NOVÉ TRENDY PŘI ÚDRŽBĚ VOZOVEK

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV POZEMNÍCH KOMUNIKACÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF ROAD STRUCTURES NOVÉ TRENDY PŘI ÚDRŽBĚ VOZOVEK DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. ILJA BŘEZINA Ing. PETR HÝZL, Ph.D. BRNO 2013

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště N3607 Stavební inženýrství Navazující magisterský studijní program s prezenční formou studia 3607T009 Konstrukce a dopravní stavby Ústav pozemních komunikací ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Diplomant Bc. ILJA BŘEZINA Název Vedoucí diplomové práce Datum zadání diplomové práce Datum odevzdání diplomové práce V Brně dne Nové trendy při údržbě vozovek Ing. Petr Hýzl, Ph.D doc. Dr. Ing. Michal Varaus Vedoucí ústavu prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Děkan Fakulty stavební VUT

3 Podklady a literatura Technické podmínky MD č. 82 Katalog poruch netuhých vozovek Technické podmínky MD č. 87 Navrhování údržby a oprav netuhých vozovek Firemní materiály a internetové zdroje k dané problematice Sborníky s konferencí Asfaltové vozovky Zásady pro vypracování Diplomová práce je zaměřena na problematiku nových trendů při údržbě vozovek. Pozornost bude věnována především novým možnostem při opravách výtluků na silniční síti, kdy diplomant bude spolupracovat na vývoji nového zařízení pro nahřívání výtlukem poškozené plochy vozovky s cílem vysledovat optimální čas a výkon nového zařízení. Předepsané přílohy... Ing. Petr Hýzl, Ph.D. Vedoucí diplomové práce

4 Abstrakt Diplomová práce je zaměřena na problematiku nových trendů při běžné údržbě asfaltových vozovek. Pozornost bude věnována především nové možnosti při opravách výtluků a trhlin na síti pozemních komunikací. V rámci diplomové práce probíhala spolupráce na vývoji nového zařízení pro mikrovlnný ohřev opravovaných asfaltových vozovek s cílem vysledovat optimální čas a výkon zařízení. Zjištěné výsledky byly konzultovány s výrobcem zařízení za účelem uplatnění nové technologie pro nahřívání výtluky a trhlinami poškozené plochy vozovky v běžné praxi. Klíčová slova Netuhá vozovka, běžná údržba, výtluk, trhliny, mikrovlnné záření, vysprávky, utěsnění trhlin Abstract The diploma thesis is dealing with the topic of new trends in asphalt road routine maintenance with a focus on new possibilities to repair damaged road surface, especially potholes and cracks. In the diploma thesis, a new advice which uses microwave heating in resurfacing asphalt roads was developed with the aim to observe its effectiveness and the optimal repair time. The obtained results were consulted with the producer of the equipment in order to utilize this new technology for repairing potholes and cracks on asphalt road surface in standard practice. Keywords Flexible pavement, routine maintenance, pothole, cracks, microwave radiation, patching, cracks sealing

5 Bibliografická citace VŠKP BŘEZINA, Ilja. Nové trendy při údržbě vozovek. Brno, s., 21 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemních komunikací. Vedoucí práce Ing. Petr Hýzl, Ph.D..

6 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně, a že jsem uvedl všechny použité informační zdroje v Brně dne Ilja Březina

7 Poděkování: Vypracování této diplomové práce a její úspěšné obhájení, stejně jako celkové ukončení studia, je pro mě důležitým milníkem. Zároveň si však uvědomuji, že pravé životní cíle se skrývají za úplně jinými hodnotami. Za krásné roky, které jsem mohl strávit na vysoké škole, děkuji své rodině. Jsem si vědom toho, že bez nich bych to nedokázal. Katce děkuji za oporu, pevné nervy a trpělivost, kterou se mnou musela často mít. Děkuji také přátelům ze silniční laboratoře ústavu pozemních komunikací VUT-FAST Brno. Petrovi Hýzlovi za ochotu, vstřícnost a vedení diplomové práce. Pavlovi Strakovi za technickou pomoc během laboratorních prací a Ondrovi Daškovi za půjčování termokamery.

8 OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM GRAFŮ ÚVOD CÍL PRÁCE STAV DOPRAVNÍ INFRASTRUKTURY V ČR Stav povrchu vozovek silnic II. a III. třídy v Jihomoravském kraji PORUCHY NETUHÝCH VOZOVEK Mechanismy porušování vozovek Ztráta hmoty Trhliny Deformace vozovky Jiné poruchy BĚŽNÁ ÚDRŽBA NETUHÝCH VOZOVEK Návrh běžné údržby dle platných předpisů Postřiky, nátěry a těsnění trhlin Vysprávky krytu vozovky Časté Provádění běžné údržby netuhých vozovek v ČR TECHNOLOGIE ITHR VYSPRÁVKY ASFALTOVÝCH KRYTŮ INFRAČERVENÝM OHŘEVEM S VYUŽITÍM ASFALTOVÉHO R-MATERIÁLU Technologický postup Praktická ukázka realizace běžné údržby technologí ITHR TECHNOLOGIE PRO MIKROVLNNÝ OHŘEV OPRAVOVANÝCH ASFALTOVÝCH VOZOVEK Úvod do mikrovlnné problematiky Co jsou mikrovlny Elektromagnetické vlnění a jeho základní vlastnosti Historie objevu mikrovln Jak funguje mikrovlnná trouba Jak vzniká mikrovlnný ohřev Jsou mikrovlny zdraví škodlivé? Zajímavé aplikace mikrovlnných zařízení Využití mikrovln ve sklářství Využití mikrovln při sušení archiválií Ústav pozemních komunikací 8 VUT-FAST Brno, 2013

9 7.3. Dosavadní stav techniky Podstata technického řešení Příklad provedení technického řešení Zařízení RAAR Zařízení RAAR "2" PRAKTICKÉ VYHODNOCENÍ LABORATORNÍCH ZKOUŠEK SE ZAŘÍZENÍM PRO MIKROVLNNÝ OHŘEV OPRAVOVANÝCH ASFALTOVÝCH VOZOVEK Zařízení RAAR Zařízení RAAR ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK SEZNAM PŘÍLOH PŘÍLOHY Ústav pozemních komunikací 9 VUT-FAST Brno, 2013

10 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Silnice III/35112 u obce Okřešice na Třebíčsku Obrázek 2: Obvyklý způsob odstraňování poruch Obrázek 3: Výtluk Obrázek 4: Výtluk a Brita Obrázek 5: Vozovka před obcí Ostrov u Macochy Obrázek 6: Hrboly a ztráta makrotextury použitím tryskové metody; silnice II/385 u Tišnova Obrázek 7: Běžná údržba silnice II/385 před obcí Hradčany Obrázek 8: Běžná údržba silnice II/385 před obcí Hradčany Obrázek 9: Běžná údržba silnice II/385 před obcí Hradčany Obrázek 10: Běžná údržba silnice II/385 před obcí Hradčany Obrázek 11: Stroj Silkot při nahřívání výtluku Obrázek 12: Infrazářiče Obrázek 13: Zařízení Silkot Obrázek 14: Silkot Obrázek 15: Postup opravy výtluku pomocí technologie ITHR Obrázek 16: Vyvíjení bílého kouře Obrázek 17: Zapálení asfaltové směsi Obrázek 18: Stav opravené poruchy po 1 roce Obrázek 19: Aparatura Heinricha Hertze Obrázek 20: Elektromagnetické spektrum Obrázek 21: Schéma mikrovlnné trouby Obrázek 22: Mikrovlnná sklářská pec Obrázek 23: Mikrovlnná kontinuální sušička Obrázek 24: Schéma zařízení pro mikrovlnný ohřev opravovaných asfaltových vozovek.. 52 Obrázek 25: Zařízení RAAR Obrázek 26: Termokamera Fluke Ti Obrázek 27: Sada zkušebních desek Obrázek 28: Schéma vozovky ze zkušebních desek Obrázek 29: Konstrukce vozovky složená ze zkušebních desek Obrázek 30: Zařízení RAAR 1 na konstrukci tloušťky 220 mm s absorbérem mikrovln Obrázek 31: Zařízení RAAR Obrázek 32: Ohraničená plocha ohřátého povrchu (cca 20 cm) Obrázek 33: Zlomená deska Obrázek 34: Deska po opravě Ústav pozemních komunikací 10 VUT-FAST Brno, 2013

11 SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Vývoj průměrných intenzit dopravy a dopravních výkonů Tabulka 2: Klasifikace poruch pro návrhovou úroveň porušení D Tabulka 3: Schématické znázornění vrstev, poruch a jejich údržby a oprav Tabulka 4: Klasifikační zatřídění rozsahu skupin poruch vozovek v závislosti na návrhové úrovni porušení Tabulka 5: Přehled poruch, příslušných technologií běžné údržby a technologických postupů Tabulka 6: Technická data RAAR Tabulka 7: Parametry zkušebních desek Tabulka 8: Teplotní údaje o zkouškách s RAAR Tabulka 9: Teplotní údaje o zkouškách s RAAR Tabulka 10: Teplotní údaje o zkouškách s RAAR Tabulka 11: Teplotní údaje o zkouškách s RAAR SEZNAM GRAFŮ Graf 1: Délky pozemních komunikací v ČR (stav k ) Graf 2: Délky pozemních komunikací v Jmk (stav k ) Graf 3: Stav povrchu vozovek silnic II. a III. tř. v Jmk (stav v roce 2011) Graf 4: Vývoj klasifikace stavu povrchu silnic II. a III. třídy v Jmk Graf 5: Závislost max. teplota povrchu čas Graf 6: Závislost max. teplota hloubka Graf 7: Závislost max. teplota povrchu čas Graf 8: Závislost max. teplota hloubka Graf 9: Závislost průměrná teplota povrchu čas Graf 10: Závislost min. teplota povrchu čas Ústav pozemních komunikací 11 VUT-FAST Brno, 2013

12 1. ÚVOD Doprava je jedna ze základních podmínek pro bezproblémové fungování ekonomiky státu. Dopravní investice podporující ekonomický rozvoj tak mohou rozšířit trh práce, trh zboží a služeb, zpřístupnit území, zvýšit image a důvěryhodnost regionu či celého státu. Velká část přepravy osob a zboží v naší republice je uskutečňována na síti pozemních komunikací, která čítá téměř 56 tisíc kilometrů. Silniční doprava je tak nejvyužívanějším a nejoblíbenějším druhem dopravy. Vzhledem ke stále vzrůstající intenzitě dopravy jsou na silniční a dálniční síť kladeny stále vyšší požadavky. Z hlediska kvality a životnosti vozovky je třeba velmi důkladně sledovat i kvalitu údržby a oprav komunikací. Prudký rozvoj silniční dopravy stále zvyšuje požadavky na hodnotný stav silnic a dálnic. Kvalitní stav komunikací je základní podmínkou pro zajištění bezpečné, plynulé, hospodárné, dostatečně rychlé a komfortní jízdy všech silničních vozidel. Mezi rozhodující vlivy, které významně ovlivňují životnost vozovky, patří dopravní zatížení. Intenzita dopravy se po roce 1989 a následně se vstupem do Evropské unie a Schengenského prostoru výrazně zvýšila. Celostátní sčítání dopravy v roce 2010 naznačilo, že tento trend na některých úsecích stále pokračuje. I přes ekonomickou krizi, která může vyvolat krátkodobou stagnaci či pokles intenzit dopravy, se i nadále očekává další růst. Kromě zvýšení intenzit osobní dopravy neustále dochází k velkému zvyšování objemu přepravy zboží a materiálů a nárůstu nákladní vnitrostátní či mezinárodní dopravy. S tím je úzce spjaté zvýšení tranzitní dopravy především ve směru Německo - Maďarsko a Polsko - Rakousko. Dalším důležitým faktorem pro delší životnost vozovky je jakost a profesionalita provedených prací při údržbě a opravách komunikací. Údržba a opravy poničených komunikací byly v minulosti zanedbávány. Minimum investovaných finančních prostředků do těchto činností tak způsobilo, že místo kvalitní sítě pozemních komunikací, která odpovídá vyspělým ekonomikám, se v naší republice můžeme setkat spíše s tankodromy, mnohdy v havarijním stavu, které jsou noční můrou všech motoristů. I v současnosti jsou údržba a opravy poničených úseků většinou dlouhodobě zanedbávány. Plánování údržby a oprav je nekoncepční. Sledování stavu pozemních komunikací se zanedbává a správce komunikace tudíž nedisponuje potřebnými informacemi o stavu vozovek, které by měly včas rozhodnout o vybrání úseků k realizaci údržby a oprav. Přitom je velmi nutné pravidelně sledovat stav pozemních komunikací, provádět diagnostický průzkum, uplatnit systém hospodaření s vozovkou a v případě potřeby okamžitě navázat na údržbu nebo opravu. Je tedy možné efektivně zlepšit současný neutěšený stav silniční a dálniční sítě České republiky? Restriktivní opatření ze strany vlády z důvodu špatných ekonomických podmínek mají za příčinu nedostatek finančních prostředků nejen pro stavbu nových silničních a dálničních úseků, ale také pro souvislejší opravy stávajících komunikací. Šetří se i na běžné údržbě, která je důležitou součástí pro zajištění bezpečnosti silničního provozu. Přitom právě tato činnost může zachránit nemalé finanční prostředky. Pokud totiž není běžná údržba provádějící se z důvodu zabránění zhoršování stavu povrchu vozovek nasazena včas, hrozí v budoucnu riziko nutnosti provedení náročnější souvislé údržby nebo opravy, popřípadě snížení bezpečnosti silničního provozu. Mnozí vlastníci a správci komunikací se ale nejspíš neuvědomují, že za každou ušetřenou korunu budou muset v budoucnu mnohokrát více zaplatit. To se v konečné fázi promítne i v peněženkách Ústav pozemních komunikací 12 VUT-FAST Brno, 2013

13 daňových poplatníků. Proto je nutné nešetřit na běžné údržbě vozovek a nečekat až do doby, kdy už bude na tuto aktivitu pozdě a bude nutné nasadit sofistikovanější a zároveň dražší způsob k odstranění poruch povrchu vozovky. Běžná údržba se pro úspory nákladů často provádí nesprávnými technologickými postupy při použití materiálů s krátkou životností, v horším případě se běžná údržba neprovádí vůbec. Hlavně na silnicích nižších tříd se např. výtluky před výspravou nijak neošetřují, dostatečně nehutní, používá se méně kvalitní materiál, atd., což vede k nutnosti provedení takto nedůsledně provedených výsprav opětovně v brzké době. Druhým extrémem je neefektivní provádění výsprav výtluků na rozsáhlejší ploše komunikace, kdy by bylo daleko vhodnější použít souvislou údržbu nebo opravu. Tento postup pak platí obecně. Při dosažení vyšší četnosti poruch je vhodné provést údržbu nebo opravu na souvislé ploše. To se bohužel často neděje a přípustné procento porušené plochy komunikace pro nasazení technologií běžné údržby je značně překračováno. Ukázku provádění běžné údržby v ČR dokumentuje obrázek 1. Dá se ještě hovořit o vozovce? Obrázek 1: silnice III/35112 u obce Okřešice na Třebíčsku Velký problém při opravách výtluků nastává v zimním období, kdy není možné za normálních podmínek používat asfaltovou směs za horka. Pro vysprávky výtluků v krytech vozovek se za nízkých teplot používá studená asfaltová směs. Tato technologie je však pouze dočasným neekonomickým řešením, neboť její životnost je velmi krátká. Novou dimenzi v opravách výtluků asfaltových vozovek v zimním období přinášejí stroje s možností ohřevu vozovky v místě poruchy. Tato tepelná úprava pomocí sálavého tepla z panelu využívajícího infračervené spektrum záření umožňuje i při teplotách do -10 C používat teplou směs. Používá se upravený recyklát, který vzniká při frézování povrchů asfaltových vozovek. Ústav pozemních komunikací 13 VUT-FAST Brno, 2013

14 Možnou alternativou k této technologii je absolutní novinka ve vysprávce výtluků a trhlin. Jde o zařízení využívající k ohřevu vozovky mikrovlnné záření, které proniká do hloubky konstrukce komunikace a nenahřívá tak pouze povrch vozovky. Možnosti zda a za jakých podmínek je možno tuto novou technologii provádět v běžné praxi, bude předmětem zkoumání diplomové práce. Obě výše zmíněné technologie běžné údržby vozovek lze samozřejmě používat i v letním období, kdy se díky těmto pracovním postupům zvyšuje kvalita oprav oproti běžně používaným technologiím z důvodu lepšího napojení vrstev dodávaného materiálu a poškozeného povrchu vozovky. Ústav pozemních komunikací 14 VUT-FAST Brno, 2013

15 2. CÍL PRÁCE Běžná údržba vozovek pozemních komunikací se provádí z důvodu zabránění zhoršování stavu povrchu komunikací. Slouží také pro zajištění bezpečnosti silničního provozu. Pro jeho dlouhodobé zaručení je proto nutné vyvinout nové technologie pro opravu výtluků s delší trvanlivostí a možností provádění i v zimním období. Záměrem diplomové práce je poukázat na možnost využití konkrétního technologického postupu aplikovaného při běžné údržbě netuhých vozovek, která jde ruku v ruce s nižšími náklady na tuto činnost. Pomocí zařízení pracujícího na základě mikrovlnného záření a ohřevu asfaltových směsí bude v rámci laboratorních prací zkoumáno, zda tato nová technologie funguje na základě teoretických předpokladů a je schopna uspět v procesu běžné údržby s cílem zkvalitnění výsprav nejen v zimním období. Zjištěné výsledky budou konzultovány s výrobcem zařízení za účelem optimalizace těchto výsledků. Vyvinuté zařízení bude následně sloužit ke zkonstruování skutečného stroje, který by se již měl podílet na výspravách konkrétních poruch. Využití se předpokládá především na silnicích nižších tříd a místních komunikacích. Možným přínosem práce je aktivní spolupráce na výzkumu a vývoji nové technologie běžné údržby asfaltových vozovek. Ústav pozemních komunikací 15 VUT-FAST Brno, 2013

16 3. STAV DOPRAVNÍ INFRASTRUKTURY V ČR Na území České republiky bylo ke dni v provozu celkem 55742,0 km pozemních komunikací. Konkrétně 745,1 km dálnic, 427,0 km rychlostních komunikací, 5827,1 km silnic I. třídy, ,2 km silnic II. třídy a ,6 km silnic III. třídy. Délky místních komunikací nejsou celostátně evidovány (informace převzaty z [20]). Graf 1: Délky pozemních komunikací v ČR [20] celkem ,0 km (stav k ) silnice II. třídy 14626,2 km ~ 26 % silnice III. třídy 34116,6 km ~ 61 % dálnice 745,1 km ~ 1% silnice I. třídy 5827,1 km ~ 11 % rychlostní komunikace 427,0 km ~ 1 % Dálnice, rychlostní komunikace a ostatní silnice I. třídy jsou ve vlastnictví státu (12,4% délky, 22,2 % plochy pozemních komunikací), silnice II. a III. třídy ve vlastnictví krajů (87,6 % délky, resp. 77,8 % plochy pozemních komunikací), místní komunikace jsou ve vlastnictví obcí. Vlastníci pozemních komunikací jsou ve smyslu ustanovení silničního zákona odpovědní zajistit péči vlastníka pozemní komunikace v podrobnostech stanovených jeho prováděcí vyhláškou. Mezi tyto povinnosti patří zajištění evidence pozemních komunikací, prohlídek komunikací a jejich mostů a zejména zajištění údržby a oprav komunikací i jejich mostů. [24] V důsledku dlouhodobého nedostatku finančních prostředků na provádění údržby a opravy pozemních komunikací je stavební stav jejich vozovek poměrně špatný. U komunikací ve vlastnictví státu bylo prováděno pravidelné zjišťování stavu povrchových vlastnictví pomocí měřících vozů. Tato činnost byla však v posledních letech omezena a je žádoucí ji urychleně obnovit. Návazně na to je žádoucí aktualizovat u komunikací ve vlastnictví státu systém hospodaření s vozovkou a plně jej používat. Podle výsledku měření proměnných parametrů provedených na komunikacích ve vlastnictví státu bylo zjištěno, že z hlediska protismykových vlastností nevyhovuje 23,1 % změřených úseku dálnic, 20,6 % rychlostních komunikací a 9,3 % ostatních silnic I. třídy. Z provedených měření únosnosti bylo zjištěno, že svou únosností nevyhovuje 47,7 % změřených úseku silnic I. třídy. Ještě horší situace ve stavebním stavu vozovek je u silnic ve vlastnictví krajů, přičemž se projevují poměrně výrazné rozdíly mezi kraji s ohledem na jejich rozdílný přístup k zajišťování údržby a oprav silnic a zejména k zajištění jejich financování. U některých krajů dochází bez ohledu na zhoršující se stav silnic k poklesu finančních prostředků vydávaných na údržbu a opravy silnic. I zde by bylo potřebné postupně zavádět systém hospodaření s vozovkou. [24] Ústav pozemních komunikací 16 VUT-FAST Brno, 2013

17 Obdobná situace je i ve většině měst a obcí. Obecně lze konstatovat, že města nad obyvatel trpí jak nedostatečným rozvojem kapacitní silniční infrastruktury, tak i kapacit pro odstavování a parkování vozidel. Mnoho z menších měst a obcí trpí nadměrnou průjezdnou dopravou a absencí vhodných obchvatů, případně takových úprav průtahů státních, případně krajských silnic, které by co nejvíce eliminovaly nepříznivý dopad tranzitní dopravy na jejich životní podmínky. [24] Nejvýznačnější vnější vlivy na silniční infrastrukturu dané rozvojem společnosti v posledních 20 letech jsou: výrazné zvýšení intenzit dopravy, několikanásobné zvýšení objemu přeprav zboží a materiálů, několikanásobný nárůst intenzit osobních vozidel, požadavky obyvatelstva na zvýšení bezpečnosti silničního provozu a snížení dopadů silničního provozu na životní prostředí, zvýšené požadavky dopravy a životního prostředí vedly k neharmonickému rozvoji výstavby, údržby a oprav silniční infrastruktury. [23] Tabulka 1: Vývoj průměrných intenzit dopravy a dopravních výkonů [22] Intenzita [voz/24h] Dopravní výkon [1000 vozokm/24h] Rok Dálnice I. třídy II. třídy III. třídy Rok Dálnice I. třídy II. třídy III. třídy ** ** * * ** dle metodiky do roku počítání přívěsů a návěsů za dvě vozidla 2010* počítání návěsů a přívěsů za jedno vozidlo Zanedbaný rozvoj silniční infrastruktury v poválečných letech a snaha o urychlenou výstavbu kapacitních pozemních komunikací v posledních 15 letech vedly k těmto důsledkům: vysoký nárůst finančních prostředků do výstavby, zvýšená poptávka zvýšila rozsahy staveb (velkorysé navrhování tras, křižovatek, ochrana životního prostředí, doprovodné stavby, úpravy přilehlých komunikací apod.), zvýšená poptávka po pracích vedla ke zvýšení cen materiálů a prací, energetická krize vedla ke zvýšení cen zejména pohonných hmot, asfaltů a všech energeticky náročných materiálů, snižování finančních prostředků na údržbu a opravy, odklon od posuzování stavu vozovek, zanedbávání údržby a oprav a přechod na náročné opravy. [23] Ústav pozemních komunikací 17 VUT-FAST Brno, 2013

18 V těchto způsobech výstavby, údržby a opravy nebylo možno dále pokračovat. Výstavba silniční infrastruktury nebyla přizpůsobována evropské integraci, možnostem inteligentních dopravních systémů (ITS), dopadům na životní prostředí a neprosazovaly se nové technologie řízení a stavby silniční infrastruktury včetně údržby a oprav. Nejjednodušší zasáhnutí do tohoto plýtvajícího systému bylo skokové snížení financování silniční infrastruktury. Problémy k řešení funkční a udržitelné silniční infrastruktury lze shrnout do těchto důležitých okruhů, které jsou zejména vyvolány nedostatečnými finančními zdroji: Silniční infrastruktura není a do roku 2025 nebude řádně dobudována tak, aby mohla být prostředkem k udržitelnému rozvoji všech regionů ČR, a nebudou také vybudovány některé části globální evropské dopravní infrastruktury. Stávající silniční síť byla dlouhé roky podfinancována a je udržována na nízké úrovni kapacit pro stávající silniční provoz, s nízkou a stále se výrazně zhoršující provozní způsobilostí a únosností konstrukcí silniční infrastruktury. Silniční infrastruktura je zdrojem ztrát konkurenceschopnosti národního hospodářství. Stav silniční infrastruktury neumožňuje snížit nehodovost a snížit dopady na životní prostředí, zejména omezit hlukovou zátěž obyvatelstva. [23] Ústav pozemních komunikací 18 VUT-FAST Brno, 2013

19 3.1. STAV POVRCHU VOZOVEK SILNIC II. A III. TŘÍDY V JIHOMORAVSKÉM KRAJI Pro potřeby Správy a údržby silnic Jihomoravského kraje byla v roce 2011 provedena aktualizace stavu povrchu vozovek silnic II. a III. třídy v Jihomoravském kraji. Stav povrchu vozovek a jeho vyhodnocování v pravidelných intervalech společně s tvorbou plánů údržby a oprav jsou důležitým předpokladem pro efektivní hospodaření s vozovkami. Graf 2: Délky pozemních komunikací v Jmk [21] celkem 4 477,2 km (stav k ) silnice II. třídy 1473,9 km ~ 33 % silnice III. třídy 2422,2 km ~ 54 % silnice I. třídy 420,8 km ~ 9 % rychlostní komunikace 25,8 km ~ 1 % dálnice 134,5 km ~ 3 % Sběr poruch byl proveden metodou pomalu jedoucího vozidla se záznamem do počítače. Při sběru se provádí zatřídění poruch, jejich lokalizace a rozsah, plošný výskyt či četnost. Sběr a zatřídění jednotlivých typů poruch se provádí podle platných technických podmínek [5] a [6]. Po detailním zpracování poruch na každém úseku byla provedena sumarizace poruch do skupin se stejným charakterem porušení odpovídající i stejné technologii údržby, resp. opravy. Z analýzy poruch na základě [6] (viz tabulka 2) bylo následně provedeno zatřídění jednotlivých úseků sledované silniční sítě do 5 kategorií dle stavu porušení povrchu vozovky od hodnocení stavu výborný po havarijní. Pro zatřídění úseků je rozhodující procento porušení plochy úseku poruchou s největším - rozhodujícím rozsahem. [18] Tabulka 2: Klasifikace poruch pro návrhovou úroveň porušení D1 [18] Skupina poruch podle TP82 Klasifikační stupeň Ztráta asfaltového tmelu a kaverny v obrusné vrstvě >25 Ztráta makrotextury (pocení, vystoupení tmelu) >25 Koroze kalové vrstvy, ztráta kameniva z nátěru >25 Hloubková koroze obrusné vrstvy >10 Výtluky 0 0,1 0,3 0,5 >0,5 Vysprávky >20 Trhliny příčné úzké a široké (četnost na 100 m délky) >10 Trhliny příčné rozvětvené (četnost na 100 m délky) >5 Trhliny úzké - podélné, nepravidelné a mozaikové >20 Trhliny síťové a podélné rozvětvené >10 Poklesy, místní a příčné, plošné deformace vozovky včetně trhlin >10 Prolomení vozovky 0 0 0,1 1 >1 Ústav pozemních komunikací 19 VUT-FAST Brno, 2013

20 [% délky úseků] [klasifikační stupeň] Nové trendy při údržbě vozovek Z koláčového grafu 3 znázorňující celkové procentuální rozdělení stavu povrchu vozovek na silnicích II. a III. třídy v Jihomoravském kraji vyplývá, že v nevyhovujícím stavu je celkem 24 % silnic a ve stavu havarijním 37 % silnic. V celém Jihomoravském kraji je tedy 61 % (2372 km) povrchu vozovek silnic II. a III. třídy v takovém stavu, který vyžaduje bezprostřední provedení údržby a opravy. [18] Graf 3: Stav povrchu vozovek silnic II. a III. tř. v Jmk [18] stav v roce km 24% 510 km 13% 1424 km 37% 207 km 5% 818 km 21% havarijní nevyhovující vyhovující dobrý výborný Díky pravidelnému sledování a vyhodnocování stavu vozovek silnic II. a III. třídy v minulých letech bylo možné sestavit vývojovou řadu od roku K tomuto účelu byl vyhodnocen stav povrchu vozovek podle starých TP (viz [6] z roku 1996). [18] Graf 4: Vývoj klasifikace stavu povrchu silnic II. a III.třídy v Jmk [18] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 3,38 3,27 3,27 3,24 3,24 3,28 3, rok 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 výborný dobrý vyhovující nevyhovující havarijní klasifikace Z vývojové řady je patrné, že se stav povrchu vozovek od roku 2006 zhoršuje, jak co do rozsahu havarijních a nevyhovujících úseků, tak i průměrnou známkou, která dosáhla nejvyšší hodnoty. [18] Ústav pozemních komunikací 20 VUT-FAST Brno, 2013

21 4. PORUCHY NETUHÝCH VOZOVEK Porucha vozovky je souhrn poškození, které ovlivňují provozní způsobilost vozovky a únosnost vozovky. [7] Provozní způsobilost je vlastnost povrchu vozovky; je hodnocena klasifikací aktuálních parametrů protismykových vlastností, podélné a příčné nerovnosti případně dopravního hluku při odvalování pneumatik. [6] Únosnost vozovky je schopnost konstrukce vozovky a podloží přenášet dopravní zatížení, které se vyjadřuje zatížením nápravou nebo sestavou kol a počtem opakování těchto zatížení; při posuzování vozovky s daným dopravním zatížením se únosnost vozovky vyjádří zbytkovou dobou životnosti, což je nejzazší doba do potřeby provést opravu konstrukce vozovky. [6] Poruchy vozovek vznikají kumulací poškození a dochází tak k poruchám: povrchu, obrusné vrstvy, krytu vozovek, všech asfaltových vrstev a konstrukce vozovky a podloží. Schéma vozovky, poruch jednotlivých vrstev a vozovky, výskyt jednotlivých druhů poruch a rozdělení údržby a opravy je znázorněn v tabulce 3. [5] Zatřídění a stanovení rozsahu poruch je podkladem pro realizaci běžné údržby vozovky a významně napomáhá charakterizovat stav vozovky, včetně její únosnosti a spolu s ostatními charakteristikami vozovky získanými diagnostickým průzkumem tvoří objektivní podklad pro ekonomické rozhodování o technologiích údržby a opravy. [5] Zatřídění poruch je prvním předpokladem správného návrhu údržby nebo opravy. Druhým předpokladem je stanovení rozsahu poruch, plošného výskytu poruch nebo jejich četnosti. Obě tyto činnosti se provádějí při sběru poruch vozovky. [5] Základním účelem zatřídění a sběru poruch je řešení vztahu: PORUCHA ODSTRANĚNÍ PORUCHY Při návrhu odstranění nebo omezení vývoje poruchy se vychází z: dopravního významu PK a charakteristik silničního provozu, ze zatřídění poruch (povrchu, obrusné vrstvy, asfaltových vrstev, konstrukce vozovky a podloží), plošného rozsahu poruch, technologických možností údržby a oprav, ekonomického posouzení údržby a oprav různými technologiemi. [5] K těmto rozhodujícím faktorům pro návrh způsobu údržby a oprav vozovek PK mohou přistoupit i jiná hlediska, která případně mohou rozhodnutí upravit (strategie údržby a oprav vozovek, plánované opravy sítí a rozvoj přilehlého území, ekologická a estetická hlediska, charakteristiky prostředí apod.). [5] Zatřídění poruch vychází z jejich významu porušování a z hlediska jejich údržby a opravy. Zatřídění poruch stanovuje, které konstrukční vrstvy jsou poruchami zasaženy, což je důležité pro stanovení technologie údržby a opravy. [5] Pokud porucha vznikne na povrchu, zpravidla se šíří do hloubky obrusné vrstvy a do všech stran plochy vozovky. Včasné odstranění nebo omezení vývoje poruchy postihující obrusnou vrstvu vozovky je nutné z hlediska silničního provozu a také z hlediska zpomalení procesu porušování konstrukce vozovky zvýšeným namáháním konstrukce a podloží. [5] Ústav pozemních komunikací 21 VUT-FAST Brno, 2013

22 ochranná nestmelené podloží G, S, F číslo katalogového listu Výskyt poruch a Vozovka povrch vozovky Skupina poruch Název poruchy lokální povrchu Tabulka 3: Schématické znázornění vrstev, poruch a jejich údržby a oprav [5] obrusné vrstvy krytu Poruchy vrstev vozovky / třídění a druhy poruch / údržba a oprava vozovky ztráta hmoty trhliny údržba krytu deformace Nové trendy při údržbě vozovek jiné poruchy prolomení vozovky plošná deformace vozovky podélný pokles místní pokles podélný hrbol místní hrbol vyjeté koleje nepravidelné hrboly olamování okrajů síťové trhliny reflexní (podélné, příčné) široké (podélné, příčné) úzké (podélné, příčné) mozaikové trhliny vysprávky výtluk ztráta asfaltového tmelu ztráta kameniva z nátěru opotřebení EKZ, EMK údržba souvislé obrusná ložní podkladní podkladní asfaltové cementem stmelené nebo nestmelené SC - vrstva ze směsi stmelené cementem nebo jiným hydraulickým pojivem Vysvětlivky a poznámky: běžná údržba asfaltových vrstev SC oprava (výměna obrusné vrstvy, krytu, zesílení, recyklace krytu nebo podkladu, rekonstrukce) konstrukce vozovky a podloží puchýře v MA rozvětvené (podélné, příčné) hloubková koroze kaverny ztráta makrotextury ztráta mikrotextury vrstvy Ústav pozemních komunikací 22 VUT-FAST Brno, 2013

23 Nejvýznamnější poruchy vznikají v podloží a zemním tělese. V tomto případě se poruší celá konstrukce vozovky a je nutno provádět opravu celé konstrukce. [5] Stanovení rozsahu poruch vystihuje jejich vývoj v ploše vozovky, tzn. velikost zasažené plochy vozovky je důležitá pro stanovení údržby a opravy. [5] Složí-li se zatřídění a rozsah poruch, vymezují se požadavky na plnění vztahu porušení - odstranění poruchy podle následujícího schématu: [5] Obrázek 2: Obvyklý způsob odstraňování poruch [5] Definice údržby a opravy: běžná údržba je soubor technologií zaměřených na obrusnou vrstvu vozovky k odstranění lokálních poruch a/nebo k omezení jejich vývoje, údržba je soubor technologií zaměřených k odstranění a/nebo omezení vývoje poruch povrchu vozovky prováděná v souvislé ploše, zpravidla cyklicky, oprava je soubor technologií k odstranění poruch nejméně obrusné vrstvy vozovky výměnou obrusné vrstvy nebo krytu, zesílením a/nebo recyklací, zesílení je soubor technologií, kterými se zvýší únosnost vozovky (nahradí porušené vrstvy novými případně recyklovanými vrstvami s vyšším návrhovým modulem pružnosti a/nebo se zvýší tloušťka asfaltových vrstev), rekonstrukce je soubor technologií, kterými se nahrazují konstrukční vrstvy stávající vozovky vrstvami novými (eventuálně recyklovanými) včetně případné úpravy podloží [5] Ústav pozemních komunikací 23 VUT-FAST Brno, 2013

24 4.1. MECHANISMY PORUŠOVÁNÍ VOZOVEK Každá hmota účinkem zatížení provozem, účinky klimatického prostředí a teplotními změnami podléhá poškozování a porušování. Také obrusná vrstva vozovky a konstrukce vozovky vlivem zatížení a různých klimatických podmínek vykazuje podle svých vlastností mechanismy porušování. Tato poškozování a porušování se vyskytují zákonitě a náhodně, lze je však výběrem stavebních materiálů, jejich složením a provedením ovlivnit, omezit nežádoucí vlastnosti a snížit pravděpodobnost jejich výskytu. Tím se ovlivní rychlost vývoje porušování co do významu a plošného rozsahu, ale porušení se nezabrání. Je třeba vždy počítat s běžnou údržbou, s údržbou povrchu vozovky a opravou vozovky. K poškozování a poruše povrchu vozovky a konstrukce vozovky vedou různé mechanismy porušování, které souvisí s návrhem vozovky, s dodržením konstrukčních opatření a s provedením vrstev (návrhem, použitím hmot, výrobou a položením). Jelikož se většinou jedná o poruchy asfaltových vrstev, je třeba zdůraznit základní vlastnosti pojiva, tj. asfaltu. Vlastnosti asfaltu jsou výrazně závislé na teplotě. Při nízkých teplotách (podle druh asfaltu - při teplotě 5 C až -10 C) a vysokých rychlostech zatížení (pak může být teplota o 10 C vyšší) jsou asfaltové směsi pružné (lze je přirovnat k betonu). Při vysokých teplotách (podle druhu asfaltu - při teplotě 40 C až 65 C) a dlouhodobém zatížení (pomalé rychlosti a stání vozidel) se chová jako hustá kapalina. Dochází ke vzájemnému posunu zrn kameniva a asfaltová směs se pohybuje z míst soustředěného tlaku do míst mimo jeho působení (lze ji přirovnat k hustému těstu). Tato základní vlastnost asfaltu pak ovlivňuje chování vrstvy a následně i porušování vrstvy a celé vozovky ztrátou hmoty, trhlinami a deformacemi. Na těchto třech mechanismech porušování se také podílejí kamenivo, konstrukce vozovky a úprava podloží. Mechanismy jejich porušení jsou dále popsány a způsobují poruchy povrchu nebo celé konstrukce vozovky, což následně vede k údržbě až opravě vozovky. Mechanismus porušování je souhrn mechanických, fyzikálních, chemických a jiných procesů, které způsobují poškození a porušení povrchu nebo konstrukce vozovky. [5] ZTRÁTA HMOTY A) Ztráta protismykových vlastností povrchu vozovky Pod pojmem protismykové vlastnosti povrchu vozovky se rozumí požadavek smykového tření jako odporu při relativním pohybu povrchu pneumatiky vůči povrchu vozovky při brzdění nebo zrychlování a změně směru vozidla. Odpor je pak dán množstvím uvolněné energie (tepla) a částic z obou povrchů. Čím bohatěji tvarované oba povrchy jsou (zvýšení měkkostí a připuštění většího opotřebení pneumatik se zatím užívá jen na závodních drahách) a čím více ostrý a pevný je materiál na povrchu vozovky, tím lepší a trvanlivější smykové tření je možno očekávat. Při popisu protismykových vlastností povrchu vozovky je na místě přirovnání k brusným nástrojům, jako jsou pilníky a brusné papíry či kotouče. Ústav pozemních komunikací 24 VUT-FAST Brno, 2013

25 Ztráta protismykových vlastností povrchu vozovky nastane: uzavřením povrchu do hladké plochy bez vystupujících zrn kameniva - dojde ke ztrátě makrotextury povrchu vozovky vyhlazením zrn kameniva v povrchu vozovky vlivem dotyku s pneumatikami - dojde ke ztrátě mikrotextury povrchu vozovky Oba jevy vedou ke ztrátě protismykových vlastností povrchu vozovky zjistitelné měřením součinitelů podélného (fp) nebo bočního tření (fb). Jev ztráty makrotextury je spojen: s vystoupením pojiva na povrch vozovky u nátěrů a kalových zákrytů s vystoupením asfaltového tmelu (směsi pojiva a kameniva do velikosti 2 mm) na povrch vozovky (nebo obráceně zatlačení hrubého kameniva do směsi) K oběma mechanismům dochází nejen pro technologické nedostatky, ale projevuje se také náhodná proměnlivost složení směsí, provedení úprav a vlastností podkladu: vyšší dávkování pojiva, zatlačení kameniva do měkké obrusné vrstvy, ztráta kameniva u nátěrů a kalových zákrytů asfaltová směs postrádá zaklínění hrubých zrn vlivem nevhodné složení směsi kameniva (plynulá čára zrnitosti uprostřed mezních čar asfaltového betonu a/nebo vyšší obsah kameniva zrnitosti pod 2 mm), asfaltová směs má vyšší obsah pojiva, pojivo o vyšší penetraci apod. Jev ztráty mikrotextury je spojen s nevhodnou ohladitelností kameniva (použitím snadno ohladitelných kameniv jako jsou vápence, dolomity, břidlice a čediče) nebo s použitím již ohlazených zrn kameniva (hrubé těžené kamenivo). [5] B) Ztráta hmoty z krytu Spojení zrn kameniva je účinkem zatížení, působením vody, stárnutím asfaltu a drobením kameniva narušováno. Postupně tak ubývá hmoty obrusné vrstvy. Nejjednodušší způsob ztráty hmoty je např. uvolnění drti z nátěru nebo kalového zákrytu s vlivem na protismykové vlastnosti povrchu vozovky, olupování tenké vrstvy emulzního kalového zákrytu a rozpad zrna (měkkého, zvětralého nebo porušeného) se vznikem kaverny. U krytů z asfaltových směsí se nejprve uvolňuje asfaltový tmel (směs asfaltu a kameniva do 2 mm), zvláště obsahuje-li málo pojiva a tmel je tudíž drobivý. Ubýváním tmele se obnažují hrubá zrna kameniva a nejsou-li již do směsi zaklíněna, vylamují se. Pokud se tento proces ponechá svému vývoji, vzniká další uvolňování zrn a ubývání vrstvy tak, až je odstraněna obrusná vrstva celá a proces pokračuje i do dalších vrstev krytu, případně podkladu, neboť tyto vrstvy jsou odolné méně než obrusné vrstvy. Proces porušení asfaltových směsí ztrátou hmoty z krytu se zatřiďuje do těchto stadií: ztráta tmelu (vypírání povrchu, povrchová koroze) vylamování hrubého kameniva (hloubková koroze) výtluky (v obrusné vrstvě, v krytu) [5] Ústav pozemních komunikací 25 VUT-FAST Brno, 2013

26 TRHLINY A) Mrazové trhliny Podle popsaných základních vlastností asfaltu musí při velmi nízkých teplotách docházet ke smršťování stejně jako u betonu. Pokud teploty poklesnou pod -20 C nebo při rychlém poklesu teploty povrchu i při vyšší teplotě, pak se na povrchu vytvoří smršťovací trhlinka, která se v povrchu a hloubce vrstvy dále šíří a oslabí asfaltové vrstvy. Jakmile opakovanými poklesy teploty trhlina dosáhne vzájemného spojení obrusné vrstvy s ložní nebo podkladní vrstvou vozovky, pak se šíří buď stejně do hloubky, nebo naruší spojení vrstev. Vývoj porušení příčnou trhlinou je rozdělen do následujících stadií: úzká trhlina části šířky vozovky úzká trhlina přes celou šířku vozovky větvení trhliny nebo vytváření přidružených trhlinek prohlubování a vznik široké trhliny s olamováním hran a případně vývojem přidružených trhlin [5] Tvorbu nízkoteplotních příčných trhlin ovlivňují tyto faktory: index mrazu gradace asfaltového pojiva tloušťka asfaltových vrstev [25] Gradace asfaltového pojiva je úspěšně ovlivnitelný faktor, který se podílí na tvorbě mrazových trhlin. Použitím modifikovaných asfaltů se zvyšuje odolnost tvorby smršťovacích trhlin při nízkých teplotách v zimním období, jelikož toto pojivo má menší teplotní citlivost. Díky tomu jsou modifikované asfalty odolnější také proti tvorbě trvalých deformací při vysokých teplotách v letním období. B) Reflexní trhliny Při výstavbě podkladů stmelených hydraulickými pojivy, stejně jako u betonu, dochází při tvrdnutí vrstvy ke smršťování, které pokud vyvolá ve vrstvě tahové napětí vyšší, než je pevnost materiálu vrstvy, dojde ke vzniku příčných trhlin přes celou šířku vrstvy. Čím vyšší je pevnost betonu nebo stmeleného podkladu, tím menší je vzdálenost mezi trhlinami. Vzdálenost se pohybuje mezi 3 až 30 m. Po vzniku smršťovacích trhlin dochází k jejich rozevírání a uzavírání teplotní roztažností v závislosti na teplotě vrstvy. Pokud je vrstva překryta asfaltovými vrstvami, spojením vrstev tohoto podkladu se pohyby teplotní roztažnosti přenáší do asfaltových vrstev a trhlina začne prorůstat až na povrch vozovky. Rozšiřování a uzavírání trhlin pokračuje, trhlinami proniká voda a trhliny jsou vyplňovány pískem a nečistotami. Těmito vlivy dochází k těmto stadiím trhlin: Ústav pozemních komunikací 26 VUT-FAST Brno, 2013

27 úzká trhlina široká trhlina odlamování hran trhlin narušování spojení mezi asfaltovými vrstvami a vznik podružných trhlin jako trhlin mozaikových vytváření hrbolu při vyplněných trhlinách a teplotních pohybech vrstev [5] C) Nepravidelné a mozaikové trhliny Nepravidelné až mozaikové trhliny vznikají mechanismy: zvýšené stárnutí asfaltu (obrusná vrstva má mezerovitost vyšší než 6 %, je použito pojivo o nižší penetraci než 50 nebo je použita nevhodná modifikační přísada elastomerního typu, je nižší obsah pojiva než optimální) za nízké teploty spolu s dopravním zatížením dochází k vývoji nepravidelných trhlinek v nejvíce namáhaném průřezu a v bodě jakéhokoliv oslabení vrstvy (porušené kamenivo, velké kamenivo, vyšší mezerovitost ve směsi apod.) a trhlinky prorůstají vrstvou zejména na okraji stopy vozidel trhlinkami se do vrstvy snadněji dostává voda, účinkem vozidel pod tlakem proniká vrstvou až na spojení vrstvy s vrstvou ložní a spojení se narušuje asfaltové vrstvy nejsou vzájemně spojeny již při vlastní pokládce (další vrstva byla kladena na vlhký, mokrý a znečištěný povrch nebo nebyl proveden spojovací postřik apod.) Povrchovými trhlinkami až oddělením vrstev obrusné a ložní dochází při jejich zatížení k namáhání mnohem většímu než při jejich spojení (je na místě přirovnání zatížení dřevěného trámu a stejného profilu složeného z volně položených nespojených prken). Trhlinky se počnou šířit souběžně se směrem pohybu vozidel, prodlužují se a větví, jak sledují všechna náhodná oslabení vrstvy. Trhlinky se spojují, zahušťují a vznikají mozaikové trhliny jako síť trhlin o vzájemných vzdálenostech odpovídajících přibližně až tloušťce nespojené vrstvy. Mozaikovými trhlinami proniká do spojení vrstev voda, která je vlivem zatížení pod tlakem vytlačována (části narušené vrstvy pumpují") a eroduje trhliny. Trhliny se tak rozšiřují a vrstva se při hranách snižuje. Tento jev napomáhá vytváření výtluků. Vývoj mozaikových trhlin lze rozdělit do stadií: vznik krátké, sotva patrné nepravidelné trhlinky nepravidelná podélná úzká trhlina nejčastěji vně stopy těžkých nákladních vozidel větvení trhliny do stop vozidel i mimo stopu, vznikají rozvětvené trhliny spojování trhlinek v síť trhlin plošné zvětšování a zahušťování sítě trhlin erodování a vylamování částí vrstvy mezi trhlinami vznik výtluků mezi trhlinami [5] Ústav pozemních komunikací 27 VUT-FAST Brno, 2013

28 D) Síťové trhliny Opakovaným zatěžováním v místě nejvyššího namáhání (pod středem zatížení) na spodním líci asfaltových vrstev dojde ke vzniku narušení spojení mezi zrny a zárodku trhliny. Trhlina se šíří k povrchu vozovky a do délky. Dochází ke zvýšenému namáhání trhlinou oslabeného průřezu a zvýšenému namáhání podloží. Dosáhne-li povrchu vozovky, vozovkou se dostane voda do podloží, jehož únosnost se zvýšeným obsahem vody a rozbřídáním sníží. Trhliny se šíří, spojují v síť, méně hustou než u mozaikových trhlin (síť odpovídá vyšší tloušťce vrstev), ale hlavně dochází k zatlačování vozovky do podloží a vyvíjí se trvalá deformace vozovky. Síťové trhliny mají postupně tento vývoj: podélná trhlina ve stopě vozidel trhlina se rozšiřuje prodlužuje a větví vznikají síťové trhliny plošné deformace prolomení vozovky Síťové trhliny často vznikají dalším vývojem trhlin mozaikových. Síťové trhliny jsou základním typem poruchy konstrukce vozovky, jejíž úplné odstranění vyžaduje zásah do všech konstrukčních vrstev vozovky a tím i nejvyšší finanční náklady na jejich sanaci. [5] E) Porušení pracovních spár Na napojení postupně pokládaných obrusných vrstev vzniká oslabení průřezu spojením pokládaných pásů. Vrstva prvně pokládaného pásu nemůže být u volného okraje řádně zhutněna (směs uniká z pod kola hutnícího válce), druhá vrstva se rovněž hůře zhutňuje pro rychlejší vychládání a tak se spojované vrstvy špatně spojují. Na spoji dochází k poruchám ze skupiny ztráty hmoty a trhlin: ztráta hmoty počínaje v prvně položeném pásu u podélné spáry a u napojeného pásu u příčné spáry: ztrátě asfaltového tmelu hloubkové korozi výtluky příčná a podélná trhlina s vývojem jako u trhliny mrazové: úzká trhlina široká trhlina podružné trhliny jako mozaikové trhliny výtluky Podobně se na svých styčných plochách porušují také vysprávky. [5] Ústav pozemních komunikací 28 VUT-FAST Brno, 2013

29 F) Jiné trhliny Jiné, méně časté trhliny: trhliny obrusné vrstvy ve tvaru srpu vzniklé posunem nespojené obrusné vrstvy vodorovným zatížením (brzděním, rozjížděním vozidel) smykové trhliny lemující poruchy zemního tělesa usmýknutím, poklesem, propadem apod. podélné trhliny způsobené mrazovým zdvihem středu vozovky (pokud na krajích vozovky leží sníh) [5] DEFORMACE VOZOVKY Deformace vozovky vznikají kumulací nepružných přetvoření jednak v asfaltových vrstvách, v nestmelených vrstvách vozovky a v podloží, vlivem objemových změn v podloží, zemním tělese včetně podloží násypu nebo poruch zemního tělesa. [5] A) Trvalé deformace krytu Podle popsaných základních vlastností asfaltu musí při velmi vysokých teplotách povrchu (v ČR 60 C) docházet k trvalým deformacím, které jsou výsledkem nepružného (viskózního a plastického) přetváření asfaltových vrstev. K vývoji trvalé deformace je třeba vysoké teploty asfaltových vrstev: stání nebo pomalá doprava zatížení soustředěné do jízdních stop velký počet zatížení Podle druhu zatížení dochází k: prohlubním v místě stání vozidel (autobusová zastávka) opakovaným prohlubním v podélném směru před řízenými křižovatkami (roleta) na celou šířku jízdního pruhu, které vznikají stáním osobních vozidel vyjetým kolejím v jízdních stopách nákladních vozidel nepravidelné nerovnosti při působení vodorovných sil při brzdění, rozjíždění nebo v obloucích náhodné nerovnosti ve volné trase s kolísavým složením směsi (vyšší obsah asfaltu nebo asfaltového tmelu) nebo použitím nevhodné směsi ve vysprávce, provedenou zejména tryskovou metodou [5] Ústav pozemních komunikací 29 VUT-FAST Brno, 2013

30 B) Deformace snížením povrchu vozovky Tyto deformace mohou vzniknout následkem: dohutnění vrstev vozovky, podloží nebo zemního tělesa nebo podloží násypu, porušení stability zemního tělesa (např. usmýknutím) namáhání podloží opakovanými přejezdy vozidel (část stlačení podloží při každém přejezdu vozidla zůstane jako trvalá deformace s viskózním a plastickým přetvářením) ztráty únosnosti vozovky způsobené pronikáním vody do podloží propustným krytem (tvořeným štěrkem, dlažbou, penetračním makadamem) nebo asfaltovými vrstvami porušenými trhlinami, špatným nebo porušeným odvodněním dohutnění zásypů objektů (mostů, propustků a jiných podpovrchových konstrukcí), rýh, oprav inženýrských sítí apod. vyplavení zemního tělesa do kanalizace, odvodňovacích systémů a chrániček kabelů [5] C) Hrboly Hrboly jako zvyšování povrchu vozovky mohou vzniknout: na povrchu vozovky: nepravidelný hrbol při vázání kameniva na volné pojivo u nátěrů a penetračních makadamů a zejména při používání tryskové metody na údržbu trhlin, nerovností a výtluků podélný povrchový hrbol při opakovaných nátěrech příčné trhliny v obrusné vrstvě: podélný hrbol při vyplnění trhlin nestlačitelným materiálem se při teplotní roztažnosti vrstev zdvihají okraje vrstvy (zejména u litých asfaltů) puchýře v litém asfaltu na cementem stmelených podkladech tlakem uzavřených par v konstrukci vozovky: podélný hrbol při vyplnění široké příčné trhliny nestlačitelným materiálem, při teplotní roztažnosti asfaltové vrstvy nazdvihují místní hrbol při nazdvižení vozovky mrazovým zdvihem na lokálním přítoku vody do podkladních vrstev, na vrstvě tvořené z kameniva zpevněného popílkovou suspenzí, mrazovým zdvihem podloží apod. objemovými změnami: vrstev vozovky zvyšováním objemu materiálů vrstev (např. uhelné hlušiny nebo strusky) podloží nebo násypu zvyšováním objemu použitých materiálů (např. uhelné hlušiny nebo strusky) nebo v zářezu (snížení zemního tlaku) bobtnáním jílů [5] Ústav pozemních komunikací 30 VUT-FAST Brno, 2013

31 JINÉ PORUCHY Bezpečnost, rychlost, plynulost, hospodárnost a pohodlí silničního provozu ovlivňují také poruchy: odvedení dešťové vody z povrchu vozovky zvýšením krajnice posypovým materiálem, spadem přepravovaných hmot, vegetací a poškozením, povrchového odvodnění, rigolů, příkopů, vsakovací drenáže a kanalizace jejich zanesením, tato porucha rovněž může ovlivnit únosnost zavodněním podloží, poruchy na poklopech, vpustích, hrncích šoupat, hydrantů apod., tyto poruchy se zaznamenávají jako poruchy poklesem, mozaikovými a síťovými trhlinami, ale pro zvláštní a nákladný způsob následné údržby nebo opravy porušeného místa se doporučuje evidence těchto zařízení ve vozovce. Existuje mnoho dalších druhů poruch, které jsou výsledkem kombinace vlivů a mechanismů porušování. Vždy půjde jeden z projevů upřednostnit a poruchu podle katalogu zatřídit do skupiny s náročnější opravou. [5] Ústav pozemních komunikací 31 VUT-FAST Brno, 2013

32 5. BĚŽNÁ ÚDRŽBA NETUHÝCH VOZOVEK Vlivem mechanických, fyzikálních, chemických a jiných procesů dochází k poškozování konstrukčních vrstev vozovek, tj. ke snižování trvanlivosti obrusné vrstvy a únosnosti vozovky. Kumulace poškození vede ke vzniku poruch vozovky. Poruchy vozovek postihují všechny vrstvy vozovek a podloží; schéma vozovky, poruch jednotlivých vrstev a vozovky, stanovovaných parametrů vozovek, výskyt jednotlivých druhů poruch a rozdělení údržby nebo opravy jsou znázorněny v tabulce. Běžná údržba je soubor technologií zaměřených na obrusnou vrstvu vozovky k odstranění lokálních poruch a/nebo k omezení jejich vývoje. Do běžné údržby z hlediska technologického podle [6] patří utěsnění trhlin, lokální postřik nebo nátěr a také oprava výtluků a porušených ploch trhlinami případně i s nerovnostmi (což může být i lokální porucha konstrukce), vysprávkami (lokální odstranění porušené vrstvy a položení vrstvy nové). Údržba (tj. údržba obrusné vrstvy tenkými vrstvami) vyžaduje rovněž před jejím provedením uplatnění technologií běžné údržby. Aktuální a objektivní informace o stavu PK poskytuje systém hospodaření s vozovkou (SHV) (anglicky Pavement Management System - PMS) a jeho účelem je optimalizace stavebních činností na základě získaných údajů a znalostí o dostupných technologiích s cílem dosáhnout technicky a ekonomicky optimálního využití vložených prostředků, popř. dosažení jiných zvolených priorit. Princip SHV se rozděluje se na síťovou úroveň (řeší celou spravovanou síť a plánuje se její údržba a oprava) a projektovou úroveň (navrhuje se údržba nebo oprava konkrétní, v předešlé úrovni vybrané vozovky). Na základě zjištěných hodnot a klasifikace parametrů provozní způsobilosti (*) a/nebo rozsahu jednotlivých poruch vozovky se síť PK rozdělí do jednotlivých úseků, které vytvoří seznam úseků: k provedení běžné údržby, pro posouzení diagnostickým průzkumem a pro přípravu dokumentace údržby nebo opravy a k provedení opravy (případně údržby, není-li oprava třeba). Takové rozdělení úseků lze při malém rozsahu sítě PK provádět ručně, pro síť PK se využívá systém hospodaření s vozovkou. Přechod mezi použitím běžné údržby a použitím údržby nebo opravy (tj. použitím technologií na omezených nebo souvislých plochách) je dán ekonomickým posouzením jak nákladů na provedení technologií, tak i nákladů silničního provozu. Vybere se ten technologický soubor prací údržby nebo opravy, který má při uvážení jeho předpokládané doby životnosti nejnižší průměrnou roční cenu nebo náklady na provedení. Do ekonomického posouzení je nutné vzít v úvahu i náklady na řízení nebo odklon silničního provozu v době provádění údržby nebo oprav a je vhodné zahrnout i ztráty v silničním provozu v době provádění údržby nebo oprav. V TP je toto rozhodování založeno na klasifikaci typu a plošného rozsahu poruch. Běžnou údržbu se doporučuje neodkládat, jakékoliv opožděné provedení běžné údržby je mnohem nákladnější (poruchy mají kvalitativní i kvantitativní vývoj). [6] (*) pozn.: Provozní způsobilost je vlastnost povrchu vozovky; je hodnocena klasifikací aktuálních parametrů protismykových vlastností, podélné a příčné nerovnosti, případně dopravního hluku při odvalování pneumatik. [6] Ústav pozemních komunikací 32 VUT-FAST Brno, 2013

33 Výskyt poruch podle jejich závažnosti z hlediska údržby nebo opravy řeší tabulka 4. Na D, R a silnicích I. třídy jsou přípustné rozsahy různých poruch podstatně nižší, aby nedocházelo k častému omezování silničního provozu při provádění běžné údržby a údržba a oprava se navrhuje na delších úsecích. Naopak na silnicích v návrhové úrovni porušení D1 a D2 je pásmo poruch poměrně široké a běžná údržba je ekonomická až do celkově velkého výskytu poruch, zejména pokud se do plochy poruch zahrnou plochy s dříve provedenou běžnou údržbou (vysprávky výtluků). Také úseky pro návrh opravy mohou být krátké (např. desítky metrů) s tím, že opakovaným každoročním posuzováním se zohledňuje rychlost porušování v závislosti na místních podmínkách a zejména velikosti dopravního zatížení a rozhodnutí o opravě tak může být přiměřeně odkládáno. [6] Ústav pozemních komunikací 33 VUT-FAST Brno, 2013

34 Pozn. Nové trendy při údržbě vozovek Tabulka 4: Klasifikační zatřídění rozsahu skupin poruch vozovek v závislosti na návrhové úrovni porušení [6] Přípustné % porušené plochy v závislosti na návrhové úrovni porušení D pro Skupina poruch přejímku běžnou údržbu údržbu a opravu podle TP 82 1 a 2 a,b 3 a 4 a 5 a Ztráta asfaltového tmelu a kaverny v obrusné vrstvě Ztráta makrotextury (pocení, vystoupení tmelu) Koroze kalové vrstvy, ztráta kameniva z nátěru Hloubková koroze obrusné vrstvy Výtluky Vysprávky Trhliny úzké, nepravidelné a mozaikové Trhliny široké příčné (četnost na 100 m délky) Trhliny rozvětvené (četnost na 100 m délky) Trhliny síťové Poklesy, místní, příčné a podélné hrboly, plošné deformace vozovky D0 D1 D2 D0 D1 D2 D0 D1 D2 D0 D1 D2 D0 D1 D >10 >25 > >10 >25 > >10 >25 > >5 >10 > ,1 0,5 0 0, ,5 1 >0 >0,5 > , >5 >20 > >5 >15 > >5 >10 > >3 >5 > , >2 >10 > >3 >10 >20 Prolomení vozovky ,1 1 0,1 1 5 >0,1 >1 >5 Poznámky 1 Chyba při výrobě a pokládce směsi (viz TP 82) - porucha neovlivňuje provozní způsobilost, o údržbě a opravě rozhoduje kvalitativní vývoj, vývoj k hloubkové korozi, výtlukům a vysprávkám a b 5 O údržbě nebo opravě povrchu zkorodovaného EKZ, EMK nebo uvolněného kameniva z nátěru rozhoduje snížení protismykových vlastností nebo hloubková koroze betonu. Výtluky jsou na komunikacích v návrhové úrovni D0 nepřípustné, potřeba údržby nebo opravy je dána plochou vysprávek. Rozvětvené trhliny lze započítat do rozsahu síťových trhlin v ploše dané šířkou vozovky a šířkou rozvětvené trhliny (obvykle 1 m). Poruchy konstrukce, jejich výskyt vede k opravám zesílením, recyklaci a rekonstrukci, je nutný diagnostický průzkum. Klasifikační stupeň. Maximální přípustné hodnoty v záruční době - odstraňuje zhotovitel. Ústav pozemních komunikací 34 VUT-FAST Brno, 2013

35 5.1. NÁVRH BĚŽNÉ ÚDRŽBY DLE PLATNÝCH PŘEDPISŮ Běžná údržba musí odstranit poruchy snižující bezpečnost silničního provozu, zejména nerovnosti na malé ploše, a omezit vývoj poruch do konstrukce vozovky. V tabulce 4 je přehled poruch, technologií běžné údržby a technologických postupů běžné údržby. Tabulka 5: Přehled poruch, příslušných technologií běžné údržby a technologických postupů [6] Skupina poruch podle TP 82 Technologie běžné údržby Technologický postup Kaverny v obrusné vrstvě Ztráta asfaltového tmelu Ztráta kameniva z nátěru Opotřebení kalové vrstvy Hloubková koroze Trhliny úzké nepravidelné Vysprávky tryskovou metodou 1 nebo nátěrovou vysprávkovou soupravou Utěsnění TP 96, TKP 26 1 TP 115 Výtluky (a hloubková koroze) Trhliny rozvětvené a mozaikové Trhliny široké příčné, podélné, nepravidelné Vysprávky asfaltovou směsí Utěsnění TKP 7 TP 115 Trhliny síťové Poklesy místní, příčné Podélné trhliny a porušení podélných spár Vysprávky asfaltovou směsí Recyklací za horka TKP 7 TP 209 Jiné poruchy Údržba krajnic 1 Technologie se nesmějí použít pro údržbu asfaltových vrstev v záruční době, je nutno použít technologii se stejnou dobou životnosti, jako je porušená vrstva. Běžná údržba zahrnuje drobné, místně vymezené práce, jejichž potřeba byla zjištěna v rámci prohlídek PK. Běžnou údržbu zajišťuje vlastník nebo správce komunikace na základě výsledků pravidelných prohlídek v souladu s jejich plánem. Do běžné údržby se také zahrnuje údržba odvodňovacích zařízení, jejichž funkčnost výrazně ovlivňuje dobu životnosti vozovky. [6] POSTŘIKY, NÁTĚRY A TĚSNĚNÍ TRHLIN Běžná údržba pokrývá odstranění těchto povrchových poruch omezených na malou plochu s uvedenými technologiemi údržby: ztráta kameniva z nátěru - vysprávková nátěrová souprava, ztráta asfaltového tmelu a hloubková koroze - postřikem až nátěrem (vysprávková nátěrová souprava a trysková metoda), trhliny podélné a příčné, tenké a široké, pracovní spoje - utěsnění zálivkou do vyfrézované komůrky nebo přelitím podle [9], údržba musí být provedena včas, aby nedošlo k porušování spodních konstrukčních vrstev nebo jejich spojení, trhliny úzké (nepravidelné až mozaikové) - nátěrem (vysprávková nátěrová souprava). [6] Ústav pozemních komunikací 35 VUT-FAST Brno, 2013

36 Případy, kdy se nesmí použít trysková metoda [8]): Běžná údržba se nesmí provádět tryskovou metodou v těchto případech (upřesnění na zvýšení protismykových vlastností krytu z asfaltových směsí (vystouplé pojivo nebo asfaltový tmel) - kluzkost povrchu vozovky se ještě zvýší, na opravu výtluků a nerovností krytu z asfaltových směsí - vysoká tloušťka asfaltové vrstvy vznikající technologií je nestabilní, dojde k vystoupení pojiva na povrch a k trvalým deformacím vrstvy s dosažením nebezpečnějšího povrchu než byl povrch před údržbou, na překrytí širokých trhlin trhliny se technologií neutěsní a opakovanou údržbou vznikají v okolí trhlin hrboly (nerovnosti). [6] VYSPRÁVKY KRYTU VOZOVKY Vysprávku krytu vozovky je nutno použít, pokud porušení zasáhlo část tloušťky nebo celou obrusnou vrstvu (případně i část ložní vrstvy). Výtluky se převážně vyvíjejí v zimním a jarním období a na D a R je třeba je bez zbytečných průtahů opravit. Obvykle se používá vysprávka ze studené asfaltové směsi (kamenivo obalené speciálním pojivem podle [14]). Ve stavební sezoně se lokální nerovnosti, hloubková koroze a výtluky, uvolněné mozaikové trhliny a výtluky opravují vysprávkami asfaltovou směsí stejného druhu, jako je porušená obrusná vrstva. Vysprávka se provede podle [13] frézováním na hloubku porušené vrstvy do pravidelného tvaru v ploše přesahující výtluk a odstraňující i plochu signalizující rychlý vývoj porušení k opravovaným poruchám. Pro opravy výtluků v obrusné vrstvě z penetračního makadamu s nátěrem lze místo asfaltové směsi použít kamenivo odpovídající kamenivu v penetračním makadamu prolité asfaltovým pojivem s nátěrem (např. tryskovou metodou). Technologie je specifikována v [12]. [6] Ústav pozemních komunikací 36 VUT-FAST Brno, 2013

37 5.2. ČASTÉ PROVÁDĚNÍ BĚŽNÉ ÚDRŽBY NETUHÝCH VOZOVEK V ČR Netuhé vozovky pozemních komunikací jsou charakteristické svým elastickoplastickým chováním. Se stoupající teplotou klesá modul pružnosti asfaltové vrstvy a zvyšuje se podíl plastické deformace. Při dlouhodobém zatížení pak vznikají trvalé deformace, například v podobě vyjetých kolejí. Pokud teplota klesá, asfaltové pojivo se chová jako pružná látka. Díky tomu není nutné vytvářet ve vozovce dilatační spáry. Pojivo je však za nízkých teplot tuhé a křehké. Jestliže je pokles teploty příliš rychlý nebo teplota dosáhne hranice -20 C, mohou vznikat smršťovací mrazové trhliny. Asfaltové směsi jako tradiční materiál pro stavbu netuhých vozovek pozemních komunikací se vyznačují kratší životností a snadnějšími opravami než tuhé vozovky s cementobetonovým krytem. Charakteristickými poruchami jsou především výtluky, trhliny a trvalé deformace. Výtluky přímo ovlivňují bezpečnost a plynulost silničního provozu. Vznikají působením klimatických vlivů a dopravního zatížení, kdy postupně dochází ke ztrátě hmoty. Příčinou vzniku je neošetření hloubkové koroze. Postihují kryt vozovky, tedy obrusnou a ložní vrstvu, při neošetření mohou dosáhnout až podkladní vrstvy. Oprava výtluku se v procesu běžné údržby provádí vyfrézováním v okolí výtluku a následnou vysprávkou asfaltovou směsí stejného typu porušené obrusné vrstvy. Obrázek 3: Výtluk Mnohdy však práce na odstranění výtluků nejsou prováděny důkladně a zodpovědně. Okolí výtluku se nefrézuje, čímž se neodstraní přidružené trhliny. Dno výtluku se pomocí tlakového vzduchu či vymetením nezbavuje od nečistot, a proto dochází k špatnému spojení znečištěné porušené vrstvy s doplněnou asfaltovou směsí. Tomu přispívá i nepoužívání spojovacích postřiků. Mezi nespojené vrstvy tak může zatékat srážková voda, která rychle napomáhá k degradaci vysprávky. Opravu výtluku je tak nutné Obrázek 4: Výtluk a Brita provést v brzké době znovu. Znehodnocení vysprávky zatékáním srážkové vody mezi nespojené vrstvy je pak umocněno v zimním období, kdy dochází ke střídání záporných a kladných teplot. K nespojení vrstev přispívá i vlhký podklad či používání studené obalované směsi v zimním období. Dle zkušeností je zřejmé, že tato technologie má velmi nízkou trvanlivost a její charakter je spíše dočasný. Ústav pozemních komunikací 37 VUT-FAST Brno, 2013

38 Po odstranění výtluku vzniká vysprávka, která je sama o sobě, zvláště v případě špatného provedení, také poruchou. Povrch vozovky se stává nehomogenním, snížená rovnost ovlivňuje pohodlí jízdy, zejména při vyšším počtu vysprávek na ploše komunikace (viz obrázek 5). Porušováním vysprávek, které vede k jejich další realizaci, se zvyšuje množství vysprávek na ploše komunikace. Při dosažení vyšší četnosti je vhodné provést údržbu nebo opravu na souvislé ploše. Přípustné procento porušené plochy v závislosti na návrhové úrovni porušení pro běžnou údržbu, údržbu a opravu je uvedeno v tabulce 4. Obrázek 5: Vozovka před obcí Ostrov u Macochy Častou poruchou netuhých vozovek je tvorba trhlin. Jejich četnost a hloubka je dána stářím vozovky, klimatickými vlivy, dopravním zatížením a pevnostními charakteristikami asfaltových vrstev. Podle [9] je nutné trhliny v co nejkratší době od jejich vzniku utěsnit. To se však v mnohých případech neděje vůbec (nebo pozdě) a to má za následek prorůstání trhlin do nižších konstrukčních vrstev vozovky, které je spojeno se zatékáním srážkové vody a zanášení prachem. Nepřípustné je rovněž utěsnění trhlin bez proříznutí a vyčištění. Rozsáhlou problematikou běžné údržby je používání tryskové metody. Tento speciální typ nátěrové technologie je nebezpečný z hlediska protismykových vlastností a tudíž nevhodně působí na bezpečnost silničního provozu. Velmi rychle dochází ke ztrátě makrotextury z důvodu ztráty kameniva a vystoupení pojiva na povrch vozovky, čímž se protismykové vlastnosti významně zhoršují. Přes varování odborníků však lze i na silnici I. třídy často vidět zařízení pro výspravu vozovek touto metodou. Oblíbená a často používaná technologie je přitom nevyhovující z více hledisek. Trysková metoda je nevhodná pro opravu výtluků, protože vysoká tloušťka asfaltové vrstvy vzniklá nátěrovou technologií je nestabilní. V místě vysprávky tak dochází k trvalým deformacím v podobě nepravidelných hrbolů (viz obrázek 6). Trysková metoda je nevyhovující technologií také pro ošetření trhlin. Podle [9] je ošetření trhlin touto technologií zásadně nepřípustné, zvláště pokud se trhliny rozevírají a uzavírají teplotní roztažností. Trhliny se neutěsní a při opakující se běžné údržbě pak vznikají v okolí trhlin hrboly. Ústav pozemních komunikací 38 VUT-FAST Brno, 2013

39 Obrázek 6: Hrboly a ztráta makrotextury použitím tryskové metody; silnice II/385 u Tišnova Vrcholem ignorance v přístupu provádění běžné údržby je výsprava trvalých deformací dlážděné vozovky hutněnou asfaltovou směsí či tryskovou metodou (viz obrázky 7-10). Obrázky 7-10: Běžná údržba silnice II/385 před obcí Hradčany Ústav pozemních komunikací 39 VUT-FAST Brno, 2013

40 6. TECHNOLOGIE ITHR VYSPRÁVKY ASFALTOVÝCH KRYTŮ INFRAČERVENÝM OHŘEVEM S VYUŽITÍM ASFALTOVÉHO R-MATERIÁLU Infra Thermo Homogenizační Regenerace je technologie používaná v rámci běžné údržby hutněných asfaltových vrstev vozovek. Ve své podstatě jde o klasickou metodu recyklace asfaltových vrstev netuhých vozovek na místě za horka v mobilním nízkokapacitním zařízení. Mobilní zařízení používá pro opravy výtluků technologii ohřevu poškozeného místa s následným doplněním nahřátého recyklátu. Pro částečné omlazení oxidací zkřehlého asfaltového pojiva se používá postřik regenerační asfaltovou emulzí. Povrch se poté ručně promíchá a zhutní vibračním válcem. Technologii lze použít i pro opravu trhlin. Ohřev poškozeného místa (většinou výtluky nebo rozpad mozaikovými či síťovými trhlinami) probíhá za pomoci infrazářičů. Výrobcem takových zařízení je například americká firma Keizer-Morris, která se zabývá výrobou strojů pro opravy a údržbu asfaltových vozovek. Českým výrobcem ekvivalentních zařízení s názvem Silkot je firma Kotrbatý VMZ s.r.o. a jejich výhradním prodejcem pak brněnská firma Siltek s.r.o. Obrázek 11: Stroj Silkot při nahřívání výtluku [32] Výrobce a prodejce zařízení udává, že výsledkem této technologie je delší životnost a vyšší kvalita opravy, než která se dosahuje u standardní metody, kdy je nahřátá pouze nová směs. Díky nahřátí vozovky se totiž dosahuje lepší integrace a přilnavosti doplněné asfaltové směsi v místě výtluku. Využití recyklovaného materiálu z obrusných vrstev vede ke zvýšení ekonomických i ekologických úspor. Opravy lze úspěšně provádět i v zimním období. Obrázek 12: Infrazářiče [29] Technologie se nezabývá údržbou netuhých vozovek, které místo asfaltového pojiva obsahují z části nebo zcela dehet, popřípadě jiná pojiva, která zatěžují životní prostředí. Pro tyto vozovky je nutné uplatnit speciální technologie a pracovní postupy a postupovat dle [10]. Ústav pozemních komunikací 40 VUT-FAST Brno, 2013

41 6.1. TECHNOLOGICKÝ POSTUP Hlavním stavebním mechanismem technologie ITHR je speciální mobilní zařízení Silkot pro vysprávky hutněných asfaltových vrstev, které pro nahřívání asfaltových vrstev používá zadní sklopné nahřívací čelo vybavené infrazářiči (viz obrázek 12), které jsou poháněny zkapalněným ropným plynem LPG. Stroj je vybaven izolovaným ohřívacím zásobníkem pro skladování a ohřev R- materiálu. Zařízení je součástí nákladního automobilu nebo je taženo traktorem. Strojní sestavu kromě drobného ručního Obrázek 13: Silkot 10 [30] nářadí doplňuje také malý vibrační válec. Technologii je dle výrobce možno provést pro vysprávky krytu vozovky za použití horké asfaltové směsi. Jde především o výtluky, možná je i oprava lokálního rozpadu vozovky síťovými trhlinami, výjimečně pak opravy lokálního poklesu po výkopech či překopech. V [15] je uvedeno, že vysprávky lze provádět na čistém suchém povrchu při teplotě nad 0 C a teplota vzduchu v posledních 24 hodinách nesmí být nižší než -5 C, přičemž musí být dodržena minimální Obrázek 14: Silkot [30] teplota hutnění 130 C. Stavební práce probíhají na komunikacích za plného provozu s jeho částečným omezením, proto je nutné zabezpečit pracovní prostor dopravním značením. Základním stavebním materiálem pro vysprávky asfaltových vozovek je R-materiál, směs asfaltu a kameniva získaná frézováním krytových vrstev vozovek. R-materiál je v izolovaném zásobníku ohřát na teplotu C. Poškozený povrch je nutné před zahájením práce očistit od silničního prachu a nečistot tlakovým vzduchem nebo zametením. Po zapálení infrazářičů pomocí ručních zapalovacích hořáků na propan-butan se nahřívací čelo sklopí do pracovní polohy rovnoběžné s povrchem vozovky. Nahřívaná plocha okolo výtluku musí být zhruba o 40 cm větší než vlastní výtluk, aby mohlo dojít k zapravení jemných trhlin, které při jeho vzniku narušují vozovku a v budoucnosti mohou být zdrojem podobné poruchy vozovky. Jakmile je vozovka dostatečně nahřáta, mohou být infrazářiče vypnuty, a zadní nahřívací čelo se sklopí zpět do přepravní polohy. Nahřátý povrch asfaltové vozovky se ručně rozhrabe ocelovými hráběmi a z ohřívacího zásobníku se výtluk doplní předehřátým R-materiálem s nadvýšením mm. Doplněný materiál se s rozhrabanou vozovkou důkladně promíchá, rovnoměrně srovná a postříká asfaltovou emulzí. Takto připravený povrch se následně zhutní malým vibračním válcem. Po Ústav pozemních komunikací 41 VUT-FAST Brno, 2013

42 dostatečném zhutnění, úklidu pracoviště a odstranění dopravního značení je možné uvolnit provoz, přičemž vysprávka by měla mít teplotu 60 C a nižší. Technologický postup dokumentuje obrázek 15. Obrázek 15: Postup opravy výtluku pomocí technologie ITHR [33] Ústav pozemních komunikací 42 VUT-FAST Brno, 2013

43 6.2. PRAKTICKÁ UKÁZKA REALIZACE BĚŽNÉ ÚDRŽBY TECHNOLOGÍ ITHR Asfalt jako organická látka reaguje s kyslíkem z okolního prostředí, dochází k degradaci pojiva oxidativním stárnutím. Je důležité si uvědomit, že proces stárnutí asfaltového pojiva se zahříváním vozovky urychluje. Vlivem nahřívání se tedy neúmyslně z menší nebo větší části znehodnocuje viskózní vlastnost asfaltu. Degradace pojiva rychlejším stárnutím se projevuje snižováním viskozity pojiva. Výsledkem je tvrdý křehký asfalt s nízkou penetrací a vysokým bodem měknutí. Dochází ke korozi povrchu a mrazovým trhlinám. Jak tedy docílit toho, aby k tomuto nežádoucímu efektu nedocházelo? Nejdůležitějším faktorem je kontrola teploty a z toho vyplývající doba nahřívání. Nejvyšší teplota měřená na povrchu vrstvy recyklované asfaltové směsi nesmí podle [11] po ohřevu infrazářiči přesáhnout hodnotu 160 C. Infra-zářiče mají schopnost nahřívat vozovku nejen povrchově, ale částečně i do hloubky. Důvodem je vlnová délka infrazáření, která je větší než viditelné světlo, avšak menší než mikrovlnné záření (viz obrázek 20). Naopak ohřev plamenem by způsobil okamžitou degradaci povrchové vrstvy, kterou by spálil. Dalším důležitým krokem pro zachování odpovídajících viskózních vlastností je dostatečné používání regeneračních emulzí, které by měly částečně zvrátit proces stárnutí pojiva. Jak bylo uvedeno výše, doba nahřívání a kontrola teploty během nahřívání jsou nezbytnými součástmi pro zachování viskózních vlastností asfaltového pojiva. Aby nemohlo dojít k znehodnocení asfaltu, je nutné tyto hodnoty pečlivě sledovat. Instruktážní video firmy Siltek s.r.o. [31] však pouze uvádí, že doba nahřívání má být v létě zhruba 8 minut a v zimě cca 12 minut. Po uplynutí této doby a nadzvednutí zadního nahřívacího čela se nahřátá plocha zkouší snadností rozhrábnutí ocelovými hráběmi. Uvedený čas pro nahřívání i zkouška ocelovými hráběmi jsou nedostatečné informace pro zjištění teploty nahřátého povrchu, protože doba nahřívání je závislá na nahřívaném materiálu, teplotě vzduchu, teplotě povrchu vozovky, ochlazující účinek má síla a směr větru. Proto je nutné pro sledování průběžné i konečné teploty používat ruční teploměr, jak je uvedeno v [15]. V technickém předpisu pro zajištění běžné údržby pomocí zařízení Silkot se uvádí, že zásadnější technické zkoumání technologie ITHR nebylo provedeno vzhledem k časově omezeným praktickým zkušenostem. Z těch však vyplývá, že tato technologie může být dobrým sluhou, ale zároveň zlým pánem. Hlavní problémem je nahřívání sálavým teplem, které se přenáší do hloubky asfaltové vrstvy jejím prostupem. Nekontrolováním přípustných teplot však může nastat situace, kdy se povrch opravovaného místa lehce přehřeje. Při vysokých teplotách dochází Obrázek 16: Vyvíjení bílého kouře k neekologickému pálení asfaltu s vysokými nároky na energii. Příliš vysoké teploty se projeví vývinem silného bílého kouře (viz obrázek 16), který signalizuje přepálení a tím i znehodnocení asfaltového pojiva. V krajním případě může dojít až k zapálení Ústav pozemních komunikací 43 VUT-FAST Brno, 2013

44 asfaltové směsi (viz obrázek 17). Obrázky jasně dokládají, že technologie ITHR nemusí fungovat tak, jak je popisována jejími propagátory. Tvrzení, že životnost vysprávky je 3-5 let zpochybňuje obrázek 18, který zobrazuje stav vozovky po jednom roce od provedení vysprávky. Obrázek 17: Zapálení asfaltové směsi Obrázek 18: Stav opravené poruchy po 1 roce pozn.: Autor obrázků si nepřál být zveřejněn. Ústav pozemních komunikací 44 VUT-FAST Brno, 2013

45 7. TECHNOLOGIE PRO MIKROVLNNÝ OHŘEV OPRAVOVANÝCH ASFALTOVÝCH VOZOVEK Zařízení pro mikrovlnný ohřev bylo vyrobeno pro možné ohřátí opravovaných asfaltových vozovek, zejména při běžné údržbě. Z technologického hlediska jde především o utěsnění trhlin, opravu výtluků a porušených ploch trhlinami. Ohřevem opravovaných míst asfaltových vozovek tímto zařízením by se dle výrobce mělo docílit homogenního spojení doplněné směsi (v případě výspravy výtluků) s původním asfaltovým povrchem a dosáhnout tak vyšší kvality a delší životnosti vysprávek ÚVOD DO MIKROVLNNÉ PROBLEMATIKY CO JSOU MIKROVLNY Mikrovlny jsou elektromagnetické vlny, používá se hlavně frekvence 2450 MHz. Je to neionizační nedestruktivní záření o nízké energii (10-3 ev), které není při nízkých výkonech pro živé organizmy nebezpečné. Většinou materiálů (vzduch, sklo, umělé hmoty, nepolární látky apod.) mikrovlny pronikají, jako proniká světlo sklem. V materiálech, které mikrovlny pohlcují, se mikrovlnná energie přeměňuje na teplo. Třetí případ je, když materiál mikrovlny nepohlcuje ani jím neproniká, tj. dochází k odrazu mikrovln, jako je tomu např. u kovových materiálů. Na tomto principu je založena funkce radaru, který byl prvním využitím mikrovln po jejich objevu (viz Historie objevu mikrovln). Obdobným způsobem je zamezeno úniku mikrovln z kuchyňských mikrovlnek, které jsou v podstatě plechovými krabicemi. Vzhledem k vlnové délce 12,2 cm nemohou mikrovlny unikat malými otvory, jako je např. mřížka na dvířkách. [16] ELEKTROMAGNETICKÉ VLNĚNÍ A JEHO ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI Když v roce 1873 James Clerk Maxwell přišel ve svém díle Treatise on Electricity and Magnetism s hypotézou o existenci elektromagnetických vln, pohybujících se ve vakuu rychlostí světla (světlo bylo přitom pokládáno za jeden z druhů tohoto vlnění), téměř nikdo ho v tomto směru nebral vážně. Jeho odvození vlnové rovnice pro vektory intenzity elektrického pole E a magnetické indukce B bylo chápáno pouze jako matematická hříčka bez hlubšího fyzikálního obsahu. Když Maxwell v roce 1879 umíral, vyhlásil německý fyzik Von Helmholtz speciální cenu pro první experimentální důkaz existence elektromagnetického vlnění. [17] Ten přišel až o devět let později, v roce 1888, a jeho autorem byl Heinrich Hertz, profesor techniky v Karlsruhe. Při své práci využil Ruhmkorffův induktor, schopný vytvořit velmi silný potenciál elektrického pole. K němu byl připojen vysílač, tvořený v podstatě přerušením sekundární cívky. Přijímačem byl poté rovněž přerušený vodič, šlo vlastně o klasickou půlvlnnou dipólovou anténu. Hertz pozoroval, že po spuštění induktoru prochází přijímačem elektrický proud. Vzhledem k tomu, Obrázek 19: Aparatura Heinricha Hertze [17] Ústav pozemních komunikací 45 VUT-FAST Brno, 2013

46 že přijímač a vysílač nebyly nijak přímo propojeny, jediné možné vysvětlení spočívalo v tom, že se elektromagnetické pole mezi oběma aparaturami šíří vzduchem. Tím byla existence elektromagnetického vlnění mimo veškerou pochybnost dokázána. Šlo vlastně o rádiové vlny, jejichž vlnová délka se pohybovala v řádu desítek centimetrů. Aparatura, využitá Hertzem k experimentálnímu důkazu existence elektromagnetického vlnění, je na obrázku 19. [17] V roce 1894 využil Marconi Hertzův objev k bezdrátovému přenosu informací na dálku. Vznikl tak první rádio telegraf. O pouhý rok později objevil Wilhelm Röntgen po něm pojmenované rentgenové záření, jež je dalším druhem elektromagnetického vlnění, a to o podstatně menší vlnové délce a vyšší frekvenci, než jsou rádiové vlny i viditelné světlo. Rentgenové záření našlo obrovské využití jak v samotné fyzice (rentgenová difraktometrie rozvinutá především Maxem von Lauem je dodnes jednou ze základních analytických technik sloužících ke studiu struktury a složení pevných látek), tak třeba i v lékařství. Jeho objevitel tak získal po zásluze vůbec první Nobelovu cenu za fyziku, která byla udělena v roce [17] Úplně nový náhled na povahu elektromagnetického vlnní přinesla kvantová teorie, jejíž vznik je datován do roku Max Planck tehdy přišel s hypotézou, že tělesa nevyzařují energii ve formě elektromagnetického záření spojitě, ale po kvantech. Energie jednoho kvanta je přitom dána součinem Planckovy konstanty h a frekvence záření, platí tedy E = h f. Na základě tohoto předpokladu dokázal vysvětlit spektrální hustotu intenzity záření absolutně černého tělesa a odvodit Planckův vyzařovací zákon. V 1. polovině 20. století se do popředí zájmu vědecké veřejnosti dostávaly i další druhy elektromagnetického vlnění. Rozdělení na jednotlivé typy je patrné z obrázku 2. Například velmi energetické gama záření, jež bylo objeveno v roce 1900 Paulem Ulrichem Villardem, sehrálo zásadní roli jako produkt některých jaderných reakcí. [17] Obrázek 20: Elektromagnetické spektrum [27] V souvislosti s rozvojem radarové techniky v období před a během druhé světové války konečně našly své místo na slunci i mikrovlny, což jsou vlastně elektromagnetické vlny s frekvencí v řádu gigahertzů, čemuž odpovídá vlnová délka v řádu centimetrů (proto se jim též někdy říká centimetrové vlny). První využití výkonného generátoru mikrovlnné energie se datuje do roku 1937, kdy byl ve Velké Británii vytvořen systém protivzdušné obrany s názvem Chain Home (jednalo se v podstatě o radarový systém umožňující zachycovat polohu nepřátelských letounů). Další rozvoj magnetronů, čili zdrojů mikrovlnné energie, probíhal během samotné války a opět souvisel především s potřebou britské armády chránit své území před útoky německého letectva a raketového vojska. Pokroky v této oblasti jsou spjaty především se společností Raytheon, jež se na problematiku mikrovlnného radarového systému vysloveně specializovala. [17] Ústav pozemních komunikací 46 VUT-FAST Brno, 2013

47 HISTORIE OBJEVU MIKROVLN Z historického pohledu byly mikrovlny objeveny v počátku 40. let v Anglii na univerzitě v Birminghamu. První využití mikrovln se uskutečnilo během 2. světové války ve formě radaru, což sehrálo významnou roli v bitvě o Británii. V roce 1947 si všiml zaměstnanec americké firmy Raytheon (výrobce radaru), že se mu v blízkosti radaru roztavila teplem čokoláda. To ho přimělo k myšlence zkonstruovat mikrovlnnou troubu. První patent se objevil v r a první mikrovlnná trouba (zatím dosti primitivní) se objevila v r Byla velká jako skříň a stála dolarů. O rok později byla v New Yorku otevřena první restaurace, kde se podávala jídla připravená v mikrovlnné troubě. Pro domácnosti se mikrovlnné trouby začaly rozšiřovat až v 80. letech v důsledku vyřešení japonské technologie sériové výroby magnetronů. Největšího uplatnění nalezly mikrovlny v komunikacích (radar, televize, mobilní telefony, satelitní vysílání atd.), dále při ohřevu a zpracování potravin (rozmrazování, pečení, ohřívání) a při sušení různých materiálů (keramika, dřevo, léčiva apod.). V chemii se uplatnění mikrovln rozvíjelo pomalu a dosáhlo výraznějšího rozvoje až v posledních letech. [16] JAK FUNGUJE MIKROVLNNÁ TROUBA Mikrovlny jsou generovány magnetronem (2) a poté se vedou vlnovodem (3) do prostoru trouby (kavity) (5). Tam se mikrovlny rozptýlí (4), odrážejí se od stěn a vytvářejí zde mikrovlnné pole (5,6). Mikrovlny se spotřebovávají pohlcením v absorpčních materiálech za vzniku tepla. Pokud se v mikrovlnném poli vyskytuje materiál s nízkou nebo žádnou absorpční schopností, mikrovlny se nemají kde pohltit, dochází k jejich zpětnému odrazu do magnetronu, což snižuje jeho životnost, případně hrozí jeho zničení. (Proto se nesmí trouba zapínat prázdná). Účinnost magnetronů při přeměně elektrické energie na mikrovlnnou je maximálně %. Většina ztrát připadá na uvolněné teplo v magnetronu, který se proto musí intensivně chladit. Při úpravě kuchyňské mikrovlnné trouby pro laboratorní použití (vyvrtání děr např. pro chladič či teploměr), je třeba pravidelně kontrolovat detektorem mikrovln, zdali nedochází k úniku mikrovln do prostoru obsluhy. [16] Obrázek 21: Schéma mikrovlnné trouby: 1 vysokofrekvenční zdroj; 2 magnetron; 3 vlnovod; 4 rozptylovač mikrovln; 5,6 varný prostor [16] Ústav pozemních komunikací 47 VUT-FAST Brno, 2013

48 JAK VZNIKÁ MIKROVLNNÝ OHŘEV (TJ. JAK SE PŘEMĚŇUJE MIKROVLNNÁ ENERGIE NA TEPLO) Jak bylo uvedeno v úvodní části z hlediska materiálu a jeho interakce s mikrovlnami existují 3 možnosti: a) Transparentní (např. sklo, nepolární látky) b) Absorpční (např. voda, polární rozpouštědla) c) Odrážející (např. kovy) Z obecného pohledu nás zajímá především případ b), tj. interakce mikrovln s látkami, které mikrovlny absorbují, např. látky polární. V normálním stavu jsou polární molekuly v neuspořádaném stavu. V elektrickém poli dojde k orientaci molekul podle polarity (kladná část k zápornému pólu, záporná ke kladnému pólu). Co se však stane s polární molekulou při vystavení elektromagnetickému, tj. mikrovlnnému poli? Polarita vysokofrekvenčního elektromagnetického pole se mění více než 109krát za sekundu. Polární molekula je nucena se těmto rychlým změnám přizpůsobit, ale sotva se přizpůsobí, již se polarita opět změní. To vyvolá oscilační vibrace, až rotace, kdy dochází ke tření a srážkám molekul (a k dielektrické ztrátě). To se projeví jako teplo, tj. dojde k přeměně mikrovlnné energie na tepelnou. Mechanismus přeměny mikrovlnné energie na teplo je dán vztahem: kde P = energie absorbovaná v jednotce objemu (W/m 3 ) f = frekvence mikrovlnného pole (2450 MHz) = permitivita (F/m) = dielektrický ztrátový faktor materiálu E = intenzita elektrického pole uvnitř materiálu (V/m) Rozhodující úlohu při přeměně mikrovlnné energie na teplo hraje ztrátový faktor (ostatní hodnoty jsou dány). [16] JSOU MIKROVLNY ZDRAVÍ ŠKODLIVÉ? Odpověď není jednoznačná. Z teoretického hlediska je energie mikrovln příliš nízká, aby mohlo dojít k narušení chemických vazeb a tím i k destrukci struktury, např. buněk. Pokud k tomu dojde, tak je to důsledek vyvinutého tepla vyvolaného mikrovlnami. Dosud však nebyl vědecky prokázán přímý negativní vliv mikrovln na živý organizmus. Za určitých podmínek lze však využít mikrovlnnou energii jako zbraň pro vojenské účely. [16] Ústav pozemních komunikací 48 VUT-FAST Brno, 2013

49 7.2. ZAJÍMAVÉ APLIKACE MIKROVLNNÝCH ZAŘÍZENÍ Kromě klasické mikrovlnné trouby, která se stala populárním elektrickým spotřebičem v mnoha domácnostech, se můžeme setkat i s dalším využitím mikrovlnného záření. Mikrovlny slouží k vysoušení materiálů (zdivo, dřevo, papír), své uplatnění našly v lékařských aplikacích (diagnostika, terapeutické metody), ve sklářství, používají se k přenosu informací (např. bezdrátové sítě Wi-Fi pracují v oblasti mikrovln), dají se použít jako mikrovlnné zbraně, jejichž účelem je vyřadit z činnosti vojenskou techniku nebo dav lidí a přitom neohrozit jejich životy, atd VYUŽITÍ MIKROVLN VE SKLÁŘSTVÍ (MIKROVLNNÁ TECHNOLOGIE TAVENÍ SKLA) Aplikovaný výzkum v oblasti sklářství byl zahájen na popud severočeských uměleckých sklářů, kteří se zabývali konstrukcí jednoduché sklářské pece pro sklářská studia. Bohužel klasické pece vyhřívané plynem či elektřinou nesplňovaly požadavky na rychlost a hospodárnost tavení. O mikrovlnách je všeobecně známo, že mikrovlnný ohřev je rychlý a energeticky úsporný. Ohřívá pouze materiál vložený do mikrovlnného pole a nikoliv prostor nebo těleso pece. Problémem však byla skutečnost, že sklo mikrovlny neabsorbuje, tedy se neohřívá, natož taví. Tento problém se však podařilo úspěšně a přitom jednoduše vyřešit zkoncentrováním mikrovlnné energie do jednoho místa, kde dojde k lokálnímu natavení, které se rychle rozšíří do celého objemu. Horké sklo již mikrovlny absorbuje a není problém dosáhnout požadovaných vysokých teplot (až 1500 C). Tato nová metoda mikrovlnného tavení byla proto přihlášena k patentové ochraně ve většině průmyslově vyspělých zemích. A vyvolala značný ohlas v zahraničí (USA, Anglie, Holandsko, Japonsko, Skandinávie aj). Nejdříve byly zkonstruovány mikrovlnné tavící pece s kapacitou 10 kg skloviny (1999) a později byla kapacita zvýšena na 75 kg (2003). Pec byla živě předváděna skláři z Nového Boru při různých příležitostech v tuzemsku i v zahraničí, kde se setkala s velkým ohlasem (výstavy Silicium Bohemica, Praha; Velikonoce, Staroměstské náměstí, Praha; Amsterdam, Holandsko; Düssedorf, Norimberg, SRN aj.). Za nejdůležitější výsledek mikrovlnné tavící technologie lze kromě zmíněné rychlosti či hospodárnosti považovat příznivý vliv mikrovln na kvalitu skla (vyšší brilance, potlačení vzniku šlír, rovnoměrné zbarvení skla pro technické i umělecké účely). Tyto výsledky, které se začaly ověřovat i v zahraničí, mohou významně ovlivnit sklářský průmysl v blízké budoucnosti. Obdobná technologie byla vypracována pro tavení čediče na vlákna za účelem výroby žáruvzdorných textilií a výrobků nahrazujících azbest. Obrázek 22: Mikrovlnná sklářská pec [16] [16] Ústav pozemních komunikací 49 VUT-FAST Brno, 2013

50 VYUŽITÍ MIKROVLN PŘI SUŠENÍ ARCHIVÁLIÍ Vzhledem k tíživé situaci řady knihoven po povodních v létě 2002, byl na výzvu vedení AV ČR zahájen intenzivní výzkum možnosti mikrovlnného vysoušení knih a archiválií. Výzkum navázal na dosavadní zkušenosti mikrovlnného pracoviště ÚCHP získané při sušení anorganických materiálů. Sušení papírových materiálů vzhledem k obsahu různorodých složek se však ukázalo mnohem náročnější, neboť by mohlo dojít k poškození cenných dokumentů v důsledku různě intensivni interakce mikrovln s těmito složkami. Tyto problémy spočívající v náchylnosti k přesušení až propálení, rozžhavení či vypálení kovových částí, poškození barevných reprodukcí atd., byly všechny úspěšně vyřešeny a odzkoušeny nejen v laboratorním měřítku, ale i na průmyslových zařízeních. Ty byly vyrobeny pro sušení knih, vybaveny dodatečným příslušenstvím, zejména patentově chráněnými absorpčními filtry a opatřeny kontrolními čidly zaručující bezpečné a kvalitní vysušení. Obrázek 23: Mikrovlnná kontinuální sušička [16] Tato nová sušící technologie využívá kontinuálního sušícího procesu na běžícím pásu procházejícího sušící komorou. Sušící kapacity se pohybují v množství kg denně podle obsahu vody. Z dosavadních výsledků a zkušeností vyplynulo, že mikrovlnné sušení knih a archiválií se plně osvědčilo zejména, co se týká rychlosti a kvality sušení. Kromě toho byla prováděna současná desinfekce účinkem UV záření generovaným mikrovlnami. Vyvráceny byly tak zastaralé názory rozšířené mezi restaurátory, že mikrovlny jsou pro sušení knih riskantní a škodlivé. Výsledky při vysušení cca svazků potvrdily, že tato metoda je nejen bezkonkurenčně nejrychlejší, ale i bezpečná při zachování vysoké kvality a hospodárnosti sušícího procesu. Že se jedná o unikátní, rychlou a bezpečnou sušící technologii potvrdil v září 2005 Národní archiv ČR po 5ti měsíčním vyhodnocení testů na průmyslovém kontinuálním sušícím zařízení se současnou dezinfekcí vysoušených papírových materiálů. [16] Ústav pozemních komunikací 50 VUT-FAST Brno, 2013

51 7.3. DOSAVADNÍ STAV TECHNIKY V současné době se opravy asfaltových komunikací provádí jednak bez ohřátí okolí opravovaného místa nebo s jeho ohřátím, bezprostředně před doplněním poškozeného místa komunikace asfaltovou směsí. V případě, že se okolí opravovaného místa na asfaltové vozovce neohřeje, vznikne vodou propustné ohraničení mezi původním asfaltovým povrchem a doplněnou směsí. To je pak příčinou vzniku nového poškození vozovky, počínající v tomto propustném ohraničení. Z těchto důvodů se opravy asfaltových vozovek provádějí někdy s ohřevem opravovaných míst, která se vyznačují podstatně vyšší kvalitou. Ohřev se provádí zařízeními buď s plynovými hořáky, nejčastěji na propan-butan nebo dokonalejšími zařízeními využívajícími infračervené záření. V obou případech se teplo přenáší do podpovrchové vrstvy opravovaného místa jeho prostupem. Při tomto způsobu přenosu tepla však může dojít k přehřátí povrchové vrstvy a tím k neekologickému pálení asfaltu. V důsledku toho pak vznikají nadbytečné energetické nároky na ohřev, které podstatně zdražují opravy asfaltových komunikací. Proto je snahou vyvinout takové mikrovlnné zařízení, kterým se dosáhne optimálního nahřáti opravovaného místa vozovky při menších energetických nárocích, s maximální bezpečností obsluhy zařízení a zamezí se působení negativních ekologických vlivů na okolí. [19] 7.4. PODSTATA TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ Uvedený cíl splňuje zařízení pro mikrovlnný ohřev opravovaných asfaltových silnic, které obsahuje alespoň jeden magnetron s vlnovodem. Podstata technického řešení zařízení podle užitného vzoru spočívá v tom, že každý magnetron s vlnovodem je opatřen ventilátorem pro chlazení magnetronu a odvedení tepla z jeho okolí. Teplo z okolí magnetronu je odváděno přilehlým kanálem do prostoru vlnovodu. Každá sestava magnetronu s vlnovodem, ventilátorem a přilehlým odváděcím kanálem tepla, vytváří samostatnou integrovanou nahřívací jednotku, jejichž potřebný počet je umístěn v mobilním rámu, který je opatřen pojezdovými koly. Na spodní straně je mobilní rám po obvodu opatřen řetězovou plentou, pro stínění úniku mikrovlnného záření. Nahřívací jednotka je jištěna soustavou bezpečnostních spínačů, které jsou propojeny s řídicí jednotkou tohoto zařízení. Zařízení pro mikrovlnný ohřev opravovaných asfaltových vozovek, představuje nový účinný technický prostředek ohřevu opravovaných míst, jehož začleněním do technologického postupu oprav asfaltových vozovek se dosáhne výrazného zvýšení kvality oprav a tím i zvýšení trvanlivosti opravovaných míst. [19] Ústav pozemních komunikací 51 VUT-FAST Brno, 2013

52 PŘÍKLAD PROVEDENÍ TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ Konstrukční provedení, resp. obsah základních funkčních prvků zařízení pro mikrovlnný ohřev opravovaných asfaltových vozovek a jejich vzájemné uspořádání je patrné ze schematického obrázku (obr. 5). Zařízení v příkladném provedení obsahuje dvě mikrovlnné nahřívací jednotky 11, které jsou umístěny v mobilním rámu 7. Tepelným zdrojem každé nahřívací jednotky 11 je magnetron 1, který generuje mikrovlnné záření o frekvenci 2,45 GHz. K magnetronu 1 je přidružen vlnovod 2 ve tvaru dutého jehlanu. Vlnovod 2 slouží pro vedení a cílení mikrovlnného záření z magnetronu 1 do místa opravy vozovky 10. Dále obsahuje nahřívací jednotka 11 ventilátor 3 pro chlazení magnetronu 1 a odvedení tepla z jeho okolí do prostoru vlnovodu 2. Pro odvedení tepla je magnetron 1 opatřen kanálem 6, přilehajícím k magnetronu 1. Mobilní rám 7 je na své spodní straně opatřen pojezdovými koly 9 a po celém obvodu spodní strany řetězovou plentou 8, pro stínění úniku mikrovlnného záření. Řetězová plenta 8 je proto provedena ve výšce, která zajišťuje těsné přilehnutí řetězové plenty 8 k opravované vozovce 10. Nahřívací jednotky 11 v uvedené sestavě jsou jištěny soustavou bezpečnostních spínačů 4, které jsou propojeny s elektronickou řídicí jednotkou 5 tohoto zařízení. Jako zdroje energie potřebného pro zařízení podle užitného vzoru je možno využít elektřinu z běžné pevné sítě o napětí 230/400 V nebo dodávané mobilním agregátem. Toto napětí je dostačující pro pracovní napětí nahřívacích jednotek 11, resp. pro jejich magnetrony 1. Při opravě asfaltové vozovky se zajede zařízením podle užitného vzoru nad poškozené místo, např. nad výtluk, který je vyplněn dosavadně známým postupem dodanou asfaltovou směsí. Působením elektromagnetického vlnění z magnetronu 1 se rozkmitají částice ohřívané hmoty, tj. především asfaltu a nikoliv kamenné drtě obsažené v asfaltové směsi, která mikrovlnné záření neabsorbuje. Tím dochází k ohřevu asfaltové směsi do požadované hloubky a nedochází k místnímu přehřátí povrchové vrstvy asfaltové směsi a k pálení asfaltu. K ohřevu kameniva dochází až druhotně prostupem tepla z asfaltu. V důsledku toho je tento ohřev energeticky méně náročný a je dosaženo rychlejšího ochlazení opraveného místa vozovky, než při ohřevu dosavadně využívanými zařízeními. To umožňuje rychlejší uvedení opravované komunikace do provozu. [19] Obrázek 24: Schéma zařízení pro mikrovlnný ohřev opravovaných asfaltových vozovek [19] Ústav pozemních komunikací 52 VUT-FAST Brno, 2013

53 ZAŘÍZENÍ RAAR 1 Zařízení RAAR 1 slouží výhradně pro výzkum možností využití hlubokého ekologického mikrovlnného ohřevu asfaltu. Zřízení je určeno pouze pro experimentální použití. POPIS ZAŘÍZENÍ Zařízení se skládá z nosného rámu, krytu a ovládacího panelu. Pod krytem je umístěn pohon mikrovlnného generátoru a vlastní mikrovlnný generátor. Nosný rám zajišťuje mechanickou pevnost zařízení a ve spojení s krytem tvoří klec, bránící úniku mikrovln do okolí. Ve spodní části je nosný rám opatřen bezpečnostními spínači, které zajišťují, že zařízení lze uvést do provozu, pouze pokud spodní část rámu těsně dosedá na oblast ohřevu. Pohon mikrovlnného generátoru tvoří převodovka s elektromotorem. Pohon zajišťuje rovnoměrné rozložení mikrovlnného záření na oblast ohřevu. Mikrovlnný generátor je tvořen napájecím zdrojem, zářičem mikrovln (magnetronem), vlnovodem, chladícím ventilátorem a řídící elektronikou. Magnetron je chráněn tepelnou pojistkou. Ovládací panel je tvořen rozváděčem s ovládacími prvky pro zapnutí napájení, uvedení zařízení do chodu a jeho vypnutí. Panel je opatřen také nouzovým STOP tlačítkem. Rozváděč obsahuje proudový chránič, jističe a Obrázek 25: Zařízení RAAR 1 řídicí elektroniku včetně časového spínače. Zařízení je tak chráněno proti proudovému přetížení a zkratu jističem, proti přetížení magnetronu je chráněno tepelnou ochranou a proti úrazu elektrickým proudem je vybaveno proudovým chráničem, který v případě poruchy automaticky odpojí zařízení od napájecího zdroje. [26] Tabulka 6 - Technická data RAAR 1 [26] Jméno výrobce Velveth Inlet Corporation, s.r.o. Datum výroby Model a výrobní číslo zařízení Model: RAAR 1, Serial No.: VIC0001 Jmenovité vstupní napětí a kmitočet 230 V, 50 Hz Jmenovitý zdánlivý příkon 1,25 kva Jmenovitý proud max. 6,0 A Maximální napětí v generátoru, kmitočet mikrovln a maximální výkon 4 kv, 2450 MHz, 700 W Pracovní teplota okolí +5 C až +30 C Informace o třídách a skupinách podle CISPR 11 CISPR 11: Class A, Group 2 Ústav pozemních komunikací 53 VUT-FAST Brno, 2013

54 Podle mezinárodní normy [4] je toto zařízení klasifikováno jako zařízení třídy A, což je zařízení vhodné pro použití ve všech provozech kromě domácností a kromě těch, která jsou připojena na nízkonapěťovou síť rozvodu elektrické energie v obytných budovách. Dále je to podle této normy zařízení ISM skupiny 2. Skupina 2 obsahuje všechna zařízení ISM, kde se vysokofrekvenční energie záměrně vytváří nebo se ve formě vysokofrekvenčního záření používá pro zpracování materiálů. [26] PRÁCE SE ZAŘÍZENÍM zařízení je určeno pouze pro práci v suchém laboratorním prostředí před zapnutím je nutné odšroubovat upevňovací šroub, který se používá při přepravě po umístění zařízení nad oblast ohřevu je důležité se přesvědčit, že se v okolí nenacházejí žádné vodivé či hořlavé předměty podstatné je zkontrolovat technický stav, zařízení nesmí být viditelně poškozeno, musí být stabilní spodní rám musí ve svislé poloze těsně doléhat na oblast ohřevu použité napájení musí odpovídat hodnotám uvedeným na štítku, který je umístěn na boční straně přístroje po zasunutí vidlice napájecí šňůry do zásuvky se otočí hlavní vypínač do polohy I - zapnuto stisknutím zeleného tlačítka ZAP se aktivuje zařízení zařízení se vypíná stisknutím černého tlačítka VYP nebo nouzovým vypínačem STOP v případě nebezpečí po ukončení práce je nezbytné přepnout hlavní vypínač do polohy 0, odpojit aparát od zdroje napájení vytažením vidlice napájecí šnůry a hlavní vypínač zajistit visacím zámkem minimální vzdálenost od zapnutého zařízení je 2 m [26] OBLAST OHŘEVU Oblast ohřevu je oblast, na kterou působí mikrovlnné záření, která toto záření absorbuje, a ve které přeměňováno na tepelnou energii. Oblast ohřevu je obecně vyplněna vzorkem experimentálně zahřívané látky a absorbérem, který pohlcuje elektromagnetické záření, pronikající experimentálně zahřívanou látkou. [26] Jako absorbér slouží nádoba hloubky minimálně 120 mm naplněná vhodným materiálem (viz obrázky 25, 30). Absorbér musí pokrývat plochu v úhlu 30 pod mikrovlnným zářičem ZAŘÍZENÍ RAAR "2" Po technické stránce jde stále o zařízení RAAR 1 (viz tabulka 6). Patrný rozdíl je však v silnějším magnetronu, který sice generuje stejný výkon, ale výkonnost německého magnetronu se v porovnání s čínským u RAAR 1 znatelně projevila. Výkonnost RAAR 1 a "2" řeší podrobně kapitola 8. Ústav pozemních komunikací 54 VUT-FAST Brno, 2013

55 8. PRAKTICKÉ VYHODNOCENÍ LABORATORNÍCH ZKOUŠEK SE ZAŘÍZENÍM PRO MIKROVLNNÝ OHŘEV OPRAVOVANÝCH ASFALTOVÝCH VOZOVEK Hlavním cílem této části diplomové práce bylo experimentálně zjistit, zda vyrobené zařízení RAAR bude způsobilé pracovat podle teoretických předpokladů. Do silniční laboratoře byla od výrobce postupně dodána zařízení RAAR 1 a RAAR "2", na kterých byla provedena sada zkoušek, které měly prokázat schopnost nahřívání asfaltových směsí. Sledován byl čas nutný pro získání potřebných teplot a hloubky, do kterých je mikrovlnné záření schopné asfaltovou směs nahřát. Obrázek 26: Termokamera Fluke Ti9 [28] Dosažené teploty byly měřeny termokamerou Fluke Ti9 (viz obrázek 26) na povrchu sestavené konstrukce vozovky a v hloubkách 40 mm, 100 mm, 160 mm, 220 mm. Zkušební konstrukce je schematicky znázorněna na obrázku 28, v konkrétní podobě pak na obrázku 29. Celková tloušťka konstrukce je 220 mm, skládá se z asfaltového betonu pro obrusné, ložní a podkladní vrstvy s 4-7 % hmotnostního podílu asfaltového pojiva. Účelem jejího sestrojení nebylo namodelování skutečné konstrukce Obrázek 27: Sada zkušebních desek netuhé vozovky, ale spíše sestavení dostatečně silného souvrství z asfaltových desek, na kterém by bylo možné zjistit, do jakých hloubek je mikrovlnné záření schopno proniknout a nahřát asfaltovou směs jednotlivých desek. Tloušťka 220 mm je pro zjištění těchto výsledků dostatečná a v reálné konstrukci by byla schopná odolávat vysokým dopravním zatížením. Obrázky 28, 29: Schéma a konstrukce vozovky složená ze zkušebních desek Ústav pozemních komunikací 55 VUT-FAST Brno, 2013

56 Pro potřeby sestavení pokusné konstrukce s následným provedením laboratorních zkoušek byly převzaty dvě sady vyrobených desek o půdorysných rozměrech 32 x 26 cm z hutněné asfaltové směsi dle následující tabulky: Tabulka 7: Parametry zkušebních desek Směs ACO 11 ACL 16 ACP 22 Pojivo 50/70 50/70 COLFLEX Produkce OMV OMV COLAS Tloušťka [mm] Počet Obrázek 30: Zařízení RAAR 1 na konstrukci tloušťky 220 mm s absorbérem mikrovln Ústav pozemních komunikací 56 VUT-FAST Brno, 2013

57 8.1. ZAŘÍZENÍ RAAR 1 Laboratorní práce se zařízením RAAR 1 nepřinesly dobré výsledky. Zařízení bylo v prvním pokusném testu odzkoušeno na konstrukci vozovky o tloušťce 100 mm. K tomu posloužily výše popsané desky, jejichž teplota byla shodná s teplotou laboratorní. Během nahřívání konstrukce byly postupně zřizovány teplotní snímky. Po 36 minutách byla zkouška pro neúspěch ukončena. Na povrchu konstrukce vozovky bylo naměřeno pouhých 117 C. I přes nízký výkon zařízení byla v druhé fázi zvýšena tloušťka souvrství na 220 mm, aby mohlo být zjištěno, do jakých hloubek je mikrovlnné záření schopné proniknout. Teplota desek byla opět totožná s teplotou laboratorní a nahřívání proběhlo bez přerušení pro pořízení snímků termokamerou. Nakonec byly zkušební desky zmraženy na -10 C a zahřívány po dobu 75 minut, během které se povrch konstrukce ohřál jen na 116 C. Veškeré teplotní údaje o zkouškách jsou znázorněny v tabulce 8 a grafech 5 a 6. Všechna měření proběhla při laboratorní teplotě, která se pohybovala v rozmezí C. 1. MĚŘENÍ vzorek konstrukce vozovky o rozměrech 32 x 52 cm (2 sady desek 26 x 32 cm) ACO mm, ACL 16 tl. 60 mm celková tloušťka souvrství = 100 mm laboratorní teplota desek interval měření 3 minuty s přestávkou sekund pro pořízení snímku termokamerou 2. MĚŘENÍ vzorek konstrukce vozovky o rozměrech 32 x 52 cm (2 sady desek 26 x 32 cm) ACO mm, ACL 16 tl. 60 mm, ACP 22 tl. 2 x 60 mm celková tloušťka souvrství = 220 mm laboratorní teplota desek nepřerušené nahřívání 3. MĚŘENÍ vzorek konstrukce vozovky o rozměrech 32 x 52 cm (2 sady desek 26 x 32 cm) ACO mm, ACL 16 tl. 60 mm, ACP 22 tl. 2 x 60 mm celková tloušťka souvrství = 220 mm desky zmraženy na teplotu -10 C interval měření 5 minut s přestávkou sekund pro pořízení snímku termokamerou Ústav pozemních komunikací 57 VUT-FAST Brno, 2013

58 čas [minuty] Tabulka 8: Teplotní údaje o zkouškách s RAAR 1 Počáteční teplota desek = 20 C Počáteční teplota desek = 20 C Počáteční teplota desek = -10 C Teplota [ C] čas Teplota [ C] čas Teplota [ C] T max. T prům. T min. [minuty] T max. T prům. T min. [minuty] T max. T prům. T min. povrch povrch povrch 0 22,5 0,0 0,0 0-8,8 0,0 0,0 3 37,6 31,0 26,7 5 12,3 7,1 1,7 6 43,1 36,6 28, ,2 18,0 9,0 9 51,5 41,3 29, ,6 25,9 12, ,8 46,0 31, ,4 35,3 18, ,3 52,1 33, ,4 44,6 22, ,3 53,9 34, ,3 51,1 26, ,5 57,7 34, ,3 54,7 28, ,0 61,3 35, ,6 55,0 29, ,9 65,0 38, ,2 58,1 33, ,8 63,1 33, ,6 61,7 33, ,0 71,4 43, ,2 65,1 36, ,2 70,9 41, ,2 81,1 51, ,0 67,6 40, ,8 70,6 41, ,4 71,5 41, ,9 75,6 41,2 hloubka 40 mm hloubka 40 mm hloubka 40 mm 36 96,3 60,4 35, ,4 70,1 41, ,9 63,5 33,6 hloubka 100 mm hloubka 100 mm hloubka 100 mm 36 83,2 54,8 36, ,3 44,3 30, ,8 28,4 14,6 hloubka 160 mm hloubka 160 mm 36 41,6 37,7 32, ,7 19,9 12,2 - hloubka 220 mm = kamenivo frakce 4/8 hloubka 220 mm = kamenivo frakce 4/ ,1 38,6 24, ,7 22,4 13,5 Ústav pozemních komunikací 58 VUT-FAST Brno, 2013

59 Teplota [ C] Teplota [ C] Nové trendy při údržbě vozovek Graf 5: Závislost max. teplota povrchu - čas C -10 C Čas [minuty] Graf 6: Závislost max. teplota - hloubka C -10 C 20 C Hloubka [mm] Z tabulky 8 a grafů 5, 6 jasně vyplývá, že zařízení RAAR 1 sice asfaltové směsi úspěšně nahřívá, ale jeho výkon je příliš nízký. Nakonec se ukázalo, že chyba byla v nekvalitním čínském magnetronu. Hodnoty v tabulce a grafech byly získány z údajů termokamery, jejíž snímky jsou uvedeny v přílohách. Ústav pozemních komunikací 59 VUT-FAST Brno, 2013

60 8.2. ZAŘÍZENÍ RAAR 2 Po neúspěchu s prvním zařízením RAAR 1, vzniklo nové zařízení, které již obsahovalo kvalitní německý magnetron. V naměřených údajích se tento krok znatelně projevil. Postupně bylo provedeno celé spektrum zkoušek na zkušební konstrukci o tloušťce 220 mm (viz obrázky 28, 29), jejíž teplota se postupně pohybovala od -10 C do +30 C. ÚDAJE O ZKOUŠKÁCH vzorek konstrukce vozovky o rozměrech 32 x 26 cm (1 sada desek) ACO mm, ACL 16 tl. 60 mm, ACP 22 tl. 2 x 60 mm celková tloušťka souvrství = 220 mm teplota desek: -10 C, -5 C, 0 C, 5 C, 10 C, 15 C, 20 C, 25 C, 30 C desky byly temperovány na potřebnou teplotu v zařízení pro posouzení nízkoteplotních charakteristik asfaltových směsí dle [3] a v zařízení pro posouzení únavových charakteristik asfaltových směsí dle [1] interval měření 3 (respektive 2) minuty s přestávkou sekund pro pořízení snímku termokamerou zkoušky proběhly při laboratorní teplotě C Z měření vyplynulo, že pořízení kvalitního magnetronu bylo zásadní krokem k zefektivnění výkonu zařízení. I při zmražení desek na -10 C stačilo pouhých 15 minut k dosažení teploty povrchu 165 C. Problémem však zůstala malá plocha ohřátého povrchu (max 20 cm v průměru viz obrázek 32) a jeho nehomogenita ohřátí. Teplota byla nejvyšší uprostřed kruhu a směrem k okraji prudce klesala (viz snímky z termokamery v přílohách). Veškeré teplotní údaje o zkouškách jsou znázorněny v tabulkách 9, 10, 11 a grafech 7, 8, 9, 10. Jedná se o orientační hodnoty částečně zatížené chybou, které negativně ovlivňovaly krátké přestávky pro pořízení teplotního snímku. I během několika sekundové pauzy povrch zkušební konstrukce rychle vychládal. Naopak pozitivní bylo působení laboratorního prostředí, které nesnižovalo naměřené údaje z důvodu absence větru a nízkých teplot, jak by tomu mohlo být při zkoušce in situ. Dále byl proveden pokus, který měl za cíl utěsnění trhliny na povrchu zkušební konstrukce Obrázek 31: Zařízení RAAR 2 vozovky. K tomuto účelu byla namodelována trhlina v podobě zlomené desky (viz obrázek 33) Ta byla po dostatečném ohřátí a prolití vysoce modifikovaným asfaltovým pojivem a následném zhutnění v lamelovém zhutňovači desek dle [2] úspěšně zapravena (viz obrázek 34). Ústav pozemních komunikací 60 VUT-FAST Brno, 2013

61 Obrázek 32: Ohraničená plocha ohřátého povrchu (cca 20 cm) Obrázek 33: Zlomená deska Obrázek 34: Deska po opravě Ústav pozemních komunikací 61 VUT-FAST Brno, 2013