145
program
Nové zkušební metody EU pro silniþní asfalty Ing. Radek ýernýa, Ing. JiĜí Plitzb, Ing. Daniel Maxa, Ph.D.c a
) VÚAnCh a.s., areál Chemopetrol, 436 70 Litvínov-Záluží,
[email protected] ) Paramo, a.s., PĜerovská 560, 530 00 Pardubice,
[email protected] c ) VŠCHT Praha, Ústav technologie ropy a petrochemie, Technická 5, Praha 6,
[email protected] b
Úvod Silniþní asfalt je stavebním materiálem, který hraje významnou roli pĜi výstavbČ pozemních komunikací. V porovnání s jinými materiály, napĜ. cementovým betonem, má nespornou výhodu v širokých možnostech využití v technologiích pro stavbu a údržbu vozovek rĤzného dopravního zatížení. V asfaltových smČsích (smČsi obsahující 5-7 % asfaltu a 95-93 % kameniva) asfalt funguje jako netuhé pojivo, které je schopno svými viskoelastickými vlastnostmi vyrovnávat napČtí z dopravního a klimatického zatížení a pĜedcházet vzniku deformací a poruch vozovky. Nebývalý nárĤst dopravního zatížení vozovek s sebou þasto pĜináší zvýšené požadavky na vlastnosti asfaltových smČsí v daných klimatických podmínkách. Stoupající nároky na kvalitu a trvanlivost vozovek v USA vedly v 80. a 90. letech 20. století k realizaci rozsáhlého výzkumnému projektu (Strategic Highway Research Program, zkrácenČ SHRP) [1,2]. Ukázalo se totiž, že stávající empirické kvalitativní parametry asfaltových pojiv málo nebo nepĜesnČ vypovídají o jejich viskoelastických vlastnostech. To se projevuje hlavnČ v pĜípadČ modifikovaných asfaltĤ, v nichž obsažené polymery zásadnČ mČní pomČr mezi viskózní a elastickou složkou deformace asfaltového pojiva. Výsledkem amerického výzkumného programu SHRP bylo zavedení zcela nového systému funkþních charakteristik vycházejících z teorie chování viskoelastických látek a založených na komplexních modulech tuhosti, jakož i zavedení nového systému specifikací silniþních asfaltĤ, tzv. Superpave. Bylo prokázáno, že funkþní charakteristiky lépe korelují s kritérii tvorby poruch na vozovce, tj. s hloubkou vyjíždČní kolejí pĜi zvýšených teplotách a se vznikem trhlin pĜi nízkých teplotách a pĜi únavČ [3]. V EvropČ se nové SHRP-metody natolik rozšíĜily [4,5,6], že výbor pro evropskou normalizaci CEN je pĜejal do soustavy evropských norem a zahájil práce na pĜípravČ nové generace specifikace silniþních asfaltových pojiv založené na funkþních charakteristikách. Tato nová funkþní specifikace silniþních asfaltových pojiv by mČla být kompromisem mezi dosavadním jednoduchým a praktickým systémem tĜídČní a pĜezkušování podle EN 12591 a novým systémem technicky složitČjších a þasovČ i finanþnČ nároþných funkþních charakteristik. Nová evropská specifikace silniþních asfaltĤ Na podzim roku 2005 byl vydán návrh technické zprávy „Technical Report TR 15352: Development of performance-related specifications“. Tento dokument shrnuje dosavadní vývoj nových funkþních specifikací, tzv. BiTSpec, v EvropČ a mČl by se stát jejich základem. Navržený systém specifikací je založen na konvenþních zkouškách (souþasné normy pro specifikaci silniþních, tvrdých i modifikovaných asfaltĤ – tabulka 1) a na nových funkþních charakteristikách (tabulka 2). TĜi parametry - komplexní modul, viskozita pĜi nulovém smyku a ekviviskózní teploty pĜi nízkém oscilaþním smyku (tabulka 2) - u originálních pojiv a u pojiv podrobených zkouškám tepelné stálosti se stanovují na dynamickém smykovém reometru (DSR) [2,7], který se tím stává stČžejním laboratorním pĜístrojem pro budoucí hodnocení silniþních asfaltĤ.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1380
16.–18. 4. 2007 Milovy
1
program
Tabulka 1: Specifikace pojiv podle konvenþních zkoušek
Charakteristika
Nominální rozsah penetrace Penetrace pĜi 25°C Bod mČknutí Penetraþní index Dynamická viskozita pĜi 60°C Kinematická viskozita pĜi 135°C Bod lámavosti, Fraass Vratná duktilita pĜi 10 a 25°C Skladovací stabilita Odolnost k stárnutí - RTFOT ZmČna hmotnosti Zbylá penetrace pĜi 25°C Zvýšení bodu mČknutí Bod vzplanutí Rozpustnost Hustota
Zkušební metoda Jednotka EN 1426 EN 1426 EN 1427 EN 12591 EN 12596 EN 12595 EN 12593 EN 13398 EN 13399 EN 12607-1 EN 12607-1 EN 1426 EN 1427 EN ISO 2592 EN 12592 EN ISO 3838
0,1 mm 0,1 mm °C Pa.s mm2/s °C % % % °C °C % -
Tabulka 2: Funkþní vlastnosti pojiv
Charakteristiky
PĜi zvýšené teplotČ užití Komplexní modul (DSR) G* a į Pro teplotní rozsah 40-80°C (pĜi daných frekvencích) Pro rozsah frekvencí 0,1-10 Hz (pĜi daných teplotách) Nízkoteplotní viskozita (LSV) Ekviviskozní teplota EVT1 pĜi LSV = 2,0 kPa.s a 0,1 rad/s Ekviviskozní teplota EVT2 pĜi LSV = 2,0 kPa.s a 0,001 rad/s Viskozita pĜi nulovém smyku (ZSV), creep mode, 60°C PĜi stĜední teplotČ užití Komplexní modul (DSR): G* a į Pro teplotní rozsah 10-40°C (pĜi daných frekvencích) Pro rozsah frekvencí 0,1-10 Hz (pĜi daných teplotách) PĜi nízké teplotČ užití Tuhost pĜi -16°C PrĤhybový trám. reometr, teplota pĜi tuhosti 300 MPa Koheze Silová duktilita pĜi 5/10 °C + celá kĜivka Deformaþní energie pĜi 5/10 °C + celá teplotní kĜivka Kyvadlo Vialit: maximum + celá teplotní kĜivka
Zkušební metoda
Jednotka
EN 14770
kPa/stupnČ
WI00336067 PrEN 15324 WI00336067 PrEN 15324 WI00336068 PrEN 15325
°C
Deklarovaná (nebo typická) hodnota Originální Pojivo po Pojivo po pojivo RTFOT PAV
°C kPa.s
EN 14770
kPa/stupnČ
EN 14771 EN 14771
MPa °C
EN 13589 EN 13703 EN 13589 EN 13703 EN 13588
J/cm2
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
Deklarovaná (nebo typická) hodnota Originální Pojivo po Pojivo po pojivo RTFOT PAV
J/cm2 J/cm2
1381 2
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Z komplexních modulĤ tuhosti G* a fázových úhlĤ į namČĜených na dynamickém smykovém reometru (DSR) se odvozuje pĜedevším parametr horní kritické teploty (HKT), který se používá pro pĜedpovČć poruch asfaltového krytu vozovky v podobČ vzniku trvalých deformací. Uvažuje se, že k zvýšenému vyjíždČní kolejí mĤže docházet pĜi hodnotČ G*/sinį 1 kPa u originálního pojiva. HKT se urþí mČĜením parametrĤ G* a G pĜi nČkolika teplotách a interpolací na hodnotu G*/sinį = 1 kPa. Pro odhad HKT zvažuje CEN/TC336 ještČ další parametry, které v americkém programu SHRP nebyly. Jsou mezi nimi i pomocí DSR stanovované ekviviskózní teploty (EVT) stanovené za urþitých podmínek mČĜení, pĜiþemž pro posouzení vzniku plastických deformací je zajímavá oblast viskozit 0,8 až 5 kPa.s, jako kritická byla stanovena viskozita 2 kPa.s. Urþují se tedy teploty ekvivalentní kritické viskozitČ 2 kPa.s pĜi dvou frekvencích, nejprve pĜi Ȧ = 0,1 rad/s (EVT1), potom pĜi Ȧ = 0,001 rad/s (EVT2), která je zpravidla o nČkolik °C vyšší. PĜi oscilaþním dynamickém namáhání závisí zdánlivá viskozita na frekvenci zatČžování Ȧ, pĜi snižujících se frekvencích a tedy nízkém smykovém napČtí se zdánlivá viskozita (low shear viscosity, LSV) pĜibližuje hodnotČ ZSV. Nejvyšší viskozitu dosahují pojiva pĜi tzv. nulovém smyku (zero shear viscosity, ZSV), který se navodí nikoliv pĜi oscilaþním dynamickém namáhání, nýbrž pĜi tzv. pomalém toku. ZSV je zdánlivá dynamická viskozita urþená extrapolací z hodnot namČĜených pĜi malých konstantních smykových napČtích. ZSV se stanovuje pĜi teplotČ 60 °C. Velká pozornost se vČnuje také další metodČ, a to stanovení modulu tuhosti za ohybu pomocí prĤhybového trámeþkového reometru (BBR) [2,8], kterou se urþují viskoelastické vlastnosti pĜi nízkých teplotách provozu v okolí dolní kritické teploty (DKT), za které dochází k vzniku nízkoteplotních trhlin. Jediná dosud používaná charakteristika – bod lámavosti podle Fraasse – je kritizována z dĤvodu nedostateþné pĜesnosti zkoušky samotné þi v návaznosti na nízkoteplotní charakteristiky asfaltových smČsí. Pro pĜedpovČć vzniku trhlin za nízkých teplot proto pĜevzala CEN/TC336 z amerického programu SHRP modul tuhosti S v tahu za ohybu na BBR, nikoliv však tzv. m-hodnotu vyjadĜující smČrnici logaritmické závislosti tohoto modulu tuhosti na teplotČ, a tím rychlost jeho vzrĤstu. Vznik trhlin je kritický u asfaltových pojiv jakmile modul tuhosti S pĜekroþí hodnotu 300 MPa. Teplota, pĜi níž se tak stane, je považována za dolní kritickou teplotu (DKT) a urþí se mČĜením tuhosti S pĜi prĤhybu trámeþku pojiva pĜi nČkolika teplotách a interpolací hodnot S. Pro rozlišení klasických a polymerem modifikovaných pojiv se v EvropČ zavedly další tĜi zkoušky stanovení koheze, z nichž dvČ – silová duktilita a koheze kyvadlem – se staly souþástí již dnes platných specifikací pro modifikované asfalty a asfaltové emulze. Z hlediska trvanlivosti asfaltových smČsí jsou dĤležité nejen vlastnosti pĤvodních (originálních) asfaltĤ ve stadiu, kdy opouštČjí rafinerii, ale také vlastnosti po tepelném a oxidativním namáhání, ke kterému dochází pĜi manipulaci, výrobČ, pokládce a dobČ životnosti asfaltových smČsí. Tato trvanlivost, nebo-li stálost kvality pojiv, se posuzuje jednak pĜi krátkodobé zkoušce v otáþející se tenké vrstvČ (RTFOT), jednak pĜi dlouhodobé zkoušce v tlakové nádobČ (PAV). Zkouška RTFOT napodobuje stárnutí pojiva pĜi obalování kameniva na obalovnČ, zkouška PAV má nepĜímo napodobovat stárnutí v provozních podmínkách po urþité, ale blíže nespecifikované (cca 5-10 let), dobČ provozu. Experimentální þást Zkušenosti s novými viskoelastickými charakteristikami v tuzemsku byly omezené. V prĤbČhu roku 2006 byly zavedeny nové zkoušky podle evropské normalizace (DSR, BBR a další) a zhodnocena asfaltová pojiva používaná v ýeské republice. KromČ stávajících normovaných konvenþních zkoušek bylo na DSR provedeno stanovení horních kritických
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1382 3
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
teplot (HKT), viskozity pĜi nulovém smyku (ZSV) a ekviviskózních teplot (EVT); a na BBR byly stanoveny dolní kritické teploty (DKT). Byly zajištČny vzorky pojiv od tuzemských výrobcĤ (ýeská rafinerská a.s. - ýeR, Paramo a.s. Pardubice - PA) vþetnČ rĤzných výrobních variant, technologií a surovinových komponent, dále vzorky nemodifikovaných asfaltĤ 50/70 a modifikovaných s obdobnou penetrací od tĜech zahraniþních firem. Poþet vzorkĤ i rozsah zkoušek byly velmi široké. Zkoušelo se celkem 28 silniþních pojiv. KromČ již uvedených zkoušek byla stanovována Ĝada dalších parametrĤ (napĜ. složení, koheze, tepelné stálosti, atd.), které ale nejsou pĜedmČtem tohoto þlánku. Výsledky a diskuse Asfalty z þeských rafinérií jsou v mnoha ohledech specifické, protože jsou vyrábČné z destilaþních zbytkĤ z ruské ropovodní ropy, a to v pĜevážné vČtšinČ procesem polofoukání. Z hlediska nových reologických metod hodnocení nebyly dosud dobĜe zmapované. V tabulce 3 jsou u vybraných vzorkĤ nemodifikovaných asfaltĤ uvedeny výsledky stanovení parametrĤ na dynamickém smykovém reometru (DSR) a prĤhybovém trámeþkovém reometru (BBR). Tabulka 3: Vybrané vlastnosti nemodifikovaných pojiv Vzorek þ. 3 18 30 9 19 13 Druh asfaltu 50/70 50/70 50/70 70/100 70/100 160/220 Výrobce* ýeR PA cizí 2 ýeR PA ýeR Penetrace/25°C [p.j.] 63,1 62 57 76,3 82 174 Bod mČknutí (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 MČĜení 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 MČĜení 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 *) ýeR = ýeská rafinérská a.s.
PA = Paramo a.s. Pardubice
U bČžných nemodifikovaných asfaltĤ závisí horní kritická teplota (HKT) na gradaci (tvrdosti) asfaltu a klesá s klesajícím bodem mČknutí, a to z hodnot okolo 68°C pro asfalty gradace 50/70 až na hodnotu 55,5°C u asfaltu typu 160/220. Rozdíl mezi HKT a bodem mČknutí (HKT-KK) se pohybuje v rozmezí 17,5 až 20°C ve prospČch HKT, která pĜesnČji urþuje teplotu, pĜi které bude u asfaltové smČsi docházet k vyjíždČní kolejí. Viskozita pĜi nulovém smyku (ZSV - zdánlivá viskozita) stanovená pĜi 60°C opČt závisí na gradaci asfaltu a klesá s klesajícím bodem mČknutí. PĜi stanovování ekviviskózních teplot EVT1 (frekvence 0,1 rad/s) a EVT2 (frekvence 0,001 rad/s) za podmínek nízkého smyku (LSV) se hledají teploty pĜi nichž má pojivo viskozitu 2 kPa.s. ObČ nalezené ekviviskózní teploty leží ve všech pĜípadech velmi blízko stanoveným bodĤm mČknutí.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1383 4
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
MČĜením tuhosti v tahu za ohybu na BBR byly stanoveny dolní kritické teploty (DKT) pĜi kritické hodnotČ tuhosti S = 300 MPa, které leží v rozmezí teplot -19,5 až -24,5 °C. Hodnota DKT by se mČla podle pĜedpokladĤ snižovat s klesající gradací asfaltu, ale k tomu nedošlo. Naopak, nejmČkþí asfalt typu 160/220 má nejvyšší hodnotu DKT (-20,2°C). NamČĜené hodnoty DKT nijak nekorelovaly s hodnotami bodu lámavosti. Jedním z „klasických“ parametrĤ hodnocení kvality asfaltĤ je oblast plasticity, která je dána rozdílem bodu mČknutí a bodu lámavosti (v tabulce 3 Rozdíl KK-BL). Podobným, a vzhledem k nepĜesnosti stanovení bodu lámavosti, mnohem vhodnČjším parametrem by mohl být rozdíl kritických teplot (Rozdíl HKT-DKT). Tento rozdíl vychází opČt nejlépe pro asfalty typu 50/70. Výsledky stanovení parametrĤ na DSR a BBR u vybraných vzorkĤ speciálních a modifikovaných asfaltĤ jsou uvedeny v tabulce 4. Tabulka 4: Vybrané vlastnosti speciálních a modifikovaných pojiv
Vzorek þ. Druh asfaltu
Výrobce Penetrace/25°C Bod mČknutí (KK) Bod lámavosti (BL) Rozdíl KK-BL MČĜení na DSR HKT (SHRP) HKT - KK ZSV/60°C LSV, EVT1 LSV, EVT2 MČĜení na BBR DKT (SHRP) BL - DKT Rozdíl HKT-DKT
16 AP-25
17 VMT
25 Mofalt 45E PA 40 64,6 -11 75,6
29 PMB
33 PMB
PA 35 59,5 -10 69,5
23 Mofalt SMA 25 PA 23 78,5 -9 87,5
cizí 1 66 52,1 -14 66,1
cizí 3 75 62,1 -14 76,1
27 Mofalt SMA DM PA 79 84,9 -15 99,9
[p.j.] [°C] [°C] [°C]
PA 28 62,1 -7 69,1
[°C] [°C] [kPa.s] [°C] [°C]
87,5 25,4 4,68 65,3 66,2
81,3 21,8 3,32 62,3 64,1
99,6 21,1 69,23 79,4 82,7
84,7 20,1 8,26 66,1 70,1
71,1 19,0 0,80 52,5 55,6
81,4 19,3 3,54 60,4 64,4
82,1 -2,8 12,56 54,2 58,5
[°C] [°C] [°C]
-20,5 13,5 108,0
-22,8 12,8 104,1
-22,1 13,1 121,7
-23,8 12,8 108,5
-24,5 10,5 95,6
-26,0 12,0 107,4
-20,5 5,5 102,6
Hodnocení modifikovaných asfaltĤ je složitČjší než v pĜípadČ nemodifikovaných asfaltĤ, protože modifikátor (polymer) se pĜidává za úþelem vylepšení právČ viskoelastických vlastností. V úvahu se zde musí brát nejen typ modifikátoru, ale také jeho obsah, úroveĖ dispergace, atd. V tabulce 4 jsou první dva vzorky (AP-25 a VMT) speciální druhy asfaltĤ vyrobené z polofoukaných asfaltĤ pĜísadou komponent ropného pĤvodu. Oproti nemodifikovaným asfaltĤm uvedeným v pĜedcházející tabulce 3 vykazují zlepšené vlastnosti na DSR (HKT, ZSV, EVT) pĜi zachování obdobných nízkoteplotních vlastností stanovených pomocí BBR (DKT). Rozdíly mezi bodem mČknutí a ekviviskózními teplotami jsou u speciálních asfaltĤ vyšší (3 až 4,5 °C), než je tomu u nemodifikovaných asfaltĤ. Další dva modifikované asfalty Mofalt SMA 25 a Mofalt 45E vykazují pĜi obdobných hodnotách penetrace další zlepšení, a to pĜedevším u HKT. Znatelný je také nárĤst ZSV. Zbylé tĜi vzorky s penetrací v rozmezí 66 až 79 penetraþních jednotek mají podle hodnot bodu mČknutí a HKT rĤznou úroveĖ a druh modifikace. U vzorku Mofalt SMA DM je hodnota bodu mČknutí nadhodnocena, jak ukazuje rozdíl HKT-KK (-2,8 °C).
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1384 5
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Kritické hodnoty tuhosti S = 300 MPa (DKT) vzorky speciálních a modifikovaných asfaltĤ dosahovaly v rozmezí teplot -20,5 až -26 °C a tyto hodnoty opČt nekorelovaly s namČĜenými hodnotami bodu lámavosti. PĜi porovnání „klasické“ oblasti plasticity (KK-BL) a rozdílu HKT-DKT vyniknul zejména MOFALT SMA 25 se 121,7 °C a nikoliv nejvýše modifikovaný a mČkký MOFALT SMA DM (102,6 °C) s nejvČtším rozsahem „klasické“ oblasti plasticity. Vzájemné porovnání viskoelastických vlastností nemodifikovaných a modifikovaných asfaltových pojiv, a pĜedevším rozdílĤ HKT-DKT, upĜednostĖuje tvrdší a modifikované druhy asfaltĤ. ZávČr Byly zavedeny nové funkþní zkoušky viskoelasických vlastností asfaltĤ. Stanovily se vlastnosti tuzemských i zahraniþních asfaltových pojiv podle pĜipravované evropské specifikace. Ukázalo se, že tuzemské asfalty vykazují podobné vlastnosti jako konkurenþní zahraniþní výrobky. Modifikovaná pojiva mají v porovnání s nemodifikovanými asfalty lepší viskoelastické vlastnosti. U nemodifikovaných asfaltĤ je horní kritická teplota závislá na gradaci asfaltu (bodu mČknutí), zatímco u modifikovaných asfaltĤ tomu tak není. Horní kritické teploty stanovené pomocí DSR jsou o 17,5 až 25,5 °C vyšší než teplota bodu mČknutí; ekviviskózní teploty mČĜené pĜi nízkém smyku se pohybují v blízkosti bodu mČknutí. V pĜípadČ nízkoteplotních vlastností nebyla nalezena korelace mezi bodem lámavosti a dolní kritickou teplotou stanovenou na BBR. PodČkování Práce byla realizována za podpory Ministerstva prĤmyslu a obchodu ýeské 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, ýeské BudČjovice, 25.-26.11. 2003. 7. Hagner, T.: Unterschung und Bewertung von bitumenhaltigen Bindermitteln fĦr Asphalt mittels Dynamischem Scher-Reometer, Bitumen, www.bitumen-magazin.de. 8. Kreide, M.: Nové reologické zkoušky asfaltových pojiv, Konference Asfaltové vozovky 2003, ýeské BudČjovice, 25.-26.11. 2003.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1385 6
16.–18. 4. 2007 Milovy
