Aramidová vlákna – moderní způsob vyztužení asfaltových směsí

• Foto

Po několikaletém hledání a zkoušení padla volba na aramidová vlákna, vyhovující nejen vysokou pevností ale zejména teplotní stálostí a to až do teplot okolo 450 °C. Výzkum a vývoj, při kterém hledala FORTA vhodné složení směsi vláken i jejich dávkování do asfaltové směsi, probíhal ve spolupráci se silniční laboratoří Arizona State University (ASU), předním pracovištěm v oboru výzkumu silničního stavitelství. Výzkum a laboratorní i provozní testy byly ukončeny v roce 2008 a v následujícím roce uvedla FORTA Corp. tento nový typ vláken pod názvem FORTA – FI (FI jako zkratka pro Fiber Infused) na trh.

V České republice představila vlákna FORTA-FI v roce 2010 společnost eMZet s. r. o.

Silniční laboratoř ASU se v testech zaměřila na nejdůležitější vlastnosti směsí vyztužených vlákny FORTA-FI a jejich porovnání s kontrolními směsmi bez vláken.

TRIAXIÁLNÍ TEST SMYKOVÉ PEVNOSTI
Při tomto testu prováděném při teplotě 54,4 °C byly sledovány parametry koheze a vnitřního tření směsi. Testy byly prováděny s dávkou 0,5 kg a 1,0 kg vláken na tunu asfaltové směsi, a zatímco směs s dávkou 1,0 kg vykazovala nejvyšší hodnoty koheze, poskytla směs s dávkou 0,5 kg nejlepší užitné vlastnosti.

TESTY TRVALÝCH DEFORMACÍ
ASU provedla testy statického dotvarování (Flow time test) a test dotvarování při opakovaném namáhání. Při testu statického dotvarování byly použity válcové vzorky o průměru 100 mm a výšce 150 mm. Zkušební metoda vzájemně porovnává délku času (počtu opakovaných namáhání), kdy v sledované směsi bude vyvozena deformace odpovídající deformaci referenční směsi. Takto zjištěné hodnoty byly u vlákny vyztužených směsí vyšší než u nevyztužené směsi (9×) což ukazuje na vyšší odolnost vůči trvalým deformacím.

Při testech dotvarování při opakované zátěži prokázaly směsi s vlákny opět nižší akumulaci trvalého přetvoření za bodem terciárního tečení než kontrolní směsi bez vláken. Závěr z tohoto testu zněl, že výztuž s aramidovými vlákny poskytuje asfaltové směsi jedinečnou odolnost proti smykovým poruchám za bodem, kdy dochází k rychlé kumulaci deformace. S plošší křivkou přetvoření jsou vlákny vyztužené směsi schopny absorbovat vyšší energie než konvenční směsi před i v průběhu zkoušky dotvarování. 

TESTY ÚNAVOVÝCH TRHLIN
Pro vyhodnocení únavového chování směsí s vlákny FORTA-FI byly provedeny testy pevnosti v tahu za ohybu při konstantním přetvoření podle postupů AASHTO TP8 a SHRP M-009 a na základě analýzy výsledků učiněny následující závěry:

Směsi vyztužené vlákny vykazovaly při teplotách 4,5 °C a 21 °C mírně vyšší hodnoty tuhosti než kontrolní směs bez vláken. Tento rozdíl se se zvyšující teplotou zvětšoval a při teplotě 38 °C vykazovaly směsi s vlákny počáteční tuhost 1,7× vyšší než kontrolní směs. Při všech teplotách a při nižší i vyšší úrovni přetvoření, měly směsi s vlákny vyšší únavovou životnost než kontrolní směs.

Nárůst pevnosti v tahu za ohybu byl u směsí s vlákny 14 % resp. 25 % u směsi s dávkou vláken 0,5 kg/tunu.

Při testech pevnosti v příčném tahu bylo zjištěno, že vlákny vyztužená směs měla 1,5× vyšší pevnost než kontrolní směs a protože se u směsí s nižší tahovou pevnosti typicky projevuje vyšší vznik mrazových trhlin, je zřejmé, že vlákna mají pro odolnost proti vzniku mrazových trhlin zásadní pozitivní roli.

ŠÍŘENÍ TRHLIN
Pro směsi s vlákny i pro kontrolní směs byly zjištěny vztahy mezi rychlostí šíření trhlin a hodnotami C* i sklony křivky šíření trhlin. Vlákny vyztužené směsi měly vyšší C* a hodnoty sklonu než kontrolní směs, což znamená, že vlákny vyztužené směsi mají vyšší potenciál odolávání šíření trhlin díky vyztužovacímu efektu aramidových vláken.

Na základě uvedených výsledků uvedla společnost FORTA vlákna FI na trh v USA a od roku 2009 byly asfaltové směsi použity v desítkách projektů oprav, obnovy i nové výstavby asfaltových vozovek, zejména ve velmi zatížených místech (příjezdy k mýtným branám, vozovky s provozem těžkých kamionů apod.).

Významnou referencí je i jeden z prvních projektů s vlákny FORTA-FI – kompletní rekonstrukce VPD na letišti Jackson Hole ve Wyomingu.

Letiště Jackson Hole leží na úpatí atraktivního pohoří Teton uvnitř Národního parku Grand Teton. Toto letiště má několik zvláštností, které vyžadovaly vyztuženou asfaltovou směs:

• Ročně 35 000 letů a více než 300 000 pohybů letadel
• Poloha letiště s ranvejí v nadmořské výšce 1 966 m vyžaduje vyšší přistávací rychlost letadel
• Ranvej je dlouhá pouze 1 920 m což je relativně málo pro přistávání ve vyšší rychlosti a pro větší letadla
• Letiště přijímá i větší letadla jako Boeing 757 a Airbus 320
• Ročně zde napadne 7,62 m sněhu
• Nutné časté pluhování poškozovalo původně položenou obrusnou asfaltovou vrstvu
• Teploty se mohou v zimních měsících pohybovat od –40 °C do +5 °C a celoročně od –40 °C v zimě do +40 °C v létě
• Celkem položeno 7 500 t asfaltové směsi

Protože pro uplatnění tohoto nového výrobku jsou rozhodující zkoušky provedené v akreditované laboratoři v ČR, byla vlákna FORTA-FI předložena ke zkouškám i silniční laboratoři Stavební fakulty ČVUT v Praze. Tato laboratoř ve spolupráci s Centrální laboratoří společnosti Eurovia provedla řadu testů s následujícími výsledky:

Soubor laboratorních zkoušek uvedených v tabulce byl proveden na třech typech asfaltových směsí. Jednalo se o dvě směsi asfaltového betonu do obrusné vrstvy ACO 11 S a o asfaltový beton do ložné vrstvy ACL 22 S. Vlákno FORTA FI bylo přidáno do směsí se silničním nemodifikovaným pojivem gradace 50/70 tzn. do běžně vyráběných směsí na našem trhu.

Vliv trojrozměrné výztuže FORTA FI na chování asfaltových směsí byl sledován dvěma způsoby. V prvním případě byl sledován vliv přidávaných vláken do směsí porovnáním identických směsí s vlákny a bez nich. V druhém případě byla sledována možnost zaměnitelnosti asfaltových směsí s modifikovaným pojivem za směsi se silničním pojivem 50/70 a vlákny FORTA FI. Ve směsích bez vláken byla použita modifikovaná pojiva PmB 25-55/60 a PmB 45/80-55.

Přehled sledovaných parametrů asfaltových směsí je uveden v tabulce 1. Vzhledem k použitým kombinacím asfaltových pojiv můžeme při srovnání výsledků hovořit o případné zaměnitelnosti výrobků resp. asfaltových směsí.

Tabulka 1 – Seznam provedených laboratorních zkoušek

ODOLNOST ASFALTOVÉ SMĚSI VŮČI TVORBĚ TRVALÝCH DEFORMACÍ
Odolnost proti tvorbě trvalých deformací byla zkoušena podle metodiky popsané v ČSN EN 12697-22.

ODOLNOST ASFALTOVÉ SMĚSI VŮČI TVORBĚ TRVALÝCH DEFORMACÍM – VELKÉ ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ (tab. 2 – 3)
Výhodou tohoto zařízení oproti v ČR běžně používanému malému zkušebnímu zařízení, je lepší simulace skutečného zatížení (kontakt pneumatika – směs), možnost nastavit tlak v pneumatice, dle potřeb regulovat přítlak mezi kolem a zkušebním vzorkem a realistické hutnění dle stanoveného plánu.

U zkoušky se vyhodnocuje toto kvalitativní kritérium:

• P_i je naměřená poměrná hloubka vyjeté koleje po 1 000, 3 000, 10 000 a 30 000 pojezdech, vypočítaná jako průměrná hloubka vyjeté koleje v i-tém sledu měření na předem stanovených bodech k průměrné tloušťce zkušebního tělesa.

V českých výrobkových normách pro asfaltové směsi řady ČSN EN 13108 nejsou stanoveny limity pro trvalé deformace touto zkušební metodou. Ze zkušeností laboratoře z dřívějších testů však lze konstatovat, že získané hodnoty jsou pro dané směsi dobré a ukazují na dobrou odolnost proti trvalým deformacím. Směsi s vlákny FORTA FI lze tedy použít i pro vyšší třídy dopravního zatížení.

Tabulka 2 – Výsledky odolnosti asfaltové směsi ACO 11 S

Tabulka 3 – Výsledky odolnosti asfaltové směsi ACL 22 S vůči tvorbě trvalých deformací

ODOLNOST ASFALTOVÉ SMĚSI VŮČI TVORBĚ TRVALÝCH DEFORMACÍ – MALÉ ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ (tab. 4 – 6)
U zkoušky se vyhodnocují tato kvalitativní kritéria:

• WTS_AIR je přírůstek vyjeté koleje vyjádřený v mm/10³ zatěžovacích cyklů, stanovený z hloubek vyjetých kolejí po 5 000 a 10 000 pojezdy,
• PRD_AIR je poměrná hloubka vyjeté koleje vyjádřená v % vůči tloušťce zkušebního vzorku po 5 000 pojezdech.

Vliv vyztužení asfaltové směsi vlákny byl sledován na směsi ACO 11 S. Klasická směs, bez použití vlákna, překročila mírně požadavek v parametru PRD_AIR. Použitím vlákna FORTA FI u této směsi došlo k zlepšení odolnosti asfaltové směsi vůči tvorbě trvalých deformací. Parametr poměrné deformace PRD_AIR vyhověl požadavkům výrobkové normy a snížil se o cca 24 %. Přírůstek hloubky vyjeté koleje na 1 000 cyklů se snížil o cca 18 %.

Při srovnání zaměnitelnosti modifikované asfaltové směsi se směsí se silničním pojivem a vláknem FORTA FI je možné prohlásit, v souvislosti se zkouškou tvorby trvalých deformací, že je tato zaměnitelnost možná, aniž by došlo ke zhoršení odolnosti asfaltové směsi vůči tvorbě „vyjetých kolejí“. Směs s kombinací pojiva 50/70 a vlákny FORTA FI vykazuje dobré výsledky a může být alternativou k modifikovaným pojivům třídy 45/80-50 a 55. Grafické zobrazení všech tří zkoušek je zachyceno na obrázcích 5 – 7.

Tabulka 4 – Výsledky odolnosti asfaltové směsi ACO 11 S (ČVUT) vůči tvorbě trvalých deformací

Tabulka 5 – Výsledky odolnosti asfaltové směsi ACO 11 S (Eurovia) vůči tvorbě trvalých deformací

Tabulka 6 – Výsledky odolnosti asfaltové směsi ACL 22 S (Eurovia) vůči tvorbě trvalých deformací

PEVNOST V TAHU ZA OHYBU A RELAXACE ASFALTOVÉ SMĚSI (tab. 7 – 8)
Pevnost v tahu za ohybu a zkouška relaxace asfaltové směsi byly měřeny dle metodiky uvedené v TP 151 – Asfaltové směsi s vysokým modulem tuhosti.

Hodnoty naměřené na směsi ACL 22 S s vlákny FORTA FI splňují požadavek tabulky 3 TP 151 na minimální pevnost v tahu za ohybu při 0 °C. V porovnání s modifikovanými asfalty je možno brát dosažený výsledek za identický.

V dalším kroku byla srovnávána směs s vlákny se směsí bez použití vláken. V závislosti na rychlosti zatěžování narostla pevnost v tahu za ohybu za použití vláken o cca 42 % resp. o 81 % a zvýšila se i tuhost směsi.

Tabulka 7 – Hodnoty asfaltových směsí za nízkých teplot

Tabulka 8 – Zkouška pevnosti v tahu za ohybu při 0 °C – ACO 11 S (ČVUT)

MODUL TUHOSTI
Moduly tuhosti byly měřeny dle ČSN EN 12697-26.

MODUL TUHOSTI (4BP-PR) (tab. 9)
Naměřené hodnoty modulů tuhosti při obou zkušebních teplotách jsou srovnatelné. Z pohledu hodnocení tuhostí směsí jsou oba výrobky zaměnitelné.

Tabulka 9 – Moduly tuhosti směsí v závislosti na zkušební teplotě a zkušební frekvenci zatěžování

MODUL TUHOSTI (IT-CY) (tab. 10)
Výsledné hodnoty modulů tuhosti v závislosti na teplotě jsou uvedeny v tabulce. Použití vláken FORTA FI zvyšuje tuhost směsi. Větší poměrný nárůst tuhosti ve srovnání s nevyztuženou směsí se projevuje při vyšších teplotách. Výsledek koresponduje též s větší odolností asfaltové směsi proti tvorbě trvalých deformací. Použitím vláken také došlo ke snížení teplotní citlivosti směsi a to z 15,2 na 11,2.

Tabulka 10 – Modul tuhosti v závislosti na zkušební teplotě – ACO 11 S (ČVUT)

ÚNAVA (tab. 11 – 12)
Absolutně naměřené hodnoty sice nejsou plně vypovídající vzhledem k použité metodice měření, avšak srovnání směsi s vláknem a bez něho je reprezentativní.

Tabulka 11 – Závislost mezi úrovní zatížení a počtem opakovaných namáhání

Tabulka 12 – Parametry únavové zkoušky směsi ACO 11 S (ČVUT)

ZÁVĚRY ZE ZKOUŠEK V SILNIČNÍ LABORATOŘI ČVUT

• V případech kdy byla testována asfaltová směs vyztužená vlákny FORTA FI porovnána se stejnou kontrolní směsí bez vláken, bylo u směsi s vlákny vždy zjištěno zlepšení sledovaných vlastností.
• Přidáním vláken nedošlo nikdy ke zhoršení vlastností asfaltových směsí. Přidání vláken neovlivňuje zhutnitelnost směsi.
• Vlastnosti směsi používající nemodifikované asfaltové pojivo 50/70 vyztužené vlákny dosahovaly obdobných parametrů, jako modifikovaná směs a asfaltem 45/80-55 a v některých případech je i předčily.
• Použití vláken zvyšuje odolnost směsi vůči tvorbě trvalých deformací, zvyšuje tuhost a zlepšuje únavové chování směsi.
• Na základě těchto zjištění, lze předpokládat možnost zvýšení životnosti konstrukce vozovky resp. snížit tloušťku konstrukční vrstvy při zachování životnosti. Tento předpoklad je však nutno podložit dalšími zkouškami reologických vlastností s navazujícím výpočtem dle TP 170.

Na základě provedených laboratorních zkoušek, provedly společnosti SKANSKA, EUROVIA, BOHEMIA ASFALT, PSVS/PORR a SWIETELSKY v letech 2010 – 2013 řadu provozních zkoušek, při nichž ověřovaly zpracovatelnost směsi od fáze míchání až po její pokládku a hutnění. Provedené zkušební úseky jsou zejména ve velmi exponovaných místech (komunikace s velkým podélným sklonem, okružní křižovatky, postranní pásy pojezdových drah letiště V. Havla apod.). Bez jediné výjimky bylo zjištěno, že přidáním vláken nedochází k žádnému zhoršení zpracovatelnosti směsi ani ke zvýšeným nárokům na čas míchání, počet pojezdů při hutnění apod. I první zkušenost s chováním vozovek se směsí s vlákny FORTA FI po několika zimních i letních obdobích je dobrá a zlepšení odolnosti proti trvalým deformacím i trhlinám evidentní. Je zřejmé, že použití aramidových vláken pro vyztužení asfaltových směsí přináší širokou škálu pozitivních efektů.

Aramid Fibers – Modern Way of Asphalt Mixture Reinforcement
FORTA Corp. company has been among the top world producers of synthetic fibers for three-dimensional concrete reinforcement for several decades. Company developers assumed that a similar way of reinforcement would also be suitable and beneficial for other type of composite building material – asphalt mixture as a solution of commonly known problems of pavements from compacted asphalt layers, like formation of permanent deformations, creation and spreading of cracks and a conflict between the requirement of high resistance to very low and at the same time high temperatures.

Autoři

• Ing. Mondschein Petr Ph.D.
• Ing. Zedníček Jiří