Funkční zkoušky asfaltových směsí

Cílem zavedení funkčních zkoušek pro asfaltové směsi je přiblížit zkoušení ke skutečnému namáhání ve vozovce a vytvořit alternativní přístup pro navrhování asfaltových směsí k dosud používanému postupu empirickému. Empirický způsob návrhu je většinou založen na stanovování fyzikálně mechanických veličin podle Marshalla, který tento postup odvodil koncem 30. let 20. století. I přes další úpravy této metody americkými inženýry v průběhu 2. světové války se jedná o záležitost více než půl století starou. Zkoušení Marshallových těles neodpovídá způsobu zatěžování asfaltových směsí v reálné vozovce a vyhodnocované veličiny jako je stabilita, přetvoření, popř. tuhost, lze jen velmi hrubým a ne zcela přesným zjednodušením použít pro hodnocení odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací. Extrémní celosvětový nárůst těžké nákladní dopravy zejména v posledním období si vynucuje hledání nových přístupů. V posledních letech se začínají stále více prosazovat právě již výše zmiňované funkční zkoušky (Performance tests) - t.j. zkoušky simulující skutečné namáhání asfaltových směsí. Ve velké míře jejich prosazování napomohl rozsáhlý americký výzkumný program SHRP (Strategic Highway Research Project). Tento výzkum byl zaměřen na větší propojení laboratorních zkoušek s reálným namáháním vozovek, což mělo v konečném důsledku vést k volbě takových vstupních materiálů, pomocí kterých by se zvýšila kvalita výsledného produktu - asfaltové směsi a omezila by se tak nutnost vysokých investic do údržby a oprav poruch. V rámci tohoto projektu byly vyvinuty nové nebo zdokonaleny již používané funkční zkušební metody jak pro asfaltová pojiva, tak i pro asfaltové směsi. Funkční způsob návrhu asfaltových směsí se omezuje ve své podstatě na směsi typu asfaltový beton, tedy směsi s plynulou čarou zrnitosti. Ostatní typy asfaltových směsí, jako je např. asfaltový koberec mastixový nebo asfaltový koberec drenážní, lze zařadit do skupiny směsí empirických, jejichž účel použití je poměrně úzce vymezen - asfaltový koberec mastixový se používá zejména pouze pro vysoká a extrémní dopravní zatížení, asfaltový koberec drenážní pro snížení nebezpečí aquaplaningu. Taktéž obory zrnitosti těchto empirických směsí jsou poměrně úzké, používají se téměř výhradně modifikované asfalty, jejich složení tedy nelze výrazněji měnit. Naproti tomu směsi typu asfaltový beton již svým oborem zrnitosti poskytují mnohem větší variabilitu, jedná se o směsi nejčastěji používané v silničním stavitelství jak do obrusných, tak i do ložních vrstev. Jako asfaltová pojiva lze používat jak pojiva nemodifikovaná, tak i modifikovaná. Tím je možné přizpůsobit návrh specifickým místním podmínkám, a to jak klimatickým, tak i ve vztahu k velikosti dopravního zatížení. S tímto přístupem přicházejí též nové evropské normy, které umožňují pro asfaltový beton - EN 13108-1 aplikaci jak přístupu empirického, tak i funkčního.

Funkční zkoušky asfaltových směsí dokáží simulovat:

• 1. proces výroby, dopravy, pokládky a hutnění asfaltové směsi;
• 2. chování asfaltové směsi v různých podmínkách zatížení a prostředí.

1a. Stanovení náchylnosti asfaltových směsí k segregaci podle ČSN EN 12697-15

Zkouška se snaží modelovat proces manipulace s nezhutněnou asfaltovou směsí v průběhu sypání na korbu nákladního automobilu, dopravy a v násypce finišeru. Větší zrna kameniva mají při pohybu větší kinetickou energii, a tudíž mají tendenci se oddělovat od zbytku směsi. To má za následek tvorbu shluků větších zrn v pokládané směsi. Princip zkoušky spočívá v tom, že se horký vzorek asfaltové směsi umístí do nahřáté izolované kuželovité násypky a nechá se po otevření šoupátkového uzávěru propadnout na plošinu, na které se vytvoří kuželovitá figura. V plošině se otevře malý otvor, který z figury oddělí střední (jemnou) část směsi, poté se otevře velký otvor, jímž propadá střední část figury. Na plošině zbude nejhrubší část vzorku.

Po provedení analýzy jemné a hrubé části směsi se počítají normou stanovené charakteristiky:

• hodnota segregace pojiva - rozdíl mezi obsahem asfaltu v jemné a hrubé části;
• hodnota segregace kameniva pro určená síta - rozdíl výsledků sítových rozborů mezi jemnou a hrubou částí;
• hodnota kvality mísení - rozdíl obsahů pojiva v mastixovém podílu jemné a hrubé části.

1b. Zkouška zhutnitelnosti asfaltových směsí podle ČSN EN 12697-10

Zkouška spočívá v registraci výšky zkušebního tělesa při zhutňování asfaltové směsi rázovým (Marshallovým) zhutňovačem. Při hutnění je sledováno snižování tloušťky tělesa (objemové hmotnosti, mezerovitosti) v závislosti na počtu úderů zhutňovače. Získaným záznamem se proloží křivka, jejíž parametry charakterizují zhutnitelnost asfaltové směsi.

Příklad záznamu zkoušky zhutnitelnosti

2a. Stanovení citlivosti asfaltové směsi vůči účinkům vody podle ČSN EN 12697-12

Metoda spočívá v porovnání pevností v příčném tahu skupiny referenčních ("suchých") těles, která nejsou vystavena účinkům vody, se skupinou těles ("mokrých"), která byla vystavena účinkům vody a zvýšené teploty 40 °C. Obě skupiny těles jsou hutněny rázovým zhutňovačem sníženým počtem úderů (2x 25 úderů). Účinek působení vody se vyjadřuje jako poměr pevnosti v příčném tahu (podle ČSN EN 12697-23) skupiny těles "mokrých" a těles "suchých".

2b. Stanovení nízkoteplotních vlastností asfaltových směsí

Posuzování velmi důležité vlastnosti asfaltových směsí - jejich chování za nízkých teplot - není dosud popisováno žádnou evropskou normou. Při jejich posuzování je na pracovišti autorů využívána vlastní vyvinutá metodika pomocí nízkoteplotní komory Cyklon -40. Zkušební tělesa ze zhutněné asfaltové směsi tvaru trámečku o rozměru 50mmx50mmx200mm jsou vystavena vznikajícímu tahovému napětí, které je způsobeno jeho smršťováním s klesající teplotou za podmínky zabránění jeho zkracování (ε_t = 0). Je stanovena maximální tahová síla (tahové napětí) a kritická teplota vzniku mrazové trhliny.

Záznam průběhu zkoušky nízkoteplotních vlastností

2c. Měření modulu tuhosti podle ČSN EN 12697-26

Jde o moderní metody stanovení modulu tuhosti asfaltových směsí pomocí opakovaného dynamického zatěžování. Podle v současnosti platných norem je možno stanovovat moduly tuhosti u asfaltových směsí čtyřmi metodami, a to pomocí:

• 2 bodové zkoušky (2 - Point Bending Test) na komolém klínu;
• 3 bodové zkoušky na trámečcích (prostý nosník);
• 4 bodové zkoušky na trámečcích (prostý nosník);
• zkoušky v příčném tahu (válečková tělesa).

4 bodová zkouška

Na základě měřených veličin (síla, deformace, fázový úhel zpoždění) a známých rozměrů zkušebního tělesa je stanovován modul tuhosti zhutněné asfaltové směsi při různých teplotách.
Inovovaná česká návrhová metoda, uvedená v předpisu TP 170, již počítá s funkčním stanovováním modulů u asfaltem stmelených materiálů. Za výsledek zkoušky se považuje a do návrhové metody vstupuje hodnota modulu, stanovená 2 bodovou zkouškou při teplotě 15 °C a frekvenci zatěžování 10 Hz.

Příklad vyhodnocení výsledků bodové zkoušky

2d. Měření únavových charakteristik podle ČSN EN 12697-24

Únavové charakteristiky se využívají při posuzování odolnosti vozovky proti opakovanému zatěžování. Výsledky zkoušky se vyjadřují ve formě Wöhlerova diagramu, z něhož do české návrhové metody vstupují charakteristika sklonu únavové přímky B a přetvoření odpovídající jednomu milionu zatěžovacích cyklů ε6. ČSN EN 12697-24 umožňuje v současnosti stanovovat únavové charakteristiky dvěma metodami, a to pomocí:

• 2bodové zkoušky (2-Point Bending Test) na komolém klínu;
• 4bodové zkoušky (4-Point Bending Test) na trámečcích.

Příklad vyhodnocení únavové zkoušky pomocí Wöhlerova diagramu

2e. Posouzení odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací podle ČSN EN 12697-25

Vedle známého a doposud hojně využívaného empirického způsobu posuzování odolnosti asfaltové směsi k tvorbě trvalých deformací pomocí vyjížděčů kolejí umožňuje ČSN EN 12697-25 stanovovat tuto odolnost asfaltových směsí funkční zkouškou cyklickým zatěžováním válcových zkušebních těles v tlaku pomocí triaxiální komory. V silniční laboratoři VUT v Brně byla v dubnu 2007 dokončena stavba tohoto v České republice unikátního zkušebního zařízení a v současné době probíhají první testy. Při zkoušce probíhající při teplotě 50 °C je válcové zkušební těleso (Marshallovo těleso nebo jádrový vývrt z vozovky) zatěžováno cyklickým axiálním tlakem a současně bočním komorovým tlakem (statickým nebo cyklickým), který simuluje hmotu a odezvu okolního materiálu v reálné vozovce. Ze záznamu závislosti axiálního přetvoření na počtu opakování zatížení je vyhodnocována odolnost zkoušené směsi proti tvorbě trvalých deformací (vyjetých kolejí).

Závěr

Cílem příspěvku bylo představit funkční zkoušky hutněných asfaltových směsí jako zrychlený způsob posouzení jejich vlastností v konstrukci vozovky, založený na přejímaných evropských normách. Přestože celý systém specifikací vstoupí v platnost až v březnu 2008, tyto zkoušky se v současné době již běžně používají na pracovišti autorů, kde také probíhají pravidelná školení pracovníků silničních laboratoří pro lepší informovanost v této oblasti. Další generace evropských norem pro asfaltové směsi by se měla zaměřit na navrhování asfaltových směsí výhradně s využíváním funkčních zkoušek. Tato vize evropských tvůrců norem však naráží na nutnost pořízení finančně velmi nákladných zkušebních zařízení, která jsou využívána v současnosti téměř výhradně k výzkumným účelům a i pro velké stavební firmy působící v oblasti silničního stavitelství představují nemalé investiční náklady.

Použitá literatura
[1] ČSN EN řady 12697 - Zkušební normy pro asfaltové směsi zpracovávané za horka
[2] EN řady 13108 - Výrobkové normy a normy pro kvalitu pro asfaltové směsi zpracovávané za horka