Asfaltová pojiva Silniční stavby 2
Asfalty Patří mezi skupinu živic (směsi uhlovodíků a jejich nekovových derivátů, které jsou rozpustné v sirouhlíku) Živice asfaltické: přírodní x ropné asfalty živice pyrogenetické: dehty
Přírodní asfalty Vyskytují se v přírodě Příměs minerálních látek Polotuhá – tuhá konzistence Bermudský, Trininadský, Venezuelský, Albánský - Selenica
1
Ropné asfalty Ropa asfaltická – s velkým množstvím asfaltu Poloasfaltická – s malým množstvím asfaltu Neasfaltická – téměř bez asfaltu
Chemické složení asfaltů směs vysokomolekulárních uhlovodíků kyslík dusík síra kovy nečistoty. je velice složité určit skutečný poměr jednotlivých chemických látek
Chemické složení asfaltů Asfalteny – nerozpustné látky Maltény – rozpustné látky v nízkomolekulárních parafinických rozpouštědlech - parafiny a nafteny - lehké a střední aromáty - těžké aromáty
2
Koloidní struktura asfaltů karboidy asfalteny pryskyřice saturované oleje aromatizované oleje
složky však nevytváří homogenní směs, ale zaujímají zvláštní rozmístění
Koloidní struktura asfaltů pevného skupenství - micelární (asfalteny, obaleny pryskyřicemi, tvoří ochrannou vrstvu před srážením pevných látek) kapalné skupenství - mezimicelární (oleje) Parafiny: pod bodem tuhnutí, jsou pevné, zvyšují obsah pevné fáze x nad bodem tuhnutí, zkapalní, zvětšují objem kapalné fáze Množství micel a jejich rozptýlení v kapalné fázi, ovlivňuje výsledné vlastnosti asfaltu.
Výroba asfaltů Vakuová destilace mazutu Oxidace vakuových zbytků
3
Výroba asfaltů – vakuová destilace
Výroba asfaltů - oxidace Takto získaný asfalt se může dále zpracovávat kontinuální oxidací Výroba silničních asfaltů kontinuální oxidací probíhá ve vertikálních oxidačních reaktorech. A sfalt předehřátý na 220°C se přivádí k horní části reaktoru a nastřikuje se pomocí trubky na spodní část reaktoru, kde dochází k dalšímu ohřevu až na 250°C. Během oxidace dochází ke změně struktury složek uhlovodíků, čímž se mění i vlastnosti asfaltového pojiva. Dosažení požadovaných vlastností asfaltu se zajistí přivedením stlačeného vzduchu do spodní části reaktoru. V průběhu oxidace se zvyšuje množství asfalténů, díky kterému stoupá bod měknutí a zároveň dochází k poklesu hodnoty penetrace i bodu lámavosti.
Výroba asfaltů Při oxidaci dochází ke změně struktury jednotlivých složek uhlovodíků, čímž je možné ovlivňovat některé požadované vlastnosti asfaltu - polofoukané asfalty. Rozlišujeme asfalty: destilační - asfalty získané přímo po destilaci, vhodné pro silniční 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.
4
Dělení asfaltových pojiv
Asfaltová pojiva ČSN EN 12591 Asfalty a asfaltová pojiva – Specifikace pro silniční asfaltová pojiva ČSN EN 14023 Asfalty a asfaltová pojiva – Systém specifikace pro polymerem modifikované asfalty ČSN EN 13924-1 Asfalty a asfaltová pojiva – Část 1: Tvrdý silniční asfalt ČSN EN 15322 Asfalty a asfaltová pojiva – Systém specifikace ředěných a fluxovaných asfaltových pojiv
Silniční asfalty Silniční asfalty jsou touto evropskou normou ČSN EN 12591 „Asfalty a asfaltová pojiva – specifikace pro silniční asfalty“ rozděleny do tří skupin: • I. Asfalty definované hodnotou penetrace při 25°C v intervalu 20 – 330 [0,1 mm], blíže specifikované právě penetrací při 25°C a bodem měknutí KK (tab. 6.1). • II. Asfalty definované hodnotou penetrace při 25°C v intervalu 250 – 800 [0,1 mm], blíže specifikované penetrací při 15°C a dynamickou viskozitou při 60°C. • III. Asfalty definované a specifikované kinetickou viskozitou při 60°C pro měkké asfalty.
50/70
30/45
5
Vlastnosti asfaltových pojiv Mechanicko-fyzikální vlastnosti asfaltů jsou nejčastějším ukazatelem jejich chování při aplikaci v praxi. S rozvojem uplatnění asfaltů v silničním stavitelství dochází i k rozvoji zkušebních metod. Přitom je třeba vycházet z možností praxe a snažit se aplikací běžných zkušebních metod získat optimum.
Stanovení bodu měknutí metodou kroužek a kulička (°C) Stanovení penetrace při 25°C (0,1mm) Stanovení bodu lámavosti podle Fraasse (°C) Výpočet penetračního indexu Zkouška krátkodobého stárnutí (teplotní stálost) – TFOT, RTFOT Stanovení silové duktility Stanovení skladovací stability Stanovení přilnavosti asfaltu ke kamenivu
Zkoušení asfaltových pojiv Penetrace jehlou ČSN EN 1426
Charakterizuje konzistenci asfaltu
Vzorek min. 150 g, tři jehly (definovány – maximální rozdíly jednotlivých měření) Dle penetrace se provádí základní označení pojiv např. 50/70 (tj. fyzicky 5 až 7 mm)
Zkoušení asfaltových pojiv Stanovení bodu měknutí ČSN EN 1427, Horní hranice oboru plasticity, asfalt přechází do tekutého stavu
ocelová kulička průměru 9,5 mm, položená na vrstvě asfaltu tloušťky 6,4 mm, zahřívané předepsaným způsobem, pronikne vrstvou asfaltu a protáhne jí do hloubky 2,5 cm pod s podní okraj prstenu
6
Zkoušení asfaltových pojiv Bod lámavosti
Dolní hranice oboru plasticity
- teplota vyjádřená ve stupních Celsia (°C), při které se tenká vrstva asfaltového pojiva o stanovené a rovnoměrné tloušťce za definovaných podmínek zatížení zlomí - vzorek o hmotnosti 410 ± 10 mg - počáteční teploty minimálně o 15 °C vyšší, než je očekávaný bod lámavosti - Rychlost ochlazování je 1°C/min
Zkoušení asfaltových pojiv Duktilita ČSN EN 13589
• • • •
teplota 5,0 ± 0,5°C konstantní rychlosti protahování 50 mm/min protažení 400 mm Bod přetržení je protažení, při kterém došlo k přetržení zkušebního tělíska • Deformační energie je energie v joulech dodaná zkušebnímu tělísku při protažení • Smluvní energie značí podíl deformační energie a počátečního příčného průřezu zkušebního tělíska
Rozpustnost Princip je založen na schopnosti rozpouštění v organických rozpouštědlech, čímž se vyjadřuje čistota asfaltového pojiva a obsah nerozpustných sloučenin a nečistot.
7
Bod vzplanutí Bod vzplanutí udává nejnižší teplotu, při které může dojít k vzplanutí asfaltového pojiva. Asfaltová pojiva během zahřívání postupně uvolňují hořlavé plyny, které se při kontaktu s otevřeným ohněm mohou vznítit. Bod vzplanutí je důležitý údaj pro bezpečnou manipulaci.
Zkoušení asfaltových pojiv stárnutí Krátkodobé - metoda RTFOT - metoda TFOT - metoda RFT - modifikovaná metoda RTFOT -
-
simulována odolnost proti tvrdnutí pojiva v průběhu míchání, dopravy a pokládce asfaltové směsi
Dlouhodobé - tlaková nádoba PAV - vysokotlaká metoda stárnutí (HiPat) - metoda stárnutí v rotačním válci (RCAT) - metoda dlouhodobého stárnutí v rotační baňce (LTRFT) - trojnásobná metoda RTFOT -
cca 7 až 10 let na vozovce
Zkoušení asfaltových pojiv Krátkodobé stárnutí RTFOT ČSN EN 12607-1 Rolling Thin Film Oven
osm skleněných nádob , 50 g pojiva, 75 minut při teplotě 162°C.[2]
8
Zkoušení asfaltových pojiv Krátkodobé stárnutí ČSN EN 12607-2 TFOT
tři misky , 50 g pojiva, 5 hodin při teplotě 163°C.
Zkoušení asfaltových pojiv Krátkodobé stárnutí ČSN EN 12607-3 RFT
Princip metody RFT, neboli stanovení odolnosti proti stárnutí vlivem tepla a vzduchu, je založen na tenké pohybující se vrstvě vzorku asfaltového pojiva, které se ohřívá v olejové lázni. Vzorek 100,0 g, 165 °C, 150 minut za konstantního přívodu vzduchu uložena pod úhlem 45° rychlostí20 otáček/min.
Zkoušení asfaltových pojiv Dlouhodobé stárnutí PAV Pressure Aging Vessel
tlak 2,1 MPa při teplotě 100°C po dobu 20 hodin
[2]
9
Zkoušení asfaltových pojiv Rotujícího válce (RCAT)
ČSN EN 15323
založena na stárnutí tenkého filmu asfaltového pojiva za použití rotujícího válce, do kterého je přiváděn předehřívaný vzduch při teplotě 140°C po dobu 140 hodin Odběr pojiva po 0 hod. – 17. hod. – 65 hod. 140 hod.
Vysokoteplotní vlastnosti uplatnění pro měření funkčních vlastností asfaltů, při teplotách nad 100oC při vývoji nových silničních materiálů cílem je návrh elastického materiálu i při vysokých teplotách
výroba
rotační viskozimetr
trvalé deformace
únava
dynamický smykový reometr
nízkoteplotní vlastnosti
průhybový reometr
Teplota
10
Nízkoteplotn Nízko teplotníí vlastnosti Posuzujeme: – Tuhost (stiffness) materiálu na uměle zestárnutém asfaltu – “m hodnotu” = tečna ke křivce zatížení BBR
Nízkoteplotn Nízko teplotníí vlastnosti Proč je nutné u asfaltových materiálů znát “m hodnotu“ ale i limitní tuhost S Chceme, aby materiál lépe relaxoval, tzn. tzn. cílem je měkký elastický asfalt nebo takový, který se dokáže protáhnout bez prasknutí
Popis, Průhybový reometr měřič deformace vzduchová ložiska řídící jednotka
zatěžovací jednotka
chladící kapalina
asfaltový trámeček podpory
teploměr
11
Vyhodnocení Nízkoteplotn Nízko teplotníí vlastnosti Posuzujeme:
Log tuhost S(t)
8
15
30
60
120
240
Log doba zatížení, t (s)
Zkoušení asfaltových pojiv Dynamický smykový reometr
Zkoušení asfaltových pojiv Průhybový reometr
12
Pojmy Rozmezí teplot stanovených v KK a Frasem charakterizuje tzv. obor plasticity asfaltů = rozsah teplot, ve kterých je možné asfalt použít Penetrační index
Modifikace asfaltových pojiv Důvody jejich zavedení: zvyšující se zatížení pozemních komunikací; nárůst intenzit dopravy; zavádění některých inovativních technologií – asfaltové koberce drenážní, asfaltové koberce mastixové; potřeba prodlužování životnosti konstrukce (oddálení poruch, omezení potřeb oprav). Přínosy modifikace: snižujeme teplotní citlivost asfaltu a jeho křehkost v oblasti nízkých teplot, zvyšujeme bod měknutí a rozšiřujeme obor plasticity asfaltu, zlepšujeme přilnavost asfaltu ke kamenivu, zvyšujeme kohezi, soudržnost a lepivost i za vyšších teplot, zlepšujeme odolnost proti vzniku trvalých deformací a proti účinkům opakovaného namáhání, snižujeme stárnutí asfaltu.
Modifikace asfaltových pojiv Uplatňované modifikační přísady: • přírodní polymery – kaučuk, celuloza; • plastomery (jednorozměrné); • elastomery (jednorozměrné); • duraplasty (trojrozměrné => epoxidové pryskyřice, polyuretany, polyestery • kyselina polyfosforečná (PPA). Poznámka k syntetickým polymerům: Prostorové uspořádání makromolekulárního řetězce jednorozměrných (termoplastických) polymerů podmiňuje jejich fyzikálně chemické i mechanické vlastnosti. Při zvýšeném namáhání nebo při vyšších teplotách může dojít k uvolnění vazeb vzniklých při homogenizaci pojiva
13
Další možnosti úpravy asfaltových pojiv Multigrádová asfaltová pojiva: Multigrádové asfalty jsou speciální silniční asfalty vyráběné v rafinériích speciální technologií. Vyznačují se především rozšířeným oborem plasticity a vyšším penetračním indexem, než běžné nemodifikované asfalty. Jsou vhodné pro výrobu asfaltových hutněných směsí typu VMT (směsi s vysokým modulem tuhosti) určených pro podkladní a ložní vrstvy vozovek s velmi těžkým dopravním zatížením. Jedná se o asfaltová pojiva s penetrací 20/30 a 35/50. Nízkoviskózní asfalty: • montánní vosky • Fischer-Tropschovy vosky • amidové vosky
PmB 25/55 - 60
• zeolit • zpěněný asfalt
14
