανών υλικών και των φρεζαρισµένων ασφαλτοµιγµάτων παρουσιάζεται στους Πίνακες 1 και 2. Σηµειώνεται ότι τα θραυστά αδρανή συντέθηκαν από τρία κλάσµατα : άµµος, γαρµπίλι και χαλίκια. Η άµµος του θραυστού υλικού ΘΑ1 είχε περιεκτικότητα σε παιπάλη (<0.075mm) 23% ενώ του υλικού ΘΑ2 16%. Επιπλέον τα κλάσµατα γαρµπίλι και χαλίκι του υλικού ΘΑ1 είχαν εµφανώς προσκολληµένη στην επιφάνειά τους παιπάλη, ενώ τα αντίστοιχα κλάσµατα του υλικού ΘΑ2 δεν παρουσίαζαν µακροσκοπικά τέτοια εικόνα. Το υλικό ΘΑ1 εκτιµάται ότι προσεγγίζει την ποιότητα των αδρανών σε oρισµένα παλαιά οδοστρώµατα, στα οποία αργιλικό υλικό από το υπέδαφος έχει µολύνει τη βάση και την υπόβαση, ενώ το υλικό ΘΑ2 εκτιµάται ότι αντιπροσωπεύει την ποιότητα ενός συµµορφούµενου µε τις απαιτήσεις των προδιαγραφών ΠΤΠ Ο155 υλικού βάσεως. Για να γίνει πληρέστερη διερεύνηση της επίδρασης της παιπάλης στην επιφάνεια των κόκκων των αδρανών του υλικού ΘΑ1δηµιουργήθηκε και ένα τρίτο είδος αδρανών το ΘΑ1* στο οποίο είχε αποµακρυνθεί η παιπάλη από την επιφάνεια των αδρανών µε πλύσιµο του χονδρόκοκκου κλάσµατος (γαρµπίλι, χαλίκι). Σηµειώνεται ότι οι διαφορές στη διαβάθµιση των υλικών ΘΑ1 και ΘΑ2 είναι πολύ µικρές (έως µία εκατοστιαία µονάδα) στο χονδρόκοκκο κλάσµα (>2.38 mm) ενώ είναι µεγαλύτερες στο λεπτότερο κλάσµα (< 2.38mm ) (4 εκατοστιαίες µονάδες στα κόσκινα µε άνοιγµα οπής 0.074mm και 1.19mm). Η µεταβολή των υλικών του προς ανακύκλωση οδοστρώµατος θεωρείται συνήθης, διότι στην πράξη στα υπάρχοντα οδοστρώµατα τόσο το ασφαλτόµιγµα των ασφαλτικών στρώσεων όσο και το υποκείµενο ασύνδετο υλικό βάσεως ή και υποβάσεως είναι πιθανόν να µην παρουσιάζει τα ίδια χαρακτηριστικά σε όλο το µήκος του οδοστρώµατος. 2

3 Πίνακας 1 : Κοκκοµετρική διαβάθµιση θραυστών αδρανών υλικών Πίνακας 2 : Κοκκοµερική διαβάθµιση φρεζαρισµένων ασφαλτοµιγµάτων Κόσκινο Άνοιγµα κόσκινου (mm) ιερχόµενο ποσοστό (%) ΘΑ1 ΘΑ2 3/4'' /8'' /2'' /8'' /4'' Νο Νο Νο Νο Νο Νο Νο Κόσκινο Άνοιγµα κόσκινου (mm) ιερχόµενο ποσοστό (%) ΦΑ1 ΦΑ2 3/4'' /8'' /2'' /8'' /4'' Νο Νο Νο Νο Νο Νο Νο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1 Μίγµατα που εξετάστηκαν Με τα παραπάνω υλικά παρασκευάστηκαν διάφορα µίγµατα όπου η συµµετοχή στο µίγµα του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος µεταβάλλονταν από 0% (αµιγές θραυστό υλικό) σε 25% και 50% όπως αναλυτικά παρουσιάζεται στον Πίνακα 3. Έτσι πχ µίγµα Γ25 είναι µίγµα υλικών ΘΑ2 και ΦΑ1 σε αναλογίες 75% (ΘΑ2) και 25% (ΦΑ1). Τα µίγµατα αυτά αναµίχθηκαν µε 5% κβ (αδρανών υλικών) τσιµέντο τύπου ΙΙ 35 και 5.2% (κβ ξηρών υλικών) νερό και παρασκευάστηκαν δοκίµια µε δονητική συµπύκνωση µε ηλεκτρόσφυρα υπό πίεση ( pren ). Τα δοκίµια συντηρήθηκαν σε θάλαµο µε θερµοκρασία 20±2 ο C και υγρασία >98% µέχρι την ηµέρα της δοκιµής. Τα µίγµατα που εξετάστηκαν δίνονται στον Πίνακα 3. 3

4 Πίνακας 3 : Μίγµατα που εξετάστηκαν Ποσοστό κατά µάζα (%) θραυστού Συµβολισµός υλικού Θραυστό αµµοχάλικο Φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα Α Α Α Α Β Β Β Γ Γ Γ Γ Ε Ε Ε Ε ΣΤ ΣΤ ΣΤ Χαρακτηριστικά µίγµατος Θραυστό Φρεζαρισµένο αµµοχάλικο ασφαλτόµιγµα ΘΑ1 ΘΑ1 ΘΑ2 ΘΑ2 ΘΑ1* ΘΑ1* ΦΑ1 ΦΑ2 ΦΑ1 ΦΑ2 ΦΑ1 ΦΑ2 Συγκρίνοντας τα αποτελέσµατα των δοκιµών των διαφόρων µιγµάτων είναι δυνατόν να εξαχθούν συµπεράσµατα ως προς την επίδραση των υπό εξέταση παραγόντων όπως παρουσιάζεται αναλυτικότερα στον Πίνακα 4 : Πίνακας 4 : Σύγκριση µιγµάτων και εξαγόµενα συµπεράσµατα Σύγκριση µιγµάτων Συµπεράσµατα ως προς την επίδραση Α-Β, Γ-, Ε-ΣΤ της προέλευσης του φρεζαρισµένου υλικού για ποσοστά στο µίγµα 25% και 50% (Σύγκριση των µιγµάτων Α25-Β25, Α50-Β50, Γ25-25, Γ50-50, Ε25-ΣΤ25, Ε50-ΣΤ50) Α-Γ, Β- Α-Ε, Β-ΣΤ της προέλευσης των ασύνδετων αδρανών υλικών σε µίγµατα µε ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στο µιγµα 0%, 25% και 50% (Σύγκριση των µιγµάτων Α0-Γ0, Α25-Γ25, Α50-Γ50, Β25-25,Β50-50) της παιπάλης, η οποία είναι προσκολληµένη στην επιφάνεια των κόκκων στο γαρµπίλι και το χαλίκι σε µίγµατα µε ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 0%, 25% και 50%. (Σύγκριση των µιγµάτων Α0-Ε0, Α25-Ε25, Α50-Ε50, Β25_ΣΤ25, Β50-ΣΤ50) 4

5 Στα µίγµατα εξετάστηκε η αντοχή σε καθαρό εφελκυσµό σε δοκίµια 100*100*500 mm, η αντοχή σε θλίψη ισοδύναµου κύβου (µετά τη δοκιµή σε εφελκυσµό) καθώς και το µέτρο ελαστικότητας τόσο σε εφελκυσµό, όσο και σε θλίψη. Οι δοκιµές για το µέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσµό και σε θλίψη καθώς και οι δοκιµές σε καθαρό εφελκυσµό πραγµατοποιήθηκαν µε µηχανή δοκιµής MTS µέγιστου φορτίου 100 kn. Οι δοκιµές σε εφελκυσµό πραγµατοποιήθηκαν µε ειδικά κατασκευασµένες αρπάγες, Σχήµα 1. H επιβολή του φορτίου γίνεται µε σταθερή ταχύτητα, 0.2 kn/sec. Το φορτίο καταγράφεται µε τη βοήθεια ηλεκροδυναµόµετρου µέγιστου φορτίου 10 kn. Ταυτόχρονα µε την καταγραφή του φορτίου µετρώνται και οι παραµορφώσεις για τον υπολογισµό του µέτρου ελαστικότητας σε καθαρό εφελκυσµό. Στο µέσον του ύψους του δοκιµίου και σε µήκος 100 mm προσαρµόζονται κατακόρυφα επαγωγικά µηκυνσιόµετρα (LVDT s). Πριν από τη δοκιµή σε εφελκυσµό, στο δοκίµιο επιβάλλεται θλιπτικό φορτίο και µετρούνται οι παραµορφώσεις για τον υπολογισµό του µέτρου ελαστικότητας του δοκιµίου σε θλίψη. Στο δοκίµιο ασκείται θλίψη µέσω ειδικά κατασκευασµένων µεταλλικών πλακών που προσαρµόζονται στις αρπάγες. Για τη µέτρηση του µέτρου ελαστικότητας σε θλίψη η επιβολή του φορτίου γίνεται µε σταθερή ταχύτητα, µέχρι το τρίτον του φορτίου θραύσης (το οποίο είναι γνωστό από δοκιµές σε θλίψη κύβου από προγενέστερη έρευνας που πραγµατοποιήθηκε στο ΕΜΠ). Σχήµα 1 : ιάταξη δοκιµής σε εφελκυσµό 5

6 2.2 Παρουσίαση αποτελεσµάτων Στα Σχήµατα 2 και 3 δίνεται η µεταβολή της αντοχής σε θλίψη και εφελκυσµό αντίστοιχα σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος για όλα τα µίγµατα που εξετάστηκαν. Στα Σχήµατα 4 και 5 δίνεται η µεταβολή του µέτρου ελαστικότητας σε θλίψη και εφελκυσµό αντίστοιχα A B Γ Ε ΣΤ Αντοχή σε θλίψη [MPa] Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος (%) 50 Σχήµα 2 : Αντοχή σε θλίψη σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 6

7 Αντοχή σε εφελκυσµό [MPa] Α Β Γ Ε ΣΤ Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος (%) 50 Σχήµα 3 : Αντοχή σε εφελκυσµό σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη [MPa] Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος (%) A B Γ Ε ΣΤ 50 Σχήµα 4 : Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη σε σχέση µε το ποσοστό του ΦΑ 7

8 Μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσµό [MPa] Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος (%) A B Γ Ε ΣΤ 50 Σχήµα 5 : Μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσµό σε σχέση µε το ποσοστό του ΦΑ 2.3 Σχολιασµός αποτελεσµάτων Η βαθµιαία πτώση της αντοχής και του µέτρου ελαστικότητας που παρατηρείται γενικά µε την αύξηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου υλικού στο µίγµα έχει σχολιαστεί ήδη σε άλλες δηµοσιεύσεις σε σχέση µε την εκτιµούµενη συµπεριφορά των ανακυκλωµένων µε τσιµέντο οδοστρωµάτων [Kolias et al, 2001, Kolias & Katsakou, 2004] και δεν θα σχολιαστεί περαιτέρω στην εργασία αυτή. Στην εργασία αυτή θα γίνουν µόνο σχόλια για την επίδραση των χαρακτηριστικών των υλικών στις µηχανικές ιδιότητες των ανακυκλωµένων µε τσιµέντο υλικών. Η επίδραση της προέλευσης του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος εκτιµάται µε σύγκριση των αποτελεσµάτων των µιγµάτων Α-Β, Γ- και Ε-ΣΤ. Από τα Σχήµατα 1, 2, 3 και 4 προκύπτει ότι τόσο η αντοχή (σε θλίψη και εφελκυσµό) όσο και το µέτρο ελαστικότητας δεν επηρεάζονται σηµαντικά από την προέλευση το φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος. Εξαίρεση αποτελεί το µέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσµό των µιγµάτων Α25 και Β25 όπου υπάρχει βάσιµη επιφύλαξη για την µικρή σχετικά τιµή του µέτρου ελαστικότητας του µίγµατος Β25. Με τη σύγκριση των µιγµάτων Α-Γ και Β- εκτιµάται η επίδραση της αλλαγής του θραυστού υλικού από ΘΑ1 σε ΘΑ2. Παρατηρείται, Σχήµα 2, ότι δεν υπάρχει ουσιαστική διαφοροποίηση στην αντοχή σε θλίψη. Αντίθετα η αντοχή σε εφελκυσµό παρουσιάζει σηµαντική µείωση όταν το θραυστό υλικό αλλάξει από ΘΑ2 σε ΘΑ1 για τα αµιγή µίγµατα µε ποσοστό 0% σε φρεζαρισµένο υλικό. Οι ίδιες παρατηρήσεις µπορούν να γίνουν και για τα µέτρα ελαστικότητας.. Και τα δύο θραυστά αδρανή (ΘΑ1και ΘΑ2) είναι ασβεστολιθικά από διαφορετικό όµως λατοµείο και διαφέρουν στη κοκκοµετρική διαβάθµιση ως προς τα ποσοστά των κόκκων που είναι µικρότεροι από 2.38mm. Η παιπάλη ως το υλικό µε τη µεγαλύτερη ειδική επιφάνεια θα πρέπει να έχει ιδιαίτερο ρόλο στην µεταβολή των αντοχών και του µέτρου ελαστικότητας. 8

9 Ο µηχανισµός µείωσης των αντοχών και του µέτρου ελαστικότητας δεν είναι γνωστός µε ακρίβεια, αλλά πιστεύεται ότι το λεπτόκοκκο κλάσµα επιδρά αρνητικά στην ανάπτυξη συνάφειας µεταξύ αδρανών και τσιµέντου. Ως εκ τούτου αν η παιπάλη είναι εκ των προτέρων επικολληµένη στις επιφάνειες των αδρανών θα έχει προφανώς άµεση επίδραση στη συνάφεια γεγονός που είναι φανερό στις δοκιµές εφελκυσµού των υλικών Α και Γ, Σχήµα 3. Η δοκιµή σε θλίψη (αντοχή ή και µέτρο ελαστικότητας) είναι λιγότερη ευαίσθητη από τη δοκιµή σε εφελκυσµό σε θέµατα συνάφειας και γι' αυτό στην αντοχή σε θλίψη ενίοτε δεν παρατηρούνται διαφορές. Σηµειώνεται επίσης ότι η µείωση των διαφορών που παρατηρείται στις περιπτώσεις που το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος αυξάνει στο µίγµα µπορεί να αποδοθεί στους ακόλουθους λόγους : I. Με την αύξηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στο µίγµα, µειώνεται το ποσοστό των λεπτών υλικών (παιπάλης). II. Ένα ποσοστό του λεπτού υλικού δεσµεύεται στις ασφαλτικές επιφάνειες του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος και µε τον τρόπο αυτό εξουδετερώνεται η µείωση της συνάφειας τσιµέντου - αδρανών από τη βλαπτική δράση της παιπάλης. Η δέσµευση πραγµατοποιείται κατά την διάρκεια της ανάµιξης αλλά και κατά τη διάρκεια της συµπύκνωσης όπου οι ασφαλτικές επιφάνειες των κόκκων του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος έρχονται σε επαφή µε τους κόκκους των αδρανών που έχουν επικολληµένη παιπάλη στην επιφάνειά τους. Είναι αξιοσηµείωτο το γεγονός ότι η αντοχή σε εφελκυσµό του υλικού Α και του υλικού Β (για ποσοστό φρεζαρισµένου υλικού 25%) δε µειώνεται µε την αύξηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου υλικού, όπως παρουσιάζεται στα µίγµατα Γ,, Ε και ΣΤ αλλά και θα έπρεπε να αναµένεται για θεωρητικούς λόγους (αντοχή των φρεζαρισµένων ασφαλτοµιγµάτων έναντι θραυστών αδρανών). Σηµειώνεται ότι αυτή η ιδιαίτερη συµπεριφορά των υλικών Α και Β έχει επιβεβαιωθεί και από άλλες εργασίες [ Kolias et al, 2001] και δεν µπορεί να αποδοθεί σε τυχαίους λόγους οφειλόµενους στην αναπόφευκτη µεταβλητότητα των δοκιµών σε εφελκυσµό. Το γεγονός αυτό µπορεί να αποδοθεί στον λόγο ΙΙ που εκτέθηκε παραπάνω. Η επίδραση της παιπάλης που είναι προσκολληµένη στις επιφάνειες των αδρανών (σύγκριση των µιγµάτων Α-Ε και Β-ΣΤ) επιβεβαιώνει την παραπάνω ερµηνεία των αποτελεσµάτων. Τα υλικά Α και Β διαφέρουν από τα υλικά Ε και ΣΤ αντίστοιχα µόνο στο γεγονός ότι τα χονδρόκοκκα κλάσµατα των Ε και ΣΤ είναι απαλλαγµένα από επικολληµένη παιπάλη λόγω πλύσεως. Παρατηρείται, Σχήµα 2 - Σχήµα 5, ότι η αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας των πλυµένων µιγµάτων Ε και ΣΤ είναι µεγαλύτερη από εκείνη των µιγµάτων Α και Β και η διαφορά είναι µεγαλύτερη στα αµιγή µίγµατα χωρίς φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα. Οι διαφορές είναι µεγαλύτερες στις δοκιµές σε εφελκυσµό (αντοχή ή µέτρο ελαστικότητας) και µικρότερες στις δοκιµές σε θλίψη. 2.4 Συµπεράσµατα Η αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας των κατεργασµένων µε τσιµέντο µιγµάτων φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος και θραυστών αδρανών επηρεάζεται από την περιεκτικότητα των θραυστών αδρανών σε παιπάλη ή γενικά λεπτόκοκκο υλικό. Η επίδραση αυτή είναι σηµαντικότερη αν η παιπάλη είναι επικολλήµενη στην επιφάνεια των χονδρών αδρανών. Η αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσµό επηρεάζονται περισσότερο από ότι επηρεάζεται η αντοχή σε θλίψη. Η επιρροή ελαττώνεται όταν αυξάνει το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στο µίγµα.. Η προέλευση του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος κλειστού τύπου Α265 δεν φαίνεται να επηρεάζει τα µηχανικά χαρακτηριστικά των ανακυκλωµένων µε τσιµέντο µιγµάτων. 9

10 3. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Kolias, S. & Katsakou, M. & Kaloidas, V., 2001, Mechanical properties of flexible pavement materials recycled with cement, 1 st. Int. Symposium on Subgrade stabilization and in situ pavement recycling using cement, Spain, Salamanca. Kolias, S. & Katsakou, M., 2004, Mechanical properties of cement bound recycled materials, 9 th Int. Symposium on concrete roads, Workshop 2, In-situ recycling with cement. 10