VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ DR. ING. MICHAL VARAUS POZEMNÍ KOMUNIKACE II MODUL 3 ASFALTOVÁ POJIVA STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Pozemní komunikace II Modul 3 Michal Varaus, Brno 2005-2 (17) -
Obsah OBSAH 1 Úvod...4 1.1 Cíle...4 1.2 Požadované znalosti...4 1.3 Doba potřebná ke studiu...4 1.4 Klíčová slova...4 2 Silniční asfalty...5 2.1 Definice, rozdělení...5 2.2 Asfalt charakteristické vlastnosti...6 2.3 Zkoušení asfaltových pojiv...7 2.4 Modifikované asfalty...10 2.5 Ředěné asfalty...11 2.6 Asfaltové emulze...12 3 Závěr...17 3.1 Shrnutí...17 3.1.1 Seznam doplňkové studijní literatury...17-3 (17) -
Úvod 1 Úvod 1.1 Cíle Cílem je poskytnout Vám informace o asfaltových pojivech jakožto jednom ze základních materiálů pro stavbu vozovek. Informace, které se v tomto bloku dozvíte se budou týkat vlastností asfaltových pojiv, jejich výroby, zkoušení a aplikace. 1.2 Požadované znalosti Fyzika, chemie stavebních látek, inženýrská geologie, pružnost a pevnost a znalosti z ostatních odborných předmětů absolvovaných na Ústavu pozemních komunikací. 1.3 Doba potřebná ke studiu Doba potřebná pro nastudování tohoto modulu se odhaduje na cca 4 hodiny. 1.4 Klíčová slova ropa, rafinérie, asfaltové pojivo, modifikovaný asfalt, asfaltová emulze, ředěný asfalt, penetrace, bod měknutí, bod lámavosti, duktilita - 4 (17) -
Silniční asfalty 2 Silniční asfalty 2.1 Definice, rozdělení Asfaltové pojivo - definice Směs uhlovodíků, jejíž elasticko-viskózní chování se mění se změnou teploty. Jedná se o koloidní směs vysoce molekulárních uhlovodíků, v které je zastoupeno až kolem tisíce různých sloučenin. Ty se v zásadě rozdělují na tekuté složky (oleje, pryskyřice označované maltény) a pevné částice asfaltény. Základní rozdělení asfaltů : Přírodní asfalty Přírodní asfalty se vyskytují málo, největším zdrojem přírodních asfaltů je jezero Trinidad (35 ha, cca 90 m hloubka). Čistý asfalt se získává zahřátím na 160 o C a následným prolitím přes síta, na kterých se zachycují hrubé nečistoty a organické zbytky. Tento asfalt je znám pod názvem Trinidad Epuré. Tento asfalt je příliš tvrdý než aby mohl být používán jako pojivo do asfaltových směsí. Proto se provádí jeho míchání s měkkým ropným asfaltem, který je pak běžně používán v silničním stavitelství. V Evropě se nachází přírodní asfalt v Albánii - Selenica. I tento asfalt se vždy vyskytuje s příměsí minerálních látek. Ropné asfalty se získávají destilací surové ropy. Podle chemického a látkového složení rozlišujeme tři základní druhy rop: asfaltické ropy, které obsahují větší množství asfaltických látek poloasfaltické ropy (též poloparafinické) s malým obsahem asfaltických látek neasfaltické (parafinické) s nepatrným množstvím asfaltických látek. Výroba asfaltů Výrobní zařízení je třístupňové. Ropa se ze skladovacích nádrží čerpá přes výměníky do odsolovací stanice, kde se elektrostaticky odstraní převážný obsah solí. Pak se dostává do odpařovací kolony, kde se odstraní nejlehčí podíly a po dalším předehřátí v peci se nastřikuje do atmosférické destilační kolony, kde se oddestiluje kerosin, benzín, petrolej, oleje. Zbytek po destilaci je mazut. Mazut se vede přes vakuovou destilační kolonu, kde se dále oddestilují za podtlaku tři olejové frakce lišící se viskozitou, zbytkem je pak asfalt. Asfalt je tedy posledním produktem celého procesu. Takto získaný asfalt se může dále zpracovávat kontinuální oxidací. Při oxidaci dochází ke změně struktury jednotlivých složek uhlovodíků, čímž je možné - 5 (17) -
Úvod ovlivňovat některé požadované vlastnosti asfaltu. Tímto způsobem se vyrábí polofoukané asfalty. Rozlišujeme asfalty: destilační jako asfalty získané přímo po destilaci vhodné pro použití v silničním stavitelství. polofoukané vyráběné z destilačních asfaltů umělým stárnutím, oxidací vakuového zbytku. foukané vyráběné z destilačních asfaltů umělým stárnutím, oxidací k získání vysoce viskózních asfaltů používaných v izolacích proti vodě a vlhkosti. modifikované destilační nebo polofoukané asfalty jsou upraveny přídavkem přísad v silničním stavitelství používané pro vysoce namáhané asfaltové směsi nebo pro a zálivky. 2.2 Asfalt charakteristické vlastnosti Nejdůležitější charakteristikou asfaltového pojiva je teplotní citlivost. Chování asfaltového pojiva je závislé na teplotě výsledky kterékoli zkoušky asfaltového pojiva musí být vždy udávány s teplotním údajem. V této souvislosti je asfaltové pojivo označováno jako viskoelastický materiál - za nízkých teplot se chová jako pružná látka, za vysokých teplot jako kapalina charakterizována svou viskozitou. Za běžných teplot má asfaltové pojivo obojaké vlastnosti, tedy visko-elastické. Silový odpor proti deformaci, který je vyjádřen viskozitou, je úměrný rychlosti deformace, nebo-li podle délky zatížení a viskozity dochází k různé velikosti deformace. V souvislosti s použitím asfaltových pojiv do asfaltových směsí je zapotřebí zdůraznit zejména závislost chování asfaltových směsí na rychlosti zatížení, kde se viskózní složka asfaltového pojiva výrazně projeví: - při nízkých rychlostech nebo stání vznikají velké deformace (autobusové zastávky, stoupací pruhy na dálnicích) - při vysokých rychlostech malé deformace Obr. 2.1: Asfalt visko-elastický materiál - 6 (17) -
Závěr Oxidace asfaltu Protože je asfalt organickou látkou, reaguje s kyslíkem z okolního prostředí = oxidativní tvrdnutí a stárnutí asfaltu = tvrdší a křehčí struktura. K oxidaci dochází rychleji za vysokých teplot (např. při míchání asfaltové směsi na obalovně) 2.3 Zkoušení asfaltových pojiv Zkoušky asfaltových pojiv lze rozdělit do dvou druhů zkoušky konvenční (penetrace, bod měknutí, bod lámavosti, vratná duktilita, viskozita) a zkoušky funkční (simulující stavy během výroby asfaltové směsi = oxidativní stárnutí, únavové vlastnosti atd.) Funkční zkoušky asfaltových pojiv byly vyvinuty v rámci projektu SHRP (Strategic Highway Research Project) v USA v 90. letech. Konvenční zkoušky asfaltových pojiv: penetrace Od této zkoušky je odvozeno označení asfaltů, určuje tvrdost asfaltu při teplotě 25 o C, výsledkem zkoušky je hloubka průniku jehly do vzorku asfaltového pojiva, udává se v desetinách milimetru. Např. asfalt označovaný 70/100 má mít penetraci v rozmezí 7-10 mm. Obr. 2.2: Penetrace bod měknutí kroužek kulička (KK) Horní hranice oboru plasticity, udává se ve o C. Za touto pak přechází asfalt do tekutého stavu. Obr. 2.3: Bod měknutí - KK - 7 (17) -
Úvod bod lámavosti Dolní hranice oboru plasticity, udává se ve o C. Při překročení této teploty se asfalt stává křehkým a praská. Rozmezí teplot stanovených ve dvou výše uvedených zkouškách charakterizuje tzv. obor plasticity asfaltů = rozsah teplot, ve kterých je možné asfalt použít. Obr. 2.4: Bod lámavosti vratná duktilita U modifikovaných asfaltů se měří tzv. vratná duktilita, vlákno se po natažení na délku 25 cm přestřihne a měří se míra zpětného přetvoření. Obr. 2.5: Vratná duktilita viskozita Charakterizuje míru vnitřního tření, měří se pomocí viskozimetrů. Další zkoušky asfaltu, méně často používané : penetrační index (charakterizuje teplotní citlivost asfaltů, je možné jej vypočítat na základě výsledku zkoušek penetrace a bodu měknutí), rozpustnost v benzenu - vyjadřuje čistotu asfaltu bod vzplanutí - nejnižší teplota, při které páry hoří alespoň 5 s - 8 (17) -
Závěr V následujícím grafu je uvedeno chování základních tří druhů asfaltů S primárního, W parafinického a B modifikovaného v závislosti na teplotě a ve vztahu k výše uvedeným zkouškám asfaltů. Obr. 2.6: Porovnání vlastností tří zákl. druhů asfaltů v závislosti na teplotě - 9 (17) -
Úvod Zkušební metoda Tabulka 1: Specifikace silniční asfalty Jednotka 20/30 30/45 50/70 70/100 100/150 160/220 Penetrace při 25 C EN 1426 0,1 mm 20 30 30 45 50 70 70 100 100-150 Bod měknutí EN 1427 C 55 63 52 60 46 54 43 51 39 47 35 43 Bod vzplanutí EN ISO 2592 C 240 240 230 230 230 220 Bod lámavosti podle Fraasse 160-220 EN 12593 C - -5-8 -10-12 -15 2.4 Modifikované asfalty Stále se zvyšující dopravní zatížení a s ním i požadavky na asfaltové směsi vyžadují vyšší kvalitu asfaltů. Nevystačíme s běžně vyráběnými asfalty modifikace asfaltů aditivy, kterými se dosahuje : zlepšení přilnavosti asfaltu ke kamenivu snížení teplotní citlivosti a jeho křehkosti v oblasti nízkých teplot (snížení bodu lámavosti) zvýšení bodu měknutí rozšíření oboru plasticity zlepšení odolnosti proti vzniku trvalých deformací snížení stárnutí asfaltu Modifikované asfalty jsou asfalty, jejichž vlastnosti byly změněny přidáním přísad, čímž byly změněny buď jejich chemické nebo fyzikálně-mechanické vlastnosti. První modifikace asfaltů se datuje od roku 1938. Tehdy v USA začali přidávat síru do silničních asfaltů, aby zlepšili jejich vlastnosti. Další pokusy se prováděly např. ve Francii pouze na úrovni experimentů a pokusných úseků, pro široké použití byly modifikované asfalty příliš drahé. K širšímu použití modif. asfaltů dopomohla až první ropná krize, kdy cena asfaltu byla výrazně zvýšena, což vedlo ke snaze používat asfalty s delší životností. První polymery modifikované asfalty se objevily v 70. létech v Německu a Rakousku. Rozdělení modifikátorů Nejběžněji používaným typem modifikátorů jsou polymery. Polymery jsou makromolekuly, v kterých se opakuje stejná skupina atomů. Polymery je možné rozdělit do dvou hlavních kategorií : termosetické polymery nevratně tvrdnou při zahřátí nepoužívají se pro modifikace - 10 (17) -
Závěr termoplastické polymery zahřáním se stávají reversibilně plastickými. Tyto se vmíchávají do asfaltů za vysokých teplot, přičemž výsledná směs je vysoce viskózní. Termoplastické polymery se dělí na elastomery a plastomery. Kromě polymerů se dále používají k modifikaci např. latexy a drcená guma. Obecně lze říci, že modif. asfalty zlepšují chování asfaltových pojiv v oblasti nízkých a vysokých teplot asfaltové směsi jsou pak odolnější proti tvorbě mrazových trhlin nebo tvorbě trvalých deformací. Ovlivnění vlastností však závisí na druhu a množství modifikátoru, na výchozím asfaltovém pojivu atd. Pro hodnocení asfaltových pojiv nelze vždy použít výsledky klasických zkoušek asfaltů výsledky jsou zavádějící (modifikací se např. bod lámavosti oproti původnímu asfaltu nezmění, ale ve skutečnosti se nízkoteplotní chování asfaltů zlepší to lze však prokázat jinými zkouškami např. na asfaltových směsích). 2.5 Ředěné asfalty Snaha o provádění silničních stavebních prací i za méně příznivých podmínek vedla k zavedení a výrobě ředěných asfaltů. Ředěné asfalty se vyrábějí ze silničního ropného asfaltu s přísadou benzinových nebo petrolejových ředidel. ředěné asfalty na bázi benzinových ředidel - rychle tuhnoucí - AR-RT 20, 50, 90, 150 na bázi petrolejových ředidel - normálně tuhnoucí AR-NT 100 (míchá se na obalovně s kamenivem a vyrábí se studená směs na výsprávku výtluků) Je možné používat též aditivované ředěné asfalty např. AR-RT 20 A. Ten se skládá se z 72,5 % silničního ropného asfaltu 70/100, 27 % lakového benzínu a 0,5 % adhesivní přísady k zlepšení přilnavosti k vlhkému a kyselému kamenivu. Používají se taktéž k předobalení kameniva a výspravě výtluků a jako spojovacího postřiku mezi asfaltovými vrstvami. Regenerační ředěné asfalty ARP 30A - speciální vysoce oxidovaný asfalt + organická rozpouštědla zvyšuje odolnost vozovky proti povětrnostním vlivům - naleptání povrchu, odolnost proti chemickým posypům, proti ropným produktům atd. Výhody a nevýhody ředěných asfaltů: zpracování a použití za studena, možnost použít i kyselé a mokré kamenivo, neekologické! - 11 (17) -
Úvod 2.6 Asfaltové emulze Obr.2.7: Mikroskopická fotografie asfaltové emulze Asfaltové emulze jsou nestabilní heterogenní systémy dvou vzájemně nerozpustných látek (vody a asfaltu), přičemž jedna se vyskytuje v druhé ve formě malých kapiček (1 10 µm kapičky asfaltu). Emulze vzniká mechanickým rozptýlením mikroskopických kuliček asfaltu ve vodě v tzv. koloidních mlýnech. Zároveň se přimíchává povrchově aktivní látka za účelem stabilizace emulze tzv. emulgátor. Emulgátory se dělí podle druhu náboje na anionaktivní (ph > 7), kationaktivní (ph < 7). Podle toho se rozlišují taktéž emulze. Viskozita emulze závisí na obsahu asfaltového pojiva max. 74 % objemově. Kontaktem emulze s kamenivem dochází k deaktivaci emulgátoru, tzv. štěpení emulze, přičemž dochází pozvolně k přechodu z tekutého stavu do stavu čistého asfaltového pojiva a voda se vypařuje. Pro výrobu emulzí se používá buď normálního ropného asfaltu nebo modifikovaného asfaltu. Asfaltové emulze se používají pro provádění spojovacích postřiků, asfaltových nátěrů a např. tenké za studena kladené vrstvy. - 12 (17) -
Závěr 2.7 Technologie asfaltových emulzí 1. Postřikové technologie: nátěry spojovací postřiky sanace trhlin Nátěry Nátěry jsou tenké asfaltové vrstvy, u kterých se na stávající podklad nástřikem pomocí distributoru nanese nejprve asfaltová emulze a následně kamenivo úzké frakce. Používají se buď u novostaveb (vozovky s velmi nízkým dopravním zatížením) při kladení na některou z prolévaných vrstev, většinou pak jako údržbová technologie, která má: - utěsnit stávající kryt (např. narušený trhlinami) - zlepšit drsnost stávajícího povrchu - popř. vyplnit vyjeté koleje Obr. 2.8 Technologie asfaltových nátěrů - 13 (17) -
Úvod Obr. 2.9 Podrcení nátěru Spojovací postřiky Provádí se za účelem spojení dvou asfaltových vrstev (zabezpečení spolupůsobení) Obr. 2.10 Distributor pro provádění nástřiku emulze nebo horkého asfaltu - 14 (17) -
Závěr Sanace trhlin Na rozprostřenou geotextilii. se provede nástřik asfaltové emulze, geotextilie nasákne emulzi a přilne lépe k povrchu vozovky. Vysoký obsah asfaltového pojiva (1,1 kg/m 2 ) zajistí utěsnění povrchu a lepší spojení vrstev. 2. Míchací technologie tenké zastudena kladené vrstvy recyklace za studena skladovatelná studená směs Tenké za studena kladené vrstvy Emulzní kalové zákryty Tenké zastudena kladené vrstvy jsou vrstvy do 20 mm. Pokládají se na stávající asfaltové vrstvy. K provádění těchto vrstev zastudena se provádí pokladači, v nichž se provádí smíchání kameniva s emulzí. Směs se klade přímo na daný podklad. Emulze se v takto nanesené směsi začne štěpit, po vyštěpení emulze je možné vrstvu okamžitě pojíždět. Použití této technologie : - zaplnění vyjetých kolejí - utěsnění povrchu s trhlinami - zlepšení drsnosti povrchu - snížení hladiny hluku Používá se většinou modifikované emulze. Štěpení emulze je zapotřebí přizpůsobit podmínkám pokládky. Obr. 2.11 Technologie tenkých za studena kladených vrstev - 15 (17) -
Úvod Recyklace za studena s přidáním asfaltového pojiva a cementu Tato technologie spojuje přednosti cementu a asfaltu (pevnost a pružnost). Nově budovaná vrstva by měla být dostatečně odolná proti tvorbě trvalých deformací a tvorbě trhlin. Míchání se provádí v míchacím centru nebo přímo na stavbě. Tuto technologii lze použít k sanaci starých vozovek např. z penetračního makadamu, kdy povrch vozovky je značně narušen a objevují se velká zrna kamenné kostry (32-63), kde je vozovka porušena výtluky nebo celoplošnými deformace se síťovými trhlinami (neúnosné podloží). Nejdříve se provede rozrušení stávajícího krytu speciální frézou, případně se doplní materiál (např. frakce 0-4), rozprostře se cement a frézou se provede promíchání za současného dávkování asfaltové emulze (možno přimíchávat též cement ve formě cementové suspenze). Takto připravená směs se hutní a může být kvalitní podkladní vrstvou, na kterou se položí kryt z asfaltové směsi nebo se povrch utěsní provedením asfaltového nátěru. Nevýhodou této technologie je její ekonomická náročnost. Obr. 2.12 Recyklace netuhých vozovek za studena Skladovatelná studená směs Studená směs slouží k výplni výtluků. Míchá se buď asfaltová emulze nebo ředěný asfalt s kamenivem. Skladuje se buď na hromadě (nutno zakrýt plachtou kvůli odpařování vody) nebo v igelitových pytlích. - 16 (17) -
Závěr 3 Závěr 3.1 Shrnutí Tento modul slouží k získání základních informací o asfaltových pojivech, jejich výrobě, zkoušení, modifikovaných asfaltech, ředěných asfaltech a asfaltových emulzích. 3.2 Studijní prameny 3.2.1 Seznam doplňkové studijní literatury ČSN EN 12591 ČSN EN 14023 ČSN EN 1426 ČSN EN 1427 ČSN EN 12593 ČSN EN 13398 Asfalty a asfaltová pojiva - Specifikace pro silniční asfalty Asfalty a asfaltová pojiva - Systém specifikace pro polymerem modifikované asfalty Asfalty a asfaltová pojiva Stanovení penetrace jehlou Asfalty a asfaltová pojiva Stanovení bodu měknutí kroužkem a kuličkou Asfalty a asfaltová pojiva Stanovení bodu lámavosti podle Fraasse Asfalty a asfaltová pojiva Stanovení vratné duktility modifikovaných asfaltů - 17 (17) -