Použití směsí kameniv s různou ohladitelností do asfaltových směsí pro obrusné vrstvy

Silnice mosty 2022, 2, 34–40
Ing. Pavla Nekulová, Ing. Jaroslava Dašková, Ph.D.,
VUT v Brně, Fakulta stavební
Leoš Nekula, Měření PVV
Ing. Jiří Kašpar, Ing. Petr Bureš, Ing. Jakub Šedina, Ing. Michal Sýkora, EUROVIA CS, a.s.

Článek popisuje závěry projektu TH02030194, který se zabýval použitím směsí kameniv s vysokou a nízkou ohladitelností do asfaltových směsí při zachování životnosti protismykových vlastností povrchu vozovky. V projektu byly navrženy asfaltové směsi typu SMA a ACO s různou kombinací kameniv. Na zkušebních úsecích z těchto směsí byl měřen součinitel podélného tření a součinitel tření po ohlazení.
Klíčová slova: protismykové vlastnosti povrchu vozovky; odolnost proti ohlazení; kamenivo; obrusné vrstvy

The article describes the conclusions of the project TH02030194, which dealt with the use of different aggregates with high and low resistance against polishing in asphalt mixtures while maintaining the lifespan of skid resistance of the road surface. In the project, asphalt mixtures of the SMA and AC type with various combinations of aggregates were designed. The longitudinal friction coefficient and the friction after polishing were measured on test sections made of these mixtures.
Keywords: skid resistance; polished stone value; aggregate; wearing course

Úvod

Výzkumný projekt TH02030194 [1] podpořený Technologickou agenturou České republiky se zabýval možností využívat v asfaltových směsích pro obrusné vrstvy kamenivo s nižší hodnotou odolnosti proti ohlazení (PSV), než je obvykle požadována. Téma projektu bylo zvoleno s ohledem na to, že v blízké budoucnosti lze v České republice očekávat nedostatek kameniva v silničním stavitelství, protože v posledních třiceti letech nebyl otevřen žádný nový lom a stávající ložiska jsou téměř vyčerpána [2]. Protože protismykové vlastnosti povrchu vozovky mají významný vliv na bezpečnost provozu na pozemních komunikacích, jsou vysoké požadavky na používání kameniv s dostatečnou odolností proti ohlazení, která mohou zajistit dlouhodobě vyhovující protismykové vlastnosti povrchu vozovky. Taková kameniva jsou v některých částech České republiky již nyní nedostupná a s nárůstem nových staveb a rekonstrukcí vozovek se nedostatek kameniva bude ještě zvyšovat. Využití kameniva nebo recyklovaných materiálů s nevyhovující ohladitelností do obrusných vrstev vozovek s přidáním menšího množství kameniva s ohladitelností vyhovující by vedlo k hospodárnějšímu využití materiálů při zachování požadované životnosti protismykových vlastností povrchu vozovky. (Tento článek navazuje na příspěvek z konference Asfaltové vozovky 2019 [3].)

Navržené asfaltové směsi

Pro projekt byly vybrány nejčastěji používané typy asfaltových směsí – ACO 11+ a SMA 11 S. Z dostupných kameniv spoluřešitelské firmy EUROVIA CS, a.s., byl zvolen čedič (ohladitelnost PSV 51) z kamenolomu v severních Čechách, kde je obecně problém s dostupností kameniv s dostatečnou odolností proti ohlazení. Kamenivem s vysokou odolností proti ohlazení byla droba (PSV 62) dovezená z kamenolomu na Moravě. Pro obě asfaltové směsi bylo použito modifikované asfaltové pojivo.

SMA 11 S

V asfaltové směsi typu SMA 11 S bylo kamenivo droba použito pouze do frakce 8/11, protože tato frakce je ve směsi zastoupena více jak 50 %, a má tedy významný vliv na protismykové vlastnosti povrchu vozovky. V ostatních frakcích byl použit vždy čedič. Nejprve byly navrženy tři asfaltové směsi se 100 % čediče (pro srovnání bez použití kameniva s vyšším PSV), 50 % a 100 % droby ve frakci 8/11. Po slibných výsledcích laboratorních měření součinitele tření po ohlazení byly doplněny ještě asfaltové směsi s 34 % a 20 % droby. Všechny asfaltové směsi typu SMA 11 S jsou uvedeny v tabulce 1.

ACO 11+

Asfaltové směsi typu ACO 11+ byly původně navrženy původně stejným způsobem jako SMA 11 S, tedy se 100 % čediče, 100 % a 50 % droby ve frakci 8/11. Ale vzhledem k tomu, že frakce 8/11 je v tomto typu asfaltové směsi zastoupena ve výrazně menší míře než u SMA 11 S, odhadnutá životnost protismykových vlastností povrchu vozovky byla pro všechny asfaltové směsi podobná. Navíc opět nastal problém s odstraněním asfaltového pojiva z povrchu zkušebních těles vyrobených v laboratoři, protože bylo opět použito modifikované pojivo. Práce na směsi typu ACO 11+ byla tedy dočasně přerušena a opět obnovena až na konci řešení výzkumného projektu. U nově navržených asfaltových směsí typu ACO 11+ bylo kamenivo s nízkou odolností proti ohlazení zaměněno i ve frakci 4/8, stejnou měrou jako u frakce 8/11.

Výsledky měření součinitele tření po ohlazení a součinitele podélného tření

Z navržených asfaltových směsí byly v laboratoři zhotoveny desky, ze kterých byly odebrány vývrty o průměru 225 mm pro provedení zkoušky stanovení součinitele tření po ohlazení podle ČSN EN 12697-49. Během této zkoušky je provedeno měření součinitele tření na povrchu vývrtu, poté je vývrt ohlazován kuželíky, které se volně odvalují po jeho povrchu smáčeném směsí vody a křemenné moučky. Tento proces simuluje dopravní zatížení. Po daném počtu pojezdů kuželíky se opakuje měření součinitele tření. Tyto dva úkony se střídají, dokud není dosaženo požadovaného počtu pojezdů kuželíky nebo stabilní hodnoty součinitele tření. Výsledkem je graf vývoje součinitele tření po ohlazení FAP (průměrná hodnota pro asfaltovou směs z měření na jednotlivých vývrtech ze stejné směsi) v závislosti na počtu pojezdů kuželíky. Tímto způsobem je možné v laboratorních podmínkách přibližně odhadnout životnost protismykových vlastností povrchu vozovky zkoušené směsi.

Měření protismykových vlastností povrchu vozovky na zkušebních úsecích, které byly realizovány z vybraných asfaltových směsí typu SMA 11 S, bylo prováděno dynamickým měřicím zařízením TRT podle ČSN 73 6177. Výstupem měření je hodnota součinitele podélného tření F_p.

SMA 11 S

U vývrtů z desek z asfaltové směsi typu SMA 11 S bylo nutné jejich povrch očistit benzínovým rozpouštědlem, protože při hutnění v laboratoři byl povrch vývrtu zanesen příliš silnou vrstvou modifikovaného asfaltového pojiva a nebylo možné ho odstranit pojížděním kuželíky. Norma ČSN EN 12697-49 doporučuje v takovém případě odstranit přebytečné pojivo tryskáním korundu na povrch vývrtu, při tomto postupu ale docházelo k výraznému poškození hrubého kameniva. Očištění benzínovým rozpouštědlem také neodpovídá běžnému opotřebení působením dopravního zatížení, ale pro orientační laboratorní stanovení životnosti protismykových vlastností se ukázalo jako dostačující.

V grafu na obrázku 4 je vývoj součinitele tření po ohlazení pro jednotlivé asfaltové směsi z tabulky 1. Je patrné, že asfaltová směs obsahující pouze kamenivo čedič má po 390 000 pojezdech kuželíky hodnotu FAP nižší přibližně o 0,1 ve srovnání s asfaltovými směsmi, které obsahovaly různé množství droby. Oproti tomu mezi asfaltovými směsmi obsahujícími drobu nebyl výrazný rozdíl bez ohledu na obsažené množství (20 % až 100 % ve frakci 8/11). Nejvyšší hodnotu FAP po 390 000 pojezdech kuželíky měla asfaltová směs s 34 % droby ve frakci 8/11.

Vzhledem k nejednoznačnosti výsledků asfaltových směsí s drobou bylo nakonec rozhodnuto o pokládce zkušebních úseků na obalovně pro případ, že by laboratorní výsledky byly zkreslené odlišnou texturou povrchu zkušebních těles zhotovených v laboratorních podmínkách. Pro tyto účely byla vybrána obalovna Úžín u Ústí nad Labem, kde byly současně skladovány veškeré zásoby kameniva pro řešení projektu. Použity byly tři asfaltové směsi – 100 % čedič jako reference, 50 % a 34 % droby. Povrch úseků nebyl podrcován.

Z úseků na obalovně byly opět odebrány vývrty pro měření součinitele tření po ohlazení. Tentokrát nebylo nutné vývrty očišťovat benzínovým rozpouštědlem, protože při provedení pokládky běžnou technikou (finišer, hutnicí válec) nebyl na povrchu vozovky přebytek asfaltového pojiva, a bylo tedy možné odstranit ho ohlazováním kuželíky. Také textura povrchu odpovídala obrusné vrstvě SMA, čehož v laboratoři nebylo možné dosáhnout.

V grafu na obrázku 6 jsou uvedeny výsledné hodnoty FAP z vývrtů odebraných na obalovně ve srovnání s výsledky FAP laboratorních zkušebních těles. Z grafu je patrné, že zkušební tělesa zhotovená v laboratoři měla vyšší počáteční hodnotu FAP, což je způsobeno právě odstraněním pojiva hned zpočátku benzínovým rozpouštědlem, a nikoliv postupným ojížděním dopravním zatížením. Proto byly tyto počáteční hodnoty posunuty o 180 000 pojezdů kuželíky, kdy došlo k odstranění pojiva i na vývrtech ze zkušebních úseků. Přesto jsou hodnoty zkušebních těles z laboratoře a vývrtů ze zkušebních úseků odlišné. To je zapříčiněno jak různými způsoby odstranění pojiva, tak rozdílnou texturou a způsobem hutnění. Rozdíl součinitele tření po ohlazení mezi asfaltovými směsmi s drobou a s čedičem je ale stále přibližně 0,1.

Pro realizaci zkušebního úseku na provozované komunikaci byla vybrána asfaltová směs s 34 % droby. Úsek byl zhotoven na silnici III/24095 mezi obcemi Merboltice a Nový Šachov. Bohužel se nepovedlo dohodnout na stavbě na komunikaci s vyšším dopravním zatížením. Úsek byl položen na podzim roku 2019 a od té doby je na něm pravidelně sledován součinitel podélného tření dynamickým měřicím zařízením TRT. Jako reference byl zhotoven navazující úsek z asfaltové směsi SMA 11 S běžně používané jako obrusná vrstva na dálnicích. Ze zkušebního úseku byl také odebrán vývrt pro ověření hodnoty FAP asfaltové směsi. Výsledky se shodují s hodnotami FAP asfaltové směsi použité k realizaci zkušebního úseku na obalovně (červená čára v grafu na obrázku 8).

V grafech na obrázku 9 je zobrazen vývoj součinitele podélného tření v závislosti na čase na obou zkušebních úsecích na silnici III/24095. Měření hned po pokládce ukázala nejnižší hodnoty F_p, protože povrch vozovky nebyl podrcován a kamenivo bylo překryto vrstvou asfaltového pojiva, která se postupně ojíždí působením dopravního zatížení. Hodnoty F_p na obou úsecích zatím stále rostou, protože je teprve odstraňováno asfaltové pojivo a kamenivo zatím není ohlazené. Aby bylo možné v krátkém čase ověřit životnost protismykových vlastností asfaltové směsi, tak bylo na části obou úseků asfaltové pojivo odstraněno tryskáním tlakovou vodou, což způsobilo skokový nárůst hodnot součinitele podélného tření. Od tohoto momentu dochází k opotřebení hrubého kameniva v asfaltových směsích. Z doposud provedených měření součinitele podélného tření vyplývá, že asfaltová směs SMA 11 S s kamenivy čedič a droba je minimálně srovnatelná s asfaltovou směsí SMA 11 S s kamenivem spilit používanou na dálnicích. Při posledním provedeném měření dosáhla dokonce hodnoty F_p o 0,05 vyšší.

ACO 11+

Z asfaltových směsí typu ACO 11+ uvedených v tabulce 2, tedy s kamenivem droba ve frakci 8/11 i 4/8, nebyla zhotovena zkušební tělesa v laboratoři, protože při výrobě obdobných zkušebních těles z asfaltové směsi SMA 11 S nebylo možné dosáhnout textury povrchu, která by se blížila povrchu vozovky budované běžnou technikou. Byly proto rovnou realizovány zkušební úseky v areálu obalovny Úžín, ze kterých byly odebrány vývrty pro měření součinitele tření po ohlazení. Výsledky měření jsou zobrazeny v grafu na obrázku 11. Z průběhu hodnot FAP je patrné, že kamenivo droba má opět příznivý vliv na dlouhodobý vývoj hodnot FAP. Po 330 000 pojezdech kuželíky je rozdíl mezi asfaltovými směsmi 0,08.

Závěr

Výsledky, které byly získány během řešení výzkumného projektu TH02030194 a prezentované v tomto příspěvku potvrdily předpoklad, že pokud je v asfaltové směsi část kameniva s nedostatečnou odolností proti ohlazení zaměněna za kamenivo s vyšší odolností proti ohlazení, lze významně prodloužit životnost protismykových vlastností povrchu vozovky.

U asfaltové směsi typu SMA 11 S bylo navrženo celkem 5 směsí s různým zastoupením kameniva frakce 8/11 s vyšší ohladitelností – droba (0 %, 20 %, 34 %, 50 % a 100 %). Pro realizaci zkušebního úseku na silnici III. třídy byla na základě laboratorního měření součinitele tření po ohlazení nakonec vybrána asfaltová směs s 34 % droby. Podle výsledků měření součinitele podélného tření na zkušebním úseku je úroveň protismykových vlastností povrchu vozovky zatím hodnocena klasifikačním stupněm 1 podle tabulky A.1 v ČSN 73 6177 a také srovnatelná s asfaltovou směsí typu SMA 11 S, která byla použita na dálnici D8 a byl z ní zhotoven navazující zkušební úsek na silnici III. třídy.

Měření součinitele tření po ohlazení na vývrtech z asfaltové směsi typu ACO 11+ také prokázalo pozitivní vliv kameniva s vyšší odolností proti ohlazení na životnost protismykových vlastností povrchu vozovky. Oproti asfaltové směsi typu SMA 11 S, kde frakce 8/11 tvoří přibližně 50 % objemu kameniva, je to u ACO 11+ výrazně méně. Je proto nutné použít kamenivo s vyšší odolností proti ohlazení i u frakce 4/8.

Zásadním zjištěním bylo také to, že výroba desek z asfaltové směsi s povrchem, jehož textura by dostatečně odpovídala povrchu vozovky zhotovené běžnou technikou, je problematické. Proto byla výroba desek nahrazena zhotovením zkušebních úseků v areálu obalovny, což je finančně náročné a většina obaloven nedisponuje dostatečným prostorem. V budoucnu může být řešením použití jiného typu zhutňovače (segmentový místo lamelového) a menší míra zhutnění při výrobě desky.

Výpočet nákladů na výrobu asfaltových směsí typu SMA 11 S ukázal, že kromě varianty, kdy veškeré kamenivo frakce 8/11 nahrazeno kamenivem s vyšší odolností proti ohlazení (drobou), je použití malého množství takového kameniva finančně výhodné. Zbytek kameniva ve směsi je kamenivo s nízkou odolností proti ohlazení (čedič), ale jedná se o kamenivo z lokálního lomu. Náklady byly porovnávány s asfaltovou směsí typu SMA 11 S použitou při pokládce na dálnici D8, která má srovnatelné protismykové vlastnosti povrchu vozovky. Vzhledem k reálně hrozícímu nedostatku kameniv může být využití kombinací kameniv s různou odolností řešením, jak snížit finanční náročnost výstavby a také hospodárně nakládat se zdroji kvalitnějšího kameniva.

Bohužel není možné nijak obecně vyjádřit, jakou kombinaci kameniv použít (např. váženým průměrem hodnoty ohladitelnosti kameniva PSV). Každé kamenivo má jiný tvarový index a v kombinaci s dalším kamenivem vytvoří jinou texturu povrchu. Zatím jediným řešením je zhotovení zkušebních těles z navržené asfaltové směsi a měření součinitele tření po ohlazení.

Poznatky prezentované v článku byly získány za finančního přispění Technologické agentury ČR, projekt TH02030194 [1].

Literatura:

1. TH02030194 – Použití směsí kameniva s různou odolností proti ohlazení do obrusných vrstev za účelem dosažení dlouhodobě vyhovujících protismykových vlastností povrchu vozovky, zvýšení bezpečnosti silničního provozu a ekonomického využití přírodních zdrojů. Poskytovatel: Technologická agentura České republiky (TA ČR). Hlavní příjemce: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. Spoluřešitelé: Eurovia CS, a.s., Měření PVV – Leoš Nekula. Období řešení projektu: 01/2017 – 12/2020.
2. Stavebnictví hrozí nedostatek těženého stavebního materiálu, tisková zpráva Těžební unie, 30. 9. 2020, https://tezebni-unie.cz/2020/09/30/stavebnictvi-hrozi-nedostatek-tezeneho-stavebniho-materialu/
3. Nekulová P., Dašková J., Nekula L., et al. Návrh asfaltové směsi pro obrusné vrstvy podle výsledků zkoušky stanovení součinitele tření po ohlazení. In sborník konference Asfaltové vozovky 2019. Praha: PRAGOPROJEKT, a.s., 2019. s. 1-9. ISBN: 978-80-906809-3-7.