Vliv hutnění zkušebních těles na vlastnosti asfaltového betonu

Abstrakt

V České republice se aktuálně pracuje na přípravě výstavby vysokorychlostních tratí podle principů převzatých z Francie. Konstrukce jejich pražcového podloží má být kromě jiného tvořena také vrstvou z asfaltového betonu. Požadavky na vlastnosti asfaltové směsi však nemohou být z francouzských norem jednoduše převzaty, neboť se v České republice používá jiný postup pro hutnění zkušebních těles, která se používají pro mechanické a funkční zkoušky. Tento příspěvek prezentuje výsledky experimentální studie, která porovnává vliv metod hutnění zkušebních těles používaných v České republice a ve Francii na vybrané vlastnosti asfaltového betonu. V rámci vyhodnocení studie je posouzena vzájemná korelace výsledků mezi jednotlivými metodami hutnění.

1. Úvod

Asfaltový beton je v současné době v Evropě vnímán jako kompozitní materiál, který je používán nejen v silničním, ale také v železničním stavitelství. V železničním stavitelství se nejčastěji používá v pražcovém podloží jako materiál horní konstrukční vrstvy [1]. K jeho největším výhodám patří jeho vysoká tuhost a nízká tepelná vodivost, což vede ve srovnání s běžnými konstrukcemi tvořenými pouze nestmelenými materiály ke značným úsporám na celkové tloušťce konstrukce pražcového podloží [1].

Ve Francii se používá asfaltový beton označený jako GB 4. Požadavky na jeho vlastnosti jsou definovány národní přílohou normy NF EN 13108-1 [2] a využívá se zejména pro konstrukci pražcového podloží nových úseků vysokorychlostních tratí [3]. V České republice se asfaltový beton pro konstrukční vrstvy označuje jako AC Z+ a požadavky na jeho vlastnosti jsou od roku 2021 definovány přílohou F normy ČSN 73 6120 [4] a přílohou 12 předpisu SŽ S4 [5]. Ty lze ovšem aplikovat pouze pro tratě s rychlostí do 200 km·h⁻¹ včetně.

V letech 2019 až 2020 došlo v rámci spolupráce Správy železnic, s. o., a francouzské národní železniční společnosti SNCF k převzetí francouzského know-how o vysokorychlostních tratích a jeho přizpůsobení českým podmínkám. Na základě těchto principů se momentálně postupuje při přípravě výstavby vysokorychlostních tratí v České republice. V konstrukci pražcového podloží se jako standardní řešení předpokládá aplikace konstrukční vrstvy z asfaltového betonu [6].

Pro stanovení požadavků na vlastnosti asfaltového betonu pro vysokorychlostní tratě v České republice se nabízí úprava přílohy F normy [4] po vzoru národní přílohy normy [2] a rozšíření její platnosti i pro tratě s rychlostí vyšší než 200 km·h⁻¹. V obou zemích jsou však standardizovány odlišné zkušební postupy, používají se jiné vstupní materiály nebo jsou jinak definovány požadavky na jejich kvalitu. Patrně největším rozdílem je samotná výroba zkušebních těles, která se následně používají pro mechanické a funkční zkoušky. Pro zhutnění zkušebního tělesa se v České republice (obdobně jako ve většině evropských zemí) využívá Marshallův pěch, tedy hutnění stanoveným počtem úderů pěchu definovaných rozměrů, hmotnosti a rázové hutnicí energie [7], zatímco ve Francii se zkušební tělesa hutní stanoveným počtem otáček na gyrátoru za konstantní hodnoty svislé síly [8]. Z toho důvodu byla provedena experimentální studie s cílem praktického porovnání jednotlivých postupů hutnění zkušebních těles a nalezení vzájemných vztahů mezi vybranými vlastnostmi asfaltových směsí měřených na jednotlivých zkušebních tělesech vyrobených různými postupy.

2. Metodologie

Dohromady bylo zkoušeno 15 asfaltových směsí, které lze podle největšího zrna kameniva rozdělit do třech kategorií: kategorie AC 11 (8 směsí), kategorie AC 16 (5 směsí) a kategorie AC 22 (2 směsi). Jako asfaltové pojivo byl u většiny směsí použit silniční asfalt s penetrací 50/70 dle ČSN EN 12591 [9] a ČSN 65 7204 [10], u některých směsí byl použit polymerem modifikovaný asfalt PMB 25/55-60 nebo PMB 45/80 65 dle ČSN EN 14023 [11] a ČSN 65 7222-1 [12]. Směs AC 22 Z+ Lic obsahovala ztužující přísadu Licomont (amidový vosk). Přehled zkoušených směsí je zobrazen v Tab. 1.

Z každé asfaltové směsi bylo vyrobeno několik zkušebních těles o průměru 100 mm. V souladu s normou [4] byla tělesa ze silničního asfaltu hutněna při teplotě směsi 150 °C a tělesa z polymerem modifikovaného asfaltu při teplotě 155 °C. Každé těleso bylo hutněno jedním z následujících způsobů:

• 2 × 50 údery na Marshallově pěchu dle normy ČSN EN 12697-30 [7] (zpravidla 5 těles, dále označováno jako „Marshall 2 × 50“),
• 120 otáčkami na gyrátoru dle normy NF EN 12697-31 [8] (zpravidla 5 těles, dále označováno jako „Gyrator 120/600“),
• 120 otáčkami na gyrátoru, ale s tím rozdílem, že bylo použito svislé napětí 800 kPa místo normou [8] definovaných 600 kPa (zpravidla 5 těles, dále označováno jako „Gyrator 120/800“).

O doplnění posledního typu hutnění bylo rozhodnuto v úvodu studie po zhotovení několika pokusných zkušebních těles, které nejsou do výsledků studie zahrnuty a u kterých bylo zjištěno, že se míra zhutnění zkušebních těles hutněných tímto způsobem lépe blíží míře zhutnění zkušebních těles hutněných pomocí Marshallova pěchu dle normy [7].

Každé vyrobené těleso pak bylo použito pro stejný rozsah provedených laboratorních zkoušek a byly u něj stanoveny následující vlastnosti, které byly dále v rámci vyhodnocení studie vzájemně porovnávány:

• mezerovitost dle normy ČSN EN 12697-8 [13],
• modul tuhosti při teplotě 15 °C dle normy ČSN EN 12697-26 [14] (metoda IT-CY),
• Marshallova stabilita při teplotě 60 °C dle normy ČSN EN 12697-34 [15],
• lomová houževnatost při teplotě 0 °C dle normy ČSN EN 12697-44 [16].

Hodnotu sledované vlastnosti asfaltové směsi potom reprezentuje aritmetický průměr hodnot změřených na všech příslušných zkušebních tělesech.

3. Výsledky

V Tab. 2 až Tab. 5 jsou uvedeny veškeré změřené hodnoty sledovaných vlastností asfaltových směsí hutněných pomocí Marshallova pěchu a gyrátoru. Tyto hodnoty pak byly pro závislost typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typech hutnění „Gyrator 120/600“ a „Gyrator 120/800“ podrobeny lineární regresní analýze. Na Obr. 1 až Obr. 4 je toto porovnání včetně rovnic regresních přímek a jejich koeficientů determinace R² zobrazeno graficky. Pro rovnice regresních přímek platí, že hodnota x, resp. y, vyjadřuje hodnotu sledované vlastnosti zkušebních těles hutněných pomocí gyrátoru, resp. pomocí Marshallova pěchu. Jelikož nebylo k dispozici vždy dostatečné množství směsi (pro studii byly mnohdy využity reálné směsi, u kterých Katedra silničních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze prováděla kontrolní zkoušky pro externí zákazníky), nejsou všechny zkoušky provedeny pro všechny typy hutnění.

Obr. 1: Výsledky mezerovitosti [%]

Obr. 1 potvrzuje předpokládanou dobrou korelaci hodnot mezerovitosti asfaltových směsí v závislosti na typu hutnění zkušebních těles. Hodnota mezerovitosti závisí podle normy [13] na hodnotě objemové hmotnosti zhutněného zkušebního tělesa, která přímo vyjadřuje míru jeho zhutnění, a tedy účinek hutnicího zařízení, a na hodnotě maximální objemové hmotnosti asfaltové směsi stanovené pyknometrickou zkouškou dle normy ČSN EN 12697 5 [17], která je dále ovlivněna dalšími činiteli (křivka zrnitosti a geologický původ kameniva, typ a obsah pojiva ad.). Hodnoty koeficientů determinace R² proto vycházejí příznivě – pro závislost typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/600“, resp. „Gyrator 120/800“, je R² = 0,70, resp. R² = 0,90.

Obr. 2: Výsledky modulu tuhosti při teplotě 15 °C [MPa]

V případě výsledků modulu tuhosti (viz Obr. 2) byl u hodnot koeficientu determinace R² zjištěn jejich větší rozptyl. Zatímco pro závislost typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/600“ vychází koeficient determinace nízký (R² = 0,11), pro závislost typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/800“ je již jeho hodnota významně vyšší (R² = 0,64).

Obr. 3: Výsledky Marshallovy stability při teplotě 60 °C [kN]

V případě porovnání výsledků Marshallovy stability (viz Obr. 3) jsou hodnoty koeficientů determinace nízké – R² = 0,04, resp. R² = 0,33, pro závislost typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/600“, resp. „Gyrator 120/800“. Vzájemná korelace výsledků tedy nebyla zjištěna a výsledek Marshallovy zkoušky patrně závisí i na dalších činitelích než jen na typu hutnění zkušebního tělesa.

Obr. 4: Výsledky lomové houževnatosti při teplotě 0 °C [N·mm^−3/2]

Vzhledem k nízkým hodnotám koeficientu determinace R² nelze vzájemnou korelaci pozorovat ani v případě výsledků lomové houževnatosti (Obr. 4). Tato vlastnost byla sledována jednak z důvodu pokrytí chování asfaltové směsi v oboru nízkých teplot a jednak za účelem prověření vlivu uspořádání zrn kameniva ve zkušebním tělese při daném principu zatěžování zkušebního tělesa tříbodovým ohybem, který by mohl být později v rámci jiné studie prokázán např. zpracováním vhodného digitálního 3D obrazu zkušebního tělesa. V rámci této studie však tento vliv prokázán nebyl a je patrné, že by uspořádání zrn ve zkušebním tělese mohlo být pouze jedním z více ovlivňujících činitelů.

4. Diskuse

Na Obr. 1 lze pozorovat, že je koeficient determinace R² v případě závislosti typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/600“ (R² = 0,70) nižší než v případě závislosti typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/800“ (R² = 0,90). To potvrzuje myšlenku, která vyvstala již v samém úvodu laboratorní studie a která vedla k doplnění typu hutnění „Gyrator 120/800“. Typ hutnění „Gyrator 120/800“ se typu hutnění „Marshall 2 × 50“ blíží lépe než typ hutnění „Gyrator 120/600“ a hodnoty mezerovitosti tedy lépe korelují. Bez povšimnutí však nesmí zůstat některé chybějící hodnoty mezerovitosti pro typ hutnění „Gyrator 120/800“, což může vést ke zkreslení hodnoty koeficientu determinace R².

Za zmínku stojí také vzájemné porovnání hodnot z Tab. 2 v rámci jednotlivých kategorií. V rámci kategorie AC 16 jsou pro všechny tři typy hutnění hodnoty mezerovitosti směsi AC 16 Z+ 5,1%, která je směsí se zvýšeným obsahem pojiva, oproti ostatním směsem nižší. Mezery mezi jednotlivými zrny kameniva jsou více vyplněny pojivem a směs je celkově uzavřenější. To stejné platí v rámci kategorie AC 11 pro směs AC 11S OMT, která byla jako jediná hutněna odlišně od ostatních směsí 2 × 75 údery. Hodnoty mezerovitosti směsi ACO 11+ MA jsou oproti ostatním směsem naopak vyšší, patrně z vícero důvodů, které nebyly dále sledovány.

Obdobný závěr jako v případě porovnání hodnot mezerovitosti lze formulovat i v případě porovnání hodnot modulu tuhosti. Typ hutnění „Gyrator 120/800“ se typu hutnění „Marshall 2 × 50“ blíží lépe než typ hutnění „Gyrator 120/600“, což vede k vyšší hodnotě koeficientu determinace – R² = 0,64 oproti R² = 0,11 (viz Obr. 2). V případě porovnání hodnot modulu tuhosti je toto navíc umocněno skutečností, že pro typ hutnění „Gyrator 120/800“ se oproti typu hutnění „Gyrator 120/600“ hodnoty mezerovitosti lépe blíží typu hutnění „Marshall 2 × 50“, tedy že byl modul tuhosti měřen na zkušebních tělesech, která se sobě vzájemně více podobají. Přesto je však nutné zmínit, že i pro závislost typu hutnění „Marshall 2 × 50“ na typu hutnění „Gyrator 120/800“ je hodnota koeficientu determinace R² = 0,64 nízká, protože modul tuhosti závisí kromě způsobu zhutnění zkušebního tělesa a mezerovitosti zkušebního tělesa také na dalších činitelích (křivka zrnitosti a geologický původ kameniva, typ a obsah pojiva ad.).

S velkým rozdílem vyšly hodnoty modulu tuhosti směsi ACO 11+ CHV, kdy byla pro typ hutnění „Marshall 2 × 50“ zjištěna poměrně vysoká hodnota 14 165 MPa oproti 4 732 MPa pro typ hutnění „Gyrator 120/600“. Důvodem zřejmě byla nadměrná degradace směsi, která byla použita pro výrobu těles hutněných 2 × 50 údery na Marshallově pěchu. To však nebylo možné ověřit, a proto byla do statistického souboru zařazena identická směs ACO 11+ CHV-II, která byla vyrobena na obalovně později a jejíž výsledky modulu tuhosti se lépe blíží trendu.

Kromě účinku hutnicího zařízení se na výsledných hodnotách modulu tuhosti zkušebních těles pravděpodobně projevuje také vliv uspořádání zrn kameniva. Při hutnění na Marshallově pěchu dochází k rázovému stlačení objemu kompozitního materiálu, zatímco při hutnění na gyrátoru dochází k hnětení směsi za konstantní hodnoty svislé síly, která směs stlačuje. Tím je ovlivněno, jak jsou do sebe jednotlivá zrna kameniva ve zkušebním tělese zaklíněna, což má pravděpodobně vliv na hodnotu jeho modulu tuhosti. Tuto myšlenku o vlivu charakteru hutnění daného zařízení na zaklínění zrn kameniva a na modul tuhosti by však bylo potřeba v rámci jiné studie ověřit např. zpracováním vhodného digitálního 3D obrazu zkušebního tělesa (scanování tomografem apod.) a porovnáním vzájemné polohy zrn kameniva jednotlivých úzkých frakcí.

5. Závěr

V rámci provedené studie bylo pomocí Marshallova pěchu a gyrátoru z 15 různých asfaltových směsí vyrobeno přibližně 200 zkušebních těles, pro která byly následně laboratorně stanoveny jejich vybrané vlastnosti. Hodnoty těchto vlastností pak byly pro jednotlivé typy hutnění podrobeny lineární regresní analýze a byly stanoveny rovnice jejich regresních přímek a jejich koeficienty determinace R². Z výsledků studie vyplynula jasná korelace hodnot mezerovitosti a částečně také modulu tuhosti.

Výsledky této studie mohou být využity pro adaptaci národní přílohy normy NF EN 13108 1 [2], která definuje požadavky na asfaltový beton pro konstrukci pražcového podloží vysokorychlostních tratí ve Francii, do českého prostředí. Tato norma uvádí požadavek na maximální hodnotu mezerovitosti asfaltového betonu GB 4 stanovené na zkušebním tělese vyrobeném pomocí gyrátoru dle normy [8] 9 %, což dle rovnice regresní přímky uvedené na Obr. 1 odpovídá hodnotě cca 6 % pro zkušební těleso vyrobené pomocí Marshallova pěchu dle normy [7]. Maximální hodnota mezerovitosti, kterou uvádí příloha F normy ČSN 73 6120 [4] pro asfaltový beton AC Z+, je dle velikosti maximálního zrna kameniva 5,0 %, resp. 5,5 %. Výsledek porovnání mezerovitosti zkušebních těles dle typu hutnění tedy dokazuje, že hodnoty uvedené v jednotlivých normách mezi sebou skutečně nelze jednoduše porovnávat.

6. Literatura

1. European Asphalt Pavement Association (EAPA). Asphalt in Railway Tracks. Technical Review. Brussel: EAPA, 2021.
2. NF EN 13108-1. Mélanges bitumineux – Spécifications des matériaux – Partie 1: Enrobés bitumineux. Saint-Denis: Associacion Française de Normalisation, 2007.
3. HÉRITIER, Bernard. GB sous ballast: une solution innovante pour la grande vitesse. RGRA. Říjen 2020 (976).
4. ČSN 73 6120. Stavba vozovek – ostatní asfaltové vrstvy – provádění kontroly. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021.
5. SŽ S4. Železniční spodek. Praha: Správa železnic, s. o., 2021.
6. SŽ PO-16/2020-GŘ. Manuál pro projektování vysokorychlostních tratí ve stupni dokumentace pro vydání územního rozhodnutí. Praha: Správa železnic, s. o., 2021.
7. ČSN EN 12697-30. Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 30: Příprava zkušebních těles rázovým zhutňovačem. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
8. NF EN 12697-31. Mélanges bitumineux – Méthodes d'essai – Partie 31: Confection d'éprouvettes à la presse à compactage giratoire. Saint-Denis: Associacion Française de Normalisation, 2019.
9. ČSN EN 12591. Asfalty a asfaltová pojiva – Specifikace pro silniční asfalty. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2009.
10. ČSN 65 7204. Asfalty a asfaltová pojiva – Silniční asfalty. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016.
11. ČSN EN 14023. Asfalty a asfaltová pojiva – Systém specifikace pro polymerem modifikované asfalty. Ve znění změny Z2. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.
12. ČSN 65 7222-1. Asfalty a asfaltová pojiva – Silniční modifikované asfalty – Část 1: Polymerem modifikované asfalty. Ve znění změny Z1. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
13. ČSN EN 12697-8. Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 8: Stanovení mezerovitosti asfaltových směsí. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
14. ČSN EN 12697-26. Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 26: Tuhost. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.
15. ČSN EN 12697-34. Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 34: Marshallova zkouška. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021.
16. ČSN EN 12697-44. Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 44: Šíření trhliny zkouškou ohybem na půlválcovém zkušebním tělese. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.
17. ČSN EN 12697-5. Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 5: Stanovení maximální objemové hmotnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.

Poděkování

Tento příspěvek byl vytvořen se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Doprava 2020+, projekt CK02000293.