Návrh asfaltové směsi pro obrusné vrstvy podle výsledků zkoušky stanovení součinitele tření po ohlazení

V článku je popsán dosavadní postup řešení výzkumného projektu Technologické agentury České republiky TH02030194, který se zabývá možností použití směsí kameniva s nízkou a vysokou odolností proti ohlazení do asfaltových směsí pro obrusné vrstvy. V rámci výzkumného projektu byly navrženy asfaltové směsi typu SMA 11 S obsahující v různém poměru kamenivo čedič a drobu. Zkušební tělesa z těchto směsí byla zkoušena pomocí zařízení na stanovení součinitele tření po ohlazení, které v laboratorních podmínkách umožňuje predikci protismykových vlastností povrchu vozovky pro navrženou asfaltovou směs. Na základě výsledků laboratorních měření byly vybrány tři asfaltové směsi pro realizaci zkušebních úseků v areálu obalovny a následně jedna asfaltová směs pro pokládku pokusného úseku na silnici II. třídy.

ÚVOD

Kvalita protismykových vlastností povrchu vozovky je ovlivněna především jeho mikrotexturou a makrotexturou. Vliv makrotextury je patrný se stoupající rychlostí jízdy vozidla, protože zlepšuje kontakt pneumatiky s povrchem vozovky za mokra. Mikrotextura je významná při všech rychlostech a její kvalita je nejvíce ovlivněna hodnotou odolnosti proti ohlazení kameniva (dále jen PSV) použitého v asfaltové směsi pro obrusné vrstvy [1]. Pro zajištění požadované kvality protismykových vlastností povrchu vozovky v čase, a tedy i bezpečnějšího provozu na pozemních komunikacích, je nezbytné používat kamenivo odolné proti ohlazení s minimální hodnotou PSV = 50, na komunikacích s větším dopravním zatížením i s vyšší hodnotou PSV. Takové kamenivo ale není v některých částech České republiky dostupné. Řešením může být použití směsi kameniva z lokálních zdrojů, které má nevyhovující hodnotu PSV, a malého množství dovezeného kameniva s vyšší hodnotou PSV.

V rámci výzkumného projektu TH02030194 [3] byly proto navrženy asfaltové směsi typu SMA 11 S z kameniv droba (PSV = 62) a čedič (PSV = 51). Zkušební tělesa z těchto asfaltových směsí byla zkoušena metodou stanovení součinitele tření po ohlazení podle ČSN EN 12697-49.

STANOVENÍ SOUČINITELE TŘENÍ PO OHLAZENÍ

Během této laboratorní zkoušky se střídá proces ohlazování, kdy se po povrchu zkoušeného vývrtu odvalují tři komolé pryžové kuželíky a současně je na něj přiváděna směs křemenné moučky a vody, moment, ze kterého je vypočten součinitel tření po ohlazení. Tyto dva procesy se střídají, dokud není dosaženo požadovaného počtu pojezdů kuželíky, což prezentuje simulaci dopravního zatížení. Výsledkem zkoušky je graf součinitele tření po ohlazení µFAP v závislosti na počtu pojezdů kuželíky. Pokud je měření prováděno na více zkušebních tělesech ze stejné asfaltové směsi, je výslednou hodnotou Friciton After Polishing (FAP) asfaltové směsi, která se vypočte jako průměr hodnot µFAP změřených na jednotlivých vývrtech.[4]

NAVRŽENÉ ASFALTOVÉ SMĚSI

Bylo navrženo pět různých asfaltových směsí typu SMA 11 S. Návrh vycházel z předpokladu, že protismykové vlastnosti povrchu vozovky jsou nejvíce ovlivněny kamenivem frakce 8/11. Proto kamenivo typu droba bylo použito pouze u frakce 8/11, ostatní frakce tvořil čedič. Přesné poměry kameniv a označení zkušebních těles jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 – Asfaltové směsi typu SMA 11 S

Z asfaltových směsí byly v laboratoři pomocí lamelového zhutňovače zhotoveny desky, ze kterých byly odebrány vývrty o průměru 225 mm. Na vývrtech byla provedena zkouška zrychleného ohlazování podle ČSN EN 12697-49.

VÝSLEDKY LABORATORNÍ PREDIKCE SOUČINITELE TŘENÍ

Na vývrtech z desek vyrobených v laboratoři bylo provedeno celkem 390 000 pojezdů kuželíky. Měření součinitele tření po ohlazení bylo prováděno před prvním cyklem ohlazování a pak vždy po 30 000 pojezdech kuželíky, poslední dvě měření pak po 60 000 pojezdech kuželíky.

Zkoušení na prvním zkušebním tělese ukázalo, že není možné ohlazováním v laboratorních podmínkách odstranit vrstvu asfaltového pojiva z povrchu zrn kameniva, která by na vozovce byla v prvních měsících provozu odstraněna působením dopravního zatížení. Vrstva pojiva na deskách zhotovených v laboratoři je také silnější než na vozovce, především u asfaltové směsi typu SMA 11 S, protože tento typ asfaltové směsi má výrazně vyšší součinitel sytosti a tím silnější film pojiva, jímž jsou obalena zrna kameniva na povrchu měřeného vzorku – to je umožněno přidáním nosiče pojiva (nejčastěji celulózových vláken). Norma ČSN EN 12697-49 uvádí, že přebytečné asfaltové pojivo je nutné odstranit otryskáním povrchu vývrtu korundem. Tryskání korundem ale poškozovalo hrubé kamenivo v asfaltové směsi, především drobu (obrázek 2, vpravo), což ovlivnilo měřené hodnoty součinitele tření po ohlazení. Povrch dalších vývrtů byl očištěn benzínovým rozpouštědlem, které se ukázalo jako nejvhodnější, protože nijak nepoškozuje kamenivo v asfaltové směsi (obrázek 2, uprostřed). Při měření není sice zachycen počáteční vývoj hodnot součinitele tření po ohlazení, tedy fáze, kdy je odstraňováno asfaltové pojivo z povrchu vozovky působením dopravního zatížení, ale výzkumný projekt se zaměřuje především na dlouhodobou životnost protismykových vlastností povrchu vozovky.

V grafu na obrázku 3 je zobrazen průběh hodnot FAP v závislosti na počtu pojezdů kuželíky pro asfaltové směsi typu SMA 11 S. V grafu je patrný rozdíl mezi asfaltovou směsí obsahující výhradně kamenivo čedič a ostatními asfaltovými směsmi. Naopak různý obsah kameniva droba příliš neovlivnil hodnotu FAP ani po 390 000 pojezdech kuželíky. Podle výsledků stačí i minimální množství kameniva droba (20 % frakce 8/11) pro zachování dlouhodobě vyšší úrovně součinitele tření než při použití výhradně kameniva čedič.

Dalším krokem výzkumného projektu mělo být zhotovení zkušebního úseku z vybrané asfaltové směsi na provozované pozemní komunikaci. Vzhledem k tomu, že povrch desek zhotovených v laboratoři neodpovídal reálnému povrchu vozovky z asfaltové směsi typu SMA 11 S a jeho textura mohla ovlivnit měřené výsledky FAP, bylo rozhodnuto o realizaci zkušebních úseků z vybraných asfaltových směsí v areálu obalovny Úžín (tabulka 2 a obrázek 4). Zvoleny byly asfaltové směsi obsahující 34 % a 50 % kameniva droba a pro srovnání taky asfaltová směs výhradně s čedičem. Asfaltové směsi pro zkušební úseky byly vyrobeny v obalovně a rozprostřeny a zhutněny běžně užívanými mechanismy – finišerem a hutnicím válcem.

Tabulka 2 – Zkušební úseky v areálu obalovny Úžín – asfaltové směsi typu SMA 11 S

Ze zkušebních úseků byly odebrány vývrty, na kterých byla opět provedena zkouška stanovení součinitele tření po ohlazení. Vzhledem k tomu, že tloušťka asfaltového filmu byla nižší než u vývrtů z desek zhotovených v laboratoři, nebylo nutné odstraňovat pojivo tryskáním nebo rozpouštědly. Byl pouze zvýšen počet pojezdů ohlazovacími kuželíky na 630 000, protože v počátečních cyklech procesu ohlazování se hodnota součinitele tření po ohlazení mírně zvyšuje, jak je odstraňována vrstva pojiva z povrchu zrn kameniva. Výsledné hodnoty FAP pro jednotlivé zkušební úseky v závislosti na počtu pojezdů kuželíky jsou zobrazeny v grafu na obrázku 5 (plné čáry). Z jejich průběhu je patrné, že i když rozdíl mezi asfaltovými směsi obsahujícími kamenivo droba a asfaltovou směsí tvořenou výhradně kamenivem čedič je nižší než u vývrtů z desek zhotovených v laboratoři, tak je stále patrný (0,086 po 630 000 pojezdech kuželíky).

V grafu na obrázku 5 je zobrazeno také srovnání průběhu hodnot FAP v závislosti na počtu pojezdů kuželíky pro vývrty z desek zhotovených v laboratoři (přerušované čáry) a pro vývrty ze zkušebních úseků (plné čáry). Křivky zobrazující hodnoty měřené na vývrtech z desek nemají počáteční hodnotu počtu pojezdů kuželíky nula, protože u nich bylo asfaltové pojivo z povrchu odstraněno rozpouštědlem a od počátku bylo během ohlazování opotřebováváno kamenivo. Zatímco u vývrtů ze zkušebních úseků bylo během prvních cyklů ohlazování odstraňováno asfaltové pojivo a k opotřebení kameniva docházelo postupně. Počátek byl proto určen na 180 000 pojezdů kuželíky, kdy bylo na vývrtech ze zkušebních úseků dosaženo maximální hodnoty součinitele tření po ohlazení, a je tedy možné předpokládat, že asfaltové pojivo bylo z povrchu odstraněno. Z grafu je také patrné, že hodnoty FAP vývrtů z desek vyrobených v laboratoři jsou pro stejné asfaltové směsi vyšší než u vývrtů odebraných ze zkušebních úseků. Příčinou může být jak odlišná textura povrchu vývrtů (obrázek 6), tak i vyšší počáteční hodnota FAP u vývrtů z desek zhotovených v laboratoři, u kterých bylo asfaltové pojivo odstraněno naráz rozpouštědlem, a nedocházelo tedy k postupnému odstranění pojiva a současně opotřebení kameniva, jak tomu bylo u vývrtů ze zkušebních úseků. Nicméně i tak výsledky potvrdily předpoklad, že stačí menší množství kameniva s vyšší hodnotou PSV (v tomto případě droby) pro zajištění dlouhodobě vyhovujících protismykových vlastností povrchu vozovky, a bylo tedy rozhodnuto o pokládce zkušebního úseku z asfaltové směsi typu SMA 11 S se 34 % kameniva droba na části silnice II. třídy s dostatečně vysokým dopravním zatížením.

ZÁVĚR

V článku je popsán dosavadní postup řešení projektu TH02030194, který se zabývá použitím směsí kameniva s nízkou a vysokou hodnotou PSV do asfaltových směsí pro obrusné vrstvy. V rámci projektu bylo navrženo několik asfaltových směsí typu SMA 11 S s různým obsahem kameniv čedič a droba frakce 8/11, ze kterých byly v laboratoři zhotoveny desky. Na vývrtech z těchto desek byl měřen součinitel tření po ohlazení a následně stanovena hodnota FAP pro konkrétní asfaltovou směs. Na základě výsledků měření bylo rozhodnuto o pokládce zkušebních úseků v areálu obalovny Úžín u Ústí nad Labem. Hodnoty FAP, stanovené na vývrtech z těchto zkušebních úseků, měly podobný vývoj jako u vývrtů z desek zhotovených v laboratoři. Pro realizaci zkušebního úseku na silnici II. třídy byla proto vybrána asfaltová směs typu SMA 11 S obsahující 34 % kameniva droba (frakce 8/11). Z tohoto zkušebního úseku budou také odebrány vývrty pro laboratorní měření součinitele tření po ohlazení a rovněž na něm bude pravidelně měřen součinitel podélného tření dynamickým měřicím zařízením.

Hlavní cíl tohoto projektu je zaměřen na možnost použití kameniva s nízkým PSV při jeho částečném nahrazení kamenivem s vysokým PSV. V tomto ohledu je dle našeho názoru zvolená cesta k posouzení zadaného cíle správná. Do budoucna se bude potřeba zamyslet nad vlivem asfaltového filmu a jeho trvanlivosti na počáteční drsnost povrchu, jelikož FAP na rozdíl od PSV zkoumá směs jako celek, nikoliv jen jednu její součást, tedy kamenivo.

Ing. Pavla Nekulová
Ing. Jaroslava Dašková, Ph.D.
VUT v Brně, Fakulta stavební

Leoš Nekula
Měření PVV, Vyškov

Ing. Jiří Kašpar
Ing. Petr Bureš
Ing. Jakub Šedina
Ing. Michal Sýkora
EUROVIA CS, a. s., Praha

Poznatky prezentované v článku byly získány za finančního přispění Technologické agentury ČR, projekt TH02030194 [3].

LITERATURA:
[1] Nekulová P., Dašková, J., Coufalíková I., Nekula L. Vliv měřicí rychlosti na protismykové vlastnosti povrchu vozovky. Silnice a železnice, 2016, č. 1/ 2016, s. 10 – 12. ISSN: 1801-822X.
[2] Pasportizace lomů přírodního kameniva ČR, Česká geologická služba, Ing. Josef Godany pro Ředitelství silnic a dálnic ČR. Praha. Září 2014.
[3] TH02030194 – Použití směsí kameniva s různou odolností proti ohlazení do obrusných vrstev za účelem dosažení dlouhodobě vyhovujících protismykových vlastností povrchu vozovky, zvýšení bezpečnosti silničního provozu a ekonomického využití přírodních zdrojů. Poskytovatel: Technologická agentura České republiky (TA ČR). Hlavní příjemce: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. Spoluřešitelé: Eurovia CS a. s., Měření PVV – Leoš Nekula. Období řešení projektu: 01/2017 – 12/2020.
[4] ČSN EN 12697-49 Asfaltové směsi – Zkušební metody pro asfaltové směsi za horka – Část 49: Stanovení součinitele tření po ohlazení. Srpen 2014.