Nízkoteplotní asfaltové směsi (NTAS) představují moderní přístup v silničním stavitelství, který umožňuje výrazné snížení teploty při výrobě a pokládce asfaltových směsí. V České republice se NTAS aktuálně téměř nevyužívají, přestože v minulosti byla tato technologie úspěšně použita na několika významných stavbách, jako například v tunelu Blanka nebo na dálnici D5.
Výhody nízkoteplotních asfaltových směsí
Aditivy a povrchově aktivními látkami upravený asfalt umožňuje snížit teplotu při výrobě asfaltové směsi a její pokládce až o 40 °C. Rozsáhlou škálou laboratorních analýz bylo zjištěno, že vlastnosti asfaltových směsí jsou stejné, v některých parametrech dokonce lepší, co se týče zhutnitelnosti, odolnosti proti tvorbě trvalých deformací a odolnosti proti účinkům vody, ve srovnání s kontrolním úsekem pokládaným za horka.
Jednou z výhod tohoto pojiva je skutečnost, že může být dodáno ve formě ready-to-use, tedy již obsahující aditiva, což znamená, že lze vyrábět širokou paletu nízkoteplotních asfaltových směsí bez nutnosti kapitálových investic do nových výrobních zařízení na obalovně. Do směsi není třeba vstřikovat vodu nebo jakákoliv jiná aditiva, jako jsou například přilnavostní přísady, pěnit asfalt, nebo jej během výroby jakkoliv modifikovat. Pojivo odpovídá specifikacím podle ČSN EN 12591 a ČSN EN 14023, a není tudíž nutno nijak upravovat receptury. Asfalt je dodáván připraven k použití při standardním postupu výroby, na který je obalovna nastavená. Pojivo lze míchat s kamenivem při snížené teplotě, ale také při běžné teplotě a rozšířit tudíž hutnící okno, či pokládat směs na vzdálenějších místech.
Nová pojiva Azalt ECO2 a Styrelf ECO2
Nová řada pojiv - Azalt ECO2 a Styrelf ECO2 - bude na trh v České republice uvedena v tomto roce. Směs s pojivem Azalt ECO2 35/50 byla v Blois pokládána při 115 °C a hutněna při 110 °C - zhruba o 40 °C chladněji, než v případě běžné horké asfaltové směsi.
Zkušenosti z pokusných úseků
První pokusný úsek v Blois ve Francii byl položen v roce 2009, včetně srovnávacího úseku z horké asfaltové směsi, a je pravidelně kontrolován. Pro tento účel byl vybrán úsek s vysokým podílem těžké nákladní dopravy. Obavou byla možnost zanášení odlučovacích filtrů, jejichž efektivita proto byla během celé doby výroby sledována a nebylo zjištěno jejich ucpávání. Od prvního pokusného úseku bylo ve Francii položeno již více než 20 000 t asfaltové směsi obsahující Azalt ECO2 pojivo, jak při nízkých teplotách a větru, tak při vysokých letních teplotách. Ve Francii se již asfalt po úspěších se zkušebními úseky začal komerčně prodávat. Další zkušební úseky byly realizovány například na příjezdových cestách k výrobním závodům, na parkovištích, a také s užitím R‑materiálu až do výše 50 %.
Čtěte také: Vlastnosti asfaltových pásů
Zkušební úsek v Rennes byl v rámci snahy dále zmírnit dopad pokládky na životní prostředí realizován s 10 % podílem R‑materiálu v obrusné vrstvě a s 20 % podílem R‑materiálu v podkladní vrstvě. Při této příležitosti byla pečlivě sledována kvalita obalení kameniva a možnost hutnit směs s R‑materiálem při nižší teplotě. Nízkoteplotní varianta byla míchána při 125 °C, pokládána při 120 °C a hutněna při přibližně 100 °C. Obrusná vrstva obsahovala kamenivo nejhrubší frakce 10 mm a podkladní vrstva 14 mm. Snížení spotřeby energie na obalovně v případě druhého pokusného úseku dosáhlo 20 % a vizuální prohlídka vozovky po 18 měsících neukázala žádné známky poklesu kvality.
S vědomostí trendu a možná také nutnosti zvyšovat podíl R-materiálu v asfaltové směsi byl v Nizozemsku při teplotě směsi 120 °C úspěšně položen zkušební úsek s pojivem Azalt ECO2, obsahující 50 % recyklátu. Obzvláště kombinace užití většího množství R‑materiálu a snížení spotřeby energie při ohřevu směsi na obalovně, nabízí stavebním firmám zajímavý nástroj. Míra zhutnění byla v případě nízkoteplotní asfaltové směsi v porovnání s horkou směsí dokonce mírně vyšší. Toto zjištění je podporováno také feedbackem z USA, který poukazuje na skutečnost, že v případě staveb, kde je smluvní platba vázaná na míru zhutnění, působí tento fakt v některých případech jako hybná síla pro volbu nízkoteplotní směsi. Skutečnost, že v dnešní době je již více než 25 % asfaltových směsí vyrobených v USA vyrobeno z nízkoteplotních asfaltů, je potom pouze logická.
Problematika mrazových trhlin a nízkoteplotní vlastnosti
Asfaltová směs má snahu se při nízkých teplotách smršťovat, což vyvolává kvůli neexistenci dilatačních spár v netuhé vozovce tahová napětí. Tato napětí se však díky oslabené, ale stále existující viskozitě částečně odbourávají relaxací. Tento časově zpožděný pokles napětí při konstantním protažení, podmíněný zbytkovou viskozitou pojiva, je důležitou vlastností netuhých vozovek. Čím více se však teplota dále snižuje, tím se schopnost relaxace minimalizuje, takže od teploty cca -20 °C se téměř zcela vytrácí a zhutněná asfaltová směs se chová jako čistě elastická hmota. Pokud vyvolaná tahová napětí při dalším snižování teploty dosáhnou tahové pevnosti, dochází ke vzniku mrazové trhliny, většinou kolmé na osu vozovky. Relaxační schopnosti asfaltové směsi se snižují též postupným oxidativním stárnutím asfaltového pojiva, navíc dochází k vstřebávání lehčích olejových složek asfaltového pojiva do kameniva. Problematika mrazových trhlin je poměrně známá a frekventovaná zejména v severských zemích. Proto jsou obecně v těchto klimatických podmínkách používána spíše asfaltová pojiva měkčí gradace, u kterých je nebezpečí vzniku mrazových trhlin posunuto až do velmi nízkých teplot. Pro směsi vyrobené z těchto pojiv byla vydána nová evropská norma ČSN EN 13108-3 [1] Velmi měkká asfaltová směs, kterou používají v Evropě skandinávské země.
Vznik mrazových trhlin však není vázán jen na vysokohorské nebo severoevropské oblasti. Byly pozorovány trhliny, které lze taktéž přiřadit k trhlinám nízkoteplotním, např. na vozovkách na Sahaře. V tomto případě se jednalo o výrazně zestárlé pojivo účinkem intenzivního UV-záření v obrusné vrstvě, ve které byly naměřeny vysoké teploty během dne (až 70 °C) a teploty kolem 0 °C během noci, tedy výrazný teplotní gradient. Vyextrahované pojivo z obrusné vrstvy těchto vozovek mělo penetraci 10 p.j. [2]. Příčné trhliny charakterizující porušení mrazem jsou též častou poruchou krytových vrstev vozovek v České republice. Ve větší míře se mrazové trhliny v České republice objevily v zimním období v letech 1984/85 a 1985/86 vlivem nízkých přízemních teplot, někde až -40 °C. I když se tento typ poškození objevoval u nás i dříve, nebyla mu z důvodu poměrně ne tak velkého výskytu věnována dostatečná pozornost.
Dosavadní přístup k omezení mrazových trhlin je zmiňován v předpise pro navrhování TP 170 [3], kde je problém řešen v článku 5.1.1.6: Omezení mrazových trhlin v asfaltových krytech se zajišťuje použitím vhodných asfaltů v požadovaném množství, vhodných modifikačních přísad, dodržením složení směsi a jejím požadovaným zhutněním. V případě použití směsí s vysokým modulem tuhosti se nebezpečí vzniku mrazových trhlin posuzuje podle přílohy 3 TP 151 [4] (například stanovením kritických teplot v ochlazovací zkoušce, je-li při rovnoměrném poklesu teploty zamezeno zkracování zkušebního tělesa). U ostatních směsí se bez prokázání vhodných vlastností v obrusné vrstvě nedoporučuje použít nemodifikovaný silniční asfalt druhu o nižší penetraci než 50/70 a v ložní vrstvě nižší než 30/50. Vlastnosti se prokazují podle zásad v TP 151. U modifikovaných asfaltů třídy AM45 použitých do obrusné vrstvy se doporučuje prokázání vhodných vlastností ve velmi nepříznivých klimatických poměrech (např. V poslední době je snahou předpovídat nízkoteplotní chování netuhých vozovek zaměřené na vznik mrazových trhlin na základě simulace těchto podmínek v laboratoři.
Čtěte také: Asfaltové holuby: Pravidla a tipy
Arandova zkouška a funkční zkoušky
Netuhá vozovka, jak již bylo výše uvedeno, nemá dilatační spáry. V zimním období pak dochází v podstatě k smršťování nekonečného pásu asfaltových vrstev. Pokud dosáhne napětí ve vozovce meze pevnosti, dochází k porušení vozovky mrazovou trhlinou. Tento jev ve své podstatě simuluje i popisovaná zkouška. Jedná se o zkoušku, která začala být poprvé prováděna na TU Braunschweig prof. Arandem (v zahraniční literatuře též někdy označovaná jako Arandova zkouška). Cílem zkoušky je zjistit teplotu a velikost tahového napětí zkušebního tělesa z asfaltové směsi při porušení, které vzniká při jeho ochlazování z výchozí teploty konstantní rychlostí (°C/hod.) za podmínky nulové podélné deformace (Eet = 0). Nulové podélné deformace tělesa se dosahuje počítačem řízeným ohřevem prvků upínacího zařízení (sloupy zkušebního rámu a spojovací tyče, jejichž prostřednictvím je těleso upnuto do rámu) na základě zpětné vazby ze snímačů deformace upevněných na podstavách, na které je těleso nalepeno.
Protože je výše popsaná zkouška již v řadě evropských zemí používána, probíhá v rámci pracovní skupiny WG1 (Evropské normy pro asfaltové směsi zpracovávané za horka) v současnosti příprava této normy. Například Rakousko již v předstihu rozhodnulo o stanovení mezních požadavků pro tuto zkoušku a uvedlo je jako doplněk ke zkouškám v normě ÖNORM B 3580-2 [5], která je národní přílohou normy EN 13108-1 Asfaltový beton (funkční přístup).
V roce 2004 poskytlo Ministerstvo dopravy ČR prostřednictvím projektu 1F45B/066/120 „Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy“ finanční prostředky, které sloužily mimo jiné k provádění funkčních zkoušek uvedených pro návrh asfaltových směsí (tzv. funkční přístup) podle normy ČSN EN 13108-1 [6], který je možnou alternativou k přístupu empirickému. Vybranými funkčními zkouškami byla tuhost (dle ČSN EN 12697-26), únavové vlastnosti (ČSN EN 12697-24) a výše zmíněná zkouška nízkoteplotních vlastností. V zařízení Cyklon -40 pracujícím na principu popsaném v předchozí kapitole byly zjišťovány nízkoteplotní vlastnosti směsí typu ABS (ACO 11+) a ABH (ACL 16+) se 100% a 97% mírou zhutnění.
Čáry zrnitosti byly voleny tak, aby pokryly celý obor zrnitosti. Pro lepší odlišení jednotlivých čar zrnitosti byla využita Fullerova parabola. Celkem byly navrženy v obou případech 4 reprezentativní směsi. Směs s označením „I“ byla směs s čarou zrnitosti jdoucí nad Fullerovou parabolou, směs „II“ odpovídala rovnici Fullerovy paraboly, „III“ byla směs běžně navrhovaná, která kromě oboru zrnitosti dle ČSN 73 6121 odpovídala též oboru zrnitosti dle TP 109 [7], a směs „IV“ byla směs s čarou zrnitosti vedenou při spodním okraji oboru zrnitosti. Čáry zrnitosti byly voleny tak, aby odpovídaly i novým oborům zrnitosti podle připravované národní přílohy normy ČSN EN 13108-1, které se od původních oborů zrnitosti výrazně nelišily.
Výsledky testování nízkoteplotních vlastností
Směsi byly hutněny 2 × 75 údery, tedy jako pro kvalitativní třídu AB I podle původní ČSN 73 6121. V původním návrhu národní přílohy k normě ČSN EN 13108-1 byly směsi s označením (+), tedy ACO 11+ a ACL 16+ hutněny stejnou energií, tedy 2 x 75 úderů. Po stanovení optimálního množství pojiva dle výše uvedeného kritéria byla namíchána též směs se stejnou čarou zrnitosti, ale s množstvím pojiva o ,5 % nižším. Snížení dávkování asfaltového pojiva o 0,5 % mělo simulovat spodní přípustnou odchylku pro kontrolní zkoušky. Jako základní asfaltové pojivo byl pro klimatické podmínky ČR a s ohledem na použití směsí do vozovek s vysokým dopravním zatížením zvolen pro ABS (ACO 11+) i ABH (ACL 16+) asfalt 50/70.
Čtěte také: Asfaltové pásy pro vrchní vrstvy
Pokud se porovnají výsledky při rozdílné rychlosti poklesu teploty (10 °C/h a 5 °C/h), pak není patrný žádný větší rozdíl v teplotách při dosažení pevnosti v tahu, rozdíly se pohybují do max. 2 °C. Tahovou sílu pro rozdílnou rychlost poklesu teploty jsou rozdíly velmi malé (max. Asfaltové směsi ABS (ACO 11+) s čárou zrnitosti vedenou u horního okraje oboru zrnitosti (směsi „I“) obsahují nižší množství asfaltového pojiva, mají však s ohledem na nízkou mezerovitost směsi kameniva na pomyslném příčném řezu větší plochu kameniva, jehož zrna jsou spojena tenkým asfaltovým filmem. Tahovou sílu tak přenášejí z větší části zrna kameniva, což se projeví dosažením vyšší síly na mezi pevnosti při porušení mrazovou trhlinou.
Naopak hrubozrnnější směsi „III“ a zvláště pak „IV“ (s čárou zrnitosti vedenou při dolním okraji oboru zrnitosti) obsahují více asfaltového pojiva, kamenivo je obaleno silnějším asfaltovým filmem. Tahová trhlina se vytvoří v asfaltovém pojivu. Z výše uvedených zkoušek vyplývá, že zkouška nízkoteplotních vlastností bezpochyby poskytuje důležité informace o chování asfaltových směsí. Z odborné literatury jsou rozhodujícími parametry pro hodnocení zkoušené asfaltové směsi: kritická teplota při dosažení tahové pevnosti, tahová pevnost, popř. maximální rezerva v tahové pevnosti.
Dle dosažených výsledků vykazuje parametr kritické teploty u všech čar zrnitosti stejného druhu směsi malé rozdíly. Obecně se dosahuje nižších kritických teplot u jemnozrnnějších směsí a směsí s vyšším obsahem pojiva. Směsi označené jako „I“ obsahují sice vyšší podíl drobného kameniva, avšak mají nízké množství pojiva, naopak směsi označené jako „IV“ mají sice nízký podíl drobného kameniva, ale vysoký obsah pojiva. Tím lze pak vysvětlit, že ze všech zkoušek se kritické teploty pohybují v poměrně úzkém intervalu, protože kombinace jemnozrnnosti směsi a nízkého obsahu pojiva má stejný vliv jako kombinace hrubozrnnosti směsi a vysokého obsahu pojiva. Zde by bylo však zapotřebí vyzkoušet další škálu směsí, např. směsi se stejnou čarou zrnitosti a různými gradacemi a obsahy modifikovaných a nemodifikovaných pojiv. Jako parametr, který je schopen zkoušené směsi lépe odlišit, je parametr max. síly při dosažení pevnosti v tahu a porušení mrazovou trhlinou.
Výše uvedené poznatky a závěry lze v současnosti poskytnout v rámci evropské normalizace při přípravě diskutované normy pro stanovení nízkoteplotních vlastností asfaltových směsí. Příspěvek byl zpracován s podporou projektu Ministerstva dopravy ČR.
| Parametr | Směsi "I" (jemnozrnné, nízký obsah pojiva) | Směsi "IV" (hrubozrnné, vysoký obsah pojiva) |
|---|---|---|
| Kritická teplota | Nižší | Nižší |
| Tahová síla na mezi pevnosti | Vyšší (přenášena kamenivem) | Nižší (trhlina v pojivu) |
tags: #nizkoteplotni #asfaltove #smesi