studiul caracteristicilor fizico-mecanice a mixturilor cu bitum spumat
DESCRIPTION
caracteristici ale mixturilor executate cu bitum spumatTRANSCRIPT
1
Ministerul Educaţiei, Cercetării, Tineretului şi Sportului
UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI
Facultatea de Cai Ferate, Drumuri si Poduri
Rezumatul tezei de doctorat
STUDIUL CARACTERISTICILOR FIZICO-MECANICE A MIXTURILOR CU BITUM SPUMAT
SI TEHNOLOGIILE DE PUNERE IN OPERA
Conducator stiintific: prof. univ. dr. ing. Constantin ROMANESCU
Doctorand: ing. fiz. Marian PETICILĂ
Bucuresti, 2010
2
Mulțumiri
Cu aceasta ocazie îmi pot exprima întreaga recunoștința si mulțumire conducătorului tezei de doctorat,
Prof. Dr. Ing. Constantin Romanescu, pentru îndrumarea si sprijinul acordat, atât pe perioada a studiilor
doctorale desfășurate la UTCB, cat si pentru îndelungata colaborare pe care am avut-o, începând chiar cu
perioada mea de debut ca inginer in domeniul rutier.
In mod deosebit, țin sa mulțumesc pentru susținerea si buna colaborare profesionala si colegiala
acordata pe parcursul anilor de întreg colectivul profesoral al Catedrei de Drumuri si Cai Ferate a CFDP si despre
care pot spune ca au reprezentat întotdeauna repere profesionale si morale pentru întreaga mea activitate atât
in domeniul ingineriei rutiere cât si in viață.
Având in vedere ca susținerea unei teze de doctorat reprezintă o realizare profesionala deosebita si care
nu ar fi posibila fără o pregătire temeinică dată de școală dar si de susținerea colegilor de serviciu din instituțiile
unde am profesat, pe parcursul multor ani, exprim întreaga recunoștința :
- Scolii românești de fizica care m-a format ca cercetător;
- Colegilor de la CESTRIN, îndeosebi domnilor directori din acea perioada, Dl. R. Andrei, Dl. L. Stelea si Dl.
M. Șerbulea, care m-au susținut necondiționat in toate demersurile mele de a pregăti profesional la cel
mai înalt nivel;
- Colectivului LCPC – Centrul de la Nantes care „m-a adoptat” necondiționat si unde am avut prilejul de a
derula activitate de cercetare de nivel mondial, atât din punct de vedere al resurselor alocate cat si
profesionalismului cercetătorilor francezi. În acest context mulțumesc îndeosebi D-lui cercetător B.
Cazacliu care mi-a impus un înalt standard de profesionalism in activitatea de cercetare dar si
tehnicianului superior B. Guieysse care m-a susținut cu întreaga sa dăruire si energie pentru a realiza un
volum foarte mare de determinări de laborator, mai ales când a fost nevoie de elaborarea de noi
metode si procedee;
- Colegilor din AND/CNADNR, îndeosebi cei din Direcția Calitate pentru susținerea acordata întotdeauna
în pregătirea mea profesională, mai ales pentru altruismului de care au dat dovada in împărtășirea
imensului bagaj de cunoștințe si informații profesionale acumulat de aceștia din experiența îndelungată
pe lucrările majore de reabilitare a drumurilor naționale din Romania.
De asemenea, îmi exprim întreaga gratitudine fata de suportul acordat de părinți, mai ales pentru faptul ca
au cultivat in mine de la o vârsta foarte frageda pasiunea de a învăța si dorința de a descoperi tot ce e nou si
interesant.
ing. fiz. Marian PETICILĂ
3
CUPRINS *
PREAMBUL 1 I. INTRODUCERE 2 I.1. Tendințe actuale în dezvoltarea mixturilor asfaltice I.2 Mixtura cu bitum spumat I.3. Utilizarea mixturilor cu bitum spumat la execuția structurilor rutiere
2 5 8
II. PRODUCEREA ÎN LABORATOR A MIXTURII CU SPUMA DE BITUM 11 II.1 Spuma de bitum II.2 Echipamentele de laborator specifice II.2.1 Mașina de spumare a bitumului II.2.2 Malaxorul de laborator II.3 Studiul de laborator pentru spumarea bitumului II.3.1 Configurarea si calibrarea FoamLab II.3.2 Evaluarea bitumurilor II.4. Studiul de malaxare II.4.1. Regimul de malaxare II.4.2. Optimizarea malaxorului SAE 20902
11 13 13 14 17 17 20 28 28 29
III. PROCEDURA PRIVIND FABRICATIA MIXTURII CU BITUM SPUMAT ÎN LABORATOR și METODELE DE CARACTERIZAREA A MIXTURII CU BITUM SPUMAT
35
III.1.1 Fabricații preliminare III.1.2 Elaborarea retetei pentru mixtura cu bitum spumat III.1.2 Procedura de lucru pentru fabricarea mixturii cu spuma de bitum III.1.2.a Procedura de lucru pentru fabricarea spumei de bitum III.1.2.b Procedura de fabricatie a mixturii III.1.2.c Procedura de eșantionare
35 39 40 40 41 42
III.2 Determinările de laborator efectuate pentru caracterizarea mixturii cu bitum spumat III.2.1 Caracterizarea fizico-mecanica III.2.2 Determinarea conținutului de bitum prin metoda Rouen III.2.3 Determinarea constituenților mixturii pe clase dimensionale (test de „dezanrobare pe clase”) III.2.3.a Procedura de încercare III.2.3b Interpretarea rezultatelor III.2.4 Determinarea rezistentei la compresiune III.2.4.a Încercarea Duriez III.2.4.b Punerea la punct a unei metode Duriez simplificate III.2.4c Protocolul de încercare la determinarea rezistentei la compresiune III.2.5 Determinarea masei volumice aparente III.2.6 Microscopie III.2.7 Analiza petelor de bitum pe hârtie de filtru
42 44 45 45 46 46 50 50 52 53 54 54 55
IV. PROGRAM EXPERMINETAL DE LABORATOR PENTRU STUDIUL PROCEDEULUI DE FABRICATIE AL MIXTURII CU BITUM SPUMAT
58
IV.1. Fabricațiile de mixtura cu bitum spumat în laborator și datele experimentale obținute IV.1.1. Determinarea rezistentei la compresiune specifice rețetei 0/10 IV.1.2. Campania experimentala pentru studiul parametrilor de fabricație IV.1.3 - Estimarea incertitudinilor determinărilor de laborator efectuate IV.1.3 a – Stabilitatea curbei granulometrice IV.1.3 b – Conținutul de parte fina a amestecului granular (treceri prin sita de 0,08mm) IV.1.3.c. Incertitudinea la determinarea conținutului de bitum și de apa IV.1.3.d. Reproductibilitatea fabricațiilor de mixtură folosite la studiul parametric
58 58 60 62 63 66 67 70
IV.2 Prelucrarea datelor experimentale. Analiza influentei parametrilor ce caracterizează fabricația mixturii cu bitum spumat (studiul parametric) IV.2.1 Primul model liniar IV.2.2 Al doilea model liniar IV.2.3 Al 3-lea model - modelul liniar simplificat
72 76 79 87
IV.3 Concluziile analizei statistice 88 V. STRUCTURA MIXTURII CU BITUM SPUMAT 90 V.1. Analiza vizuală V.2. Analiza structurii prin încercările de dezanrobare pe clase
90 93
4
V.3. Modelul de formare al mixturii cu spuma de bitum V.3. Informații despre distribuția masticului cu „testul petelor” V. 4. Concluzii privind viabilitatea modelului elaborat
99 101 104
VI. UTILIZAREA TEHNOLOGIEI CU SPUMA DE BITUM LA RECICLAREA STRUCTURILOR RUTIERE 107 VI.1. Stadiul dezvoltării tehnologiei de reciclare cu bitum spumat 107 VI.2. Reciclarea „in situ” utilizând tehnologia mixturii cu bitum spumat VI.3. Utilaje utilizate la execuția structurilor rutiere cu tehnologia bitumului spumat VI.3.1. Utilaje de stabilizare sau reciclare în situ VI.3.2 Stații mobile de producție a mixturii cu bitum spumat VI.3.3 Metode de control moderne a condițiilor și calității lucrărilor de reciclare
107 111 111 114 115
VI.4. Performantele structurilor rutiere degradate reciclate, utilizând tehnologia cu bitum spumat VI.4.1 Determinarea modulilor și a capacitații portante VI.4.2. Determinari de capacitate portanta pe sectoarele experimentale executate în Romania VI.4.2.a. Sectorul experimental situat pe DN 5 VI.4.2.b. Sectorul experimental situat pe DN 7 VI.4.2.c. Dimensionarea sistemului rutier pentru reciclarea efectuata pe DN 17
117 117 118 118 119 120
VI.V. Concluzii 122 VII. UTILIZAREA TEHNOLOGIILOR DE RECICLARE „IN SITU” IN ROMANIA 123 VII.1. Tehnologi de reciclate aplicate în Romania 123 VII.2. Caracteristicile infrastructurii rutiere din România VII.2.1 Reciclarea la rece cu emulsie bituminoasa VII.2.2. Reciclarea mixturilor la cald “in situ” VII.2.3. Reciclarea mixturilor la cald în stații fixe VII.2.4 Reciclarea cu bitum spumat
126 126 131 132 133
VII.3. Utilizarea soluțiilor de reciclare pentru drumuri de categorie superioara 134 VIII. AGREMENTAREA TEHNICA A RECICLARII CU BITUM SPUMAT 137 VIII.1. Condițiile generale impuse agrementelor 137 VIII.2. Soluția tehnica bazata pe utilajul de reciclare Wirtgen WR4200 VIII.2.1 Reciclarea structurilor rutiere degradate din mixtura asfaltica cu utilajul Wirtgen 4200 pentru execuția stratului de baza (conform AT 005-07/104-2004) VIII.2.1.a. Condiții tehnice de agrementare VIII.2.1.b. Studiul de laborator VIII.2.1.c. Determinări de capacitate portanta pe sectoarele experimentale VIII.2.1.d. Concluzii prezentate în agrement
139 140 141 147 154 154
VIII.2.2. Reciclarea structurilor rutiere degradate din beton de ciment cu utilajul Wirtgen 4200 pentru execuția stratului de fundație (conform AT 005-07/99-2004)
155
VIII.2.2.a. Condiții tehnice de agrementare VIII.2.b. Studiul de laborator
156 159
VIII.3.2. Reciclarea structurilor rutiere degradate utilizând reciclatorul WIRTGEN 2500S (conform AT 005-07/136-2005)
163
IX. LUCRARI MAJORE DE REABILITARE PE RETEAUA DRUMURILOR NATIONALE UNDE S-A UTILIZAT TEHNOLOGIA DE RECICLARE BAZATA PE BITUMUL SPUMAT
169
IX.1. Reabilitarea DN17, sector Km 116+000 - Km 155+000 – Constructor AKTOR IX.2 Reabilitare DN 56A, km 45+000 - 79+140 - Constructor J. V. Pizzarotti Tirrena Scavi Spa IX.3 Reabilitare DN 56A, km 0+000-45+000 - Constructor Mochlos S.A. cu subcontractare ROMSTRADE
169 171 176
IX.4. Concluzii privind lucrările de reabilitare ce au utilizat tehnologia cu bitum spumat 180
X. CONCLUZII SI CONTRIBUTII PERSONALE REFERITOARE LA STUDIUL MIXTURII CU BITUM SPUMAT SI LA DEZVOLTAREA TEHNOLOGIEI IN TARA NOASTRA
181
X.1. Concluzii generale X.1. Contributii personale
181 182
XI. BIBLIOGRAFIE 184 XII. ANEXE 188
* - cuprinsul, numerotatea tabelelor si a figurilor sunt identice cu cele din teza
5
REZUMAT
Teza abordează tematica enunțata in titlu din doua perspective principale: cercetarea de
laborator întreprinsă de autor si observații si concluzii privind aplicabilitatea rezultatelor cercetării la
utilizarea tehnologiei in cazul lucrărilor de reabilitare derulate in tara noastra. Astfel, lucrarea este
structurata pe 10 capitole, cuprinse in 183 de pagini, bibliografie si 13 anexe. Lucrarea conține 102
figuri si 62 de tabele (excluse anexele).
Cuprinsul tezei prezentat este cel al tezei, precum si numerotația figurilor si tabelelor este
conforma cu cea prezentata in teza.
PREAMBUL
Prezenta teză de doctorat se bazează pe un volum considerabil de date experimentale referitoare
la tehnologia mixturilor cu bitum spumat în baza cercetărilor efectuate de către autor la Laboratoire
Centrales des Ponts et Chaussées (LCPC) – Franța, studiilor privind agrementarea tehnologiei de către
CESTRIN, în baza observațiilor efectuate de către specialiști ai CNADNR sau personalul profesoral al
Catedrei de Drumuri și Poduri al UTCB – CFDP, referitor la lucrările efectuate pe rețeaua drumurilor
naționale din România.
Studiul efectuat la LCPC a reprezentat o colaborare cu Grup Fayat și Shell Global Solutions.
Partenerii au solicitat un studiu care sa identifice și să fundamenteze științific principiile generale de
fabricație a mixturii cu bitum spumat. Mai concret, s-a urmărit găsirea unei rețete de mixtură optime,
corelarea cu parametrii de fabricație, caracterizarea structurală a mixturii în concordantă cu rezistenta
mecanică a mixturii compactate [1]. Ulterior, experiența acumulată a fost deosebit de utilă în activitatea
derulată la CESTRIN si CNADNR, atât pentru elaborarea agrementării tehnologiei în tara noastră, dar
și pentru a formula concluzii despre viabilitatea metodei si comportarea în exploatare a sectoarelor de
drum reabilitate cu această tehnologie [2].
I. INTRODUCERE
I.1. Tendințe actuale în dezvoltarea mixturilor asfaltice
Tehnologia de bază pentru construcția și întreținerea structurilor rutiere constă în utilizarea
mixturilor bituminoase. O definiție generală a mixturilor asfaltice este: material de construcţie realizat
din amestecuri obţinute, pe baza unor dozaje judicios stabilite, din agregate naturale sau artificiale şi
filer, aglomerate cu bitum, printr-o tehnologie adecvată. Liantul fiind bitumul, factorul cheie în
realizarea unei mixturi de calitate, constă în dozarea corectă a bitumului și dispersia omogenă a lui în
masa mixturii. Cel mai frecvent folosită este mixtura asfaltică la cald („hot-mix”), realizată printr-un
proces tehnologic care presupune încălzirea agregatelor naturale, filerului și bitumului, executarea
malaxării până la anrobarea completă a agregatelor şi punerea în operă la temperaturi foarte ridicate [3].
În particular, alegerea unei rețete optime de asfalt se face funcție de solicitările de trafic,
climatice [3,9] și de considerente economice. In prezent, dat fiind nivelul de dezvoltare global ce
implică considerente de mediu și dezvoltare durabilă, se impun analize și din punct de vedere al
impactului social și asupra ecosistemului, întrucât, fără nici o exagerare, lucrările de drumuri și
autostrăzi reprezintă dezvoltarea civilizației umane la nivel planetar. La aceste considerente, adăugam și
faptul că bitumul este un produs petrolier, petrol care este o resursă epuizabilă și inevitabil o să asistam
la o creștere continuă a prețului. In acest context, în următorii ani o să avem o multitudine de tehnologi
referitoare la utilizarea bitumului ca liant, dar care vor viza economii semnificative prin reducerea
conținutului de bitum în mixtura, consumuri specifice de combustibili diminuate, impact minimal
asupra mediului, dar în paralel cu creșterea performantelor acestor mixturi. Una din posibile direcții de
dezvoltare este utilizarea bitumului spumat. Deși tehnologia nu este de dată recentă, în ultimii ani se
6
observa o evoluție spectaculoasă a acesteia prin considerarea ei ca o tehnologie de tipul „half-warm
mixture”[3, 10].
Conform European Asphalt Paving Association (EAPA) o clasificare a mixturilor asfaltice se
poate face funcție de temperatura agregatelor de la fabricație. In tabelul I.1 se observa clar că tehnologia
mixturilor cu bitum spumat nu se încadrează în categoria tehnologiilor „la rece”, așa cum, în lipsa unor
standarde sau normative naționale este uneori inclusă în tara noastră.
Tabelul I.1 – Clasificarea tehnologiilor mixturilor asfaltice în functie de temperatura de fabricatie.
Tehnologie Temperatura
la malaxare
Principiul de baza al
tehnologiei
Influenta asupra bitumului
Mixtuta asfaltica la cald „”HOT MIX” 120 – 190 °C Bitum fierbinte
„WARM MIX” (WMA) 100 – 140 °C Aditivi organici Modifica reologia bitumului
și a mixturii
„HALF-WARM MIX” 70 – 100 °C Bitum spumat Reduce viscozitatea liantului
prin formarea spumei
Emulsie bituminoasa Reduce viscozitatea liantului
prin emulsionare
Mixtura asfaltica la rece „COLD MIX” fara incalzire Emulsie bituminoasa Reduce viscozitatea liantului
prin emulsionare
In figura I.1 este prezentat sub forma grafică o clasificare a mixturilor asfaltice din punct de
vedere al gradului de anrobare al agregatelor, prin corelarea dimensiunii maxime a sorturilor granulare
cu temperatura din timpul fabricație.
Tehnologiile mixturilor asfaltice la temperaturi intermediare, când se folosesc temperaturi la
fabricație inferioare valorii de 100 °C, prezintă avantajul major ca avem un consum energetic mult
diminuat (cantitate de combustibil utilizat la încălzire), deoarece nu mai este necesara uscarea
agregatelor (figura I.2). Pe lingă acest avantaj adăugam și faptul că avem emisii de noxe mult diminuate
rezultate din încălzirea bitumului, ceea ce duce și la îmbătrânirea mult diminuată a bitumului în faza de
fabricare a mixturii [11].
Considerând coeficienții calorici ai materialelor componente din mixtura și o umiditate normala
a agregatelor la stocarea în padocuri, constatam ca în cazul mixturilor asfaltice la cald (hot-mix)
utilizam circa 75% din energie pentru evaporarea apei din agregate. Pe ansamblu, o stație ce fabrică
mixtura la temperaturi joase poate economisi circa 50% energie, comparativ cu o stație clasica.
Figura I.1 – Influenta temperaturii asupra gradului de
anrobare pentru mixturile asfaltice
Figura I.2 – Consumul energetic specific la fabricarea
mixturilor asfaltice la cald
Comparând tehnologiile ce utilizează temperaturi intermediare (half warm) cu tehnologia de
producție a mixturilor clasice la cald, din punct de vedere al poluării ambientale avem de asemenea
7
reduceri semnificative: reducerea cu circa 30% a emisiilor de dioxid/monoxid de carbon, cu circa 60% a
diverșilor compuși azotați și cu circa 50% a prafului [11].
I.2 Mixtura cu bitum spumat
Utilizarea bitumului spumat pentru execuția straturilor din structură rutieră datează încă din
1956, fiind elaborată în SUA de către Ladis Csanyi [6, 51] - US Patent 2917395/1959. Aplicabilitatea
relativ restrânsă pe plan mondial a soluției tehnologice poate fi atribuită și datorită faptului ca până în
anii `90 a fost obiectul unei licenței deținute de grupului Mobil Oil. În plus, tehnologia presupune ca
procesul de fabricație să necesite un control riguros al anumitor parametrii, în corelație cu materialele
utilizate și condițiile de mediul ambiant. Se mai remarcă că tehnologia permite atât fabricarea mixturilor
bituminoase, dar poate fi folosită și la stabilizarea solurilor necoezive [12].
Aplicarea tehnologiei pe scară largă pentru execuția straturilor din structura rutieră, s-a făcut
începând cu anii ’70 în Australia [17, 18], ulterior căpătând utilizare largă în Africa de Sud [19] și
Finlanda. Tehnologia a reintrat din nou în atenție în anii ’90, mai ales datorită orientării spre soluții
economice și minimizării impactului asupra mediului dat de lucrările de execuție sau întreținere
drumuri și străzi. Si în tara noastră au fost preocupări timpuri pentru dezvoltarea tehnologiei încă din
anii `80, pentru aplicarea soluției pe rețeaua drumurilor naționale (pa raza DRDP Iași). Cu toate acestea,
soluția a început sa fie aplicată la lucrări mari de reabilitare începând cu sfârșitul anilor `90, utilizând
tehnologia Wirtgen de reciclare. Cu toate acestea, nu există standarde sau norme tehnice armonizate,
tehnologia fiind mai degrabă specifica echipamentelor și agrementata punctual, funcție de echipamentul
folosit și sistemul de calitate implementat în firmele respective.
In terminologia româneasca termenul consacrat este „mixtura cu bitum spumat”, dar personal,
optam pentru denumirea „spumă de bitum”, întrucât este mai sugestivă această exprimare. In literatura
de specialitate anglo-saxonă sunt utilizați termenii de „foamed bitumen” și „foam mixture” (FOAMIX)
sau „foamed asphalt” iar în literatura francofonă „mousse du bitume” și „grave-mousse”.
Așa cum am prezentat în paragraful anterior, mixtura cu spumă de bitum poate fi încadrată în
categoria mixturilor bituminoase, fiind un amestec de agregate și bitum, iar din punct de vedere al
temperaturilor de fabricație ca un tip de mixtură de temperatură intermediară (half-warm mix). Se va
prezenta detailat în această lucrare că liantul mixturii este dat de masticul format din bitumul ce
înglobează partea fină din granulozitatea mixturii (fig. I.3). Procedeul de fabricație constă în
pulverizarea bitumului sub formă de spumă în timpul malaxării agregatelor, „la rece” și pentru o
umiditate dată [11, 14, 15].
Figura I.3 - Mixtura cu spuma de bitum, inainte (stinga) și dupa compactare (dreapta)
Pe scurt, procedeul de fabricație a mixturii cu bitum spumat se rezuma în următoarele etape:
- Omogenizarea amestecului de agregate și parte fină și umezirea amestecului, la o umiditate ce
poate fi aproximata pornind de la valoarea optimă de compactare dat de încercarea Proctor, minus 2
puncte procentuale.
- In timp ce malaxarea continuă, este injectată spumă de bitum direct în malaxor. Conținutul de
bitum poate varia intre 2,5 – 4% din masa de agregate. Clasa granulară a agregatelor poate merge
8
până la 25 mm, cu un conținut de fine intre 5 și 15 % din masa totală. Spumă se obține prin injecția
unei cantități mici de apă intr-o masă de bitum fierbinte, în jurul la 180°C. Spumarea bitumului se
produce la ieșirea din camera de injecție unde bitumul expandează datorită vaporizării rapide a apei
dispersate fin în bitumul din camera de injecție. Apa injectată în bitum reprezintă doar câteva
procente și în condiții optime de formare a spumei, aceasta se vaporizează complet.
- Producerea mixturii se poate face atât în regim discontinuu, dar și în regim continuu. In cazul
producerii în regim discontinuu, malaxarea se menține și după întreruperea injecției de spumă, până
la omogenizare.
Figura I.4 – Domeniul granulometric specific tehnologiei cu bitum spumat
Un parametru cheie al tehnologiei constă în respectarea unui domeniului de granulozitate
specific. In figura I.4 avem reprezentate curbele granulometrice ce delimitează 3 zone distincte: zona A
– domeniul optim de utilizare, zona B – domeniu acceptabil de utilizare și domeniul C – domeniu în
care nu poate fi aplicată tehnologia [16].
Tehnologia bitumului spumat poate fi aplicată atât pentru producerea mixturii în stații fixe, dar și
pentru reciclări în situ. Un alt avantaj al tehnologiei constă în faptul că poate folosi o varietate mare de
agregate și amestecuri granulare. Spre deosebire de mixturile la cald nu se pun probleme de anrobare a
agregatelor sau de aciditate ca în cazul mixturilor cu emulsii bituminoase. Astfel, se pot folosi pentru
reciclare o gama foarte variată de deșeuri de beton sau mixtură, condiția suficientă fiind încadrarea în
domeniul de granulozitate optim.
Producerea mixturii se poate face și în stații fixe relativ simple. Astfel, un exemplu de fabricație
al mixturii cu bitum spumat constă în utilizarea unei stații de betoane, cu modificări minore. După
fabricare, mixtura este transportată în camioane acoperite pentru a nu se pierde umiditatea amestecului.
Mixtura este pusă în operă cu o trusă de așternere și compactare similară cu a mixturilor asfaltice la cald
(grinda finisoare, compactoare lise cu vibrație și pe pneuri). La punerea în opera nu avem probleme
legate de lucrabilitatea mixturii. Spre deosebire de mixturile bituminoase la cald, stratul executat nu
poate fi supus traficului greu imediat după execuție și nici acoperit cu straturile superioare din structura
rutiera respectiva. Această mixtură necesita un proces de maturare prin care se pierde umiditatea
amestecului. Cu toate acestea, pentru traficul ușor drumul poate fi deschis imediat.
I.3. Utilizarea mixturilor cu bitum spumat la execuția structurilor rutiere
Pentru execuția diverselor straturi din structura rutiera, domeniul de utilizare al mixturii cu
bitum spumat se poate suprapune cu succes peste cel al stabilizărilor cu lianți hidraulici, al mixturilor
bituminoase la cald sau cel al mixturilor cu emulsie bituminoasă. Cu toate acestea, în tara noastră, ca și
9
în Europa [5], s-a consacrat pentru execuția straturilor de fundație și a straturilor de bază. Tehnologia
prezintă totuși un potențial important pentru utilizarea la execuția aproape integrala a structurilor rutiere
pentru drumuri de clasă tehnică inferioară [20] și în condiții economice avantajoase, precum și în
condiții de impact asupra mediului mult diminuate [5,6].
Sintetizând, utilizarea tehnologiei cu bitum spumat, din punct de vedere al performantelor și
avantajelor economice, se pretează la următoarele utilizări pentru construcția sau întreținerea
drumurilor:
- stabilizarea solului cu spuma de bitum,
- fabricarea de mixturi bituminoase obținute cu tehnologii relativ simple în stații fixe sau mobile,
- reciclarea structurilor rutiere cu tehnologia bitumului spumat (reciclarea „in situ” sau reutilizarea
materialelor din structurile rutiere degradate, eventual reciclarea molozului),
- mixtura stocabila , daca materialul obținut este păstrat, după fabricație, în saci sau recipiente
etanșe și poate fi compactat ulterior).
De asemenea, tehnologia cu bitum spumat prezintă avantaje certe din punct de vedere al
rentabilității economice, dintre care enumerăm:
- Procedeul de fabricație și punerea în operă nu implică tehnologi noi și avansate tehnologic. In
acest sens menționam că putem folosi la producția chiar și stații de beton, iar pentru punerea în
opera se pot folosi utilajele de la mixturile asfaltice la cald fără modificări. De asemenea, în cazul
reciclărilor în situ este posibila utilizarea acelorași utilaje ca la reciclarea cu emulsie [21].
- Mobilitatea și adaptabilitatea soluției întrucât se pot folosi diverse materii prime și mutarea cu
ușurința a utilajelor de producție.
- Stocabilitatea materialului. Lucrabilitatea materialului nu este deloc afectata de timpul scurs
intre fabricare și punerea în opera. Materialul, în condițiile în care își păstrează umiditatea
(transport în bene acoperite sau păstrarea pe termen lung în recipiente etanșe ca mixtura stocabila)
își păstrează proprietățile.
O altă posibilă aplicație a mixturii cu bitum spumat, în condițiile unei proiectări adecvate a
mixturii, este utilizarea și ca strat anti-fisură la reabilitarea sistem rutier degradat sau la așternerea
mixturii asfaltice peste structuri rutiere rigide [8].
Totuși, caracteristicile fizico-mecanice ale acestei mixturi bituminoase nu sunt la nivelul
mixturilor asfaltice bituminoase performante și nu pot fi folosite ca strat de uzura sau pentru ambele
straturi de rezistentă din structura rutieră. Din punct de vedere al caracteristicilor fizico-mecanice,
performantele mixturile cu bitum spumat sunt similare cu ale mixturilor bazate pe emulsii [22]. In plus,
aceste performante se ating cu costuri reduse cu circa 25%).
II. PRODUCEREA ÎN LABORATOR A MIXTURII CU SPUMA DE BITUM
II.1 Spuma de bitum
Spumare este capacitatea unui lichid (in cazul nostru bitumul cald) de a include un gaz în toata masa
acestuia. Bitumul sub forma de spumă reprezintă o stare tranzitorie a bitumului. Aceasta stare se obține prin
introducerea apei reci în masa bitumul fierbinte. Prin fierberea apei se obține dispersia bitumului sub forma de
bule, echilibrului instabil fiind dat de efectul tensiunii superficiale al peliculei de bitum și forțele date de
presiunea vaporilor de apă în expansiune.
Fenomenul de spumare este dificil de modelat matematic, nefiind un proces cvasistatic. Pentru o
caracterizare empirică a spumei avem definite caracteristicile: Rata de expansiune – ER (Expansion Rate), și
timp de înjumătățire t1/2. ER este o funcție de timp și arata raportul dintre volumul la un moment dat și
volumul masei inițiale a bitumului. Timpul zero este dat de momentul când sa termină injecția, moment în
care avem expansiunea maximă, ce dă parametrul caracteristic ERm (Expansion Rate Maximal). S-a
aproximat că descreșterea se încadrează pe o curbă logaritmică (fig. II.1), ce poate fi dată de relația:
10
tt
eERmtER
2/1
2ln
)(
bitum fierbinte
apa rece (+aer)
camera de expansiune
duza de iesire
spuma de bitum
duza de intrare
Figura II.1 – Curba teoretica a descreșterii
volumului spumei dupa injecție Figura II.2 - Reprezentarea schematica a producerii
spumei de bitum în camera de injectie
Deși la măsurători precise se constata că aceasta curba este doar o aproximare a curbei reale,
condițiile de spumare însumând mult mai mulți factori, s-a ajuns la o convenție „ad-hoc” a cercetătorilor din
domeniu pentru a se măsura spumarea în recipiente asemănătoare, la o injecție ce durează 5 s, și o masa de
bitum injectat de 500g. În aceste condiții ERm se determina după înălțimea medie a petei de pe pereții
interiori ai vasului iar t1/2 ca timpul de când se ajunge la înjumătățirea volumului, măsurat de la sfârșitul
injecției: ER(t1/2) = ERm/2.
Soluția tehnică pentru producerea spumei de bitum constă în utilizarea unei camere de injecție în care
se introduc debite controlate de bitum fierbinte, apă și aer (figura II.2). Practic, în camera de injecție avem o
omogenizarea a apei sub formă de particule fine în masa de bitum. Acest amestec este pulverizat sub presiune
printr-un jiclor (duza cu un orificiu calibrat). Camera de injecție lucrează intr-un anumit regim de presiune (4
– 12 bar), ceea ce împiedică vaporizarea apei, deși temperatura este ridicată (160 – 180 °C). Imediat ce
amestecul de bitum fierbinte și particule fine de apă ajunge la presiune atmosferica normala, temperatura de
fierbere a apei (100 °C) devine cu mult inferioară temperaturii amestecului și apă se vaporizează instantaneu,
vapori ce expandează bitumul sub forma de spumă.
II.2 Echipamentele de laborator specifice
II.2.1 Mașina de spumare a bitumului
Echipamentul de laborator folosit la cercetarea derulată la LCPC a fost de tipul Foamlab produs de
SAE (Grup Fayat) (figura II.3). Echipamentul a fost proiectat ca fiind un echipament dedicat cercetărilor
avansate de laborator. Menționez că mai exista echipamente similare, dar în general sunt proiectate pentru
elaborarea rețetelor în laboratoarele de șantier (ex. Writgen WLB 50).
Echipamentul Foamlab® prezintă o construcție modulară a camerei de injecție, ceea ce permite
diverse configurări ale acesteia, prin schimbarea diametrului orificiilor duzelor de intrare și de ieșire ale
camerei (fig. II.2). Controlul debitul de bitum se face prin variația turației pompei cu precizie de 1 rot./min,
controlul temperaturii cu precizie de 0.1 °C, temporizarea precisă a timpului de injecție, control separat pentru
circuitele de bitum, apă și aer, indicarea presiunii și temperaturii din camera de injecție și controlul presiunii
din circuite și a debitului.
Echipamentul Foamlab® SAE permite pe lângă studiul de laborator și configurarea similara a
sistemelor industriale. Presiunea de lucru din cameră este dată de geometria camerei, funcție de dimensiuni și
jicloarele instalate. Fiecare component introdus în cameră are circuitul sau separat, debitele și presiune pot fi
Diagrama ideala a spargerii spumei - ER (t)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
0 10 20 30 40 50 60
t (s)
ER
t1/2
ERm/2
ERm
11
controlate.
Circuitele pot funcționa simultan sau independent, cu control manual sau comandate de un temporizator
cu o precizie de 0,1s. Informații suplimentare despre caracteristicile tehnice ale „mașinii de spumă” sunt date
în anexă [1].
Figura II.3 - Mașina de spumă Foamlab® SAE
Figura II.4 – malxorul SAE 20902
II.2.2 Malaxorul de laborator
În cadrul studiului s-a pus la punct și utilizat preponderent malaxorul SAE 20902. Malaxorul este cu
arbori orizontali, contra-rotativi, configurație similara cu malaxoarele industriale folosite pentru mixtura
bituminoasa (figura II.4). Un alt beneficiu pentru producătorul SAE care a dezvoltat acest echipament de
laborator este dat de faptul că este o replică la scară redusă a malaxorului Wibau folosit pe stația mobilă de
fabricație a mixturilor cu bitum spumat SAE ROADLINER 140.
II.3. Studiu de laborator pentru spumarea bitumului
II. 3.1 Configurarea și calibrarea FoamLab®
Pentru studiul de laborator vizat au fost efectuate reglaje ale mașinii astfel încât a se obține regimuri
de funcționare cu o stabilitate maximă. Reglajele au constat în alegerea jicloarelor camerei de injecție precum
și stabilirea presiunilor și debitelor din circuite. Astfel, s-a obținut o spumă cu caracteristici riguros
reproductibile.
In tabelul II.2 sunt prezentate cele doua configurații reținute pentru studiul parametric referitor la
fabricația în laborator a mixturii cu bitum spumat. Cu litere format italic sunt scriși parametrii reglați și
verificați la fiecare fabricație de mixtura.
Se remarcă că diferența de presiune din camera de injecție a dus o diferența semnificativa pentru
temperatura spumei de bitum (120°C - pentru presiune mare și fără utilizarea aditivului, respectiv 80°C - la
utilizarea aditivului de spumare, presiunea mica).
12
Tabelul II.2 – Configuratiile Foamlab retinute pentru studiul parametric.
Configurare Foamlab
Fara utilizarea aditivului
Cu utilizarea aditivului
Tip bitum utilizat Shell N 70/100 Shell N 70/100
Dozare aditiv
0% 0,03%
Presiune apă injectata
Dozaj de apă în spuma (masic)
6,5 bar
7 - 8%
6,5 bar
7 - 8%
Viteza de rotatie a pompei de bitum
Debit bitum
Preiune bitum
~720 rot./s
100 g/s
11,5 bar
~600 rot./s
100 g/s
6,5 bar
Temperatura bitum
Temperatura spumei de bitum
170°C
~120°C
170°C
~80°C
II. 3.2 Evaluarea bitumurilor
Urmare studiului documentar, în afara de proprietățile de spumare, s-a constatat că nu sunt alte
restricții referitoare la tipul bitumului [24]. Uzual, în majoritatea aplicațiilor de fabricație a mixturilor cu
bitum spumat, se folosește o spumare expansiune maxima ERm intre 8 și 15 și timpi de înjumătățire de t1/2
intre 5 și 10 s [25]. De obicei este folosit același bitum rutier ca și la mixturile la cald. Deci, se poate folosi
bitum cu penetrația 70/100 sau 50/70, în funcție de zona climatică de aplicare a mixturii.
In studiile preliminare de la LCPC, s-a evaluat și un bitum Arpechim, bitum care spre deosebire de
celelalte bitumuri este obținut prin oxidare și s-a constatat că prezintă foarte bune proprietăți de spumare [26].
În final, pentru campania de fabricație a mixturii a fost reținut bitumul naftenic Shell N 70/100. (parametrii de
spumare din tabelul II.2).
De asemenea, pe lângă rata de expansiune maximă și timpul de înjumătățire, pentru studiul nostru și
alți parametrii au fost luați în evidenta pentru a caracteriza spumarea: temperatura spumei, cantitatea de apă
injectata, natura bitumului și presiunea din camera de injecție.
Când s-a trecut la evaluarea influenței aditivului și reconfigurarea Foamlab, a fost necesara o
determinare mult mai precisa a caracteristicilor de spumare. În acest sens am dezvoltat un sistem măsurare
pornind de la un telemetru laser portabil tip „Leica DISTO pro4”. (figura II.7)
Figura II.7 –Determinarea spumării prin telemetrie laser
După seria de fabricații de mixtură cu spumă de bitum ne-aditivat, s-a trecut la studiul spumării cu
bitum aditivat. S-a folosit același tip de bitum (Shell) cu aditiv de spumare TEGO Addibit FS 700 (Anexa 3).
13
De asemenea, se observă și acuratețea mărită a determinării cu telemetrul laser și achiziție automată. Se
remarca că s-a obținut o spumă cu rata de expansiune maximă (ERm = 22 - 33) ușor diminuată, dar cu un
timp de înjumătățire (t1/2~10s) aproape dublat. Deci, s-a obținut o spumă cu caracteristici diferite pentru a
putea continua campania de fabricații mixtură, considerând spumarea ca parametru diferit fată de fabricațiile
anterioare (fig. II.9). Astfel, putem spune că am utilizat o spumă „mai stabilă”.
Figura II.9 – Comparatia intre spumarea cu și fara aditiv de spumare în bitum
Ultimul set de experimentări pentru studiul spumării s-a efectuat cu bitum „suflat” (soufflé) de tipul
Shell 85/2V. Acest tip nu este un bitum rutier ci un bitum folosit uzual pentru etanșări, izolații, etc. Am folosit
această spumă pentru a avea un punct extrem în influenta spumei asupra calității mixturii. Astfel, putem
spune că am obținut o spumă „formidabilă”, deși expansiunea maxima a fost mai mică (ERm ~14), dar a
prezentat o stabilitate remarcabilă (t1/2~35s). Configurația camerei și presiunile de lucru au fost identice ca la
utilizarea bitumului ne-aditivat.
II.4. Studiul de malaxare
II.4.1. Regimul de malaxare
In prima fază a fabricării în laborator a mixturii asfaltice cu bitum spumat s-a folosit malaxorul
planetar tip Angers. Deși nu este un malaxor specific fabricării mixturilor cu bitum spumat, acesta a permis
elaborarea rețetei preliminare a mixturii cu sort 0/14. Pentru această rețetă preliminară, cu acest tip de
malaxor, s-a stabilit că este necesar un regim de malaxare turbulent care sa asigure dispersarea rapidă a
spumei de bitum în masa de agregate malaxate.
II.4.2. Optimizarea malaxorului SAE 20902
Dat fiind că malaxorul SAE 20902 era încă în fază de prototip, înainte de a începe studiul parametrilor
de fabricație ai mixturii, s-au efectuat o serie de teste pentru evaluarea omogenității și a regimului de
malaxare. Astfel, s-au efectuat următoarele modificări: schimbarea motorului cu unul de putere mărita, s-a
schimbat forma pereților malaxorului și fixarea suplimentară a palelor pe arbori [1].
Evacuarea din malaxor se face printr-o trapă inferioara. În configurația inițiala, s-a observat că ~25%
din volumul malaxat rămâne în malaxor, ceea ce afecta eterogenitatea mixturii prelevate pentru încercările de
laborator. Problema s-a rezolvat prin modificarea pereților laterali ai cuvei pentru a asigura căderea libera la
tragerea trapei, dar și pentru a asigura omogenitatea și repetabilitatea fabricațiilor, întrucât pereții au fost
apropiați la maxim de palelor în rotație.
14
Concluziile referitoare la optimizarea și configurarea reținută pentru studiul de laborator aplicat
fabricației de mixtura cu bitum spumat sunt:
- Viteza de rotație a arborilor pentru omogenitate foarte buna și pentru un regim turbulent al malaxării
este în jurul valorii de 120 rot./min.
- S-a ajuns la un compromis intre omogenitatea amestecului și concasarea indusa de regimul de
malaxare, întrucât s-a evidențiat o ușoara creștere a parții fine din amestec (creștere 1-2 puncte
procentuale).
III. PROCEDURA PRIVIND FABRICATIA MIXTURII CU BITUM SPUMAT ÎN
LABORATOR și METODELE DE CARACTERIZAREA A MIXTURII CU BITUM SPUMAT
III.1.1 Fabricații preliminare
Așa cum am precizat în capitolul introductiv, unul din parametrii cheie al tehnologiei cu bitum
spumat este domeniul de granulozitate. Astfel, orice studiu de rețetă începe pornind de la sorturile vizate
pentru utilizare ca materiale la mixtura și compunerea curbelor acestora pentru a ajunge la curba
granulometrica a mixturii care se încadrează în zona de granulozitate specifica, pe care o putem numi curba
granulometrică de referință (domeniul Rukel). Odată stabilita granulozitatea de referință, se determină o
valoare de pornire pentru determinarea cantității de apă de adaos. Pentru aceasta se efectuează pe amestecul
cu granulozitatea de referința încercarea Proctor. Având valoarea Proctor, cunoscând umiditatea amestecului
de agregate, nisip și filer se determina cantitatea de apă de adaus. Groso-modo, umiditatea de referința este
cu 2 puncte procentuale sub valoarea umidității optime de compactare Proctor.
Odată stabilită granulozitatea și umiditatea de referință, se fabrică câteva șarje pentru stabilirea unei
valorii optime a conținutul de bitum.
Tabelul III.3 - Rețetele elaborate (procentaje raportate la masa totala)
Reteta FOAMIX reteta 0/14 reteta 0/10
agregate de
Nobleau
10/14 25,0 % 0 %
6/10 9,0 % 21.6 %
4/6 10,0 % 18,7 %
2/4 21,1 % 21,0 %
0/2 33,6 % 37,2 %
Filer 1,3 % 1,3%
bitum 3,5 % 3,5 %
umiditate 5,0 % 5,0 %
După fabricațiile preliminare pentru punerea la punct a rețetei (tabelul III.3), echipamentelor și
metodelor de investigație, s-a trecut la producția in laborator a mixturii pentru studiul parametric privind
fabricația mixturii cu bitum spumat (fabricațiile notate F11 – F39).
III.1.2 Elaborarea rețetei pentru mixtura cu bitum spumat
Tehnologia cu bitum spumat prezintă avantajul că se poate utiliza o gama larga de agregate din punct
de vedere al naturii petro-mineralogice. Remarcăm că, spre deosebire de anrobatele bituminoase, nu avem
limitări legate de adezivitatea bitum – agregate [3, 5, 28]. În plus, agregatele nu necesita spălarea și eliminare
a prafului [27]. In cazul nostru, având în vedere că s-a dorit și obținerea unei rețete de mixtură cu performante
superioare, au fost folosite agregatele uzuale folosite la mixturile asfaltice la cald. Pentru fabricația de
referința, s-a folosit bitumul Shell pentru care s-au făcut cele mai numeroase teste de spumare – bitumul N
70/100, pur sau aditivat cu agentul de spumare TEGO Addibit FS 700.
15
III.1.2 Procedura de lucru pentru fabricarea mixturii cu spuma de bitum
Pentru a se limita la maxim parametrii ce țin de erorile induse de factorul uman sau de condițiile
ambientale, pentru a evalua incertitudinea măsurătorilor, s-a lucrat procedurat începând de la pregătirea
agregatelor, reglajele echipamentelor, verificările de rutina cu măsurarea și înregistrarea sistematica a
parametrilor conveniți, timpii de pre-malaxare, malaxare, momentul și modul de introducere a spumei,
prelevarea eșantioanelor pentru determinarea caracteristicilor precum și a mixturii pentru confecționarea
epruvetelor.
III.1.2. Procedura de lucru pentru fabricarea spumei de bitum si a mixturii
Mașina de producere a spumei FoamLab era pusa în funcțiune cu aproximativ 4-5 ore înainte de
fabricație: pornirea circuitului de încălzire cu setarea temperaturii la 170°C, în paralel cu încălzirea bitumului
în etuva la aceiași temperatura (2-3 ore), deschiderea și verificarea presiunii aerului (la valoarea fixa de 8 bar)
și reglarea contrapresiunii din circuitul de aer (la valoarea de 6,5 Bar). De fiecare dată s-a folosit bitum direct
din recipientele sigilate și puse la dispoziție de partenerul Shell (~12,5Kg/recipient). Odată cu stabilizarea
temperaturii se putea trece la fabricația spumei și introducerea acesteia în malaxor. Cu toate acestea, înainte
de fiecare fabricație, se verifica debitul de bitum prin 3 injecții succesive de bitum, cu durata de 5 s, intr-un
vas ce era apoi cântărit. Apoi, prin câteva injecții în vase curate, era verificata spumarea, prin măsurarea
expansiunii maxime, iar în timpul injecției se verificau presiunile și temperaturile indicate de instrumente. De
asemenea, se verifica și temperatura spumei din recipient, imediat după injecție.
Pentru fabricațiile mixturii, așa cum am prezentat, din considerente de omogenitate a mixturii, s-a ales
rețeta 0/10. Timpul de pre-malaxare a rămas fixat la 2 min. Foarte important, pre-malaxarea pentru umezirea
amestecului se făcea numai înainte de injecția spumei, pentru a avea referința precisa a umidității agregatelor.
Masa unei șarje a fost de 40kg (agregate + filer). Parametrii vizați în studiul nostru s-au referit și la regimul de
malaxare, deci s-a optat pentru 2 viteze de rotație a arborilor malaxorului: 80 rot./min, respectiv 130 rot./min.
III.2 Determinările de laborator efectuate pentru caracterizarea mixturii cu bitum spumat
Se poate afirma că alegerea metodelor de caracterizare a mixturii cu spumă de bitum poate fi
considerată o temă de cercetare distinctă. În sprijinul acestei afirmații se poate prezenta și argumentul că circa
un sfert din timpul alocat proiectului de la LCPC, s-a evaluat eficienta metodelor de încercare și evaluarea
incertitudinilor de măsura. La finalul studiului s-a decis folosirea atât a unor determinări standardizate de
laborator, dar și încercări noi și originale dezvoltate în aceasta faza a proiectului.
Metodele de încercare au vizat 2 obiective:
- caracterizarea meso-structurii mixturii,
- determinarea caracteristicilor mecanice (in principal rezistenta la compresiune).
O primă serie de metode de evaluare le putem clasifica ca fiind metode de caracterizarea directa a
meso-structurii. Pentru evaluarea directa a microstructurii și distribuției s-a pornit de la încercarea Rouen
folosita pentru determinarea conținutului de bitum. Astfel, au fost prelevate cate 2 eșantioane din mixtura și
prelucrate în paralel (pentru evaluarea incertitudinii de măsura). Prin uscarea în etuva, s-a determinat și
conținutul de apă, iar apoi, s-a extras bitumul din mixtura prin spălare cu solventul percloretilena. După
prelevarea cantității de solvent necesare pentru determinarea conținutului de bitum, agregatele spălate cu
solvent au fost uscate și s-a putut obține prin cernere curba granulometrica specifica. Determinarea
granulizitatii s-a efectuat conform standardului francez P18-560, prin cernere (similar SR EN 12697-2:2003).
III.2.1 Caracterizarea fizico-mecanica
În final, dupa evaluarea mai multor metode de încercare, s-a ales soluția de evaluare a rezistentei
mecanice prin adaptarea metodei Duriez de la evaluarea mixturilor realizate cu emulsie bituminoasa (norma
franceza „Essai Duriez” – NF P 98-251-4) [30]. Metoda Duriez se referă la procedura de compactare și
16
evaluarea rezistentei la compresiune pentru epruvete maturate în atmosfera controlata și în imersie în baia de
apă. Testele preliminare au confirmat că se pot obține performante superioare cu mixtura fabricată, îndeosebi
referindu-ne la raportul r/R, raportul rezistentei la compresiune intre epruvetele maturate o săptămână în aer și
o săptămână imersate (r) și rezistenta la compresiune după maturarea în aer doua săptămâni săptămâni (R).
Astfel, s-a obținut un raport superior valorii de 0,3, valoare impusa ca o condiție minimală de calitate pentru
mixtura cu emulsie bituminoasa.
III.2.2 Determinarea conținutului de bitum prin metoda Rouen
După uscarea în etuvă, conținutul de bitum s-a determinat prin metoda Rouen (standard francez XP T
66-041) . Încercarea Rouen presupune evaluarea bitumului dizolvat în solvent prin cântărire și evaporare,
după separarea prealabila a parții fine prin centrifugare (depunerea sub formă de sediment a parții fine) [32].
III.2.3 Determinarea constituenților mixturii pe clase dimensionale (test de „des-anrobare pe clase”)
Pentru evaluarea cantitativă a meso-structurii s-a elaborat o metodă nouă care la data cercetării
efectuate la LCPC nu figura în nici o lucrare de specialitate. Dat fiind că se baza pe separarea pe clase
granulare prin cernere și extragerea bitumului prin spălare în solvent, am numit-o pe scurt „metoda de des-
anrobare pe clase”. Clasele granulare au fost stabilite pornind de la sitele utilizate curent la determinarea
granulozității mixturilor, ulterior fiind redus numărul de site în domeniile unde s-a observat un conținut
nesemnificativ de bitum.
III.2.3.a Procedura de încercare
Încercarea s-a efectuat pe 2 eșantioane în paralel. Eșantionul a fost cernut manual sub un jet de apă
rece pentru a separa constituenții mixturi (figura III.4). Cernerea s-a efectuat intr-o cuva, ceea ce a permis
recuperarea parții fine prin decantare (trecerile prin sita de 0,08mm). Fiecare clasă rămasă în sită, a fost
introdusă în recipiente și introduse apoi în etuvă pentru uscare la 105°C. După uscarea timp de 24 de ore în
etuvă, se determină conținutul de bitum și granulozitatea din fiecare recipient prin încercarea Rouen (metoda
prezentata anterior). Clasele dimensionale selectate au fost date de cele 8 site utilizate: 4 / 2 / 1 / 0,5 / 0,315 /
0,08 mm.
III.2.3b Înterpretarea rezultatelor
Practic, mixtura este cernuta de 2 ori, Astfel, definim clasa dimensionala a unei particule „d” particula
rămasă în sita cu ochiul cu deschiderea corespunzătoare „d”. Daca după a 2-a cernere, după spălarea în
solvent, particula poate trece sau nu sita cu deschiderea ochiurilor „d”. Odată trecuta prin sita inferioara (d-1)
particula spălata în solvent poate rămâne aici sau sa treacă mai departe (figura III.4).
Pentru a putea face analiza particulelor corespunzătoare unei clase dimensionale, urmare și a
observațiilor efectuate la microscop, am considerat că acestea se împart în 3 clase (figura III.5):
- tip A - particule curate (agregate) care nu trec prin ochiurile sitei nici după a 2-a cernere – acestea
constituind majoritatea masei de mixtura;
- tip B - particulele „pătate” cu bitum, particule care după a 2-a cernere trec de sita cu deschiderea
ochiurilor „d” și rămân în sita imediat inferioara.
- tip C - particulele de mastic – conglomerate de fine cu bitum. Im mare parte aceste particule trec după
spălare prin mai mult site inferioare, în mare parte găsim partea fina în aceste particule care trec și
prin sita de 0,08 mm. Încă de la începutul studiului, s-a intuit că distribuția și cantitatea acestora se
prezintă ca un factor determinat pentru calitatea mixturii.
17
Figura III.4 – Separarea compușilor mixturii pe clase
dimensionale
Figura III.5 – Reprezentarea schematica a separaii celor 3
tipuri de de granule constituente a mixturii
Pornind de la evaluarea cantitativa a acestor clase de particule, în conformitate cu procedura de laborator
dezvoltata, putem spune că avem o caracterizare a ceea ce am numit meso-structura mixturii prin parametrii
(măsurate în procente raporatate la masa totală a mixturii):
- conținut de bitum pe clasă,
- conținut de mastic pe clasă,
- conținut particule pătate.
Pentru calcule am elaborat buletine de încercări sub formă de calcul tabelar în Excel, astfel după
introducerea maselor de agregate ramase pe fiecare site, înainte și după spălarea în solvent, sa se calculeze
automat repartiția celor 3 tipuri de particule pe fiecare clasă (tabelul III.6).
Tabelul III.6 – Calculul tabelar al pierderii de masa pe fiecare clasa după spălarea în solvent
clasa masa
conținut
de masa ramase după spălarea în solvent
gran. mixtura bitum agregate >4/4 4/2 2/1 1/0,5 0,5/0,315 3,15/0,08 <0,08
[mm] [g] [%] [g] [g]
4 398,2 0,37 398,2
pie
rder
e d
up
ă so
lven
t /
clas
a 390,8 2,8 0,2 0,6 0,5 1,1 2,2
2 211,3 6,10 199,2 0,6% 178,9 10,4 1,1 0,7 2,0 6,1
1 134 10,93 120,8
8,6% 108,3 4,8 0,2 1,2 6,3
0,5 73,9 7,10 69,0
14,6% 66,0 1,1 0,4 1,5
0,315 29,5 1,89 29,0
8,7% 27,7 0,6 0,6
0,08 48,9 1,25 48,3
4,1% 46,6 1,7
<0,08 117,7 0,30 117,4
4,7%
Relațiile de calcul pentru determinarea maselor celor 3 tipuri de particule sunt:
DB
DDB
DA
bRTM
bRM
RM
)1(08.008.0
unde: - – un coeficient ce tine cont de granula de mastic care se oprește în deschiderea sitei D
18
33
08,008.0
008,01,0*22,0
DRT
- RD – rămase în sita cu ochiuri D
- bD – conținutul de bitum în clasa rămasa pe sita D
- R0.08 , T0.08 – ramase și treceri prin sita de 0,08
Având în vedere că modelul matematic privind caracterizarea mixturii pornind de la structura mixturii
a fost elaborat la final, primele evaluări privind corelarea cu calitatea mixturii au fost efectuate prin
interpretarea grafica a rezultatelor (figurile III.6, III.7). Astfel, am putut intui mai ușor parametrii de influenta
și forma funcțiilor.
Figura III.7 – Distribuția celor 3 tipuri de constituenți pentru fiecare clasă dimensională
III.2.4 Determinarea rezistentei la compresiune
III.2.4.a Încercarea Duriez
In metodologia de laborator franceză, oarecum in similitudine ca utilizare cu metodologia Marshall,
avem metodologia Duriez. Metoda se aplică atât pentru încercarea mixturilor bituminoase la cald, dar și
pentru mixturile cu emulsie bituminoasa. Pentru mixtura cu emulsie bituminoase, conform standardului NF P
98-251-4 procedura de laborator poate fi rezumată astfel [30]:
Pentru o mixtură cu agregate inferioare clasei 14mm se utilizează pentru compactare cilindri metalici cu
diametrul de 80 mm cu pistoane la ambele capete. Compactarea se face în regim static cu o forță de 60KN,
menținută 4 min. cu o precizie de +/- 1 KN. Respectând această procedură au fost evaluate 4 fabricații (F10,
F11, F12, F17).
III.2.4.b Punerea la punct a unei metode Duriez simplificate
Pentru a derula mai rapid studiul parametric dorit pentru mixtura cu bitum spumat in vederea
colectării de cat mai multe date experimentale, pentru a strânge mai multe date pentru o interpretare statistica
relevantă, am elaborat o procedură simplificata [1]. În principiu, am renunțat la maturarea epruvetelor
imersate. Aceasta decizie a fost luată după studiul măturarii epruvetelor.
III.2.4c Protocolul de încercare la determinarea rezistentei la compresiune
Protocolul de laborator simplificat pentru determinarea caracteristicilor Duriez s-a procedurat după cum
urmează:
- Ziua Z: Pregătirea a 6 epruvete. Mixtura se cântarea și era depusă în tipare, închise la ambele capete cu
19
pistoanele aferente și păstrate la temperatura camerei;
- Ziua Z+1: Compactarea epruvetelor cu o încărcare statică de 60KN, timp de 4 min.
- Ziua Z+2: Decofrarea epruvetelor, după ce au fost păstrate 24 de ore la temperatura ambiantă, cântărirea
acestora și depozitarea în camera climatică în condiții la 20°C și umiditate relativa în atmosferă de 50 % ;
- Ziua Z+8: Determinarea masei volumetrice prin cântărire și măsurare diametrului și înălțimii
epruvetelor. Pentru 5 epruvete se determină rezistenta la compresiune (încărcare statica, viteza de
înaintare a pistonului presei de 1 mm/s). A 6-a epruvetă s-a păstrat pentru determinarea densității prin
metoda hidrostatică.
III.2.5 Determinarea masei volumice aparente
Masa volumică aparenta s-a determinat prin metoda hidrostatica în conformitate cu standardul francez
NFP 98-250-6 [32]. Evaluarea densității s-a făcut pentru toate epruvetele și prin estimarea geometrica a
volumului (măsurarea înălțimii epruvetelor), astfel s-a constatat că aceasta a fost o buna estimare, întrucât
media pe un lot a fost întotdeauna apropiata de densitatea determinata conform standardului. Cu aceasta
estimare rapida a densității am verificat repetabilitatea compactării.
III.2.6 Microscopie
Așa cum am menționat anterior, pentru a avea o estimare despre mezostructura mixturii au fost făcute
observații la microscopul optic și la lupa (figura III.10). Au fost obținute imagini ale agregatelor prelevate din
mixtura, agregate spălate, filamente de bitum, și mastic bituminos. A fost nevoie de ambele determinări
întrucât, chiar daca microscopul are putere de mărire mai mare, nu prezintă profunzime a imaginii.
Figura III.10 – Imagini obținute la microscop (stânga) și la lupa (dreapta)
7 Analiza petelor de bitum pe hârtie de filtru
Un alt test pentru evaluarea indirectă a structurii și omogenității amestecului a fost conceput pornind
de la ideea că pot fi folosite intr-o analiză imagistică petele de bitum impregnate pe o hârtie pusă intre piston
și mixtura, la compactarea epruvetelor. Inițial s-a dorit ca prin această metodă să dezvoltam un procedeu
simplu de evaluarea a calității mixturii ce poate fi implementat la stațiile de fabricație a mixturii cu bitum
spumat, în analogie cu testul Schelemberg pentru mixturile cu fibră.
Procedura concepută pentru obținerea urmelor de bitum s-a făcut în paralel cu procedura Duriez
menționata anterior. După decofrare și maturarea epruvetelor hârtia a fost desprinsa (figura III.11, dreapta) și
s-a scanat (figura III.12, stânga) pentru a putea fi analizată imaginea cu softuri specializate de analiză
imagistică (figura III.12, dreapta).
20
Figura III.12 – Hârtie pătată și imagine scanată pentru prelucrare imagistică
IV. PROGRAM EXPERMINETAL DE LABORATOR PENTRU STUDIUL
PROCEDEULUI DE FABRICATIE AL MIXTURII CU BITUM SPUMAT
Odată stabilite configurațiile și reglajele echipamentelor de laborator utilizate la fabricația mixturii cu
spumă de bitum, evaluarea procedurilor și metodelor de investigație, s-a trecut la producerea în laborator a
mixturii cu bitum spumat pentru stabilirea influenței la fabricație a parametrilor considerați semnificativi în
procesul de fabricație, pentru o rețetă dată. În cadrul acestui program de laborator s-au efectuat un număr total
de 29 de fabricații, folosind rețeta 0/10 (fabricațiile notate de la F11 la F39), și confecționarea unui număr de
aproximativ 180 epruvete [1].
IV.1. Fabricațiile de mixtura cu bitum spumat în laborator și datele experimentale obținute
IV.1.1. Determinarea rezistentei la compresiune specifice rețetei 0/10
Așa cum am precizat în capitolul anterior, pentru evaluarea rezistentei mecanice a mixturii cu bitum
spumat compactate am utilizat metodologia Duriez aplicată mixturilor cu emulsie bituminoasă.
Pentru fabricația F11, în tabelul IV.1 sunt prezentate toate rezultatele determinărilor prevăzute în
standardul procedurii Duriez [29]. Se observă că avem o compactare a epruvetelor repetabilă. Conținutul de
apă pentru epruvetele imersate (valoare medie de 2,98%) nu depășește valoarea inițiala a conținutului de apă
al mixturii de 4,7%, ceea ce denotă că procesul de maturare prin uscare a epruvetelor este ireversibil (în
condiții de umiditate mare, mixtura nu își pierde compactarea).
În tabelul IV.2 sunt prezentate valorile medii pentru încă 3 fabricații a căror rezistentă la compresiune s-
a făcut conform procedurii Duriez standardizate. Deși pentru două fabricații am obținut valori
nesatisfăcătoare, dat fiind că am identificat cauzele care au condus la aceste valori nesatisfăcătoare, am
concluzionat că testarea rezistentei mecanice a epruvetelor cu această procedura este relevantă pentru
stabilirea calității mixturii și că există o bună corelație intre rezistenta la compresiune între epruvetele
maturate liber în aer și cele care s-au maturat în aer și cele imersate.
Rezultatele obținute pentru încercarea Duriez demonstrează că se pot obține cu ușurință
performante similare și chiar superioare comparativ cu mixturile cu emulsie, la un conținut de bitum
similar.
21
Tabelul IV.2 - Rezultatele încercării Duriez
Nr.
fabricația
cont. de bit.
(%)
R
[MPa]
r
[MPa]
umiditatea medie a epruvetelor
după imersie
(%)
r/R
densitatea
aparenta
(met. hidrostatica)
(g/cm3)
F10 3,7 3,14 0,87 3,8 0,28 2,23
F11 4,5 4,34 1,44 3,8 0,33 2,33
F17 3,6 3,92 1,45 4,0 0,37 2,33
IV.1.2. Campania experimentala pentru studiul parametrilor de fabricație
Campania experimentală numită pe scurt „studiul parametric” a vizat stabilirea parametrilor
predominanți, precum și influenta lor în procesul de fabricație pentru o rețeta dată de mixtură cu bitum
spumat.
În urma observațiilor efectuate, atât din efectuarea studiului documentar, dar și a concluziilor trase în
urma fabricațiilor preliminare pentru stabilirea rețetei, au fost luați în considerați parametrii de interes ce au
părut cei mai importanți. În pus, în urma discuțiilor cu partenerii proiectului (finanțatori ai proiectului), a fost
restrâns numărul acestora și în funcție și de prioritățile acestora pentru valorificarea cercetării (îndeosebi ai
producătorul de echipamente Fayat Group), în scopul utilizării concluziilor cercetării la îmbunătățirea
utilajelor și a aplicațiilor tehnologiei.
Parametrii de proces stabiliți au fost în număr de patru și s-a pus la punct un plan de încercări bazat pe
variația pe schimbarea succesiva a câte unui parametru (plan factorial). Parametrii de interes considerați au
fost:
- timpul de malaxare - t (20s și 60 s) ;
- viteza de rotație a arborilor malaxorului - v (130 rot./min. și 80 rot./min.) ;
- temperatura agregatelor - T (20°C și 5°C) ;
- calitatea spumei – a (bitum pur sau aditivat)
Parametrul „calitatea spumei”, în cazul studiului nostru, se refera la influenta utilizării aditivului pentru
spumare, și anume de aditivul TEGO Adibit, adăugat intr-un procent de 0,03% în bitumul Shell 70/100 N.
Caracteristicile spumei au fost determinate riguros cu parametrii ERm și t1/2,.
Notațiile fabricațiilor de laborator, variind acești parametrii sunt date în tabelul IV.3. Se observă că au
fost și fabricații repetate, în cazul în care au fost suspiciuni privind procedura de laborator sau rezultatele au
părut neconcludente din punct de vedere al incertitudinii determinărilor.
Tabelul IV.3. Planul factorial al fabricațiilor pentru studiul parametric
parametrii T = 20°C
aditiv 0%
T = 5°C
aditiv 0%
T = 20° C
aditiv 0,3‰
T = 5° C
aditiv 0,3‰
t = 60 s
v = 130 rot./min. F17, F19, F24 F22, F27 F31 F35
t = 20s
v = 130 rot./min. F18 F23 F32 F36
t = 60s
v = 80 rot./min. F20 F25 F33 F37
t = 20s
v = 80 rot./min. F21 F26 F34 F38
Toate fabricațiile, parametrii semnificativi, precum și determinările efectuate pentru evaluarea acestor
parametrii sunt prezentate în tabelul IV.4. În tabel sunt introduse toate fabricațiile, deși câteva s-au abătut de
la condițiile impuse inițial în studiul parametric, numite în continuare „fabricații atipice”.
Cele 8 fabricații atipice prezentate în tabel au fost efectuate suplimentar sau au fost efectuate pentru
22
evidențierea influentei anumitor parametrii pentru interpolări mai precise ale datelor din planul propus, sau
sunt că rezultat al erorilor de operare sau datorită dereglării echipamentelor, după cum urmează:
- F11 – injecție de 16 s, deci un conținut de bitum de 4,5% (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv),
- F12 – un conținut de bitum de 1,7% (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv),
- F13 - deschiderea accidentală a trapei de evacuare a malaxorului (t=15s, v=130 rot./min., T=20°C, fără
aditiv),
- F14 – șarjă albă pentru verificarea granulozității la malaxare,
- F15 – timp de malaxare 30 s (t=30s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv),
- F16 – timp de malaxare 90 s (t=90s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv),
- F29 – injecție de bitum „suflat” (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv),
- F30 și F39 – fabricații cu bitum pulverizat, fără spumă întrucât nu s-a injectat apă în camera de injecție
(t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv).
Tabelul IV.4 – tabel cu toate caracteristicila fabricațiilor efectuate pentru studiul parametric
Nr.
fab.
Debit apa
la
spumare
(ml/min.)
Timp de
malaxare
t(s)
Regim de
malaxare
v(rot./min)
Temp.
agregatelor
T(°C)
Utilizare
aditiv
TEGO
(0,003%)
(a)
Temp.
Mixtura
Tf(°C)
Conținut
de bitum
(x 2)
b(%)
Conținut
de apa
(x 2)(%)
Test
dezanrobare
pe clase
Rez. la
comp.
Masa
volumică
aparenta
(x 2)
(g/cm3)
R (x 5)
(MPa)
Ab.
std.
F10 590 60 130 20 NU 27,1 3,7 4,84 DA 3,14 0,52 2,23
F11 610 60 130 20 NU 27,2 4,5 4,51 NU 4,34 0,25 2,33
F17 620 60 130 20 NU 27,2 3,6 4,50 DA 3,92 0,09 2,33
F18 600 20 130 20 NU 27,2 3,65 4,67 DA 3,72 0,24 2,34
F19 610 60 130 20 NU 27,2 3,3 4,50 NU 3,76 0,18 2,28
F20 580 60 80 20 NU 26,4 4,1 4,60 NU 3,9 0,31 2,31
F21 620 20 80 20 NU 28 4,8 5,10 NU 3,4 0,21 2,34
F22 600 60 130 5 NU 19,6 4 4,80 NU 3,53 0,26 2,29
F23 630 20 130 5 NU 21,1 4,7 5,00 NU 3,03 0,25 2,25
F24 620 60 130 20 NU 27,2 3,8 4,10 NU 4,27 0,29 2,31
F25 590 60 80 5 NU 17,7 2,3 5,50 NU 2,23 0,33 2,28
F26 640 20 80 5 NU 21,2 3,8 5,40 NU 2,85 0,22 2,29
F27 650 60 130 5 NU 20 3,4 4,95 DA 2,97 0,13 2,36
F28 700 60 80 5 NU 19,7 3,6 5,00 DA 3,21 0,19 2,33
F32 650 20 130 20 aditiv 32 3,5 4,98 NU 4,45 0,25 2,33
F33 650 60 80 20 aditiv 32 3,3 4,88 DA 4,53 0,22 2,32
F34 620 20 80 20 aditiv 32,2 2,9 4,53 NU 3,69 0,32 2,27
F35 400 60 130 5 aditiv 27,5 3,6 4,54 DA 3,75 0,14 2,30
F36 640 20 130 5 aditiv 29,5 3,5 4,50 NU 3,85 0,37 2,31
F37 400 60 80 5 aditiv 27,5 3,5 4,85 DA 3,87 0,17 2,30
F38 510 20 80 5 aditiv 25,6 2,9 4,48 NU 3,46 0,12 2,29
F12 420 60 130 20 NU 27,225 1,7 4,32 NU 2,38 0,54 2,31
F13 580 15 130 20 NU 27,225 3,65 4,74 NU 1,96 0,2 2,29
F29 - 60 130 20 Bit. suflat 30.1 3,6 4.95 DA 1,86 0,09 2,34
F30 0 60 130 20 NU 30.5 3,6 4,20 DA 4,17 0,19 2,33
F31 250 60 130 20 aditiv 31,8 3,3 3,60 DA 2,71 0,04 2,30
F39 0 60 130 20 NU 31.7 4,0 4,23 NU 4,61 0,16 2,29
IV.1.3 - Estimarea incertitudinilor determinărilor de laborator efectuate
Pentru a stabili cu certitudine că variațiile rezistentei la compresiune în funcție de care vom dezvolta
modelele sunt date de variația parametrilor și nu de abateri de la rețeta de fabricație (0/10), conținutul de apă,
conținutul de bitum, precum și de granulozitate (îndeosebi conținutul de parte fina), acestea au fost
23
determinate suplimentar pentru toate fabricațiile. Sinteza acestor determinări este prezentata în tabelul IV.4.
La evaluarea incertitudinii am folosit valorile medii și abaterea standard, toate evaluările fiind făcute
pentru un factor de încredere k=1. Pentru mai multe determinări ale aceluiași parametru, dar care se determina
prin mai multe măsurători, am evaluat abaterea standard a mediilor pentru respectivele determinări, dar și
media abaterilor standard pentru măsurătorile care au dat o determinare. Când abaterea standard pentru
determinarea respectiva este mult diferita (mai mult de un ordin de mărime) de media abaterilor standard pe
măsurători, parametrul respectiv trebuie considerat că o variabila, nu mai poate fi considerat că o constantă în
calcule. Astfel, putem spune că valoarea abaterii standard a mediilor oferă informații despre omogenitatea
determinări parametrului respectiv, iar abaterea standard a mediilor măsurătorilor pentru determinarea unui
parametru da informații despre repetabilitatea metodei [33].
Pentru fiecare din cele 29 de fabricații am efectuat sistematic următoarele determinări:
- rezistenta la compresiune Duriez pe câte 5 epruvete (maturate fără imersie, conform procedurii
„metoda Duriez simplificată”
- densitatea aparentă, prin metoda cântăririi cu balanța hidrostatica, pe câte o epruvetă,
- umiditatea pe câte 2 eșantioane prelevate din mixtură,
- conținutul de bitum pentru câte 2 eșantioane prelevate din mixtură,
- curba granulometrică, pentru câte 2 eșantioane prelevate din mixtură.
Pentru 11 fabricații, s-a efectuat testul de dezanrobare pe clase (prezentat în capitolul 3), pe câte 2
eșantioane prelevate din mixtura (F15, F17, F18, F27, F28, F29, F30, F31, F33, F35, F37). Aceste teste au
reconfirmat determinările de conținut de bitum, umiditate și curba granulometrică.
IV.1.3 a – Stabilitatea curbei granulometrice
Curba granulometrică medie pentru valorile din tabelul IV.6. este prezentata în figura IV.1. Curba roșie
indică curbă granulometrică a rețetei proiectate, iar curba albastră este curba granulometrică medie a tuturor
fabricațiilor, valorile medii având reprezentate sub forma de bare de eroare abaterile standard date de
cântăririle trecerilor prin sită. Astfel, se observă că aceasta medie se încadrează în abaterea de la rețetă
proiectată, aceasta incertitudine include atât abaterea standard dată de incertitudinea dată de cântărirea
trecerilor, dar și reproductibilitatea metodei de determinare prin cernere.
Figura IV.1 Curba de granulozitate (figurata că domeniul dat ecart-tipul determinării)
În plus, am mai avut o estimare suplimentară a granulozității și a incertitudinii de determinare prin
comparația intre curba granulometrica obținută prin prelevarea eșantionului și curba granulometrică
0.31
5
0,08 0,2
0,5 2 4 5
6,3 8
12,5 14
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.01 0.1 1 10 100
ochiuri site [mm]
trec
eri
[%]
RETETA 0/10
Media pentru toatefabricatiile (F10 -F39)
24
recompusă după testul de dezanrobare pe clase sunt apropiate (tabelul IV.5).
IV.1.3 b – Conținutul de parte fina al amestecului granular (treceri prin sita de 0,08mm)
Conținutul de parte fină s-a făcut pentru eșantioanele prelevate din mixtură, dar și din reconstrucția de
la testul de dezanrobare pe clase dimensionale. Pentru primul set de determinări valoarea medie obținută a
fost de 8.52%, cu abatere standard medie de 0,89% și un abatere standard a mediilor pe toate determinările de
1,8%. Valoarea obținută ca rezultat al dezanrobării pe clase este ușor mai mare, este de 9,6%, dar și cu o
creștere a abaterii standard a mediilor la valoarea de 1,20%. Creșterea abaterii standard este justificată, ținând
cont de multitudinea de operații suferite de eșantion precum și de propagarea erorilor în formulele de calcul,
dar și deoarece colectivul statistic este mai mic decât pentru primul set de determinări pe eșantioanele
prelevate direct.
IV.4.3.c. Incertitudinea la determinarea conținutului de bitum și de apa
Media conținutului de bitum pentru toate fabricațiile este de 3,55%, cu o abatere standard de 0,18% și o
abatere standard a mediilor de 0,57%. Comparând valorile conținutului de bitum de pe eșantioanele de
mixtura cu valorile obținute prin recompunerea de pe eșantioanele pentru care s-a făcut dezanrobare pe clase,
se constată că precizia metodei din urma și modul de calcul sunt corecte. Observația este foarte importanta,
întrucât așa cum am prezentat în capitolul anterior, metoda de dezanrobare pe clase este o procedura
nestandardizata complexa și dezvoltată în cadrul acestui studiu, deci avem în plus o confirmare a
corectitudinii procedurii de operare și a calculelor numerice efectuate.
De altfel, pentru conținutul de bitum observăm că valoarea abaterii standard a mediilor de 0,57% (care
include și reproductibilitatea fabricațiilor) este mai mare decât media abaterilor standard pentru fiecare
fabricație, în valoare de 0.19%. Deci, avem o incertitudine semnificativa pentru studiul parametric referitor la
dozarea bitumului. Astfel, în studiul a fost necesar ca parametrul conținut de bitum să fie considerat o
variabilă.
O explicație a variațiilor importante a dozajului de bitum poate fi dată de contra-presiunea din camera
de injecție care poate varia datorită instabilității debitului de apă injectat în cameră.
În continuare prezentam analiza pentru determinarea conținutului de apă în mixtură.
Determinările sunt media pe cele 2 eșantioane, cu prelevarea riguroasă a acestora, imediat după
fabricație, conform procedurii stabilite. Valoarea medie pentru toate fabricațiile efectuate este de 4,9%, cu o
abatere standard de 0,32%, pentru o fabricație. Abaterea standard a mediilor pe fabricații este de 0,18%.
Valoarea abaterii standard a mediilor dă informații despre omogenitatea mixturii fabricate, iar media
abaterilor standard al determinărilor dă informații despre repetabilitatea fabricației.
Observam că s-a obținut o valoare de medie 4,9%, deși dozarea apei la pre-malaxare s-a făcut foarte
precis (măsurata cu vas gradat), și corelată cu umiditatea nisipului pentru o valoare proiectată din rețetă de
5,0%. La această valoare se mai poate adaugă un maxim de aport suplimentar de apă de 0,2- 0,4% dat de apa
ne-evaporată din spumă de bitum injectată la fabricație. Constanta masei de apă injectată în spumă s-a evaluat
din indicațiile citite pe debitmetru în momentul injecției. Astfel, putem afirma cu certitudine că avem o
pierdere a apei de circa 0,1 – 0,2 puncte procentuale în timpul malaxării prin evaporare. Parametrii care
influențează vaporizarea, în cazul nostru, sunt temperatura spumei (funcție de presiunea din camera de
injecție) și temperatura agregatelor.
Pentru anumite fabricații, s-au efectuat determinări suplimentare ale umidității din materialul prelevat
din contraprobele păstrate. Valoarea medie obținută pentru aceste fabricații a fost inferioară cu 0,72% față de
media determinată pe eșantioanele prelevate la fabricație (valoare justificată).
IV.1.3.d. Reproductibilitatea fabricațiilor de mixtură folosite la studiul parametric
Omogenitatea fabricațiilor este sistematic mai bună decât omogenitatea unei fabricații (șarje). Estimarea
omogenității prin calcularea abaterii standard este de 0,28% pentru umiditate, 0,54% pentru conținutul de
bitum și 0,35% pentru conținutul de fine. Aceasta estimare s-a obținut prin considerarea dispersiei intre
fabricații însumata cu dispersia data de diferența dintre cele 2 determinări în paralel pentru aceiași fabricație.
25
Această ultimă dispersie include omogenitatea fabricației (șarjei), eroarea de eșantionare și eroare
maturatorilor. Abaterea standard asociată pentru aceasta dispersie este: 0,18% pentru umiditate, 0,19% pentru
conținutul de bitum și 0,85% pentru conținutul de fine.
Valorile obținute pentru rezistenta la compresiune, pentru toate epruvetele sunt prezentate în tabelul
IV.9. Valoarea medie pentru toate fabricațiile (deci, aceiași rețeta vizată, granulozitate 0/10, conținut de bitum
3,5%) a fost 3,5MPa. Valoarea este bună și similară cu cele obținute pe alte mixturi la rece cu granulozitate
similară, dar care au un conținut de bitum mult mai mare.
Valoarea abaterii standard pentru aceste determinări este de 0,22 MPa, valoare pe care o putem
considera ca incertitudinea de determinare a rezistentei la compresiune.
De asemenea observam și aici o diferență semnificativă intre omogenitatea fabricațiilor și omogenitatea
unei șarje. Deci, eterogenitatea parametrilor observată se transmite și pentru rezistența la compresiune, ceea
ce reprezintă o confirmare în plus că alegerea a fost corectă pentru parametrii vizați și monitorizați pentru
toate fabricațiile.
IV.2 Prelucrarea datelor experimentale. Analiza influentei parametrilor ce caracterizează
fabricația mixturii cu bitum spumat (studiul parametric)
Studiul de laborator referitor la fabricația mixturii cu bitum spumat, numit pe scurt „studiu parametric”
a urmărit să stabilească ce parametrii sunt determinanți pentru obținerea calității mixturii cu bitum spumat.
Pentru acest studiu au fost reținuți parametrii care au fost stabiliți de comun acord cu partenerii proiectului,
având prioritate parametrii de interes, îndeosebi pentru producătorul de echipamente Fayat, în scopul utilizării
concluziilor cercetării la îmbunătățirea utilajelor și utilizării acestora.
Masa volumică aparentă medie este de 2,310 g/cm3, cu abatere standard de 0,027 g/cm
3. Deci, avem un
coeficient de variație de ~1%, ceea ce definește o compactare repetabila.
Parametrii de proces vizați inițial la au fost în număr de patru și s-a convenit studiul bazat pe
schimbarea individuala a câte unui parametru (plan factorial), pentru un domeniu relativ restrâns. Aceștia au
fost:
- timpul de malaxare (t ; 20s și 60 s) ;
- viteza de rotație a arborilor malaxorului (v ; 130 rot./min. și 80 rot./min.) ;
- temperatura agregatelor (T ; 20°C și 5°C) ;
- calitatea spumei de bitum (a ; bitum Shell 70/100 N pur și același bitum cu aditivul
Goldschmidt TEGO Adibit intr-un procent de 0,03%).
Tabelul IV.10 - Planul factorial al fabricațiilor pentru studiul parametric
T 20°C
aditiv 0%
T 5°C
aditiv 0%
T 20° C
aditiv
0,3‰
T 5° C
aditiv
0,3‰
t 60 s; v 130 rot./min. F17, F19, F24 F22, F27 F31 F35
t 20s; v 130 rot./min. F18 F23 F32 F36
t 60s; v 80 rot./min. F20 F25 F33 F37
t 20s; v 80 rot./min. F21 F26 F34 F38
Pe lângă aceste fabricații, au mai fost luate în considerare încă 8 fabricații suplimentare și câteva
realizate „accidental” (erori de operare sau defecțiuni ale echipamentelor), dar care au fost totuși utile pentru
evidențierea influentei anumitor parametrii și interpolări mai precise ale datelor din planul propus inițial:
- F11 – injecție de 16 s, deci un conținut de bitum de 4,5% (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C,
fără aditiv) - F12 – un conținut de bitum de 1,7% (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv)
26
- F13 - deschiderea accidentală a trapei de evacuare a malaxorului (t=15s, v=130 rot./min.,
T=20°C, fără aditiv)
- F15 – timp de malaxare 30 s (t=30s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv)
- F16 – timp de malaxare 90 s (t=90s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv)
- F29 – injecție de bitum „suflat” (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv)
- F30 și F39 – fabricații cu bitum pulverizat, fără spuma întrucât nu s-a injectat apa în camera
de injecție (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv)
Tabelul IV.9 - Determinare rezistenta la compresiune (testul „Duriez simplificat”)
Nr.
fabricație
Densitatea
hidro.
(g/cm3)
Rezistenta la compresiune (MPa)
medie
abaterea
standard pe epruveta
F10 2,331 2,95 0,52 3,51 3,05 2,98 3,15 2,46 2,56
F11 2,330 4,34 0,45 5,12 4,28 4,24 4,04 4,04
F12 2,314 2,38 0,25 2,34 2,19 2,11 2,68 2,58
F13 2,291 1,96 0,54 1,83 2,17 2,54 1,28
F15 2,301 3,16 0,20 3,35 3,00 3,31 2,92 3,25
F16 2,321 3,85 0,12 3,68 3,96 3,84 3,90
F17 2,328 3,92 0,11 4,02 3,94 3,94 3,76
F18 2,340 3,72 0,24 3,94 3,55 4,02 3,53 3,55
F19 2,289 3,76 0,18 3,57 3,92 3,78
F20 2,309 3,90 0,31 3,96 4,14 3,45 4,04
F21 2,340 3,40 0,21 3,78 3,35 3,35 3,45
F22 2,295 3,53 0,26 3,82 3,74 3,35 3,19 3,55
F23 2,246 3,03 0,25 3,35 3,03 3,07 2,66 3,03
F24 2,314 4,72 0,29 5,24 4,55 4,63 4,57 4,61
F25 2,277 2,23 0,33 2,07 2,56 1,75 2,46 2,31
F26 2,282 2,85 0,22 3,00 2,46 2,98 2,98 2,84
F27 2,359 2,97 0,13 3,07 2,84 3,13 2,96 2,86
F28 2,331 3,21 0,19 3,15 2,96 3,35 3,15 3,45
F29 2,338 1,86 0,09 1,77 1,91 1,75 1,87 1,97
F30 2,329 4,17 0,19 4,24 3,84 4,32 4,30 4,14
F31 2,300 2,71 0,04 2,72 2,74 2,66
F32 2,329 4,45 0,25 4,77 4,53 4,20 4,32
F33 2,324 4,53 0,22 4,30 4,41 4,63 4,45 4,85
F34 2,278 3,69 0,23 3,90 3,45 3,72
F35 2,299 3,75 0,14 3,55 3,84 3,86 3,76
F36 2,312 3,85 0,37 3,35 3,94 4,22 3,61 4,14
F37 2,320 3,84 0,17 3,76 3,74 3,70 4,14 3,84
F38 2,285 3,46 0,12 3,45 3,55 3,29 3,55
F39 2.313 4,61 0,16 4,39 4,61 4,59 4,59 4,85
val. medie 2,31 3,48 0,24 Media abaterilor standard
abatere
standard
0,027
0,73 Abaterea standard a mediilor
Pentru a găsi legătura intre parametrii de fabricație și calitatea mixturii dată prin rezistenta la
compresiune, am conceput modele statistice care pot cuantifica influenta parametrilor. Dat fiind că încă
de la stabilirea planului de încercări am dorit un domeniu de variație mic a parametrilor de fabricație,
pentru a rămâne în cadrul aceleiași tehnologi și rețete, am presupus o dependentă liniară a parametrilor
considerați, precum și independenta acestora. Pentru analiza datelor s-a folosit preponderent calculul
tabelar al Excel [34] și aplicația „Solver” – figura IV.4 (model de optimizare neliniara „Generalized
Reduced Gradient” dezvoltata de Frontsys.com). Astfel, s-a putut face foarte ușor calcule iterative
pentru determinarea coeficienților modelelor liniare, în care variabilele au fost parametrii de proces.
27
Am folosit și folosit programe tip ANOVA (T-tests and Analysis of Variance) pentru
interpretarea, disponibile pe internet, ce permit ușor interpretarea statistică și efectuarea testul Student
pentru identificarea covariantelor (figura IV.5) [35].
Modelele concepute au fost funcții în care rezistenta în compresiune se calculează că un model
liniar cu coeficienți care ponderează influenta parametrilor considerați. Interpolarea a fost făcută astfel
încât să minimizam abaterea pătratică medie dintre rezistenta la compresiune determinată experimental
și cea dată de modelul elaborat.
Pentru a caracteriza mai comod acuratețea modelului, am folosit reprezentarea grafică în care
figuram mărimea măsurata și pe ordonată, iar pe abscisă mărimea respectivă obținută cu modelul
elaborat [36]. Dreapta obținută prin regresie liniară a acestor puncte, cu cât se apropie mai mult de
funcția f(x)=x (diagonala ce pornește din origine), cu atât acuratețea modelului este mai buna. Această
metodă prezintă avantajul că pot fi interpretate intuitiv imediat de la desenarea graficului, ceea ce
permite analiza unui număr mare de combinații. În plus, prin aplicarea regresiei liniare pe punctele
graficului, obținem coeficientul de corelație R2, în baza căruia putem face interpretarea.
În continuare se prezintă interpretarea datelor centralizate în tabelul IV.4.
IV.2.1 Primul model liniar
Pentru analiza parametrilor vizați inițial în studiu, am considerat toate fabricațiile din tabel, mai
puțin fabricațiile atipice F12, F13, F29, F30, F31, F39. Având în vedere că nu s-a obținut precizia
injecției dorita a cantității de bitum sub forma de spuma, și pentru că parametrul conținut de bitum este
un parametru influent, a fost introdus în modelul parametric, pe lângă cei vizați inițial (notat cu b).
Cu aplicația „solver”, minimizând abaterea pătratica medie intre Rcalculat și Rmasurat, am ajuns la
următoarea formula de calcul pentru rezistenta la compresiune:
R = kt t + kv v + kT T + ka a + kb b [MPa]
unde: kt = 0,006 MPa/s,
kv = 0,012 MPa (rot./min)-1
kT = 0,060 MPa/°C
ka = 1,083 MPa
kb = 0,245 MPa
și unitățile de măsura utilizate :
t [s], v [rot./min], T [°C],
a – coeficient adimensional pentru utilizarea aditivului (valoare 0 - când nu este folosit aditivul și
1 – când am folosit aditivul)
b – coeficient adimensional pentru conținutul de bitum (raportul masic)
Corelația dată de model este data în reprezentarea grafică din figura IV.6.
Conform acestui model se observă cu ușurință că, pe lângă conținutul de bitum, o influentă
puternică o are și utilizarea aditivului utilizat la spumare. Totuși, acuratețea modelului nu este
satisfăcătoare (R2=60%). Deci, se pare că avem și alți parametrii care influențează rezistenta la
compresiune a mixturii compactate.
Având relația pentru determinarea rezistentei la compresiune, aplicând teorema de propagare a
erorilor (abaterea standard a unei funcții de mai multe variabile este data de suma abaterilor standard a
fiecărei variabile, ponderate cu derivata funcției în raport cu acea constanta), cunoscând abaterea
standard la determinarea conținutului de bitum, putem estima propagarea acestei valori la determinarea
rezistentei la compresiune conform modelului. Astfel, o abatere standard de 0,19 puncte procentuale la
determinarea conținutului de bitum duce la o incertitudine la calculul rezistentei la compresiune de
0,142 MPa. Aceasta valoare este aproximativ egala cu valoarea de 0,145 MPa, valoarea abaterii
standard pentru determinările rezistentei, măsurate pentru fabricațiile luate în calcul (si valoare
inferioara medii abaterilor standard de 0,25 MPa). Pornind de la aceste valori, deși avem un coeficient
de corelație scăzut, se poate afirma că principial avem un model corect, dar au fost omiși câtva
parametrii sau covariante de grade superioare intre parametrii deja considerați.
28
Figura IV.6 – Modelul funcție de timpul de malaxate, viteza arborilor, temperatura agregatelor, conținut
de bitum și aditiv
Considerăm ca fabricație de referință următorii parametri și valorile medii din tabelul IV.11 .
Tabelul IV.11 – Valori de referința pentru mixtura 0/10 proiectata Timp de
malaxare
Regim de
malaxare
Temperatura
agregatelor
Temp.
mixtura
Conținut
de bitum
Utilizare
aditiv
Conținut
de apa
Masa volumică
aparenta
Rezistenta la
compresiune
60 s 130 rot./ min 20°C 27,3°C 3,5% NU 4,5% 2,310 g/cm3 3,90 MPa
Pentru valoarea obținută cu modelul dat, amplitudinea variației date de un parametru este multiplicată
de coeficienții k. Aplicând testul Student, se determină ponderea fiecărui parametru din modelul liniar [33].
În tabelul IV.12 este prezentată o astfel de analiză.
Pornind de la aceasta referința, putem estima influenta parametrilor de referință.
Tabelul IV.12 - Analiza influentei parametrilor, în modelul liniar.
Parametrii t v T b a
Coeficienții de influenta
k…
0,006
0,012
0,06
0,245
1,083
Amplitudinea variației maxime a parametrilor 40 s 50 rot./min 15 °C 0,01 1
Coeficientul de influenta relativa 15% 9% 13% 24% 39%
T-test
variante egale 58% 34% 0,8% 3,2% 4%
variante diferite 57% 37% 0,9% 2,6% 2,5%
Analizând influenta parametrilor, constatăm că îi putem împărți în doua categorii, parametrii ce țin de
malaxarea (timpul de malaxare și viteza arborilor) și parametrii care țin de dozarea constituenților (umiditate,
dozaj de bitum și dozaj de aditiv).
Viteza de rotație a arborilor și timpul de malaxare sunt parametrii cei mai puțin influenți în acest model.
Chiar și fără acest model observăm că rezistenta epruvetelor fabricate cu mixtura malaxata 20s nu diferă
foarte mult de cea malaxată 60s (tabelul IV.4). În plus, pentru timpul de malaxare, utilizând pe modelul liniar
testul Student se obține probabilitatea la variante egale de 58% (si 57% dacă consideram variante diferite).
Rezultate asemănătoare se obțin cu aceiași analiza și pentru viteza arborilor malaxorului.
Subliniem că din analiza pe modelul liniar prezentat, se remarcă că parametrii de malaxaj au o influentă
redusă, dar considerația se aplică strict la malaxorul nostru (SAE) în configurația stabilită. Așa cum am văzut,
tipul de malaxor ales și regimul turbulent de malaxare au un rol determinat în calitatea mixturii.
y = 0.9636x + 0.087
R2 = 0.6027
2.5
3
3.5
4
4.5
5
2.5 3 3.5 4 4.5 5
R masurat (MPa)
R calculat (MPa)
29
IV.2.2 Al doilea model liniar
Analizând influenta temperaturii agregatelor și dozajul de aditiv, se constată că au o influentă foarte
mare (tabelul IV.12). Conform modelului, amplitudinea considerată de un punct procentual a dozajul de
bitum deține cam un sfert din influenta. O influentă de același ordin este și la utilizarea aditivului. Influenta
aditivului o avem evidențiată pentru fabricațiile F29, F30 și F39.
Analizând și ceilalți parametrii din tabelul IV.4, atrage atenția că apar 2 parametrii care au o
variație semnificativa, deși în planul inițial al studiului parametric nu s-a considerat că au o influentă
puternică. Aceștia sunt: conținutul de apă și temperatura mixturii imediat după fabricație. În tabelul
IV.13 sunt sintetizate câteva observații care pot indica o legătură intre acești 2 parametrii.
Referitor la conținutul de apă al mixturii, avem o valoare medie pentru toate fabricațiile ușor
inferioară valorii de 5,0% care ar fi fost normală, dat fiind că cantitatea de apă adăugată înainte de
fabricație a fost măsurată cu un vas gradat, iar amestecul de agregate a fost cântărit cu precizie data de
balanța de +/- 10 g. De asemenea, se observă că și în cazul când aveam agregatele și spuma mai calde,
cu atâta valoarea umidității scadă mai mult. În plus, aceiași observație este valabilă și pentru
temperatura mixturii. În plus, observăm că aceste diferențe sunt superioare abaterilor standard pentru
valorile considerate.
Tabelul IV.13 – Variațiile temperaturii mixturii și a conținutului de apa
Fabricații
Temperatura mixturii - Tf Conținutul de apa
Val. medie
(ºC )
Diferența Abatere
standard
Val. medie
(%)
Diferența Abatere
standard
Fabricațiile cu
T=20ºC, fără aditiv 27,2
7,5 4,1
4,62
0,28 0,29 Fabricațiile cu
T=5ºC, fără aditiv 19,7
4,9
Fabricațiile cu
T=20ºC, cu aditiv 32,0
4,4 3,0
4,1
0,4 0,45 Fabricațiile cu
T=5ºC, cu aditiv 27,6
4,5
În figura .IV.8 avem aceiași reprezentare a corelației dintre conținutul de apă și rezistenta, dar
exceptând fabricațiile atipice (F12, F13, F29, F30, F31, F39). Astfel, chiar și la o prima aproximare,
considerând coeficientul de corelație acceptabil (R2=40%), deja surprinde faptul că această variație de
numai 1,4 puncte procentuale, poate duce la o variație de 70% a rezistentei la compresiune. De
asemenea, din analiza compactării epruvetelor ce arata ca am avut repetabilitate, excludem că această
influentă a umidității sa fie cauza unor variații de densitate.
Astfel, formulam ipoteza că temperatura mixturii depinde de temperatura spumei de bitum și de
temperatura agregatelor, precum și de transferul de căldura de la bitumul sub formă de spumă care duce și la
evaporarea apei din mixtură, ceea ce duce la o absorbție suplimentară de căldură de la mixtura. Deci, se pare
că procesul de evaporare a apei este important în obținerea calității mixturii cu bitum spumat.
Pornind de la ipoteza bilanțului termic putem încerca un model pentru evaluarea diferențelor de
temperatura ale mixturii fabricate.
Temperatura mixturii măsurată imediat după malaxare este data de temperatura agregatelor și de
temperatura spumei de bitum.
Din analiza valorilor medii ale temperaturii mixturii, observând că acestea valori sunt influențate
semnificativ de temperatura agregatelor, obținem o corelație acceptabilă. Astfel, dat fiind acest model
30
simplificat al transferului de căldură, el astfel reușește se confirme ipotezele, fără a efectua calcule
complexe de termodinamică.
Având în vedere această ipoteză, cum că temperaturile sunt parametrii ai transferului de căldură, am
realizat un al 2-lea model liniar, în care am înlocuit parametrul dozaj de aditiv cu temperatura mixturii (Tf).
După regresia liniară cu ajutorul programului „Solver” am obținut următoarea relație:
R = kt t + kv v + kT Tf + kb b [MPa]
unde: kt = 0,008 MPa/s,
kv = 0,003 MPa (rot./s)-1
kf = 0,097 MPa/°C
kb = 0,105 MPa
iar mărimile sunt exprimate după cum urmează: t [s], v [tr/s], Tf [°C] iar b este adimensional.
Reprezentarea grafică a modelului și calculul dreptei de regresie și al coeficientului de corelație
sunt dați în figura IV.12.
Predicția modelului al doilea este chiar superioara celei obținute de primul model, întrucât obținem un
coeficient de corelație R2=84,5% și o abatere standard la estimarea rezistentei în compresiune de 0,174MPa,
deși acest model, are cu un parametru mai puțin. În concluzie, putem spune că ipoteza a fost confirmată. În
plus, înlocuirea parametrilor temperatura agregatelor și utilizarea aditivului (ce se regăsea în temperatura
spumei de bitum) printr-un singur parametru, a redus cu mult covarianța dintre aceștia și care oricum era
dificil de modelat din punct de vedere fenomenologic.
În graficul din figura IV.12 am reprezentat și fabricațiile atipice. În plus, am reprezentat pentru
fabricațiile considerate în model, sub formă de bare de eroare, incertitudinea de determinare a rezistentei la
compresiune ( niv. încredere k=1).
Figura IV.12 – Aplicarea modelului și pentru fabricațiile atipice
În tabelul IV.14 este dată influenta relativă a parametrilor considerați în acest model.
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
fara aditiv
cu aditiv
debit apa mic
bitum 1.7%
timp de malax. 15 s
bitum suflat
fara spumare cu apa
R masurat (MPa)
R calculat (MPa)
31
Tabelul IV.14 - Coeficienții de influenta relativă pentru modelul de nivel 2
t v Tf b
K … 0,0086 0,255 0,088 17,4
Amplitudinea variației parametrului 40 s 0,83 tr/s 17 °C 2,2%
Amplitudinea indusa pentru R [MPa] 0,34 0,21 1,50 0,38
Coeficientul de influenta relativa 14% 9% 61% 16%
Coeficienții multiplicatori ai timpului de malaxaj și ai vitezei de rotație a arborilor (kt et kv) au valori
apropiate în ambele modele. Deci, o confirmare în plus a independentei acestor parametrii fată de cei de bilanț
termic. De-asemenea, se remarcă influenta majoră a noului parametru introdus – 61%.
Influenta conținutului de bitum este diminuată și este datorată a doi factori preponderenți:
- în timpul introducerii bitumului sub formă de spumă aceasta înseamnă și un aport de căldură, care este
proporțional cu masa de bitum injectat;
- Pentru mixtura compactată bitumul asigură coeziunea intre agregate (prin masticul care-l formează), deci
crescând până la un anumit punct, cantitatea de bitum este direct proporțională cu rezistenta mecanică.
Fabricațiile cu timp de malaxare de 30s (F15), respectiv de 90s (F16), sunt situate la limita de predicție a
modelului. Deci, creșterea timpului de malaxaj nu a dus la mărirea semnificativă a rezistentei la compresiune,
dar cum fabricația cu timp de malaxare de 15s (F13) , nu se încadrează în model, se pare că avem un timp
minim, iar o malaxare suplimentara nu conduce la o îmbunătățire semnificativă a calității mixturii.
Fabricația F12 nu se încadrează în predicția modelului. Am estimat că având 1,7% de bitum suntem
mult prea departe de referința aleasa pentru modelul liniar (bitum insuficient pentru a forma masticul ce dă
liantul mixturii). De-asemenea, și în cazul fabricației F13, cu un timp de malaxare de 15 s ne aflam tot în
cazul unei fabricații defectuoase.
În plus, daca aplicam acest model și pentru fabricațiile de mixtura doar cu bitum injectat, (F30 și F39)
obținem predicții foarte bune. Injecțiile au fost făcute în ambele configurații ale camerei de injecție (presiuni
de 6,5 Bar și 11,5 Bar). Deci, calitatea spumei (inexistenta în acest caz) nu este un parametru important. O
explicație poate fi că spuma se poate forma și în malaxor dacă bitumul este spumat fin, pelicula de bitum
fierbinte, ce vine în contact cu apa de pe agregate va spuma.
Fabricația F29, pentru care s-a utilizat bitum suflat, vine sa completeze aceasta ipoteza, întrucât nu
calitatea spumei introdusa în malaxor este un factor important. Astfel, cu o spuma excelenta s-a obținut una
dintre cele mai scăzute rezistente la compresiune pentru epruvetele fabricate cu această mixtura.
IV.3 Concluziile analizei statistice
Acest studiu a fost destinat pentru a determina influenta celor 5 parametrii legați de fabricația mixturii
(timp de malaxare, viteza de rotație a arborilor, temperatura agregatelor, dozajul de bitum și de aditiv) asupra
rezistentei la compresiune a mixturii compactate. Analiza este valabilă în jurul unei fabricații de referință, cu
parametrii riguros fixați, în baza încercărilor preliminare de elaborare a rețetei. Deci, în acest sens, am putut
face o analiză liniară întrucât nu ne depărtam mult de această referință. Am optat pentru alegerea variațiilor
mici pentru a creste acuratețea determinării sensului în care evoluează izolat parametrii, corelând cu explicații
fenomenologice ale mecanismelor ce intervin în timpul fabricației.
Concluzia globala este că bilanțul energetic din timpul fabricației este determinat pentru a obține o
mixtura de calitate. Aceasta ipoteză s-a confirmat prin gruparea parametrilor ce conduc la temperatura
mixturii imediat după malaxare. Aplicând aceste modele și la cele doua fabricații când bitumul a fost doar
pulverizat și constatând că predicția dată de model este foarte bună, putem concluziona clar că nu calitatea
spumei este determinantă. Deci, nu exista o legătura directă intre spumarea produsă prin sistemul sofisticat de
producere a spumei și performantele mixturii obținute. Acest lucru a fost bine reliefat și prin fabricația
obținută cu bitumul suflat, care a condus la una dintre cele mai mici rezistente la compresiune pe epruvetele
32
obținute cu mixtura respectivă.
În concluzie și acest studiu a indicat că tehnologia mixturii cu bitum spumat este doar o tehnologie de
tranziție spre tehnologiile „half-warm”. În plus, tehnologia aplicată în forma actuală este foarte sensibilă la
temperatură ambiantă și la temperaturile materialelor utilizate.
V. STRUCTURA MIXTURII CU BITUM SPUMAT
V.1. Analiza vizuală
Primele ipoteze privind structura mixturii cu bitum spumat au fost făcute în urma observațiilor vizuale
asupra mixturii și a epruvetelor secționate (figura V.1) [1]. Apoi, au fost efectuate observații pe imaginile
luate la microscopul optic și cu lupa pentru agregatele și particulele din mixtură
În fotografia V.2 stângă avem imaginea obținută la microscop pentru un agregat grosier (sort 6/8)
extras din mixtură și spălat sub jet de apă. Observând acele pete negre, s-a mărit puterea de microscopului,
selectând un alt obiectiv (figura V.2 dreapta). Cu toate acestea, nu am avut certitudinea că petele negre sunt
bitum, sau țin de natura petrografică a rocii. Pentru e elimina acest inconvenient, am prelevat roci mai
deschise la culoare, de asemenea spălate în jet slab de apă. Imaginile obținute la microscop (agregat sort 2/4),
dar cu obiective diferite ale microscopului, sunt prezentate în figura V.3. Si în alte figuri devine evident că
punctele negre de pe agregat sunt particule microscopice de bitum care au aderat între asperitățile agregatului.
Știind rezoluția camerei de luat vederi atașată microscopului și puterea de mărire am putut estima că
dimensiunea acestor particule de bitum care au aderat la agregat sunt de ordinul 0,1 mm.
Figura V.3 – Imagini obținute la microscop a
agregatelor prelevate din mixtura
Figura V.4 – Imagine obținuta cu lupa a
agregatelor lipite slab cu mastic
Figura V.5 – Imagine obținute la microscop a
masticului înainte de spălarea cu solvent
Figura V.6 – Imagine luata cu lupa după spălarea în
solvent a aceluiași mastic
33
Pentru a putea avea o profunzime mai mare a imaginilor, am folosit imaginile prelevate cu lupa.
Astfel am putut lua imagini ale particulelor aglomerate din mixtură, cu un câmp de profunzime mai mare [1,
35].
În figura V.4 avem imaginea unor particule din mixtura prelevate direct, fără a fi spălate. Se observă
că agregatele sunt „lipite” de o masă de mastic. Particulele de mastic observate sunt de ordinul 1- 2 mm.
Am prelevat și particulele ce aparent erau filamente de bitum. Imaginile la microscop și la lupa
binoculară arată că aceste filamente, cu dimensiuni de ordinul a 1 – 2 mm, s-au dovedit a fi tot particule de
mastic. În figura V.5. avem imaginea la microscop a unei astfel la particule și se observă foarte bine
conglomerarea finelor în masa de bitum. În figura V.5 dreapta avem o imagine prelevată la lupa binoculara a
unei particule de mastic care a fost spălată cu solvent, pe o hârtie de filtru. Astfel, s-a pus în evidentă
conținutul de parte fină (filer) imaginea din figura V.6.
În concluzie, aceste imagini au consolidat ipoteza că bitumul rezultat din spumă se găsește intr-o
mixtură cu bitum spumat de calitate numai doar sub 2 forme:
- pete microscopice ce au aderat în asperitățile agregatelor grosiere,
- particule de mastic (amestec de parte fina și bitum), majoritatea fiind libere în mixtura și uniform
distribuite sau, intr-o mică măsură, pot lega slab agregate de dimensiuni mai mici (1-4 mm).
V.2. Analiza structurii prin încercările de dezanrobare pe clase
În tabelul V.1. sunt prezentate fabricațiile reținute pentru efectuarea testului de des-anrobare pe clase
pentru evaluarea structurii mixturii cu bitum spumat prin evaluarea distribuției compușilor pe clase
dimensionale (agregate, filer, bitum, mastic).
Tabelul V.1 – Fabricațiile de mixtura pe care s-a efectuat testul de dezanrobare pe clase și rezistenta la
compresiune corespunzătoare epruvetelor
Notatie.
frabricatie
Debit apa la
spumare
(ml/min.)
Test de dezanrobare pe
clase
(medie pe 2 determinări)
Rezistenta la compresiune
R
(medie pe 5 epruvete)
(MPa)
Abatere
standard
(MPa) F10 590 DA 3,14 0,52
F17 620 DA 3,92 0,09
F18 600 DA 3,72 0,24
F27 650 DA 2,97 0,13
F28 700 DA 3,21 0,19
F33 650 DA 4,53 0,22
F35 400 DA 3,75 0,14
F37 400 DA 3,87 0,17
F29 - DA 1,86 0,09
F30 0 DA 4,17 0,19
F31 250 DA 2,71 0,04
Rezultatele prezentate în continuare sunt date și considerând fabricațiile „atipice” pentru care am
efectuat testul de dezanrobare pe clase sunt:
- F29 – injecție de bitum „suflat” (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv),
- F30 și F39 – fabricații cu bitum pulverizat, fără spumă întrucât nu s-a injectat apa în camera de
injecție (t=60s, v=130 rot./min., T=20°C, fără aditiv).
Așa cum am prezentat în paragraful III.2.3, prin testul de dez-anrobare pe clase, din punct de vedere al
dimensiunilor, avem 3 clase de particule: particule de aceiași clasă, particule care trec imediat în sita
inferioară și particule de mastic. În Anexa 7 sunt date buletinele de încercare pentru aceste determinări.
34
Definind ca particule de mastic doar bitumul legat cu partea fină care trece prin sita de 0,08 mm, per
ansamblu, din analiza diagramelor avem concluziile prezentate în continuare.
- Pentru particulele de clasa dimensională până în 4mm, avem:
- circa 90% din particule sunt de clasa A (particule rămân în aceiași sita și după spălarea cu solvent),
- circa 7% sunt de clasa B (rămân în sita imediat inferioară),
- circa 3% sunt particule de clasa C (mastic, particule care trec majoritar prin sita de 0,2mm), iar
dintre aceste majoritatea particulelor de mastic sunt în clasa 0,5/1 mm.
- Pentru particulele din clasa grosieră (> 4mm) avem:
- circa 97% particule de clasa A,
- circa 1,6% sunt de clasa B,
- numai 1,4% sunt particule de mastic, de clasa C.
Valorile medii pe toate fabricațiile (exceptând F29 și F31) sunt reprezentate în figura V.7, obținând
astfel distribuția celor 3 clase de particule pe clasele dimensionale ale granulozității mixturii cu bitum spumat.
Cu aceleași valori medii, în figura V.8 am reprezentat distribuția conținutului de bitum în masticul
corespunzător fiecărei clase. Această distribuție confirmă cea ce am presupus intuitiv la începutul studiului, și
anume că performantele mixturii sunt determinate de distribuția claselor constituente și de dimensiunile
acestora. Pentru fabricația cu malaxorul SAE (Rc med. 3,6 MPa), se vede ca talia medie a particulelor
majoritare de mastic este mult mai mare pentru o mixtura buna (figurile V.10) [1].
Figura V.7 – Raportul distribuției masice (fine – mastic,
agregate pătate, agregate curate) Figura V.10 – Distribuția bitumului și finelor din bitum
din clasele dimensionale de mastic
Distribuția conținutului de bitum (b), considerând clasa dimensională a particulelor de mixtura D
(mm), poate fi aproximată ca o distribuție logaritmică. Astfel, considerând această interporale și presupunând
o distribuție de tip Fuller pentru agregate, obținem un maxim al conținutului de bitum corespunzătoare valorii
de D0= 0.773 mm [37].
Referitor la distribuția parții fine, observăm că acestea scad pe măsură ce creste clasa dimensională a
mixturii (figura V.11) [37]. Interpolând aceasta distribuție obținem funcția de distribuție pentru
conținutul de fine (filerul din mastic) conform relației:
3,1029,0 DDf
35
V.3. Modelul de formare al mixturii cu spuma de bitum
Încercările Duriez complete au demonstrat că se obține un raport Duriez (r/R) bun pentru o mixtură cu
bitum spumat (tabelul 15). Astfel, am demonstrat că procesul de maturare este ireversibil. După menținerea o
săptămână în imersie a probelor, umiditatea ajunge la un maxim de 4,3%, o valoare bună ținând cont ca avem
totuși o mixtură poroasă cu un volum de goluri estimat la 9% (volum de goluri calculat știind densitatea în
grămadă a agregatelor și conținutul de bitum, la o valoare de 2600 kg/m3). Deci, după compactare și maturare
este evident că se obține coeziunea intre agregatele grosiere.
Întorcându-ne din nou la procesul de fabricație, când spuma de bitum cald este injectata în malaxor,
aceasta se sparge și anrobează particulele fine din amestecul de agregate formând masticul. Apa, prezentă în
amestec intr-o cantitate suficientă astfel încât peliculizează toate agregatele și contribuie astfel la aglomerarea
bitumului și ajuta la dispersia acestuia pentru „a găsi” finele. Totuși, avem cantități mici de bitum ce aderă
între asperitățile agregatelor grosiere. Deci, în mixtura cu bitum spumat, imediat după malaxare avem un
amestec de mastic umed și agregate peliculizate cu apă. Astfel, amestecul își păstrează lucrabilitatea, atâta
timp cât este păstrată umiditatea (Figura V.12) [1, 36]. În procesul de compactare, în prima fază, coeziunea
amestecului este dată, într-o bună măsură, de particulele microscopice de bitum ce au aderat încă din faza de
malaxare între asperitățile agregatelor (particulele pătate cu bitum). Procesul de compactarea se face ca pentru
orice amestec granular, similar unei curbe Proctor, dar ușor decalata datorita conținutului de bitum (care poate
fi considerat ca un lichid). Deci și din acest punct de vedere, umiditatea amestecului este foarte importantă. În
procesul de maturare a mixturi după compactare, coeziunea amestecului creste pe măsură ce pelicula de apă
de pe suprafața agregatelor și absorbită de partea fină se vaporizează.
Figura V.12 - Reprezentarea schematica a meso-structurii și mecanismului de compactare
V.3. Informații despre distribuția masticului cu „testul petelor”
Pentru fabricațiile cuprinse în domeniul de numerotație de la F17 pana la F29 și pentru fabricația
cu numărul F30, au fost scanate hârtiile aplicate pe fața inferioară a pistoanelor la compactarea
epruvetelor. Sinteza prelucrării acestor imagini este data de: Nr – numărul de pete, St – suprafața
acoperită, %c – gradul de acoperire al petelor de bitum, Sm – suprafața medie a petelor și Rm – raza
medie. Suprafața medie a fost determinată ca raportul dintre suprafața acoperită și numărul de pete.
Încercând sa găsim o analogie între distribuția de mastic dată de testele de dezanrobare pe clase, am
încercat diverse corelații între acești parametrii. O corelație acceptabilă am găsit intre raza medie a petelor și rezistenta la compresiune, în sensul
ca, pe ansamblu, se observă că o creștere a razei medii a petelor corespunde unei rezistente mai bune a
36
epruvetelor respective de pe care s-a impregnat hârtia. Graficul acestei corelații și coeficientul de
corelație R2 sunt date în figura V.13. Analizând această dependentă, putem spune ca cu cât suprafața
petelor este mai mare, cu atât avem o distribuție mai omogenă a masticului în mixtură.
Figura V.13 – Corelarea razei medii a petelor cu rezistenta la compresiune a corespunzătoare
Așa cum am afirmat la prezentarea metodei, prin acest test, am încercat să găsim o metodă
simplă de evaluare a calității mixturii. O ideea fost să avem o corelație între gradul de acoperire și masa
pierdută la o spălare în solvent a hârtiei respective. Din păcate, nu s-a observat nici o corelație
semnificativă a rezistentei la compresiune cu gradul de acoperire
V.4. Concluzii privind viabilitatea modelului elaborat privind influenta meso-structurii mixturii
cu bitum spumat
Lipsa anrobării si a adezivitatii, așa cum este considerată în accepțiunea mixturilor bituminoase
la cad sau cu emulsii cationice, conduce la unele rezerve în adoptarea acestei soluții tehnice încă din
fază de proiectare. În sinteza acestui studiu, afirmăm cu certitudine că talia particulelor este în corelație
directă cu proprietățile fizico-mecanice (rezistenta la compresiune).
Cea mai elocventă corelație referitoare la distribuția particulelor de mixtură, așa cum au fost
definite în aceasta lucrare, este arătata in graficul din figura V.15, în care se prezintă corelația dintre
„finețea masticului” cu rezistenta la compresiune obținută pe epruvetele din respectiva mixtură.
Figura V.15 – Corelația experimentala dintre rezistenta la compresiune si diametrul maxim al
particulelor de mastic
y = 3.3478x + 1.4268
R2 = 0.5874
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
raza medie a petelor - Rm (mm)
rezis
ten
ta l
a c
om
pre
siu
ne -
Rc (
MP
a)
y = -2.1365x + 5.5113
R2 = 0.9164
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 0.5 1 1.5 2
diametrul maxim al particulor de mastic (mm)
rezis
ten
ta la c
om
pre
siu
ne (
MP
a)
37
Din acest grafic este evident ca daca se diminuează diametrul maxim al particulelor de mastic,
obținem o rezistenta mai buna. Deci, cu cat distribuim mai omogen si fin masticul, cu atât e mai
favorabil pentru calitatea mixturii.
VI. UTILIZAREA TEHNOLOGIEI CU SPUMA DE BITUM LA RECICLAREA
STRUCTURILOR RUTIERE
VI. 1. Stadiul dezvoltării tehnologiei de reciclare cu bitum spumat
În ultimele decenii s-a constatat la nivel mondial o creștere semnificativă a utilizării
tehnologiilor de reciclare pe plan mondial. Cu toate acestea, se remarcă că tehnologiile de reciclare au o
pondere semnificativă în tarile în curs de dezvoltare unde infrastructura rutiera nu este puternic
dezvoltată fie datorită slabei dezvoltări economice a tarilor respective, fie datorită întinderilor teritoriale
vaste (ex. Australia, Africa de Sud, tarile din America de Sud). Cu toate acestea, și în tarile dezvoltate
reciclarea structurilor începe sa fie din ce în ce mai des folosită în contextul dezvoltării durabile corelate
cu impactul asupra mediului și conservare a resurselor (tarile din Uniunea Europeana, Asia de SE).
Concluziile din raportul Congresului Mondial XXII al AIPCR, desfășurat la Durban din 2003, în
cadrul Comitetelor AIPCR C7/8 și C16, s-a concluzionat că [39, 40]:
- inovațiile majore în domeniul proiectării și exploatării infrastructurii depind într-o mare măsură
de un cadru instituțional adecvat, printr-o colaborare a statului cu sectorul privat;
- apariția inovațiilor majore și soluțiile tehnice deosebite apar tocmai pe fondul pneurilor de
fonduri și când strategiile economice ale unei tari se schimbă.
Astfel, în contextul crizei economico-financiare recente, pe plan mondial sigur soluțiile de reciclare
vor câștiga din ce în ce mai mult teren.
VI.2. Reciclarea „in situ” utilizând tehnologia mixturii cu bitum spumat
Reciclare la rece „in situ” ce utilizează bitumul spumat este un procedeu ce constă în frezarea și
reciclarea straturilor degradate din structura rutiera, atât de mixtura cit și de beton de ciment, stratul
rutier astfel obținut fiind utilizat ca un strat nou în structură. Reciclarea cu bitum spumat se poate folosi
pentru toate straturile din structura rutiera, funcție de clasa tehnica a drumului, excepție fiind utilizarea
ca strat de uzura.
În principiu procedeul de reciclare „in situ”, constă în frezarea straturilor rutiere cu o stare
avansată de degradare, malaxarea și umidificarea materialului frezat cu apă sau suspensie de apă cu
ciment, în paralel cu injecția bitumul spumat [41]. Materialul rezultat în urma acestui proces este
așternut și recompactat cu ajutorul grindei finisoare. Toate fazele procesului sunt realizate cu ajutorul
utilajului tip tren de reciclare (figura VI.1). În cazul în care studiul de rețetă efectuat în laborator impune
modificarea curbei granulometrice, materialele de adaos vor fi adăugate prin dispersare uniformă în fața
utilajului de reciclare.
compactor reciclator dozator suspensie cisterna bitum cisterna apa
Figura VI.1 – Tren reciclator bazat pe tehnologia bitumului spumat
Utilajul de reciclare “in situ” (reciclator sau tren de reciclare) este compus din următoarele
grupuri funcționale:
- freză cu tamburi,
- instalație pentru dozarea apei în timpul malaxării (malaxare ce se poate face pe tamburul de
frezare sau separat intr-un malaxor incorporat),
38
- sistem de injecție a bitumului sub formă de spumă,
- grinda finisoare pentru așternere,
- grup energetic și propulsor,
- instalație electrică și sisteme electronice pentru controlul de proceselor de dozare, a temperaturilor
și a parametrilor de lucru pentru întregul utilaj.
Se impune o clarificare importantă referitoare la această tehnologie de reciclare. Deși se
folosește cimentul, stratul executat nu prezintă nici o similitudine cu betonul de ciment. Deja în
literatură tehnică internațională când vorbim de mixturile cu bitum spumat, cimentul utilizat intra în
categoria „filer activ”. Acesta are rolul de a asigura o maturare mai rapidă a mixturii și de a reduce
senzivitatea la apă a mixturii. În locul cimentului se poate folosi varul stins sau cenușa de termocentrală
(„fly ash”). Contribuția acestui adaos trebuie luată în considerație la curba de granulozitate specifică iar
conținutul de filer activ nu trebuie sa depășească în nici un caz valorile date de studiul de laborator, de
regula în jurul valorii de 2%. când este cazul de aport suplimentar de parte fina se adăuga filer de calcar.
Studiul de rețetă prezentat anterior în prezenta lucrare nu a utilizat ciment întrucât, din punct de vedere
al încercărilor clasice de laborator, acesta nu aduce îmbunătățiri semnificative (rezistenta la
compresiune, stabilitate și fluaj Marshall). Influentele date de conținutul de filer activ sunt evidențiate la
evaluarea modulilor de rigiditate, încercarea triaxiala, rezistenta la oboseala și la deformații permanente
(studii avansate de reologie a mixturilor, proiectarea pe criterii de performantă - Journal of the
Transportation Research Board – TRB) [43].
Procedeul de reciclare se aplica în funcție de soluția proiectata, pentru o adâncime de frezare și
reciclare a stratului de maxim 30 cm.
Tehnologia de reciclare se identifica prin:
- caracteristicile materialelor componente și dozajele stabilite,
- detaliile tehnologiei de execuție,
- condițiile de punere în opera,
- procedurile tehnice de operare specifice utilajelor.
Rezistenta și stabilitatea stratului rutier obținut prin aplicarea procedeului de reciclare la rece
trebuie sa se încadrează în caracteristicile tehnice, specifice straturilor rutiere corespunzătoare. Produsul
obținut are în componenta sa material frezat, bitum spumat (3,5-5,5%), apa de adaos (5-15%) eventual
filer sau ciment (1,5 – 4,0 %) și agregate de adaos.
O etapă preliminară, dar foarte importantă pentru efectuarea reciclării, este dată de studiul de
laborator pentru starea tehnica a stratului degradat și elaborarea rețetei. Studiul de laborator se face pe
carote și material frezat pentru stabilirea oportunității aplicării acestei soluții tehnice, stabilirea
adâncimii de frezare și a omogenități sectorului, a granulozității și a umidității optime de compactare.
Este imperios necesara încadrarea în domeniul de granulozitate specific tehnologiei (domeniul Rukel)
[16]. Pentru studiul rețetei se prelevează material frezat din sectorul de drum pe care se dorește
reciclarea, se malaxează materialul frezat la umiditatea optima, împreuna cu bitumul spumat cu ajutorul
mașinii de produs spuma și a malaxorului de laborator. Din amestecul rezultat se confecționează cilindri
în vederea stabilirii caracteristicilor fizico-mecanice pentru stratul reciclat, corelate cu conținutul de
bitum și umiditatea optima a amestecului.
Etapele de execuție a reciclării sunt:
- curățirea părții carosabile cu peria mecanica sau cu jet de aer;
- frezarea stratului existent ce urmează a fi reciclat (frezarea se realizează cu tamburii de frezare ai
reciclatorului, eventual cu freze suplimentare în cazul materialelor dure);
- controlul compoziției granulometrice și a umidității materialelor (prin prelevarea de material
frezat în timpul execuției;
- adăugarea apei de adaos sau suspensiei de ciment în apa;
- introducerea bitumului spumat (valori cuprinse în intervalul 3,5-5,0% bitum),
- omogenizarea amestecului în instalație;
- așternerea și pre-compactarea materialului reciclat cu ajutorul grindei finisoare
- compactarea finala a stratului reciclat.
2. Agrementul Tehnic
39
Pentru controlul calității stratului rutier reciclat se urmărește constanta calității produsului
obținut, prin verificări în laboratorul de șantier, atât pentru materialele componente cât și pentru
produsul final.
Încă din faza procesului de malaxare trebuie asigurata umiditatea optima a amestecului
(umiditatea optimă de compactare). Adaosul de apa în material, considerând atât umiditatea existenta în
strat, aportul de apa de la frezare și apa (luata separat sau cea din suspensia de ciment) se calculează
pornind de la valoarea umidității optima obținuta cu încercarea Proctor modificat pe materialul frezat -
WoptP (fără adaosul de spumă). Peste acest amestec se pulverizează bitumul spumat. După compactarea
stratului obținut acesta se acoperă un strat de mixtura asfaltica, sau de tratament bituminos, după ce
conținutul de apa a scăzut cu 25-30% fata de valoarea optima a umidității de compactare, valoarea
umidității de referința care este stabilita prealabil în laborator. Pentru compactare se folosește trusa de
compactare alcătuită cu cilindri compactori de 10-20 t (lis cu vibrații și pe pneuri), iar numărul de
treceri pentru realizarea compactării se stabilește pe un sector experimental, astfel încât sa se asigure
gradul de compactare conform clasei tehnice a drumului.
Deși tehnologia cu bitum spumat se remarca printr-o mare versatilitate raportată la tipul structurilor
reciclate, avem totuși câteva restricții importante referitoare la punerea în operă. Temperatura minimă de
lucru în mediul ambiant trebuie sa fie de +100C. Execuția lucrărilor pe timp de ploaie va fi întrerupta. Aceste
restricții sunt un element important pentru aceasta tehnologie și se impun cu strictețe maxima.
VI.2. Utilaje utilizate la execuția structurilor rutiere cu tehnologia bitumului spumat
VI.2.1. Utilaje de stabilizare sau reciclare în situ
Utilajele cele mai utilizate, atât în tara noastră, cit și pe plan mondial pentru stabilizări cu
bitum spumat sau reciclare în situ sunt produse de compania WIRTGEN. De-asemenea, echipamente
de acest gen sunt produse și de MARINI, BOMAG, MIDLAND, KALOTTIKONE. Echipamentele
WIRTGEN utilizate sunt utilaje relativ versatile și în mare măsura sunt aceleași care sunt disponibile
și pentru reciclarea în situ cu emulsie bituminoasa sau stabilizări cu ciment [42].
Din punct de vedere al principiului de funcționare distingem 2 tipuri: malaxare spumei de
bitum simultană cu frezarea și malaxarea separată a spumei de bitum după ce agregatele au fost
frezate. Mai putem face distincția și funcție de modul de propulsie a utilajului: pe senile sau pe roti
pneumatice. Utilajele pe pneuri permit utilizarea acestora îndeosebi pentru stabilizarea solurilor iar
cele cu senile pentru reciclarea betonului rutier sau a mixturilor asfaltice.
In figura VI.2 este reprezentat principiul funcționarii echipamentelor la care malaxarea
spumei se face simultan cu frezarea prin injecția pe tamburul de frezare. Utilaje reprezentative sunt
reciclatoarele Wirtgen WR 2500 S (figura VI.3) și Wirtgen WR 2200 CR (figura VI.4).
Un utilaj de reciclare de mare capacitate este echipamentul Wirtgen WR 4200 a cărui schema
funcțională este prezentata în figura VI.5 iar în figura VI.6 este prezentat utilajul utilizat la o lucrare
de reciclare.
Figura VI.2 – Principiul de funcționare al gamei WR
2500, 2200 (malaxare pe tamburul de frezare)
Figura VI.3 – Utilajul Wirtgen WR 2500S
40
Figura VI.5 – Principiul de funcționare al Wirtgen WR
4200 (malaxare separata în malaxor)
Figura VI.6 – Utilajul Wirtgen WR 4200
VI.2.2 Stații mobile de producție a mixturii cu bitum spumat
Mixtura cu bitum spumat poate fi produsă și în stații fixe sau mobile special concepute. Sunt
preferate stațiile mobile când nu se justifica capacitați mari de procesare ca în cazul stațiilor de mixtură
asfaltică, și se pot deplasa la punctele de lucru, diminuând costul de transport pentru punerea în operă.
Un avantaj major rezidă în faptul ca pot fi folosite cu succes pentru reutilizarea materialelor din
structurile rutiere degradate în combinație cu reciclarea molozului rezultat din demolările structurilor de
beton. În prezent aceste utilaje nu sunt utilizate în România.
VI.2.3 Metode de control moderne a condițiilor și calității lucrărilor de reciclare
O problemă importantă când se aplică tehnologia de reciclare cu bitum spumat de reciclare o
avem atunci când sectoarele de sunt eterogene ca structura. Atât pe plan mondial cat si in tara noastră,
elaborarea planului de calitate si control pentru punerea in opera a reciclării cu bitum spumat este
elaborată de constructorul drumului pentru a include toate detaliile impuse de organizarea procesului si
caracteristicile ale echipamentelor utilizate, toate armonizate cu cerințele impuse de managementul
calității impus de SR EN ISO 9001:2008 [47]. Identificarea complexă și cu un înalt randament a
structurii rutiere degradate ce va fi frezata și reciclata se poate face cu echipamente moderne tip geo-
radar (figura VI.10) sau echipamente nucleare tip “gamadensimetru-umidimetru” (figura VI.11) [48].
Astfel, se pot aplica în timp util și cu productivitate maxima toate corecțiile necesare funcție de
structura existentă în corelație cu studiile de laborator.
VI.3. Performantele structurilor rutiere degradate reciclate, utilizând tehnologia cu bitum spumat
Pe plan mondial, la nivelul național sau regional sau la nivel de mari companii de construcții
drumuri, sunt implementate metodologi proprii de proiectare rețete de mixturi asfaltice reciclate și
metodologi de dimensionare [49]. Astfel, suplimentar, pe lângă determinările de laborator pentru
rezistenta la compresiune, suplimentar se considera determinările modulului de rigiditate în regim
dinamic, încercarea triaxiala și determinarea rezistentei la oboseala [50, 51]. Aceste valori pot fi
utilizate pentru proiectarea pe criterii de performanta a structurii rutiere reciclate, dar și pentru corelarea
cu determinările de capacitate portantă cu echipamentele dinamice tip FWD [52].
41
VI.3.1 Determinarea modulilor și a capacitații portante
In literatura de specialitate internaționala referitor la determinarea modulilor pentru starturile
executate cu mixtură cu bitum spumat pentru a stabili dimensionarea stratului rutier se folosesc două
moduri de abordare:
- metoda „full back-calculation”, considerând toate straturile din structura rutieră,
- „back-analysis” considerând contribuția a doua materiale distincte în structura – mixtura
asfaltică (sau stabilizatul sau betonul rutier) și mixtura cu bitum spumat.
In aceste calcule trebuie sa se ia în considerație ca performantele mixturii cu bitum spumat cresc
pe măsură ce trece timpul pe termen lung. Aceasta evaluare se face în prealabil pe sectoare
experimentale și cu teste de laborator specifice (teste efectuate în regim dinamic). Evaluarea trebuie sa
cuprindă o perioada de circa 1 an, dar după maturarea inițială să avem un modul de rigiditate E să
satisfacă relația: Ein-situ ≥ Einitial [53].
Spre exemplificare prezentam în tabelul VI.1 valori medii obținute și calculate cu echipamentul
deflectometrul dinamic tip FWD și calculate pentru o structura rutiera reciclata, alcătuită dintr-un strat
de mixtura cu bitum spumat, acoperit cu strat de uzura din mixtura asfaltica (TRL Report 386) [44, 45].
Deși uzual se pot obține moduli de rigiditate superiori valorii de 2700 MPa, valorile sunt relevante în
ceea procesul de maturare al mixturii în structura. De asemenea, sectorul respectiv (autostrada A9,
Granish – Scotia) a fost urmărit timp de mai mulți ani de la execuția din 2000 până în 2003 și acesta s-a
comportat bine în exploatare, nefiind semnalate degradări sau cedări structurale [46].
Tabelul VI.1. – Evoluția capacitații portante pe sector executat cu tehnologia bitumului spumat
Perioada de timp trecuta
de la executie [zile] Modulul de rigiditate determinat în situ cu echipament
FWD și calcul cu corectia temperaturii) [MPa]
160 1400
355 1800
593 2600
VI.3.2. Determinari de capacitate portanta pe sectoarele experimentale executate în Romania
In luna mai 2004, pe sectoare experimentale realizate cu această tehnologie au fost efectuate
măsurători de capacitate portantă cu deflectometrul cu sarcină dinamică. Calculul modulilor de
elasticitate pentru sistemul rutier a fost realizat cu programul RoSy Design [2, 54].
VI.3.2.b. Sectorul experimental situat pe DN 5
Alcătuirea structurii sectorului este următoarea: BAD25 – 40mm, strat reciclat – 150mm, balast
stabilizat 200 mm și balast – 200 mm. Ținând cont de această alcătuire, au fost obținuți moduli
caracteristici, valori medii: strat asfaltic – 2130 MPa, balast – 217 MPa, pământ – 94,5 MPa.
Rezultatele măsurătorilor efectuate pe sectorul experimental situat pe DN5, sunt prezentate în
tabelul VI.3.
Tabelul VI.3. - Determinari de capacitate portanta pe sectorul esperimental DN5
Pozitie Dm
(0.01mm)
Abatere
medie
patratica
Dc
(mm)
Clasa
tehnica
Clasa de trafic
corespunzatoare
DN (PD 189-200)
Limite deflex.
(0.01 mm)
Calificati
v
Dr. 17+407 –
17+501
20,26 3,03 27,36 I exceptional 35 F. buna
Dr. 17+501-
17+708
24,54 5,77 40,84 I exceptional 35 - 45 Buna
Dr. 17+708 –
17+800
23,74 6,95 32,43 I exceptional 35 - 45 Buna
42
Cunoscând grosimile straturilor asfaltice, evaluarea modulilor acestora conform încadrării zonei
climatice și considerând necunoscut modulul stratului reciclat cu spumă, a fost calculat un modul de
rigiditate pentru materialul reciclat si stratul de binder de 4362 MPa (circa 2500 MPa pentru reciclat).
Determinările de capacitate portantă indică o comportare foarte bună pentru sectorul executat pe
DNV. Analizând istoricul lucrărilor pe aceste sectoare s-a constatat ca sectorul situat pe DN7, Km
1900+700 – 190+800 a fost supus unei intervenții de reciclare în situ în anul 2000. În consecința
recomandăm ca această soluție sa nu fie aplicată la reciclarea unor straturi de mixtura anterior reciclate
în vederea executări unui strat de bază conform metodei prezentului agrement.
VI.3.2.c. Dimensionarea sistemului rutier pentru reciclarea efectuata pe DN 17
In luna septembrie 2006, pe sectoarele executate CESTRIN a efectuat determinări de capacitate
portanta pentru atât pentru calculul de dimensionare la reabilitarea DN17, determinările fiind efectuate
cu echipament FWD iar calculul modulilor și dimensionarea fiind realizat cu programul RoSy Design
[55]. Determinările au fost efectuate pe un sector situat pe DN 17, km 147+400 – 147+700 și sunt
prezentate în Anexa 9.
Alcătuirea structurii sectorului este următoarea:, strat reciclat – 200 mm, AB2 – 80mm balast –
300 mm. Ținând cont de acesta alcătuire au fost obținuți moduli caracteristici, valori medii: strat asfaltic
– 2334 MPa, balast – 132 MPa, pământ – 127 MPa. Astfel s-au obținut valorile mediate pentru
deflexiunile obținute sunt de 43,9 x0,01mm pentru acest sector. Din păcate, analizând cu atenție valorile
din rapoartele tehnice ale CESTRIN, constatam ca calculul nu s-a făcut riguros pentru evaluarea
startului reciclat, calculând valoarea modului pentru întreg stratul de mixtura de 280 mm (AB2 existent
și AB2 reciclat).
Informații despre realizarea capacitații portante, pentru controlul pe șantier al lucrărilor sunt
obținute cu ajutorul pârghiei Benkelman, conform „Normativ pentru determinarea prin deflectografie și
deflectrometrie a capacitații portante a drumurilor cu structuri rutiere suple și semirigide”, indicativ CD
31/2002.
In acest sens prezint ca relevante determinările obținute la reciclarea efectuată pe Reabilitarea
DN17, Km 116+000 - Km 155+000 (tabelul VI.4). Astfel, se observa ca valorile obținute sunt similare
sau chiar superioare comparativ cu alte tipuri de reciclări.
Tabelul VI.4. – Sinteza determinărilor de capacitate portanta pe sectorul experimental DN 17
Determinarea Conditii
Agrement teh.
Val.
medie
Abatere
standard
Coeficient
de variatie
Valoare
minima
Valoare
maxima
Deflexiune admisibila
- dbm (1/100 mm) max. 100 75,72 11,89 16% 40,00 93,00
Având în vedere ca la nivelul de normative CNADNR nu sunt stabiliți clar modulii considerați la
calculul de dimensionare al structurilor reciclate cu bitum spumat, precum și limitele corelațiilor intre
modulii determinați cu deflectometrul dinamic și verificările de teren a capacitații portante cu pârghia
Benkelman, responsabilitatea revine deopotrivă proiectanților cât și consultanților lucrărilor respective.
VI.4. Concluzii
Experiența acumulată la nivel mondial privind reciclarea cu tehnologia cu bitum spumat a arătat
că din punct de vedere al performantelor, tehnologia nu si-a atins nici pe departe limitele. Astfel,
remarcam că până in prezent, din punct de vedre al costurilor, tehnologia a fost aplicată pe două direcții
principale: pentru lucrări unde se impunea o soluție tehnologica aplicată pe scară largă, dar cu
minimizarea costurilor (Africa de Sud, Noua Zeelanda, Asia de SE, Australia) [10, 18, 50], respectiv a
doua direcție, când s-a si evaluat suplimentar tehnologia din punct de vedere al performanțelor si pentru
a pune la punct detalii privind proiectarea mixturii pe criterii de performanta în corelație cu calculul de
dimensionare, așa cum este cazul lucrărilor de reciclare efectuate in SUA [15, 21, 49, 56, 58], Marea
43
Britanie [46] si Grecia [53]. În acest ultime cazuri, în care tehnologia a fost folosită chiar la lucrări de
autostrăzi.
Analizând lucrările derulate la noi in țara, constatăm că acestea nu au făcut parte dintr-o strategie
la nivel național privind evaluarea viabilității si performantelor tehnologiei si chiar au fost rețineri
pentru execuția sectoarelor de autostrăzi (reabilitări).
VII. UTILIZAREA TEHNOLOGIILOR DE RECICLARE „IN SITU” IN ROMANIA
Reutilizarea mixturilor asfaltice ce rezulta din frezarea îmbrăcăminților bituminoase existente
vechi cu degradări a devenit o practica curenta în Romania, dovedind în primul rând eficienta
economica. Un factor cheie în utilizarea tehnologiei, consta în identificarea corecta a caracteristicilor
mixturii ce urmează a se frezate, ceea ce impune un studiu de laborator bine fundamentat.
Din experiența obținuta la execuția lucrărilor de reciclare pe rețeaua drumurilor naționale din
România, reciclarea se utilizează cu succes la execuția straturilor inferioare din structura. Deși,
începând cu 1995 au fost utilizate o multitudine de tehnologi de reciclare pentru un volum considerabil
de lucrări, experiența acumulată a fost valorificată îndeosebi de marile companii producătoare de utilaje
de reciclare sau de executanții internaționali, întrucât tara noastră a prezentat o infrastructura rutiera cu
durata de serviciu mult depășită, structuri rutiere diverse și condiții de relief și climatice foarte variate.
Astfel, putem afirma cu certitudine ca rețea rutiera degradata din Romania este un „laborator ideal”
pentru testarea și dezvoltarea tehnologiilor de reciclare.
VII.1. Caracteristicile infrastructurii rutiere din Romania
Analizând structura rețelei rutiere din Romania, observam ca, pe ansamblu, încă avem un sistem rutier
cu durata de exploatare expirata. În graficul din figura VII.1 este data estimativ aceasta clasificare raportată la
lungimea totală a drumurilor naționale.
Figura VII.1 – Repartitia tipurilor de structuri rutiere
Reutilizarea mixturilor asfaltice se face dupa frezarea prealabila a straturilor din structura
rutiera, ce se poate face atât pe suprafețe mici, dar și a unor sectoare întregi de drum.
Anual se efectuează lucrări de frezare a îmbracaminților bituminoase degradate pe 1.500.000
– 2.000.000 m2.
Mixtura rezultată din frezare se utilizează la:reciclarea mixturii asfaltice “in situ”,prepararea
în instalații a mixturii asfaltice din mixtura recuperata si reprofilare acostamente.
Estimativ, în medie, în ultimii 15 ani, s-au efectuat numai pe rețeaua drumurilor naționale, pe
sectoare de drumuri s-au reciclat circa 100 – 200 km anual [59].
79,1%11,0%
7,7%1,6% 0,4%
0,1%
DN modernizate –imbracaminte bituminoasa -79.1%DN modernizate –imbracaminte beton de ciment -11.0%
44
În prezent, în Romania se aplica următoarele procedee de reciclare: reciclare la rece în situ,
reciclare la cald în situ, reciclare la cald în stații fixe, reciclare utilizând bitumul spumat în situ.
VII.2. Tehnologi de reciclate aplicate în Romania
Tehnologiile cele mai frecvente de reciclare si care au un cadru de reglementare clar sunt:
reciclarea la rece cu emulsie bituminoasă , reciclarea mixturilor la cald “in situ” si reciclarea mixturilor
la cald în stații fixe
În prezent, elaborarea cerințelor impuse în caietule de sarcini specifice lucrărilor se face în baza
normativelor: „Caietele de sarcini comune lucrărilor de drumuri” – indicativ AND 589-2004, „Caiet de
sarcini nr. 13 – Reciclarea la rece a îmbracăminților bituminoase” si „Normativ privind reciclarea la
rece a îmbracăminților rutiere” - indicativ AND 532-1997 Conform acestora, reciclarea se aplica pentru
ranforsarea, întreținerea și consolidarea structurii rutiere și se aplica pentru îmbracăminți bituminoase
degradate la drumuri de clasa tehnica II – V și străzi de categoria II – IV.
VII.2.4. Reciclarea utilizând bitumul spumat
În tara noastră, tehnologia reciclării cu bitum spumat a început sa fie folosita pentru reciclarea
dalelor de beton rutier degradate pentru execuția straturilor de fundație și pentru reciclarea mixturii
bituminoase la execuția straturilor de fundație și a straturilor de baza, tehnologia fiind agrementata.
Reciclarea utilizând bitumul spumat consta în frezarea straturilor rutiere degradate, malaxarea
materialului împreuna cu bitumul spumat și reașternerea acestui amestec (figura VII.3) și compactat
(figura VII.4).
VII.3. Utilizarea soluțiilor de reciclare pentru drumuri de categorie superioara
Utilizarea tehnologilor de reciclare noi ce se utilizează la noi în tara nu este reglementata decât
de agrementele tehnice ce se obțin de către utilizatorii tehnologiei, agremente care stabilesc principalele
condiții la utilizarea materialelor și a utilajelor precum, performantele materialului obținut corelat cu
domeniul de aplicare. În aceasta categorie avem și tehnologiile de reciclare bazate pe tehnologia
bitumului spumat. Totuși, uneori un agrement tehnic, mai ales când nu exista experiența similara la
constructorul, care este titularul agrementului, nu poate conține în detaliu descrierea completa a
tehnologiei, iar uneori condițiile de aplicare nu sunt întotdeauna definite pentru proiectantul care
vizează soluția tehnica. Astfel, ar fi de interes reglementarea la nivel național a unei evaluări unitare a
unor coeficienți de performanta dați de teste de laborator si evaluări a modulilor de rigiditate pentru
efectuarea calculelor de dimensionare a structurii rutiere.
Înainte de aplicarea tehnologiei pe un sector de drum, se recomandă întodeauna execuția de
sectoare experimentale, pentru verificarea capacitații portante [60].
VIII. AGREMENTAREA TEHNICA A RECICLARII CU BITUM SPUMAT
VIII.1. Condițiile generale impuse de agremente
În continuare prezint condițiile tehnice comune și specificațiile impuse în agrementele tehnice
pentru materialul mixtură cu bitum spumat și tehnologiile aferente de reciclare „in situ” a structurilor
rutiere degradate de beton de ciment sau mixtură asfaltică.
Agrementele tehnice în construcții se elaborează numai de către organismele abilitate pentru
elaborarea de agremente tehnice, sub coordonarea Consiliului Tehnic Permanent pentru Construcții.
45
Pentru reciclarea „in situ” ce utilizează bitumul spumat, domeniile acceptate de utilizare în
construcţii pentru utilizarea tehnologiei și materialului la drumuri de clasa tehnica II-V, pentru execuția straturilor
de fundație sau de baza. Procedeul de reciclare se aplica în funcție de soluția proiectata, pentru o adâncime de
frezare și reciclare a stratului de maxim 30 cm.
Identificarea tehnologiei agrementate: procedeul de reciclare se realizează cu ajutorul trenului de
reciclare și se identifica prin:
- caracteristicile materialelor componente și dozajele stabilite,
- tehnologia de execuție,
- locul de punere în operă,
- proceduri tehnice de operare specifice utilajului.
Rezistenta și stabilitatea stratului rutier obținut prin aplicarea procedeului de reciclare la rece
trebuie sa se încadreze în caracteristicile tehnice, specifice straturilor rutiere corespunzătoare. Produsul
obținut are în componenta sa material frezat, bitum spumat (3,5-5,5%), apa de adaos (5,0-15,0%)
eventual filer sau ciment (1,5 – 4,0 %) și agregate de adaos.
Etapa preliminară pentru efectuarea reciclării este studiul de laborator pentru stabilirea
compoziției optime după cum urmează. Studiul de laborator se face pe carote și material frezat
(conform normativ AND 535-97) pentru stabilirea oportunității aplicării acestei soluții tehnice,
stabilirea adâncimii de frezare și a omogenități sectorului, a granulozității și a umidității optime de
compactare. Pentru studiul rețetei se prelevează material frezat din sectorul de drum pe care se dorește
reciclarea, se malaxează materialul frezat la umiditatea optima, împreuna cu bitumul spumat cu ajutorul
mașinii de produs spuma și a malaxorului de laborator. Din amestecul rezultat se confecționează cilindri
în vederea stabilirii caracteristicilor fizico-mecanice pentru stratul reciclat, corelate cu conținutul de
bitum și umiditatea optima a amestecului.
După stabilirea rețetei se trece la execuția reciclării care în care pot fi identificate următoarele
etape:
- curățirea părții carosabile cu peria mecanică sau cu jet de aer;
- frezarea stratului existent ce urmează a fi reciclat (frezarea se realizează cu tamburii de frezare ai
reciclatorului și cu freze suplimentare în cazul materialelor dure);
- controlul compoziției granulometrice și a umidității materialelor (prin prelevarea de material frezat
în timpul execuției;
- introducerea bitumului spumat (3,5-5,5% bitum) și a apei sau suspensiei de ciment în apa peste
materialul frezat și omogenizarea amestecului în instalație;
- așternerea și pre-compactarea materialului reciclat cu ajutorul grindei finisoare a echipamentului;
- compactarea finala a stratului reciclat.
Pentru controlul calității stratului rutier reciclat se urmărește constanta calității produsului
obținut, prin verificări în laboratorul de șantier, atât pentru materialele componente cât și pentru
produsul final.
Încă din faza procesului de malaxare trebuie asigurată umiditatea optimă a amestecului
(umiditatea optima de compactare). Adaosul de apă în material, considerând atât umiditatea existenta în
strat, aportul de apă de la frezare și apă din suspensia de ciment și se calculează pornind de la valoarea
umidității optime obținută cu încercarea Proctor modificat pe materialul frezat - WoptP (fără adaosul de
spumă). Peste acest amestec se pulverizează bitumul spumat (3,5-5,5% bitum raportat la masa de
agregate).
După compactarea stratului obținut, acesta se acoperă un strat de mixtura asfaltica, după ce
conținutul de apa a scăzut cu 25-30% față de valoarea optima a umidității de compactare, valoarea
umidității ce trebuie stabilita în laborator.
Pentru compactare se folosesc cilindri de 10-20 tone, iar numărul de treceri pentru realizarea
compactării se va stabili pe un sector experimental, astfel încât sa se asigure gradul de compactare de:
- minim100% pentru cel puțin 95% din numărul punctelor de măsurare și minim 98% în toate
punctele de măsurare, pentru drumuri de clasa tehnica II,III.
2. Agrementul Tehnic
46
- minim 98% în cel puțin 95% din numărul punctelor de măsurare și min. 95% în toate punctele
de măsurare, pentru drumuri de clasa tehnica IV,V.
De asemenea sunt impuse restricțiile la punere în operă. Temperatura minima de lucru în mediul
ambiant trebuie sa fie de minim +100C. Execuția lucrărilor pe timp de ploaie va fi întreruptă.
VIII.2. Soluția tehnica bazata pe utilajul de reciclare Wirtgen WR4200
Unul dintre cele mai complexe utilaje pentru reciclare în situ cu bitum spumat este trenul de
reciclare Wirtgen WR4200. Pentru această instalație de mare productivitate (lățime a maxima a benzii
reciclate de 4,2m) s-a obținut agrementarea tehnologiei de execuție de reciclare, atât pentru structuri
rutiere rigide cit și flexibile. Se remarca ca în principiu acest utilaj permite un control foarte bun al
malaxării materialului frezat cu spuma de bitum întrucât are în compunere un malaxor cu 2 arbori
contra-rotativi.
În principiu procedeul de reciclare „in situ”, ce face obiectul prezentului agrement consta în
frezarea straturilor rutiere de mixtura degradate, materialul frezat fiind introdus intr-un malaxor unde
este omogenizat împreună cu suspensia de ciment în apă; peste materialul astfel obținut este injectat
bitumul spumat. Materialul rezultat în urma acestui proces este așternut și pre-compactat cu ajutorul
grinzii finisoare. Toate fazele procesului prezentat sunt realizate cu ajutorul utilajului Wirtgen WR4200.
Aportul de apă și ciment este dozat cu ajutorul instalației Wirtgen VM 1000. Trusa echipamentului de
reciclare include și mașina de spumare a bitumului în laborator Wirtgen WLB 10. În cazul în care
studiul de rețetă efectuat în laborator impune modificarea curbei granulometrice, materialele de adaos
vor fi adăugate prin dispersare uniforma în fata utilajului de reciclare.
Procedeul de reciclare „in situ” cu bitum spumat se aplica în domeniul rutier la execuția
drumurilor de clasa tehnica II-V și a străzilor de clasa I-IV, pentru stratul de baza. Procedeul de
reciclare se aplica pentru îmbrăcămințile existente de mixtura asfaltica degradate, în funcție de soluția
proiectată, pentru o adâncime de frezare și reciclare a stratului de minim 6 cm și maxim 30 cm. Stratul
obținut prin acest procedeu de reciclare poate fi asimilat cu un strat de baza AB2 conform din SR
7970/2001, cu restricția impusă de normativul reciclarea la rece indicativ AND 532/1997 privind
domeniul de utilizare.
Rezistenta și stabilitatea stratului rutier reciclat cu spuma de bitum, obținut prin aplicarea
procedeului se încadrează în caracteristicile tehnice, specific stratului de baza AB2 și corelat cu
particularitățile impuse de tehnologia mixturi obținută cu spumă de bitum.
În final, produsul obținut are în componenta sa material frezat, eventual aport de agregate, nisip
și parte fina, bitum spumat (1,5-5,0%) și ciment (1,5 – 2,5 %), fiind identificat ca produs nou sub
reciclat de mixtura asfaltica cu bitum spumat. Apa utilizata în procesul de fabricare (4-12%) este
evacuata din sistem prin evaporare sau fixata de către compuși calciului din ciment, pierderea acestui
conținut de apa determinând maturarea amestecului și obținerea caracteristicilor dorite.
Pentru ca materialul obținut în urma acestui tip de reciclare sa fie echivalat cu un strat de baza
tip AB2 s-au impus următoarele condiții:
- Elementele geometrice ale stratului realizat sa fie identice cu cele prevazute la punctul 2.2. din
SR 7970/2001.
- Granulozitatea amestecului (figura VIII.1), rezultată din suprapunerea domeniului caracteristic
mixturii tip AB2 conform SR 7970/2001 cu domeniul specific tehnologiei cu bitum spumant (zona B
din domeniul Rukel).
- Aportul de materiale, când se impune corectarea curbei granulometrice, se face respectând
condițiile impuse la punctului 2.1.2. din SR 7970/2001.
2. Agrementul Tehnic
47
Figura VIII.1 – Domeniul de granulozitate impus de agrement pentru reciclarea mixturilor cu
bitum spumat la execuția stratului de baza
În 2003, pentru evaluarea oportunității introducerii pe scara larga a tehnologiei de reciclare cu
bitum spumat, au fost executate în vederea elaborării agrementului doua sectoare experimentale, unul în
zona climatica calda – DN5, km 17+377– 17+800 și unul în zona climatica rece DN7– km 190+700 –
190+800.
VIII.2.2. Reciclarea structurilor rutiere degradate din beton de ciment cu utilajul Wirtgen 4200
pentru execuția stratului de fundație (conform AT 005-07/99-2004)
Echipamentul WIRTGEN WR 4200 poate fi utilizat pentru reciclarea betonului rutier degradat
„in situ”, procedeu ce constă în frezarea și reciclarea dalelor de beton pentru execuția strat de fundație
din structura rutiera.
Având în vedere ca produsul obținut prin aplicarea tehnologiei la rece nu prezintă caracteristicile
unei mixturi asfaltice și nici cele ale unui balast stabilizat (pentru obținerea produsului s-au utilizat
bitum spumat și suspensie de ciment) acesta sa considerat la data elaborării agrementului ca un produs
nou promovat, identificat prin simbolul „RR” [61].
Procedeul de reciclare „in situ” ce utilizează bitumul spumat se aplica în domeniul rutier, la
drumuri de clasa tehnica II-V, pentru execuția stratului de fundație. Procedeul de reciclare la rece se
aplica îmbrăcăminților existente din beton de ciment, în funcție de soluția proiectată, pentru o adâncime
de frezare și reciclare a stratului de maxim 30 cm.
VI.3.2. Reciclarea structurilor rutiere degradate utilizând reciclatorul WIRTGEN 2500S (conform
AT 005-07/136-2005)
Procedeul de reciclare este executat și cu echipamentul WIRTGEN 2500S și poate fi aplicat atât
straturilor de mixtura asfaltica cit și cele de beton rutier și este utilizat pentru execuția statului de baza
[55]. Deosebirea majoră față de tehnologia agrementată prezentată anterior, constă că reciclarea se face
din doua treceri ale trenului de reciclare, în acest fel asigurându-se o uniformitate mai buna a
caracteristicilor de granulozitate, o omogenitate mai buna pe întreg sectorul executat. Subliniem că
reciclatorul tip 2500S nu are malaxor separat incorporat.
Procedeul de reciclare la rece „in situ” se aplică în domeniul rutier la drumuri de clasa tehnica II-
V, pentru stratul de fundație. Procedeul de reciclare la rece se aplică îmbrăcăminților existente din beton
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,01 0,1 1 10 100
treceri
[%
]
site [mm]
Domeniul de granulozitate impus de agrement
limita inf. AT.
limita sup. AT
2. Agrementul Tehnic
2. Agrementul Tehnic
48
de ciment, în funcție de soluția proiectată, pentru o adâncime de frezare și reciclare a stratului de maxim
30 cm.
Procedeul de reciclare la rece a îmbrăcăminților rutiere se realizează cu ajutorul reciclatorului
Wirtgen WR 2500S și se identifica prin: caracteristicile materialelor componente și dozajele stabilite,
tehnologia de execuție, locul de punere în operă si instrucțiuni tehnice de lucru elaborate de firma.
Rezistenta și stabilitatea stratului obținut prin aplicarea procedeului de reciclare sunt similare
celor specifice straturilor de bază.
Componenta produsului este funcție de materialul de bază al stratului rutier reciclat după cum
urmează:
- dacă produsul se obține integral din mixtura asfaltică reciclată avem: material frezat, bitum
spumat în proporție de 2% și ciment 1,5%, apa de adaos 5,0-15,0%;
- dacă produsul se obține din amestecuri (mixtura asfaltică și beton rutier): material frezat, bitum
spumat în proporție de 2.5% și ciment 0-1,0%, apa de adaos 5,0-15,0%.
Procedeul „in situ” de reciclare utilizând tehnologia bitumului spumat și care face obiectul
agrementului, utilizând reciclatorul Wirtgen WR 2500S este proprietatea firmei AKTOR. Pentru
aplicarea procedeului de reciclare „in situ”, setul de utilaje necesar este compus dintr-o instalație mobila
de reciclare WR 42500s și o serie de utilaje conexe: cilindru compactor greu lis sau compactor picior de
oaie cu vibrare, cilindru compactor pe pneuri cu masa de minim 10t, autogreder, cisternă de bitum,
cisternă de apa, greder, freza, perie mecanică și compresor de aer.
Pentru punerea în opera distingem următoarele etape distincte:
- Studiul de laborator ce este executat pe probe prelevate sub formă de carote și de material frezat
(conform Normativului AND 535/1997) iar apoi se stabilește rețeta pe tipuri de amestec. Se va stabili
astfel conținutul de bitum și ciment corelat cu umiditatea optima a amestecului prin confecționarea
de cilindrii.
- Prima etapă de execuție frezarea îmbrăcăminții rutiere pe întreaga adâncime preconizate,
verificarea granulozității materialului frezat, adăugarea materialului de aport (mixtura frezata
depozitata în alt loc sau amestec optimal piatra sparta). Materialul de aport va fi compactat prin
minim 3 treceri cu un compactor greu cu vibrare.
- A doua etapa de execuție – stabilizarea materialului prin adăugarea bitumului spumat și ciment.
Viteza de înaintare a utilajului va fi intre 4m/mm și 12m/mm.
- Durata de execuție este dată de perioada maxima din cele două etape care este de maxim 48 de
ore în condiții de umiditate optimă.
- După execuție se poate aplica stratul de binder numai dacă umiditatea stratului nou reciclat se
diminuează cu 50%.
Se mai menționează în agrement ca suprafața se va trata prin stropire cu apa sau emulsie
bituminoasa diluata și compacta cu un compactor pe pneuri pentru a realiza o textura închisa, dar nu
este clar daca aceasta se realizează după diminuarea umidității cu 50% înainte de așternerea binderului
sau daca se întârzie cu așternerea acestuia,
Producătorul urmărește constanta calității produsului obținut prin verificări interne, în
laboratorul propriu sau cu ajutorul altui laborator autorizat, atât pentru materialele componente cât și
pentru produsul final [55].
Materialul obținut este evaluat prin rezistența la întindere indirecta Rt (ITS). Valorile de
referință sunt prezentate în tabelul alăturat VIII.12 [61].
49
Tabelul VIII.12 – Conditii privind rezistenta la intindere indirecta corelata cu materialul reciclat
Tip material
Cilindrii Marshall de 100 mm Cilindri Proctor de
150 mm
Modulul rezilient pe
cilindrii Marshall de
100 mm, la 10Hz și
25°C (MPa)
Rt uscat (KPa) Rt umed/Rt uscat Rt (KPa)
Structura rutiera
reciclata/piatra
sparta 50/50%
250 - 600 0,8 – 1,0 120 - 250 2500 - 4000
Piatra sparta
(granulometrie
continua)
200 - 500 0,6 – 0,9 120 - 200 2000 - 3000
Pietris
(PI<10, CBR<30) 150 - 450 0,3 – 0,75 80 - 150 1500 - 3000
Pentru condiții de punere în operă, fată de agrementele elaborate anterior, se remarcă ca
restricțiile sunt mai detailate prin corelația cu factorii climatici și temperatura spumei de bitum, după
cum urmează:
- Nu se execută lucrări în condiții de umiditate (ploaie, ceata...);
- Nu se execută lucrări dacă temperatura aerului este de sub 5°C și nu vor fi admise alte lucrări
decât cele de compactare și finisare daca temperatura agregatelor scade sub 10°C în timpul
execuției.
- Condițiile impuse pentru spuma de bitum: rata de expansiune ERm = 10 și timp de înjumătățire
t1/2 = 8s.
- Pentru temperatura materialului se remarca că este introdusă o corelație a temperaturii
agregatelor cu care se lucrează, penetrația bitumului și rata de expansiune, prezentată în tabelul
VIII.13.
Tabelul VIII.13 – Corelație a spumei de bitum cu condițiile climatice
DISPERSIA BITUMULUI SPUMAT
Clasa de penetratia
bitumului
Rata de
expansiune (ERm)
Temperatura agregate
< 15 °C 15 - 25°C >25 °C
< 75 < 8 foarte slaba slaba medie
75 – 100 8 – 12 medie buna buna > 150 >12 buna foarte buna foarte buna
- Umiditatea optima:
Se subliniază în agrement că umiditatea materialului frezat este foarte importantă și dozarea apei
pentru suspensia de ciment se face funcție de umiditatea stratului frezat și umiditatea optimă de
compactare stabilită prin încercarea Proctor modificat și de umiditatea stratului frezat, dar fără a fi dată
o formulă de corelație.
Programul de verificări impus pentru evaluarea soluției agrementate bazat pe urmărirea
comportării în exploatare a stratului rutier realizat cu acest material și această tehnologie se bazează pe
determinări de densitate, absorbție de apă și rezistenta la compresiune, pe carote executat, pe parcursul
unui an de zile de la execuție și s-a efectuat de către CESTRIN.
Studiul efectuat pe sectoare experimentale efectuate pentru agrementarea tehnologiei și
materialului:
Sinteza determinărilor de laborator obținute pe carote extrase din sectoare executate pe DN17 în
2006 și sunt prezentate în tabelul VIII.14. Carotele au fost extrase dintr-un sector reciclat pe o adâncime
de circa 16 – 17 cm.
50
Tabelul VIII.14 – Determinari efectuate pe sectorul experimental DN17
Determinarea de laborator Beton reciclat Mixtura reciclata Conditii conf.
SR 7970/2001 Km 141+200 - Km 141+400 Km 147+200 – Km 147+800
Densitatea aparenta , (kg/m3) - 2128 min. 2150
Absortie de apa, (%) - 10 2 – 10
Grad de compactare , (%) - 96,4 min. 96
Rezistenta la compresiune, (N/mm2) 1,53 2,1 -
Având în vedere ca deși stratul de baza obținut cu aceasta tehnologie nu prezintă în totalitate
caracteristicile din standardele specifice (SR 7970 – 2001), pentru confirmarea încadrării funcționale cit
și pentru proiectarea structurii rutiere, au fost efectuate determinări de capacitate portantă la 45 de zile
de la executarea sectoarelor experimentale. Valorile deflexiunilor medii obținute sunt prezentate în
tabelul VIII.15. În urma acestor determinări s-a atins capacitatea portantă proiectată, fapt confirmat și
ulterior prin comportare bună în exploatare a acestor sectoare.
De asemenea, în Dosarul tehnic al agrementului este prezentat un raport tehnic privind
capacitatea portantă și dimensionarea sistemului rutier utilizând programul RoSy DESIGN (Anexa 9).
Astfel s-a obținut următoarea structura rutieră pentru ranforsarea DN 17 utilizând bitum spumat: 28 cm
asfalt (8 cm strat de baza mixtura existent, plus 20 cm reciclat de mixtură și 30 cm balast.
Tabelul VIII.15 – Determinari de capacitate portanta efectuate pe sectorul experimental
Tip imbracaminte reciclata
(DN 17)
Pozitia kilometrica Deflexiune medie
dbm (1/100 mm)
Beton de ciment Km 141+200 – 141+400 dr. 63
Km 141+200 – 141+400 stg. 25
Mixtura asfaltica Km 147+200 – 147+700 dr. 42
Km 147+200 – 147+700 stg. 64
IX. LUCRARI MAJORE DE REABILITARE PE RETEAUA DRUMURILOR NATIONALE
UNDE S-A UTILIZAT TEHNOLOGIA DE RECICLARE BAZATA PE BITUMUL SPUMAT
IX.1. Reabilitarea DN17, sector Limita judete Bistrita-Nasaud /Suceava – Iacobeni, Km 116+000 -
Km 155+000 – Constructor AKTOR
Acest sector de drum aflat intr-o stare avansată de degradare are o structura eterogena și intr-o
zona geografica cu variații semnificative de relief și condiții climatice. Structura rutiera existenta era în
proporție de 89% formată din dale de beton degradate, atât la suprafață cât și în profunzime. Structura
rutiera rigida cu dale de beton cu grosimi intre 15 și 20 cm și care a fost acoperita cu câteva straturi de
mixtura asfaltica. Dat fiind această eterogenitate, s-a ales soluția reciclării cu bitum spumat a structuri,
chiar dacă aceasta era formată din asfalt, beton de ciment sau material granular din piatra sparta [58].
Soluția proiectata a prezentat următoarea structura rutiera: statul suport al drumului existent, strat
reciclat în situ 20 – 25 cm, strat de binder BAD25 de 5 cm și strat de uzură MASF 16 de 4 cm.
Documentația ce prezintă propunerea firmei AKTOR este fundamentata în principal pe experiența
dobândita în baza reabilitării autostrăzii Iliki – Atena – Corint [58, 62].
Centralizatorul rezultatelor de laborator pentru determinarea Benkelman (Normativ AND CD
31/2002), gradul de compactare, testele de rezistenta prevăzute în agrementul tehnic (încercarea la
întindere indirecta și rezistenta la compresiune) sunt prezentate în Anexa 10. Analiza statistică este
prezentată în tabelul IX.1.
51
Tabelul IX.1 – Analiza statistică pentru reabilitarea DN 17
Determinarea Conditii
AT
Valoare
medie
Abatere
standard
Coeficient
de variatie
Valoare
minima
Valoare
maxima
Deflexiune
admisibila - dbm
(1/100 mm)
max. 100 75,72 11,89 16% 40,00 93,00
Coeficient de var.
(%)
max. 35 5,50 31,90
Grad de compactare
(%)
min. 98 100,98 0,43 0% 99,96 101,9
Rez. la intindere -
ITS (N/mm2)
min. 0,15 0,20 0,04 20% 0,15 0,37
Rez. la compresiune
- UCS (N/mm2)
min 1,00 1,73 0,39 22% 1,04 2,92
IX.3. Reabilitare DN 56A, Maglavit – Bucura, km 0+000-45+000 - Constructor Mochlos S.A. cu
subcontractare Romstrade pentru reciclarea sectoarelor cu beton rutier
Acest sector de drum național s-a aflat intr-o stare avansata de degradare și având o structura
veche care nu era reabilitat. Drumul a fost ținut la limita de viabilitate prin numeroase lucrări de
întreținere aplicate îndeosebi în situații deosebite. Astfel, lucrarea a fost demarată pe un proiect pentru
care pe timpul execuției s-a constatat că nu este realist în ceea ce privește structura rutiera existenta.
Proiectul inițial prevedea următoarea structură: beton asfaltic 4 cm, binder 5 cm, mixtura densa 6-13
cm, material reciclat cu bitum spumat 20 cm, strat de baza existent sau straturi granulare. Ulterior,
conform unui studiu efectuat de SEARCH Corp. si sistemul rutier poate avea stratul de binder si uzura
direct pe stratul reciclat ce are rol de strat de baza in structura. Astfel, în proiect era prevăzut frezarea
mixturii asfaltice dar s-a constatat existenta unor sectoare ce aveau dale de beton de ciment. In final s-a
ajuns la următoarea structură rutieră: strat de baza aproximativ 20 – 30 cm executat prin reciclare cu
bitum spumat, 6-8 cm de BADPC 25 și uzură 4 cm MASF16. Remarcăm că este dificil de spus ce
material s-a frezat, întrucât în structura existentă a fost foarte eterogenă. Astfel, prezint alăturat și
curbele granulometrice care evidențiază clar eterogenitatea materialului frezat. In pofida acestor
impedimente, remarcăm ca s-au obținut rezultate acceptabile în contextul în care aplicarea altor
tehnologi de execuție a stratului de bază era dificil de aplicat prin reciclate în situ, dacă nu chiar
imposibilă. Deși sectoare au fost compromise la execuție cu tehnologia bitumului spumat, întrucât nu s-
a reușit obținerea în totalitate a unui material omogen, s-au căutat diverse soluții de remediere
(supradozarea aportului de ciment), observăm că pe ansamblu s-a obținut capacitatea portantă impusă
de funcționalitatea unui strat de bază.
Constructorul fiind asociat cu firma ROMSTRADE, titular al agrementului tehnic AT 104/2004,
astfel fiind utilizat utilajul Wirtgen 4200 și ar fi trebuit sa beneficieze de o experiență relevantă în
aplicarea soluției tehnice în tara noastră.
In continuare prezentăm aceleași analize bazate pe centralizarea datelor de laborator (Anexa 13).
De asemenea, am încercat să evidențiez influenta conținutului de bitum cu rezistenta la
compresiune. Se observă că variația mare valorilor obținute nu se corelează cu variațiile conținutului de
bitum (probabil nu s-a făcut distincție la extracție între de bitumul existent îmbătrânit).
52
Tabelul IX.5 - Analiza statistică conținut de bitum și rezistenta la compresiune pentru sectorul DN 56A
Sector
Km 34 + 050 - 45 + 000
Procent de Bitum
( % )
Rez. la compresiune (N//mm2)
Rc la 7 zile Rc la 28 zile
Valori medii V.2 1.9 3.2
Abatere standard 0.8 0.3 0.4
Coeficient de variatie 15% 18% 12%
Figura IX.7 –Granulozitate materialului frezat pe sectorul DN 56A, Km 0+000 – 45+000
IX.4. Concluzii privind lucrările de reabilitare ce au utilizat tehnologia cu bitum spumat
Sintetizând volumul mare de date cuprins în aceasta lucrare dedicata utilizări tehnologiei
mixturii obținute cu bitum spumat putem afirma următoarele:
- în țara noastră pe rețeaua drumurilor naționale s-a impus ca o metodă eficientă pentru reciclare „in
situ”, îndeosebi pentru reabilitarea drumurilor cu dale de ciment;
- metoda nu este standardizata sau normalizată, ceea ce a dus la o libertate mare de aplicare a
soluției cu proceduri specifice fiecărui producător;
- din analiza statistică a datelor de laborator observăm ca elementul critic pentru obținerea unui strat
rutier performant este granulozitatea materialului;
- cu toate că în condițiile foarte variate în care a fost aplicată soluția, fără studii anterioare
aprofundate, remarcăm că totuși s-a obținut în final un strat în structura rutieră cu capacitatea portantă
proiectată la nivelul de viabilitate cerut de proiect;
- soluția prezintă certe avantaje economice.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,01 0,1 1 10 100
treceri
[%
]
site [mm]
Granulometrie FOAMIX
53
X. CONCLUZII REFERITOARE LA STUDIUL MIXTURII CU BITUM SPUMAT SI LA
DEZVOLTAREA TEHNOLOGIEI IN TARA NOASTRA SI CONTRIBUTII PERSONALE
X.1. Concluzii generale
Concluziile generale a acestei lucrări pot fi sintetizate în următoarele idei:
- Deși tehnologia cu bitum spumant nu este de data recenta, prezintă încă un mare potențial de
dezvoltare, dacă este privită din perspectiva tehnologiilor „half-warm”. Aplicând această
tehnologie se pot obține reale beneficii financiare si de impact asupra mediului si al
dezvoltării durabile, îndeosebi datorită faptului că se pretează la utilizarea materialelor
reciclate.
- Pana în prezent, tehnologia a fost susținută îndeosebi de producătorii de echipamente de
reciclare cu bitum spumat. Studiul prezentat referitor la parametrii de malaxare arată că
nicidecum „calitatea” spumei este un element predominant in obținerea unor performate
superioare pentru mixtura fabricată. Astfel, renunțarea la echipamente de injecție sofisticate
si scumpe poate conduce la dezvoltarea si „ieftinirea” in continuarea a tehnologiei.
- Analizând meso-structura mixturii cu bitum spumat se identifică clar că distribuția fină și
omogenă in masa mixturii a liantului format din masticul bituminos este cheia obținerii unei
mixturi cu performante superioare.
- În această lucrare, referitor la materialele componente ale mixturii, am omis intenționat
dezvoltarea subiectului „ciment”, precizând cazurile doar acolo unde se poate utiliza. Se pare
că si pe plan mondial, cum rezulta din lucrările publicate recent, se denumește cimentul
utilizat in mixturile cu bitum spumat ca „filer activ”. În nici un caz acesta nu are rol de liant
in mixtură, în prima etapa având același rol ca și filerul. Influenta acestuia constă în prima
fază la accelerarea măturarii mixturii. Când se are în vedere la proiectarea mixturii utilizarea
cimentului, se face în baza modificării proprietăților reologice ale liantului (masticului), ceea
ce poate fi evidențiat prin studiile de laborator prin teste în regim dinamic (modul de
rigiditate, rezistenta la oboseală) ce se corelează cu determinările de capacitate portantă și
evoluția acesteia în timp pentru mixtura pusă în operă.
- În tara noastră, deși reciclarea cu bitum spumat este doar la nivelul de agremente tehnice
obținute pentru tehnologie si material, deși nu este impusă printr-un normativ unic național
(Normativ AND), a fost un aspect benefic întrucât a permis o abordare flexibilă a lucrărilor
derulate cu aceasta tehnologie. Totuși, este regretabil ca nici până în prezent nu sunt stabilite
criterii clare de proiectare si de performantă pentru aceste lucrări (proiectare a rețetei, valori
de referință pentru modulii de rigiditate, limitările tehnologiei … ).
X.2. Contribuții personale
Dat fiind ca prezenta lucrare s-a structurat de la sine in jurul activității de cercetare referitoare la
studiul tehnologiilor mixturii cu bitum spumat, derulate pe parcursul a mai multor ani și corelat cu
activitatea profesionala desfășurată in mai multe unități (LCPC, CESTRIN si CNADNR), se pot
evidenția următoarele contribuții:
Pentru studiul de laborator efectuat la LCPC:
Referitor la studiul procesului de spumare:
- Determinarea spumării bitumului cu telemetrul laser;
- Invalidarea calculelor referitoare la dozarea optimului de apă pentru spumare bazate pe calcule
termodinamice simpliste ce nu au în vedere dinamica procesului.
- Limitarea influentei aditivului la presiuni ridicate în camera de injecție.
54
Referitor la studiul fabricației mixturii, în corelație cu structura mixturii cu bitum spumat:
- Evidențierea tipului si structurii componentelor din mixtura utilizând microscopia optică
(identificarea claselor de particule din mixtură);
- Analiza statistică complexa a datelor de laborator pentru evidențierea meso-structurii mixturii,
inclusiv cu publicarea primelor lucrări internaționale în care s-a precizat clar că liantul mixturii
este dat de masticul bituminos;
- Modelul de formare al mixturii la compactare (influența peliculei de apă, masticului si a
agregatelor „pătate”).
- Modele statistice de corelație între structura mixturii și rezistenta la compresiune. Referitor la
aceste modele, rezultatele obținute cu acestea sunt originale întrucât evidențiază că parametrii de
proces semnificativi la fabricația mixturii sunt cei dați de parametrii termodinamici.
- Concluziile referitoare la faptul că nu procesul de spumarea este parametrul definitoriu in
obținerea unei mixturi cu performante superioare.
Valorificând experiența data de cercetarea de laborator de cel mai înalt nivel derulată la LCPC,
la întoarcerea la CESTRIN, fiind membru al Grupa specializată nr. 7, „Drumuri, Poduri Rutiere,
Porturi si Aeroporturi” pentru elaborare agremente tehnice in construcții, am participat la elaborarea
agrementelor pentru reciclări cu bitum spumat, în cazul agrementului AT 005-07/104-2004 fiind
raportorul grupei de specialitate. Acest agrement se remarcă si prin faptul că este primul care a impus
soluția reciclării cu bitum spumat pentru obținerea straturilor de bază. In plus agrementul a prezentat
pentru prima data determinări de capacitate portanta obținute pe sectoarele experimentale.
In activitatea derulata la CNADNR, lucrând in cadrul Direcției Calitate si Protecția Mediului, am
putut avea contacte directe cu derularea unora dintre lucrările majore de reabilitare ce s-au bazat pe
reciclarea cu bitum spumat. In acest sens am putut sintetiza in prezenta lucrare un număr semnificativ
de determinări de laborator, ce pot fi utile în continuare specialiștilor in domeniu.
Ca o recunoaștere internaționala a activității de cercetare derulate în toata aceasta perioada de
activitate pentru studiul mixturii cu bitum spumat, in anul 2009, lucrarea „Effect of Process Parameters
on Foam Bitumen-Based Road Material Production”[37], la care sunt coautor, a obținut Marele premiu
pentru cea mai bună lucrare științifică publicată in „Road Materials And Pavement Design-
International Journal” in anul 2008.
55
XI. BIBLIOGRAFIE
[1] B. Cazacliu, M. Peticila, B. Guieysse, „Rapport de Contrat de Recherche”, Convention FAYAT/Shell Bitumen/LCPC,
2003
[2] M. Peticila, „Consideratii privind tehnologia de reciclare bazată pe bitumul spumat”, Drumuri Poduri, 85, 2004
[3] D. Whiteoak, J. Read, „The Shell Bitumen Handbook, Fifth Edition” Thomas Telford, Ltd, 2003
[4] J. Bonvallet, „La mousse de bitume, une technique émergente, probablement incontournable”, Revue Générales des
Routes et des Aérodromes, 789, 2000
[5] J. Bossé., „La grave-mousse®, Le premier bilan d'un projet innovant ”, Revue Générale des Routes et des
Aérodromes, 713, 1993
[6] L.H. Csanyi, „Foamed asphalt in Bituminos Paving Mixtures”, Bull. 160, HRB, National Resarch Council, Washinton,
DC, 1957
[7] H. Goacolou, S. Soliman, F. Le Bourlot, J. Bossé, „La grave-mousse®, un matériau économique pour couche
d'assise”, Revue Générale des Routes et des Aérodromes, 742,1996
[8] J. Bossé, F. Le Bourlot, . S. Soliman, „Grave-mousse®, premier chantier”, Revue Générale des Routes et des
Aérodromes, 702, 1992
[9] S.M. Acott, P.A. Myburgh, „Design and performance study of sand bases treated with foamed asphalt”, Low-volume
roads: third international conference. Washington, DC (Transportation Research Record; 898), 1983
[10] K.J. Jenkins, JLA de Groot** , MFC van de Ven, A Molenaar, „Half-Warm Foamed Bitumen Treatment, a New
Process”, 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa, 1999
[11] O. Moen, “Asphalt production at lower operating temperatures as an environmental friendly alternative to HMA”, APC
- Enviromental Inovation in Asphalt - Kolo Veidekke
[12] M. Corrigan, „Warm Mix Asphalt technology”, AASHTO Standing Committee on Higways technical Meeting, Nashvill,
2005
[13] B. S. Morton, A.T. Visser, E. Horak, „Foamed Tar Technology: An Innovation In Pavement Stabilization”, The 2002
Federal Aviation Administration Airport Technology Transfer Conference, 2002
[14] P.J. Ruckel, L Kole, F Abel, R. Zator, J.W. Button, J. Epps, “Foamix Asphalt Advances”, Asphalt Pavement
Construction: New Materials and Techniques, Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials (ASTM
STP; 724),
[15] P.J. Ruckel, S.M. Acott, Bowering, “Foamed-asphalt paving mixtures: preparation of design mixes and treatment of
test specimens”, Asphalt materials, mixtures, construction, moisture effects and sulfur. Washington, DC:
Transportation Research Board. (Transportation Research Record; 911), 1982
[16] K. M. Muthen, „Foamed Asphalt Mixes - Mix Design Procedure”, Contract Report CR-98/077 - SABITA Ltd & CSIR
Transportek, 1998
[17] J. Lancaster., L. McArthur, R. Warwick, “Vicroads experience with foamed bitumen stabilisation” “17th ARRB
Conference, Proceedings Held in Gold Coast, Queensland, Volume 17, 1994
[18] R.H. Bowering, C.L. Martin, ”Performance of newly constructed full depth foamed bitumen pavements” Proceedings
of the 8th Australian Road Research Board Conference, held in Perth, Australia, 1976
[19] S.M. Acott, “Sand stabilisation using foamed bitumen” 3rd Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa,
1979
[20] L.H. Castedo-Franco, E.L. Wood, “Stabilisation with foamed asphalt of aggregates commonly used in low volume
roads” Low-volume roads: 3-rd international conference, Washington, DC, Transportation Research Board.
(Transportation Research Record; 898), 1983
[21] F.M.L. Akeroyd, B.J. Hicks, “Foamed Bitumen Road Recycling Highways”, Volume 56, Nr. 1933, 1988
[22] L.H. Castedo-Franco, C.C. Beaudoin, E.L. Wood, A.G. Altschaeffl, “Durability characteristics of foamed asphalt
mixtures”, Proceedings of the 29th Annual Canadian Technical Asphalt Association Conference, Montreal, 1984
[23] Shell WAM Foam Process – Shell Comercial Presentation
[24] D.Y Lee, Treating marginal aggregates and soils with foamed asphalt, AAPT, 1981
[25] K.J. Jenkins, M.F.C. van de Ven, J.L.A. de Groot, „Characterisation of Foamed Bitumen”, 7th Conference on Asphalt
Pavements for Southern Africa, 1999
[26] D. Lesueur, H. Clech, A. Brosseaud, C. Such, B. Cazacliu, B. Koenders, P.-J.Cérino, J. Bonvallet, „Foamed
Bitumens: Foamability and foam stability”, International Journal of Road Materials and Pavement Design, 2004.
[27] D.Y. Lee, “Treating Marginal Aggregates and Soil with Foamed Asphalt”, Proceedings of the Association of Asphalt
Paving Technologists, Vol. 50, 1981
[28] K. Multen, “Foamed Asphalt Mixes Mix Design Procedure”, Contract Report CR-98/077- CSIR TRANSPORTEK,1999
[29] D. Lesueur, B. Cazacliu, Collaboration Fayat-Shell-LCPC, Annexe technique, 2001
[30] NF P 98-251-4, „Essais relatifs aux chaussées - Essais statiques sur mélanges hydrocarbonés” - Partie 4 : „Essai
Duriez sur mélanges hydrocarbonés à froid à l´émulsion de bitume”
[31] NF P 98-250-6, „Essais relatifs aux chaussées. - Préparation des mélanges hydrocarbonés. - Partie 6 : mesure de la
masse volumique apparente d´une éprouvette par pesée hydrostatique”
56
[32] XP T 66-041, „Détermination de la teneur en bitume d’un enrobe par dissolution à froid”
[33] R. Andrei, „Metode statistice aplicate la drumuri”, Editura Tehnica, Bucuresti, 1983
[34] L.Soalca, M.Peticila, „Aplicatii informatice pentru procesare specifica datelor din laboratorul de drumuri”, Al XI-lea
Congres de Drumuri si Poduri, Timisoara, 2002
[35] G.W. Oehlert, C. Bingham „ An Interactive Program for Statistical Analysis and Matrix Algebra ”,
www.stat.umn.edu/macanova, 2003.
[36] M. Peticila, B. Cazacliu - Studiu parametric aplicat procesului de fabricare a mixturii cu bitum spumat, Drumuri
Poduri, nr. 24/2005
[37] B. Cazacliu, M.Peticila, B. Guieysse, J. Colange, C.Leroux, J. Bonvallet, R. Blaszczyk, „Effect of Process Parameters
on Foam Bitumen-Based Road Material Production”, Road Materials And Pavement Design, Vol.9, Issue 3/2008
[38] B. Cazacliu, ”Matériaux granulaires du génie civil, malaxage, rhéologie, Mémoire d’Habilitation à Diriger des
Recherches”, LCPC - 2009
[39] “French PIARC Committee Annual Report 2003”, XXIInd
World Road Congress In Durban, www.piarc.org/library
[40] „Road and Road Transport Operations”, Network Operations (C16) PIARC Activity Report 2000 – 2003,
http://publications.piarc.org/fr
[41] „Machines de Recyclage à Froid In-Situ”, No 25 – 2005, http://www.guides-gallois.com
[42] „Cold processing ofroad construction materials, Soil stabilization, Cold Mixes, Cold Recycling”,
http://www.wirtgen.de/en/
[43] F. A. Halles, G. Z. Thenoux, „Degree of Influence of Active Fillers on Properties of Recycled Mixes with Foamed
Asphalt”, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board – TRB, 2009
[44] TRL 386 – “Design guide and specification for structural maintenance of highway pavements by cold in-situ
recycling”, (www.trl.co.uk), 1999
[45] TRL 611 – “A guide to the use and specification of cold recycled materials for the maintenance of road pavements”,
(www.trl.co.uk), 2004
[46] M. McHale, „Cold In-situ Recycling of Bound and Unbound Layers of the A9 Trunk Road”, TRL Report, 1998
[47] J. Bonvallet, A. Cipriani, G. Giardini, „Quality Assurance and Traceability of Recycled Materials Processed
Continuously On-Site”, Conference on the Use of Recycled Materials in Building and Structures, Barcelona, 2004
[48] M.Peticila, „Controlul calitatii lucrarilor de compactare utilizind echipamente nucleare”, Drumuri Poduri 81/2004
[49] A.F. Bissada, “Structural Response of Foamed-Asphalt-Sand Mixtures in Hot Environments”, Asphalt materials and
mixtures - Washington DC: Transportation Research Board. (Transportation Research Record, 1115), 1987
[50] S. Sunarjono, „Tensile Strength and Stiffness Modulus of Foamed Asphalt Applied to a Grading Representative of
Indonesian Road Recycled pavement materials, Dinamika TEKNIK SIPIL, Volume 7, No. 1, 2007
[51] L.H. Csanyi, „Foamed Asphalt in Bituminous Paving Mixes”, Highway Research Board Bulletin Vol.10 No.160, 1957
[52] K.J. Jenkins, „Mechanical Properties of Foamed Bitumen Stabilised Materials, Road Recycling and Rehabilitation”,
Convegno EXPO, Roma, 2007
[53] A. Loizos, D. Collings, K.J. Jenkins, „Rehabilitation of a Major Greek Highway by Recycling / Stabilising with Foamed
Bitumen”, 8TH
Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa, 2004
[54] Agrement Tehnic 005-07/104-2004 - Procedeu de reciclare „in situ” a straturilor de mixtură asfaltică utilizând
tehnologia bazată pe bitum spumat
[55] Agrement Tehnic 005-07/136-2005 - Procedeu de reciclare „in situ” a straturilor rutiere utilizând tehnologia bazată pe
spumă de bitum si utilajul Wirtgen 2500S
[56] H.Theyse, F. Long, J. T. Harvey, C. L. Monismith, „Discussion of Deep In-Situ Recycling Technical Memorandum” -
TM-UCB-PRC-2004-6 - California Department of Transportation, 2004
[57] S. A. Romanovschi, M. Hossain, M. Heitzman, A.J. Gisi, „Foamed Asphalt Stabilized Reclaimed Asphalt Pavement:
A Promising Technology for Mid-Western Roads” Proceedings of the 2003 Mid-Continent Transportation Research
Symposium, Ames, Iowa, 2003
[58] A. Eller, R. Olson, „Recycled Pavements Using Foamed Asphalt in Minnesota - Final Report , Office of Materials and
Road Research - Minnesota Department of Transportation, 2009
[59] A. Balut,R. Nechita, L. Stelea, „Recycling of Deteriorated Old Bitumen Pavements”, Conference on Recycling of
Asphalt”, Spier, 2005
[60] M. Dicu, A.-M. Albu, „Unele probleme apărute la utilizarea soluțiilor de reciclare a straturilor rutiere uzate”, Drumuri
Poduri, nr. 90/2005
[61] Agrement Tehnic 005-07/099-2004 (Prelungire AT 005-07/097-2003) - Procedeul de reciclare la rece
[62] Propunere pentru reabilitarea sectiunilor drumului DN 17 prin reciclarea „in situ” cu bitum spumat, AKTOR S.A. -
2006