VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav pozemních komunikací FUNKČNÍ ZPŮSOB NAVRHOVÁNÍ ASFALTOVÝCH SMĚSÍ PODLE EVROPSKÝCH NOREM

Transkript

1

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav pozemních komunikací Dr. Ing. Michal Varaus FUNKČNÍ ZPŮSOB NAVRHOVÁNÍ ASFALTOVÝCH SMĚSÍ PODLE EVROPSKÝCH NOREM FUNCTIONAL DESIGN OF ASPHALT MIXTURES ACCORDING TO THE EUROPEAN STANDARDS Teze habilitační práce Obor: Konstrukce a dopravní stavby BRNO 2009

3 KLÍČOVÁ SLOVA Asfaltová směs, funkční navrhování asfaltových směsí, empirické zkoušky, tuhost, únava a odolnost asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací, evropské normy. KEY WORDS Asphalt mixture, functional design approach, empirical tests, functional tests, stiffness, fatigue and resistance of asphalt mixtures against permanent deformations, european standards. MÍSTO ULOŽENÍ PRÁCE Originál habilitační práce je uložen v archivu PVO FAST v Brně. Michal Varaus, 2009 ISBN ISSN X

4 PŘEDSTAVENÍ AUTORA Dr. Ing. Michal Varaus Datum a místo narození: , Brno Vzdělání: Ing Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební Obor: Konstrukce a dopravní stavby Dr TU Wien, Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung, Rakousko Disertační práce: Návrh asfaltových směsí, srovnání návrhových metod a posouzení odolnosti proti tvorbě trvalých deformací Odborná praxe Silniční vývoj Brno výzkumný pracovník Měření a vyhodnocování únosnosti vozovek, návrhy a zkoušení asfaltových směsí, spolupráce na přípravě technických podmínek pro stavbu a údržbu vozovek OSVČ překlady a tlumočení němčina Odborné překlady a tlumočení pro firmy působící v oblasti silničního stavitelství v ČR a zahraničí (Korekt s.r.o., DOSTA a.s., ILBAU a.s., STRABAG a.s.) Od 1992 VUT v Brně FAST, asistent, od 2001 odborný asistent Odborné zahraniční stáže 1985 Studijní pobyt IAESTE, Německo, TU Kaiserslautern, Institut mechaniky zemin 3 měsíce (v rámci magisterského studia) Pracovní pobyt u firmy TOA DORO KOGYO Ltd. Japonsko, 13 měsíců Měření a vyhodnocování únosnosti vozovek deflektometrem, návrh oprav a provádění zkoušek v silniční laboratoři Doktorské studium na TU Vídeň, Rakousko, školitel Prof. Dipl.Ing. Dr. J. Litzka, Výzkumné projekty (uváděny jsou pouze projekty, ve kterých je autor řešitelem nebo spoluřešitelem) Výzkumný projekt MDČR : Stanovení životnosti krytů vozovek, doba řešení , řešitel Projekt Přejímání evropských norem pro stavbu vozovek ISPROFOND č v období , řešitel Projekt SAMARIS 5. rámcový program: Stanovení stavu recyklace druhotných surovin pro stavbu pozemních komunikací v zemích střední a východní Evropy, , spoluřešitel Výzkumný projekt MDČR 1F45B/120/066: Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy, doba řešení řešitel 3

5 ESF Modernizace výuky na Fakultě stavební VUT v Brně v rámci bakalářských a magisterských studijních programů registrační číslo: CZ / / spoluřešitel Výzkumný projekt MDČR CG Vodorovné dopravní značení pro bezpečný provoz na pozemních komunikacích spoluřešitel Přehled pedagogické činnosti Přednášky BM02 Pozemní komunikace II, BO01 Konstrukce a dopravní stavby výuka v angličtině, BI01 Stavební látky, M04 Navrhování a stavba vozovek, M18 Constructions and Transport Facilities výuka v angličtině Cvičení Dopravní stavby cvičení pro obor S a V, M63 Silniční laboratoř, BM02 Pozemní komunikace II, BO01 Konstrukce a dopravní stavby výuka v angličtině, M04 Navrhování a stavba vozovek, M18 Constructions and Transport Facilities výuka v angličtině Vedení diplomových prací a výchova vědeckých pracovníků Celkem 23 diplomových a 3 bakalářské práce, školitel 2 doktorandů (po rigorózních zkouškách) Činnosti související s pedagogickým procesem Každoročně od roku 1992 člen státnicových komisí, 2 x člen komisí pro státní doktorské zkoušky, přednášky na odborných konferencích, každoročně školení pro pracovníky silničních laboratoří (od roku 1999) a tématická školení pro firmy působící v oboru silničního stavitelství Publikační, posudková a výzkumná činnost Původní vědecká práce ve vědeckém časopisu s IF menším jak 0,1 nebo bez IF: 4 Významné inženýrské, umělecké, architektonické dílo: 5 Příspěvek ve sborníku svět. nebo evrop. kongresu, sympozia, věd. konference: 6 Příspěvek ve sborníku nár. nebo mezinár. kongresu, sympozia, věd. konference: 5 Příspěvek ve sborníku odborné konference: 17 Odborná příručka v oboru: 6 Znalecký posudek, expertíza, zpráva výkumného úkolu: 25, Odborné přednášky mimo VUT: 22, Posudek k obhajobě disertační práce: 2, Skripta 2 Členství v organizacích Autor je od roku 2002 zástupcem ČR ve výboru pro technickou normalizaci CEN TC227/WG1 Asfaltové směsi, dále členem Technické normalizační komise pro pozemní komunikace TNK 147, členem vědecké rady ASPK (akreditační středisko laboratoří pozemních komunikací) a členem rady České silniční společnosti. 4

6 OBSAH 1 ÚVOD Evropské normy pro asfaltové směsi Cíl habilitační práce ASFALTOVÉ SMĚSI A JEJICH NAVRHOVÁNÍ Klasifikace návrhových metod Složení receptury Empirický způsob návrhu Analytická návrhová metoda Volumetrická návrhová metoda Metody návrhu směsí vztažené k funkčnímu chování Metody návrhu směsí založené na funkčním chování Závěr FUNKČNÍ ZKOUŠKY ASFALTOVÝCH SMĚSÍ Základní druhy poruch na netuhých vozovkách Chování asfaltových směsí Komplexní modul tuhosti lineárně viskoelastické chování Předpoklady Měření ve frekvenčním oboru komplexní modul tuhosti Únava Trvalé deformace Reologické modely Příčiny vzniku trvalých deformací Mrazové trhliny Popis mrazových trhlin Laboratorní zkoušky vedoucí k odvození kritické teploty ČSN EN ASFALTOVÝ BETON FUNKČNÍ PŘÍSTUP Úvod Návrh asfaltových směsí VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Vyhodncení měření modulů tuhosti Analýza výsledků měření modulů tuhosti Závěr Vyhodncení únavových charakteristik Analýza výsledků měření únavy Závěr Měření nízkoteplotních charakteristik Analýza výsledků měření nízkoteplotních charakteristik ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA...27 ABSTRACT

7 1 ÚVOD Mobilita společnosti je nezbytným předpokladem jejího rozvoje a udržení konkurenceschopnosti jednotlivých výrobních subjektů. Tento předpoklad nabývá stále více na významu v globalizujícím se světě, kde doprava a dopravní systémy zaznamenaly v průběhu minulého století nebývalý rozvoj. Společenské změny v 90. letech minulého století ve státech střední a východní Evropy, následná privatizace státních podniků a vstup zahraničního kapitálu měly a mají za následek velký pohyb osob a zboží, který se uskutečňuje s ohledem na rychlost přepravy zejména po pozemních komunikacích. Špatný stav silniční sítě, jako dědictví z doby předchozí, se daří jen pomalu zlepšovat a to pouze za cenu vysokých investic do opravovaných a rekonstruovaných úseků. S ohledem na omezené finanční prostředky a jejich úsporné využití je stále důležitější používat vysoce kvalitní silniční stavební materiály s dlouhou trvanlivostí, kdy jsou materiály použity v konstrukčních vrstvách vozovky v co nejefektivnější míře s ohledem na namáhání od účinků dopravního zatížení a klimatických vlivů. 1.1 EVROPSKÉ NORMY PRO ASFALTOVÉ SMĚSI Vstupem České republiky do Evropské unie vyvstala povinnost zavedení jednotných evropských norem. Dlouhodobý trend nárůstu cen ropy a jejich derivátů jako je asfalt vede při navrhování asfaltových směsí k opouštění konvenčních zkoušek a k simulaci a zkoušení asfaltových pojiv a směsí systémem tzv. funkčních zkoušek. Tyto zkoušky mají v laboratorních podmínkách napodobit namáhání od dopravního zatížení a klimatických vlivů tak jako v reálné vozovce. Tento trend vede k zavádění zcela nových zkušebních postupů a nákupu zkušebních zařízení, často velice finančně nákladných, kterými se však nemohou vybavit všechny laboratoře. 1. generace evropských norem, která je na národní úrovni jednotlivých států Evropské unie v plné platnosti od , umožňuje používání zkoušek jak konvenčního charakteru, tak i zkoušek funkčních. Prozatím je funkční způsob specifikace požadavků na asfaltové směsi přípustný pouze pro směsi navrhované podle normy ČSN EN Asfaltový beton. Cílem a náplní evropských norem 2. generace by pak měl být přechod na funkční specifikace všech používaných druhů asfaltových směsí. K výše citovaným funkčním zkouškám patří například zkouška únavových vlastností, modulu tuhosti, odolnosti proti trvalým deformacím v triaxiální komoře atd. Zavedení funkčních požadavků odbourává z větší části požadavky na složení asfaltových směsí dané oborem zrnitosti, druhem a množstvím pojiva, neboť funkční zkoušky mají vhodnost či nevhodnost směsí i netradičně navržených prokázat. 1.2 CÍL HABILITAČNÍ PRÁCE Cílem habilitační práce je shrnutí poznatků z provádění vybraných funkčních zkoušek asfaltových směsí podle nových evropských norem, odvození zákonitostí mezi skladbou asfaltových směsí a jejich chováním při funkčních zkouškách a v neposlední řadě nastavení mezních hodnot pro vybrané parametry funkčních zkoušek do národní přílohy normy ČSN EN Asfaltový beton funkční přístup, jejímž zpracovatelem je autor habilitační práce. 6

8 2 ASFALTOVÉ SMĚSI A JEJICH NAVRHOVÁNÍ 2.1 KLASIFIKACE NÁVRHOVÝCH METOD Metody návrhu asfaltových směsí vztažené zejména k návrhu směsí typu asfaltový beton, lze rozdělit do šesti základních: Složení receptury Empirický způsob návrhu Analytický způsob návrhu Volumetrický způsob návrhu Způsob návrhu vztažený k funkčnímu chování Způsob návrhu založený na funkčním chování Složení receptury Metoda složení receptury je založená na zkušenostech s tradičními směsmi známého složení, které se dlouhodobě osvědčily s ohledem na dopravní zatížení a klimatické podmínky. Daná receptura specifikuje asfaltovou směs prostřednictvím jednotlivých komponentů, tedy čáry zrnitosti kameniva, gradace asfaltového pojiva, tloušťky pokládané vrstvy a charakteristik směsi během zpracování na obalovně, během pokládky a hutnění. Tento návrhový postup nepředpokládá výrobu zkušebních těles a je používán např. ve Velké Británii. Taktéž v Německu jsou asfaltové směsi obrusných a ložních vrstev sestaveny na základě metody složení receptury a Marshallova zkouška je používána pouze pro stanovení mezerovitosti. V řadě národních laboratoří se pro navrhování asfaltových směsí stále používá výběr z řady standardních receptur, které se osvědčily pouze na základě pozorování výskytu poruch a pozitivních praktických zkušeností za různých klimatických podmínek a dopravního zatížení Empirický způsob návrhu Empirický způsob návrhu byl posunem od tradičně používaných receptur k zavedení jednoduchých zkušebních metod, které sloužily k tomu, aby bylo možné eliminovat problémy spojené se specifickou visko elastickou povahou asfaltového pojiva. Tento způsob též vedl k zavedení zkušebních postupů schopných definovat stabilní chování asfaltových směsí vymezením normových hodnot. Koncept empirického způsobu návrhu je založen na volbě obsahu asfaltového pojiva s optimalizací několika proměnných parametrů sledovaných v rámci dovoleného rozpětí mezních hodnot, které jsou nastaveny pro tyto parametry na základě předchozích zkušeností. Tyto proměnné nejsou přímým měřítkem chování asfaltových směsí v reálné vozovce. Při tomto návrhu se provádí laboratorní hutnění zkušebních těles, které však neodpovídá hutnění asfaltové směsi na stavbě (výroba těles Marshallovým pěchem rázem). Tato tělesa jsou pak zkoušena většinou mechanickými zkouškami, které nestanovují funkční materiálové vlastnosti a nemají velkou vypovídací schopnost (např. stabilita, přetvoření, míra tuhosti). Tento způsob návrhu je rozšířen v mnoha zemích po celém světě a byl též používán v České republice Analytická návrhová metoda Analytická návrhová metoda umožňuje výpočet složení asfaltové směsi v objemových parametrech (čára zrnitosti jednotlivých frakcí kameniva obsah asfaltu a mezerovitost). Tato metoda ve své původní podobě nepředpokládala výrobu zkušebních těles a byla založena pouze na 7

9 analytickém výpočtu, který byl většinou zpracován ve formě programu. Tento způsob návrhu je používán např. v Belgii, kde se využívá analytický výpočet ke stanovení základního složení asfaltové směsi se stanovením objemových parametrů. Belgická metoda považuje však za stejně důležité provést verifikaci návrhu často jednou z mechanických zkoušek, které však neslouží k optimalizaci množství asfaltového pojiva. Výběr druhu mechanické zkoušky je odvozen z čáry zrnitosti dané směsi. Marshallova zkouška je doporučena pro jemnozrnnější směsi s plynulou čarou zrnitosti, zkouška vyjetí kolem pro směsi bohaté na mastix jako je asfaltový koberec mastixový, zatímco např. Cantaberská zkouška je používána např. pro drenážní asfalt Volumetrická návrhová metoda Ve volumetrické návrhové metodě se volí obsah pojiva a čára zrnitosti na základě analýzy mezerovitosti, mezerovitosti směsi kameniva a obsahu asfaltového pojiva. Směs se hutní v laboratoři způsobem, který má simulovat hutnění na stavbě (např. gyrátor). Jako příklad této metody lze uvést návrhovou metodu Superpave úroveň 1, která byla vyvinuta v rámci výzkumného projektu SHRP (Strategic Highway Research Project). Úroveň 1 se používá při návrhu směsí pro nízké dopravní zatížení, aniž by se prováděly další mechanické zkoušky. V této metodě se konečné stanovení optimálního obsahu pojiva řídí vyhodnocením tří základních volumetrických parametrů: Mezerovitosti při návrhovém počtu otáček N des a konečném počtu otáček N max, mezerovitosti směsi kameniva a stupně vyplnění mezer při návrhovém počtu otáček Metody návrhu směsí vztažené k funkčnímu chování U metod vztažených k funkčnímu chování se směsi, které splňují požadované objemové parametry, hutní a následně zkouší simulačními a/nebo funkčními zkouškami, aby se stanovily jejich vlastnosti, které jsou vztaženy k skutečnému chování asfaltových směsí za účelem stanovení jejich optimálního složení. Například francouzská návrhová metoda je založena na použití simulačních zkoušek včetně hutnění gyrátorem (Presse á Cisaillement Gyratoire P.C.G.) a zkoušce odolnosti proti tvorbě trvalých deformací (Orniéreur). Zpracovatelnost a hutnění pomocí gyrátoru musí být provedeno podle typu vybrané směsi, přičemž se mění určité parametry včetně čáry zrnitosti. Následně se provede zkouška Duriéz (pevnosti v tlaku), která má zjistit odolnost vůči účinkům vody Metody návrhu směsí založené na funkčním chování Asfaltová směs navržená jakoukoli výše uvedenou návrhovou metodou je v rámci této návrhové metody vystavena zkouškám založeným na funkčním chování s použitím algoritmu pro předpověď vývoje chování směsi v čase, tak aby bylo možné na základě tohoto odhadu směs předem schválit k použití nebo ji zamítnout. Vycházeje z informací o projektu (skladba vozovky, dopravní zatížení a klimatické podmínky), materiálových vlastností, odezvy vozovky a vývoje poruch pod účinkem dopravního zatížení se provádí předpověď chování vozovky s odhadem vývoje různých druhů poruch během doby životnosti konstrukce vozovky. Transformace výsledků laboratorních zkoušek do odhadu vývoje v reálné vozovce se získá pomocí shift-faktorů, které jsou nakalibrovány dle předchozích pozorování vývoje poruch. Tento způsob návrhu směsi byl např. prezentován v rámci návrhové metody Superpave projektu SHRP pro úroveň 2 a 3, které jsou uvažovány pro střední a vysoké dopravní zatížení. Návrh vychází z volumetrického stanovení návrhového množství asfaltového pojiva. Následuje provedení funkčních zkoušek pomocí smykového zkušebního zařízení a ITS (zkouška v příčném tahu) pro obsahy asfaltu vyšší, nižší a rovny návrhovému obsahu. Na základě výsledků zkoušek je pomocí 8

10 softwaru provedena predikce vývoje poruch s ohledem na vývoj trvalých deformací, únavy a mrazových trhlin. Optimální množství pojiva je pak zvoleno na základě výsledků této předpovědi. 2.2 ZÁVĚR Uvedený přehled návrhových metod dokumentuje různé přístupy k navrhování asfaltových směsí. Některé návrhové metody používané ve světě vznikly propojením výše uvedených metod. Trend navrhování asfaltových směsí směřuje k používání složitějších zkoušek, které postihují funkční chování směsí. Tento trend je patrný i u přípravy evropských norem 2. generace, která by měla zavést funkční zkoušky nejen pro směsi typu asfaltový beton, ale i pro ostatní druhy asfaltových směsí. Kontrolní zkoušky by se pak měly omezit pouze na kontrolu čáry zrnitosti, obsahu asfaltu popř. mezerovitosti. Tato tendence však zatím naráží zejména na finanční náročnost vybavení silničních laboratoří, kdy drahými zařízeními pro návrh asfaltových směsí jsou v současnosti vybaveny pouze výzkumné instituce nebo vysoké školy popř. centrální laboratoře silničních firem se silným zázemím zahraničního kapitálu. 3 FUNKČNÍ ZKOUŠKY ASFALTOVÝCH SMĚSÍ 3.1 ZÁKLADNÍ DRUHY PORUCH NA NETUHÝCH VOZOVKÁCH Funkční zkoušky asfaltových směsí jsou spojeny s výskytem základních druhů poruch na netuhých vozovkách. Prováděné zkoušky mají za cíl simulovat co možná nejvěrněji podmínky v reálné vozovce a odhadnout pokud možná co nejpřesněji výskyt těchto poruch při daném dopravním zatížení a místních klimatických podmínkách. Variací skladby vstupních materiálů pak lze chování a výskyt poruch v konstrukci vozovky ovlivňovat. U netuhých vozovek s asfaltovým krytem se analýza poškozování všeobecně zaměřuje na tři základní typy poruch: Únava a s ní spojené únavové trhliny Trvalé deformace ve formě vyjetých kolejí Mrazové trhliny Únavové trhliny V důsledku opakovaného zatěžování nápravovým zatížením zejména těžkých nákladních vozidel při daných klimatických podmínkách dochází u asfaltových směsí k únavovému jevu, který je spojen s poklesem modulu tuhosti dané vrstvy. V konvenčním pojetí návrhových modelů jsou únavou dotčeny zejména nejspodnější asfaltové vrstvy, ve kterých je dosaženo největší tahové napětí. Tento jev vede v pokročilejším stádiu k vytvoření únavové trhliny a jejímu dalšímu šíření asfaltovou vrstvou od spodního líce směrem nahoru až k povrchu vozovky. Jedná se o strukturální poruchu konstrukce, která vede ke konci životnosti vozovky. Únava je tedy rozhodujícím kritériem při dimenzování tloušťky a skladby vrstev netuhých vozovek. Trvalé deformace Trvalé deformace zejména ve formě vyjetých kolejí, které je možné pozorovat na povrchu vozovky, jsou sumou deformací jedné nebo více netuhých vrstev konstrukce vozovky. Nestmelené podkladní vrstvy a podloží se sice mohou na vzniku těchto deformací taktéž podílet, avšak většinou v malém rozsahu. V převážné většině případů se jedná o deformace způsobené smykovým přetvářením asfaltových směsí obrusných a ložních vrstev. Vyjeté koleje vznikají v důsledku účinku dopravního zatížení od těžkých nákladních vozidel a vysokých teplot. Tento 9

11 druh poruchy pak nepříznivě ovlivňuje provozní způsobilost vozovky z hlediska bezpečnosti zejména při mokrém povrchu vozovky. Mrazové trhliny Asfaltové pojivo je viskoelastickým materiálem, který tuto vlastnost přenáší i do asfaltové směsi. Viskózní složka napomáhá odbourávat vzniklá napětí hovoříme o tzv. relaxaci materiálu. Schopnost relaxace se snižuje s klesající teplotou. Za velmi nízkých teplot je tato schopnost potlačena a asfaltová směs chová tedy čistě elasticky, při dalším snižování teploty pojivo křehne. V nekonečném pásu asfaltové vozovky, která nemá dilatační spáry tedy vznikají při nízkých teplotách tahová kryogenní napětí, která vedou k dosažení meze pevnosti materiálu a vytvoření příčné mrazové trhliny. 3.2 CHOVÁNÍ ASFALTOVÝCH SMĚSÍ Obecně se rozeznávají tři základní typy chování asfaltových směsí při zatěžování podle amplitudy přetvoření a počtu opakování zatěžovacích cyklů (viz obr. 3.1): Pro přetvoření v řádu cca a malý počet opakovaných zatěžovacích cyklů je pozorované chování vysoce nelineární. Pro malá přetvoření v řádu <10-4 a počet zatěžovacích cyklů v řádu 100 se uvažuje, že pro první přiblížení je chování lineárně viskoelastické. Pro malá přetvoření a počet zatěžovacích cyklů v řádu 10 4 a více vykazuje materiál poškození únavou. Obr. 3.1: Typické chování pozorované u asfaltových směsí, ε přetvoření, N počet cyklů 3.3 KOMPLEXNÍ MODUL TUHOSTI LINEÁRNĚ VISKOELASTICKÉ CHOVÁNÍ Předpoklady V literatuře se uvádí o asfaltových směsích, že jsou tyto materiály spojité, izotropní a viskoelastické. Tyto předpoklady platí pouze za určitých podmínek a je zřejmé, že čím materiálové charakteristiky odpovídají více těmto podmínkám, tím více platí teoretická odvození ve spojení s těmito předpoklady. 10

12 3.3.2 Měření ve frekvenčním oboru komplexní modul tuhosti Materiál (zhutněná asfaltová směs) je vystaven harmonickému sinusovému zatěžování při různých frekvencích. Protože měření je prováděno v oblasti malých přetvoření, odezva na sinusové zatížení je taktéž ve tvaru sinusoidy. Komplexní modul tuhosti E * je komplexní číslo definované jako poměr mezi amplitudou budicího napětí a jím vynucené deformace při ustáleném harmonickém kmitání při frekvenci ω. Díky viskoelastické povaze asfaltového pojiva se opožďuje přetvoření za napětím o fázový úhel φ. Komplexní modul závisí na frekvenci ω a teplotě. E * = E 1 + ie 2 (1) kde E * komplexní modul tuhosti v MPa, E 1 reálná složka komplexního modulu, E 2 imaginární složka komplexního modulu, Složky komplexního modulu se mění v závislosti na teplotě a frekvencí při zatěžování. 3.4 ÚNAVA Asfaltové materiály ve vozovce jsou vystaveny krátkodobému opakovanému zatěžování při každém přejezdu vozidla. Toto namáhání způsobuje jisté mikro-porušení, které má za následek ztrátu tuhosti materiálu a vede v dlouhodobém horizontu k porušení, které se projeví vznikem únavové trhliny. Tento jev označovaný jako únava je rozhodující pro dimenzování konstrukce netuhých vozovek. První laboratorní studie únavových jevů v laboratorních podmínkách byly prováděny v roce 1852 Wöhlerem. V současnosti existuje nejvíce poznatků o únavě oceli, betonu, silničních materiálech a též kompozitních materiálech. Běžný způsob zkoušení únavy je založen na opakovanému zatěžování zkušebního vzorku a záznamu počtu cyklů při dosažení jeho porušení (únavová životnost). Křivka popisující únavovou životnost (vyjádřená počtem cyklů) versus amplituda vyvozeného zatížení (napětí σ nebo přetvoření ε) je tzv. Wöhlerova křivka, která je zpravidla charakterizovaná následujícím vztahem: b ε neboσ = A N (2) V log-log souřadnicích se křivka zobrazuje jako přímka. Obr. 3.2: Wöhlerův diagram 11

13 Únavová pevnost pro N zatěžovacích cyklů je velikost zatížení, které vede po N cyklech k porušení vzorku. Ve skutečnosti jsou zatíženy únavové zkoušky velkým rozptylem. Pro zavedení různých úrovní zatížení vyvolaných přejezdem vozidel je uplatňován kumulativní zákon porušení. Nejběžněji používaným kumulativním zákonem je Minerova hypotéza vyjádřená jako: n i = 1 n N i i = 1 kde n i počet vyvozených cyklů zatížení úrovně S i, N i životnost vyjádřená celkovým počtem cyklů odpovídající zatížení úrovně S i. Tento zákon je i přes určité nepřesnosti dané povahou asfaltových materiálů používán v návrhových metodách po celém světě zejména pro svoji jednoduchost. (3) 3.5 TRVALÉ DEFORMACE Vznik trvalých deformací pod účinkem těžké nákladní dopravy je přirozeným jevem porušení netuhých vozovek s vysokým dopravním zatížením a krytem z asfaltových vrstev. Není možné zaručit, aby k tomuto jevu nedošlo, je možné jej pouze omezit na určitou úroveň. Příčinou vzniku trvalých deformací je většinou viskoplastické přetváření směsí pod účinkem vysokého zatížení a teploty, někdy též obrus a ztráta hmoty v jízdních stopách v důsledku používání pneumatik s hřeby, popř. nedostatečná únosnost podkladních vrstev. Nejčastěji vznikají trvalé deformace ve formě vyjetých kolejí. Tyto lze definovat jako vertikální odchylku povrchu vozovky od nivelety vedoucí k tvorbě příčných nerovností. Vyjeté koleje jsou speciální druhem deformací příčného profilu, které se od ostatních druhů deformací jako jsou prosedliny, vtlačená místa a podélné deformace ve formě vln odlišují zejména v tom, že mají kontinuální, více či méně pravidelný průběh. Kvantifikovat lze vyjeté koleje v příčném řezu z diference mezi nulovým měřením po pokládce směsi a pozdějším měřením po zatížení vozovky dopravou k pevně vztažné základně. Vyjeté koleje mohou vzniknout v důsledku dopravního zatížení buď v obrusné, ložní popř. i podkladní vrstvě nebo v podloží. Zatímco vyjeté koleje v krytu vozovky nebo podkladní vrstvě z asfaltových směsí vzniknou v kombinaci s vysokými teplotami, trvalé deformace v nestmelených podkladních vrstvách nebo podloží vznikají většinou v důsledku nedostatečného zhutnění a/nebo špatného odvodnění a tím snížené únosnosti. Vyjeté koleje mají podstatný vliv na bezpečnost dopravy a jízdní komfort. I na suché vozovce může být vozidlo při změně jízdní stopy negativně ovlivněno příčnými rázy jízdou v koleji a v extrémním případě může řidič ztratit nad řízením vozidla kontrolu. Velmi vysoké je pak nebezpečí za mokra, kdy při velké tloušťce vodního filmu v kombinaci s vysokou rychlostí dochází k aquaplaningu Reologické modely Deformační chování asfaltových směsí Každé zatížení vyvolá reakci (deformaci) zatěžovaného materiálu. Podle povahy materiálu je charakter deformace různý. Pro matematický popis tohoto jevu byly vyvinuty deformační nebo-li též reologické modely. 12

14 Nejznámější deformací je deformace elastická s platností Hookova zákona. Tento zákon říká, že napětí a deformace jsou v každém okamžiku zatěžování úměrné, materiál se chová lineárně elasticky. Elasticita znamená, že po odtížení je deformace vratná zcela vyprchá. Odpovídajícím reologickým modelem je pružina (viz obr. 3.3 a) K silničním stavebním materiálům patří též kapaliny jako je voda nebo asfaltové pojivo v horkém stavu. K jejich charakteristice zahrnující viskozitu se používá reologický model tlumiče. Silový odpor proti deformaci, který je vyjádřen viskozitou je úměrný deformační rychlosti nebo-li podle délky zatížení a viskozity dochází k různé velikosti deformace (viz obr. 3.3 c) Obr. 3.3: Deformační vlastnosti ideálních hmot vyobrazené v reologických diagramech: a) elastická hmota, b) plastická hmota, c) viskózní hmota Asfaltové směsi a soudržné zeminy v sobě spojují deformační charakteristiky všech uvedených hmot jsou tedy elasticko-visko-plastické. Druh převažující deformace se řídí povahou zatížení (statické, dynamické), teplotou, materiálovými vlastnostmi atd. Celková deformace pod účinkem dopravního zatížení se dá rozložit na vratnou a nevratnou deformaci Příčiny vzniku trvalých deformací Viskoplastické deformace Příčné nerovnosti ve formě vyjetých kolejí vznikají v asfaltových vrstvách kumulativním visko-plastickým přetvářením za vysoké teploty a pomalé nebo zastavující dopravy od těžkých nákladních vozidel účinkem smykových sil. Z pohledu materiálového složení vrstev vozovky a tedy vnitřních příčin hrají pak roli zejména: Nedostatky v asfaltových vrstvách: Předávkování asfaltového pojiva. Nízká mezerovitost (většinou se jako mezní hodnota uvádí min. mezerovitost 2 %). Použití těženého kameniva místo kameniva drceného (směs, která se pod účinkem těžkého dopravního zatížení snadno přetváří) atd. Konstrukčními nedostatky (podklad pod asfaltovými vrstvami není dostatečně únosný) Tento druh vyjetých kolejí je způsoben buď celkovým poddimenzováním konstrukce vozovky a/nebo problémy s únosností v některé z vrstev ležících pod asfaltovými vrstvami nebo problémy s únosností v podloží. V důsledku těchto skutečností dochází pak k visko-plastickému přetváření i v asfaltových vrstvách. 13

15 Zkušební zařízení pro stanovení odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací Běžně používaným zkušebním zařízením na stanovení odolnosti proti tvorbě trvalých deformací je vyjížděč, ve kterém se pojíždí ocelovým kolem s gumovou obručí (popř. huštěnou pneumatikou) po zhutněné asfaltové desce při 50 nebo 60 o C. Během zkoušky ( pojezdů) se měří hloubka vyjeté koleje 50 mm od středu desky na každou stranu pojezdu. Obr. 3.4: Vyjížděč pro zkoušku odolnosti proti tvorbě trvalých deformací Nejmodernějším zkušebním zařízením, které je považováno za funkční zkoušku je zkušební zařízení v triaxiální komoře. Toto zařízení bylo dle nové evropské normy zkonstruováno v silniční laboratoři Ústavu pozemních komunikací. Cylindrické zkušební těleso výšky mm je zatěžováno pulzy při konstantním bočním tlaku při 50 o C. Na obr. 3.5 je vyobrazeno popisované zkušební zařízení. Obr. 3.5: Zařízení VUT pro cyklickou zkoušku v tlaku v triaxiální komoře 14

16 3.6 MRAZOVÉ TRHLINY Vznik a vývoj mrazových trhlin je spojován s nízkoteplotními vlastnostmi asfaltových pojiv a asfaltových směsí. Problematika mrazových trhlin je poměrně známá a frekventovaná v zemích od 60. rovnoběžky směrem na sever. Jako první se touto problematikou zabývali Kanaďané. Vznik mrazových trhlin však není vázán jen na výše uvedené oblasti. Byly pozorovány trhliny, které lze též přiřadit k nízkoteplotním, které byly zjištěny na vozovkách např. na Sahaře. V tom to případě se jednalo o výrazně zestárlé pojivo v obrusné vrstvě, ve které byly naměřeny vysoké teploty během dne a teploty kolem 0 o C v noci, tedy výrazný teplotní gradient. Svou roli zde sehrála i vysoká nasákavost kameniva, kdy kamenivo pohltilo část asfaltového pojiva. Příčné trhliny charakterizující porušení mrazem jsou též častou poruchou krytových vrstev vozovek v České republice. K posouzení rozsahu porušení silnic těmito trhlinami lze uvést, že při výskytu cca již 5 příčných trhlin na 100 m silnice nebo dálnice je stav nevyhovující; při tomto počtu již dochází většinou k vážným druhotným poruchám (větvení trhlin, vylamování hran, tvorba výtlukům apod.). 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 minus 40 o C. I když se tento typ poškození vyskytoval u nás i dříve, nebyla mu z důvodu poměrně ne tak velkého výskytu věnovaná dostatečná pozornost. Zvyšování tuhosti asfaltových směsí, snižování jejich tloušťky a snižování obsahu pojiva v kombinaci s působením nízkých teplot výrazně přispělo k zvýšené četnosti vzniku trhlin. Podstatný vliv na nízkoteplotní chování asfaltových směsí má stárnutí asfaltu. Jedná se o fyzikální a chemické změny ve složení asfaltu, jejichž výsledkem je zhoršení nízkoteplotních vlastností. Stárnutí asfaltu pak vede také ke snížení trvanlivosti celé vrstvy. Trvanlivost asfaltových vozovek je termín pro vyjádření dlouhodobé provozní způsobilosti vozovky a obvykle se u nás chápe jako doba životnosti krytu resp. obrusné vrstvy vozovky. Ztráta trvanlivosti je komplexní problém, protože zahrnuje množství parametrů, mezi nimiž jsou nejdůležitější stárnutí pojiva a účinek vody Popis mrazových trhlin Při velmi nízkých teplotách dochází ke smršťování asfaltové směsi stejně jako u jiných látek. Pokud teploty poklesnou pod určitou kritickou mez, nebo pokles teploty povrchu je rychlý, pak se na povrchu obrusné vrstvy může vytvořit příčná smršťovací trhlinka, která oslabí asfaltové vrstvy. Tato trhlinka opakovanými poklesy teploty roste do hloubky obrusné vrstvy. Jakmile trhlina dosáhne vzájemného spojení s ložní nebo podkladní vrstvou vozovky, naruší se spojení vrstev. Pro mrazovou trhlinu je charakteristické: prakticky přímkový průběh a téměř kolmý směr na osu vozovky průběh po celé šířce od jednoho okraje vozovky k druhému, různá vzdálenost trhlin, měnící se šířka trhlin v průběhu času, se zvyšováním teploty se trhliny zužují, i když se nezavřou úplně. 15

17 3.6.2 Laboratorní zkoušky vedoucí k odvození kritické teploty V zimním období 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. 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 (ε t = 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. Zkušební vzorky jsou vyřezány do předepsaného tvaru hranolu s rozměry 50 x 50 x 250 mm z nahutněné desky nebo z jádrových vývrtů, které byly odebrány z vozovky. Ukončení zkoušky nastává porušením hranolu trhlinou. Obr. 3.6: Pohled do zkušební komory s osazeným vzorkem 4 ČSN EN ASFALTOVÝ BETON FUNKČNÍ PŘÍSTUP 4.1 ÚVOD Problematika funkčních zkoušek asfaltových směsí podle nových evropských norem a nastavení mezních hodnot jednotlivých funkčních parametrů do 2. národní přílohy normy ČSN EN Asfaltový beton byla zpracována ve výzkumném projektu MDČR 1F45B/066/120 Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy, který byl řešen na Ústavu pozemních komunikací v průběhu let Cílem celého výzkumného projektu bylo na základě podrobného zkoušení asfaltových směsí vybranými funkčními zkouškami odvodit mezní hodnoty funkčních parametrů do národní přílohy funkční přístup pro obrusné, ložní a podkladní vrstvy. 16

18 Pro zkoušení bylo použito následujících funkčních zkoušek: a) stanovení modulu tuhosti dle ČSN EN ; b) stanovení únavových charakteristik dle ČSN EN ; c) stanovení odolnosti proti tvorbě trvalých deformací dle ČSN EN , která bude nahrazena zkouškou v triaxiální komoře dle ČSN EN d) stanovení nízkoteplotních charakteristik zkušební metodou dle prof. Aranda.. Na začátku řešení projektu byla sestavena matice funkčních zkoušek asfaltových směsí v kombinaci s různě vedenými čarami zrnitosti pro směsi asfaltového betonu střednězrnného pro obrusné vrstvy a asfaltového betonu hrubozrnného pro ložní vrstvy. Tato matice byla postupně naplňována výsledky, z kterých byly nakonec odvozeny mezní hodnoty vyhodnocovaných parametrů. Cílem prováděných zkoušek bylo zjistit do jaké míry ovlivní čára zrnitosti a množství asfaltového pojiva funkční vlastnosti zkoušených směsí. Dále byl sledován též vliv snížení míry zhutnění na výsledné funkční parametry ze 100% na 97% (povolená spodní hranice pro míru zhutnění na stavbě) a snížení obsahu asfaltu z optimálního množství na množství o 0,5 % nižší (dovolená tolerance pro kontrolní zkoušky dle ČSN a též ČSN EN ). 4.2 NÁVRH ASFALTOVÝCH SMĚSÍ Výběr směsí probíhal z oboru zrnitosti asfaltového betonu střednězrnného ABS (ACO 11) a hrubozrnného ABH (ACL 16), které byly definovány v ČSN (obor zrnitosti dle ČSN byl téměř identický s oborem zrnitosti nově zavedené ČSN EN Asfaltový beton). Čáry zrnitosti byly voleny tak, aby pokryly celý obor zrnitosti. Pro lepší definování jednotlivých čar zrnitosti byla využita Fullerova parabola. Celkem byly navrženy jak u obrusné, tak u ložní vrstvy 4 reprezentativní směsi. Směs s označením I byla směs s čarou zrnitosti jdoucí nad Fullerovou parabolou, směs II odpovídala rovnici Fullerovy paraboly, směs III byla směs běžně navrhovaná, která kromě oboru zrnitosti dle ČSN a ČSN EN odpovídala též oboru zrnitosti dle TP109 a směs IV byla směs s čarou zrnitosti vedenou při spodním okraji oboru zrnitosti. Návrh směsí a nalezení optimálního množství asfaltového pojiva vycházelo z předchozích zkušeností s navrhováním asfaltových směsí, kdy směrodatná hodnota pro stanovení optima byla hledána pro parametr mezerovitosti v následujícím rozmezí: u směsí typu ABS (ACO 11) v intervalu 3,5 4 % (požadavek ČSN = 3 5 % a požadavek TP109 = 3-4,5 %), u směsí typu ABH (ACL 16) v intervalu 4 5 % (požadavek ČSN = 4-7 % a požadavek TP109 = 4-6 %). Směsi byly hutněny 2 x 75 údery, tedy jako pro kvalitativní třídu AB I. V roce 2004, kdy byl výzkumný projekt zahájen a kdy byly sestavovány požadavky na vstupní složení asfaltových směsí dle oboru zrnitosti, byly národní přílohy normy ČSN EN Asfaltový beton teprve v začátku příprav. Předpokládalo se, že se obory zrnitosti nebudou výrazně měnit a taktéž nedojde k zásadnímu posunu v požadavcích na mezerovitosti směsí. Z tohoto důvodu jsou v následujících tabulkách uvedeny převážně požadavky dle tehdy platných českých předpisů. 17

19 Po stanovení optimálního množství pojiva dle výše uvedeného kritéria byly namíchány směsi se stejnou čarou zrnitosti, ale s množstvím pojiva o 0,5 % nižším, aby byl postižen i vliv snížení obsahu pojiva na funkční vlastnosti směsi. Pro obě varianty pak byly na lamelovém zhutňovači připraveny desky při 100 % míře zhutnění a 97 % míře zhutnění. Snížení dávkování asfaltového pojiva o 0,5 % a zhutnění směsí na 97 % mělo simulovat stavy, které se mohou vyskytnout v praxi a jsou na spodní přípustné hranici požadavků technických předpisů. Jako základní asfaltové pojivo byl pro klimatické podmínky ČR a s ohledem na použití směsí spíše do vozovek s vyšším dopravním zatížením zvolen pro asfaltový beton střednězrnný a asfaltový beton hrubozrnný nemodifikovaný asfalt 50/70. U návrhů asfaltových směsí byly vyhodnoceny veškeré volumetrické parametry, které jsou uvedeny v tabulce 4.2 pro směs ABS (ACO 11). Parametry byly zjišťovány též pro směsi ABS (ACO 11) při 97 % zhutnění a dtto pro směsi ABH (ACL 16). Obr. 4.1: Obor zrnitosti pro ABS (ACO 11) a navrhované čáry zrnitosti Tabulka 4.1: Navrhované čáry zrnitosti pro směsi ABS (ACO 11) Směs Velikost síta [mm] ,5 0,25 0,125 0,09 I ,2 II ,3 III ,0 IV ,6 Fullerova parabola ,0 Horní mez ČSN ,0 Dolní mez ČSN ,0 Horní mez ČSN EN ,0 Dolní mez ČSN EN ,0 Horní mez TP ,0 Dolní mez - TP ,0 18

20 Tabulka 4.2: Vyhodnocení návrhů směsí ABS (ACO 11) zhutnění 100 % obsah ρ asfaltu vz ρ s M M k S v Směs množství pojiva % kg.m -3 kg.m -3 % % % I optimum-0,5% 4, ,3 14,8 64 optimum 4, ,8 14,6 74 II optimum-0,5% 4, ,2 14,5 64 optimum 4, ,5 14,1 75 III optimum-0,5% 5, ,8 16,6 71 optimum 5, ,5 16,5 79 IV optimum-0,5% 5, ,6 18,6 70 optimum 6, ,9 18,1 79 ČSN TP 109 (5,4-6,2) ,5 (min.16,5) (75-82) 5 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ 5.1 VYHODNCENÍ MĚŘENÍ MODULŮ TUHOSTI Pro stanovení modulů tuhosti bylo vyrobeno celkem 300 trapezoidů 120 kusů ze směsi typu ABS (ACO 11) a 180 ze směsi typu ABH (ACL 16). Obr. 5.1: Zkušební tělesa asfaltové směsi ABH (ACL 16) pro stanovení modulů tuhosti a únavových charakteristik Vzhledem k velkému počtu zkušebních těles a časové náročnosti zkoušky byly stanoveny u směsi ABS (ACO 11) moduly jen pro teplotu 15 C při frekvencích 5, 10, 15, 20 a 25 Hz. Pouze u směsi I ABH (ACL 16) byly stanovovány moduly tuhosti při teplotách -5, 10, 15, 25 a 40 C kvůli interpretaci výsledků pomocí hlavních křivek. Výsledky měření modulů tuhosti jsou shrnuty do následujících tabulek a grafů. 19

21 Tabulka 5.1: Moduly tuhosti směsí ABS (ACO 11) při 100% míře zhutnění 100% Modul tuhosti při 15 C [MPa] zhutnění Označ. 5 Hz 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz I Optimum - 0,5% ABS 4, Optimum ABS 4, III Optimum - 0,5% ABS 5, Optimum ABS 5, IV Optimum - 0,5% ABS 5, Optimum ABS 6, Tabulka 5.2: Moduly tuhosti směsí typu ABH (ACL 16) při 100% míře zhutnění 100% Modul tuhosti při 15 C [MPa] zhutnění Označ. 5 Hz 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz I optimum - 0,5% ABH 3, optimum ABH 4, III optimum - 0,5% ABH 3, optimum ABH 4, IV optimum - 0,5% ABH 5, optimum ABH 5, Analýza výsledků měření modulů tuhosti Naměřené moduly tuhosti se pro směsi obrusných vrstev ABS (ACO 11) pohybovaly pro 97 % a 100 % míru zhutnění v rozmezí hodnot 5670 MPa až 9222 MPa. Na výsledné hodnoty modulů tuhosti měla vliv zejména míra zhutnění, obsah pojiva a dále pak vedení čáry zrnitosti. Obdobné trendy výsledků byly zjištěny i v případě směsí ABH (ACL 16), které se pohybovaly v rozmezí hodnot 4674 MPa až 9342 MPa. Vliv míry zhutnění Snížení míry zhutnění ze 100 % na 97 % se projevilo největším poklesem naměřených modulů jak u obrusné, tak i u ložní vrstvy. Tento trend je logický, neboť nižší míra zhutnění má za následek menší kontakt mezi zrny zhutněné asfaltové směsi a tedy menší deformační odpor vůči vyvozenému zatížení. Vliv snížení množství pojiva U asfaltové směsi pro obrusné vrstvy ABS (ACO 11) došlo snížením dávkování pojiva o 0,5 % vždy k nárůstu hodnoty modulu tuhosti. Tento trend lze vysvětlit tím, že asfaltové pojivo představuje ve vztahu ke kamenivu měkčí složku ve výsledné směsi. Tento trend se projevil shodně jak u 100 % zhutnění, tak i u zhutnění na 97 %. I když by se zdálo snížení množství pojiva a současné zvýšení modulu tuhosti jako ekonomicky výhodné, vede toto snížení pojiva u obrusných vrstev díky zvýšené mezerovitosti a současně snížené tloušťce asfaltového filmu k podstatnému snížení trvanlivosti a tím i celkové životnosti obrusné vrstvy. 20

22 U asfaltové směsi pro ložní vrstvy ABH (ACL 16) již tento trend nebyl jednoznačný. U směsí nahutněných na 100 % došlo při snížení obsahu pojiva o 0,5 % u 2 směsí ze 3 ke zvýšení modulu tuhosti, u směsí nahutněných na 97 % míry zhutnění došlo naopak u 2 směsí ze 3 k jeho poklesu. V tomto případě se projevila u 100 % zhutnění stejná tendence jako u směsi pro obrusné vrstvy. U směsí nahutněných na 97 % se však snížená míra zhutnění, výchozí větší mezerovitost oproti směsím pro obrusné vrstvy a další pokles mezerovitost snížením obsahu asfaltového pojiva projevily v poklesu modulu tuhosti, čímž převážil vliv mezerovitosti nad vlivem snížení obsahu pojiva. Toto mělo za následek konečné snížení hodnot modulů tuhosti. Vliv čáry zrnitosti Protože při návrhu všech asfaltových směsí byla rozhodující mezerovitost, kterou bylo nutno udržet v úzkém intervalu u směsi ABS (ACO 11) pro obrusné vrstvy v rozmezí 0,5 % a u směsi ABH (ACL 16) pro ložní vrstvy v rozmezí 1 %, bylo u směsí vedených při horním okraji oboru zrnitosti a tedy jemnozrnnějších, které mají nižší mezerovitost směsi kameniva, nutno snížit obsah asfaltového pojiva pro dosažení požadované výsledné mezerovitosti vrstvy. Tyto směsi pak vykazovaly vyšší modul tuhosti. Naopak u směsí vedených při spodním okraji oboru zrnitosti bylo nutno díky větší mezerovitost směsi kameniva pro dosažení výsledné požadované mezerovitosti asfaltové směsi dávkovat vyšší množství asfaltového pojiva. Tyto směsi pak dosahovaly naopak nižších modulů tuhosti Závěr Z výše uvedených výsledků a na základě kategorií uvedených v normě ČSN EN Asfaltový beton pro minimální a maximální hodnoty modulů tuhosti byly odvozeny limitní hodnoty modulů pro obrusné a ložní vrstvy. Při odvození modulů byly směrodatné naměřené hodnoty při 100 % zhutnění. Výběrem minimální hodnoty modulu tuhosti byly vyloučeny směsi s označením IV a to jak u směsí ABS (ACO 11) pro obrusné vrstvy, tak i u směsí ABH (ACL 16) pro ložní vrstvy, u kterých je čára zrnitosti vedena při spodním okraji oboru zrnitosti a které obsahovaly nestandardně vysoké množství pojiva. Jako minimální hodnota modulu tuhosti byla zvolena jak u směsí ABS (ACO 11), tak i směsí ABH (ACL 16) hodnota S min = 7000 MPa. Pro maximální hodnotu modulu tuhosti byla v původním návrhu zvolena hodnota pro ABS (ACO 11) S max = 9000 MPa a ABH (ACL 16 S) S max = MPa. Na základě připomínek k navrženým hodnotám v národní příloze bylo však nakonec dle převažujícího názoru od stanovení horní meze modulu tuhosti upuštěno. 5.2 VYHODNCENÍ ÚNAVOVÝCH CHARAKTERISTIK Únavové charakteristiky asfaltových směsí lze měřit v laboratorních podmínkách a výsledky měření lze využít v návrhové metodě. Existují dvě základní možnosti měření únavových charakteristik: Strain control nastaví se počáteční výchylka nebo přetvoření, které je po dobu celé zkoušky konstantní. V průběhu zkoušky klesá s rostoucím počtem zatěžovacích cyklů budící síla a tím dochází k poklesu modulu tuhosti. Zkouška končí vytvořením únavové trhliny nebo poklesem modulu tuhosti na poloviční hodnotu. Stress control nastaví se stálá amplituda síly, konstantní po celou dobu zkoušky. S rostoucím počtem cyklů roste přetvoření. Zkouška končí vznikem únavové trhliny nebo vzrůstem přetvoření na dvojnásobek počáteční hodnoty. 21

23 Únavová zkouška metodou strain control dle ČSN EN se provádí při teplotě +10 C (s tolerancí ± 0,5 C), a frekvenci 25 Hz. Při měření únavových charakteristik se nastaví zkušební zařízení tak, aby byla dosažena maximální amplituda přetvoření zkušebního tělesa v rozsahu cca 1, až 4, V tomto rozsahu lze očekávat životnost zkušebních těles v rozmezí 10 3 až 10 7 cyklů. Zařízení se uvede v činnost a okamžitě se změří amplituda síly a průhybu. Zkouška probíhá do té doby, než měřená síla klesne na polovinu. Měření je opakováno i u zbývajících zkušebních těles tak, aby byl pokryt rozsah 10 3 až 10 7 zatěžovacích cyklů. Charakteristiky únavy se získají na základě vyhodnocení regresní analýzy. Únavové charakteristiky byly zjišťovány pouze na směsi pro ložní vrstvy ABH (ACL 16), přičemž bylo použito stejných zkušebních těles jako pro měření modulů tuhosti. Rozhodující charakteristikou pro vyhodnocení únavy je parametr ε 6, což je přetvoření, při kterém únava zkušebního tělesa nastane při 10 6 cyklů. Výsledky měření únavových charakteristik jsou shrnuty do následující tabulky a grafů. Tabulka 5.3: Únavové charakteristiky směsí typu ABH (ACL 16) 97 % míra zhutnění 100 % míra zhutnění Směs ε 6 B Směs ε 6 B I ABH 3,5 87, ,61 I ABH 3,5 95, ,70 I ABH 4,0 90, ,53 I ABH 4,0 99, ,59 III ABH 3,9 87, ,55 III ABH 3,9 113, ,03 III ABH 4,4 109, ,72 III ABH 4,4 118, ,31 IV ABH 5,2 - - IV ABH 5,2 125, ,09 IV ABH 5,7 117, ,81 IV ABH 5,7 130, , Analýza výsledků měření únavy Měřená únavová charakteristika ε 6 se u směsí typu ABH (ACL16) pohybovala v rozmezí 87, až 130, a charakteristika B v rozmezí 3,09 až 5,59. Vliv míry zhutnění Jak je patrné z tabulky 5.3, došlo u asfaltových směsí ABH (ACL 16) se sníženou mírou zhutnění na 97 % ke snížení charakteristiky ε 6 přibližně v rozsahu o 8 až 23 %. Trend snížení odolnosti proti únavě způsobený menší hodnotou objemové hmotnosti a tím i soudržnosti asfaltové směsi je shodný jako u poklesu modulu tuhosti. Vliv snížení dávkování pojiva U všech zkoušených asfaltových směsí ABH (ACL 16) došlo snížením dávkování pojiva o 0,5 % vždy k poklesu hodnoty ε 6. V tomto případě se jedná o potvrzení poznatků uváděných v literatuře, kdy směsi s vyšším obsahem asfaltového pojiva vykazují vyšší odolnost proti únavě. U charakteristiky B nebylo možné vypozorovat jednoznačný trend. Vliv vedení čáry zrnitosti a obsahu pojiva ve směsi Porovnáním Wöhlerových diagramů pro směsí I, III a IV je patrné, že s rostoucím obsahem pojiva je patrný posun proložených čar směrem nahoru. 22

24 5.2.2 Závěr Z naměřených výsledků a na základě kategorií uvedených v normě ČSN EN Asfaltový beton pro únavovou charakteristiku ε 6 byla odvozena limitní hodnota tohoto parametru pro ložní vrstvy směsi ABH (ACL 16). Při odvození této hodnoty byla směrodatná měření při 100 % zhutnění. Nastavením této hodnoty na ε 6 = byly vyloučeny směsi s označením I, které jsou vedeny u horní hranice oboru zrnitosti a mají nízký obsah asfaltového pojiva a tedy i nízkou odolnost vůči únavě. 5.3 MĚŘENÍ NÍZKOTEPLOTNÍCH CHARAKTERISTIK V zařízení Cyklon 40, které bylo popsáno v předchozích kapitolách, byly zjišťovány nízkoteplotní vlastnosti směsí typu ABS (ACO 11) a ABH (ACL 16) se 100 % a 97 % mírou zhutnění. Zkoušce nízkoteplotních vlastností bylo podrobeno celkem 77 zkušebních těles, 50 trámečků u směsi typu ABS (ACO 11) a 27 trámečků u směsi typu ABH (ACL 16). U směsi typu ABS (ACO 11) byl navíc sledován vliv teplotního gradientu (rychlosti ochlazování o 10 C za hodinu a 5 C za hodinu). U směsi typu ABH (ACL 16) byla rychlost ochlazování ve zkušebním prostoru pouze 10 C za hodinu Analýza výsledků měření nízkoteplotních charakteristik Směsi ABS (ACO 11) s asfaltovým pojivem 50/70 Teplota při porušení mrazovou trhlinou pro všechna zkoušená tělesa při obou mírách zhutnění a obou teplotních gradientech 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 za hodinu a 5 C za hodinu), pak není patrný žádný větší rozdíl v teplotách při dosažení pevnosti v tahu, rozdíly se pohybují max. do 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). Z výše uvedeného je možné vyvodit závěr, že na sledované nízkoteplotní parametry (max. síla a max. teplota při porušení) neměla změna rychlosti ochlazování (5 a 10 o C/h) téměř žádný vliv. Podstatně větší vliv lze pozorovat u míry zhutnění, kde parametr max. tahové síly jednoznačně vzájemně odlišil jednotlivé směsi, u parametru max. teploty však byly rozdíly minimální. Směsi ABH (ACL 16) s asfaltovým pojivem 50/70 Teplota při porušení mrazovou trhlinou pro všechna zkoušená tělesa při obou mírách zhutnění vycházela stejně jako u směsí ABS (ACO 11) v úzkém intervalu mezi -17,4 C až -20,3 C. 23

25 Maximální síla při dosažení pevnosti v tahu a porušení mrazovou trhlinou u všech zkušebních těles při obou mírách zhutnění vycházela v rozmezí 3,9 kn až 12,4 kn. U směsi ABH (ACL 16) byly síly při dosažení pevnosti v tahu u těles s 97% mírou zhutnění nižší o 9 až 47 % než při 100% zhutnění těles. Vliv čáry zrnitosti na dosažené výsledky u směsí ABS (ACO 11) a ABH (ACL 16) Asfaltové směsi ABS (ACO 11) a ABH (ACL 16) 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, které je spojeno tenkým asfaltovým filmem. Tahovou sílu tak přenášejí z větší části zrna kameniva, což se projeví dosažením vyšší síly na mezi pevnosti při porušení mrazovou trhlinou.. 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 filmem. Tahová trhlina se vytvoří v asfaltovém pojivu (viz obr. 5.2 vpravo) a tahová pevnost je pak nižší. Obr. 5.2: Lomové plochy na zkušebním trámečku Z výše uvedených zkoušek vyplývá, že zkouškou nízkoteplotních vlastností je zapotřebí se dále zabývat než bude možné jednoznačně odvodit konečné závěry a určit parametr, který bude s dostatečnou vypovídací schopností popisovat sledované závislosti.výše uvedené poznatky a závěry lze poskytnout v rámci evropské normalizace při přípravě diskutované normy pro stanovení nízkoteplotních vlastností asfaltových směsí. 6 ZÁVĚR Hlavním cílem habilitační práce bylo odvodit na základě vybraných funkčních zkoušek, které byly provedeny na konkrétních směsích z asfaltového betonu pro obrusné a ložní vrstvy netuhých vozovek, nastavení mezních hodnot funkčních parametrů do 2. národní přílohy normy ČSN EN Asfaltový beton - funkční přístup (1. národní příloha = empirický přístup). Uvedené zkoušky, dosažené výsledky a nastavené požadavky v národní příloze představují první krok k používání funkčních specifikací asfaltových směsí v praxi. Tento způsob specifikace by se měl dle připravované koncepce 2. generace evropských norem v budoucnu stát základním způsobem pro navrhování asfaltových směsí v rámci počátečních zkoušek typu. 24