Stárnutí a disperzní stabilita silničních asfaltů

• Foto

ÚVOD

V rámci výzkumného programu SHRP (Strategic Highway Research Program) byl ve Spojených státech amerických v 90. letech navržen nový ucelený přístup pro hodnocení vlastností asfaltových pojiv pomocí funkčních zkoušek s důrazem na hodnocení vlastností pojiv po laboratorní simulaci stárnutí. V poslední době je snahou aplikovat tyto funkční zkoušky rovněž na pojiva dodávaná na jednotný evropský trh. Tím dochází k rozšíření pokročilých reologických metod i do České republiky, včetně jejich zavádění do technických norem. Před normativním zavedením těchto reologických zkoušek do každodenní praxe je nutné získat s těmito metodami zkušenosti. Proto jsou organizována srovnávací měření a sběry dat, jejichž výsledky jsou zvláště cenné zejména pro nastavení požadovaných limitních hodnot. Zvláštní význam pro pokrok v této oblasti mají informace o reologickém chování asfaltových pojiv, získané například v rámci výzkumných projektů.

Cílem tohoto článku je představit kombinaci alternativního postupu pro posouzení náchylnosti asfaltového pojiva ke stárnutí (označovaný jako 3×RTFOT) a metody hodnotící disperzní stabilitu asfaltových pojiv. Tyto metody byly aplikovány na vybraný soubor silničních asfaltů gradace 50/70 a 70/100 s cílem posoudit jejich termooxidační chování a náchylnost ke stárnutí. V článku jsou také představeny výsledky těchto zkoušek pro tři silniční asfalty gradace 50/70, které byly použity pro výrobu asfaltové směsi typu asfaltový beton (ACO 11S), z nichž byly zhotoveny tři jednotlivé sekce obrusné vrstvy pokusného úseku. Tento pokusný úsek byl realizován v roce 2013 a jeho stav byl zhodnocen po třech letech provozu.

POUŽITÉ ZKUŠEBNÍ METODY A MATERIÁLY

Simulace termooxidačního stárnutí asfaltových pojiv metodou 3×RTFOT

Pro laboratorní simulaci stárnutí asfaltových pojiv byla vybrána metoda RTFOT s trojnásobnou dobou trvání (označovaná jako 3×RTFOT). Laboratorní postup vychází z klasického stanovení odolnosti proti stárnutí vlivem tepla a vzduchu popsaného v normě ČSN EN 12607-1 (metoda RTFOT) a z rakouské oborové specifikace RVS 08.97.05 [1]. Provedení zkoušky 3×RTFOT je v Rakousku standardní kvalitativní požadavek, protože investorská organizace ASFINAG, která je obdobou našeho Ředitelství silnic a dálnic ČR, ji vyžaduje na důležitých stavbách s plochou větší než 20 000 m² [2]. Rakouské profesní sdružení GESTRATA doporučuje, aby zvýšení hodnoty bodu měknutí silničních asfaltů 70/100 po simulaci stárnutí metodou 3×RTFOT bylo nižší než 15 °C [3, 4].

Tato metoda, vhodná pro laboratorní simulaci termooxidační stability asfaltových pojiv, využívá modifikovaný postup stárnutí asfaltového pojiva RTFOT, ve kterém je prodloužena celková expoziční doba vzorku na trojnásobek (tzn. 225 minut), přičemž navážka pojiva, teplota i průtok vzduchu zůstávají oproti normě ČSN EN 12607-1 nezměněny (8 × 35 g pojiva, 163 °C, 4,0 l/minutu). Rozsahem svojí degradační zátěže se procedura 3×RTFOT v závislosti na měřených veličinách nachází přibližně ve dvou třetinách rozpětí mezi metodami RTFOT a RTFOT+PAV.

Vliv laboratorní simulace stárnutí na změnu vlastností silničních asfaltů byl určován hodnotou zvýšení bodu měknutí a dále podílem komplexního smykového modulu (G*) zestárlého pojiva k výchozímu nezestárlému materiálu (tzv. index stárnutí). Hodnoty komplexních smykových modulů byly získány pomocí dynamického smykového reometru (DSR) s použitím geometrie deska – deska s průměrem 25 mm a mezerou 1 mm při frekvenci 1 Hz a při teplotě 60 °C. Měření bylo provedeno zkouškou s kontrolovaným smykovým přetvořením v rámci lineárně viskoelastické oblasti asfaltového pojiva.

Hodnocení disperzní stability jednobodovou precipitační titrací

Kvalita silničního asfaltu je ovlivněna původem a druhem výchozí ropy. Geografický původ zpracovávaného ložiska ropy a způsob její rafinace určuje složení destilačních zbytků. Důležitá je i kvalita a chemická podstata jednotlivých složek asfaltových pojiv včetně jejich vzájemné kompatibility. Tyto strukturální skutečnosti zásadně rozhodují o fázové stabilitě systému, jenž se všeobecně označuje jako koloidní, případně disperzní stabilita. Ve středoevropském prostoru může být navíc dalším významným faktorem, ovlivňujícím chování asfaltových pojiv, přítomnost visbreakingových zbytků. Na základě dosavadních zkušeností lze říct, že přídavek visbreakingových zbytků může labilizovat asfaltové pojivo, které se za určitých podmínek může stát fázově nestabilní.

V průběhu 60. let minulého století byl rozpracován laboratorní postup sériových titrací [5, 6], který umožňoval posoudit koloidní stabilitu asfaltů a ropných surovin. Zjednodušeně je možné hodnotit disperzní stabilitu a tím nepřímo i přítomnost a množství visbreakingových zbytků v asfaltovém pojivu jednobodovou precipitační titrací roztoku asfaltového pojiva v toluenu pomocí izooktanu jako titrantu.

Podstatou jednobodové precipitační (srážecí) titrace, hodnotící vnitřní kompatibilitu grupových složek asfaltového pojiva je, že se pomocí postupného přidávání srážecího organického činidla (izooktanu) k roztoku definovaného množství silničního asfaltu v toluenu navodí takové podmínky, za kterých se daný roztok stává termodynamicky nestabilním. V tomto bodě dochází k fázovému vylučování nejméně rozpustných složek roztoku (tzv. flokulační bod). Míra přídavku srážecího roztoku je i mírou stability jeho roztoku za dané koncentrace, a tedy i mírou kompatibility jednotlivých složek asfaltového pojiva. V případě asfaltových pojiv jsou nejméně rozpustné, a tedy i nejdříve se srážející a vylučující sloučeniny, jež mají charakter asfaltenů. Typickou vlastností visbreakingových materiálů je jejich poměrně nízká rozpustnost v některých typech uhlovodíkových rozpouštědel. Přítomnost visbreakingových zbytků tedy ještě více zhoršuje vzájemnou kompatibilitu asfaltenových a maltenových složek. Změny v disperzní stabilitě asfaltového pojiva vyvolané přidáním visbreakingových zbytků jsou proto velmi významné.

Při hodnocení disperzní stability jednobodovou precipitační titrací se 1 g asfaltového pojiva rozpustí v 10 g toluenu. Poté se tento roztok titruje při teplotě 20 °C izooktanem z byrety. Následně se skleněnou tyčinkou odebere kapka roztoku a nanese se na filtrační papír (kapková metoda svým postupem podobná zkoušce posouzení jemných částic kameniva methylenovou modří). Tento postup se opakuje v kroku přidání titrantu 1 ml, až se objeví zřetelná tmavší soustředná kružnice odloučeného precipitátu (sraženiny). Příklad typického záznamu flokulačního bodu a vzniku sraženiny je zaznamenán na obrázku 1.

Výsledek zkoušky disperzní stability se vyjádří jako poměr objemu přidaného srážedla k objemu rozpouštědla. Daný poměr se označuje jako flokulační toluenový index (FTI). Z podílu je patrné, že čím vyšší je hodnota FTI, tím je asfaltové pojivo schopno pojmout více titrantu a tím lze také usuzovat na vyšší disperzní stabilitu tohoto asfaltového pojiva [7, 8].

Pro hodnocení disperzní stability a náchylnosti silničních asfaltů ke stárnutí bylo vybráno 32 vzorků silničních asfaltů deseti různých výrobců gradace 50/70 a 70/100. Rozsah penetrace těchto vzorků byl 47 [0,1 mm] až 74 [0,1 mm] a rozsah bodu měknutí byl 46,0 °C až 51,0 °C. Tři z těchto pojiv byly použity pro výrobu asfaltové směsi typu asfaltový beton pro obrusné vrstvy (ACO 11S), která byla položena na pokusném úseku silnice první třídy realizovaném v roce 2013. Tento úsek byl rozdělen na tři sekce podle použitého pojiva, přičemž ostatní parametry asfaltových směsí zůstaly nezměněny.

VÝSLEDKY ZKOUŠEK

Náchylnost silničních asfaltů ke stárnutí pomocí metody 3×RTFOT

Norma ČSN 65 7204 požaduje pro nezestárlé silniční asfalty gradace 50/70 rozsah hodnoty bodu měknutí 46 °C až 54 °C a pro asfalty gradace 70/100 rozsah 43 °C až 51 °C. Všechna hodnocená pojiva tyto požadavky splnila. Průměrná hodnota bodu měknutí nezestárlých pojiv byla 49,1 °C a průměrná hodnota pojiv zestárlých metodou 3×RTFOT byla 63,2 °C.

Vyhodnocením parametru zvýšení bodu měknutí po laboratorním stárnutí 3×RTFOT (obrázek 2) je zřejmé, že hodnota bodu měknutí se stárnutím 3×RTFOT zvýšila v poměrně širokém rozmezí (8,9 °C až 19,9 °C), přičemž průměrná hodnota byla 14,1 °C. Metodika pro hodnocení silničních asfaltů z hlediska náchylnosti k termooxidačnímu stárnutí [9] a rakouské profesní sdružení GESTRATA požadují pro silniční asfalty hodnotu zvýšení bodu měknutí po 3×RTFOT menší než 15 °C. Tomuto požadavku nevyhovovalo 12 pojiv z 32 hodnocených pojiv, což je 37,5 %. Tento relativně vysoký podíl je ovlivněn skutečností, že v hodnoceném souboru je obsažena množina pojiv, která se při pokládce asfaltových směsí chovala „nestandardně“. Průměrná hodnota zvýšení bodu měknutí po 3×RTFOT této „nestandardní“ skupiny pojiv byla 16,0 °C.

Po aplikaci procedury stárnutí metodou 3×RTFOT došlo vždy k výraznému zvýšení komplexních smykových modulů a ke snížení úhlů fázového posunu, které byly určeny v DSR při teplotě 60 °C a frekvenci 1,0 Hz. Průměrná hodnota komplexního smykového modulu originálních pojiv 2,0 kPa se procesem stárnutí zvýšila až na hladinu 17,6 kPa. Komplexní smykový modul se tedy stárnutím 3×RTFOT zvýšil v intervalu 4,1krát až 18,1krát. Toto značné rozpětí výsledků potvrzuje skutečnost, že jednotlivá pojiva se výrazně liší rozdílnou citlivostí vůči termooxidačnímu stárnutí.

Vyhodnocení disperzní stability silničních asfaltů jednobodovou precipitační titrací

Disperzní stabilita nezestárlých silničních asfaltů byla hodnocena pomocí flokulačního toluenového indexu (FTI), jehož výsledky jsou pro jednotlivé silniční asfalty uvedeny v obrázku 3. Nejnižší hodnota flokulačního toluenového indexu byla 1,2 a nejvyšší 3,0. Hodnoty FTI závisí na původu zpracovávaných ropných surovin a nastavení technologických procesů, inkorporace visbreakingových zbytků do asfaltů a dalších faktorech. Výrazné snížení hodnot FTI u některých asfaltových pojiv ve středoevropském prostoru je možné pravděpodobně připsat mimo jiné technologickým postupům, při kterých se do bitumenové matrice přidávají visbreakingové zbytky.

Korelační závislosti mezi výsledky jednotlivých zkoušek

Při srovnání výsledků zkoušek byla nalezena silná lineární závislost mezi podílem komplexního smykového modulu po stárnutí metodou 3×RTFOT a komplexního smykového modulu nezestárlých pojiv (60 °C, 1,0 Hz) a zvýšením bodu měknutí po 3×RTFOT (R² = 0,88). Zajímavější jsou ovšem závislosti mezi veličinami ovlivněnými stárnutím a hodnotami FTI. Lineární korelační závislost mezi hodnotami FTI nezestárlých silničních asfaltů a hodnotami zvýšení bodu měknutí stejných pojiv po simulaci stárnutí metodou 3×RTFOT dosahovala rovněž vysoké hodnoty koeficientu determinace (R² = 0,80). Kritické hodnotě zvýšení bodu měknutí po 3×RTFOT (15 °C) odpovídá pro tento omezený soubor silničních asfaltů FTI přibližně 2,0, z čehož lze usuzovat, že pokud FTI klesne pod tuto hodnotu, lze silniční asfalt hodnotit jako nestabilní.

Podobně silnou závislost (R² = 0,79) bylo možné vysledovat mezi hodnotami flokulačního toluenového indexu a podílem komplexních smykových modulů silničních asfaltů zestárlých metodou 3×RTFOT a nezestárlých silničních asfaltů. Tato silná závislost dokazuje, že silniční asfalty s nízkou hodnotou flokulačního toluenového indexu (tzn. s porušenou disperzní stabilitou) vykazují vyšší náchylnost k termooxidačnímu stárnutí.

Pokusný úsek

V roce 2013 byl na silnici první třídy realizován pokusný úsek, na kterém byla provedena obrusná vrstva z asfaltového betonu ACO 11S se silničním asfaltem gradace 50/70. Stavba byla po délce rozdělena na tři přibližně stejně velké části (sekce), na nichž bylo použito asfaltové pojivo od různých výrobců (označeno A, B a C). Ostatní parametry asfaltových směsí zůstaly přibližně stejné (viz tabulka 1). Na silničních asfaltech 50/70 použitých pro výrobu asfaltových směsí jednotlivých sekcí byly provedeny laboratorní zkoušky penetrace jehlou, bod měknutí, komplexní smykový modul (60 °C, 1,0 Hz) a disperzní stabilita jednobodovou precipitační titrací (FTI). Pro zhodnocení rozsahu změn vlastností pojiv vyvolaných stárnutím byla použita metoda 3×RTFOT. Výsledné hodnoty zkoušek srovnávaných pojiv jsou uvedeny v druhé části tabulky 1.

Tabulka 1 – Vlastnosti asfaltových směsí použitých pro realizaci pokusného úseku a pojiv obsažených v těchto směsích

Na základě výsledků zkoušek penetrace jehlou a bodu měknutí je možné říct, že pro výrobu asfaltových směsí byly použity standardní silniční asfalty gradace 50/70, jejichž vlastnosti se zdají být velice podobné. Výsledky zkoušky penetrace jehlou i bodu měknutí vyhovují požadavkům normy ČSN 65 7204. Pokud se ovšem zaměříme na disperzní stabilitu těchto pojiv, zjistíme, že pojivo B má oproti ostatním dvěma asfaltovým pojivům výrazně nižší hodnotu FTI, čili je možné usuzovat na jeho porušenou disperzní stabilitu. Pojivo B také dosáhlo nejnižší hodnoty zbylé penetrace po stárnutí simulovaném metodou 3×RTFOT. Značný rozdíl mezi pojivem B a pojivy A a C byl patrný také při vyhodnocení zvýšení bodu měknutí po stárnutí 3×RTFOT, přičemž pojivo B dosahovalo nejvyšší hodnoty tohoto parametru (17,0 °C). Pojivu B rovněž příslušel nejvyšší podíl komplexního smykového modulu po 3×RTFOT a nezestárlého pojiva.

Z výsledků stárnutí pojiv metodou 3×RTFOT je patrné, že pojivo B s nízkou disperzní stabilitou je výrazně náchylnější k termooxidačnímu stárnutí než ostatní dva silniční asfalty (A a C). Tato skutečnost koresponduje s výsledky vizuální prohlídky pokusného úseku, která byla provedena v roce 2016, tedy po více než třech letech provozu. Pouze na sekci B pokusného úseku byly zaznamenány vznikající poruchy obrusné vrstvy (viz obrázek 4 a 5), které se na ostatních sekcích A a C dosud nevyskytovaly.

ZÁVĚR

Článek popisuje změny vlastností silničních asfaltů jako důsledek jejich expozice simulovanému stárnutí, označovanému jako metoda 3×RTFOT. Byl zjišťován vztah mezi rozsahem těchto změn a disperzní stabilitou asfaltových pojiv vyjádřenou pomocí veličiny označené jako flokulační toluenový index. Podrobněji jsou představeny výsledky uvedených zkoušek pro tři silniční asfalty 50/70, které byly použity pro výrobu asfaltové směsi položené na pokusném úseku. Cílem pokusu v reálných podmínkách stavby a dopravního zatížení bylo porovnání vlivu vlastností použitého pojiva na servisní výkonnost vozovky a její životnost při dlouhodobém sledování. První výsledky monitoringu hodnotí stav úseku po třech letech provozu.

Analýzou změn v parametru bodu měknutí na souboru 32 silničních asfaltů po simulaci stárnutí metodou 3×RTFOT je zřejmé, že hodnota bodu měknutí se stárnutím zvýšila v poměrně širokém rozmezí (8,9 °C až 19,9 °C), přičemž průměrná hodnota byla 14,1 °C. Na srovnávaných silničních asfaltech byla v DSR provedena reologická měření v oscilaci s řízeným smykovým přetvořením. Stárnutím 3×RTFOT došlo vždy ke zvýšení komplexních smykových modulů a ke snížení úhlů fázového posunu. Komplexní smykový modul se stárnutím 3×RTFOT zvýšil 4,1krát až 18,1krát. Značné rozpětí výsledků signalizuje rozdílnou náchylnost asfaltových pojiv ke stárnutí.

Rozsah hodnot flokulačního toluenového indexu, stanovený jednobodovou precipitační titrací na souboru 32 nezestárlých silničních asfaltů, se pohyboval v rozmezí 1,2 až 3,0. Jednobodová precipitační titrace umožňuje zjistit, zda vzorek má porušenou disperzní stabilitu. Porušená disperzní stabilita indikuje u asfaltových pojiv dostupných v České republice možnou přítomnost visbreakingových zbytků, což může být z pohledu stavebních firem cenná informace.

Srovnáním výsledků zkoušek byla nalezena silná lineární korelační závislost mezi hodnotami flokulačního toluenového indexu nezestárlých silničních asfaltů a hodnotami zvýšení bodu měknutí stejných pojiv po simulaci stárnutí metodou 3×RTFOT. Podobně silnou závislost bylo možné vysledovat mezi hodnotami flokulačního toluenového indexu a podílem komplexních smykových modulů silničních asfaltů zestárlých metodou 3×RTFOT a nezestárlých silničních asfaltů. Tato silná souvztažnost dokazuje, že silniční asfalty s nízkou hodnotou flokulačního toluenového indexu (tzn. s porušenou disperzní stabilitou) vykazují vyšší náchylnost ke stárnutí, a jsou tedy méně termooxidačně stabilní.

V roce 2013 byl na silnici první třídy realizován pokusný úsek s cílem ověřit vliv vlastností silničních asfaltů na kvalitu vozovky v reálných podmínkách. Zkušební úsek byl rozdělen na tři sekce, jejichž obrusná vrstva z asfaltového betonu ACO 11S byla zhotovena se třemi různými silničními asfalty gradace 50/70. Ostatní parametry směsí a hutněné vrstvy jednotlivých sekcí byly přibližně identické. Přestože silniční asfalty použité pro výrobu asfaltové směsi dosahovaly srovnatelných empirických vlastností, bylo u jednoho z těchto pojiv možné pomocí nízké hodnoty FTI rozpoznat porušenou disperzní stabilitu. Toto pojivo bylo také výrazně náchylnější ke změně vlastností způsobených stárnutím, což bylo ověřeno hodnotou zbylé penetrace po 3×RTFOT, zvýšením bodu měknutí po 3×RTFOT a podílem komplexních smykových modulů pojiv zestárlých metodou 3×RTFOT a nezestárlých pojiv. V části stavby, kde byl použit tento materiál, se projevují poruchy související se stárnutím pojiva už po třech letech provozu. Ostatní dvě části pokusného úseku žádné poruchy nevykazují.

Článek vznikl s podporou Technologické agentury České republiky, projekt TA03030381 „Nové zkušební metody asfaltových pojiv a směsí umožňující prodloužení životnosti asfaltových vozovek“ a projektu č. LO1408 „Ad-MaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

LITERATURA:
[1] Österreichische Forschungsgesellschaft Strasse – Schiene – Verkehr, FSV. Technische Vertragsbedingungen RVS 08.97.05. Anforderungen an Asphaltmischgut. 2007.
[2] Österreichische Forschungsgesellschaft Strasse – Schiene – Verkehr, FSV. Technische Vertragsbedingungen RVS 11.03.21. Asphalt und Asphaltschichten, Prüfung und Abrechnung, Abrechnungsbeispiele. 2010.
[3] Gesellschaft zur Pflege der Straßenbautechnik mit Asphalt – GESTRATA. (2008). Merkblatt 01: Alterungsbeständigkeit von Straßenbaubitumen.
[4] Spiegl, M.; Steidl, H.; Weixlbaum, M.: Alterungsbeständigkeit von Straßenbaubitumen. Gestrata Journal, 120, 2008.
[5] Heithaus, J. J.: Measurement and significance of asphaltene peptization. American Chemical Society, Division of Petrol Chemistry Preprints, 5, A23–A37. 1960.
[6] Heithaus, J. J.: Measurement and significance of asphaltene peptization. Journal of the Institute of Petroleum, 48(458), 45–53. 1962.
[7] Stoklásek, S.; Dašek, O.; Hýzl, P.; Coufalík, P.; Varaus, M.; Stehlík, D.; Špaček, P.; Hegr, Z.; Matoušek, D.; Svoboda, P.: Metodika pro hodnocení disperzní stability silničních asfaltů. 2016.
[8] Dašek, O.; Stoklásek, S.; Coufalík, P.; Hýzl, P.; Varaus, M.: Thermooxidative properties of bituminous binders in relation to their inner chemical compatibility determined by single point precipitation titration. Road Materials and Pavement Design, vol. 2017 (18), no. Supplement 1, p. 118-130. ISSN: 1468-0629. 2017.
[9] Dašek, O.; Hýzl, P.; Coufalík, P.; Varaus, M.; Stehlík, D.; Špaček, P.; Hegr, Z.; Stoklásek, S.; Matoušek, D.; Svoboda, P.: Metodika pro hodnocení silničních asfaltů z hlediska náchylnosti k termooxidačnímu stárnutí. 2015.

Aging and Dispersion Stability of Paving Bitumen
The paper deals with the possibility of prediction of the tendency of paving bitumens to thermo‑oxidative aging based on the determination of their dispersion stability. The dispersion stability is expressed using the flocculation toluene index (FTI), which is determined by the single-point precipitation titration method. A set of 32 paving bitumen samples shows that this index may perform as a signal of excessive aging. Binders were aged in the laboratory by RTFOT method and its modified 3×RTFOT variant. The criterion of susceptibility of these binders to thermo-oxidative aging was the increase in softening point and the ratio of complex shear modulus determined in dynamic shear rheometer (DSR) before and after the aging procedure. It has been demonstrated that a correlation between the FTI value and the thermo-oxidative lability exists for paving bitumens used in the Czech Republic. The practical effects of these results are demonstrated on a test section which was divided into three subsections. Each of these subsections contained paving bitumen with different dispersion stability.

Autoři

• Ing. Dašek Ondřej Ph.D.
• Ing. Coufalík Pavel Ph.D.
• Ing. Hýzl Petr Ph.D.
• RNDr. Stoklásek Svatopluk
• Ing. Špaček Petr Ph.D.
• Ing. Hegr Zdeněk