Styrelf – 19 rokov životnosti na diaľnici bez jedinej trhliny
Polymérom modifikované spojivá sa už niekoľko desaťročí používajú ako riešenie problému tvorby trvalých deformácií a vzniku trhlín vo vozovke vyplývajúcich z neustále sa zvyšujúceho dopravného zaťaženia cestnej siete. Laboratórny výskum i dlhoročné pozorovanie in-situ dokazujú ich výbornú efektivitu.
V 80. rokoch 20. storočia sa na švajčiarskom trhu objavilo značné množstvo polymérom modifikovaných spojív a aditív. Tím expertov z VSS (švajčiarsky spolok pre cesty a dopravu) sa zhodol na tom, že čoskoro bude potrebný štandard, ktorý definuje technológiu a urýchli tak jej vývoj a použitie [1]. Vzhľadom na nedostatok laboratórnych, ako aj in-situ skúseností komisia navrhla vyskúšať jednotlivé nápady na úseku diaľnice A9 v blízkosti Sionu v kantóne Valais [2], [3]. V roku 1988 bol vykonaný súbor skúšok na sekcii tejto diaľnice, ktorá bola vo výstavbe, a na ďalších 16 individuálnych skúšobných úsekoch, z ktorých každý meral 300 m [4]. Dvanásť z týchto úsekov bolo postavených stavebnými spoločnosťami z produktov dostupných v tom čase na švajčiarskom trhu, vrátane úseku 11, v ktorom bol použitý Styrelf 13/80 – 3 % SBS polymérom zosieťovaný modifikovaný asfalt vyrábaný zvláštnym postupom spoločnosťou Elf, resp. TotalEnergies. Štyri úseky boli postavené zo zmesí obsahujúcich bežný cestný asfalt gradácie 50/70 a 80/100. Ďalej bol postavený 4 km dlhý úsek (označený N°11bis), v ktorom bol použitý rovnaký asfalt ako na úseku číslo 11 [5].
Pri tejto príležitosti bola spustená veľká kampaň s cieľom monitorovať povrchové vlastnosti vozovky a skúmať jednotlivé materiály. Niektoré z týchto úsekov vykázali i po 14 rokoch užívania dobré vlastnosti a 4 km dlhý úsek dokonca po 19 rokoch prevádzky. Analýza bola možná vďaka odberu vzoriek z vozovky v rôznych štádiách jej životnosti (2 roky, 8 rokov, 14 rokov a 19 rokov). Vzorky boli skladované za kontrolovaných podmienok.
V roku 2002, po 14 rokoch prevádzky, bolo 16 úsekov zrekonštruovaných, pretože niektoré z nich boli už príliš poškodené (pozri obrázok 1). 4 km dlhý úsek bol v užívaní až do roku 2009. Úsek s polymérom modifikovaným spojivom Styrelf 13/80 bol skúmaný detailnejšie a toto spojivo sa zdá byť in-situ aj laboratórne veľmi efektívne.
PODMIENKY STAVBY
Hodnotenie výkonu jednotlivých spojív bolo vykonané pri rovnakých podmienkach pre všetky asfalty. Všetky obrusné vrstvy sa kládli na rovnaké podkladové vrstvy pri identických podmienkach na stavbe a hutnili rovnakým postupom. Klimatické a dopravné podmienky panovali na všetkých úsekoch tiež totožné.
DOPRAVNÉ ZAŤAŽENIE
Úsek diaľnice A9, ktorý je predmetom tohto článku, je zaťažený prevažne sezónne závislou turistickou dopravou s priemerným zaťažením 24 000 vozidiel denne medzi rokmi 1988 – 2007. Nárast dopravy zodpovedá hodnote 2,9 % a ťažké nákladné vozidlá predstavujú iba 6 % z celkového dopravného zaťaženia. Tieto hodnoty zodpovedajú v prepočte 830 prejazdom štandardizovaného osového zaťaženia s veľkosťou 80 kN, resp. zaťaženiu triedy T4 podľa švajčiarskej klasifikácie.
KLIMATICKÉ PODMIENKY
Meteorologická stanica nachádzajúca sa neďaleko skúšobného úseku poskytovala dáta o počasí od roku 1992. V rôznych hĺbkach sa do vozovky umiestnili teplotné senzory, senzor vlhkosti a rádiometer, merajúce viditeľné a infračervené slnečné žiarenie. Skúmaný úsek zodpovedá typickým klimatickým podmienkam regiónu Valais (alpské údolia), ktoré spočívajú vo viac než 270 slnečných dňoch v roku s teplotou nad 30 °C, ako aj v extrémne studených podmienkach (teploty nižšie než –10 °C), a dňoch s prudkými poklesmi teploty (5 °C/h). Pre pripomenutie – skúška TSRST sa vykonáva pri –10 °C/h [6].
POVRCHOVÉ VLASTNOSTI OBRUSNEJ VRSTVY
Obrusná vrstva sa kládla zo zmesi AC16S v hrúbke 40 mm. Obsah spojiva a hrúbka tejto vrstvy boli identické pre všetky skúšobné úseky. Na obrázku 2 je zobrazená konštrukcia vozovky – 330 mm vrstiev s asfaltom na podkladovej vrstve zo štrku gradácie 0/150, hrubé 420 mm. Výsledky merania priehybu pomocou rázového zariadenia FWD ukázali veľmi vysokú únosnosť vozovky a návrhovú životnosť vyše 20 rokov pri podmienkach panujúcich v čase kladenia.
POŠKODENIE POVRCHU VOZOVKY A LABORATÓRNE VÝSLEDKY (ISAP 2010)
Vzhľadom na fakt, že hlavným druhom deformácie pozorovaným na skúšobných úsekoch boli povrchové trhliny, bol navrhnutý trhlinový index, ktorý bol korelovaný s rôznymi výsledkami skúšok materiálov. M hodnota skúšky BBR, meraná pri –15 °C a 60 s, spolu s TSRST pri štandardnej teplote, dosiahli najlepšie hodnoty korelácie s trhlinovým indexom po 10 rokoch prevádzky.
Obr. 1 – Porovnanie povrchových vlastností 2 sekcií vozovky po 14 rokoch užívania – veľmi poškodený úsek (vľavo) v porovnaní s úsekom N°11 so spojivom Styrelf, ktorý je stále v dobrom stave (vpravo)
Obr. 2 – Konštrukcia vozovky a podkladových vrstiev na skúšobných úsekoch diaľnice
 Obr. 3 – Umiestnenie jednotlivých produktov s ohľadom na stav trhlín na povrchu vozovky (os x – percento povrchu, kde sú viditeľné trhliny; os y – šírka trhlín v mm) |
„Trhlinový amplitúdový index“ bol definovaný ako kombinácia miery rozšírenia a závažnosti trhlín vo vozovke. Stav tejto deformácie po 14 rokoch prevádzky na jednotlivých skúšobných úsekoch ukazuje, že sekcia 11 so spojivom Styrelf nie je vznikom trhlín postihnutá. Na obrázku 3 je tento fakt vyobrazený. Výsledky jednotlivých spojív siahajú od veľmi zlých so závažnými deformáciami obrusnej vrstvy už po 1 roku užívania až po veľmi dobré so žiadnymi viditeľnými deformáciami po 14 rokoch užívania na úseku so spojivom Styrelf 13/80. Pri hodnotení jednotlivých asfaltov sa ukázalo byť veľmi dôležité aj ich spracovanie, najmä miešanie polyméru s asfaltovou bázou. Polymérom modifikované spojivá vytvárané zosieťovaním reťazcov SBS preukázali pri tejto štúdii dobré mechanické vlastnosti pri uspokojivej trvanlivosti. Styrelf 13/80 patrí do kategórie týchto spojív a bol vybratý na ďalšie skúmanie paralelne s bežným cestným asfaltom rovnakej penetračnej gradácie. |
VÝVOJ BEŽNÝCH VLASTNOSTÍ STYRELFU 13/80
Na vzorkách spojív a asfaltovej zmesi odobraných z vozovky po 2, 8 a 14 rokoch prevádzky zo sekcií N15 a N11 boli vykonávané laboratórne skúšky. Rovnaký postup bol zvolený pre sekciu N11bis po 19 rokoch prevádzky.
VÝVOJ SPOJIVA POČAS STARNUTIA IN-SITU
Na obrázku 4 vidieť bežne používané popisné vlastnosti spätne extrahovaného cestného asfaltu a PMB, ukazujúce vývoj penetrácie, bodu mäknutia a bodu lámavosti podľa Fraassa v rôznych fázach životnosti vozovky.
Oba grafy potvrdzujú predpokladané silné starnutie materiálu pri výrobe na obaľovni, počas prepravy a pri hutnení. Tento jav je možné vidieť na poklese penetrácie o 20 – 30 dmm a náraste bodu mäknutia o zhruba 8 °C počas týchto úkonov. Krivka popisujúca bežný cestný asfalt má súvislý trend nárastu bodu mäknutia a poklesu penetrácie s dĺžkou života vozovky. Zmeny modifikovaného asfaltu sa zhruba po 8 rokoch stabilizujú a penetrácia aj bod mäknutia sa už ďalej príliš nemenia. Efekt starnutia sa zdá byť oveľa nižší pre PMB než pre bežný cestný asfalt.
Bežné cestné spojivo v priebehu 14 rokov života stratilo zhruba 14 °C na skúške bodu lámavosti podľa Fraassa a stalo sa tak značne krehkejšie, zatiaľ čo zosieťované, polymérom modifikované spojivo stratilo iba 6 °C za dlhší čas – za 19 rokov.
Na obrázku 5 vidieť, že vratná duktilita zostáva vysoká aj po 19 rokoch životnosti vozovky (iba 13 % strata), čo je možné považovať za dôkaz dobrej a trvanlivej relaxačnej schopnosti asfaltu pri 25 °C. Hoci sa táto schopnosť asfaltu vychádzajúca zo skúšky vratnej duktility a skúšky BBR meria pri iných podmienkach, najmä v oblasti teplôt, ukazuje pre modifikovaný asfalt na rovnaký trend.
Štúdia vykonaná na vzorkách zo skúšobných úsekov zaťažených dopravou počas 2, 8 a 14 rokov a zo skúšobného úseku zaťaženého dopravou počas 19 rokov za podmienok stredne ťažkého dopravného zaťaženia a relatívne nepriaznivých klimatických podmienok ukázala, že:
- Skúšobný úsek so spojivom Styrelf 13/80 vykazoval dobrú odolnosť proti starnutiu pri všetkých vykonaných skúškach. Po 2 rokoch životnosti vozovky vykazoval tento úsek extrémne dobré stabilné vlastnosti. Toto nízke zostarnutie zmesi je prisudzované patentovanému procesu zosieťovania spojiva a polyméru technológiou Styrelf, ktoré značne obmedzuje možnosť oxidácie a zvyšuje trvanlivosť povrchu vozovky.
- Elasticita spojiva Styrelf 13/80 zostala zachovaná na vysokej úrovni po celú dobu životnosti vozovky v porovnaní s vlastnosťami nového nezostarnutého asfaltu. Sieť polyméru sa počas života vozovky vyvíja, ale nedochádza k jej deštrukcii. Polymér sa v spojive nachádza aj po 19 rokoch.
- Vozovka so spojivom Styrelf 13/80 vykazovala výbornú trvanlivosť, obrusná vrstva bola vymenená až po 21 rokoch prevádzky.
Obr. 4 – Zmena penetrácie, bodu mäknutia a bodu lámavosti podľa Fraassa v priebehu životnosti vozovky
Obr. 5 – Zmena vratnej duktility počas životnosti vozovky
LITERATURA:
[1] A comprehensive study of cold climate asphalt pavement cracking, Haas, R., Meyer G., Assaf, G., Lee, H., Proceeding Association of Asphalt Paving Technologists (AAPT), vol. 56, p.198–245, 1987.
[2] Comparative tests sections with different polymer-modified asphalts and with different polymer additives, Dumont, A.-G., B. Schwery, Ch. Angst, 4th Eurobitume Symposium, Madrid, Spain, 1989.
[3] Ageing of modified bitumen from comparative sections made in Switzerland, in the canton of Valais, ] Dumont, A.-G., M. Huet, E. Simond, Eurobitume Congress, Stockholm, Sweden, 1993.
[4] Comparative sections with modified bitumen and additives, Dumont, A.-G., B. Schwery, Ch. Angst, OFR Report No. 1035, 2002.
[5] Long term effect of modified binder on cracking resistance of pavements, Dumont, A.-G., M. Huet, E. Simond, 5th Int. RILEM Conference Cracking in Pavements, Limoges, France, 2004.
[6] Projected cracking procedure of bituminous covering resulting from thermal pressures, Pucci, T., PhD thesis no. 2282, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, 2000.