Vysoce modifikované asfalty u „věčných“ vozovek

ÚVOD
Před deseti lety se v Evropě a USA objevila koncepce vozovek s velmi dlouhou životností označovaných jako „věčné“ vozovky. Tato koncepce byla ve světě použita na mnoha vozovkách, u kterých nebyly žádné potíže s přenesením velkého dopravního zatížení a zvýšenou trvanlivostí. Vozovky s velmi dlouhou životností jsou vozovky, které mají trvanlivost více než 50 let, bez nutnosti rekonstrukce a vyžadují pouze periodickou údržbu obrusné vrstvy, hlavně pro obnovení povrchových vlastností. Klíčem k dosažení tak vysoké životnosti je dobrá odolnost asfaltových vrstev proti únavě. K únavě asfaltových směsí dochází, když je asfaltová vrstva vozovky vystavena opakovaným namáháním v tahu za ohybu od přejezdů těžkých vozidel. Přetvoření 50 mikrostrainů až 200 mikrostrainů (με) jsou menší než pevnost materiálu a nevedou k jeho porušení. Teprve kumulací velkého počtu cyklických přetvoření dochází k poškozování únavou a v podkladní asfaltové vrstvě vozovky vznikne trhlina. Na obrázku 1 je znázorněno přetvoření (poměrné protažení) na spodním líci asfaltových vrstev vozovky od zatížení kolem vozidla na povrchu vozovky.

Počet zatěžovacích cyklů do únavového porušení protažením je v případě asfaltových vozovek od několika milionů do více než 10 milionů. Jeden zatěžovací cyklus je definován jako jedno zatížení návrhovou nápravou (například zatížení návrhovou nápravou 100 kN, tj. zatížení 10 tun na nápravu). Dosažení velké odolnosti proti únavě u asfaltové směsi v podkladní vrstvě vozovky závisí na správném složení směsi a volbě vhodného pojiva. Klíčovými parametry u směsi je obsah pojiva a mezerovitost vrstvy po zhutnění. Je známo, že použití asfaltu modifikovaného polymery zlepšuje odolnost proti únavě.

ASFALTY VYSOCE MODIFIKOVANÉ POLYMERY
Výzkumné a vývojové oddělení ORLEN Asfalt provedlo v letech 2010 až 2013 výzkumné práce na vývoji nové skupiny asfaltů modifikovaných polymery nazvaných ORBITON HiMA. Cílem bylo přidávat do pojiva významně větší obsah speciálního elastomerického polymeru, pro dosažení zvláštních vlastností asfaltových směsí: velmi vysoká odolnost proti trvalým deformacím, proti únavě a vzniku trhlin. Pro dosažení těchto vlastností asfaltových vrstev vozovky je použit vyšší obsah polymeru, kterým se obrátí objemový podíl polymerové a asfaltové fáze (způsobený expanzí polymeru v asfaltu), jak je vidět na obrázku 2.

Spojitá polymerová síť v pojivu a asfaltové směsi působí jako poddajná „výztuž“, která významně omezuje šíření trhlin v asfaltové vrstvě. Proto je možné očekávat velmi dobrou odolnost proti únavě.

ÚNAVOVÉ ZKOUŠKY
Únavovými zkouškami provedenými na Technické univerzitě v Gdaňsku metodou 4PB‑PR bylo zjištěno, že asfaltový beton s ORBITON HiMA má nadprůměrnou odolnost proti únavě. Na obrázku 3 je únavová přímka směsí AC16W s pojivem ORBITON HiMA.

Poměrné přetvoření pro porušení při 1 milionu cyklů pro zkoušené směsi AC 16 W:

• AC 16 W s ORBITON 25/55‑80 HiMA ε₆ = 215 με
• AC 16 W s ORBITON 45/80‑80 HiMA ε₆ = 190 με

Výsledky výzkumů realizovaných ve výzkumných centrech v Polsku ukázaly, že odolnost proti únavě směsi AC16 s ORBITON HiMA je mimořádně vysoká. Asfaltová podkladní vrstva může bezpečně přenášet mnohem větší přetvoření než dosud, bez snížení doby životnosti vozovky. To bylo potvrzeno výsledky zkoušek v USA na zkušební dráze NCAT. Z hlediska únosnosti vozovky mají směsi HiMA velký stupeň tolerance vůči zvýšení tahového přetvoření při opakovaném zatěžování. Proto potenciálně umožňují snížit tloušťky asfaltových vozovek.

U obvyklých asfaltových vozovek, kde je přetvoření v asfaltové podkladní vrstvě většinou v mezích 80 με až 50 με, použití ORBITON HiMA do této vrstvy změní vozovku na „věčnou“, tj. s velmi dlouhou životností až do 50 let.

ZÁVĚR
Vysoce modifikované asfalty ORBITON HiMA jsou zvláště vhodné pro případy, kde je vyžadována velmi dlouhá životnost.

• Asfaltové vozovky vystavené vysokým napětím a přetvořením, například na mostech s velkým dopravním zatížením.
• Vrstvy vyžadující vysokou odolnost proti účinkům nízkých teplot.
• Tenké a velmi tenké obrusné vrstvy.
• Podkladní vrstvy s velmi vysokou odolností proti únavě, tj. pro vozovky s velmi dlouhou životností.

Tento nový typ pojiva, uvedený na trh ORLEN Asfalt v roce 2014, nabízí investorům a uživatelům silnic spolehlivé řešení pro vzrůstající nároky na vozovky. Prodloužené záruční doby (až do 10 let) jsou výzvou, která může být splněna použitím vysoce modifikovaných asfaltů ORBITON HiMA.

Vozovky s ORBITON HiMA mohou být průlomovým výrobkem pro trvanlivé asfaltové vozovky, nejen kvůli své výborné odolnosti proti únavě, ale též díky odolnosti proti trvalým deformacím a vzniku trhlin za nízkých teplot.

Překlad: Ing. Jiří Fiedler

LITERATURA:
[1] Kluttz R., J Richard Willis, Andre Molenaar, Tom Scarpas and Erik Scholten (2012), Fatigue Performance of Highly Modified Asphalt Mixtures in Laboratory and Field Environment, 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements
[2] Kluttz, R. Q., A. A. A. Molenaar, M. F. C.van de Ven, M.R. Poot, X. Liu, A. Scarpas and E.J. Scholten. Modified Base Courses for Reduced Pavement Thickness and Improved Longevity. Proceedings of the International Conference on Perpetual Pavement, October, 2009, Columbus, OH.
[3] Kluttz R. Q., E. Jellema, M. F. Woldekidan and M. Huurman, Highly Modified Bitumen for Prevention of Winter Damage in OGFCs, Am Soc. Civil E., 2013.
[4] Timm, D., M. Robbins and R. Kluttz. Full‑Scale Structural Characterization of a Highly Polymer‑Modified Asphalt Pavement. Proceedings of the 90th Annual Transportation Research Board, Washington, D.C., 2011.
[5] Timm, D. H., M. M. Robbins, J. R. Willis, N. Tran and A. J. Taylor. Field and Laboratory Study of High‑Polymer Mixtures at the NCAT Test Track. Draft Report, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, 2013.
[6] Timm, D., Powell, R., Willis, J. and Kluttz, R. (2012), Pavement Rehabilitation Using High Polymer Asphalt Mix, submitted for the Proc. 91st Annual Transp. Res. Board, Washington, DC.
[7] West R., Timm D., Willis R., Powell B., Tran N., Watson D., Brown R., Robbins M., Vargas‑Nordcbeck A., and Nelson J., “Phase IV NCAT Pavement Test Track Findings”. Draft Report, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, February 2012.
[8] Willis, J., Timm, D., Kluttz, R., Taylor, A. and Tran, N. (2012), Laboratory Evaluation of a High Polymer Plant‑Produced Mixture, submitted for the Assoc. Asphalt Paving Technol. Annual Meeting, Austin, TX.
[9] Błażejowski K., Olszacki J., Peciakowski H. Asfalty wyskomodyfikowane ORBITON HiMA. Poradnik stosowania. ORLEN Asfalt 2014–2015

Highly Modified Bitumens in Perpetual Pavements
Perpetual asphalt pavements as a concept arose in the USA towards the end of the 20th century. It was assumed that a durability of up 50 years could be achieved. The key to achieving such longevity, in addition to ensuring the appropriate characteristics of bitumen and asphalt mixtures and reducing fatigue strain, is the proper selection of the bituminous binder. The new family of highly modified binders (HiMA), characterised by reversed‑phase polymer‑bitumen, which arose a few years ago, is an ideal component for courses with very high fatigue durability. Fatigue tests using the 4PB‑PR method carried out by ORLEN Asfalt in different laboratories and the structural calculations of pavement structures have shown that the use of ORBITON HiMA in the asphalt base course can increase rated durability to over 100 million axles. This is a degree of durability, which directly transforms any pavement into a perpetual pavement. 

Autoři

• Błażejowski Krzysztof Ph.D. Civ. Eng.
• Wójcik‑Wiśniewska Marta M.Sc. Chem. Eng.