Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com)
Opětovné použití asfaltového R‑materiálu do nových asfaltových vrstev je v současné době v silničním stavitelství již téměř standardní praxí. S ubývajícími přírodními zdroji roste nutnost používání recyklovaných materiálů v co nejvyšší míře. Příspěvek se zabývá návrhem asfaltové směsi ACL 16+ se zastoupením 30 % R‑materiálu. Do asfaltových směsí bylo dávkováno 7 různých typů rejuvenátorů na různých bázích a s variantním procentuálním zastoupením. Na asfaltových směsích byl proveden rozšířený soubor zkoušek, např. mezerovitost, modul tuhosti, odolnost vůči mrazové trhlině apod. Zkušební tělesa byla také vystavena laboratorní simulaci stárnutí pro určení dlouhodobé stability rejuvenátorů.
ÚVOD
Použití R‑materiálu v silničním stavitelství je v současné době téměř standardní. I obalovny bez speciálních zařízení dávkují R‑materiál alespoň „za studena“, v množství do 20 %. Obaloven vybavených dvouplášťovým nebo paralelním bubnem každý rok přibývá. V současné době je v České republice cca 13 obaloven (z celkového počtu 104) vybaveno paralelním bubnem, který dovoluje dávkování R‑materiálu až 100 %. Toto číslo je ale spíše zbožným přáním výrobců obaloven než realitou výroby asfaltových směsí. Reálný maximální podíl R‑materiálu při výrobě s paralelním bubnem je okolo 70 %, přičemž v běžné výrobě se toto číslo ještě výrazně snižuje.
Česká legislativa se snaží vycházet výrobcům asfaltových směsí vstříc postupným navyšováním dovolených mezí pro obsah R‑materiálu ve směsí a vydáváním další předpisů, které by použití R‑materiálu měly usnadnit a definovat, jako např. Vyhláška 130/2019 Sb. nebo ČSN 73 6141.
Existuje několik možných řešení oživení zestárlého asfaltového pojiva v R‑materiálu. ČSN 73 6141 stanovuje, že při použití vyššího množství R‑materiálu než 15 %, je nutné (i) použití rejuvenační přísady v optimalizovaném množství, (ii) přidání měkčího asfaltového pojiva nebo (iii) použití polymerem modifikovaného asfaltu typu RC. Přičemž tato norma řeší pouze penetraci a bod měknutí při návrhu asfaltové směsi, ale vlastnosti možných použitých aditiv nejsou zatím nikde jasně definovány.
ASFALTOVÉ SMĚSI A ZKUŠEBNÍ METODY
Pro výzkum prezentovaný tímto příspěvkem byla vybrána asfaltová směsi ACL 16+, ve které bylo použito 30 a 50 % R‑materiálu. Asfaltové směsi byly variantně vyrobeny s různými typy rejuvenátorů jak na ropné, tak na rostlinné bázi. Rejuvenátory byly dávkovány do asfaltových směsí podle (i) nomogramů od výrobců nebo (ii) nomogramů založených na zkouškách pojiva. Rejuvenátory byly dávkovány v různých koncentracích do asfaltového pojiva destilovaného z RA a zkoušeny na bod měknutí a penetraci. Výsledky asfaltových pojiv a výsledky asfaltových směsí s 50 % RA nejsou součástí tohoto příspěvku. Koncentrace některých přísad byla dále variována pro zhodnocení vlivu množství přísady na vlastnosti asfaltových směsí.
Rejuvenátory byly použity s asfaltovým pojivem 50/70 (bod měknutí = 48,8 °C; penetrace @25 °C = 56 dmm). V referenční asfaltové směsi bylo použito stejné pojivo bez jakékoliv přísady.
Všechny asfaltové směsi byly vyrobeny ve stejném složení za použití stejných vstupních materiálů (kamenivo, RA, filer a pojivo), aby se minimalizoval vliv těchto materiálů na variabilitu výsledných vlastností.
VÝSLEDKY PROVEDENÝCH ZKOUŠEK
Mezerovitost
Mezerovitost je jedním z nejdůležitějších parametrů při návrhu asfaltové směsi. Mezerovitost souvisí se zpracovatelností a významně ovlivňuje míru zhutnění finální asfaltové vrstvy. Asfaltové směsi se zvýšeným množstvím R‑materiálu se mohou při nesprávném návrhu potýkat se zhoršenou zpracovatelností způsobenou jak zvýšeným obsahem zestárlého asfaltového pojiva, tak např. nedostatečnou homogenitou asfaltové směsi. Asfaltové směsi se zvýšeným obsahem jemného R‑materiálu (11 RA 0/8 mm) se mohou díky vysokému podílu jemných části potýkat s příliš malou mezerovitostí, která negativně ovlivňuje především odolnost vůči trvalým deformacím (vyjetí kolem). Na druhou stranu asfaltové směsi s vysokým množství „hrubšího“ R‑materiálu a s nedostatečným ošetřením zestárlého asfaltového pojiva v RA (bez použití měkčího asfaltového pojiva nebo rejuvenátoru) se mohou potýkat s příliš vysokou mezerovitostí, která obecně snižuje trvanlivosti asfaltové směsi – do konstrukce vniká snadněji voda, která urychluje degradaci otevřené struktury vrstvy.
Jako referenční asfaltová směs s 30 % RA byla vyrobena varianta s pojivem 50/70, i přestože norma ČSN 73 6141 vyžaduje při použití více než 15 % RA buď aplikaci měkčího asfaltového pojiva, nebo použití rejuvenátoru v dostatečném množství.
Referenční asfaltová směs „50/70“ měla mezerovitost u horní hranice pro kontrolní zkoušky stanovené normou ČSN 73 6121. U všech dalších variant došlo k poklesu mezerovitosti vlivem použitého aditiva. Tedy všechna aditiva zlepšila zpracovatelnost asfaltové směsi. Míra snížení mezerovitosti je závislá na druhu rejuvenátoru a jeho dávkování. Čím je aditiva dávkováno vyšší množství, tím se významněji snižuje mezerovitost.
Modul tuhosti
Modul tuhosti je faktor, který může zabránit předčasné degradaci asfaltové směsi, potažmo asfaltového souvrství, pokud dosahuje přiměřených hodnot. U asfaltových směsí se zvýšeným množství R‑materiálu a změkčujícím přísadami zcela jasně ukazuje jejich vliv. Snížení modulu tuhosti na přiměřenou hodnotu je v tomto případě žádoucí. Asfaltové směsi s R‑materiálem bez příslušných přísad nebo měkčího asfaltu dosahují vysokých modulů tuhosti, které mohou mít negativní vliv na životnost asfaltové směsi. Obecně vyšší tuhost v podstatě neznamená, že asfaltová směs bude mít lepší celkové vlastnosti a životnost. Pokud je tuhost příliš vysoká (zejména zvýšený obsah RA s degradovaným asfaltem a bez dostatečného změkčení), může být směs náchylnější k praskání způsobenému nízkou teplotou při náhlých klimatických změnách.
Modul tuhosti byl stanoven metodou IT-CY při 3 zkušebních teplotách: 0, 15 a 27 °C, které jsou běžné používané pro asfaltové směsi vyráběné v ČR. Výsledky všech měření jsou shrnuty v Tabulce 2.
Moduly tuhosti všech variant při všech teplotách jsou nižší než pro referenční směs, tedy všechny přísady plní svou funkci. Stejně jako při použití vyššího množství aditiva byl pokles výraznější. Pouze u varianty se 7 % rejuvenátoru A došlo ke zvýšení tuhosti. Tato směs měla dokonce i vybočující mezerovitost (nižší než při použití 14 % rejuvenátoru A), což znamená, že pravděpodobně došlo nebo mohlo dojít k problémům při přípravě varianty směsi/zkušebních vzorků. Pro ostatní rejuvenátory (B a SR) platí, že zvýšené množství přísady vedlo k menší tuhosti směsi, což je logické a očekávané.
Jedním z hlavních cílů rejuvenátorů je obnovit maltenickou část asfaltového pojiva a vypořádat se s křehkostí směsi s vysokým obsahem RA při nízkých teplotách. Výsledky ukázaly, že rejuvenátory pozitivně ovlivnily chování směsí při nízké teplotě (tj. 0 °C), přičemž při vyšším obsahu došlo k výraznému snížení tuhosti.
Teplotní citlivost je další parametr, který lze při stanovování modulu tuhosti vypočítat. Teplotní citlivost je poměr modulu pro nejnižší (0 °C) a nejvyšší (27 °C) stanovenou teplotu. Čím nižší je teplotní citlivost, tím méně je asfaltová směs náchylná na změny teploty s ohledem na deformační vlastnosti. Tedy čím nižší je tato hodnota, tím lépe bude asfaltová směs odolávat klimatickým změnám během roku. To je důležité hlavně tehdy, pokud můžeme očekávat náhlé klimatické změny, které se mohou opakovat i v kratším časovém období. Nejnižší hodnoty byly zjištěny u variant s nižším množstvím rejuvenátorů. Obecně to není překvapivé a podobné chování je známo např. u asfaltových směsí s asfaltem s nižší penetrací. Obvykle, pokud je asfalt tužší (má nižší hodnotu penetrace), se tuhost asfaltové směsi mezi nižší a vyšší teplotou nemění tak dramaticky jako u měkčích asfaltových pojiv. Tepelná citlivost tedy může být jakýmsi dalším indikátorem toho, jak dobře rejuvenátor mění vlastnosti degradované asfaltové směsi/asfaltu.
Zkušební tělesa byla dále rozdělena do dvou skupin, kdy jedna skupina byla podrobena laboratorní simulaci stárnutí dle jedné z metod popsaných v EN 12697-52 (uložení zkušebních těles v klimatické komoře s nucenou cirkulací vzduchu při teplotě 85 °C po dobu pěti dní). Tato metoda je používaná už mnoho let v silniční laboratoři ČVUT, přičemž s ní univerzita má řadu zkušeností. Index stárnutí, který stanovuje vliv laboratorní simulace stárnutí na vlastnosti asfaltové směsi, je vypočítán jako poměr zestárlého a nezestárlého parametru zkušebního tělesa. Čím blíže je 1,0 (100 %), tím je asfaltové těleso, potažmo asfaltová směs, méně náchylné na stárnutí, tedy jeho trvanlivost může být delší. Podrobně se tématice stárnutí věnuje jeden z příspěvků konference Asfaltové vozovky 2021 [6].
Stejně jako u teplotní citlivosti platí, že čím je asfaltová směsi tužší, tím je ovlivnění stárnutím menší. Zjednodušeně se dá říct, že zestárlé asfaltové pojivo dále degraduje pomaleji, a naopak rejuvenované pojivo je více ovlivněno stárnutím, tedy „stárne rychleji“. Ale zde je nutné zdůraznit, že i když např. asfaltová směs s 14 % rejuvenátoru A vykazuje vlivem stárnutí nárůst modulu tuhosti při 15 °C o 25 %, v porovnání s nárůstem jen o 15 % u referenční asfaltové směsi, tak modul tuhosti stanovený po stárnutí směsi varianty se 14 % rejuvenátoru A je o dvě třetiny menší než u referenční varianty. Tato skutečnost indikuje, že asfaltová směs by si v tomto případě měla delší dobu udržet účinek rejuvenátoru.
Z indexu stárnutí lze do jisté míry také odvodit, jak moc může docházet ke ztrátě omlazovacího účinku, který má rejuvenátor poskytnout. Pokud po simulovaném stárnutí bude hodnota indexu stárnutí významně přesahovat 1,0, lze očekávat, že bude docházet k rychlejší ztrátě účinku rejuvenátoru. Dosud získané výsledky přitom jsou spíše povzbudivé. Pokud porovnáme základní dávkování rejuvenátoru, tak pouze varianta „C“ vykazuje mírně vyšší hodnotu. Pokud porovnáme varianty se zvýšeným obsahem použitých rejuvenátorů, potom je patrné, že na stárnutí nejméně citlivá je varianta s rejuvenátorem SR. Proto může být index stárnutí konkrétní pevnostní či deformační charakteristiky dobrým indikátorem účinku rejuvenátoru v asfaltové směsi.
Odolnost vůči vzniku mrazových trhlin
Odolnost vůči vzniku mrazových trhlin byla stanovena podle modifikované zkušební metody vycházející z normy ČSN EN 12697-44. Metoda byla upravena tak, aby odpovídala možnostem českého technického prostředí. Modifikovaný zkušební postup je podrobně popsán např. v [7], ale nejdůležitější rozdíly jsou následující: (i) zkušební vzorky jsou zhutněny podle ČSN EN 12697-30 na tělesa o průměru 100 mm, (ii) rychlost zatěžování je snížena na 2,5 mm/min a (iii) kromě výpočtu lomové houževnatosti je zajištěno i stanovení lomové energie do maximální síly a do úplného šíření trhliny (včetně odtěžovací části). Zejména poslední uvedený bod velmi dobře doplňuje přístupy, které lze nalézt v řadě zemí, kde se na rozdíl od České republiky se zkouškou odolnosti proti šíření trhliny aktivně pracuje a jako kvalitativní charakteristika se využívá.
Lomová houževnatost není tak snadno predikovatelná jako ostatní pevnostní charakteristiky – tuhost a pevnost téměř ve všech případech klesá, pokud je použito měkčí asfaltové pojivo nebo rejuvenátor, ale lomová houževnatost je ovlivněna více křehkostí vzorku než jeho tuhostí. U rejuvenátorů je patrný pokles, ale většina variant dosáhla velmi podobné lomové houževnatosti jako referenční směs.
Rozdíly v hodnotách lomových energií jsou viditelnější. To je jeden z důvodů a jasné zdůvodnění, proč byla lomová energie do zkušební metody přidána, i když ji norma neobsahuje. Lomová energie (většinou) roste s rostoucím obsahem rejuvenátoru ve směsi. Nejvyšších hodnot dosáhly varianty s vyšším obsahem rejuvenátoru, ale znatelný nárůst, kterého bylo dosaženo u směsí s rejuvenátorem A, se u ostatních aditiv neopakoval – nárůst pro dvojnásobný obsah rejuvenátoru SR činil pouze ~16 % a pro variantu „B“ byl zjištěn dokonce pokles energetických charakteristik (−20 %).
SHRNUTÍ A ZÁVĚR
Článek představuje část výzkumu asfaltových směsí s rejuvenátory na různé bázi (rostlinné a ropné). Požadované či očekávané vlastnosti rejuvenátorů nejsou striktně definovány (alespoň ne v České republice), proto je pro pochopení rozdílů mezi jednotlivými aditivy a pro kvalifikaci jejich vlivu na vlastnosti asfaltových směsí klíčové řádné testování finálních asfaltových směsí. Zde bychom rádi zdůraznili, že s postupným rozvojem využívání asfaltových směsí s R‑materiálem si nelze do blízké budoucnosti vystačit s tradičním ověřením mezerovitosti a možná odolnosti proti účinkům vody či odolnosti proti trvalé deformaci. Tyto letitě zavedené přístupy jsou co do posouzení kvality asfaltové směsi žalostně málo a v případě asfaltových směsí s recykláty toto platí a bude platit minimálně dvojnásob. Tento příspěvek zahrnuje i varianty s experimentálně připravenými aditivy.
Z výsledků nevyplývá žádný obecně závěr z pohledu báze rejuvenátoru. Každá přísada působí jinak bez ohledu na původ a je velmi důležité si na začátku stanovit, co od určitého rejuvenátoru výrobce asfaltové směsi očekává. Například nejlepší zpracovatelnosti dosáhlo aditivum A (pokud srovnáváme podobné koncentrace aditiv) a také dosáhlo velmi dobrých výsledků lomové houževnatosti, ale na druhé straně „změkčení“ modulu tuhosti bylo nižší než u ostatních variant s koncentrací kolem 7 %. Směsi s přísadou B vykazovaly pokles modulu tuhosti, což je výhodné pro směsi se zvýšeným obsahem RA, ale také vykazovaly nižší lomové vlastnosti, což znamená, že přidaná hodnota nižší křehkosti nebyla získána. To platí i pro aditivum RF, s nímž směs vykazovala nejnižší lomové charakteristiky.
Při použití vyšší nebo nižší koncentrace rejuvenátorů je zřejmý trend – zlepší se zpracovatelnost (sníží se mezerovitost), sníží se modul tuhosti, ale na druhé straně se zvýší teplotní citlivost modulu tuhosti a zlepší se lomové vlastnosti. Při použití vyššího množství rejuvenátorů se zvyšuje riziko vzniku trvalých deformací, proto je nutné věnovat i této vlastnosti zvýšenou pozornost. Také vyšší množství rejuvenátoru má významný finanční dopad na konečnou cenu asfaltových směsí. V rovnováze tedy musí být nejen vlastnosti asfaltové směsi, ale velmi důležitá je i ekonomika výroby takové asfaltové směsi. To platí především v případě, kdy cena jako všemocná mantra je jedinou rozhodující hybnou silou a kritériem při rozhodování o tom, které řešení je vhodné a které nikoli.
Poděkování
Tento článek vznikl v rámci aktivit řešených v projektu Technologické agentury ČR, program Epsilon, projekt č. FW01010512 a současně v rámci studentského projektu SGS21/046/OHK1/1T/11.
Ing. Pavla Vacková, Ph.D.
POZEMNÍ KOMUNIKACE BOHEMIA, a. s.
Ing. Jan Valentin, Ph.D. Majda Belhaj, MSc.
Bc. Jiří Jindra
ČVUT v Praze, Fakulta stavební
ZDROJE:
[1] ČSN 73 6121 Stavba vozovek – Hutněné asfaltové vrstvy – Provádění a kontrola shody. 2019
[2] ČSN EN 12697-30 Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 30: Příprava zkušebních těles rázovým zhutňovačem. 2020
[3] ČSN EN 12697-8 Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 8: Stanovení mezerovitosti asfaltových směsí. 2020
[4] ČSN EN 12697-26 Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 26: Tuhost. 2019
[5] ČSN EN 12697-44 Asfaltové směsi – Zkušební metody pro asfaltové směsi za horka – Část 44: Šíření trhliny zkouškou ohybem na půlválcovém zkušebním tělese. 2019
[6] Vacková P., Valentin J., Belhaj, M. Vliv stárnutí na nízkoteplotní vlastnosti asfaltových směsí. Asfaltové vozovky 2021.
[7] Vacková P., Valentin J. Jaké informace nám může poskytnout zkouška odolnosti asfaltové směsi proti šíření trhliny na půlválcových tělesech? Asfaltové vozovky, 2019.
