Viszkozitás szerint osztályozott aszfaltkötőanyagok (VG-10, VG-20, VG-30, VG-40)

A viszkozitás szerint osztályozott (VG) aszfaltkötőanyagok egy racionális, teljesítményorientált megközelítést képviselnek az útépítési bitumen osztályozására, az áramlási ellenállás alapján, kritikus üzemi és építési hőmérsékleteken. Ellentétben a hagyományos penetrációs osztályozási rendszerrel, amely a kötőanyag keménységét egyetlen hőmérsékleten (25°C) méri, a VG rendszer a kötőanyag konzisztenciáját 60°C-on — a nyári maximális burkolatfelületi hőmérséklethez közeli hőmérsékleten — és 135°C-on — a meleg aszfaltkeverék tipikus keverési és tömörítési hőmérsékletén — értékeli. Ez a két-hőmérsékes jellemzés lényegesen pontosabb előrejelzést nyújt a mérnökök számára a kötőanyag helyszíni viselkedéséről.

A VG rendszer négy szabványos fokozatot határoz meg: VG-10, VG-20, VG-30 és VG-40, ahol a növekvő számok növekvő merevségnek felelnek meg. Egy VG-40 kötőanyag minimum abszolút viszkozitása 3200 poise 60°C-on, ami körülbelül négyszer merevebb, mint egy VG-10 kötőanyag ugyanezen a hőmérsékleten. Ez a merevségi hierarchia közvetlenül korrelál a kötőanyag nyomvályúsodással (maradandó alakváltozással) szembeni ellenállásával terhelés alatt — ami a legkritikusabb károsodási mód az aszfaltburkolatoknál meleg éghajlaton és nagy forgalom esetén.

A VG rendszert hivatalosan az Indiai Szabványügyi Hivatal (BIS) fogadta el az IS 73:2006 (harmadik felülvizsgálat) keretében, felváltva a penetrációs fokozatú rendszert, amelyet Indiában 1950 óta használtak. A negyedik felülvizsgálat (IS 73:2013) tovább finomította az előírást azáltal, hogy viszkozitási tartományokat vezetett be az egyes fokozatokhoz, meghatározta a minimális penetrációs értékeket 25°C-on, és — ami a legfontosabb — egy éghajlat-alapú fokozatkiválasztási táblázatot biztosított, amely a 7 napos átlagos maximum léghőmérséklethez kapcsolódik. Ez a VG rendszert nem pusztán osztályozási sémává, hanem teljes kötőanyag-kiválasztási módszertanná tette az útépítő mérnökök számára.

1. A viszkozitási osztályozás koncepciója

A viszkozitási osztályozás koncepciója annak felismeréséből született, hogy a penetrációs vizsgálat — amely azt méri, hogy egy szabványos tű milyen mélyre hatol egy bitumenmintába 25°C-on, 100 grammos terhelés alatt, öt másodperc alatt — korlátozott információt nyújt a kötőanyag teljesítményéről azokon a szélsőséges hőmérsékleteken, amelyeket a burkolatok ténylegesen tapasztalnak. Az 1960-as évek elején az Amerikai Állami Autópálya-tisztviselők Szövetsége (AASHTO) kifejlesztett egy továbbfejlesztett osztályozási rendszert viszkozitásvizsgálaton alapulva, amelyet AASHTO M 226 és ASTM D 3381 néven publikáltak. Ez a rendszer alapvető elmozdulást jelentett az empirikus osztályozástól a tudományos mérés felé.

A viszkozitás az alkalmazott nyírófeszültség és a nyírási sebesség arányaként definiálható — lényegében egy folyadék áramlási ellenállásának mértéke. Az SI mértékegységrendszerben a viszkozitást pascal-másodpercben (Pa·s) fejezik ki, de az aszfaltkötőanyagok hagyományos mértékegysége a poise (P), ahol 1 poise = 1 dyne·s/cm² = 0,1 Pa·s. A VG rendszer a poise-t használja az abszolút viszkozitásra 60°C-on, és a centistoke-ot (cSt) a kinematikai viszkozitásra 135°C-on.

A VG rendszer egy alapvető elven működik: a bitumen áramlási viselkedése a burkolat üzemi hőmérsékletén (60°C) a legmegbízhatóbb előrejelzője a nyomvályúsodási ellenállásnak. Azok a kötőanyagok, amelyek kevésbé áramlanak 60°C-on, kevésbé deformálódnak a forgalmi terhelés alatt. Ezzel párhuzamosan a 135°C-on mért kinematikai viszkozitás biztosítja, hogy a kötőanyag keverés és tömörítés során eléggé folyékony legyen az adalékanyagok megfelelő bevonásához és a megfelelő burkolati sűrűség eléréséhez. Ez a két-hőmérsékes megközelítés a VG rendszer kulcsfontosságú előnye az egy-hőmérsékes penetrációs osztályozással szemben.

Két alrendszer létezik a viszkozitási osztályozáson belül: AC osztályozás (aszfaltcement, az eredeti, szállított kötőanyagon vizsgálva) és AR osztályozás (öregített maradék, a kötőanyagon vizsgálva, miután gördülő vékonyfilmes kemencés vizsgálatnak vetették alá, amely a melegaszfalt-öregedést szimulálja). Az AC rendszer AC-2.5-től AC-40-ig terjedő fokozatokat használ, ahol a szám a célviszkozitást jelenti száz poise-ban 60°C-on. Az AR rendszer AR-1000-től AR-16000-ig terjedő fokozatokat használ, ahol a szám az öregítés utáni viszkozitást jelenti poise-ban. Az IS 73-ban és a nemzetközi gyakorlatban használt VG rendszer az AC koncepcióhoz igazodik — az eredeti kötőanyag-mintákon végzett vizsgálaton alapul.

2. Meghatározás: Abszolút viszkozitás 60°C-on és kinematikai viszkozitás 135°C-on

Két elsődleges viszkozitásmérés határozza meg a VG kötőanyagok osztályozását: az abszolút (dinamikus) viszkozitás 60°C-on és a kinematikai viszkozitás 135°C-on. Ezek a mérések a kötőanyag viselkedését rögzítik a burkolati teljesítmény és az építés szempontjából releváns két hőmérsékleti szélsőértéken.

Abszolút viszkozitás 60°C-on (ASTM D2171 / AASHTO T202 / IS 1206 2. rész)

Az abszolút viszkozitás 60°C-on a VG kötőanyagok elsődleges osztályozási paramétere. Meghatározása vákuumkapilláris-viszkoziméterrel történik — egy precíziós bórszilikát üveginstrumentummal, amely azt az időt méri, amely alatt egy rögzített térfogatú folyékony bitumen átfolyik egy kapilláriscsövön szabályozott vákuum- és hőmérsékleti körülmények között.

A vizsgálati eljárás az ASTM D2171-94 (Standard vizsgálati módszer aszfaltok viszkozitására vákuumkapilláris-viszkoziméterrel) szerint a következő lépésekből áll:

1. A bitumenmintát 135°C ± 5,5°C-ra hevítik a folyékonyság biztosítása érdekében, gyengén keverik a helyi túlmelegedés megelőzésére, és No. 50 (300 µm) szitán szűrik, ha szilárd anyag jelenlétére gyanakszanak.
2. A viszkozimétert előmelegítik a vizsgálati hőmérsékletre, 60°C ± 0,03°C-ra, egy pontosan szabályozott fürdőben.
3. 300 Hgmm vákuumot alkalmaznak a bitumen kapilláriscsövön keresztüli áthúzására.
4. Az áramlási időt két bemetszett időjelölés között stopperórával mérik, 0,1 másodperc pontossággal.
5. A viszkozitást poise-ban úgy számítják ki, hogy az áramlási időt másodpercben megszorozzák a viszkoziméter kalibrációs tényezőjével.

Három típusú vákuumkapilláris-viszkoziméter engedélyezett: a Cannon-Manning vákuum-viszkoziméter (CMVV), az Aszfalt Intézet vákuum-viszkozimétere (AIVV) és a módosított Koppers vákuum-viszkoziméter (MKVV). Mindegyik rendelkezik olyan specifikus méretjellemzőkkel, amelyek meghatározzák a viszkozitási tartományukat. A CMVV a leggyakrabban használt típus, cserélhető kapilláriscsövekkel, amelyek különböző viszkozitási tartományokat fednek le.

Egy tipikus VG-40 kötőanyag kinematikai viszkozitása 60°C-on körülbelül 3200–4800 poise. A vizsgálati módszer 0,036 és több mint 200 000 poise közötti viszkozitású anyagokra alkalmazható, lefedve az összes gyakorlati kötőanyag-fokozatot.

Kinematikai viszkozitás 135°C-on (ASTM D2170 / AASHTO T201 / IS 1206 3. rész)

A kinematikai viszkozitást 135°C-on kapilláris-viszkoziméterrel mérik, Cannon-Fenske vagy Ubbelohde típusúval, amelyet egy 135°C ± 0,1°C hőmérsékletű szabályozott fürdőbe merítenek. Az eljárás hasonló az abszolút viszkozitás vizsgálatához, de gravitációs áramlást használ vákuum helyett:

1. A bitumenmintát 135°C-ra hevítik és a viszkoziméterbe töltik.
2. A viszkozimétert a 135°C-os fürdőbe helyezik, és hagyják termikus egyensúlyba kerülni.
3. A bitument a felső időjelölés fölé húzzák, majd elengedik.
4. A meniszkusz két kalibrált jelölés közötti áthaladási idejét rögzítik.
5. A kinematikai viszkozitást (centistokes-ban, cSt) az áramlási idő × kalibrációs állandó szorzataként számítják ki.

A 135°C-on mért kinematikai viszkozitás bedolgozhatósági ellenőrzésként szolgál — biztosítja, hogy a kötőanyag elég folyékony legyen a melegaszfalt-gyártás során az adalékanyagok megfelelő bevonásához. A minimális kinematikai viszkozitási követelmények fokozatonként növekednek: 250 cSt a VG-10-hez, 300 cSt a VG-20-hoz, 350 cSt a VG-30-hoz és 400 cSt a VG-40-hez. Ezek a minimális értékek segítenek megelőzni a lágy keverékeket (az építés során túlzottan deformációra hajlamos keverékeket) és biztosítják a megfelelő filmvastagságot az adalékanyagokon.

VG előírási táblázat (az IS 73:2013 szerint)

3. VG fokozat kiválasztása éghajlat és forgalom alapján

A megfelelő VG fokozat kiválasztása két elsődleges tényező függvénye: az éghajlat (konkrétan a burkolati hőmérséklet) és a forgalmi terhelés. Az IS 73:2013 szabvány explicit útmutatást ad a fokozat kiválasztásához a projekt helyszínére vonatkozó 7 napos átlagos maximum léghőmérséklet alapján, amelyet legalább öt év történeti adataiból számítanak ki.

Éghajlat-alapú kiválasztás (az IS 73:2013 szerint)

A táblázat hőmérsékleti küszöbértékei a léghőmérséklet és a tényleges burkolati hőmérséklet közötti korreláción alapulnak. A burkolat felületi hőmérséklete közvetlen napfényben 20–25°C-kal magasabb lehet, mint a környezeti léghőmérséklet, ami azt jelenti, hogy egy 45°C maximum léghőmérsékletű helyen a burkolati hőmérséklet megközelítheti a 70°C-ot — jócskán a 60°C-os viszkozitásvizsgálati hőmérséklet felett. A VG rendszer ezt a konzervatív minimális viszkozitási követelményein keresztül veszi figyelembe.

A forgalmi terhelés tekintetében az általános elv az, hogy a nagyobb forgalom és a lassabban mozgó terhelések keményebb kötőanyagokat igényelnek. Ez különösen fontos a repülőtéri burkolatoknál, ahol a repülőgép-terhelések (500 000+ font a fő futóművön) és a lassú gurulási sebességek súlyos nyomvályúsodási igénybevételt jelentenek. A fokozat kiválasztásakor figyelembe kell venni a forgalom mennyiségét (egyenértékű egységtengely-terhelések), a forgalom sebességét (statikus vs. nagy sebességű), valamint azt, hogy a burkolat csatornázott forgalomnak van-e kitéve (pl. kifutópálya középvonalak, gurulóút-nyomvonalak).

További megfontolások:

• Tengerszint feletti magasság: A hideg éjszakai hőmérsékletű magas tengerszint feletti fekvésű helyek (>1500 m) egy fokozattal puhább kötőanyagot igényelhetnek a magas nappali hőmérséklet ellenére is, a termikus repedés kockázata miatt.
• Csapadék: A nagy csapadékú területek profitálhatnak a keményebb kötőanyagokból a víz okozta károk és a lepergés csökkentése érdekében.
• Különleges burkolatok: A csomópontok, körforgalmak, buszmegállók és repülőtéri előterek esetében egy fokozattal keményebb kötőanyagot kell használni az éghajlat-alapú ajánláshoz képest a lassú/statikus terhelési körülmények miatt.

4. VG-40 repülőtéri kifutópályákhoz

A VG-40 a legkeményebb fokozat a viszkozitás szerinti osztályozási rendszerben, és ez az előnyben részesített kötőanyag a repülőtéri kifutópálya-burkolatokhoz meleg éghajlaton és nagy repülőgép-terhelésnek kitett burkolatokhoz. Minimum 3200 poise abszolút viszkozitása 60°C-on és minimum 400 cSt kinematikai viszkozitása 135°C-on kivételes ellenállást biztosít a maradandó alakváltozással szemben a repülőtéri üzemeltetésre jellemző szélsőséges terhelési körülmények között.

Miért VG-40 a repülőterekhez?

A repülőgép-terhelés alapvetően különbözik a közúti forgalom terhelésétől több kritikus szempontból:

1. Kerékterhelések: Egy Boeing 777 fő futóművének gumiabroncsa több mint 30 000 kg-ot (66 000 fontot) hordozhat, ami 200 psi (1,38 MPa) feletti abroncsnyomást eredményez. Ez körülbelül 2–3-szor magasabb, mint a tipikus közúti teherautó-abroncsnyomás.
2. Lassú sebességek: A repülőgépek 20–50 km/h (12–31 mph) sebességgel gurulnak, és a felszállási gurulás során a repülőgép viszonylag lassan gyorsul az alacsonyabb sebességeken keresztül. Ez növeli a terhelési időtartamot a burkolaton, ami nagyobb viszkózus áramlást idéz elő a kötőanyagban.
3. Csatornázott forgalom: A repülőgépek nagy pontossággal ugyanazt az utat (középvonalat) követik, ami a terhelést keskeny keréknyom-zónákba koncentrálja.
4. Magas hőmérsékletek: A kifutópálya-felületek közvetlen napfényben trópusi éghajlaton elérhetik a 60–70°C-ot, ami ideális feltételeket teremt a nyomvályúsodáshoz, ha a kötőanyag túl puha.

Az FAA P-401 előírása (Standard előírás aszfaltburkolathoz repülőtereken) és az Unified Facilities Guide Specifications (UFGS) 32 12 15.13 hivatkozik a viszkozitás szerint osztályozott kötőanyagokra a repülőtéri építés során. Az FAA lehetővé teszi mind a teljesítményosztályozott (PG), mind a viszkozitás szerint osztályozott kötőanyagok használatát, ahol a megfelelési kapcsolat körülbelül:

• VG-40 ≈ PG 76-22 vagy PG 82-10 (módosító típusától és alapkötőanyagtól függően)

Az ICAO Repülőtér-tervezési kézikönyv (Doc 9157, 3. rész – Burkolatok) útmutatást ad a kötőanyag kiválasztásához repülőtéri burkolatokhoz, ajánlva, hogy a kötőanyag fokozatát a repülőtéri referenciahőmérséklet alapján válasszák ki — a burkolat felületétől 20 mm-re mért 7 napos átlagos maximum burkolati hőmérséklet. A 45°C feletti referenciahőmérsékletű régiókban (mint a Közel-Kelet, Dél-Ázsia, Délkelet-Ázsia egyes részei és az USA déli része) a VG-40 vagy annál magasabb fokozatú kötőanyag ajánlott.

Polimerrel módosított VG-40

Kritikus repülőtéri alkalmazásokhoz a VG-40 gyakran polimerrel módosított (PMB 40 vagy ezzel egyenértékű fokozatokat előállítva) a teljesítmény további fokozása érdekében. A polimermódosítás javítja:

• Rugalmas visszaalakulást: A kötőanyag azon képessége, hogy deformáció után “visszaugorjon”, csökkentve a maradandó nyomvályúsodást
• Fáradási ellenállást: Javított repedésállóság ismétlődő terhelés alatt
• Üzemanyag-állóságot: Fokozott ellenállás a sugárhajtóanyag és a hidraulikafolyadék támadásával szemben
• Termikus repedési ellenállást: Alacsonyabb merevség alacsony hőmérsékleten, csökkentve a hideg időjárási repedés kockázatát

A Repülőtéri Aszfaltburkolat-technológiai Program (AAPTP) és az Auburn Egyetem Nemzeti Aszfalttechnológiai Központja (NCAT) kifejlesztett egy Repülőtéri Aszfaltkötőanyag Online Kiválasztási Eszközt, amely segít a mérnököknek kiválasztani a megfelelő kötőanyag-fokozatot a repülőtér helye, a forgalmi terhelés és a burkolati szerkezet alapján. Ez az eszköz megerősíti, hogy a VG-40 (vagy PG megfelelője) a minimálisan ajánlott fokozat a fő kifutópályákhoz meleg éghajlatú repülőtereken.

5. VG vs. penetrációs fokozat

A penetrációs osztályozási rendszer (ASTM D946 / IS 73:1950 / EN 12591) a bitument annak alapján osztályozza, hogy egy szabványos tű milyen mélyre hatol a mintába meghatározott körülmények között (25°C, 100 g, 5 másodperc). Az olyan fokozatok, mint a 30/40, 40/50, 60/70, 80/100 és 100/120, a penetrációs értékeket jelentik a milliméter tizedrészében. Ez a rendszer több mint egy évszázadon át globális szabvány volt, és számos országban, köztük Iránban, az UAE-ben, Szaúd-Arábiában, Ománban, Kenyában, Tanzániában és Indonéziában ma is használatban van.

Főbb különbségek

A csere indoklása

A penetrációs osztályozás alapvető gyengesége, hogy a 25°C-on mért penetráció nem korrelál megbízhatóan a magas hőmérsékletű nyomvályúsodási teljesítménnyel. Két azonos penetrációs értékű kötőanyagnak (pl. mindkettő 60/70) jelentősen eltérő viszkozitása lehet 60°C-on a nyersolaj forrásától és a finomítási módszertől függően. Ez azt jelenti, hogy egy viaszos nyersanyagból származó 60/70-es kötőanyag súlyosan nyomvályúsodhat meleg időben, míg egy másik 60/70-es kötőanyag tökéletesen teljesíthet — mégis mindkettőt ugyanazon fokozatként osztályoznák.

A VG rendszer kiküszöböli ezt a kétértelműséget azáltal, hogy közvetlenül a nyomvályúsodás szempontjából legfontosabb hőmérsékleten méri a viszkozitást. A VG rendszerben bármely két azonos VG fokozatú minta hasonló nyomvályúsodási teljesítményt nyújt meleg időben — ez az állítás a penetrációs fokozatokról nem mondható el.

Egyenértékű fokozatok

6. VG vs. teljesítményosztályozás (PG)

A teljesítményosztályozási (PG) rendszer — amelyet a Strategic Highway Research Program (SHRP) keretében fejlesztettek ki az 1980-as évek végén és az 1990-es évek elején, és az AASHTO M 320 és az ASTM D6373 szabványokban kodifikáltak — a legfejlettebb kötőanyag-osztályozási módszertant képviseli. A PG kötőanyagokat két szám jelöli (pl. PG 64-22), ahol az első szám a magas hőmérsékleti fokozat (az a maximális burkolati hőmérséklet °C-ban, amelyet a kötőanyag elvisel), a második pedig az alacsony hőmérsékleti fokozat (az a minimális burkolati hőmérséklet °C-ban, amelyet a kötőanyag elvisel, negatív előjellel).

Alapvető különbségek

Mikor melyik rendszert használjuk?

A VG rendszer továbbra is megfelelő:

• Azokban az országokban és régiókban, ahol az IS 73 szabvány az irányadó előírás (India, Nepál, Banglades, Srí Lanka)
• Olyan projekteknél, ahol a DSR és BBR vizsgálati infrastruktúra nem áll rendelkezésre
• Olyan alkalmazásoknál, ahol egy egyszerűbb előírást kevesebb vizsgálattal preferálnak
• Minőség-ellenőrzési ellenőrzésként a gyártás során (a VG vizsgálatok gyorsabbak és olcsóbbak)

A PG rendszer jobb:

• Éghajlat-specifikus kötőanyag-kiválasztást igénylő projekteknél (a PG rendszer különbséget tud tenni a PG 64-22 és a PG 70-22 között, míg a VG mindkettőt a VG-30 vagy VG-40 kategóriába sorolja)
• Nagy teljesítményű burkolatoknál (repülőterek, nehéz teherforgalmi folyosók), ahol a PG vizsgálat átfogóbb jellemzést biztosít
• Hideg éghajlatú projekteknél, ahol az alacsony hőmérsékletű repedés az elsődleges szempont (a PG rendszer közvetlenül méri a BBR merevséget, míg a VG nem)
• Nemzetközi repülőtéri projekteknél, ahol az FAA vagy ICAO előírások PG kötőanyagokra hivatkoznak (az FAA P-401 megengedi a PG 76-22 vagy PG 82-28 használatát repülőtéri alkalmazásokhoz)

Gyakorlati megfelelés

Mérnöki célokra a következő hozzávetőleges megfelelések használhatók:

Ezek a megfelelések hozzávetőlegesek, és függnek a nyersanyag forrásától és attól, hogy a kötőanyag módosított-e. Kritikus alkalmazásoknál közvetlen PG vizsgálatot kell végezni.

7. VG vizsgálat (ASTM D2171; D2170; IS 1206)

A VG kötőanyagok vizsgálati rendszerét mind az ASTM, mind az IS szabványok előírják. Az elsődleges vizsgálatok a következők:

Abszolút viszkozitás 60°C-on — ASTM D2171 / IS 1206 (2. rész)

Ez a VG osztályozás meghatározó vizsgálata. A vákuumkapilláris-viszkoziméteres módszer gondos ellenőrzést igényel a következők tekintetében:

• Hőmérséklet: ±0,03°C 60°C-on
• Vákuum: 300 Hgmm ± 0,5 mm
• Időmérés: 0,1 másodperc pontosság
• Mintaelőkészítés: Hevítés 135°C ± 5,5°C-ra keveréssel a helyi túlmelegedés megelőzésére

A viszkoziméter kalibrációs tényezőjét szabványos viszkozitás-referenciafolyadékok segítségével határozzák meg. Nem newtoni kötőanyagok (például polimerrel módosított kötőanyagok) esetében a nyírási sebesség hatásait figyelembe kell venni — a különböző viszkoziméter-kapilláris méretek vagy vákuumszintek eltérő eredményeket produkálhatnak.

Kinematikai viszkozitás 135°C-on — ASTM D2170 / IS 1206 (3. rész)

A kinematikai viszkozitás vizsgálata más típusú kapilláris-viszkozimétert használ (jellemzően Cannon-Fenske vagy Ubbelohde), amely gravitációs áramlás mellett működik 135°C-on. A vizsgálat azt az időt méri, amely alatt egy rögzített térfogatú bitumen átfolyik a kapillárison saját hidrosztatikus nyomása alatt. A kinematikai viszkozitást centistokes-ban az áramlási idő és a viszkoziméter kalibrációs állandójának szorzataként számítják ki.

Ez a vizsgálat keverési és tömörítési hőmérséklet-jelzőként szolgál. Az előírásban szereplő minimális kinematikai viszkozitási értékek biztosítják, hogy a kötőanyag elegendő folyékonysággal rendelkezzen 135°C-on az adalékanyagok bevonásához a HMA gyártás során. A minimum alatti kinematikai viszkozitású kötőanyagok lágy keverékeket eredményezhetnek, amelyeket nehéz tömöríteni, és amelyek hajlamosak az alakváltozásra az építés során.

További vizsgálatok

1. Penetráció 25°C-on (IS 1203 / ASTM D5): Kiegészítő vizsgálatként megmaradt a minimális kötőanyag-puhaság biztosítására a fáradási repedésállóság érdekében átlagos üzemi hőmérsékleten.
2. Lágyuláspont (gyűrű és golyó) (IS 1205 / ASTM D36): Azt a hőmérsékletet méri, amelyen a bitumen szabványos terhelés alatt meglágyul, további mutatót nyújtva a magas hőmérsékletű teljesítményhez.
3. Lobbanáspont (Cleveland nyitott tégely) (IS 1448 P:69 / ASTM D92): Biztonsági követelmény annak biztosítására, hogy a kötőanyag ne gyulladjon meg a hevítés során.
4. Oldhatóság triklór-etilénben (IS 1216 / ASTM D2042): Biztosítja, hogy a kötőanyag mentes legyen szervetlen szennyeződésektől.
5. Vékonyfilmes kemencés vizsgálat (TFOT) vagy gördülő vékonyfilmes kemencés vizsgálat (RTFOT) (ASTM D1754 / D2872): A HMA gyártás során bekövetkező öregedést szimulálja. Az öregített maradékon végzett vizsgálatok:
   • Viszkozitási arány (az öregített viszkozitás és az eredeti viszkozitás aránya, maximum 4,0): Szabályozza a túlzott keményedést az építés során.
   • Duktilitás 25°C-on (minimum 75 cm a VG-10-hez, 25 cm-re csökkenve a VG-40-hez): Biztosítja a kötőanyag megfelelő nyúlási képességét a fáradási ellenálláshoz öregítés után.

Miért hét vizsgálat tizennégy helyett?

Az IS 73:2006 felülvizsgálat számos vizsgálatot kiküszöbölt a korábbi penetrációs fokozatú előírásból, amelyekről kiderült, hogy nincs egyértelmű kapcsolatuk a helyszíni teljesítménnyel. Ezek a következők voltak:

• Fajsúly: Nincs korrelációja a teljesítménnyel
• Víztartalom: Ritkán jelent problémát finomítóban gyártott bitumen esetében
• Hevítési veszteség: Felváltotta a sokkal értelmesebb TFOT/RTFOT vizsgálat
• Fraass-töréspont: Egy empirikus alacsony hőmérsékletű vizsgálat gyenge reprodukálhatósággal; eltávolítása vitatott volt, de indokolt a teljesítményhez kapcsolódó vizsgálatok bevezetésével
• Paraffinviasz-tartalom: Bár a viasztartalom befolyásolja a teljesítményt, a VG rendszer viszkozitás-alapú osztályozása eredendően magában foglalja a viaszhatásokat azok áramlási viselkedésre gyakorolt befolyásán keresztül
• Penetrációs arány: Szükségtelen duplikált paraméter

8. VG kötőanyag és burkolati károsodás

A megfelelő VG fokozat kiválasztása közvetlenül befolyásolja a burkolat ellenállását a három elsődleges károsodási móddal szemben: nyomvályúsodás, fáradási repedés és termikus repedés. A kötőanyag-fokozat és az egyes károsodási módok közötti kapcsolat a következő:

Nyomvályúsodás (maradandó alakváltozás)

A nyomvályúsodás hosszanti mélyedések kialakulása a keréknyomokban, amelyet a maradandó (plasztikus) alakváltozás felhalmozódása okoz egy vagy több burkolati rétegben. Ez az elsődleges magas hőmérsékletű károsodás, és közvetlenül a VG osztályozási rendszer kezeli.

Egy elégtelen viszkozitású 60°C-on (azaz az éghajlathoz képest túl puha fokozatú) kötőanyag terhelés alatt áramlani fog, lehetővé téve az adalékanyag váz elmozdulását. Ez különösen kritikus a repülőtéri burkolatoknál, ahol:

• A repülőgép-abroncsnyomások (150–250 psi) jelentősen magasabbak, mint a teherautó-abroncsnyomások (100–120 psi)
• A lassan mozgó repülőgépek növelik a terhelés időtartamát, lehetővé téve nagyobb kötőanyag-áramlást
• A csatornázott forgalom a terhelést keskeny keréknyomokba koncentrálja

A VG-40 biztosítja a maximális nyomvályúsodási ellenállást a szabványos fokozatok között, és ez a minimálisan ajánlott fokozat a repülőtéri kifutópályákhoz meleg éghajlaton. Szélsőséges körülmények között polimerrel módosított VG-40-et (vagy PG 76-22 megfelelőt) kell előírni.

Fáradási repedés

A fáradási repedés (más néven “aligátorbőr-repedés”) az ismétlődő húzó alakváltozások eredménye a kötött burkolati réteg alján a forgalmi terhelés hatására. Ez az elsődleges közepes hőmérsékletű károsodás.

A kötőanyag viszkozitása és a fáradási ellenállás közötti kapcsolat összetett. Míg a keményebb kötőanyagok javítják a nyomvályúsodási ellenállást, csökkenthetik a fáradási élettartamot, ha a kötőanyag túl rideggé válik. A VG rendszer ezt a minimális penetrációs követelményen keresztül 25°C-on kezeli — még a VG-40 penetrációjának is legalább 40 dmm (0,1 mm) értékűnek kell lennie 25°C-on, biztosítva a minimális rugalmassági szintet a fáradási ellenálláshoz.

Repülőtéri burkolatoknál a kötőanyag-réteg (a felület és az alap közötti réteg) különösen érzékeny a fáradási repedésre, mert itt tapasztalhatók a legnagyobb húzó alakváltozások. Túl kemény kötőanyag kiválasztása (pl. VG-40 egy olyan kötőanyag-rétegben, ahol a VG-30 is elegendő lenne) valójában csökkentheti a fáradási élettartamot.

Termikus repedés

Termikus repedés akkor következik be, amikor az alacsony hőmérsékletek olyan húzófeszültségeket okoznak a burkolat felületén, amelyek meghaladják az anyag húzószilárdságát. Ez az elsődleges alacsony hőmérsékletű károsodás, és ez a VG rendszer gyengesége — nem méri közvetlenül a kötőanyag alacsony hőmérsékletű tulajdonságait.

A penetrációs fokozatú rendszer, amelyből a VG kialakult, szintén nem rendelkezett közvetlen alacsony hőmérsékletű méréssel. A PG rendszer ezt a hajlítógerenda-reométeres (BBR) vizsgálaton keresztül kezeli, amely a kúszási merevséget méri alacsony hőmérsékleten. A hideg éghajlaton használt VG kötőanyagok (VG-10, VG-20) esetében a minimális penetrációs értékek (80–100, illetve 60–80 dmm) némi biztosítékot nyújtanak az alacsony hőmérsékletű rugalmasságra, de ez egy közvetett mérés.

Hideg régiókban lévő repülőtéri burkolatokra a következő ajánlások vonatkoznak:

• Használjon VG-10 vagy VG-20 fokozatot alacsony téli hőmérsékletű éghajlatokhoz
• Fontolja meg a polimermódosítást az alacsony hőmérsékletű rugalmasság javításához
• Kritikus repülőtéri burkolatoknál hideg éghajlaton fontolja meg a PG rendszerű előírásra való áttérést az alacsony hőmérsékletű teljesítmény közvetlen méréséhez
• Írja elő a minimális penetrációs követelményeket, és vegye figyelembe a penetrációs indexet (PI) a hőmérséklet-érzékenység további mérőszámaként

9. VG az indiai és egyéb előírásokban

Indiai szabvány IS 73

A viszkozitási osztályozás indiai bevezetése a legjelentősebb nemzeti átállást jelenti a penetrációs osztályozásról a VG osztályozásra. Az idővonal a következő:

• 1950: Az IS 73 első kiadása penetrációs fokozatú osztályozással (40/50, 60/70, 80/100 stb.)
• 1962: Első felülvizsgálat kibővített penetrációs fokozatokkal és külön táblázatokkal a viaszos és nem viaszos nyersanyagokhoz
• 1992: Második felülvizsgálat teljesítményvizsgálatok bevezetésével (penetrációs arány, paraffinviasz-tartalom, viszkozitás 60°C-on és 135°C-on, megtartott penetráció TFOT után)
• 2006: Harmadik felülvizsgálat — a kritikus változás — az osztályozás penetrációról viszkozitásra változott. Négy VG fokozat került megállapításra: VG-10, VG-20, VG-30, VG-40. Az előírásvizsgálatok száma 14-ről 7-re csökkent.
• 2013: Negyedik felülvizsgálat, amely bevezette:
  • Viszkozitási tartományokat (egyedi minimumértékek helyett)
  • Minimális penetrációs értékeket 25°C-on (tartományok helyett)
  • Éghajlat-alapú fokozatkiválasztási táblázatot a 7 napos átlagos maximum léghőmérséklethez kapcsolva
  • A duktilitásvizsgálat nem kötelezővé tételét

Az IS 73:2013 előírás ma már az irányadó szabvány minden útépítési bitumen számára Indiában. Az Indian Oil Corporation (IOCL) és más nagy finomítók 2009 augusztusában megkezdték a VG-fokozatú bitumen forgalmazását az összes finomítóból. A penetrációs fokozatok (30/40, 40/50, 60/70, 80/100, 100/120) ténylegesen kiváltásra kerültek, bár egyes örökölt projektek továbbra is előírhatnak penetrációs fokozatokat.

Egyéb nemzeti előírások

Dél-afrikai Köztársaság: A VG-hez hasonló rendszert használ, de helyi módosításokkal (SANRAL előírások). A fokozatok közé tartoznak a 40/50, 60/70, 80/100 penetrációs fokozatok a viszkozitás-alapú osztályok mellett.

Ausztrália: Viszkozitás-alapú rendszert használ, ahol a fokozatokat Class 170, Class 320, Class 600, Class 1000 formában fejezik ki (ahol a számok a hozzávetőleges viszkozitást jelentik poise-ban 60°C-on az öregített maradékra).

Európa (EN 12591): Elsősorban penetrációs osztályozást használ, kiegészítő teljesítményjellemző-követelményekkel. Az EN rendszer nem fogadta el a VG osztályozást, de kidolgozta a PG-alapú rendszert (EN 14023 polimerrel módosított kötőanyagokhoz).

Egyesült Államok: A PG rendszer (AASHTO M 320) nagyrészt felváltotta mind a penetrációs, mind a viszkozitási osztályozást új építéseknél. Az ASTM D3381 (Standard előírás viszkozitás szerint osztályozott aszfaltkötőanyaghoz) azonban továbbra is érvényben van, és egyes örökölt előírásokban hivatkoznak rá.

Közel-Kelet: Sok ország (UAE, Szaúd-Arábia, Katar, Kuvait) mind penetrációs fokozatokat (60/70, 40/50) ír elő általános építési célokra, mind PG fokozatokat nagy projektekhez. A VG kevésbé gyakori, de az indiai vállalkozók befolyása miatt egyre inkább elismert.

10. Az ellenőrzés jelentősége

Repülőtéri burkolat-ellenőrök és minőségbiztosítási mérnökök számára a VG kötőanyagok ismerete több okból is kritikus fontosságú:

Kötőanyag-fokozat ellenőrzése

Repülőtéri aszfaltépítés ellenőrzésekor a mérnöknek ellenőriznie kell, hogy a szállított kötőanyag megfelel-e az előírt VG fokozatnak. Ez magában foglalja:

1. Gyári vizsgálati tanúsítványok ellenőrzését: Minden kötőanyag-tételhez csatolni kell a finomító által kiállított tanúsítványt, amely igazolja az IS 73:2013 (vagy alkalmazandó szabvány) szerinti megfelelést az előírt fokozatra.
2. Független mintavételt és vizsgálatot: A projekt helyszínén a szállító tartálykocsiból mintákat kell venni, és akkreditált laboratóriumba kell küldeni ellenőrző vizsgálatra. Az ASTM D2171 abszolút viszkozitás és az ASTM D2170 kinematikai viszkozitás az elsődleges vizsgálatok.
3. Hőmérséklet-figyelést: A kötőanyagot megfelelő hőmérsékleten kell tárolni és kezelni (jellemzően 150–180°C a VG-30 és VG-40 esetében) a korai öregedés vagy lebomlás megelőzése érdekében.

A helytelen fokozat helyszíni jelzései

A burkolatellenőrzés során a következő jelek utalhatnak helytelen VG fokozat kiválasztására vagy kötőanyaggal kapcsolatos problémákra:

• Nyomvályúsodás az új burkolatban (az első 1–2 éven belül): A kötőanyag túl puha lehet (a szükségesnél alacsonyabb VG), vagy a kötőanyag-tartalom túlzott lehet
• Kivérzés / felúsztatás: Túlzott kötőanyag a felületen, ami a kötőanyag éghajlathoz képesti puhaságára vagy túlzott kötőanyag-tartalomra utal
• Lepergés / lehámlás: Adalékanyag-vesztés a felületről, ami gyenge kötőanyag-adalékanyag tapadásra vagy a kötőanyag megfelelő bevonáshoz képesti túlzott keménységére utal
• Idő előtti repedés (termikus vagy fáradási): A kötőanyag éghajlathoz képesti túlzott keménységére utalhat (túl magas VG fokozat)
• Lágy keverék a tömörítés során: Nehézség a célsűrűség elérésében, jelezheti, hogy a 135°C-on mért kinematikai viszkozitás túl alacsony a keverési hőmérséklethez

Vizsgálati gyakoriság

Repülőtéri projekteknél a következő vizsgálati gyakoriság ajánlott:

Kötőanyag hőmérséklet-szabályozása az építés során

A VG kötőanyagoknak meghatározott hőmérsékleti követelményei vannak a keverés, szállítás és tömörítés során:

Ezek a hőmérsékletek biztosítják, hogy a kötőanyag elérje a megfelelő kinematikai viszkozitást az adalékanyagok keverés közbeni bevonásához és a célsűrűség eléréséhez a tömörítés során. A pontos hőmérsékleteket a felhasznált kötőanyag viszkozitás-hőmérséklet összefüggéséből kell meghatározni.

Megfelelőségi dokumentáció

Repülőtéri burkolatok átvételéhez a következő VG kötőanyag-dokumentációt kell vezetni:

1. Finomító elemzési tanúsítványa minden szállítmányhoz
2. Független laboratóriumi vizsgálati eredmények ellenőrző mintákhoz
3. Kötőanyag-szállítási jegyek a betöltéskori hőmérséklettel
4. Keverési és tömörítési hőmérsékleti nyilvántartások az aszfaltüzemtől
5. Magminták kötőanyag-kivonáshoz és -visszanyeréshez (a helyszíni kötőanyag-tulajdonságok ellenőrzéséhez)
6. Bármilyen eltérési jelentés, ha a kötőanyag-fokozat helyettesítése szükségessé vált

A megfelelő dokumentáció biztosítja, hogy a burkolat megfeleljen az előírt VG fokozat követelményeinek, és nyilvántartást biztosít a jövőbeli vizsgálatokhoz, ha burkolati károsodás alakul ki.

Referenciák és további olvasnivaló

• IS 73:2013 — Paving Bitumen — Specification (Fourth Revision), Bureau of Indian Standards
• ASTM D2171 — Standard Test Method for Viscosity of Asphalts by Vacuum Capillary Viscometer
• ASTM D2170 — Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Asphalts
• ASTM D3381 — Standard Specification for Viscosity-Graded Asphalt Binder for Use in Pavement Construction
• AASHTO M 226 — Standard Specification for Viscosity-Graded Asphalt Cement
• FAA AC 150/5370-10 — Standards for Specifying Construction of Airports (Item P-401)
• ICAO Doc 9157 — Aerodrome Design Manual, Part 3 — Pavements
• UFGS 32 12 15.13 — Asphalt Paving for Airfields
• IndianOil Bitumen Specification Sheet — Viscosity Grade Bitumen per IS 73:2013