Nové zkušební metody EU pro silni ní asfalty

Transkript

1 145 Nové zkušební metody EU pro silni ní asfalty Ing. Radek erný a, Ing. Ji í Plitz b, Ing. Daniel Maxa, Ph.D. c a ) VÚAnCh a.s., areál Chemopetrol, Litvínov-Záluží, radek.cerny@vuanch.cz b ) Paramo, a.s., P erovská 560, Pardubice, jiri.plitz@paramo.cz c ) VŠCHT Praha, Ústav technologie ropy a petrochemie, Technická 5, Praha 6, daniel.maxa@vscht.cz Úvod Silni ní asfalt je stavebním materiálem, který hraje významnou roli p i výstavb pozemních komunikací. V porovnání s jinými materiály, nap. cementovým betonem, má nespornou výhodu v širokých možnostech využití v technologiích pro stavbu a údržbu vozovek r zného dopravního zatížení. V asfaltových sm sích (sm si obsahující 5-7 % asfaltu a % kameniva) asfalt funguje jako netuhé pojivo, které je schopno svými viskoelastickými vlastnostmi vyrovnávat nap tí z dopravního a klimatického zatížení a p edcházet vzniku deformací a poruch vozovky. Nebývalý nár st dopravního zatížení vozovek s sebou asto p ináší zvýšené požadavky na vlastnosti asfaltových sm sí v daných klimatických podmínkách. Stoupající nároky na kvalitu a trvanlivost vozovek v USA vedly v 80. a 90. letech 20. století k realizaci rozsáhlého výzkumnému projektu (Strategic Highway Research Program, zkrácen SHRP) [1,2]. Ukázalo se totiž, že stávající empirické kvalitativní parametry asfaltových pojiv málo nebo nep esn vypovídají o jejich viskoelastických vlastnostech. To se projevuje hlavn v p ípad modifikovaných asfalt, v nichž obsažené polymery zásadn m ní pom r mezi viskózní a elastickou složkou deformace asfaltového pojiva. Výsledkem amerického výzkumného u SHRP bylo zavedení zcela nového systému funk ních charakteristik vycházejících z teorie chování viskoelastických látek a založených na komplexních modulech tuhosti, jakož i zavedení nového systému specifikací silni ních asfalt, tzv. Superpave. Bylo prokázáno, že funk ní charakteristiky lépe korelují s kritérii tvorby poruch na vozovce, tj. s hloubkou vyjížd ní kolejí p i zvýšených teplotách a se vznikem trhlin p i nízkých teplotách a p i únav [3]. V Evrop se nové SHRP-metody natolik rozší ily [4,5,6], že výbor pro evropskou normalizaci CEN je p ejal do soustavy evropských norem a zahájil práce na p íprav nové generace specifikace silni ních asfaltových pojiv založené na funk ních charakteristikách. Tato nová funk ní specifikace silni ních asfaltových pojiv by m la být kompromisem mezi dosavadním jednoduchým a praktickým systémem t íd ní a p ezkušování podle EN a novým systémem technicky složit jších a asov i finan n náro ných funk ních charakteristik. Nová evropská specifikace silni ních asfalt Na podzim roku 2005 byl vydán návrh technické zprávy Technical Report TR 15352: Development of performance-related specifications. Tento dokument shrnuje dosavadní vývoj nových funk ních specifikací, tzv. BiTSpec, v Evrop a m l by se stát jejich základem. Navržený systém specifikací je založen na konven ních zkouškách (sou asné normy pro specifikaci silni ních, tvrdých i modifikovaných asfalt tabulka 1) a na nových funk ních charakteristikách (tabulka 2). T i parametry - komplexní modul, viskozita p i nulovém smyku a ekviviskózní teploty p i nízkém oscila ním smyku (tabulka 2) - u originálních pojiv a u pojiv podrobených zkouškám tepelné stálosti se stanovují na dynamickém smykovém reometru (DSR) [2,7], který se tím stává st žejním laboratorním p ístrojem pro budoucí hodnocení silni ních asfalt. 1380

2 Tabulka 1: Specifikace pojiv podle konven ních zkoušek Charakteristika Zkušební metoda Jednotka Deklarovaná (nebo typická) hodnota Originální pojivo RTFOT PAV Nominální rozsah penetrace EN ,1 mm Penetrace p i 25 C EN ,1 mm Bod m knutí EN 1427 C Penetra ní index EN Dynamická viskozita p i 60 C EN Pa.s Kinematická viskozita p i 135 C EN mm 2 /s Bod lámavosti, Fraass EN C Vratná duktilita p i 10 a 25 C EN % Skladovací stabilita EN Odolnost k stárnutí - RTFOT EN Zm na hmotnosti EN % Zbylá penetrace p i 25 C EN 1426 % Zvýšení bodu m knutí EN 1427 C Bod vzplanutí EN ISO 2592 C Rozpustnost EN % Hustota EN ISO Tabulka 2: Funk ní vlastnosti pojiv Charakteristiky Zkušební metoda Jednotka Deklarovaná (nebo typická) hodnota Originální pojivo RTFOT PAV P i zvýšené teplot užití Komplexní modul (DSR) G* a EN kpa/stupn Pro teplotní rozsah C (p i daných frekvencích) Pro rozsah frekvencí 0,1-10 Hz (p i daných teplotách) Nízkoteplotní viskozita (LSV) Ekviviskozní teplota EVT1 p i LSV = 2,0 kpa.s a 0,1 rad/s WI PrEN WI PrEN WI PrEN Ekviviskozní teplota EVT2 p i C LSV = 2,0 kpa.s a 0,001 rad/s Viskozita p i nulovém smyku kpa.s (ZSV), creep mode, 60 C P i st ední teplot užití Komplexní modul (DSR): G* a EN kpa/stupn Pro teplotní rozsah C (p i daných frekvencích) Pro rozsah frekvencí 0,1-10 Hz (p i daných teplotách) P i nízké teplot užití Tuhost p i -16 C EN MPa Pr hybový trám. reometr, teplota p i tuhosti 300 MPa Koheze Silová duktilita p i 5/10 C + celá k ivka Deforma ní energie p i 5/10 C + celá teplotní k ivka Kyvadlo Vialit: maximum + celá teplotní k ivka C EN C EN EN J/cm EN EN J/cm EN J/cm

3 Z komplexních modul tuhosti G* a fázových úhl nam ených na dynamickém smykovém reometru (DSR) se odvozuje p edevším parametr horní kritické teploty (HKT), který se používá pro p edpov poruch asfaltového krytu vozovky v podob vzniku trvalých deformací. Uvažuje se, že k zvýšenému vyjížd ní kolejí m že docházet p i hodnot G*/sin 1 kpa u originálního pojiva. HKT se ur í m ením parametr G* a p i n kolika teplotách a interpolací na hodnotu G*/sin = 1 kpa. Pro odhad HKT zvažuje CEN/TC336 ješt další parametry, které v americkém u SHRP nebyly. Jsou mezi nimi i pomocí DSR stanovované ekviviskózní teploty (EVT) stanovené za ur itých podmínek m ení, p i emž pro posouzení vzniku plastických deformací je zajímavá oblast viskozit 0,8 až 5 kpa.s, jako kritická byla stanovena viskozita 2 kpa.s. Ur ují se tedy teploty ekvivalentní kritické viskozit 2 kpa.s p i dvou frekvencích, nejprve p i = 0,1 rad/s (EVT1), potom p i = 0,001 rad/s (EVT2), která je zpravidla o n kolik C vyšší. P i oscila ním dynamickém namáhání závisí zdánlivá viskozita na frekvenci zat žování, p i snižujících se frekvencích a tedy nízkém smykovém nap tí se zdánlivá viskozita (low shear viscosity, LSV) p ibližuje hodnot ZSV. Nejvyšší viskozitu dosahují pojiva p i tzv. nulovém smyku (zero shear viscosity, ZSV), který se navodí nikoliv p i oscila ním dynamickém namáhání, nýbrž p i tzv. pomalém toku. ZSV je zdánlivá dynamická viskozita ur ená extrapolací z hodnot nam ených p i malých konstantních smykových nap tích. ZSV se stanovuje p i teplot 60 C. Velká pozornost se v nuje také další metod, a to stanovení modulu tuhosti za ohybu pomocí pr hybového tráme kového reometru (BBR) [2,8], kterou se ur ují viskoelastické vlastnosti p i nízkých teplotách provozu v okolí dolní kritické teploty (DKT), za které dochází k vzniku nízkoteplotních trhlin. Jediná dosud používaná charakteristika bod lámavosti podle Fraasse je kritizována z d vodu nedostate né p esnosti zkoušky samotné i v návaznosti na nízkoteplotní charakteristiky asfaltových sm sí. Pro p edpov vzniku trhlin za nízkých teplot proto p evzala CEN/TC336 z amerického u SHRP modul tuhosti S v tahu za ohybu na BBR, nikoliv však tzv. m-hodnotu vyjad ující sm rnici logaritmické závislosti tohoto modulu tuhosti na teplot, a tím rychlost jeho vzr stu. Vznik trhlin je kritický u asfaltových pojiv jakmile modul tuhosti S p ekro í hodnotu 300 MPa. Teplota, p i níž se tak stane, je považována za dolní kritickou teplotu (DKT) a ur í se m ením tuhosti S p i pr hybu tráme ku pojiva p i n kolika teplotách a interpolací hodnot S. Pro rozlišení klasických a polymerem modifikovaných pojiv se v Evrop zavedly další t i zkoušky stanovení koheze, z nichž dv silová duktilita a koheze kyvadlem se staly sou ástí již dnes platných specifikací pro modifikované asfalty a asfaltové emulze. Z hlediska trvanlivosti asfaltových sm sí jsou d ležité nejen vlastnosti p vodních (originálních) asfalt ve stadiu, kdy opoušt jí rafinerii, ale také vlastnosti po tepelném a oxidativním namáhání, ke kterému dochází p i manipulaci, výrob, pokládce a dob životnosti asfaltových sm sí. Tato trvanlivost, nebo-li stálost kvality pojiv, se posuzuje jednak p i krátkodobé zkoušce v otá ející se tenké vrstv (RTFOT), jednak p i dlouhodobé zkoušce v tlakové nádob (PAV). Zkouška RTFOT napodobuje stárnutí pojiva p i obalování kameniva na obalovn, zkouška PAV má nep ímo napodobovat stárnutí v provozních podmínkách po ur ité, ale blíže nespecifikované (cca 5-10 let), dob provozu. Experimentální ást Zkušenosti s novými viskoelastickými charakteristikami v tuzemsku byly omezené. V pr b hu roku 2006 byly zavedeny nové zkoušky podle evropské normalizace (DSR, BBR a další) a zhodnocena asfaltová pojiva používaná v eské republice. Krom stávajících normovaných konven ních zkoušek bylo na DSR provedeno stanovení horních kritických 1382

4 teplot (HKT), viskozity p i nulovém smyku (ZSV) a ekviviskózních teplot (EVT); a na BBR byly stanoveny dolní kritické teploty (DKT). Byly zajišt ny vzorky pojiv od tuzemských výrobc ( eská rafinerská a.s. - er, Paramo a.s. Pardubice - PA) v etn r zných výrobních variant, technologií a surovinových komponent, dále vzorky nemodifikovaných asfalt 50/70 a modifikovaných s obdobnou penetrací od t ech zahrani ních firem. Po et vzork i rozsah zkoušek byly velmi široké. Zkoušelo se celkem 28 silni ních pojiv. Krom již uvedených zkoušek byla stanovována ada dalších parametr (nap. složení, koheze, tepelné stálosti, atd.), které ale nejsou p edm tem tohoto lánku. Výsledky a diskuse Asfalty z eských rafinérií jsou v mnoha ohledech specifické, protože jsou vyráb né z destila ních zbytk z ruské ropovodní ropy, a to v p evážné v tšin procesem polofoukání. Z hlediska nových reologických metod hodnocení nebyly dosud dob e zmapované. V tabulce 3 jsou u vybraných vzork nemodifikovaných asfalt uvedeny výsledky stanovení parametr na dynamickém smykovém reometru (DSR) a pr hybovém tráme kovém reometru (BBR). Tabulka 3: Vybrané vlastnosti nemodifikovaných pojiv Vzorek Druh asfaltu 50/70 50/70 50/70 70/100 70/ /220 Výrobce* er PA cizí 2 er PA er Penetrace/25 C [p.j.] 63, , Bod m knutí (KK) [ C] 48,6 49,7 49,2 45,9 45,3 38,0 Bod lámavosti (BL) [ C] Rozdíl KK-BL [ C] 57,6 63,7 58,2 56,9 59,3 53,0 M ení na DSR HKT (SHRP) [ C] 67,6 69,5 69,2 64,1 63,6 55,5 HKT - KK [ C] 19,0 19,8 20,0 18,2 18,3 17,5 ZSV/60 C [kpa.s] 0,37 0,45 0,39 0,23 0,20 0,05 LSV, EVT1 [ C] 49,1 50,3 49,5 45,6 45,4 37,1 LSV, EVT2 [ C] 50,4 51,6 50,8 47,1 46,1 37,3 M ení na BBR DKT (SHRP) [ C] -21,6-24,1-19,7-23,7-24,4-20,2 BL - DKT [ C] 12,6 10,1 10,7 12,7 10,4 5,2 Rozdíl HKT-DKT [ C] 89,2 93,6 88,9 87,8 88,0 75,7 *) er = eská rafinérská a.s. PA = Paramo a.s. Pardubice U b žných nemodifikovaných asfalt závisí horní kritická teplota (HKT) na gradaci (tvrdosti) asfaltu a klesá s klesajícím bodem m knutí, a to z hodnot okolo 68 C pro asfalty gradace 50/70 až na hodnotu 55,5 C u asfaltu typu 160/220. Rozdíl mezi HKT a bodem m knutí (HKT-KK) se pohybuje v rozmezí 17,5 až 20 C ve prosp ch HKT, která p esn ji ur uje teplotu, p i které bude u asfaltové sm si docházet k vyjížd ní kolejí. Viskozita p i nulovém smyku (ZSV - zdánlivá viskozita) stanovená p i 60 C op t závisí na gradaci asfaltu a klesá s klesajícím bodem m knutí. P i stanovování ekviviskózních teplot EVT1 (frekvence 0,1 rad/s) a EVT2 (frekvence 0,001 rad/s) za podmínek nízkého smyku (LSV) se hledají teploty p i nichž má pojivo viskozitu 2 kpa.s. Ob nalezené ekviviskózní teploty leží ve všech p ípadech velmi blízko stanoveným bod m m knutí. 1383

5 M ením tuhosti v tahu za ohybu na BBR byly stanoveny dolní kritické teploty (DKT) p i kritické hodnot tuhosti S = 300 MPa, které leží v rozmezí teplot -19,5 až -24,5 C. Hodnota DKT by se m la podle p edpoklad snižovat s klesající gradací asfaltu, ale k tomu nedošlo. Naopak, nejm k í asfalt typu 160/220 má nejvyšší hodnotu DKT (-20,2 C). Nam ené hodnoty DKT nijak nekorelovaly s hodnotami bodu lámavosti. Jedním z klasických parametr hodnocení kvality asfalt je oblast plasticity, která je dána rozdílem bodu m knutí a bodu lámavosti (v tabulce 3 Rozdíl KK-BL). Podobným, a vzhledem k nep esnosti stanovení bodu lámavosti, mnohem vhodn jším parametrem by mohl být rozdíl kritických teplot (Rozdíl HKT-DKT). Tento rozdíl vychází op t nejlépe pro asfalty typu 50/70. Výsledky stanovení parametr na DSR a BBR u vybraných vzork speciálních a modifikovaných asfalt jsou uvedeny v tabulce 4. Tabulka 4: Vybrané vlastnosti speciálních a modifikovaných pojiv Vzorek Druh asfaltu AP-25 VMT Mofalt SMA 25 Mofalt 45E PMB PMB Mofalt SMA DM Výrobce PA PA PA PA cizí 1 cizí 3 PA Penetrace/25 C [p.j.] Bod m knutí (KK) [ C] 62,1 59,5 78,5 64,6 52,1 62,1 84,9 Bod lámavosti (BL) [ C] Rozdíl KK-BL [ C] 69,1 69,5 87,5 75,6 66,1 76,1 99,9 M ení na DSR HKT (SHRP) [ C] 87,5 81,3 99,6 84,7 71,1 81,4 82,1 HKT - KK [ C] 25,4 21,8 21,1 20,1 19,0 19,3-2,8 ZSV/60 C [kpa.s] 4,68 3,32 69,23 8,26 0,80 3,54 12,56 LSV, EVT1 [ C] 65,3 62,3 79,4 66,1 52,5 60,4 54,2 LSV, EVT2 [ C] 66,2 64,1 82,7 70,1 55,6 64,4 58,5 M ení na BBR DKT (SHRP) [ C] -20,5-22,8-22,1-23,8-24,5-26,0-20,5 BL - DKT [ C] 13,5 12,8 13,1 12,8 10,5 12,0 5,5 Rozdíl HKT-DKT [ C] 108,0 104,1 121,7 108,5 95,6 107,4 102,6 Hodnocení modifikovaných asfalt je složit jší než v p ípad nemodifikovaných asfalt, protože modifikátor (polymer) se p idává za ú elem vylepšení práv viskoelastických vlastností. V úvahu se zde musí brát nejen typ modifikátoru, ale také jeho obsah, úrove dispergace, atd. V tabulce 4 jsou první dva vzorky (AP-25 a VMT) speciální druhy asfalt vyrobené z polofoukaných asfalt p ísadou komponent ropného p vodu. Oproti nemodifikovaným asfalt m uvedeným v p edcházející tabulce 3 vykazují zlepšené vlastnosti na DSR (HKT, ZSV, EVT) p i zachování obdobných nízkoteplotních vlastností stanovených pomocí BBR (DKT). Rozdíly mezi bodem m knutí a ekviviskózními teplotami jsou u speciálních asfalt vyšší (3 až 4,5 C), než je tomu u nemodifikovaných asfalt. Další dva modifikované asfalty Mofalt SMA 25 a Mofalt 45E vykazují p i obdobných hodnotách penetrace další zlepšení, a to p edevším u HKT. Znatelný je také nár st ZSV. Zbylé t i vzorky s penetrací v rozmezí 66 až 79 penetra ních jednotek mají podle hodnot bodu m knutí a HKT r znou úrove a druh modifikace. U vzorku Mofalt SMA DM je hodnota bodu m knutí nadhodnocena, jak ukazuje rozdíl HKT-KK (-2,8 C). 1384

6 Kritické hodnoty tuhosti S = 300 MPa (DKT) vzorky speciálních a modifikovaných asfalt dosahovaly v rozmezí teplot -20,5 až -26 C a tyto hodnoty op t nekorelovaly s nam enými hodnotami bodu lámavosti. P i porovnání klasické oblasti plasticity (KK-BL) a rozdílu HKT-DKT vyniknul zejména MOFALT SMA 25 se 121,7 C a nikoliv nejvýše modifikovaný a m kký MOFALT SMA DM (102,6 C) s nejv tším rozsahem klasické oblasti plasticity. Vzájemné porovnání viskoelastických vlastností nemodifikovaných a modifikovaných asfaltových pojiv, a p edevším rozdíl HKT-DKT, up ednost uje tvrdší a modifikované druhy asfalt. Záv r Byly zavedeny nové funk ní zkoušky viskoelasických vlastností asfalt. Stanovily se vlastnosti tuzemských i zahrani ních asfaltových pojiv podle p ipravované evropské specifikace. Ukázalo se, že tuzemské asfalty vykazují podobné vlastnosti jako konkuren ní zahrani ní výrobky. Modifikovaná pojiva mají v porovnání s nemodifikovanými asfalty lepší viskoelastické vlastnosti. U nemodifikovaných asfalt je horní kritická teplota závislá na gradaci asfaltu (bodu m knutí), zatímco u modifikovaných asfalt tomu tak není. Horní kritické teploty stanovené pomocí DSR jsou o 17,5 až 25,5 C vyšší než teplota bodu m knutí; ekviviskózní teploty m ené p i nízkém smyku se pohybují v blízkosti bodu m knutí. V p ípad nízkoteplotních vlastností nebyla nalezena korelace mezi bodem lámavosti a dolní kritickou teplotou stanovenou na BBR. Pod kování Práce byla realizována za podpory Ministerstva pr myslu a obchodu eské republiky v rámci projektu FI-IM3/105. Literatura 1. D'Angelo, J.A.: Understanding the superpave performance related binder specification and how it has performed in the real world, 40th International Petroleum Conference, Bratislava, Asphalt Institute: Superpave series No. 1, Carswell, J.; Green, P.J.: Prediction of rutting resistance in hot rolled asphalt using rheological parameters, 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress, Barcelona, Thau M.: The SHRP Superpave System the European Perspective, Litzka,J.;Strobl,R.;Pass,F.;Augustin,H.: Experiences with Performance Related Binder Tests in Austria: The Connection of Standard Tests and SHRP Tests, 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress, Barcelona, Planche, J.P.; Le Hir, Z.M.; Anderson, D.A.: Nová specifikace pojiv dle superpave, aplikace na hodnocení modifikovaných pojiv, Konference Asfaltové vozovky 2003, eské Bud jovice, Hagner, T.: Unterschung und Bewertung von bitumenhaltigen Bindermitteln f r Asphalt mittels Dynamischem Scher-Reometer, Bitumen, 8. Kreide, M.: Nové reologické zkoušky asfaltových pojiv, Konference Asfaltové vozovky 2003, eské Bud jovice,