Nízkoteplotní chování asfaltových směsí

• Foto

Asfaltová směs má snahu se při nízkých teplotách smršťovat, což vyvolává kvůli neexistenci dilatačních spár v netuhé vozovce tahová napětí. Tato napětí se však díky oslabené, ale stále existující viskozitě částečně odbourávají relaxací. Tento časově zpožděný pokles napětí při konstantním protažení, podmíněný zbytkovou viskozitou pojiva, je důležitou vlastností netuhých vozovek. Čím více se však teplota dále snižuje, tím se schopnost relaxace minimalizuje, takže od teploty cca –20 °C se téměř zcela vytrácí a zhutněná asfaltová směs se chová jako čistě elastická hmota. Pokud vyvolaná tahová napětí při dalším snižování teploty dosáhnou tahové pevnosti, dochází ke vzniku mrazové trhliny, většinou kolmé na osu vozovky. Relaxační schopnosti asfaltové směsi se snižují  též postupným oxidativním stárnutím asfaltového pojiva, navíc dochází k vstřebávání lehčích olejových složek asfaltového pojiva do kameniva. Stárnutí představuje fyzikální a chemické změny ve složení asfaltu, jejichž výsledkem je zhoršení nízkoteplotních vlastností a posun schopnosti relaxace směrem k vyšším teplotám.

MRAZOVÉ TRHLINY

Problematika mrazových trhlin je poměrně známá a frekventovaná zejména v severských zemích. Proto jsou obecně v těchto klimatických podmínkách používána spíše asfaltová pojiva měkčí gradace, u kterých je nebezpečí vzniku mrazových trhlin posunuto až do velmi nízkých teplot. Pro směsi vyrobené z těchto pojiv byla vydána nová evropská norma ČSN EN 13108-3 [1] Velmi měkká asfaltová směs, kterou používají v Evropě skandinávské země. V případě použití silničního asfaltu se podle této normy mají pojiva volit z gradací 250/330 až 650/900.

Vznik mrazových trhlin však není vázán jen na vysokohorské nebo severoevropské oblasti. Byly pozorovány trhliny, které lze taktéž přiřadit k trhlinám nízkoteplotním, např. na vozovkách na Sahaře. V tomto případě se jednalo o výrazně zestárlé pojivo účinkem intenzivního UV-záření v obrusné vrstvě, ve které byly naměřeny vysoké teploty během dne (až 70 °C) a teploty kolem 0 °C během noci, tedy výrazný teplotní gradient. Vyextrahované pojivo z obrusné vrstvy těchto vozovek mělo penetraci 10 p.j. [2]. Příčné trhliny charakterizující porušení mrazem jsou též častou poruchou krytových vrstev vozovek v České republice. Ve větší míře se mrazové trhliny v České republice objevily v zimním období v letech 1984/85 a 1985/86 vlivem nízkých přízemních teplot, někde až –40 °C. I když se tento typ poškození objevoval u nás i dříve, nebyla mu z důvodu poměrně ne tak velkého výskytu věnována dostatečná pozornost. Dosavadní přístup k omezení mrazových trhlin je zmiňován v předpise pro navrhování TP 170 [3], kde je problém řešen v článku 5.1.1.6: Omezení mrazových trhlin v asfaltových krytech se zajišťuje použitím vhodných asfaltů v požadovaném množství, vhodných modifikačních přísad, dodržením složení směsi a jejím požadovaným zhutněním. V případě použití směsí s vysokým modulem tuhosti se nebezpečí vzniku mrazových trhlin posuzuje podle přílohy 3 TP 151 [4] (například stanovením kritických teplot v ochlazovací zkoušce, je-li při rovnoměrném poklesu teploty zamezeno zkracování zkušebního tělesa). U ostatních směsí se bez prokázání vhodných vlastností v obrusné vrstvě nedoporučuje použít nemodifikovaný silniční asfalt druhu o nižší penetraci než 50/70 a v ložní vrstvě nižší než 30/50. Vlastnosti se prokazují podle zásad v TP 151. U modifikovaných asfaltů třídy AM45 použitých do obrusné vrstvy se doporučuje prokázání vhodných vlastností ve velmi nepříznivých klimatických poměrech (např. Im > 600 °C).

LABORATORNÍ ZKOUŠKY PRO STANOVENÍ NÍZKOTEPLOTNÍCH VLASTNOSTÍ

V poslední době je snahou předpovídat nízkoteplotní chování netuhých vozovek zaměřené na vznik mrazových trhlin na základě simulace těchto podmínek v laboratoři. Netuhá vozovka, jak již bylo výše uvedeno, nemá dilatační spáry. V zimním období pak dochází v podstatě k smršťování nekonečného pásu asfaltových vrstev. Pokud dosáhne napětí ve vozovce meze pevnosti, dochází k porušení vozovky mrazovou trhlinou. Tento jev ve své podstatě simuluje i popisovaná zkouška. Jedná se o zkoušku, která začala být poprvé prováděna na TU Braunschweig prof. Arandem (v zahraniční literatuře též někdy označovaná jako Arandova zkouška). Cílem zkoušky je zjistit teplotu a velikost tahového napětí zkušebního tělesa z asfaltové směsi při porušení, které vzniká při jeho ochlazování z výchozí teploty konstantní rychlostí (°C/hod.) za podmínky nulové podélné deformace (E_et = 0). Nulové podélné deformace tělesa se dosahuje počítačem řízeným ohřevem prvků upínacího zařízení (sloupy zkušebního rámu a spojovací tyče, jejichž prostřednictvím je těleso upnuto do rámu) na základě zpětné vazby ze snímačů deformace upevněných na podstavách, na které je těleso nalepeno (viz obr. 2).

MĚŘENÍ NÍZKOTEPLOTNÍCH CHARAKTERISTIK

Protože je výše popsaná zkouška již v řadě evropských zemí používána, probíhá v rámci pracovní skupiny WG1 (Evropské normy pro asfaltové směsi zpracovávané za horka) v současnosti příprava této normy. Například Rakousko již v předstihu rozhodnulo o stanovení mezních požadavků pro tuto zkoušku a uvedlo je jako doplněk ke zkouškám v normě ÖNORM B 3580-2 [5], která je národní přílohou normy EN 13108-1 Asfaltový beton (funkční přístup). V roce 2004 poskytlo Ministerstvo dopravy ČR prostřednictvím projektu 1F45B/066/120 „Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy“ finanční prostředky, které sloužily mimo jiné k prováděnífunkčních zkoušek uvedených pro návrh asfaltových směsí (tzv. funkční přístup) podle normy ČSN EN 13108-1 [6], který je možnou alternativou k přístupu empirickému. Vybranými funkčními zkouškami byla tuhost (dle ČSN EN 12697-26), únavové vlastnosti (ČSN EN 12697-24) a výše zmíněná zkouška nízkoteplotních vlastností. V zařízení Cyklon -40 pracujícím na principu popsaném v předchozí kapitole (viz též obr. 2) byly zjišťovány nízkoteplotní vlastnosti směsí typu ABS (ACO 11+) a ABH (ACL 16+) se 100% a 97% mírou zhutnění. Výběr směsí pro zkoušení probíhal z oboru zrnitosti asfaltového betonu střednězrnného ABS pro obrusné vrstvy (ACO 11+) a hrubozrnného ABH pro ložní vrstvy (ACL 16+), které byly definovány v ČSN 73 6121.

Čáry zrnitosti byly voleny tak, aby pokryly celý obor zrnitosti. Pro lepší odlišení jednotlivých čar zrnitosti byla využita Fullerova parabola. Celkem byly navrženy v obou případech 4 reprezentativní směsi. Směs s označením „I“ byla směs s čarou zrnitosti jdoucí nad Fullerovou parabolou, směs „II“ odpovídala rovnici Fullerovy paraboly, „III“ byla směs běžně navrhovaná, která kromě oboru zrnitosti dle ČSN 73 6121 odpovídala též oboru zrnitosti dle TP 109 [7], a směs „IV“ byla směs s čarou zrnitosti vedenou při spodním okraji oboru zrnitosti. Čáry zrnitosti byly voleny tak, aby odpovídaly i novým oborům zrnitosti podle připravované národní přílohy normy ČSN EN 13108-1, které se od původních oborů zrnitosti výrazně nelišily (viz tabulka 1). Návrh směsí a nalezení optimálního množství asfaltového pojiva vycházelo z předchozích zkušeností, kdy směrodatná hodnota pro stanovení optima byla hledána pro parametr mezerovitosti pohybující se:

• u směsí ABS (ACO 11+) v intervalu 3,5–4 % (požadavek ČSN 73 6121 = 3–5 % a TP 109 = 3–4,5 %);
• u směsí ABH (ACL 16+) v intervalu 4–5 % (požadavek ČSN 73 6121 = 4–7 % a TP 109 = 4–6 %).

Směsi byly hutněny 2 × 75 údery, tedy jako pro kvalitativní třídu AB I podle původní ČSN 73 6121. V původním návrhu národní přílohy k normě ČSN EN 13108-1 byly směsi s označením (+), tedy ACO 11+ a ACL 16+ hutněny stejnou energií, tedy 2 x 75 úderů. Po stanovení optimálního množství pojiva dle výše uvedeného kritéria byla namíchána též směs se stejnou čarou zrnitosti, ale s množstvím pojiva o ,5 % nižším. Snížení dávkování asfaltového pojiva o 0,5 % mělo simulovat spodní přípustnou odchylku pro kontrolní zkoušky. Jako základní asfaltové pojivo byl pro klimatické podmínky ČR a s ohledem na použití směsí do vozovek s vysokým dopravním zatížením zvolen pro ABS (ACO 11+) i ABH (ACL 16+) asfalt 50/70. S ohledem na možný rozsah tohoto článku jsou dále uváděny informace pouze pro směsi ABS (ACO 11+).

ANALÝZA VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ NÍZKOTEPLOTNÍCH CHARAKTERISTIK

• Kritická teplota při porušení mrazovou trhlinou pro všechna zkoušená tělesa při obou mírách zhutnění a obou teplotních  adientech (10 °C/h a 5 °C/h; s ohledem na rozsah článku jsou uvedeny v tabulkách 2 a 3 výsledky pro pokles pouze 10 °C/h) vycházela v poměrně úzkém intervalu mezi –15,3 °C a –20,2 °C (porovnání se provádělo pro průměrné hodnoty z dvou měření.
• Maximální síla při dosažení pevnosti v tahu a porušení mrazovou trhlinou u všech zkušebních těles při obou mírách zhutnění a obou teplotních gradientech vycházela v rozmezí 6,1 kN až 13,4 kN.
• U směsi ABS (ACO 11+) byly síly při dosažení pevnosti v tahu u těles s 97% mírou zhutnění o 15 až 30 % nižší než při 100% zhutnění těles.
• Pokud se porovnají výsledky při rozdílné rychlosti poklesu teploty (10 °C/h a 5 °C/h), pak není patrný žádný větší rozdíl v teplotách při dosažení pevnosti v tahu, rozdíly se pohybují do max. 2 °C. Taktéž při porovnání odpovídajících hodnot sil při dosažení pevnosti
  v tahu pro rozdílnou rychlost poklesu teploty jsou rozdíly velmi malé (max. 0,94 kN).
• Asfaltové směsi ABS (ACO 11+) s čárou zrnitosti vedenou u horního okraje oboru zrnitosti (směsi „I“) obsahují nižší množství asfaltového pojiva, mají však s ohledem na nízkou mezerovitost směsi kameniva na pomyslném příčném řezu větší plochu kameniva, jehož zrna jsou spojena tenkým asfaltovým fi lmem. Tahovou sílu tak přenášejí z větší části zrna kameniva, což se projeví dosažením vyšší síly na mezi pevnosti při porušení mrazovou trhlinou (viz obr. 3 vlevo).
• Naopak hrubozrnnější směsi „III“ a zvláště pak „IV“ (s čárou zrnitosti vedenou při dolním okraji oboru zrnitosti) obsahují více asfaltového pojiva, kamenivo je obaleno silnějším asfaltovým fi lmem. Tahová trhlina se vytvoří v asfaltovém pojivu (viz obr. 3 vpravo) a tahová pevnost je pak nižší.

ZÁVĚR

Z výše uvedených zkoušek vyplývá, že zkouška nízkoteplotních vlastností bezpochyby poskytuje důležité informace o chování asfaltových směsí. Z odborné literatury jsou rozhodujícími parametry pro hodnocení zkoušené asfaltové směsi: kritická teplota při dosažení tahové pevnosti, tahová pevnost, popř. maximální rezerva v tahové pevnosti. Dle dosažených výsledků vykazuje parametr kritické teploty u všech čar zrnitosti stejného druhu směsi malé rozdíly. Obecně se dosahuje nižších kritických teplot u jemnozrnnějších směsí a směsí s vyšším obsahem pojiva. Směsi označené jako „I“ obsahují sice vyšší podíl drobného kameniva, avšak mají nízké množství pojiva, naopak směsi označené jako „IV“ mají sice nízký podíl drobného kameniva, ale vysoký obsah pojiva. Tím lze pak vysvětlit, že ze všech zkoušek se kritické teploty pohybují v poměrně úzkém intervalu, protože kombinace jemnozrnnosti směsi a nízkého obsahu pojiva má stejný vliv jako kombinace hrubozrnnosti směsi a vysokého obsahu pojiva. Zde by bylo však zapotřebí vyzkoušet další škálu směsí, např. směsi se stejnou čarou zrnitosti a různými gradacemi a obsahy modifi kovaných a nemodifi kovaných pojiv. Jako parametr, který je schopen zkoušené směsi lépe odlišit, je parametr max. síly při dosažení pevnosti v tahu a porušení mrazovou trhlinou. Výše uvedené poznatky a závěry lze v současnosti poskytnout v rámci evropské normalizace při přípravě diskutované normy pro stanovení nízkoteplotních vlastností asfaltových směsí. Příspěvek byl zpracován s podporou projektu Ministerstva dopravy ČR č. 1F45B/066/120 „Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy“.

Testing of low-temperature characteristics undoubtedly provides for important information about bituminous mixture behaviour. Based on the professional literature, the decisive parameters for assessment of tested bituminous mixture are – critical temperature when achieving tensile strength, tensile strength or maximum reserve in tensile strength. Based on the obtained results, the parameter of critical temperature shows small differences on all grain-size distribution curves of the same type of mixture. Generally the lower critical temperatures are obtained for finegrained mixtures and mixtures with higher content of bonding compound. Mixtures labelled as “I“ contain higher proportion of fine aggregate but they have low amounts of bonding compound; on the other hand, mixtures labelled as “IV“ have very low proportion of fine aggregate but high content of bonding compound. This is the way to explain the achievement of critical temperatures for all mixtures in a very narrow interval.

Autor

• doc. Dr. Ing. Varaus Michal