Zkoušené vlastnosti asfaltu: Komplexní přehled

Asfalty jsou tmavé plastické až tuhé podíly z ropy koloidního charakteru. Obsahují zejména asfaltény, ropné pryskyřice a nejtěžší ropné olejové podíly. Asfalty se mohou získávat v průběhu krakovacích procesů - krakovací asfalty, extrakčních procesů - např. propanové asfalty, avšak nejčastějším způsobem získávání ropných asfaltů je pomocí fyzikální rafinace ropy, jejíž základní operací je dvoufázová destilace. První fází je tzv. atmosférická destilace, která je následovaná destilací vakuovou. Výsledkem tohoto procesu je tzv. asfalt primární. Vlastnosti získaných primárních asfaltů je možné dále upravovat navazujícími procesy jako je oxidace - vzniká asfalt oxidovaný (polofoukaný) nebo tzv. extrakce vakuového zbytku - vzniká asfalt extrahovaný. Dalšími modifikacemi těchto asfaltů pomocí polymerů, emulgováním nebo např. ropný asfalt odkazuje na zbytek po destilaci ropy. Obecně lze říci, že v závislosti na stupni rafinace bude ropný asfalt v kapalině, polotuhé nebo pevném stavu při pokojové teplotě. Přírodní asfalt je uložen pod zemí a některé mohou také tvořit minerální vrstvy nebo se hromadí na povrchu zemské kůry. Asfalt uhelného dehtu je vedlejší produkt koksování, tj. černá látka, která zůstala po destilaci dehtu. Rozdíl mezi touto látkou a rafinovaným dehtem je pouze ve fyzikálních vlastnostech a v jiných aspektech není zjevná hranice. Asfalt uhelného dehtu obsahuje látky, jako je fenanthrene a pyren, které je obtížné těkato. Tyto látky jsou toxické. Protože obsah těchto složek je odlišný, budou se také lišit vlastnosti asfaltu uhelného dehtu. Kromě toho výrobci zařízení pro míchání závodů asfaltu řeknou uživatelům, že změny teploty mají velký dopad na asfalt uhelného dehtu. Tato látka je v zimě křehce a v létě snáze změkčí.

Hlavním uplatněním asfaltů je výstavba a údržba netuhých asfaltových vozovek. Vlastnosti asfaltů používaných v silničním stavitelství a údržbě jsou definované Českou technickou normou ČSN EN 12591. I přes technologický pokrok a neustálý vývoj v oblasti stavebních materiálů stále platí jednoduchá pravda - asfalt nemá konkurenci. Jeho odolnost, dlouhá životnost a spolehlivost překonává vše, co bylo doposud vymyšleno. Už desítky let dominuje asfalt silničnímu stavitelství a úspěšně zvládá jak extrémní klimatické podmínky, tak narůstající dopravní zátěž. A proč stále vítězí? Jeho tajemství spočívá ve výjimečné pružnosti, voděodolnosti a odolnosti vůči mechanickému opotřebení.

Důležité vlastnosti asfaltů

U asfaltů se sledují zejména reologické vlastnosti - asfalty se nesmí lámat při nízké teplotě a trvalá deformace při vyšších teplotách nebo dlouhodobém zatížení musí být malá. Dalšími důležitými vlastnostmi asfaltů jsou fyzikálně chemické vlastnosti, chemické složení a povrchové vlastnosti, zejména přilnavost asfaltu ke kamenivu. Mezi nejdůležitější sledované vlastnosti asfaltů patří bod lámavosti a bod měknutí. Bod lámavosti je stav, kdy asfalt přestává být termoplastický a při ohybu vznikají trhlinky - asfalt se láme.

Poselství konference Euroasphalt & Eurobitume 2016, vztahující se přímo k oblasti asfaltových pojiv (sekce 5) naznačuje, že bude kladen stále větší důraz na zkoumání a popis procesů stárnutí a dále na použití výkonově definovaných asfaltových pojiv, které umožní maximalizovat životnost stavebního díla při dobrém cenovém poměru. Cestu pro dosažení tohoto cíle vidí odborníci v optimalizaci vlastností asfaltových pojiv. Někteří se domnívají, že situace na trhu s asfaltovými pojivy se mění a budoucnost bude patřit přesně vyráběným pojivovým typům [2]. Pod tím si ale můžeme představit hodně širokou paletu možností, která sahá od výroby špičkových, na míru šitých („tailored“) pojiv až po řízení výroby asfaltů z méně kvalitních ropných surovin, ale při spolehlivém zajištění akceptovatelné kvality.

Moderní přístupy ke zkoušení asfaltů

V důsledku proliferace moderních laboratorních přístrojů dnes už nestačí jen měřit nějaké veličiny. Je nutné se hlouběji zamyslet nejen nad otázkou, co měříme, ale hlavně jaké informace nám tyto veličiny přinášejí, jak je využít a jaký je jejich vztah k chování reálné vozovky.

Čtěte také: Palubky ze severského smrku

Pritom se kombinují procesy řízení vlastností asfaltových pojiv (modifikace, aditivace, optimalizace výroby atd.) spolu s efektivním reologicko-chemometrickým testováním, jež tvoří podklad pro postupy výrokově prediktivního hodnocení kvality (modelování, statistické vyhodnocení, korelace se skutečnou výkonností asfaltových vozovek). Pro úspěch celého konceptu bude klíčová výše zmíněná chemometrie [3], což je interdisciplinární matematicko-statistická analýza víceparametrických dat („multivariate data analysis“), která jsme o materiálovém systému schopni získat za pomoci použití kombinace různých metod.

Chemometrická analýza

Vztahem mezi bazálními vlastnostmi asfaltového pojiva měřenými empiricko-funkčními hodnotami a jejich korelací s odhadnutými hodnotami různých veličin na základě chemometricky odvozených závislostí se zabýval společný příspěvek (č. 49) výzkumných skupin firmy Eurovia (Francie) a Western Research Intitute z Wyomingu (USA). Ve své podstatě se jedná o velice průlomový počin, který otevírá nové perspektivy a směry ve výzkumu oboru asfaltů a řízení jejich výroby. Pro základní identifikaci vstupních chemometrických údajů byly použity čtyři stavy pojiva - nativní, zestárlé po RTFOT, zestárlé ve stupni RTFOT + PAV a znovuzískané z asfaltové směsi, na které byly aplikovány metody, jako je IR (Infrared Spectroscopy), SEC (Size Exclusion Chromatography), DSC (Differential Scanning Calorimetry), SAR-AD (chemical group analysis) [4]. Inspirativní je nasazení technik vysokotlaké kapalinové chromatografie (SAR-AD) pro stanovení skupinového složení asfaltů. Oproti dosti rozšířené Iatroscan variantě dostáváme podstatně stabilnější a přesnější výsledky, a to i s přihlédnutím k síle poskytované informace například ve srovnání s IR spektroskopií. Naopak se ukázalo, že metoda SEC není pro daný účel relevantní. Ze získaných základních výsledků byly konstruovány novengonální diagramy složení - obdoba diagramů zavedených firmou Shell, tzv. QUALAGON. Na základě analýzy těchto víceparametrických dat lze odvodit rovnice predikující charakteristické hodnoty různých veličin. Ze známého složení určeného SAR-AD nebo údajů z IR spekter je možné poměrně velice přesně odhadnout zejména reologické charakteristiky asfaltových pojiv. Výzkum je teprve na začátku a stále se hledají relevantní signální parametry, jejich vztahy a především analytické modely pro zpracování výsledků.

Do daného chemometrického trendu se řadí i použití analytických instrumentálních metod pro rychlé určení složení asfaltového pojiva, které můžeme v jistém smyslu označovat jako takzvaný otisk prstu zkoumané látky. Výzkumníci z technologického centra Colas Campus Scientifique et Technique v Magny-les-Hameaux (příspěvek č. 139) se zaměřili na známou techniku LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), česky označovanou jako „Spektrometrie laserem buzeného plazmatu“. Metoda patří do stejné skupiny, jako je například „Laserová ablace spojená s indukčně vázaným plazmatem“ a obdobné. Tato fyzikálně-analytická instrumentace využívá pulzní vysokoenergetický (výkon v řádu GW/cm2) laserový paprsek k převedení pevného vzorku do formy plynného plazmatu umožňující stanovení atomových emisních spekter kovových prvků. Asfaltová pojiva jsou pak odlišena na bázi svého chemického složení v zastoupení kovů, především určením obsahu Na, Ca, Mg, V a podmíněně Ni. Potenciálně lze sledovat až 24 přítomných prvků.

QCT (Quality Control Test)

Rovněž nově představená metoda QCT (Quality Control Test), vyvinutá v USA ve spolupráci s FHWA (Federal Highway Administration) pro rychlou kvalitativní kontrolu asfaltových pojiv (č. 299), si ve své poslední vývojové variantě nárokuje možnou chemometrickou informační schopnost. Konfigurace metody je inovativní modifikací reologických vtlačovaných (tzn. penetračních) deformačních zkoušek. Pro vnášení lokálního napětí na povrch vzorku pojiva se místo penetrační jehly využívá soustředěný proud vzduchu, přičemž deformační odezva je kvantifikována laserovou deflektometrií. To umožňuje vyhodnotit jak časový průběh deformace, tak i následnou elastickou retrakci povrchu, pokud je aerodynamické zatěžování ukončeno. QCT se jeví jako poměrně spolehlivá zkouška se standardní odchylkou kolem 3 % a zcela ekvivalentní s klasickou penetrační zkouškou. Nezměrná výhoda metody spočívá v lepší schopnosti reprodukovaně měřit i materiály, jako jsou méně homogenní PMB nebo CRMB (včetně nahrazení zkoušky resilience). Použitý deflektometrický princip umožňuje snadno stanovit i elastické vlastnosti pojivového materiálu, jelikož existuje dobrá exponenciální korelace mezi zkouškou MSCR (Multiple Stress Creep and Recovery test) a QCT. Zkouška MSCR má ale příznivější škálování (unifikace výsledků QCT vůči hodnotám Jnr3,2 vyšším než 1 kPa-1), což QCT předurčuje v tomto případě pouze pro rychlý výrobní rozhodovací proces v binárním módu vyhověl/nevyhověl. Zkouška nabízí možnost vytvořit nový klasifikační systém pojiv, jenž spojuje v jednom bloku penetraci a elasticitu vzorku. Poslední vývoj této nové metody neměří laserově deformaci pouze v centru prohlubně (tedy jen její vertikální hloubku), ale využívá shearografickou techniku, která je schopná popsat kompletně 3D deformační vzor vytvořený ve vzorku včetně časové závislosti.

Fenomenologické zkoumání

Obsáhlá skupina článků se zabývá obdobným problémem z fenomenologického pohledu. Studie popisují veličiny, které u asfaltových pojiv měříme, včetně analýzy jejich vztahu k ostatním parametrům nebo výkonnosti pojiv v reálných podmínkách na základě stávajících zavedených metod.

Čtěte také: Včela v ČR

Reologické postupy (DSR, BBR)

Vztahem parametrů ze dvou specifikačních systémů - amerického Superpave a evropského CEN návrhu z roku 2015 [5] pro penetrační asfalty, tedy reologicky nekomplikovaných systémů, se zabývá článek P. Kříže a jeho kolegů z firmy ExxonMobil. V příspěvku jsou vysvětleny základy moderních reologických postupů pomocí přístroje DSR. Na poměrně velkém zkušebním souboru pojiv jsou uvedeny jejich vztahy ke klasicky používaným zkouškám. Na příkladu hodnot bodu měknutí je vidět, že informace, které nám poskytují moderní metody, jsou obsaženy i v těchto typech prastarých specifikačních zkoušek. Uvedený výrok platí ale pouze pro penetrační pojiva („straight run bitumen“), u polymerem modifikovaných asfaltů je situace podstatně více komplexní. Za hlavní důvod, proč používat moderní reologické metody, se považuje informační výstup ve veličinách se standardizovanými inženýrskými vlastnostmi, představované například moduly tuhosti, které mohou být použity v další kaskádě inženýrských výpočtů - modelování, návrhu vozovky atd. Evropské normy v posuzování nízkoteplotních vlastností jsou založeny na obdobné filozofii.

Známý odborník Geoffrey M. Rowe z firmy Abatech (jeden z autorů konceptu posuzovaní laboratorně testovaných únavových vlastností pomocí konceptu disipované energie) rozebírá kritéria pro odolnost hutněné asfaltové směsi v oblasti středních teplot vůči tvorbě trhlin (generované únavovým namáháním). V základním programu SHRP byl pro asfaltová pojiva tento funkční diskriminant původně stanoven jako G* × sin δ. Pro uvedený parametr zaznamenáme ale relevantní korelaci k reálné vozovce, jen pokud tyto hodnoty měříme pro dané asfaltové pojivo za odpovídajících teplotně frekvenčních podmínek. Nový přístup vychází z teoretických předpokladů Christensen-Andersonova modelu (CA, později CAM model), který rozpracovává myšlenku, že v lineární viskoelastické oblasti zdánlivě odlišné reologické veličiny tuhosti měřené v různých teplotních oborech mají vnitřní spojitost. Tedy moduly průhybové tuhosti S60 měřené pomocí přístroje BBR za nízkých teplot poskytují stejné informace, jako lze získat z analýzy relaxačního spektra krípové zkoušky prováděné za středních teplot na přístroji DSR (teplotní obor je vytyčen podmínkou, že komplexní modul tuhosti materiálu se pohybuje v rozmezí 100 kPa až 1 GPa). Různé koncepty vycházející z těchto obecných předpokladů zavádí veličiny jako reologický index R, parametr β, standardní odchylku relaxačního spektra S, Glover-Rowe parametr atd., které zatím nejsou všeobecně známé. Tyto veličiny se vztahují k různým modelům nebo analytickým přístupům. Například jedna z možných reologických technik je analýza charakteru křivek Blackova diagramu. Jednoduchým a nejlépe dostupným parametrem pro predikci různých úrovní únavového poškození za středních aplikačních teplot, který vychází z CA modelu, je Glover-Rowe parametr, který je možno zcela pohodlně stanovit pomocí dynamického smykového reometru. Další možností je použít pro předvídání četnosti trhlin veličinu TVET/G*VET - viskoelastická přechodová teplota/modul. Francouzští výzkumníci si všimli, že hodnoty veličin v oblasti, kde fázový úhel při stanovené frekvenci je roven 45 stupňům, a tedy podíl ztrátového a akumulačního modulu viskoelastických látek je roven 1, mají u víceletých vozovek dobrou korelaci s výskytem trhlin.

Samoreparace (Healing)

Další z obecných velice inspirativních článků je příspěvek W. Vonka a E. Jellema (č. 25) z firmy Kraton, který se zabývá jevem, jenž není u nás příliš studován, ale přitom se jedná o jeden z klíčových parametrů pro posouzení únavové odolnosti asfaltových směsí a ve svém důsledku o co nejvěrnější reálný popis vozovky v návrhových modelech konstrukce vozovky. Tento jev se obecně nazývá „materiálová samoreparace/samozotavení“ (healing). Jedná se o obecný moderní trend technologického výzkumu, protože dokonalá schopnost látek scelovat namáháním vzniklé mikrotrhliny nebo zabraňovat jejich další propagaci je sen každého výzkumníka v jakémkoliv materiálovém výzkumu. Článek upozorňuje na případné pojmové zmatení, které vzniká z toho, že některé přístupy v silničním stavitelství asfaltových vozovek řeší tento problém přidáváním železných mikrovláken do asfaltové směsi. Po určité době životnosti vozovky slouží tyto vodivé domény k mikrovlně indukovanému vývinu tepla, čímž dochází k opravě potenciálních trhlin. Autoři článku zdůrazňují, že aby bylo možno připsat libovolnému materiálu samozotavovací schopnost, musí vložení klidové periody do časové konfigurace zkoušky cyklického namáhání přinést zlepšení únavové rezistence posuzované entity. Odborná stať je zaměřena na tento teorém především z hlediska polymerem modifikovaných pojiv (PMB), neboť podle intuitivního názoru by výsledky pro takto modifikovaná pojiva měly být horší (vyšší viskozita PMB, větší molekulární hmotnost polymerní přísady atd.). Navzdory tomu některé výzkumy potvrdily, že schopnost samozotavení modifikovaných pojiv je lepší než u penetračních asfaltů. Přesto se přenosový faktor mezi výsledky laboratorních zkoušek PMB a skutečnou vozovkou bere jako 1, na rozdíl od hodnoty 4 pro penetrační asfalty. To může vést k disproporčním návrhům tloušťky konstrukce. Příspěvek nabízí vysvětlení k různému chování polymerem modifikovaných asfaltů ve formě experimentálně podložené hypotézy. Základem myšlenky je poznatek, že modifikovaná pojiva při ochlazení tvoří různě uspořádaný vícefázový systém asfaltenově nebo polymerně bohatých domén. Přitom dochází k vylučování olejovitých sloučenin do asfaltenově bohatých oblastí, ve kterých tvoří látky této chemické skupiny subdomény se sníženou viskozitou, která je menší než viskozita původně nativního výchozího asfaltového pojiva a téměř asfaltenově prostá.

Kohezní vlastnosti

Další obecné vlastnosti asfaltových pojiv a jejich vztah k chování asfaltových hutněných vrstev rozebírá příspěvek č. 80 ukrajinských autorů. Zabývají se kohezními vlastnostmi asfaltů, a to včetně modifikovaných druhů s proměnlivou dotací termoplastického polymeru. Celková koheze je poměrně důležitá vnitřní materiálová charakteristika ovlivňující chování pojiva. Poněkud sporná je nešťastně zvolená metodika (měření smykové/kohezní pevnosti vzorku - tj. výsledek je udáván v MPa) a málo přehledné prezentování výstupů. Naopak cenné je propojení takto měřených charakteristik vůči teplotní škále, druhu asfaltu, jeho penetraci a vlivu na kohezní vlastnosti hutněných asfaltových směsí.

Viskozita a její závislost

Komplementárnost jednotlivých reologických údajů je vidět i na příkladu příspěvku č. 35, který se zabývá charakteristikami asfaltových pojiv na základě měření viskozity pomocí rotačního viskozimetru Brookfield. Využívá k tomu známé techniky BTDC (Bitumen Test Data Chart) vypracované W. Heukelomem [6] a superpoziční rovnici WLF [7]. Autoři dokazují, že stanovení teplotní závislosti viskozity lze využít k dostatečně přesnému výpočtu bodu měknutí. Heukelomův předpoklad, který přiřazuje bodu měknutí čistého asfaltového pojiva hodnotu dynamické viskozity 1,3 kPa∙s, je naprosto přesný, naproti tomu koeficienty v rovnici WLF bylo nutno mírně korigovat. Metoda je vhodná v procesu kontroly kvality vstupních surovin zejména penetračních asfaltů. Obdobná souvztažnost platí pro variantu uniaxiální zkoušky tahem, kdy trámeček asfaltového pojiva je vystaven tahovému napětí. Pomocí této zkoušky různí autoři (č. 164, č. 174) zjišťovali viskozitu (tensile/retardation viscosity) asfaltového pojiva především za nízkých teplot.

Čtěte také: Více o vodovzdorné překližce

Zkouška odolnosti asfaltových směsí vůči vodě

Zkouška odolnosti asfaltových směsí vůči vodě je prováděna k posouzení schopnosti asfaltových směsí odolávat vlivům vody, jako jsou změny v objemu, měkkost nebo struktura, které mohou vést k degradaci povrchu. Tento typ zkoušky je důležitý pro posouzení dlouhodobé odolnosti asfaltových povrchů vůči vodě a ochraně proti degradaci způsobené vodními vlivy.

Postup zkoušky

  1. Příprava vzorků: Vzorky asfaltové směsi jsou odebrány z konstrukce nebo hotového povrchu a připraveny pro zkoušku.
  2. Immerze ve vodě: Připravené vzorky jsou ponořeny do vody nebo vystaveny vodnímu proudu po určitou dobu.
  3. Vyhodnocení výsledků: Naměřené hodnoty jsou vyhodnoceny a porovnány s příslušnými normami, specifikacemi nebo požadavky projektu.

tags: #zkousene #vlastnosti #asfaltu #přehled

Oblíbené příspěvky: