Styrelf – 19 let životnosti na dálnici bez jediné trhliny

• Foto

V 80. letech 20. století se na švýcarském trhu objevilo značné množství polymerem modifikovaných pojiv a aditiv. Tým expertů z VSS (švýcarský spolek pro silnice a dopravu) se shodl na tom, že brzy bude potřeba standardu, který bude definovat technologii a urychlí tak její vývoj a použití [1]. S uvědoměním si faktu, že vzhledem k nedostatku, jak laboratorních, tak in-situ, zkušeností, komise navrhla vyzkoušet jednotlivé nápady na úseku dálnice A9 poblíž Sionu v kantonu Valais [2], [3]. V roce 1988 byla provedena sada zkoušek na sekci této dálnice, která byla ve výstavbě, a na dalších 16 individuálních zkušebních úsecích, z nichž každý měřil 300 m [4]. Dvanáct z těchto úseků bylo postaveno stavebními společnostmi z produktů dostupných v té době na švýcarském trhu, včetně úseku 11, ve kterém byl použit Styrelf 13/80 – 3 % SBS polymerem zesíťovaný modifikovaný asfalt vyráběný zvláštním, patentem chráněným, postupem společností TOTAL, resp Elf. Čtyři úseky byly postaveny ze směsí obsahujících běžný silniční asfalt gradace 50/70 a 80/100. Dále byl postaven také 4 km dlouhý úsek (označený N°11bis), ve kterém byl použit také Styrelf 13/80 dodaný společnosti TOTAL [5].

Při této příležitosti byla spuštěna velká kampaň s cílem monitorovat povrchové vlastnosti vozovky a zkoumat jednotlivé materiály. Některé z těchto úseku vykázaly po 14 letech užívání dobré vlastnosti a 4 km dlouhý úsek dokonce po 19 letech provozu. Tato studie byla umožněna odebíráním vzorků z vozovky v různých stádiích její životnosti (2 roky, 8 let, 14 let a 19 let), které byly poté skladovány za kontrolovaných podmínek.

V roce 2002, po 14 letech provozu, bylo 16 úseků zrekonstruováno, neboť některé z nich byly již příliš poškozené (viz obrázek 1). 4 km dlouhý úsek byl v užívání až do roku 2009. Úsek s polymerem modifikovaným pojivem Styrelf 13/80 byl zkoumán detailněji a toto pojivo se zdá být in-situ i laboratorně velmi efektivní.

PODMÍNKY STAVBY
Hodnocení výkonu jednotlivých pojiv je provedeno při stejných podmínkách pro všechny asfalty. Všechny obrusné vrstvy byly pokládány na stejné podkladní vrstvy při identických podmínkách na stavbě a hutněny stejným postupem. Klimatické a dopravní podmínky panovaly na všech úsecích taktéž totožné.

Dopravní zatížení
Úsek dálnice A9, který je předmětem tohoto článku, je zatížen převážně sezónně závislou turistickou dopravou s průměrným zatížením 24 000 vozidel denně mezi lety 1988 – 2007. Narůst dopravy odpovídá hodnotě 2,9 % a těžká nákladní vozidla představují pouze 6 % z celkového dopravního zatížení. Tyto hodnoty odpovídají v přepočtu 830 přejezdů standardizovaného osového zatížení o velikosti 80 kN, resp. zatížení třídy T4 podle švýcarské klasifikace.

Klimatické podmínky
Meteorologická stanice nacházející se nedaleko zkušebního úseku poskytovala data o počasí od roku 1992. V různých hloubkách byly do vozovky umístěny také teplotní senzory, stejně jako senzor vlhkosti a radiometr, měřící viditelné a infračervené sluneční záření. Zkoumaný úsek odpovídá typickým klimatickým podmínkám regionu Valais (alpská údolí), které spočívají ve více, než 270 slunečných dnech v roce s teplotou přes 30 °C, stejně jako v extrémně studených podmínkách (teploty nižší, než –10 °C), a dnech s prudkými poklesy teploty (5 °C/h). Pro připomenutí – zkouška TSRST je prováděna při –10 °C/h [6].

Povrchové vlastnosti obrusné vrstvy
Obrusná vrstva byla pokládána ze směsi AC16S v tloušťce 40 mm. Obsah pojiva a tloušťka této vrstvy byla identická pro všechny zkušební úseky. Na obrázku 2 je zobrazena konstrukce vozovky – 330 mm vrstev s asfaltem na podkladní vrstvě ze štěrku gradace 0/150, tlusté 420 mm. Výsledky měření průhybu pomocí rázového zařízení FWD ukázaly velmi vysokou únosnost vozovky a návrhovou životnost přes 20 let, při podmínkách panujících v době pokládky.

POŠKOZENÍ POVRCHU VOZOVKY A LABORATORNÍ VÝSLEDKY (ISAP 2010)
Vzhledem k faktu, že hlavním druhem deformace, pozorovaným na zkušebních úsecích, byly povrchové trhliny, byl navržen trhlinový index, který byl korelován s různými výsledky zkoušek materiálů. M‑hodnota zkoušky BBR, měřená při –15 °C a 60 s, spolu s TSRST při standardní teplotě, dosáhly nejlepších hodnot korelace s trhlinovým indexem po 10 letech provozu.

„Trhlinový amplitudový index“ byl definován jako kombinace míry rozšíření a závažnosti trhlin ve vozovce. Stav této deformace po 14 letech provozu na jednotlivých zkušebních úsecích ukazuje, že sekce 11 s polymerem modifikovaným pojivem, dodaným společností TOTAL, není vznikem trhlin postižena. Na obrázku 3 je tento fakt vyobrazen. Výsledky jednotlivých pojiv sahají od velmi špatných se závažnými deformacemi obrusné vrstvy již po 1 roce užívání až po velmi dobré s žádnými viditelnými deformacemi po 14 letech užívání – úsek s pojivem Styrelf 13/80.

Při hodnocení jednotlivých asfaltů se ukázalo být velmi důležité také jejich zpracování, zejména potom mísení polymeru s asfaltovou bází. Polymerem modifikovaná pojiva vytvářená zesíťováním řetězců SBS prokázala při této studii dobré mechanické vlastnosti při uspokojivé trvanlivosti. Takovýto postup při výrobě pojiva Styrelf používá také společnost TOTAL a pojivo Styrelf 13/80 bylo tedy vybráno pro další zkoumání paralelně s běžným silničním asfaltem stejné penetrační gradace.

VÝVOJ BĚŽNÝCH VLASTNOSTÍ STYRELFU 13/80
Na vzorcích pojiv i asfaltové směsi, odebraných z vozovky po 2, 8 a 14 letech provozu ze sekcí N15 a N11, byly prováděny laboratorní zkoušky. Stejný postup byl zvolen u sekce N11bis po 19 letech provozu.

Vývoj pojiva během stárnutí in-situ
Na obrázku 4 jsou vidět běžně používané popisné vlastnosti zpětně extrahovaného silničního asfaltu a PMB, ukazující vývoj penetrace, bodu měknutí a bodu lámavosti dle Fraasse v různých fázích životnosti vozovky.

Oba grafy potvrzují předpokládané silné stárnutí materiálu při výrobě na obalovně, během přepravy a při hutnění. Tento jev lze vidět na poklesu penetrace o 20 – 30 dmm a nárůstu bodu měknutí o zhruba 8 °C během těchto úkonů. Křivka popisující běžný silniční asfalt má souvislý trend nárůstu bodu měknutí a poklesu penetrace s délkou života vozovky. Zcela opačně se změny modifikovaného asfaltu zhruba po 8 letech stabilizují a penetrace i bod měknutí se již dále příliš nemění. Efekt stárnutí se zdá být o mnoho nižší pro PMB, než pro běžný silniční asfalt.

Běžné silniční pojivo během 14 let života ztratilo zhruba 14 °C na zkoušce bodu lámavosti dle Fraasse a stalo se tak značně křehčí, zatímco zesíťované polymerem modifikované pojivo ztratilo pouze 6 °C během delší doby – 19 let.

Na obrázku 5 je vidět, že vratná duktilita zůstává vysoká i po 19 letech životnosti vozovky (pouze 13 % ztráta), což lze považovat za důkaz dobré a trvanlivé relaxační schopnosti asfaltu při 25 °C. Ačkoliv je tato schopnost asfaltu vycházející ze zkoušky vratné duktility a zkoušky BBR, měřena při jiných podmínkách, zejména v oblasti teplot, ukazuje pro modifikovaný asfalt na stejný trend.

Studie provedená na vzorcích ze zkušebních úseků zatížených dopravou po dobu 2, 8 a 14 let a ze zkušebního úseku zatíženého dopravou po dobu 19 let za podmínek středně těžkého dopravního zatížení a relativně nepříznivých klimatických podmínek ukázala, že:
• Zkušební úsek s asfaltovým pojivem TOTAL Styrelf 13/80 vykazoval dobrou odolnost proti stárnutí při všech provedených zkouškách. Po 2 letech životnosti vozovky vykazoval tento úsek extrémně dobré stabilní vlastnosti. Toto nízké zestárnutí směsi je přisuzováno patentovanému procesu zesíťování pojiva a polymeru technologií Styrelf, které značně omezuje možnost oxidace a zvyšuje trvanlivost povrchu vozovky, ve srovnání s běžným, čistě fyzikálním postupem výroby polymerem modifikovaných asfaltů.
• Elasticita pojiva Styrelf 13/80 zůstala zachována na vysoké úrovni po celou dobu životnosti vozovky ve srovnání s vlastnostmi nového nezestárlého asfaltu. Síť polymeru se během života vozovky vyvíjí, ale nedochází k její destrukci. Polymer se v pojivu nachází i po 19 letech.
• Výbornou trvanlivost vozovky s pojivem Styrelf 13/80, jejíž obrusná vrstva byla vyměněna až po 21 letech v provozu.

Detailnější informace o této studii budou zveřejněny na konferenci Asfaltové vozovky 2015.

Více na www.total.cz. 

LITERATURA:
[1] A comprehensive study of cold climate asphalt pavement cracking, Haas, R., Meyer G., Assaf, G., Lee, H., Proceeding Association of Asphalt Paving Technologists (AAPT), vol. 56, p.198–245, 1987.
[2] Comparative tests sections with different polymer-modified asphalts and with different polymer additives, Dumont, A.-G., B. Schwery, Ch. Angst, 4th Eurobitume Symposium, Madrid, Spain, 1989. 
[3] Ageing of modified bitumen from comparative sections made in Switzerland, in the canton of Valais, Dumont, A.-G., M. Huet, E. Simond, Eurobitume Congress, Stockholm, Sweden, 1993.
[4] Comparative sections with modified bitumen and additives, Dumont, A.-G., B. Schwery, Ch. Angst, OFR Report No. 1035, 2002.
[5] Long term effect of modified binder on cracking resistance of pavements, Dumont, A.-G., M. Huet, E. Simond, 5th Int. RILEM Conference Cracking in Pavements, Limoges, France, 2004.
[6] Projected cracking procedure of bituminous covering resulting from thermal pressures, Pucci, T., PhD thesis no. 2282, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, 2000.

Styrelf – 19-year life period without a single fissure
The polymer-modifiedbinders have already been used for several decades to solve the problem of the occurrence of permanent deformations and fissures on the road pavement caused by the constantly growing traffic load on the road networks. The laboratory research and long-year in-situ observation prove their perfect effectivity. 

Autor

• Ing. Beneš Jan