Téma III: Zkušenosti s používáním evropských norem „Zkušebnictví“ Petr Mondschein

Přehled příspěvků VLIV RŮZNÝCH FAKTORŮ NA ZKOUŠENÍ ASFALTOVÝCH SMĚSÍ V TRIAXIÁLNÍM PŘÍSTROJI Ing. Petr Zdřálek, Ing. Petr Hýzl, Ph.D. UMOŽŇUJE CYKLICKÁ TLAKOVÁ SKÚŠKA ROZLÍŠIŤ ODOLNOSŤ ASFALTOVÝCH ZMESÍ PROTI TRVALÝM DEFORMÁCIÁM? Ing. Tomáš Bežilla, doc. Dr. Ing. Jozef Komačka, Ing. Eva Remišová, Ph.D. STANOVENÍ MODULU TUHOSTI ASFALTOVÝCH SMĚSÍ 2-BODO-VOU A 4-BODOVOU ZKOUŠKOU ZA OHYBU DLE ČSN EN 12697-26 Dr. Ing. Michal Varaus, Ing. Petr Hýzl, Ph.D., Doc. Ing. Ota Vacín, Ph.D. V tématickém bloku III: 7 příspěvků 2 zahraniční 5 příspěvků ve spolupráci zástupců univerzit

Přehled příspěvků KVALITA ASFALTOVÝCH POJIV HODNOCENÁ POMOCÍ REOLOGICKÝCH PARAMETRŮ NA DSR A BBR Ing. Radek Černý, Ing. Michal Zbuzek ZKOUŠKA KOHEZE KYVADLEM VIALIT BLEIER Johann, Dipl.Ing. Dr., BIRNGRUBER Kurt, Dipl. HTL - Ing., RIEDERER Peter, Ing., WEIRAUCH Kurt VLIV HUTNICÍ ENERGIE NA ODOLNOST ASFALTOVÉ SMĚSI VŮČI ÚČINKŮM VODY Ing. Petr Mondschein, Ph.D., Ing. Eva Márová VLIV KAMENIVA A ASFALTOVÉHO POJIVA NA VLASTNOSTI ASFALTOVÉ SMĚSI Z POHLEDU ZKOUŠKY TYPU Ing. Petr Mondschein, Ph.D. Příspěvky se týkají funkčního zkoušení asfaltových pojiv, asfaltových pojiv z hlediska využití v technologiích nátěrů a asfaltových směsí Tématicky jsou zaměřeny na problematiku evropských norem, na jejich zavádění nebo ověřování vlastností, s kterými jsou u nás jen minimální zkušenosti

Přehled dotčených norem Zkušební normy ČSN EN 12697-12: Stanovení odolnosti zkušebního tělesa vůči účinkům vody ČSN EN 12697-25: Cyklická zkouška v tlaku ČSN EN 12697-26: Tuhost ČSN EN 13 588: Stanovení koheze asfaltových pojiv zkouškou kyvadlem ČSN EN 14770: Stanovení komplexního modulu ve smyku a fázového úhlu – Dynamický smykový reometr ČSN EN 14771: Stanovení modulu tuhosti za ohybu pomocí průhybového trámečkového reometru Výrobkové a technologické normy ČSN EN 13108 -1 Asfaltový beton ČSN EN 12591: Specifikace pro silniční asfalty ČSN EN 13808: Systém specifikace kationaktivních asfaltových emulzí ČSN EN 13108-20: Zkoušky typu ČSN EN 13108-21: Řízení výroby u výrobce

Empirické zkoušky X Funkční zkoušky Stanovení bodu měknutí. DSR Existence nastoupeného trendu přechodu z empirických zkoušek tj. zkušebních postupů založených na dlouhodobých zkušenostech a „tradici“ k funkčním zkouškám tj. Přiblížit zkoušení reálným podmínkám: zkušební modely odpovídající reálnému namáhání zatížení odpovídající skutečnému namáhání prostředí (teploty) Zařízení pro cyklickou zkoušku v tlaku Marshallův lis

Odolnost asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací Malé kolo Velké „francouzské“ kolo Triaxiální přístroj Dva příspěvky autorů z VUT v Brně a Stavební fakulty v Žuilině se týkají posouzení tvorby trvalých deformací a jejich sledování v triaxiálním přístroji. V ČR máme zkušenosti s tzv. „malým kolem“ – kde byly změněny oproti původnímu zkušebnímu postupu rozměry zkušebních vzorků a temperační medium Známe „velké francouzské kolo“, které svými rozměry odpovídá reálným podmínkám Obě zařízení však nejsou schopny simulovat boční působení vozovky na zkoušený vzorek, tuto schopnost má triaxiál Doposud nejsou požadavky na takovéto zkoušení definovány v NA výrobkových norem

Triaxiální přístroj Stejnoměrný komorový tlak σC Totžná teplota 50°C s vyjížděči Válcová tělesa (vývrty x laboratorně vyrobeno) Na těleso působí stejnosměrný komorový tlak, který simuluje spolupůsobení vozovky a je v přístroji vyvoláván vodou A jednoosý cyklický tlak, ten je funkcí času Cyklické zatížení může mít charakter půlzní nebo se může jednat o harmonické sinusové zatěžování Stejnoměrný komorový tlak σC Jednoosý cyklický tlak σA (t)

Triaxiální přístroj – hodnocení trvalých deformací Kumulativní axiální přetvoření zkušebního tělesa po N zatíženích Dále je charakteristika asfaltové směsi vůči tvorbě trvalých deformací definována tzv. mírou tečení fc a jejím sklonem B1 Pro dobrou interpretaci výsledků je nutné definovat okrajové podmínky pro hodnocení výsledků <2500 – 10000 cyklů>

Triaxiální přístroj – sledované vlivy na deformaci Charakter zatížení Vliv velikosti axiálních tlaků Vliv velikosti bočních tlaků Vliv výšky tělesa

Triaxiální přístroj – vliv typu zatížení na deformaci Srovnání zařízení VUT (pulsy) a zařízení na ISTU ve Vídní (harmonické) Různé výsledky s různým typem zatížení S harmonickým zatížením menší deformace S pulsním zatížením vyšší deformace, zapříčiněno delším působením maximálního zatížení

Triaxiální přístroj – vliv aplikovaných tlaků Hodnoty komorového tlaku ovlivňují naměřené hodnoty deformací Je otázka zda normový požadavek 150 kPA není příliš vysoký, tvoří pevný obal okolo zkušebního vzorku, který brání smykovému namáhání

Triaxiální přístroj – vliv výšky tělesa Požadavek na poměr průměr/výška je od 0,6 Marshallovo těleso až po 2,0 Rozdíly mezi vysokými a nízkými tělesy jsou značné Je nutná přesná definice štíhlostního poměru resp. vyšky zkušebního tělesa

Triaxiální přístroj – vliv frekvence zatěžování Norma ČSN EN 12697-25 nedefinuje přesné podmínky zatížení resp. u harmonického zatížení tj. frekvence 3 Hz u pulsů tj. 1s/1s tj. frekvence 0,5 Hz Vliv byl sledován při frekvencích 0.5, 1 a 2 Hz S klesajícím bočním omezením (tlakem) se vliv frekvence zvětšuje Na základě těchto analýz navrhují autoři změny v podmínkách zkoušky pro zařízení s pulsním zatěžováním

Triaxiální přístroj – aplikace Stanovení odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací AC 11 Vlastnost 50/70 PmB 65/105-65 Penetrace v mm.10-1 66 68 Bod měknutí v °C 46,6 76,2 Obsah pojiva 4,2 % - 4,6 % - 5,2 % Obrusná vrstva 2 x 75 úderů Ložná vrstva 2 x 50 úderů V dalším příspěvku, který se týká triaxiálu se autoři z Žilinské FSv snažili aplokovat zkušební postup pro stanovení trvalých deformací na asfaltových směsích lišících se typem směsi, asfaltovým pojivem a jeho množstvím. Otázkou bylo, zda je tento zkušební postup schopen rozlišit jednotlivé směsi s různým množstvím pojiva a výsledky následně využít v hodnocení směsí např. v zkouškách typu.

Triaxiální přístroj - aplikace Ukázka vlivu použitého pojiva Příklad průměrných křivek dotvarování

Triaxiální přístroj - aplikace * Stejně jako uvádějí autoři z Brna, zkouška vzhledem k okrajovým podmínkám (jejich nastavení) nerozlišuje vždy velmi dobře vliv množství pojiva ve směsi Rychlost dotvarování pro obrusnou vrstvu

Triaxiální přístroj - aplikace Rychlost dotvarování pro ložnou vrstvu

Okrajové podmínky zkoušky Moduly tuhosti Vrstva Pojivo Množství pojiva v % Okrajové podmínky zkoušky 4,2 4,6 5,2 Teplota Σc σA Obrusná 50/70 2,94 5,38 3,56 50°C 150 MPa 300 MPa PmB 65/105-65 1,50 3,08 1,69 Ložní 5,40 4,65 5,99 40°C 50 MPa 200 MPa 2,63 2,60 2,32 Výrazné rozdíly v rychlosti dotvarování Větší vliv kombinace tlaků než teplota Různé teploty pro různé konstrukční vrstvy – vhodné zavést i u vyjížděčů Rychlost dotvarování fc

Moduly tuhosti 2 bodová zkouška na komolém klínu (2PB-TR) 2 bodová zkouška na trámečku (2PB-PR) 3 bodová zkouška na trámečku (3PB-PR) 4 bodová zkouška na trámečku (4PB-PR) zkouška jednoosým tahem a tlakem na válcovém zkušebním tělese (DTC-CY) zkouška v přímém tahu na válcovém zkušebním tělese (DT-CY) nebo trámečku (DT-PR) zkouška v příčném tahu na válcovém zkušebním tělese (IT-CY) Další příspěvek od autorů pražské a brněnské techniky, realizovaný za podpory Sdružení, se opět zabývá problematikou funkčních zkoušek. EN připouští pro stanovení komplexního modulu tuhosti různé zkušební metody a okrajové podmínky. Předpokladem je, že všechny zkušební metody dávají totožné výsledky.

Moduly tuhosti Způsob zatěžování Teplota Frekvence zatěžování 2PB-TR 10 Hz 2PB-PR 3PB-PR 4PB-PR 20 °C 8 Hz DTC-CY DT-CY nebo DT-PR 0,02 s Srovnání dvou zařízení s různými okrajovými podmínkami zkoušky

Dvoubodová zkouška 2PB-TR (VUT v Brně) 15°C frekvence zatěžování 10 Hz (5, 15, 20 a 25 Hz) Komolý klín Definované okrajové podmínky zkoušky teplota 15°C a frekvence zatěžování 10 Hz V experimentu byly provedeny měření s dalšími frekvencemi zatěžování Zařízení pro měření modulů tuhosti 2-bodovou zkouškou dle ČSN EN 12697-26

Dvoubodová zkouška 2PB-TR (VUT v Brně) 20°C frekvence zatěžování 8 Hz (5, 10, 20 a 30 Hz) Trámeček odlišné podmínky od komolého klínu Teplota 20°C Frekvence zatěžování 8 Hz Pro experiment stanovení modulu tuhosti za dalších frekvencí Zařízení pro měření modulů tuhosti 4-bodovou zkouškou dle ČSN EN 12697-26

Moduly tuhosti – srovnání metod Stanovení modulů tuhosti oběma metodami na směsích ACO 11 S, PmB 45/80-50, 5.6 % obsahu pojiva ACL 16 +, 50/70, 5.2 % obsahu pojiva ACP 22 +, 50/70, 4.3 % obsahu pojiva

Moduly tuhosti vyhodnocení Výsledky na obou zařízeních dávají při předepsaných okrajových podmínkách zkoušky tj,. Teplota a frekvence zatěžování rozdílné výsledky o cca 1/3 Nedojde k dosažení shodného výsledku Hodnoty naměřených modulů tuhosti pro 2-bodovou a 4-bodovou zkoušku

Moduly tuhosti vyhodnocení: ACO Při provedení zkoušky na čtyřbodu při 15°C dosáhneme shodného výsledku u ACO kolem frekvence zatěžování 8 Hz Výsledky měření modulu tuhosti pro směs ACO 11 S při teplotě 15°C

Moduly tuhosti vyhodnocení: ACL Výsledky měření modulu tuhosti pro směs ACL 16 + při teplotě 15°C

Moduly tuhosti vyhodnocení: ACP Závěry by mohly sloužit k debatě na změnu okrajových podmínek čtyřbodové zkoušky na změnu teploty na 15°C. Výsledky měření modulu tuhosti pro směs ACP 22 + při teplotě 15°C

Funkční zkoušení asfaltových pojiv Funkční zkoušky se neprosazují jen u zkoušení asfaltových směsí, ale též ve zkoušení vlastností asfaltových pojiv. Autoři z výzkumného ústavu organické chemie se zabývali funkčními zkouškami asfaltových pojiv a jejich korelací s empirickými zkouškami jako jsou: penetrace, bod měknutí a bod lámavosti. V jejich příspěvku jsou zmiňovány dvě zkušební metody DSR a BBR. Schéma funkčního zkoušení asfaltových pojiv

Dynamický smykový reometr Za pomoci DSR se stanovuje se stanovuje: Komplexní smykový modul pojiva: G* Fázový úhel posunu δ v závislosti na teplotě a frekvenci namáhání. Dále pak složky komplexního modulu G´a G´´ Viskozita při nulovém smyku Tyto parametry slouží ke stanovení HKT (horní kritické teploty) pojiva. Dynamický smykový reometr a zkušební vzorek

Dynamický smykový reometr Dvě zkušební destičky Zkušební mezera 1 mm Dochází k namáhání smykem zkušebního vzorku Měření se provádí na původních vzorcích a teplotně namáhaných Dynamická smyková tuhost: ≥ 1 kPa (původní asfalt) ≥ 2,2 kPa (RTFOT)

BBR - průhybový reometr Slouží ke stanovení nízkoteplotních vlastností Měření průhybu na trámečku (prostý nosník) asfaltového pojiva při různých záporných teplotách Ohybová tuhost 300 MPa Sklon křivky dotvarování 0,3

BBR - průhybový reometr Stanovuje se tzv. DKT dolní kritická teplota (teplota pro vznik mrazových trhlin) tj. teplota při níž má sklon křivky m hodnotu směrnice tečny rovnou 0,3 a modul tuhosti S=300 MPa Do evropských norem se předpokládá převzít pouze podmínku pro hodnotu modulu S a dále stanovit hodnotu modulu S a sklon tečny m při teplotě -16°C Ohybová tuhost 300 MPa Sklon křivky dotvarování 0,3

Vyhodnocení DSR x KK Závislost horní kritické teploty na bodu měknutí Hodnocení 60 vzorků Stanovení závislosti HKT a bodu měknutí u originálních vzorků a po krátkodobém stárnutí metodou RTFOT Jedná se o nemodifikovaná pojiva českých a zahraničních výrobců Zkušební postupy velmi dobře korelují Závislost horní kritické teploty na bodu měknutí

Vyhodnocení „kritické teploty“ x penetrace Při hodnocení kritické teploty trhlin a její závislosti na hodnotách penetrace nedošlo k nalezení závislosti, pouze je charakterizován trend mezi oběma veličinami. Závislost kritické teploty tvorby únavových trhlin na penetraci

Vyhodnocení BBR x KK Existuje trend v závislosti bodu měknutí a modulem tuhosti při -16°C Korelace není ideální DKT nekoreluje s teplotou lámavosti vzhledem k metodě stanovení bodu lámavosti a její přesnosti Nebyla nalezena ani další závislost DKT s jinými tradičními parametry Závislost modulu tuhosti S při -16 °C na bodu měknutí

Vyhodnocení BBR x KK Závislost m-hodnoty při -16 °C na bodu měknutí Odlišná situace u m hodnoty při teplotě -16°C Existuje výrazná závislost mezi m a bodem měknutí Závislost m-hodnoty při -16 °C na bodu měknutí

Vyhodnocení BBR x penetrace Závislost m-hodnoty při -16 °C na penetraci Závislost m-hodnoty při -16 °C na penetraci

Zkouška koheze kyvadlem „KOHEZE“ ve smyslu zkušební normy: energie na jednotku plochy potřebná k úplnému oddělení krychle od podstavy, jejichž předem spojené povrchy zůstaly zcela pokryty pojivem KOHEZE: soudržnost Příspěvek rakouských autorů se týká problematiky měření koheze asfaltových pojiv – čistých, modifikovaných, fluxovaných nebo asfaltových emulzí, kdy se koheze stanovuje na zpětně získaném pojivu. Příspěvek se týká provedených kruhových zkoušek z let 2004 a 2008 Vialit Cohesion Pendulum, měřící přístroj vyvinutý a vyrobený firmou Österreichische Vialit GmbH s ochranným krytem, záchytným zařízením kyvadla a digitálním ukazatelem úhlu

Zkouška koheze kyvadlem Jedná se o velikost energie, která je nutná k odražení krychle o straně 10 mm fixované k ocelové podstavě vrstvou pojiva 1 mm. Zkušební zařízení

Zkouška koheze kyvadlem Mezi teplotou a kohezí existuje závislost viz graf. Měření se provádí při 6 teplotách. Stanovuje se energie nutná k odražení krychle přichycené pojivem Stanovuje se energie nutná k odražení krychle nepřichycené pojivem Z těchto energií se stanovuje koheze Závislost mezi kohezí a zkušební teplotou

Kruhové zkoušky – metoda Vialit Rok 2004 Organizítor Irsko 3 emulze Koheze: 7 účastníků (1 z ČR) Rok 2008 Organizátor Rakousko 8 emulze Koheze: 20 laboratoří (1 z ČR) Rok 2004: Důvod – zavádění postupu do EN Zkoušky prováděny na zpětně získaném pojivu, stabilizovaném a zestárlém procesem PAV Rok 2008: Kruhové zkoušky vyvolány nejasností nad požadovanými hodnotami pro modifikované emulze, kdy koheze měla být větší jak 1,0 J/cm 2 a 0,5-0,7 u nemodifikovaných emulzí Někteří výrobci nedosááhly těchto hodnot, přestože materiály v praxi fungují

Výsledky kruhových zkoušek – metoda Vialit (2004) Dvě laboratoře nevyhověly Koheze se s stárnutím snižuje, nicméně klesají jen střední hodnoty vyhodnocení

Výsledky kruhových zkoušek – metoda Vialit (2008) Koheze kyvadlem má lepší vypovídací schopnost něž koheze stanovená silovou duktilitou Ověření, že parametr 1,0 je příliš přísný Snížení na 0,7 v předpisech

Výsledky kruhových zkoušek – metoda Vialit (2008) Metoda rozlišuje modifikované a nemodifikované emulze Porovnání teplotního průběhu koheze kyvadlem polymerem modifikovaného pojiva s pojivem nemodifikovaným

Odolnost asfaltové směsi vůči účinkům vody Volba teploty Ve zkušební normě ČSN EN 12697-12 doporučená teplota pro zkoušku 5°C – 25°C V normě pro zkoušky typu předepsaná teplota 15°C Koheze: 7 účastníků (1 z ČR) Změna hutnící energie 2x25 úderů 2x35 úderů Změna hutnící energie i v dalších metodách přípravy zkušebních těles

Odolnost asfaltové směsi vůči účinkům vody

Odolnost asfaltové směsi vůči účinkům vody 2x25 úderů ITSR v % 2x35 úderů ACL 22 + (1) 67,5 81,8 ACL 22 + (2) 71,6 86,3 SMA 11 94,8 85,6 U směsí nebyla použita adhezivní přísada, tak jak se v kombinaci s kamenivem běžně užívá S vyšší energií se zvyšuje odolnost směsí vůči účinkům vody SMA má jiné chování Zkušební teplota 15°C

Odolnost asfaltové směsi vůči účinkům vody Zkušební teplota 2 x 25 úderů 2 x 35 úderů ITSW MPa ITSD ITSR % 5°C 4 210 4 040 104 4 650 4 280 109 15°C 1 630 2 280 72 2 350 2 730 86 25°C 1 510 1 590 95 1 840 1 940 Zkoušena jen jedna směs Dobře vybraná teplota pro zkoušku typu Asfaltový beton ACL 22 + (2)

Odolnost asfaltové směsi vůči účinkům vody – interpretace výsledků Pevnosti v příčném tahu „mokrých“ těles směsi ACL 22 + (1)

Odolnost asfaltové směsi vůči účinkům vody – interpretace výsledků Odolnost zkušebního tělesa vůči účinkům vody s vyznačenými požadavky pro směs typu ACL 22 S a ACL 22 +

Vliv složení směsi na vybrané vlastnosti asfaltových směsí Zkoušené směsi v požadavcích kontroly výroby u výrobce resp. v závislosti kontrolních zkoušek ke zkoušce typu Směs ACL 16+ Stejný obsah pojiva Procentuelní zastoupení frakcí kameniva

Vliv složení směsi na vybrané vlastnosti asfaltových směsí Zkoušené směsi v požadavcích kontroly výroby u výrobce resp. v závislosti kontrolních zkoušek ke zkoušce typu Směs ACL 16+ Stejný obsah pojiva

Závěry kapitoly III bloku Zkušenosti s evropskými normami zkušebními a výrobkovými Zavádění funkčních zkoušek do požadavků na výrobky Vybavenost pro funkční zkoušení asfaltových pojiv Vybavenost pro funkční zkoušky asfaltových směsí

Děkuji Vám za pozornost