Επίδραση της θερµοκρασίας του δοκιµίου στα µηχανικά χαρακτηριστικά ανακυκλωµένων µε τσιµέντο µιγµάτων θραυστού αµµοχάλικου και φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος Σ. Κόλιας Αν. Καθηγητής ΕΜΠ Ε. Μαχαίρας, Μ. Κατσάκου Πολ. Μηχανικός ΕΜΠ Λέξεις κλειδιά: ανακύκλωση µε τσιµέντο, φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα, θερµοκρασία, αντοχή σε κάµψη, µέτρο ελαστικότητας ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε κατεργασµένα µε τσιµέντο µίγµατα θραυστών αδρανών και φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος µε διαφορετικές αναλογίες, µετρήθηκε η αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας (σε θλίψη και κάµψη) σε 3 διαφορετικές θερµοκρασίες. ιερευνάται η επίδραση της θερµοκρασίας στην αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας στα διάφορα µίγµατα που προέκυψαν. Αποδεικνύεται ότι η αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας και µε την αύξηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου υλικού στο µίγµα. 1.ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να διερευνηθεί η επίδραση της θερµοκρασίας του δοκιµίου στα µηχανικά χαρακτηριστικά των ανακυκλωµένων µε τσιµέντο µιγµάτων θραυστών αδρανών υλικών και φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος. Οι θερµοκρασιακές µεταβολές, κυρίως τις πρώτες ηµέρες µετά τη συµπύκνωση, επηρεάζουν την µετέπειτα συµπεριφορά της στρώσης και κατ' επέκταση του οδοστρώµατος κατά τη φάση λειτουργίας του.. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ.1 Μίγµατα που εξετάστηκαν Στην πράξη, τόσο τα πάχη όσο και η ποιότητα των υλικών των παλαιών οδοστρωµάτων παρουσιάζουν συχνά σηµαντικές διακυµάνσεις από τµήµα σε τµήµα, γεγονός που εισάγει o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 1
αναπόφευκτα σηµαντική ανοµοιοµορφία στο ανακυκλωµένο µίγµα. Επειδή η µέθοδος της ψυχρής ανακύκλωσης παρέχει τη δυνατότητα κατασκευής ανακυκλωµένης στρώσης αρκετά µεγάλου πάχους (µέχρι 35-4 cm), η ανακυκλωµένη στρώση που προκύπτει σε κάθε οδόστρωµα θα περιέχει και διαφορετικά ποσοστά φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος και αµµοχάλικου, δεδοµένου ότι το πάχος της ασφαλτικής στρώσης διαφέρει από οδό σε οδό, καθώς και στο ίδιο το οδόστρωµα. Στην επιλογή των υλικών για την παρούσα έρευνα κρίθηκε σκόπιµο να προσδιοριστούν τα µηχανικά χαρακτηριστικά ενός ευρέως φάσµατος µιγµάτων που θα κάλυπτε το σύνηθες εύρος υλικών που απαντώνται στην πράξη και την παραπάνω ανοµοιοµορφία. Έτσι, παρασκευάστηκαν 5 µίγµατα µε διαφοροποιούµενα διαδοχικά ποσοστά θραυστού αµµοχάλικου και φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος, ξεκινώντας από µίγµα αποτελούµενο από αµιγές θραυστό αµµοχάλικο (µίγµα I) αντικαθιστώντας διαδοχικά µέρος αυτού µε φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα, έως ότου καταλήξει στο µίγµα V που αποτελείται από 1% φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα. Τα µίγµατα που εξετάστηκαν δίνονται στον Πίνακα 1. Ο πρώτος αριθµός δίπλα από την ονοµασία του µίγµατος (αποκαλούµενα υλικά Ι έως V) αναφέρεται στο % ποσοστό κ.µ. θραυστού αµµοχάλικου (ΘΑ) και ο δεύτερος στο % ποσοστό κ.µ. του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος. Πίνακας 1 : Μίγµατα που εξετάστηκαν Συµβολισµός Υλικού (µίγµατος) Ποσοστό (%) κατά µάζα θραυστού αµµοχάλικου και φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος Καθαρό αµµοχάλικο Φρεζαρισµένο ασφαλτόµιγµα I (1/) 1 II (75/5) 75 5 III (5/5) 5 5 IV (5/75) 5 75 V (/1) 1 Το τσιµέντο που χρησιµοποιήθηκε για την παρασκευή όλων των δοκιµίων ήταν ΙΙ 35 από την ίδια παρτίδα παραγωγής. Επιλέχθηκε ποσοστό τσιµέντου 5 % κ.β. ξηρού υλικού, ποσοστό µάλλον στην ανώτερη περιοχή των συνήθως χρησιµοποιούµενων ποσοστών. Το νερό αναµίξεως αναφέρεται ως ποσοστό κ.β. του µίγµατος ξηρού υλικού (ΘΑ + ΦΑ) + τσιµέντου. Το ποσοστό αυτό είναι 5. % και είναι κοινό για όλα τα µίγµατα που παρασκευάστηκαν. Όλα τα δοκίµια συµπυκνώθηκαν µε ηλεκτρόσφυρα [prεν 1386.51] και συντηρήθηκαν µέχρι τη δοκιµή τους σε θάλαµο συντήρησης σε θερµοκρασία ± ο C και υγρασία > 9%. Στην περίπτωση που η θερµοκρασία της δοκιµής είναι διαφορετική της θερµοκρασίας συντήρησης, τα δοκίµια συντηρήθηκαν για 6 ηµέρες στο θάλαµο και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν σε περιβάλλον θερµοκρασίας ίσης µε αυτήν της δοκιµής για 4 ώρες. Οι δοκιµές έγιναν σε ηλικία 7 ηµερών. o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5
Η επίδραση της θερµοκρασίας στα µηχανικά χαρακτηριστικά των υλικών Ι έως V πραγµατοποιήθηκε µε δοκιµές σε θερµοκρασία 3, και 4 ο C. Τα µηχανικά χαρακτηριστικά που εξετάστηκαν στην παρούσα έρευνα είναι : Αντοχή σε κάµψη, αντοχή σε µονοαξονική θλίψη πρίσµατος, αντοχή ισοδύναµου κύβου (µετά τη δοκιµή σε κάµψη) και µέτρο ελαστικότητας σε θλίψη και κάµψη. Οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν µε µηχανή δοκιµής MTS, µέγιστου φορτίου 1 kn. Για τη µέτρηση του µέτρου ελαστικότητας τόσο σε κάµψη όσο και σε θλίψη µετρώνται οι παραµορφώσεις µε την προσαρµογή δύο επαγωγικών ηλεκτροµηκυνσιόµετρων (LVDT s). Η διάταξη για τη δοκιµή σε κάµψη φαίνεται στο Σχήµα 1. Σχήµα 1 : ιάταξη δοκιµής σε κάµψη. Παρουσίαση αποτελεσµάτων Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται υπό µορφή µεταβολής της αντοχής ως συνάρτηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος (Σχήµα αντοχή σε θλίψη ισοδύναµου κύβου, Σχήµα 4 µονοαξονική αντοχή, Σχήµα 6 αντοχή σε κάµψη) ή υπό µορφή επίδρασης της θερµοκρασίας στις αντίστοιχες αντοχές (αντοχή ισοδύναµου κύβου Σχήµα 3, µονοαξονική θλίψη Σχήµα 5, αντοχή σε κάµψη Σχήµα 7) για τα διάφορα µίγµατα που εξετάστηκαν. Οµοίως οι τιµές του µέτρου ελαστικότητας παρουσιάζονται είτε ως µεταβολή αυτού σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος (Σχήµα 8 µέτρο ελαστικότητας σε θλίψη, Σχήµα 1 µέτρο ελαστικότητας σε κάµψη) είτε ως επίδραση της θερµοκρασίας στο µέτρο ελαστικότητας (σε θλίψη Σχήµα 9, σε κάµψη Σχήµα 11) για τα διάφορα µίγµατα που εξετάστηκαν. o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 3
Αντοχή σε θλίψη ισοδύναµου κύβου (MPa) 18 16 14 1 1 8 6 4 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 4.oC 4.5oC 1 Σχήµα : Αντοχή σε θλίψη ισοδύναµου κύβου σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 18 Αντοχή σε θλίψη ισοδύναµου κύβου (MPa) 16 14 1 1 8 6 4 I (1/) II (75/5) III (5/5) IV (5/75) V (/1) 5 1 15 5 3 35 4 45 Θερµοκρασία o C Σχήµα 3 : Αντοχή σε θλίψη ισοδύναµου κύβου σε σχέση µε τη θερµοκρασία o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 4
Αντοχή σε θλίψη πρίσµατος (MPa) 1 9 8 7 6 5 4 3 1 4.oC 4.5oC 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 1 Σχήµα 4 : Αντοχή σε θλίψη πρίσµατος σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 1 Αντοχή σε θλίψη πρίσµατος (MPa) 9 8 7 6 5 4 3 1 I (1/) II (75/5) III (5/5) IV (5/75) V (/1) 5 1 15 5 3 35 4 45 Θερµοκρασία o C Σχήµα 5 : Αντοχή σε θλίψη πρίσµατος σε σχέση µε τη θερµοκρασία o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 5
.5 Αντοχή σε κάµψη (MPa) 1.5 1.5 4.oC 4.5oC 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 1 Σχήµα 6 : Αντοχή σε κάµψη σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος.5 Αντοχή σε κάµψη (MPa) 1.5 1.5 I (1/) II (75/5) III (5/5) IV (5/75) V (/1) 5 1 15 5 3 35 4 45 Θερµοκρασία o C Σχήµα 7 : Αντοχή σε κάµψη σε σχέση µε τη θερµοκρασία o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 6
Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη (MPa) 3 5 15 1 5 4.oC 4.5oC 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 1 Σχήµα 8 : Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη (MPa) 3 5 15 1 5 I (1/) II (75/5) III (5/5) IV (5/75) V (/1) 5 1 15 5 3 35 4 45 Θερµοκρασία o C Σχήµα 9 : Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη σε σχέση µε τη θερµοκρασία o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 7
Μέτρο ελαστικότητας σε κάµψη (MPa) 4 35 3 5 15 1 5 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 4.oC 4.5oC 1 Σχήµα 1 : Μέτρο ελαστικότητας σε κάµψη σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος Μέτρο ελαστικότητας σε κάµψη (MPa) 4 35 3 5 15 1 5 I (1/) II (75/5) III (5/5) IV (5/75) V (/1) 5 1 15 5 3 35 4 45 Θερµοκρασία o C Σχήµα 11 : Μέτρο ελαστικότητας σε κάµψη σε σχέση µε τη θερµοκρασία o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 8
18 16 14 1 4.oC 4.5oC Εκ/fκ 1 8 6 4 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος % 1 Σχήµα 1 : Μεταβολή του µέτρου ελαστικότητας σε κάµψη προς την αντοχή σε κάµψη σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος 3 5 4.oC 4.5oC Εθ/fθ 15 1 5 4 6 8 Ποσοστό φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος % 1 Σχήµα 13 : Μεταβολή του µέτρου ελαστικότητας σε θλίψη προς την αντοχή σε θλίψη σε σχέση µε το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 9
.3 Σχολιασµός αποτελεσµάτων και συµπεράσµατα Παρατηρείται καταρχήν ότι τόσο οι αντοχές όσο και τα µέτρα ελαστικότητας µειώνονται όσο αυξάνει το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στο µίγµα, γεγονός που αποδίδεται κυρίως στο µειωµένο µέτρο ελαστικότητας και τη µειωµένη αντοχή του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος σε σύγκριση µε το θραυστό αµµοχάλικο. Το θέµα αυτό σχολιάζεται λεπτοµερέστερα από τους Kolias et al, 1, και Kolias & Katsakou, 4. Επίσης παρατηρείται ότι η αύξηση της θερµοκρασίας µειώνει την αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας. Η επίδραση της θερµοκρασίας είναι εντονότερη όσο µεγαλύτερο είναι το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στο µίγµα. Αυτό είναι αναµενόµενο γιατί στο µίγµα τα αδρανή υλικά δεν επηρεάζονται από τη θερµοκρασία ενώ οι κόκκοι του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος αποτελούµενοι από ασφαλτικό κονίαµα ή από κόκκους αδρανών περιβεβληµένους από ασφαλτόµιγµα ή από συνδυασµό των δύο προηγούµενων περιπτώσεων, επηρεάζονται σηµαντικά από τη θερµοκρασία. Στο Σχήµα 1 φαίνεται η µεταβολή του λόγου (Eκ /fκ) του µέτρου ελαστικότητας Εκ σε κάµψη προς την αντοχή σε κάµψη fk µε τη θερµοκρασία, για διάφορα ποσοστά φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος στο µίγµα. Στο Σχήµα 13 φαίνεται η µεταβολή του λόγου (Εθ / fθ) του µέτρου ελαστικότητας σε θλίψη Εθ προς την αντοχή σε θλίψη fθ, µε τη θερµοκρασία. Παρατηρείται ότι ο λόγος Ε/f ελαττώνεται σηµαντικά όσο το ποσοστό του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος αυξάνει, ενώ η επιρροή της αύξησης της θερµοκρασίας είναι πολύ µικρή (στατιστικώς µη σηµαντική), καίτοι υπάρχει σαφής ένδειξη ότι µειώνεται όσο η θερµοκρασία αυξάνει. Μείωση του λόγου Ε/f σηµαίνει ότι το µέτρο ελαστικότητας µειώνεται πιο γρήγορα από την αντοχή. Εποµένως, µε την αύξηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος ή - σε πολύ µικρότερο βαθµό - µε την αύξηση της θερµοκρασίας οι αναπτυσσόµενες τάσεις (σ) στην ανακυκλωµένη στρώση, λόγω φορτίων, θα είναι σχετικώς µικρότερες και ο λόγος σ /f θα µικραίνει. Ο λόγος σ/f δείχνει το "περιθώριο αντοχής της στρώσης". Όσο το περιθώριο αυτό είναι µεγαλύτερο (σ/f µικρότερο) τόσο η στρώση θα µπορεί να αντεπεξέλθει σε µεγαλύτερο αριθµό φορτίσεων (κόπωση) ή τόσο η στρώση θα µπορεί να παραλάβει µε ασφάλεια µεγαλύτερα φορτία. Συµπεραίνεται από τα παραπάνω ότι η αύξηση του ποσοστού του φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος φαίνεται ότι πρέπει να βελτιώνει την συµπεριφορά των ανακυκλωµένων στρώσεων ενώ η αύξηση της θερµοκρασίας δεν φαίνεται ότι επιδεινώνει την συµπεριφορά. οκιµές σε κόπωση [Kolias et al, 1] µε διάφορα ποσοστά φρεζαρισµένου ασφαλτοµίγµατος συνδυαζόµενες µε παρατηρήσεις σε οδοστρώµατα σε λειτουργία είναι απαραίτητες για να επιβεβαιώσουν και να ποσοτικοποιήσουν τα παραπάνω συµπεράσµατα. o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 1
3. ΑΝΑΦΟΡΕΣ pren 1386.51 "Unbound and hydraulically bound mixtures - Part 51 : Methods for making test specimens by vibrating hammer compaction" Kolias, S. & Katsakou, M. & Kaloidas, V., 1, 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., 4, Mechanical properties of cement bound recycled materials, 9 th Int. Symposium on concrete roads, Workshop, In-situ recycling with cement. o Πανελλήνιο Συνέδριο Οδοποιίας, Βόλος, 18- Μαΐου 5 11