4.4 NOVÉ ZKUŠEBNÍ METODY EU PRO SILNIČNÍ ASFALTY NEW EU TESTING METHODS FOR PAVING GRADE BITUMENS

4.4 NOVÉ ZKUŠEBNÍ METODY EU PRO SILNIČNÍ ASFALTY NEW EU TESTING METHODS FOR PAVING GRADE BITUMENS Ing. Radek Černý, VÚAnCh a.s., Litvínov-Záluží Ing. Jiří Plitz, Ing. Daniel Švadlák, PARAMO, a.s., Pardubice Ing. Daniel Maxa, Ph.D., Ing. František Procháska, ÚTRP VŠCHT Praha Anotace V rámci projektu Zavádění nových metod EU pro hodnocení a zlepšení kvality silničních asfaltů a odvozených výrobků, bylo provedeno přezkoušení rozsáhlého souboru asfaltových pojiv vyráběných a používaných v České republice. Zkoušky probíhaly podle stávající specifikace, americké specifikace Superpave, doporučení TR 15352 a za použití další řady zkoušek. Byla získána rozsáhlá databáze empirických i viskoelastických vlastností, s jejíž pomocí jsou prováděny korelace mezi empirickými a viskoelastickými vlastnostmi, optimalizace vlastností asfaltových pojiv i jejich výroby. Vzhledem k rozsahu projektu se článek se zabývá pouze vybraným okruhem vzorků a vlastností. Abstract A wide set of bituminous binders produced and used in the Czech Republic was tested according to TR 15352 Development of performance-related specifications and the Superpave specifications in the project Introduction of new methods of EU for evaluation and improving quality of paving grade bitumen and derived products. Very valuable and actual empirical and rheological data of bituminous binders were obtained. The data are used to correlate the rheological parameters to the empirical ones and to optimize the properties of the binders as well as their production. In this article only the results for selected samples and tests are discussed. 1. Úvod Úloha asfaltu jako netuhého pojiva v asfaltových směsích spočívá kromě jiného v jeho schopnosti vyrovnávat napětí z dopravního a klimatického zatížení a předcházet vzniku deformací a poruch vozovky. Tato schopnost vyplývá z viskoelastických vlastností asfaltů jako takových, které se dále vylepšují modifikací různými přísadami, plasty, kaučuky apod. Nebývalý nárůst dopravního zatížení vozovek s sebou stále přináší zvýšené požadavky na vlastnosti asfaltových směsí v daných klimatických podmínkách. Jak již bylo mnohokrát zmíněno, tak stávající empirické kvalitativní parametry asfaltových pojiv (penetrace, bod měknutí, atd.) málo nebo nepřesně vypovídají o jejich viskoelastických vlastnostech. To se projevuje hlavně v případě modifikovaných asfaltů, v nichž obsažené polymery zásadně mění poměr mezi viskózní a elastickou složkou deformace asfaltového pojiva. Výsledkem amerického výzkumného programu SHRP (Strategic Highway Research Program, zkráceně SHRP, realizovaný v 80. a 90. letech 20. století) [1,2] bylo zavedení zcela nového systému funkčních charakteristik vycházejících z teorie chování viskoelastických látek a založených na komplexních modulech tuhosti, jakož i zavedení nového systému specifikací silničních asfaltů, tzv. Superpave. Bylo prokázáno, že funkční charakteristiky lépe korelují s kritérii tvorby poruch na vozovce, tj. s hloubkou vyjíždění kolejí při zvýšených teplotách a se vznikem trhlin jak při nízkých teplotách, tak při opakovaném namáhání únavě [3]. V Evropě se nové SHRP-metody postupem času natolik rozšířily [4,5,6], že výbor pro evropskou normalizaci CEN je přejal do soustavy evropských norem a zahájil práce na přípravě nové generace specifikace silničních asfaltových pojiv založené na funkčních charakteristikách. Tato nová funkční specifikace silničních asfaltových pojiv by měla být kompromisem mezi dosavadním jednoduchým a praktickým systémem třídění a přezkušování podle EN 12591 a novým systémem technicky složitějších a časově i finančně náročných funkčních charakteristik. 2. Připravovaná evropská funkční specifikace silničních asfaltů Na podzim roku 2005 vydal CEN návrh technické zprávy Technical Report TR 15352: Development of performance-related specifications. Tento dokument podrobně informuje o vývoji nových zkušebních metod a funkční specifikace a doporučuje shromažďovat data k asfaltovým pojivům podle tabulky 1 a 2. Tři nové parametry - komplexní modul, viskozita při nulovém smyku a ekviviskózní teploty při nízkém oscilačním smyku (tabulka 2) - u originálních pojiv a u pojiv podrobených zkouškám tepelné 1

Tabulka 1: Specifikace pojiv podle konvenčních zkoušek Charakteristika Zkušební metoda Jednotka Nominální rozsah penetrace EN 1426 0,1 mm Penetrace při 25 C EN 1426 0,1 mm Bod měknutí EN 1427 C Penetrační index EN 12591 - Dynamická viskozita při 60 C EN 12596 Pa.s Kinematická viskozita při 135 C EN 12595 mm 2 /s Bod lámavosti, Fraass EN 12593 C Vratná duktilita při 10 a 25 C EN 13398 % Skladovací stabilita EN 13399 Odolnost k stárnutí - RTFOT EN 12607-1 Změna hmotnosti EN 12607-1 % Zbylá penetrace při 25 C EN 1426 % Zvýšení bodu měknutí EN 1427 C Bod vzplanutí EN ISO 2592 C Rozpustnost EN 12592 % Hustota EN ISO 3838 - Tabulka 2: Funkční vlastnosti pojiv Charakteristiky Zkušební metoda Jednotka Při zvýšené teplotě užití Komplexní modul (DSR) G* a δ EN 14770 kpa/stupně Pro teplotní rozsah 40-80 C (při daných frekvencích) Pro rozsah frekvencí 0,1-10 Hz (při daných teplotách) Nízkoteplotní viskozita (LSV) Ekviviskozní teplota EVT1 při LSV = 2,0 kpa.s a 0,1 rad/s WI00336067 PrEN 15324 C Ekviviskozní teplota EVT2 při LSV = 2,0 kpa.s a 0,001 rad/s Viskozita při nulovém smyku (ZSV), creep mode, 60 C WI00336067 PrEN 15324 WI00336068 PrEN 15325 C kpa.s Při střední teplotě užití Komplexní modul (DSR): G* a δ EN 14770 kpa/stupně Pro teplotní rozsah 10-40 C (při daných frekvencích) Pro rozsah frekvencí 0,1-10 Hz (při daných teplotách) Při nízké teplotě užití Tuhost při -16 C EN 14771 MPa Průhybový trám. reometr, teplota při tuhosti 300 MPa Koheze Silová duktilita při 5/10 C + celá křivka Deformační energie při 5/10 C + celá teplotní křivka Kyvadlo Vialit: maximum + celá teplotní křivka EN 14771 C EN 13589 EN J/cm 2 13703 EN 13589 EN J/cm 2 13703 EN 13588 J/cm 2 Deklarovaná (nebo typická) hodnota Originální pojivo Pojivo po RTFOT Pojivo po PAV Deklarovaná (nebo typická) hodnota Originální pojivo Pojivo po RTFOT Pojivo po PAV 2

stálosti se stanovují na dynamickém smykovém reometru (DSR) [2,7], který se tím pádem stává stěžejním analytickým nástrojem budoucího hodnocení silničních asfaltů. Z teplotní závislosti komplexních modulů tuhosti G* a fázových úhlů δ naměřených na dynamickém smykovém reometru (DSR) se ve specifikaci Superpave odvozuje především parametr horní kritické teploty (HKT), který se používá pro předpověď poruch asfaltového krytu vozovky v podobě vzniku trvalých deformací. Uvažuje se, že k zvýšenému vyjíždění kolejí může docházet při hodnotě G*/sinδ 1 kpa u originálního pojiva. Po zkoušce tepelného stárnutí RTFOT, je předepsána hodnota G*/sinδ 2,2 kpa. Za HKT se potom považuje ta z teplot, která je nižší, což většinou bývá HKT po zkoušce RTFOT. Pro odhad HKT zvažuje CEN/TC336 ještě další parametry, které v americkém programu SHRP nebyly. Jsou mezi nimi i pomocí DSR stanovované ekviviskózní teploty (EVT) stanovené za určitých podmínek měření, přičemž pro posouzení vzniku plastických deformací je zajímavá oblast viskozit 0,8 až 5 kpa.s, jako kritická byla stanovena viskozita 2 kpa.s. Určují se tedy teploty ekvivalentní kritické viskozitě 2 kpa.s při dvou frekvencích, nejprve při ω = 0,1 rad/s (EVT1), potom při ω = 0,001 rad/s (EVT2), která je zpravidla o několik C vyšší. Při oscilačním dynamickém namáhání závisí zdánlivá viskozita na frekvenci zatěžování ω, při snižujících se frekvencích a tedy nízkém smykovém napětí se zdánlivá viskozita (low shear viscosity, LSV) přibližuje hodnotě ZSV. Nejvyšší viskozitu dosahují pojiva při tzv. nulovém smyku (zero shear viscosity, ZSV). ZSV je zdánlivá dynamická viskozita určená extrapolací z hodnot naměřených při malých konstantních smykových napětích (v tzv. pomalém toku). ZSV se stanovuje při teplotě 60 C. Velká pozornost je věnována také další metodě, a to stanovení modulu tuhosti za ohybu pomocí průhybového trámečkového reometru (BBR) [2,8], kterou se určují viskoelastické vlastnosti při nízkých teplotách provozu v okolí dolní kritické teploty (DKT), za které dochází k vzniku nízkoteplotních trhlin. Pro předpověď vzniku trhlin za nízkých teplot počítá CEN/TC336 s kritériem modulu tuhosti S, naopak nepočítá s m-hodnotu vyjadřující směrnici logaritmické závislosti tohoto modulu tuhosti na teplotě, a tím rychlost jeho vzrůstu. Vznik trhlin je kritický u asfaltových pojiv, jakmile modul tuhosti S překročí hodnotu 300 MPa. Teplota, při níž se tak stane, je považována za dolní kritickou teplotu (DKT) a určí se interpolací hodnot S měřených při několika teplotách. Pro rozlišení klasických a polymerem modifikovaných pojiv se v Evropě zavedly další tři zkoušky stanovení koheze, z nichž zejména dvě silová duktilita a koheze kyvadlem se staly součástí již dnes platných specifikací pro modifikované silniční asfalty a modifikované asfaltové emulze. Trvanlivost asfaltových pojiv se posuzuje jednak při krátkodobé zkoušce v otáčející se tenké vrstvě (RTFOT), jednak při dlouhodobé zkoušce v tlakové nádobě (PAV). Zkouška RTFOT napodobuje stárnutí pojiva při mísení asfaltového pojiva s kamenivem na obalovně, zkouška PAV má nepřímo napodobovat stárnutí v provozních podmínkách po určité, ale blíže nespecifikované (cca 5-10 let), době provozu. Po zkoušce PAV se uvažuje provádět pouze funkční zkoušky. 3. Projekt FI-IM3/105: Zavádění nových metod EU pro hodnocení a zlepšení kvality silničních asfaltů a odvozených výrobků Zkušenosti se stanovením nových charakteristik byly v ČR vzhledem k ceně přístrojů (DSR a BBR) a jejich časové náročnosti omezené. Odpovědnost za přezkoušení leží hlavně na výrobcích. Z toho důvodu zažádal v roce 2005 VÚAnCh společně s Paramo a VŠCHT Praha v rámci programu MPO Impuls o podporu projektu Zavádění nových metod EU pro hodnocení a zlepšení kvality silničních asfaltů a odvozených výrobků. Hlavní náplní projektu, který se řeší v letech 2006-2008, je zavedení metod pro stanovení viskoelastických vlastností (DSR, BBR a dalších), zmapování viskoelastických vlastností asfaltových výrobků na tuzemském trhu, možné korelace viskoelastických vlastností s klasickými a se složením hodnocených pojiv. V neposlední řadě je cílem a v neposlední řadě také aplikace nových metod v průmyslovém měřítku a zlepšení vlastností tuzemských asfaltů. Během jednoho a půl roku řešení projektu byly kromě zkoušek na stávajících reometrech DSR (VŠCHT) a BBR (Paramo) také uvedeny do provozu dva nové přístroje (DSR a BBR zakoupené Českou rafinérskou a.s. a pronajaté do VÚAnCh) a provedeno přezkoušení asfaltových pojiv vyráběných v České republice podle doporučení dokumentu TR 15352. Jde o rozsáhlý soubor zkoušek a charakteristik, které se změřily u 27 druhů a různých výrobních variant českých asfaltových pojiv, rozšířený ještě o zkoušky šesti porovnávacích zahraničních pojiv používaných při výstavbě vozovek v České republice. 3

Stanovení viskoelastických vlastností asfaltů na dynamickém smykovém reometru (DSR) byla prováděna na ÚTRP VŠCHT Praha na přístroji Rheostress 600 (Thermo Haake) s měřícím systémem deska-deska o průměru 25 mm v souladu s normami AASHTO T315-04 a ČSN EN 14770, jejichž principem je získání hodnoty tzv. komplexního modulu ve smyku G*, tedy odporu vzorku vůči periodické deformaci, a fázového úhlu δ, tzn. zpoždění mezi maximem deformace a maximem smykového napětí. Nízkoteplotní vlastnosti byly stanoveny v a.s. Paramo na trámečkovém reometru CBBR 2000 firmy Coesfeld Materialtest s kryostatem K 50 od firmy Haake. Příprava vzorků a měření probíhaly podle české technické normy ČSN EN 14771 (65 7093), která je v platnosti od září 2005. Vzhledem k rozsahu projektu a množství vzorků je v tomto příspěvku proveden jen velmi omezený výběr. Z produkce a.s. Česká rafinérská byly vybrány asfalty vyrobené ze suroviny s obsahem 30 % zbytku z visbreakingu v surovině pro polofoukání. 4. Vlastnosti nemodifikovaných asfaltů Asfalty z českých rafinérií jsou v mnoha ohledech specifické, protože jsou vyráběné z destilačních zbytků z ruské ropovodní ropy (REB Russian Export Blend), a to v převážné většině procesem polofoukání. Z hlediska nových reologických metod hodnocení nebyly dosud dobře zmapované. V tabulce 3 jsou u vybraných vzorků nemodifikovaných asfaltů uvedeny výsledky stanovení parametrů na dynamickém smykovém reometru (DSR) a průhybovém trámečkovém reometru (BBR). Tabulka 3: Vybrané vlastnosti nemodifikovaných pojiv Vzorek č. 3 18 30 9 19 13 Druh asfaltu 50/70 50/70 50/70 70/100 70/100 160/220 Výrobce* ČeR Paramo firma 2 ČeR Paramo ČeR Penetrace/25 C [p.j.] 63,1 62 57 76,3 82 174 Bod měknutí (KK) [ C] 48,6 49,7 49,2 45,9 45,3 38,0 Bod lámavosti (BL) [ C] -9-14 -9-11 -14-15 Rozdíl KK-BL [ C] 57,6 63,7 58,2 56,9 59,3 53,0 Měření na DSR HKT (SHRP) [ C] 67,6 69,5 69,2 64,1 63,6 55,5 HKT - KK [ C] 19,0 19,8 20,0 18,2 18,3 17,5 ZSV/60 C [kpa.s] 0,37 0,45 0,39 0,23 0,20 0,05 LSV, EVT1 [ C] 49,1 50,3 49,5 45,6 45,4 37,1 LSV, EVT2 [ C] 50,4 51,6 50,8 47,1 46,1 37,3 Měření na BBR DKT (SHRP) [ C] -21,6-24,1-19,7-23,7-24,4-20,2 BL - DKT [ C] 12,6 10,1 10,7 12,7 10,4 5,2 Rozdíl HKT-DKT [ C] 89,2 93,6 88,9 87,8 88,0 75,7 U běžných nemodifikovaných asfaltů závisí horní kritická teplota (HKT) na gradaci (tvrdosti) asfaltu a klesá s klesajícím bodem měknutí, a to z hodnot okolo 68 C pro asfalty gradac e 50/70 až na hodnotu 55,5 C u asfaltu typu 160/220. Rozdíl mezi HKT a bodem měknutí (HKT-KK) se pohybuje v rozmezí 17,5 až 20 C ve prospěch HKT, která přesněji určuje teplotu, při které bude u asfaltové směsi docházet k vyjíždění kolejí. Viskozita při nulovém smyku (ZSV - zdánlivá viskozita) stanovená při 60 C opět závisí na gradaci asfaltu a klesá s klesajícím bodem měknutí. Při stanovování ekviviskózních teplot EVT1 (frekvence 0,1 rad/s) a EVT2 (frekvence 0,001 rad/s) za podmínek nízkého smyku (LSV) se hledají teploty, při nichž má pojivo viskozitu 2 kpa.s. Obě nalezené ekviviskózní teploty leží ve všech případech velmi blízko stanoveným bodům měknutí, od kterých se liší o 0,1 až 1,9 C. Měřením tuhosti v tahu za ohybu na BBR byly stanoveny dolní kritické teploty (DKT) při kritické hodnotě tuhosti S = 300 MPa, které leží v rozmezí teplot -19,5 až -24,5 C. Hodnota DKT by se měla podle předpokladů snižovat s klesající gradací asfaltu, ale k tomu nedošlo. Naopak, nejměkčí asfalt typu 160/220 má nejvyšší hodnotu DKT (-20,2 C). Na měřené hodnoty DKT nijak nekorelovaly s hodnotami bodu lámavosti ani bodu měknutí. Velmi dobrých nízkoteplotních vlastností na přístroji BBR dosáhly polofoukané asfalty č. 18 a 19, jež měly v oblasti měřených teplot menší teplotní citlivost a kritickou hodnotu 300 MPa dosáhly při relativně nízké teplotě. Zdá se, že zkouška BBR je lepší zkouškou než lámavost, neboť detailněji 4

odkrývá zvláštnosti chování pojiva při nižších zimních teplotách. Oblast plasticity, vyjádřená rozdílem kritických teplot (HKT-DKT) odpovídajících kritické tuhosti na DSR a BBR, se postupně zvyšovala od měkkého asfaltu 160/220 až k nejtvrdšímu asfaltu 10/20. Teplota [ C] 69 64 59 54 49 44 39 HKT (SHRP) LSV: EVT1 LSV: EVT2 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 Bod měknutí [ C] Obrázek 1: Závislost horní kritické teploty a ekviviskózních teplot na bodu měknutí 5. Vlastnosti nemodifikovaných asfaltů po stárnutí metodou RTFOT Trvanlivost asfaltů, která se stanovuje zkouškou krátkodobého stárnutí (RTFOT) se v současné době hodnotí především změnou parametrů bodu měknutí, penetrace a lámavosti. V tabulce 4 jsou shrnuty změny těchto klasických hodnot a dále také změny ve viskoelastických vlastnostech. Tabulka 4: Vlastnosti nemodifikovaných pojiv po zkoušce RTFOT Vzorek č. 3 18 30 9 19 13 Druh asfaltu 50/70 50/70 50/70 70/100 70/100 160/220 Výrobce ČeR Paramo firma 2 ČeR Paramo ČeR Zbylá penetrace/25 C [%] 64,0 66,1 59,4 62,1 65,9 60,7 Zvýšení bodu měknutí [ C] 5,2 5,2 5,6 5,6 6,0 3,9 Zhoršení lámavosti [ C] 2,0 0,5 1,0 3,0 0,0 4,0 Rozdíl KK-BL [ C] 60,8 68,4 61,3 59,5 65,3 52,9 Měření na DSR HKT (SHRP) [ C] 68,5 69,0 69,7 65,6 63,6 54,5 Zvýšení HKT [ C] 0,9-0,5 0,5 1,5 0,0-1,0 HKT - KK [ C] 14,7 14,1 15,4 14,1 12,3 12,6 ZSV/60 C [kpa.s] 0,91 1,06 1,00 0,57 0,44 0,11 LSV: EVT1 [ C] 55,5 55,7 55,6 52,5 50,4 41,1 Zvýšení EVT1 6,4 5,4 6,1 6,9 5,0 4,0 LSV: EVT2 [ C] 56,3 57,1 56,6 53,4 51,5 41,6 Zvýšení EVT2 5,9 5,5 5,8 6,3 5,4 4,3 Měření na BBR DKT (SHRP) [ C] -20,6-25,6-16,8-20,5-28,3-20,2 Zhoršení DKT [ C] 1,0-1,5 2,9 3,2-3,9 0,0 BL - DKT [ C] 13,6 12,1 9,8 12,5 14,3 9,2 Rozdíl HKT-DKT [ C] 89,1 94,6 86,5 86,1 91,9 74,7 Změna (zvýšení) [ C] -0,1 1,0-2,4-1,7 3,9-1,0 Změny hmotnosti po RTFOT byly většinou blízké nule ± 0,1 % hm. To svědčí, že úbytek hmotnosti vlivem těkání lehčích složek, resp. příbytek hmotnosti vlivem reakce se vzdušným kyslíkem je 5

minimální. Požadavky na zbylou penetraci byly vesměs splněny. Ukázalo se, že nejspolehlivějším indikátorem odolnosti proti stárnutí zkouškou RTFOT je bod měknutí. Podobně můžeme porovnat změny v horní kritické teplotě a v ekviviskózních teplotách. U horní kritické teploty nedochází k podstatným změnám hodnoty zvýšení HKT kolísají okolo 0 C a případný pokles HKT lze přičíst spíše nepřesnostem v jejím stanovení. Z grafického znázornění na obrázku 2 je patrné, že neexistuje jednotný trend při posouzení změn vlivem stárnutí. V případě bodu měknutí jsou rozdíly mezi jednotlivými vzorky nejmenší, u zvýšení EVT1 jsou tyto rozdíly nejvyšší. Pokud se provede zprůměrování všech změn nebo pouze změn ekviviskózních teplot, tak v případě ekviviskózních teplot jsou rozdíly vyšší. Zdá se tedy, že viskoelastické parametry více zohledňují změnu vlastností asfaltu vlivem stárnutí. Na druhou stranu je ale třeba si uvědomit, že rozdíly v hodnotách EVT1 a EVT2 i v jejich zvýšeních vlivem stárnutí jsou v případě asfaltů 50/70 do 1 C a u asfaltů 70/100 do 2 C. Tyto rozdíly je možné považovat za minimální, zvláště přihlédneme-li k přesnosti stanovení jak u bodu měknutí, tak u ekviviskózních teplot. Na obrázku 3 jsou znázorněny závislosti HKT a EVT na bodu měknutí, a to jak pro zestárnuté, tak pro původní vzorky. Je vidět, že zatímco u HKT dochází vlivem stárnutí k posunu závislosti, tak u EVT jsou trendy zachovány. Co se týká dolní kritické teploty stanovené na BBR, tak zajímavé je zlepšení u asfaltů z Parama. Tyto hodnoty by bylo užitečné ověřit, protože obecně platí, že zestárnutím asfaltu dochází k zhoršení jeho nízkoteplotních vlastností, jak je tomu v případě ostatních vzorků. Zhoršení DKT u těchto vzorků je v rozmezí 1-3,2 C. Zvýšení [ C] 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 18 (50/70,Par) 30 (50/70,firma 2) 19 (70/100,Par) Zvýšení bodu měknutí Zvýšení EVT1 Zvýšení EVT2 Průměr Průměr z DSR Obrázek 2: Změny bodu měknutí a parametrů DSR vlivem stárnutí metodou RTFOT 67 62 Teplota [ C] 57 52 47 42 37 37 42 47 52 Bod měknutí [ C] HKT (SHRP) HKT po RTFOT LSV: EVT1 LSV: EVT1 po RTFOT LSV: EVT2 LSV: EVT2 po RTFOT Obrázek 3: Závislost HKT a EVT původních vzorků a vzorků po RTFOT na bodu měknutí 6

Kromě již uvedených výsledků bylo provedeno jak u původních vzorků, tak u vzorků po zkoušce RTFOT proměření závislosti komplexních modulů tuhosti G* a fázových úhlů δ na frekvenci ω v rozsahu 0,1 až 10 rad/s při 60 C, jak to požaduje dokument TR 15352. Ze získ aných hodnot je možné sestavit tzv. Blackův diagram - závislost komplexního modulu tuhosti G* na fázovém úhlu δ. Na obrázcích 4 a 5 je porovnání průběhu jednotlivých křivek. Vlivem stárnutí dochází k posunu křivek v Blackově diagramu, který je způsoben jednak zvýšením hodnoty G*, které indikuje ztvrdnutí asfaltu, a jednak snížením δ které je způsobeno zvýšením elasticity asfaltu. 100000 Komplexní modul G* [Pa] x 10000 1000 100 3 (50/70,ČeR) 18 (50/70,Par) 30 (50/70,firma2) 9 (70/100,ČeR) 19 (70/100,Par) 10 74 76 78 80 82 84 86 88 90 Fázový úhel [ ] Obrázek 4: Blackův diagram - závislost komplexního modulu tuhosti G* na fázovém úhlu δ pro původní vzorky 100000 Komplexní modul G* [Pa] x 10000 1000 100 3 (50/70,ČeR) 18 (50/70,Par) 30 (50/70,firma2) 9 (70/100,ČeR) 19 (70/100,Par) 10 74 76 78 80 82 84 86 88 90 Fázový úhel [ ] Obrázek 5: Blackův diagram - závislost komplexního modulu tuhosti G* na fázovém úhlu δ pro vzorky po zkoušce stárnutí RTFOT 7

6. Vlastnosti speciálních a modifikovaných asfaltů Výsledky stanovení parametrů na DSR a BBR u vybraných vzorků speciálních a modifikovaných asfaltů jsou uvedeny v tabulce 5. Tabulka 5: Vybrané vlastnosti speciálních a modifikovaných pojiv Vzorek č. 16 17 23 25 29 33 27 Druh asfaltu AP-25 VMT Mofalt SMA 25 Mofalt SMA 45 PMB PMB Mofalt SMA DM Výrobce Paramo Paramo Paramo Paramo firma 1 firma 3 Paramo Penetrace/25 C [p.j.] 28 35 23 40 66 75 79 Bod měknutí (KK) [ C] 62,1 59,5 78,5 64,6 52,1 62,1 84,9 Bod lámavosti (BL) [ C] -7-10 -9-11 -14-14 -15 Rozdíl KK-BL [ C] 69,1 69,5 87,5 75,6 66,1 76,1 99,9 Měření na DSR HKT (SHRP) [ C] 87,5 81,3 99,6 84,7 71,1 81,4 82,1 HKT - KK [ C] 25,4 21,8 21,1 20,1 19,0 19,3-2,8 ZSV/60 C [kpa.s] 4,68 3,32 69,23 8,26 0,80 3,54 12,56 LSV, EVT1 [ C] 65,3 62,3 79,4 66,1 52,5 60,4 54,2 LSV, EVT2 [ C] 66,2 64,1 82,7 70,1 55,6 64,4 58,5 Měření na BBR DKT (SHRP) [ C] -20,5-22,8-22,1-23,8-24,5-26,0-20,5 BL - DKT [ C] 13,5 12,8 13,1 12,8 10,5 12,0 5,5 Rozdíl HKT-DKT [ C] 108,0 104,1 121,7 108,5 95,6 107,4 102,6 Hodnocení modifikovaných asfaltů je složitější než je tomu v případě nemodifikovaných asfaltů, protože modifikátor (polymer) se přidává za účelem vylepšení právě viskoelastických vlastností. V úvahu se zde musí brát nejen typ modifikátoru, ale také jeho obsah, úroveň dispergace atd, a proto není možné pro různé vzorky hledat závislosti jako v případě nemodifikovaných asfaltů. V tabulce 5 jsou první dva vzorky (AP-25 a VMT) speciální druhy silničních asfaltů. Oproti nemodifikovaným asfaltům uvedeným v předcházející tabulce 3 vykazují zlepšené vlastnosti na DSR (HKT, ZSV, EVT) při zachování obdobných nízkoteplotních vlastností stanovených pomocí BBR (DKT). Rozdíly mezi bodem měknutí a ekviviskózními teplotami jsou u speciálních asfaltů vyšší (3 až 4,5 C), než je tomu u nemodifikovaných asfaltů. Další dva modifikované asfalty Mofalt SMA 25 a Mofalt SMA 45E vykazují při obdobných hodnotách penetrace další zlepšení, a to především u HKT. Znatelný je také nárůst ZSV. Zbylé tři vzorky s penetrací v rozmezí 66 až 79 penetračních jednotek mají podle hodnot bodu měknutí a HKT různou úroveň a druh modifikace. U vzorku Mofalt SMA DM je hodnota bodu měknutí nadhodnocena, jak ukazuje rozdíl HKT-KK (-2,8 C). Kritické hodnoty modulu tuhosti S = 300 MPa (DKT) vzorky speciálních a modifikovaných asfaltů dosahovaly v rozmezí teplot -20,5 až -26 C a tyto hodnoty opět nekorelovaly s naměřenými hodnotami bodu lámavosti. Při porovnání klasické oblasti plasticity (KK-BL) a rozdílu HKT-DKT vyniknul zejména MOFALT SMA 25 se 121,7 C a nikoliv nejvýše modifikovaný a měkký MOFALT SMA DM (102,6 C) s největším rozsahem klasické oblasti plasticity. Tvrdší a zejména modifikované druhy asfaltů vykazují ve srovnání s ostatními vzorky lepší viskoelastické vlastnosti, především pak větší rozdíl HKT-DKT. 7. Vlastnosti speciálních a modifikovaných asfaltů po stárnutí metodou RTFOT Stejně jako v případě nemodifikovaných asfaltů, také u speciálních pojiv a modifikovaných asfaltů byly provedeny zkoušky tepelné stálosti metodou RTFOT (tabulka 6) a posuzovány byly nejenom změny klasických vlastností, ale také viskoelastických parametrů. 8

Tabulka 6: Vlastnosti speciálních a modifikovaných pojiv po zkoušce RTFOT Vzorek č. 16 17 23 25 29 33 27 Druh asfaltu AP-25 VMT Mofalt Mofalt PMB PMB Mofalt SMA 25 45E SMA DM Výrobce Paramo Paramo Paramo Paramo firma 1 firma 3 Paramo Zbylá penetrace/25 C [%] 71,4 65,7 82,6 72,5 66,7 67,0 77,2 Zvýšení bodu měknutí [ C] 8,5 7,7 7,0 8,6 6,7 6,7 0,2 Zhoršení lámavosti [ C] 0,5 3,0 2,0 1,0-3,0 5 4,5 Rozdíl KK-BL [ C] 77,1 74,2 92,5 83,2 68,0 87,1 95,6 Měření na DSR HKT (SHRP) [ C] 87,5 83,9 98,0 84,8-76,5 68,6 Zvýšení HKT [ C] 0,0 2,6-1,6 0,1 - -4,9-13,5 HKT - KK [ C] 25,4 24,4 19,5 20,2-14,4-16,3 ZSV/60 C [kpa.s] 25,06 12,70 227,20 27,33-4,38 5,60 LSV: EVT1 [ C] 73,2 70,3 85,8 73,6-62,6 58,4 Zvýšení EVT1 7,9 8,0 6,4 7,5-2,2 4,2 LSV: EVT2 [ C] 75,6 72,7 91,1 79,2-67,2 66,5 Zvýšení EVT2 9,4 8,6 8,4 9,1-2,8 8,0 Měření na BBR DKT (SHRP) [ C] -19,2-22,2-21,0-19,7 - - -18,9 Zhoršení DKT [ C] 1,3 0,6 1,2 4,1 - - 1,6 BL - DKT [ C] 12,7 15,2 14,0 9,7 - - 8,42 Rozdíl HKT-DKT [ C] 106,7 106,1 119,0 104,5 - - 87,5 Změna (zvýšení) [ C] -1,3 2,0-2,8-4,0 - - -15,1 Zvýšení bodu měknutí a viskozity (index stárnutí), zvýšení oblasti plasticity a penetračních indexů je výraznější zejména u tvrdých polofoukaných pojiv. Vlivem stárnutí RTFOT došlo u tvrdých pojiv k zvýšení kritické teploty měřené na DSR odpovídající parametru G*/sinδ = 2,2 kpa, zatímco u standardních pojiv 50/70 a 70/100 došlo jen k nepatrnému zvýšení nebo dokonce k snížení této kritické teploty. Kritické teploty měřené na BBR se stárnutím RTFOT zvyšovaly, ve dvou případech i snížily, což může být ovlivněno chybami přístroje. Kromě Mofaltu SMA DM došlo u dalších hodnocených pojiv k zvýšení bodu měknutí o 6,7 8,6 C, které je vyšší než u nemodifikovaných asfaltů (tabulka 4). Zde může hrát roli jiný způsob modifikace (reaktivní elastomer, RET). U pojiva vysoce modifikovaného SBS kaučukem (č. 27) však nedošlo k žádnému zvýšení tuhnutí asfaltu vyrovnává degradace kaučuku. Podobně je tomu i u změn v ekviviskózních teplotách, kde ale vzorek zahraničního asfaltu (č. 33) vykázal zvýšení pouze o 2,2 a 2,8 C. U vzorku SMA DM došlo k zvýšení EVT1 o 4,2 C a EVT2 o 8,30 C, čímž se již blíží změnám u ostatních vzorků z Parama. Hodnoty zvýšení kritické teploty opět kolísají a u SMA DM dokonce podstatně klesá. Z grafického znázornění na obrázku 6 vyplývá, že u prvních čtyř vzorků má zvýšení bodu měknutí a ekviviskózních teplot podobný trend. Kritické teploty měřené na DSR u pojiv modifikovaných SBS poklesly neboť zkouškou RTFOT došlo jen k malému zvýšení tuhosti menšímu než odpovídá změně G*/sinδ z 1,0 na 2,2 kpa podle specifikace Superpave, resp. hodnota 2,2 kpa po RTFOT se dosáhne při nižší teplotě než hodnota 1,0 kpa před RTFOT. Kritické teploty měřené na BBR se po RTFOT zvyšují, tj. zhoršují. Lze říci, že zkouška RTFOT bude pojiva modifikována SBS řadit do nižších letních tříd PG a lepších zimních tříd než pojiva s chemickou modifikací typu RET. U dolní kritické teploty stanovené na BBR došlo vlivem zestárnutí k mírnému zhoršení (nárůstu) o 0,6 1,6 C, ale u Mofaltu SMA 45E byl nárůst vyšší, a to 4,1 C. Modifikované a speciální asfalty mají DKT po zkoušce RTFOT v rozmezí 19 až 22 C, které není významně lepší než u nemodifikovaných asfaltů (zde bylo rozmezí 17 až 28 C). Z Blackova diagramu (závislost komplexního modulu tuhosti G* na fázovém úhlu δ) pro původní asfalty (obrázek 7) a asfalty po zkoušce RTFOT (obrázek 8) je vidět, že speciální asfalty AP-25 a VMT 45 mají podobný průběh závislosti jako nemodifikované asfalty. Zcela odlišná je situace u modifikovaných asfaltů, kde je z tvaru křivek patrná změna viskoelastických vlastností vlivem modifikátoru. Zajímavý je průběh křivky u původního vzorku Mofaltu SMA DM, který je odlišný od ostatních vzorků modifikovaných asfaltů, ale po zkoušce stárnutí se jeho křivka již blíží tvaru křivky ostatních modifikovaných asfaltů. 9

Zvýšení [ C] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Zvýšení bodu měknutí Zvýšení EVT1 Zvýšení EVT2 Průměr Průměr z DSR 16 (AP-25) 17 (VMT 45) 23 (SMA 25) 25 (SMA 45E) 33 (firma 3) 27 (SMA DM) Obrázek 6: Změny bodu měknutí a parametrů DSR vlivem stárnutí RTFOT u modif. asfaltů Komplexní modul G* [Pa] x 1000000 100000 10000 1000 16 (AP-25) 17 (VMT 45) 23 (SMA 25) 25 (SMA 45E) 33 (firma 3) 27 (SMA DM) 100 50 55 60 65 70 75 80 Fázový úhel [ ] Obrázek 7: Blackův diagram pro speciální a modifikované asfalty 1000000 Komplexní modul G* [Pa] x 100000 10000 1000 100 16 (AP-25) 17 (VMT 45) 23 (SMA 25) 25 (SMA 45E) 33 (firma 3) 27 (SMA DM) 50 55 60 65 70 75 80 Fázový úhel [ ] Obrázek 8: Blackův diagram speciální a modifikované asfalty po stárnutí RTFOT 10

8. Odolnost proti dlouhodobému stárnutí metodou PAV Zkouška metodou PAV podle EN 14769 následovala po zkoušce RTFOT. Následující tabulka 7 udává přehled změn základních vlastností silničních asfaltů typu 50/70 a 70/100. Změny vlastností jsou uváděny k originálnímu pojivu, představují tedy změnu po obou testech stárnutí. Tabulka 7: Odolnost vůči dlouhodobému stárnutí PAV Vzorek č. 3 18 19 20 28 30 Druh asfaltu 50/70 50/70 70/100 70/100 50/70 50/70 Výrobce ČeR Paramo Paramo Paramo Firma 4 Firma 2 Změna hmotnosti [%] -0,34-0,3-0,33-0,28-0,3-0,32 Zbylá penetrace [%] 38,4 40,3 39 34,8 38,2 35,9 Zvýšení KK [ C] 15,1 13,9 12,8 10,6 18,0 15,0 Snížení BL [ C] 10 1,5 1,0 7,5 3 4 Zvýšení KK-BL [ C] 5,1 11,9 13,8 4,1 4,8 0,8 Zvýšení PI 1,14 0,6 0,41 0,34 1,24 0,95 Zvýšení PVN -0,58 0,57 0,3 0,07 0,58 0,31 Index stárnutí/135 3,11 3,04 2,45 2,27 3,29 2,79 Zvýšení DKT (BBR) [ C] 4,2 4,4 4,7 2,2 - - Za základní parametr hodnocení odolnosti k dlouhodobému stárnutí na vozovce se považuje zvýšení bodu měknutí. Nejmenší hodnotu měl vzorek č. 20. České asfalty zde dopadly lépe než zahraniční druhy. V nízkoteplotních vlastnostech překvapuje prakticky žádné zhoršení u polofoukaných asfaltů Paramo. Kritická teplota, při níž některý z parametrů S nebo m na BBR dosáhne kritickou hodnotu křehnutí, se po dvou stárnutích zvýšila (zhoršila) většinou o 4 5 C. Další tabulka 8 obsahuje porovnání modifikovaných asfaltů. Zde jsou výsledky nejednoznačné. Ze dvou vzorků Mofaltů chemicky modifikovaných (25, 26) měl jeden vysoké zvýšení bodu měknutí, druhý má zvýšení nejnižší. Největší zhoršení v lámavosti měl vzorek č. 29. Tabulka 8: Odolnost vůči dlouhodobému stárnutí PAV modifikovaná pojiva Vzorek č. 24 25 26 27 29 31 Druh asfaltu Mofalt Mofalt Mofalt Mofalt PMB PMB SMA45S SMA45E SMA65E SMA DM 45-80/50 45-80/60 Výrobce Paramo Paramo Paramo Paramo firma 1 firma Změna hmotnosti [%] -0,31-0,34-0,29-0,28-0,32-0,28 Zbylá penetrace [%] 41,8 35 37,9 46,8 38,2 38,6 Zvýšení KK [ C] 18,3 24,6 9,6-12,5 18 13 Snížení BL [ C] 3,5 5,5 4 5 14 5 Zvýšení KK-BL [ C] 14,8 18,9 5,6 17,5 30,8 8,1 Zvýšení PI 1,36 1,32 0,64 3,85 1,32 0,53 Zvýšení PVN 0,7 0,3 0,08 0,49 0,27 0,06 Index stárnutí/135 3,62 4,3 2,57 1,37 2,87 2,36 Zvýšení DKT (BBR) [ C] 12,1 12,9 6,4 4,7 - - 9. Koheze Přínos modifikace polymery (SBS termoplasty, reaktivní terpolymery) je patrný ze dvou zvýšených úrovní fyzikálních vlastností koheze a elasticity. Zkoušky koheze kyvadlem podle EN 13588 ukázaly, že nemodifikovaná pojiva dosáhnou nejvýše 0,4 J/cm 2, zatímco všechna modifikovaná pojiva mají svá maxima nad hodnotou 0,5 J/cm 2 a při teplotách zkoušky 50 60 C. Zkoušky koheze silo vou duktilitou (EN 13589) rozlišily pojiva nemodifikovaná a modifikovaná mnohem lépe nemodifikovaná dosáhla nejvýše 0,3 J/cm 2, modifikovaná pojiva ležela nad hodnotou 2,8 J/cm 2. Je tedy tato druhá metoda citlivější. Zároveň v sobě odráží charakteristiku klasické zkoušky duktility, neboť vyžaduje protažení na vzdálenost 400 mm. U některých typů modifikací nebo u vzorků zvláštním způsobem připravených (po stárnutí, zpětně získaných z emulzí apod.), u nichž se nedosáhne takového protažení, pak zkouška silové duktility selhává, přestože je materiál elastický. Je nutno potom volit jinou optimální teplotu zkoušení, jakési maximum závislosti na teplotě, podobné jako u zkoušky EN 13588. S tím však třídy kohezí v specifikacích modifikovaných pojiv nepočítají. Třetí zkouška koheze podle EN 13587 se hodnotí v rozsahu protažení 0 až 200 mm, může preferovat některá pojiva s nízkou průtažností, vysoce modifikované měkké pojivo vyhodnotí hůře než tvrdé pojivo nemodifikované a proto nemůže 11

být zkouškou ekvivalentní k těm předešlým. Zkouška vratné duktility podle EN 13398 je ze všech zkoušek k prokázání elastomerem modifikovaných pojiv nejjednodušší a nejspolehlivější. Tabulka 9: Koheze vybraných pojiv Vzorek č. 19 24 25 26 27 29 33 Druh asfaltu 70/100 Mofalt SMA45S Mofalt SMA45E Mofalt SMA65E Mofalt SMA DM PMB 45-80/50 PMB 45-80/60 Výrobce Paramo Paramo Paramo Paramo Paramo firma 1 firma 3 Typ modifikace - SBS RET RET SBS? SBS Zkouška kyvadlem [J/cm 2 ] 0,36 0,67 0,60 0,70 1,15 0,77 0,86 Silová duktilita [J/cm 2 ] 0,09 6,43 3,41 4,88 5,60 4,54 4,63 Vratná duktilita [%] <0> 76 72 85 92 72,5 97,5 10. Korelace V této kapitole se analyzují souvislosti a vztahy empirických a funkčních charakteristik. Podkladem k provádění korelací byla především práce T. Hagnera [9]. Z hodnot naměřených na DSR při teplotách 10, 25, 40, 60, 80 C byly vypočteny hodnoty: - akumulovaného fázového modulu G a ztrátového modulu G, - SHRP kritérium G*/sinδ vyjadřující odolnost k přetvoření, - logaritmické kritérium pro teploty 25 a 60 C pro odolnost vyjíždění kolejí, - regresní závislost mezi modulem tuhosti G* a penetrací, obojí při teplotě 25 C, - regresní závislost mezi kritériem G*/sinδ a bodem měknutí. Mezi kritickými teplotami na BBR pro S = 300 MPa a lámavostí byla shledána korelace jen pro polofoukané asfalty: DKT = -17,81 + 0,46.BL Mezi kritériem G*/sinδ na DSR a hodnotami lámavosti získal T.Hagner korelaci: při T = 20 C: G*/sinδ = 7,816 + 0,095.BL V této práci byly získány korelace blízké: při T = 10 C při T = 25 C G*/sinδ = 8,433 + 0,056.BL G*/sinδ = 7,664 + 0,066.BL Mezi parametry tuhosti G*,δ a parametry tuhosti S,m při teplotě -16 C byly pro všechny zkoušené asfalty získány tyto korelace: při T = 10 C G* = -5898210 + 246676.S -16 δ = 13,73 + 87,79.m -16 při T = 25 C G* = -4776270 + 81062.S -16 δ = 10,14 + 53,84.m -16 Závislost modulů tuhosti G* na penetraci při teplotě 25 C se ukázalo vhodnějším provést v logaritmických souřadnicích, přičemž byla získána korelace: při T = 25 C log G* = 8,8 1,28.log Pen Korelace mezi kritériem G*/sinδ při 60 C a bodem měknutí vyšla: při T = 60 C log G*/sinδ = 0,806 + 0,052.KK 11. Závěr Úspěšně se podařilo zavést a osvojit nové funkční zkoušky viskoelastických vlastností asfaltů na dynamickém smykovém reometru (DSR) a průhybovém trámečkovém reometru (BBR) podle evropských norem a dokumentu k vývoji nové evropské specifikace silničních asfaltů TR 15352. Rozsáhlá databáze výsledků získaných z přezkoušení komerčních druhů českých silničních asfaltů a jejich porovnání se silničními asfalty od třech předních evropských výrobců umožnily získat ucelenou představu o jejich vlastnostech hodnocených empirickými a novými funkčními metodami. V tomto shrnujícím příspěvku nebylo možno uvést všechny výsledky, a tak byl prezentován jen výběr části z nich. Obdržené výsledky umožní dále pracovat na optimalizaci složení a dalším hodnocení kvality pojiv, jakož i prohlubovat zkušenosti s novými zkušebními metodami a s aplikací dosažených výsledků. 12

Poděkování Práce byla realizována za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky v rámci projektu FI-IM3/105. Literatura 1. D'Angelo, J.A.: Understanding the superpave performance related binder specification and how it has performed in the real world, 40th International Petroleum Conference, Bratislava, 17. - 19. 9. 2001. 2. Asphalt Institute: Superpave series No. 1, 1997. 3. Carswell, J.; Green, P.J.: Prediction of rutting resistance in hot rolled asphalt using rheological parameters, 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress, Barcelona, 20. - 22. 9. 2000. 4. Thau M.: The SHRP Superpave System the European Perspective, 1998. 5. Litzka,J.;Strobl,R.;Pass,F.;Augustin,H.: Experiences with Performance Related Binder Tests in Austria: The Connection of Standard Tests and SHRP Tests, 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress, Barcelona, 20. - 22. 9. 2000. 6. Planche, J.P.; Le Hir, Z.M.; Anderson, D.A.: Nová specifikace pojiv dle superpave, aplikace na hodnocení modifikovaných pojiv, Konference Asfaltové vozovky 2003, České Budějovice, 25.-26. 11. 2003. 7. Hagner, T.: Unterschung und Bewertung von bitumenhaltigen Bindermitteln főr Asphalt mittels Dynamischem Scher-Reometer, Bitumen, www.bitumen-magazin.de. 8. Kreide, M.: Nové reologické zkoušky asfaltových pojiv, Konference Asfaltové vozovky 2003, České Budějovice, 25. - 26. 11. 2003. 9. Hagner T.: Untersuchung und Bewertung von bitumenhaltigen Bindemitteln für Asphalt mittels Dynamischem Scher-Rheometer; Fachartikel Bitumen, Erscheinungsjahr 2005 (http://www. bitumen-magazin.de). 13