VYSOCE MODIFIKOVANÉ ASFALTY. ORBITON HiMA. verze 2014/2. Pokyny pro použití

Transkript

1 VYSOCE MODIFIKOVANÉ ASFALTY ORBITON HiMA Pokyny pro použití verze 2014/2

2 Autoři: Dr. inž. Krzysztof Błażejowski Dr. inž. Jacek Olszacki Mgr inž. Hubert Peciakowski Copyright by ORLEN Asfalt sp. z o.o. ul. Chemików Płock Jak autoři, tak i ORLEN Asfalt Sp. z o.o. vynaložili veškeré úsilí, aby uvedené informace byly přesné a důvěryhodné. Nenesou ale žádnou odpovědnost za následky použití informací obsažených v této publikaci, zejména za ztráty v jakékoli podobě a formě. Údaje obsažené v této publikaci používají čtenáři na vlastní odpovědnost. 2

3 VÝCHOZÍ INFORMACE Výzkumná činnost, kterou během posledních desetiletí prováděla řada výzkumných středisek, umožnila dospět k závěru, že zvýšený obsah polymerů v asfaltu umožňuje získat kvalitativní výhody, které značně zlepšují trvanlivost asfaltového povrchu odolnost proti vzniku trhlin, plastickým deformací v podobě vyjíždění kolejí a únavě. Velmi povzbuzující je překročení meze obsahu SBS polymeru (cca 7-7,5% m/m), po které se polymerová fáze mění na spojitou fázi v polymerem modifikovaném asfaltu. Nicméně použití tak velkého množství klasického SBS polymeru pro modifikaci asfaltu způsobilo konkrétní technické problémy s výrobou a aplikací modifikovaných asfaltů, které byly spojené s následujícími aspekty: problémy se stabilitou během skladování a přepravování polymerem modifikovaného asfaltu (vysoké riziko oddělování polymeru z polymerem modifikovaného asfaltu), velmi vysoká viskozita polymerem modifikovaného asfaltu, která je příčinou, že taková pojiva je třeba na obalovně vyhřívat na mnohem vyšší teplotu, než typické modifikované asfalty s menším obsahem polymeru, objevují se také významné potíže během hutnění asfaltových směsí s vysoce lepivými pojivy během pokládky na vozovku. Následné rychlé tuhnutí směsi ve vrstvě vede často k nižší míře zhutnění. Uvedené omezení koncepce vysoce modifikovaných asfaltů pro silniční využití bylo výzvou nejen pro výrobce silničních pojiv, ale také pro výrobce polymerů. Výzkumná činnost, kterou průmysl polymerů prováděl, přinesla pozitivní výsledky a již několik let jsou na trhu dostupná řešení, která umožňují produkci vysoce modifikovaného asfaltu bez výše popsaných omezení. Asfalty tohoto druhu byly pojmenovány HiMA - Highly Modified Asphalt. Ve Spojených státech se používá také pojem HPM (Highly Modified Mixes). Výzkumná činnost a zkoušení s novými vysoce modifikovanými asfaltovými pojivy s polymerem nového druhu prokázaly, že se podařilo vyvinout výrobky s nadstandardními funkčními vlastnosti, které se mimo jiné vyznačují velmi dobrou odolností proti vyjíždění kolejí, působení vody a mrazu a vynikající odolností proti únavě a vzniku trhlin [Timm et. al. 2012, 2013; Kluttz et al. 2013; Willis et al. 2012; Scarpas et al. 2012]. Ze strukturálního hlediska jsou vrstvy s HiMA tužší než vrstvy s klasickými modifikovanými asfalty a zároveň mají vyšší toleranci ke zvýšení tahových (tzv. únavových) deformací [Kluttz et al. 2009; West et al. 2012], čímž potenciálně umožňují zmenšení tloušťky asfaltových vrstev na vozovce. Výzkum, který se v plném rozsahu prováděl od roku 2009 na zkušební dráze ve Spojených státech (NCAT Pavement Test Track) prokázal, že pokus se zmenšením tloušťky nosné vrstvy o 18% při současném použití vysoce modifikovaného, speciálního pojiva HiMA byl velice úspěšný nosná vrstva byla odolná proti vyjíždění kolejí a vzniku únavovývh trhlin [West et. al. 2012]. 3

4 1 PRINCIP FUNKCE VYSOCE MODIFIKOVANÝCH ASFALTŮ HIMA Jak již bylo zmíněno, hlavní ideou pro vysoce modifikované asfalty je prevence trhlin ve vozovkách, trvalých deformací (kolejí) a zvýšení odolnosti asfaltových vrstev proti únavě. Pro tento účel se využívá vysoký obsah polymeru, přesahující 7% m/m, což způsobuje obrácení fází ve směsi asfaltu a polymeru (obr. 1.1.). SBS polymer Asfalt ORBITON HiMA (spojitá matice asfaltové podlahy) SBS polymer Asfalt Typický modifikovaný asfalt (spojitá matice asfaltové podlahy) Obr Objemové proporce asfaltu a polymeru v typickém polymerem modifikovaném asfaltu a vysoce modifikovaném asfaltu Výhody spojité matrice asfalto-polymerové fáze, která v pojivu a asfaltové směsi působí jako elastická výztuž, je možné snadno ukázat na příkladu omezování šíření trhlin asfaltovými vrstvami s vysoce modifikovanými pojivy. Na obr jsou uvedena schémata dvou hypotetických situací: obr. A.: směr šíření trhlin vrstvou zhutněné asfaltové směsi s klasickým modifikovaným asfaltem s přerušovanou polymerní síti (označená rozptýlenými žlutými body) v tomto schématu jsou trhliny schopné proniknout vrstvou pojiva, protože v ní najde nespojitosti mezi fragmenty polymerové sítě, obr. B.: směr šíření trhliny vrstvou zhutněné asfaltové směsi s vysoce modifikovaným asfaltem se spojitou polymerovou síti (označená žlutými liniemi) v tomto schématu průnik trhliny vrstvou pojiva naráží na překážky bariéry vytvořené polymerovou síti. 4

5 Zvětšení detailu 1 Zvětšení detailu 2 Detail 1 Detail 2 Obrusná vrstva s typickým PMB Spojovací vrstva Obrusná vrstva s PMB HiMA Spojovací vrstva průnik trhliny směrem nahoru od spojovací vrstvy Obr Šíření trhlin asfaltovými vrstvami, a) s modifikovaným asfaltem, b) s vysoce modifikovaným asfaltem 2 SKUPINA PRODUKTŮ ORBITON HIMA Od roku 2011 provádí Oddělení technologie, výzkumu a vývoje ORLEN Asfalt vývojové práce u nové řady asfaltových pojiv. Výsledkem těchto laboratorních prací a produkčních pokusů byla tři nová vysoce modifikovaná pojiva: ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA ORBITON 65/ HiMA Všechny produkty ORBITON HiMA jsou klasifikovány dle polsko-evropské normy PN-EN Na obr je uveden diagram Pen25-PiK, na kterém jsou uvedeny nové produkty a jsou porovnány se silničními a modifikovanými (typickými) asfalty, které jsou doposud používané v Polsku. Je viditelné zvýšení bodu měknutí PiK pro všechny produkty ORBITON HiMA, což přímo vyplývá z vysokého obsahu polymeru. 5

6 Teplota měknutí TPiK[ C] Vysvětlivky: silniční asfalt dle PN-EN 12591:2010 modifikovaný asfalt dle PN-EN 14023:2011 vysoce modifikovaný ORBITON HiMA Penetrace při 25 C [0,1 mm] Obr Aplikace vysoce modifikovaných asfaltů ORBITON HiMA v porovnání se silničními a modifikovanými (typickými) asfalty v diagramu Pen25-PiK 3 URČENÍ ASFALTŮ ORBITON HIMA Vysoce modifikované asfalty ORBITON HiMA mohou byt používány pro technologie a místa, kde je vyžadovaná velmi vysoká trvanlivost. ORBITON 25/55-80 HiMA je určen pro ložné a spojovací vrstvy vozovek s dlouhou životností (typ perpetual pavements), směsi s vysokým modulem tuhosti AC WMS a místa s výskytem pomalého provozu, Modifikovaný asfalt ORBITON 45/80-80 HiMA je určen pro obrusné a spojovací vrstvy vozovek podrobovaných velkým zátěžím a nízkým teplotám a také pro ostatní vrstvy ve speciálních místech, např. na inženýrských stavbách, ORBITON 65/ HiMA je určen pro speciální technologie, např. pro vrstvy SAMI, pro výrobu asfaltových emulzí používaných pro kalové zákryty; vzhledem k vysoké penetraci je jeho použití do asfaltových směsí omezené. 4 VÝSLEDKY PROVOZNÍCH ZKOUŠEK ORBITON HIMA Vysoce modifikované asfalty řady ORBITON HiMA byly odzkoušeny během laboratorních prací a provozních zkoušek. Níže jsou uvedeny výsledky zkoušek pojiv a asfaltových směsí s jejich obsahem, v porovnání s jinými silničními pojivy vyráběnými společností ORLEN Asfalt. 6

7 4.1. Vlastnosti dle PN-EN 14023:2011 (Národní Příloha NA 2014, tab. NA. 2) V tabulce 4.1 jsou uvedeny požadované vlastnosti a výsledky kontrolních zkoušek vysoce modifikovaných asfaltů ORBITON HiMA ve srovnání s Národní Přílohou NA, tabulka NA. 2. dle PN-EN 14023:2011. Tabulka 4.1. Vlastnosti vysoce modifikovaných asfaltů ORBITON HiMA dle PN-EN 14023:2011/Ap1:2014 (Národní Příloha NA 2014, tabulka NA. 2) Vlastnost Zkušební metoda Jednotk a ORBITON 25/55-80 HiMA požadavek NA výsledek zkoušky ORBITON 45/80-80 HiMA požadavek NA výsledek zkoušky ORBITON 65/ HiMA požadave k NA výsledek zkoušky Penetrace při 25 C EN ,1 mm mezi 25 a mezi 45 a mezi 65 a Bod měknutí EN 1427 C 80 95, , ,2 Soudržnost Tahová síla zkouška v silovém duktilometru (natahování 50 mm/min) EN EN J/cm 2 TBR (při 15 C) 5,5 TBR (při 10 C) 3,7 TBR (při 10 C) 3,5 Změna hmotnosti % 0,5 0,05 0,5 0,03 0,5 0,07 Odolnost vůči stárnutí Zbylá penetrace % EN Zvýšení bodu měknutí C 8 5,0 8 0,0 8 2,2 Bod vzplanutí EN ISO 2592 C Bod lámavosti EN C Vratná duktilita při 25 C EN % při 10 C EN % TBR 71 TBR 76 TBR 85 Pokles bodu měknutí po zkoušce dle EN Vratná duktilita při 25 C po zkoušce dle EN Vratná duktilita při 10 C po zkoušce dle EN EN 1427 C TBR 0,0 TBR -1,0 TBR 0,0 EN % EN % TBR 69 TBR 70 TBR 80 Stabilita skladování (3 dny) Rozdíl bodu měknutí EN EN 1427 C <5 1,0 <5 0,0 <5 0, Zkoušky nízkoteplotních vlastností Superpave PG system V americkém systému Performance Grade se pro zkoušky nízkoteplotního chování asfaltu používá průhybový trámečkový reometr BBR (Bending Beam Rheometer). 7

8 V BBR se hodnotí stupeň tuhosti asfaltu při nízké teplotě. Předpokládá se, že ohybová tuhost S(t) nemůže být větší než 300 MPa, čímž by měla být zajištěna postačující odolnost proti vzniku trhlin (pojivo není ztuhlé, je houževnaté). M hodnota (tečna ke křivce zatížení) by naopak měla byt vyšší než M-hodnota představuje měřítko pro relaxační schopnost asfaltu během poklesu teploty. V tabulce 4.1 jsou uvedeny výsledky zkoušek nízkoteplotních vlastností v průhybovém trámečkovém reometru BBR při stárnutí metodami RTFOT a PAV. Parametry zkoušky: Zkouška při čtyřech teplotách: -10,-16,-22, -28 C. Doba temperování vzorku: 60 min. Sčítání hodnoty po 60 s zatěžování: S(60s) MPa, m(60s) Tabulka 4.2. Výsledky zkoušek nízkoteplotních vlastností ORBITON HiMA zestárlého po (RTFOT + PAV), v průhybovém trámečkovém reometru BBR při S(60) = 300 MPa, m(60) = 0,3 a tuhost S při teplotě -16 C) Druh asfaltu Kritická teplota při S(60) = 300 MPa T(S)6o [ C] Kritická teplota při m(60) = 0.3 T(m)60 [ C] EN 14771, AASHTO PP 42 Tuhost asfaltu při teplotě -16 C S(T).16 [MPa] ORBITON 25/55-80 HiMA -18,5-16,2 229,5 ORBITON 45/80-80 HiMA -19,7-19,8 181,3 ORBITON 65/ HiMA -20,6-20,8 171,3 Na obrázku 4.1. je uvedené srovnání nízkoteplotních vlastností ORBITON HiMA s klasickými modifikovanými asfalty ORBITON a silničními asfalty s obdobným rozsahem penetrace. Teplota [ C] (levý sloupec) S(60) = 300 MPa (pravý sloupec) m(60) = 0,3 Obr Srovnání nízkoteplotních vlastností ORBITON HiMA (kritická teplota při S(60) = 300 MPa a při m(60) = 0.3) s klasickými modifikovanými asfalty ORBITON a silničními asfalty s obdobným rozsahem penetrace. 8

9 Studie odolnosti asfaltových směsí proti lomu s použitím metody TSRST Kromě zkoušek pojiv ORBITON HiMA byly také vykonány zkoušky asfaltových směsí obsahujících tato pojiva. Pro zkoušky byl použitý asfaltový beton AC 16 S (porovnávací směs) se stejným zrněním a proměnným (pro porovnání) druhem pojiva. Výsledky zkoušek provedených metodou TSRST (Thermal Stress Restrained Specimen Test) dle EN jsou představeny na obr Prezentované výsledky se vztahují na teplotu prasknutí stanovenou v podmínkách zkoušky TSRST, při gradientu poklesu teploty -10 K/h, a pro trámeček se směsí AC16S. Stojí za zmínku, že pojiva ORBITON HiMA dosáhla nejlepších výsledků ve srovnání s jinými pojivy o obdobné tuhosti. Teplota prasknutí Tfailure[ C] Obr Výsledky zkoušek odolnosti proti prasknutím povrchu, metoda TSRST dle EN Zkoušky středně teplotních vlastností - odolnost proti únavě Superpave PG system Pro únavové zkoušky pojiva se používá dynamický smykový reometr DSR. Zkoušky odolnosti pojiva proti výskytu únavových trhlin se provádí při střední teplotě (závislé na druhu PG). Požadavky omezují tuhost G*^sin8 na max kpa (v novější verzi systému PG je požadavek zvýšen na 6000 kpa). Tabulka uvádí výsledky zkoušky v reometru DSR pro stanovení kritické teploty s ohledem na únavové prasknutí, a obr porovnání s jinými pojivy o obdobné tuhosti. 9

10 Tabulka 4.3. Výsledky zkoušek vlastností asfaltů v dynamickém smykovém reometru DSR. Druh silničního asfaltu Kritická teplota při G*-sinδ = 5000 kpa asfalt Kritická teplota při G*-sinδ= 6000 kpa asfalt po RTFOT+PAV [ C] po RTFOT+PAV [ C] AASHTO T 315 AASHTO T 315 ORBITON 25/55-80 HiMA 17,9 16,2 ORBITON 45/80-80 HiMA 13,2 11,4 ORBITON 65/ HiMA 12,3 11,3 Kritická teplota únavová [ C] Obr Srovnání únavových vlastnosti v DSR (G*, sinδ=5000kpa) metodou Superpave ORBITON HiMA s klasickými modifikovanými asfalty ORBITON a silničními asfalty s obdobným rozsahem penetrace Únava asfaltové směsi, zkouška 4PB-PR S ohledem na způsob práce vnitřní polymerové sítě v ORBITON HiMA se tato pojiva vyznačují velmi vysokou odolnosti proti únavě. Zkoušky v laboratoři Technické univerzity v Gdaňsku byly provedeny s použitím metody 4-bodové zkoušky na trámečku (4PB-PR) dle PN-EN pro referenční směs AC16W (pro ORBITON 25/55-80 HiMA: B=4,6% m/m, Vm=4,9% v/v, VMA=15,7% v/v, VFB = 69,2%; pro ORBITON 45/80-80 HiMA: B=4,6% m/m, Vm=4,1% v/v, VMA=15,1% v/v, VFB=72,7%; v obou případech stejná asfaltová směs). Zkouškami se prokázalo, že odolnost směsi AC16W s ORBITON HiMA je proti únavě výjimečné vysoká, a zejména, že je možné bezpečnější přenášení větších deformací vrstev než typické bez omezení trvanlivosti povrchu. Toto jen potvrzuje výsledky získané ve Spojených státech na zkušební dráze NCAT Pavement Test Track. 10

11 Obr uvádí únavové křivky pro směsi AC16W s ORBITON 25/55-80 HiMA a ORBITON 45/80-80 HiMA. Deformace [µε] Únavová trvanlivost N f50 [cykly] Obr Únavová křivka směsi AC16W s vysoce modifikovanými asfalty ORBITON 25/55-80 HiMA a ORBITON 45/80-80 HiMA ve zkoušce 4PB-PR, teplota 10 C, kmitočet 10 Hz Deformace po dosažení 10 6 cyklů pro zkoušené směsi AC16W: AC16W s ORBITON 25/55-80 HiMA 430 µε AC16W s ORBITON 45/80-80 HiMA 381 µε Celkově vzato lze konstatovat, že v případě typického povrchu vozovky, který se vyznačuje deformacemi ložné vrstvy v mezích µε, použití pojiva ORBITON HiMA změní takovou vozovku na perpetual, tedy dlouhodobou s odolnosti proti únavě přesahující 50 let. Pokud se ORBITON HiMA dodatečně použije ve směsích typu AC WMS, dochází ke zvýšení trvanlivosti Zkoušky vysokoteplotních vlastností Klasická metoda s DSR (G* i δ) V souladu s klasickým systémem Superpave (dnes již je vyřazen ze specifikací), odolnost pojiva k působení vysoké teploty se stanoví v reometru DSR měřením dvou parametrů: komplexního modulu tuhosti G* i a fázového úhlu δ asfaltu před stárnutím metodou RTFOT, komplexního modulu tuhosti G* i a fázového úhlu δ asfaltu po stárnutí metodou RTFOT, Vyžaduje se, aby se v nejvyšší odhadované teplotě práce asfaltu ve vozovce (tzn. v horním PG ) asfalt vyznačoval určitými parametry stanovenými v DSR: G*/sinδ > 1.00 kpa pro asfalt před stárnutím, G*/sinδ > 2.20 kpa pro asfalt po zkoušce stárnutí metodou RTFOT. Tabulka 4.4. uvádí výsledky zkoušek vlastností v dynamickém smykovém reometru DSR. Parametry zkoušky: 11

12 komplexní modul tuhosti G* a fázový úhel δ asfaltu před stárnutím pro označení kritické teploty při G*/sinδ=1 kpa, komplexní modul tuhosti G* a fázový úhel δ asfaltu po zkoušce metodou RTFOT pro označení kritické teploty při G*/sinδ=2.2 kpa, Tabulka 4.4. Výsledky zkoušek vlastností asfaltů v dynamickém smykovém reometru DSR. Druh silničního asfaltu Kritická teplota při G*/sinδ = 1 kpa asfalt před stárnutím [ C] AASHTO T315 Kritická teplota při G*/sinδ= 2.2 kpa asfalt po RTFOT [ C] [ C] AASHTO T315 ORBITON 25/55-80 HiMA 105,2 95,4 ORBITON 45/80-80 HiMA 98,2 84,3 ORBITON 65/ HiMA 94,3 77,4 Na obr je uvedeno srovnání horní kritické teploty ve zkoušce DSR s ohledem na dva parametry (G*/sinδ) pro ORBITON HiMA a srovnávaná pojiva. (levý sloupec) při G*/sinδ = 1 kpa (pravý sloupec) při G*/sinδ = 2,2 kpa Kritická teplota [ C] Obr Srovnání horní kritické teploty v DSR pro ORBITON HiMA s klasickými modifikovanými asfalty ORBITON a silničními asfalty s obdobným rozsahem penetrace Na obr jsou uvedeny křivky Blacka pro silniční a modifikované asfalty s obdobným rozsahem penetrace jako u ORBITON HiMA. Křivka Blacka k hodnocení závislosti komplexního modulu tuhosti pojiva G* 12

13 ve funkci fázového úhlu δ. Jak je vidět na obrázcích, při malé a velké hodnotě komplexního modulu tuhosti G* jsou souvztažné s elastickou složkou práce pojiva. Komplexní modul tuhosti G* [kpa] Vysvětlivky: Fázový uhel δ [ ] Obr Srovnání křivek Blacka pro ORBITON 25/55-80 HiMA s ORBITON 25/55-60, ORBITON 10/40-65 a silničním asfaltem 35/50 (nevyzrálé asfalty). Komplexní modul tuhosti G* [kpa] Vysvětlivky: Fázový uhel δ [ ] Obr Srovnání křivek Blacka pro ORBITON 45/80-80 HiMA s asfalty ORBITON 45/80-55 a ORBITON 45/80-65 a silničním asfaltem 50/70 (nevyzrálé asfalty). 13

14 Komplexní modul tuhosti G* [kpa] Vysvětlivky: Fázový uhel δ [ ] Obr Srovnáník Blacka pro ORBITON 65/ HiMA s asfalty ORBITON 65/105-60, a silničním asfaltem 70/100 (nevyzrálé asfalty). Na obrázcích jsou představeny hlavní křivky (ang. master curves) komplexního modulu tuhosti G* a fázového úhlu δ v závislosti na frekvenci. Zkoušky se provedly ve frekvenčním rozsahu 0,1-10 Hz pro teploty -10, 0, 10, 25, 40, 60, 70 C, s následným použitím metody superpozice teploty a frekvence byly dosažené hlavní křivky pro teplotu 25 C. Komplexní modul tuhosti G* [kpa] Vysvětlivky: Frekvence Obr Hlavní křivka komplexního modulu tuhosti G* jako funkce frekvence pro asfalty ORBITON HiMA před stárnutím. Frekvenční rozsah od 0,1 do 10 Hz, superpozice do 25 C. 14

15 Fázový uhel [ ] Vysvětlivky: Kmitočet Obr Hlavní křivka fázového uhlu δ v závislosti na kmitočtu pro asfalty ORBITON HiMA před stárnutím. Frekvenční rozsah od 0,1 do 10 Hz, superpozice do 25 C Zkouška MSCR V původním systému PG měly hodnoty kritické teploty při parametrech G*/sinδ 1 kpa pro asfalt před stárnutím a G*/sinδ 2,2 kpa pro asfalt zestárnutý metodou RTFOT ukazovat, jak je asfalt odolný proti trvalým deformacím (v podstatě šlo o příspěvek pojiva v odolnosti asfaltové směsi proti deformacím). V současné době je tato závislost zpochybňovaná, samotný systém PG byl modifikován a zavedl se nový MSCR test, který se od roku 2010 začíná používat ve Spojených státech. Zkouška opakovaného dynamického dotvarování MSCR (ang. Multiple Stress Creep Recovery test) měří některé vlastnosti pojiva, aby (mimo jiné) předpověděla s větší přesností odolnost asfaltové směsi proti trvalým deformacím (vyjíždění kolejí). Zkouška MSCR se vykonává dle norem: AASHTO TP 70 Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR) i ASTM D7405 Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery (MSCR) of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer. Zkouška se připravuje k vydání i v soustavě evropských norem (pren 16659). Zkouška MSCR nahradí další zkoušky modifikovaných asfaltů v tzv. specifikaci PG plus : vratnou duktilitu, zkoušku v tahu, silovou duktilitu i soudržnost (ang. toughness and tenacity). Během provádění zkoušky MSCR jsou odzkoušeny následující mechanizmy: mechanizmus povolení (ohybu) vzorku pojiva během 1-sekundového zatěžovaní napětím, mechanizmus návratu vzorku pojiva během 9-sekundového období relaxace (po uvolnění napětí). 15

16 Zkouška se prováděla při dvou hodnotách zatěžování napětím: 0,1 kpa a 3,2 kpa a v horní teplotě, při které má pracovat vozovka, ve které bude použité zkoumané pojivo. Zkoušky byly plánovány za předpokladu, že max. teploty vozovek v Polsku nepřesahují C, a proto pojivo bylo zkoumané při 64 C a navíc také při 70 C za účelem ověření toho, jak se mění chování pojiva HiMA během extrémní změny teploty. Teplota 64 i 70 C je ve shodě se systémem PG, který se používá ve Spojených státech. Zkouška poskytne tyto údaje: nevratná smyková poddajnost J nr (ang. creep compliance) [kpa 1 ] a průměrná procentová deformace R [%] při dvou hodnotách zatěžovaní napětím 0,1 kpa a 3,2 kpa. Ze získaných parametrů je pro klasifikaci klíčový Jnr3.2 kpa, který je použitelný pro odhad odolnosti pojiva proti deformacím - čím menší hodnota Jnr3.2 kpa, tím je větší odolnost proti vyjíždění kolejí. Výsledek deformace R 3.2svědčí o efektivnosti modifikace pojiva a je v určitou mírou jeho pružnosti modifikovaného asfaltu. Ze získaných výsledků J nr0.1 kpa, J nr3.2 kpa, R 01 a R 32 se vypočítávají dva další ukazatele: J nr,diff - ukazatel procentové změny J nr po změně (navýšení) napětí z 0.1 na 3.2 kpa - je mírou citlivosti pojiva na zvyšování zátěže, požaduje se, aby růst Jnr nebyl větší než 75%, R diff - ukazatel procentové změny vratné duktility po změně (navýšení) napětí z 0.1 na 3.2 kpa - je mírou změn pružnosti pojiva za podmínek zvyšování zátěže. V amerických zkouškách [Anderson, 2011] se stanovila mez oddělující modifikované a nemodifikované asfalty, nebo jinak řečeno efektivně modifikované a nemodifikované. Tato linie (mez) je uvedena na obr a Na obr jsou uvedeny výsledky zkoušek různých asfaltů ORLEN Asfalt zkoušených metodou MSCR při teplotě 64 C, a na obr výsledky dosažené při teplotě 70 C. Na obrázcích je také označena linie rozdělující oblast modifikovaných asfaltů (tedy pojiv, která splňují požadavky na modifikované asfalty v rozsahu parametru R 3 2 ve spojení s hodnotami J nr3.2 kpa). V obou případech grafy zobrazují napětí 3,2 kpa. Vysvětlivky: silniční asfalty Návrat MSCR [%] Návrat MSCR = 29,371*(Jnr při 3200 Pa) -0,2633 Modifikované asfalty Nemodifikované asfalty J nr při 3200 Pa [kpa -1 ] Obr Prezentace výsledků asfaltů na grafu MSCR: pružná deformace R ve funkci Jnr při zatěžování 3,2 kpa při teplotě 64 C 16

17 Vysvětlivk silniční asfalty Návrat MSCR [%] Návrat MSCR = 29,371*(Jnr při 3200 Pa) -0,2633 Modifikované asfalty Nemodifikované asfalty J nr při 3200 Pa [kpa -1 ] Obr Prezentace výsledků asfaltů na grafu MSCR: pružná deformace R ve funkci Jnr při zatěžování 3,2 kpa při teplotě 70 C Tabulka uvádí souhrnné výsledky zkoušek pojiv ORBITON HiMA ve zkoušce MSCR. Tabulka 4.4. Výsledky MSCR zkoušky pro pojiva ORBITON HiMA při teplotě 64 a 70 C (asfalt po RTFOT) Vlastnost dle ASTM D7405 ORBITON 25/55-80 HIMA ORBITON 45/80-80 HIMA ORBITON 65/ HIMA při 64 C při 70 C při 64 C při 70 C při 64 C při 70 C Návrat [%] Ro,i 93,4 90,4 96,9 94,2 97,3 96,3 R3,2 90,6 88,5 95,4 94,7 97,2 96,5 Rdiff 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Jč. [kpa-1] Jč.0,1 0,013 0,031 0,018 0,054 0,026 0,048 Jč.3,2 0,019 0,040 0,030 0,054 0,028 0,047 Jč.,diff 0,462 0,290 0,667 0,000 0,077-0,021 Klasifikace a určení k provozu (klasifikace dle AASHTO MP 19) Real PG PG (Superpave) Určení k provozu dle výsledku Jnr3,2 E (extremely heavy) E (extremely heavy) E (extremely heavy) Odolnost minerálně-asfaltové směsí proti kolejím Stejným způsobem jako zkoušky nízkoteplotní odolnosti proti vzniku trhlin se také prováděly zkoušky vysokoteplotních vlastností asfaltových směsí odolnost proti vyjíždění kolejí. Pro tento účel byla použita stejná 17

18 srovnávací asfaltová směs AC 16 S a zkouška se prováděla dle PN-EN s použitím malého zařízení pro pojezd kolem (metoda B), ve vzduchu, při teplotě 60 C a při cyklů zatěžování. Výsledky zkoušek jsou uvedeny na obr Rychlost růstu koleji WTSAIR [mm/1000] Obr Výsledky zkoušek odolnosti vozovky proti vyjíždění kolejí, parametr WTS AIR metoda dle EN , malé zařízení pro pojezd kolem (metoda B), ve vzduchu, teplota 60 C, cyklů zatěžování Další zkoušky Výsledky dalších zkoušek jsou uvedeny v tabulce 4.5. Tabulka 4.5. Výsledky dalších zkoušek Vlastnost Zkušební metoda Jednotka ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA Výsledek zkoušky ORBITON 65/ HiMA Bod lámavosti po RTFOT EN C zvýšení/snížení bodu měknutí po RTFOT zvýšení/snížení bodu měknutí po RTFOT+PAV Stabilita skladování (7 dnů) Rozdíl bodu měknutí EN EN 1427 EN EN EN 1427 EN EN 1427 C 5,0-1,0 2,2 C 2,0-0,5 4,6 C 1,0 1,0 0,0 18

19 Tabulka 4.5. Výsledky dalších zkoušek (pokračování) Vlastnost Zkušební metoda Jednotka Viskozita (k určení teploty čerpání, obalování kameniva a hutnění asfaltové směsi): Brookfieldova viskozita při 90 C (vřeteno č. 18) Brookfieldova viskozita při 135 C (vřeteno č. 18) Brookfieldova viskozita při 160 C (vřeteno č. 18) Brookfieldova viskozita při 200 C (vřeteno č. 18) Brookfieldova viskozita při 135 C po RTFOT (vřeteno č. 18) Brookfieldova viskozita při 160 C po RTFOT (vřeteno č. 18) ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA Výsledek zkoušky ASTM D Pa.s neuvedeno ASTM D Pa.s 4,42 1,99 1,08 ASTM D Pa.s 1,08 0,50 0,35 ASTM D Pa.s 0,28 0,16 0,12 EN Pa.s 6,81 2,47 1,59 ASTM D EN Pa.s 1,53 0,60 0,47 ASTM D ORBITON 65/ HiMA Nebyla zkoumaná Brookfieldova viskozita při teplotě 60 C (a při 90 C pro ORBITON 25/55-80 HiMA), protože teplota měření je nižší než bod měknutí pojiva. 5 EXPERIMENTÁLNÍ ÚSEK V POLSKU V říjnu 2013 byl v Polsku proveden experimentální úsek vozovky s použitím ORBITON 65/ HiMA. Je to v Evropě 6. a v Polsku první úsek s vysoce modifikovaným asfaltem HiMA. Úsek je částí vojvodské silnice ve správě Vojvodské silniční správy v Katovicích. Provedeny byly 2 sekce obrusné vrstvy, jedna s AC 11 (tloušťka vrstvy 4 cm), druhá ze speciální směsi SMA 5 DSH (tzv. tichá vozovka, tloušťka vrstvy 2 cm). Provedení experimentálního úseku umožnilo získat celou řadu technologických informací, a zároveň potvrdilo, že výroba ve směšovacím zařízení a hutnění asfaltové směsi s vysoce modifikovaným pojivem typu HiMA na silnici je blízká typickému procesu s klasickými SBS modifikovanými asfalty. Také se stanovilo, že asfalt použitý na experimentálním úseku ORBITON 65/ HiMA má natolik vysokou penetraci (měkkost), že by měl spíš byt používán pro speciální technologie a výrobu směsi za studena než pro asfaltové směsi zpracované za horka. Během následujících fází procesu výroby, přepravy a aplikování směsi s pojivem ORBITON HiMA, zaměstnanci ORLEN Asfalt provedli kontrolu tepelných podmínek směsí pomocí termovizní kamery. Výsledky takových kontrol jsou uvedeny v obr

20 Obr Přeprava asfaltové směsi na experimentální úsek s ORBITONEM 65/ HiMA v roce 2013 teplota asfaltové směsi v samo výklopném kontejneru po nakládce na obalovně (fot. ORLEN Asfalt sp. z o. o.) Obr Provedení experimentálního úseku s ORBITONEM 65/ HiMA v roce 2013 změna teploty asfaltové směsi během válcování (fot. ORLEN Asfalt sp. z o. o.) Obr Provedení experimentálního úseku s ORBITONEM 65/ HiMA v roce 2013 rozložení teploty asfaltové směsi za finišerem (fot. ORLEN Asfalt sp. z o. o.) 20

21 V říjnu 2014 byly provedeny další úseky vozovky s použitím ORBITON 45/80-80 HiMA. Jde konkrétně o: srpen 2014, DW 793 Myszków, ZDW w Katovicích, 1500 m, obrusná vrstva s AC11S, říjen 2014, DW 928 Kobiór, ZDW w Katovicích, 800 m, obrusná vrstva s SMA 11S na inženýrské stavbě (železniční most), říjen 2014, obchvat města Skawina, 1000 m, obrusná vrstva s SMA 11S. 6 TECHNOLOGICKÁ DOPORUČENÍ 6.1. Závislost viskozity na teplotě Na obrázku jsou uvedené křivky viskozity vysoce modifikovaných asfaltů ORBITON HiMA před stárnutím a poté, které mohou být použity pro určení viskozity při různých teplotách. Vzhledem k netypickým vlastnostem pojiva vyplývajícím z obrácení fází asfalt-polymer a specifickým vlastnostem použitého polymeru, závislost viskozity na teplotě nezdá se být tím správným řešením pro určení technologické teploty. Tímto způsobem určená teplota je ve velké míře přibližná. Dynamická viskozita [mpa.s] konec zhutňování začátek zhutňování míchání s kamenivem Teplota [ C] před RTFOT po RTFOT Obr Křivky viskozity vysoce modifikovaného asfaltu ORBITON 25/55-80 HiMA před stárnutím a zestárlého po RTFOT (na základě výsledků zkoušek v ORLEN Laboratorium sp. z o. o.) 21

22 Dynamická viskozita [mpa.s] konec zhutňování začátek zhutňování mícháni s kamenivem Teplota [ C] před RTFOT po RTFOT Obr Křivky charakteristiky viskozity vysoce modifikovaného asfaltu ORBITON 45/80-80 HiMA před stárnutím a zestárlého po RTFOT (na základě výsledků zkoušek v ORLEN Laboratorium sp. z o. o.) Dynamická viskozita [mpa.s] konec zhutňování začátek zhutňování mícháni s kamenivem Teplota [ C] před RTFOT po RTFOT Obr Křivky viskozity vysoce modifikovaného asfaltu ORBITON 65/ HiMA před stárnutím a zestárlého po RTFOT (na základě výsledků zkoušek v ORLEN Laboratorium sp. z o. o.) 6.2. Technologické teploty Jak již bylo zmíněno, jsou autoři toho názoru, že v případě modifikovaných asfaltů, zejména vysoce modifikovaných asfaltů typu HiMA, využití viskozity pojiva pro určení technologických teplot vede k nadhodnocení technologických teplot. Příčinou je změna chování pojiva zapříčiněná specifickými vlastnostmi polymeru použitého pro modifikaci (tzv. nízkoviskózního SBS s vinylovými skupinami). Na rozdíl od typických 22

23 SBS polymerů, při teplotě nad 100 C nedělá takové problémy během zpracování polymerem modifikovaného asfaltu. V tabulce jsou uvedeny propozice technologických teplot v laboratoři, na obalovně a na stavbě. Tabulka Technologické teploty na obalovně a na stavbě: ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA ORBITON 65/ HiMA Laboratoř: Teplota zhutňování vzorků Marshallovou zkouškou/v gyrátoru Teplota složek ve směšovacím zařízení obalovny: Čerpání asfaltu vyšší než 170 C vyšší než 170 C vyšší než 160 C Skladování asfaltu ve směšovacím zařízení (krátkodobé) až 190 až 190 až 190 Skladování asfaltu ve směšovacím zařízení (dlouhodobé) až 160 až 150 až 140 Teplota hotové -asfaltové směsi v míchačce obalovny: Asfaltový beton max. 185 max. 185 max. 175 SMA max. 185 max. 185 max. 175 Drenážní asfalt max. 185 max. 185 max. 175 Litý asfalt max. 190 max. 190 Teplota na stavbě: Minimální teplota dodané směsi na stavbu (v koši finišeru) Teplota na konci efektivního zhutňování vrstvy >130 >125 >120 Poznámka: teplotní údaje uvedené v tabulce byly stanoveny na základě předběžných závěrů z experimentálních úseků a souvisí s příznivými povětrnostními podmínkami. V důsledku získávaní nových zkušeností se údaje mohou měnit. Aktuální údaje jsou k dispozici na webové stránce ORLEN Asfalt, v záložce Dla laboratoriów. Prosíme, abyste si platnost informací ověřili Vzorky asfaltů v laboratoři Laboratoř obdrží od ORLEN Asfalt vzorky pojiv v kovových obalech (uzavřených nádobách) nebo výjimečně v malých baleních z kartónové lepenky s obložením z hliníkové fólie (s obsahem cca 1 litr). Manipulace s asfaltem má významný dopad na dosažené výsledky zkoušek, což platí zároveň pro asfalty, jakož i pro asfaltové směsi. Je třeba připomenout, že opakované ohřívání a/nebo přehřátí vzorku asfaltu v sušárně může způsobit značné zgelovatění vzorku. Proto je třeba se vyhnout opakovanému ohřevu asfaltových vzorků. Navrhujeme proto využívání většího počtu malých vzorků (pro jednorázové použití) namísto jednoho velkého kontejneru s asfaltem. V případě, že je nezbytné použití jednoho velkého kontejneru, doporučujeme nejprve ohřev zásobníku, poté homogenizaci vzorku mícháním a následovně rozdělení na několik menších vzorků, pro případné příští využití. Pokyny k manipulaci se vzorky ORBITON HiMA pro zkoušky v laboratoři jsou uvedeny v tabulce

24 Tabulka 6.2. Teplota ohřívání vzorků v laboratoři Velikost vzorku v zásobníku ORBITON 25/55-80 HiMA ORBITON 45/80-80 HiMA ORBITON 65/ HiMA kontejner s kapacitou až 1 litr, - ohřívací doba vzorku max. 2 hodiny kontejner s kapacitou 1 2 litry, - ohřívací doba vzorku max. 3 hodiny kontejner s kapacitou 2 3 litry, - ohřívací doba vzorku max. 3,5 hodiny kontejner s kapacitou 3 5 litrů, - ohřívací doba vzorku max. 4 hodiny max. 180 max. 180 max. 175 max. 180 max. 180 max. 175 max. 185 max. 185 max. 180 max. 185 max. 185 max. 180 kontejner s kapacitou nad 5 litrů, - ohřívací doba vzorku max. 8 hodin max. 140 max. 140 max. 140 Doplňující údaje: kontejner se vzorkem nesmí být utěsněný, vzorky se v žádném případě nesmí ohřívat nad teplotu 200 C, po zahřátí vzorků v kontejnerech je třeba vzorky homogenizovat mícháním, nesmíme přitom zapomínat, že se do vzorku nesmí dostat vzduchové bubliny; max. doba míchání (homogenizace) je 10 minut, vzorky asfaltů získané extrakcí z asfaltové směsi dle norem PN-EN , PN-EN , PN-EN musí být zkoumány ihned po získání, tak aby se předešlo opakovanému ohřívání Skladování vysoce modifikovaného asfaltu HiMA Během skladování vysoce modifikovaného asfaltu ORBITON HiMA platí stejná pravidla a doporučení jako v případě jiných modifikovaných asfaltů. Jako vždy se doporučuje použití pojiva co možná nejdříve, a v případě dlouhodobého uskladnění snížení teploty na cca C (v závislosti na druhu HiMA) a pravidelné míchaní v zásobníku (cirkulace). Další poznámky: v případě změny typu nebo druhu asfaltu v zásobníku je třeba se pokaždé ujistit, že je zásobník prázdný, nedoporučuje se míchání asfaltů HiMA s jinými asfalty, takové míchání způsobí významné zhoršení vlastností pojiva a působí na trvanlivost vozovky, nedoporučuje se opakované ohřívání nebo ochlazování modifikovaných asfaltů ORBITON HiMa 6.5. Výroba asfaltové směsi Během míchání asfaltu s kamenivem jsou procesy stárnutí mnohem rychlejší (velmi tenká vrstva asfaltu na kamenivu, velmi vysoká teplota a přístup kyslíku), proto je třeba směs opatrně míchat v tzv. mokrém stavu. Vzhledem k tomu se pojiva typu HiMA nesmí přehřívat a je třeba se řídit pokyny z tabulky 6.1. Nesmí se překročit max. výrobní teplota a to ani za účelem splnění požadavku ohledem zpracovatelnosti a kompatibility na stavbě. 24

25 Teploty uvedené v tabulce 6.1. neplatí pro asfaltové směsi, ke kterým je přidávána přísada na snížení teploty zpracování. V ORLEN Asfalt nebyly provedeny zkoušky ohledně kompatibility takových přísad s ORBITON HiMA a proto se jejich použití nedoporučuje použití jen na odpovědnost výrobce asfaltové směsi. Doba použitelnosti čerstvé směsi s ORBITON HiMA, která je v zásobníku, závisí na izolačních parametrech a neměla by být delší než doba stanovená pro směsi s ORBITONEM 45/ Přeprava asfaltové směsi Pro přepravu platí stejná pravidla, jako pro jiné polymerem modifikované asfalty. Je třeba dávat pozor na přikrytí směsi plachtou Aplikace Během aplikování směsí obsahujících vysoce modifikovaný asfalt ORBITON HiMA se musí dodržovat stejný postup, který platí pro modifikované asfalty ORBITON 45/ Počet a druh válců, počet průjezdů jsou stejné Předávací testy Pro schválení vrstvy s asfaltovou směsí obsahující ORBITON HiMA se používají stejné zkušební metody, jako v případě použití standardních pojiv. V případě, že kontrola zahrnuje určení obsahu polymeru v znovuzískaném pojivu, je třeba mít na paměti, že vysoký obsah polymeru způsobí, že výsledek je méně precizní. 6 TECHNOLOGICKÁ DOPORUČENÍ Víceleté výzkumné činnosti v oblasti vývoje a uvedení na trh nové skupiny vysoce modifikovaných pojiv SBS s názvem ORBITON HiMA skončily v roce 2013 provedením experimentálního úseku v Polsku. Na základě výsledků zkoušek pojiv, asfaltových směsí a technologických závěrů ze stavby, jsme přesvědčeni, že tyto druhy pojiva se brzy stanou důležitou součastí nabídky ORLEN Asfalt. Budou také důležitým krokem směrem k trvanlivějším vozovkám v Polsku i v zahraničí. Zkoušky uvedené v publikacií byly provedeny v těchto lokalitách: ORLEN Laboratorium sp. z o.o. (pověřená laboratoř PCA č. AB 484), Płock Výzkumný ústav anorganické chemie (VUAnCh), ČR Politechnika Gdańska, Wydział Budownictwa i Środowiska, Gdańsk Ekonaft sp. z o. o. (pověřená laboratoř PCA č. AB 496), Trzebinia 25

26 LITERATURA AASHTO TP 70: Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR). Anderson R. M. (2011), Understanding the MSCR Test and its Use in the PG Asphalt Binder Specification", Asphalt Institute. 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. 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. 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., 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., 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, 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. 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 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. 26

27 ODDĔLENÍ TECHNOLOGIE, VÝZKUMU A VÝVOJE (pol.: TBR) Organizační jednotka společnosti ORLEN Asfalt působící v divizi výroby. Existuje od zahájení činnosti společnosti, tzn. od roku Zabývá se technologií výroby, zkoušením a vývojem asfaltových pojiv, technickým marketingem a navrhováním nových výrobků. Zákazníkům společnosti se také nabízí technické poradenství v oblasti použití asfaltových pojiv, které společnost vyrábí. Oddělení TBR vypracovalo také několik patentů, získalo zlatou medaili na Mezinárodní výstavě vynálezů IWIS 2007 a cenu polského Ministra vědy a vyššího vzdělávání za úspěchy v oblasti inovace. Technické poradenství se zákazníkům společnosti nabízí prostřednictvím elektronické pošty: technology@orlen-asfalt.pl 27