Čo je asfaltový cement a skúšanie spojiva?

Čo je asfaltový cement?

Asfaltový cement, v severoamerickej praxi tiež označovaný ako asfaltové spojivo alebo v Európe a medzinárodných normách (EN 12591) ako bitúmen, je tmavohnedý až čierny cementačný materiál získaný vákuovou destiláciou surovej ropy počas rafinácie ropy. Je to zložka, ktorá spája častice minerálneho kameniva v asfaltobetóne (horúcej asfaltovej zmesi). Asfaltový cement tvorí približne 4% až 8% hmotnosti typickej asfaltovej zmesi, napriek tomu jeho vlastnosti neúmerne kontrolujú výkonnosť vozovky, odolnosť proti vyjazdeniu koľají, odolnosť proti únavovému porušeniu, odolnosť proti nízkoteplotnému porušeniu, odolnosť proti poškodeniu vlhkosťou a trvanlivosť počas návrhovej životnosti vozovky.

Chemické zloženie asfaltového cementu je mimoriadne zložité. Je to koloidný systém asfalténov (vysokomolekulárne, polárne aromatické uhľovodíky) dispergovaných v spojitej fáze malténov, ktorá je sama o sebe zmesou nasýtených uhľovodíkov (alifatické uhľovodíky), nafténových aromátov, polárnych aromátov (živíc) a heteroatómových zlúčenín obsahujúcich síru, dusík, kyslík a stopové kovy (vanád, nikel, železo). Pomer asfalténov k malténom riadi reologické vlastnosti: vyšší obsah asfalténov vytvára tvrdšie, viskóznejšie spojivá, zatiaľ čo vyšší obsah malténov vytvára mäkšie, tekutejšie spojivá. Pokročilé analytické techniky, ako je frakcionácia SARA (Nasýtené, Aromatické, Živice, Asfaltény) a podrobnejšia subfrakcionačná metóda SAR-AD (Nasýtené, Aromatické, Živice, Asfaltény s Asfalténovým Determinatorom), poskytujú podrobnú chemickú charakterizáciu, ktorá koreluje s fyzikálnym výkonom.

Asfaltový cement sa vyrába starostlivo kontrolovaným rafinačným procesom. Surová ropa sa najprv podrobí atmosférickej destilácii pri približne 350°C, aby sa oddelili ľahšie frakcie (benzín, petrolej, nafta, plynové oleje). Atmosférický zvyšok sa potom privádza do vákuovej destilačnej kolóny pracujúcej pri absolútnom tlaku 10-50 mmHg, kde sa ďalšie plynové oleje odstraňujú vo vákuu pri teplotách do 400°C. Spodný produkt, zvyšok z vákuovej kolóny, je asfaltový cement. Fyzikálne vlastnosti výsledného asfaltového cementu závisia od zdroja surovej ropy (nafténové, parafínové alebo zmiešané ropy produkujú zásadne odlišné asfalty), od hĺbky destilácie (hlbší rez = tvrdší asfalt) a od akéhokoľvek následného spracovania, ako je vzduchové fúkanie (oxidácia na zvýšenie tuhosti) alebo rozpúšťadlová deasfaltácia (použitie propánu alebutánu na vyzrážanie asfalténov pre špeciálne triedy).

Skúšanie spojiva slúži na tri základné účely: klasifikácia, priradenie triedy spojivu (penetračná trieda, viskozitná trieda alebo Performance Grade), ktorá umožňuje inžinierom špecifikovať vhodný materiál, kontrola kvality, overenie, že spojivo dodané na projekt spĺňa požiadavky špecifikovanej triedy, a predpovedanie výkonnosti, použitie reologických a starnutím ovplyvnených výsledkov skúšok na odhad, ako sa bude spojivo správať v špecifických klimatických a dopravných podmienkach vozovky. Vývoj skúšania spojiva od jednoduchých empirických skúšok (penetrácia pri 25°C, bod mäknutia) k pokročilej reologickej charakterizácii (DSR, BBR, MSCR) predstavuje jeden z najvýznamnejších pokrokov v inžinierstve materiálov vozoviek.

Skúška penetrácie, ASTM D5 / AASHTO T 49

Skúška penetrácie je najstaršia štandardizovaná skúška pre asfaltový cement, prvýkrát vyvinutá začiatkom 20. storočia a štandardizovaná ako ASTM D5 a AASHTO T 49. Napriek svojej empirickej povahe zostáva skúška penetrácie v širokom medzinárodnom používaní, najmä v Európe, Ázii, Afrike a Južnej Amerike, kde špecifikácie penetračnej triedy (EN 12591) stále riadia klasifikáciu spojiva pre väčšinu cestných stavieb.

Skúška meria konzistenciu (tvrdosť) asfaltového cementu stanovením hĺbky v desatinách milimetra (0,1 mm alebo dmm), do ktorej štandardná ihla prenikne do vzorky za kontrolovaných podmienok. Štandardné skúšobné podmienky sú: teplota 25,0°C ± 0,1°C, zaťaženie 100,0 g ± 0,1 g (hmotnosť ihly plus aplikované závažie) a čas zaťaženia 5,0 sekúnd ± 0,1 sekundy. Penetračná ihla je vyrobená z tvrdenej nehrdzavejúcej ocele s priemerom 1,00 mm až 1,02 mm a zrezaným kužeľovým hrotom s vrcholovým uhlom 8,7° až 9,7°. Vzorka sa pred skúškou kondicionuje vo vodnom kúpeli pri 25°C najmenej 1 hodinu.

Hodnota penetrácie sa uvádza v jednotkách dmm bez desatinných miest, napríklad penetrácia 65 dmm (6,5 mm) sa uvádza jednoducho ako 65. Výsledok je priemerom najmenej troch stanovení na rovnakej vzorke. Presnosť skúšky penetrácie podľa ASTM D5 je: opakovateľnosť (rovnaký operátor, rovnaké zariadenie), 4% strednej hodnoty, reprodukovateľnosť (rôzni operátori, rôzne laboratóriá), 11% strednej hodnoty.

Skúška penetrácie má kritické obmedzenia. Je to jednobodové empirické meranie pri ľubovoľnej teplote (25°C), ktoré nesúvisí s výkonnosťou vozovky ani pri vysokých prevádzkových teplotách (50°C až 80°C pre vyjazdenie koľají), ani pri nízkych prevádzkových teplotách (-10°C až -40°C pre tepelné porušenie). Dve spojivá s identickou penetráciou pri 25°C môžu mať dramaticky odlišnú teplotnú citlivosť, jedno môže byť pri vysokých teplotách nadmerne mäkké (náchylné na vyjazdenie koľají), zatiaľ čo druhé zostáva primerane tuhé. Skúška penetrácie tiež nezohľadňuje účinky starnutia, modifikáciu polymérom ani rýchlosť zaťažovania, z ktorých všetky sú kritické pre poľnú výkonnosť. Napriek týmto obmedzeniam zostáva klasifikácia penetráciou hlboko zakorenená v medzinárodných špecifikáciách a stále sa používa na zabezpečenie kvality v mnohých krajinách kvôli svojej jednoduchosti, nízkej cene a rozsiahlej historickej databáze.

Index penetrácie (PI) je odvodený parameter, ktorý používa penetráciu pri 25°C a bod mäknutia (krúžok a guľôčka) na odhad teplotnej citlivosti spojiva. PI sa pohybuje od približne -3 (vysoko teplotne citlivý) do +7 (nízka teplotná citlivosť, typické pre vzduchom fúkané alebo polymérom modifikované spojivá). PI medzi -1 a +1 je typický pre konvenčné asfalty na úpravu vozoviek. PI sa vypočíta ako: PI = (1952 - 500 log(Pen_25) - 20 SP) / (50 log(Pen_25) - SP - 120), kde Pen_25 je penetrácia pri 25°C a SP je bod mäknutia v °C.

Bod mäknutia, Krúžok a guľôčka, ASTM D36 / AASHTO T 53

Skúška bodu mäknutia krúžkom a guľôčkou, štandardizovaná ako ASTM D36 a AASHTO T 53, meria teplotu, pri ktorej asfaltový cement dosiahne špecifickú konzistenciu, bod, v ktorom dostatočne zmäkne, aby tiekol pod hmotnosťou štandardnej oceľovej guľôčky. Skúška je termomechanická charakterizácia, ktorá poskytuje informácie o vysokoteplotnom správaní spojiva a jeho teplotnej citlivosti.

Postup skúšky zahŕňa naliatie roztaveného asfaltu do dvoch štandardných mosadzných krúžkov (vnútorný priemer 15,88 mm, výška 6,35 mm, hrúbka steny 2,38 mm) a ich ochladenie. Po zarovnaní prebytočného asfaltu s povrchom krúžku sa na každú vzorku vycentruje štandardná oceľová guľôčka (priemer 9,53 mm, hmotnosť 3,50 g ± 0,05 g). Zostava sa umiestni do kvapalinového kúpeľa, destilovanej vody pre body mäknutia pod 80°C, glycerínu pre body mäknutia nad 80°C, a zahrieva sa kontrolovanou rýchlosťou 5,0°C ± 0,5°C za minútu. Teplota sa zaznamenáva v okamihu, keď sa každá guľôčka, pokrytá mäknúcim asfaltom, dotkne spodnej dosky (25 mm pod východiskovou polohou). Priemer dvoch zaznamenaných teplôt sa uvádza ako bod mäknutia.

Typické hodnoty bodu mäknutia pre asfalty na úpravu vozoviek sa pohybujú od približne 38°C do 55°C (100°F až 131°F) pre konvenčné spojivá a až do 70°C až 90°C pre polymérom modifikované alebo vzduchom fúkané spojivá. Bod mäknutia sa zvyšuje s tuhosťou spojiva, vyššie penetračné triedy (mäkšie spojivá) majú nižšie body mäknutia, zatiaľ čo nižšie penetračné triedy (tvrdšie spojivá) majú vyššie body mäknutia. Pre typické spojivo PG 64-22 (približne 60/70 penetrácia) je bod mäknutia všeobecne medzi 48°C a 55°C.

Bod mäknutia (SP) v kombinácii s penetráciou pri 25°C sa používa na výpočet indexu penetrácie (PI), čo je najpoužívanejšia miera teplotnej citlivosti spojiva. Rovnica PI je uvedená v časti o penetrácii vyššie. PI poskytuje kritický pohľad na to, ako sa tuhosť spojiva mení s teplotou. Spojivá s vysokými hodnotami PI (blížiacimi sa +7) majú ploché krivky tuhosť-teplota, menia tuhosť relatívne málo s teplotou, vďaka čomu sú vhodné pre podnebie so širokým teplotným rozsahom. Spojivá s nízkymi hodnotami PI (blížiacimi sa -3) sú vysoko teplotne citlivé, tuhé pri nízkych teplotách, ale veľmi mäkké pri vysokých teplotách, vďaka čomu sú náchylné na tepelné porušenie aj vyjazdenie koľají.

Skúška bodu mäknutia má zlepšenú presnosť v porovnaní s penetráciou: opakovateľnosť je 1,0°C a reprodukovateľnosť je 2,0°C podľa ASTM D36. Skúška je obzvlášť užitočná na detekciu modifikácie polymérom, SBS (styrén-butadién-styrén) modifikované spojivá typicky vykazujú zvýšené body mäknutia (často ≥ 60°C), ktoré nie sú v súlade s ich penetračnou triedou, čo indikuje prítomnosť elastomérnej siete, ktorá zvyšuje vysokoteplotnú tuhosť bez obetovania nízkoteplotnej flexibility.

Rotačná viskozita, ASTM D4402 / AASHTO T 316

Skúška rotačným viskozimetrom (RV), štandardizovaná ako ASTM D4402 a AASHTO T 316, meria viskozitu asfaltových spojív pri zvýšených teplotách (typicky 135°C, 165°C a 175°C) pomocou viskozimetra Brookfieldovho typu. Skúška hodnotí spracovateľnosť spojiva, jeho schopnosť byť čerpané, prepravované a miešané s kamenivom pri teplotách v miešačke horúcej asfaltovej zmesi.

Skúšobný prístroj pozostáva z termoselu (teplotne kontrolovanej pece), ktorá ohrieva vzorkovú komoru obsahujúcu spojivo, vretena vloženého do spojiva a viskozimetra, ktorý meria krútiaci moment potrebný na otáčanie vretena konštantnou rýchlosťou. Štandardné podmienky pre skúšanie PG spojiva sú 135,0°C ± 0,5°C a 20 ot./min rýchlosť otáčania vretena. Vhodné vreteno sa vyberie tak, aby sa údaj krútiaceho momentu udržal medzi 10% a 100% rozsahu stupnice, typické vretená sú #21 pre mäkšie spojivá a #27 alebo #29 pre tvrdšie spojivá. Vzorka sa pred meraním kondicionuje 30 minút pri skúšobnej teplote.

Viskozita sa vypočíta z údaja krútiaceho momentu pomocou kalibračného faktora špecifického pre vreteno. Limit špecifikácie PG podľa AASHTO M 320 a M 332 je viskozita ≤ 3,0 Pa·s (3000 cP) pri 135°C. Spojivá, ktoré prekročia tento limit, sa nedajú ľahko spracovať pri typických teplotách v miešačke horúcej asfaltovej zmesi a môžu vyžadovať zvýšené teploty miešania a zhutňovania. Teploty miešania a zhutňovania pre asfaltovú zmes sa určujú zo vzťahu viskozita-teplota, typicky teploty, pri ktorých viskozita spojiva spadá do rozsahu 0,17 ± 0,02 Pa·s (pre miešanie) a 0,28 ± 0,03 Pa·s (pre zhutňovanie).

Vzťah viskozita-teplota sa riadi správaním Arrheniovho typu: log(viskozita) je približne lineárny s prevrátenou hodnotou absolútnej teploty (1/T v Kelvinoch). Meraním viskozity najmenej pri dvoch teplotách (typicky 135°C a 165°C alebo 175°C) možno stanoviť kompletnú krivku viskozita-teplota, čo umožňuje určenie rozsahov teplôt miešania a zhutňovania. Pre polymérom modifikované spojivá sa môže vzťah viskozita-teplota odchyľovať od jednoduchého Arrheniovho modelu, tieto spojivá často vykazujú zriedenie šmykom (pseudoplastické) správanie, kde viskozita klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou šmyku, čo si vyžaduje starostlivý výber rýchlosti vretena a geometrie.

Skúška rotačnej viskozity sa tiež používa na hodnotenie skladovacej stability modifikovaných spojív porovnaním viskozity vzoriek odobratých z hornej a spodnej časti skladovacej nádrže po špecifikovanej dobe skladovania. Významný rozdiel medzi hornou a spodnou viskozitou indikuje separáciu polyméru, modifikátor polyméru vyplával na povrch kvôli rozdielom v hustote a nekompatibilite so základným spojivom.

Dynamický strihový reometer, DSR, AASHTO T 315 / ASTM D7175

Dynamický strihový reometer (DSR) je najdôležitejší prístroj v modernom skúšaní asfaltového spojiva. Štandardizovaný ako AASHTO T 315 a ASTM D7175, DSR meria viskoelastické vlastnosti asfaltových spojív pri vysokých a stredných prevádzkových teplotách aplikáciou oscilačného šmykového zaťaženia. DSR je primárny skúšobný prístroj pre špecifikáciu Superpave Performance Grade (PG) spojiva.

DSR funguje tak, že vloží tenkú vzorku asfaltového spojiva medzi dve paralelné dosky. Pre nestarnuté a RTFO-zostarnuté spojivá sa používajú dosky s priemerom 25 mm s medzerou 1,000 mm ± 0,050 mm. Pre PAV-zostarnuté spojivá sa používajú dosky s priemerom 8 mm s medzerou 2,000 mm ± 0,050 mm. Menšie dosky a väčšia medzera pre zostarnuté spojivá prispôsobujú vyššiu tuhosť zostarnutého materiálu. Teplota skúšky je kontrolovaná na ±0,1°C pomocou kvapalinového kúpeľa alebo environmentálnej komory, ktorá obklopuje zostavu vzorky.

DSR aplikuje oscilačné (sínusové) šmykové napätie alebo deformáciu pri frekvencii 10 radiánov za sekundu (približne 1,59 Hz). Táto frekvencia bola vybraná počas programu SHRP, aby predstavovala rýchlosť zaťaženia vozidla pohybujúceho sa rýchlosťou približne 55 mph (90 km/h). Amplitúda aplikovanej deformácie je kontrolovaná tak, aby zostala v lineárnom viskoelastickom rozsahu spojiva, typicky 10% až 12% deformácie pre nestarnuté spojivá a 1% pre PAV-zostarnuté spojivá.

DSR meria dva základné parametre. Komplexný šmykový modul (G)*, vyjadrený v kPa, je celkový odpor spojiva voči deformácii pri opakovanom šmykovom zaťažení. Vyššie G* indikuje tuhšie spojivo. Fázový uhol (δ), vyjadrený v stupňoch, je časové oneskorenie medzi aplikovaným napätím a výslednou deformáciou. Pre dokonale elastický materiál je δ = 0° (napätie a deformácia sú dokonale vo fáze, všetka energia je uložená a vrátená). Pre čisto viskóznu Newtonovskú kvapalinu je δ = 90° (napätie predbieha deformáciu o 90°, všetka energia sa rozptýli ako teplo). Asfaltové spojivá sú viskoelastické, vykazujú správanie medzi týmito extrémami.

DSR poskytuje tri špecifikačné parametre používané na klasifikáciu PG spojiva, z ktorých každý zodpovedá inému mechanizmu poškodenia a veku spojiva:

Parameter vyjazdenia koľají G/sin δ* je mierou odolnosti spojiva voči trvalej deformácii pri vysokých teplotách vozovky. Sin δ v menovateli penalizuje viskózne správanie (vysoké δ) a odmeňuje elastické správanie (nízke δ). Pre rovnaké G* má spojivo s nižším δ (elastickejšie) vyššie G*/sin δ a považuje sa za odolnejšie voči vyjazdeniu koľají. Špecifikácia vyžaduje vyššie G*/sin δ na spojive zostarnutom RTFO (2,20 kPa) v porovnaní s pôvodným spojivom (1,00 kPa), pretože spojivo počas výstavby stuhne a kritické obdobie vyjazdenia koľají nastáva krátko po výstavbe, keď je spojivo ešte v stave krátkodobého starnutia.

Parameter únavy G× sin δ* je mierou odolnosti spojiva voči únavovému porušeniu pri stredných teplotách vozovky (typicky 20°C až 35°C). Sin δ v čitateli odmeňuje viskózne správanie (vysoké δ), pretože viskóznejšie spojivo môže rozptýliť energiu pri opakovanom zaťažení, namiesto toho, aby ju ukladalo a praskalo. Pre rovnaké G* má spojivo s vyšším δ (viskóznejšie) nižšie G*× sin δ a považuje sa za odolnejšie voči únave. Zvyšok po starnutí PAV sa používa, pretože únavové porušenie sa typicky vyvíja po niekoľkých rokoch prevádzky, keď spojivo prešlo podstatným oxidačným starnutím.

Teplota skúšky DSR na určenie triedy PG je vysoká návrhová teplota vozovky pre skúšanie pôvodného/RTFO a stredná teplota vozovky pre skúšanie PAV. Stredná teplota sa vypočíta ako (Vysoká teplota + Nízka teplota)/2 + 4°C, s úpravami podľa AASHTO R 29. Pre spojivo PG 64-22 je stredná teplota približne 25°C.

Reometer na ohyb nosníka, BBR, AASHTO T 313 / ASTM D6648

Skúška reometrom na ohyb nosníka (BBR), štandardizovaná ako AASHTO T 313 a ASTM D6648, hodnotí odolnosť asfaltových spojív voči nízkoteplotnému (tepelnému) porušeniu, jednému z troch primárnych mechanizmov poškodenia asfaltových vozoviek. BBR je nevyhnutný prístroj na určenie nízkoteplotnej triedy PG spojiva.

Skúška používa hranolovú vzorku nosníka z PAV-zostarnutého spojiva s rozmermi 127 mm ± 2 mm dĺžka, 12,70 mm ± 0,05 mm šírka a 6,35 mm ± 0,05 mm výška. Nosník je umiestnený na dvoch podperách vzdialených 102,0 mm ± 1,0 mm od seba a ponorený do teplotne kontrolovaného kvapalinového kúpeľa (typicky etanol) udržiavaného na nízkej návrhovej teplote vozovky plus 10°C, napríklad pri -12°C pre nízkoteplotnú triedu PG XX-22 a pri -18°C pre triedu PG XX-28.

Konštantné zaťaženie tečením 980 mN ± 10 mN (100 gf ± 1 gf) sa aplikuje v strede nosníka a priehyb sa meria ako funkcia času počas 240 sekúnd pomocou lineárneho variabilného diferenčného transformátora (LVDT) s rozlíšením 0,1 µm. Zaťaženie je aplikované pneumatickým systémom a skúška je riadená počítačom. BBR je skúška tečenia, zaťaženie je aplikované a udržiavané konštantné, zatiaľ čo deformácia sa meria v čase, čo poskytuje informácie o okamžitej tuhosti aj časovo závislej (viskoelastickej) odozve.

Dva parametre sú odvodené zo skúšky BBR pri 60 sekundách zaťaženia. Tuhosť v tečení (S(60)) je pomer maximálneho napätia v nosníku k nameranej deformácii pri 60 sekundách, vyjadrená v MPa. Špecifikačný limit podľa AASHTO M 320/M 332 je S ≤ 300 MPa. Tuhosť v tečení predstavuje odolnosť spojiva voči ohybovej deformácii pri skúšobnej teplote, nižšia tuhosť indikuje mäkšie, flexibilnejšie spojivo, ktoré môže lepšie absorbovať tepelnú kontrakciu bez porušenia.

M-hodnota (m(60)) je absolútna hodnota sklonu krivky logaritmu tuhosti v tečení (log S) verzus logaritmu času (log t) pri 60 sekundách. Špecifikačný limit je m-hodnota ≥ 0,300. M-hodnota predstavuje rýchlosť, akou tuhosť spojiva klesá s časom zaťaženia, je to miera schopnosti spojiva uvoľňovať tepelné napätia. Vyššia m-hodnota znamená, že spojivo môže rýchlo uvoľniť napätia, ktoré sa hromadia počas ochladzovania, čím sa znižuje pravdepodobnosť tepelného porušenia. M-hodnota je často kritickejšia ako tuhosť v tečení, pretože spojivo s primeranou tuhosťou (S < 300 MPa), ale nízkou m-hodnotou (< 0,300) bude stále náchylné na tepelné porušenie, pretože nedokáže uvoľniť napätia dostatočne rýchlo.

Skúška BBR sa vykonáva pri T_low + 10°C a nie pri skutočnej minimálnej teplote vozovky z dvoch dôvodov. Po prvé, tepelné porušenie v teréne nastáva nielen pri minimálnej teplote vozovky, ale aj počas procesu ochladzovania, spojivo musí byť schopné uvoľňovať napätia, ktoré sa hromadia počas ochladzovania, a 10°C bezpečnostná rezerva zohľadňuje tento jav. Po druhé, skúška je praktickejšia pri teplejšej teplote, pretože spojivo je menej krehké a výsledky skúšky sú opakovateľnejšie.

Skúška priamym ťahom (DTT) podľa AASHTO T 314 sa vyžaduje ako doplnková skúška, keď je tuhosť v tečení BBR pri 60 sekundách medzi 300 MPa a 600 MPa. DTT meria deformáciu pri porušení vzorky v tvare činky z PAV-zostarnutého spojiva pri nízkej návrhovej teplote vozovky, naťahovanej rýchlosťou 1,00 mm/min. Deformácia pri porušení musí byť ≥ 1,0%. DTT poskytuje priame meranie ťahovej kapacity spojiva, čo je základná materiálová vlastnosť riadiaca odolnosť proti tepelnému porušeniu. Ak tuhosť BBR presiahne 600 MPa, spojivo nevyhovuje bez ohľadu na výsledky DTT.

Obnova po viacnásobnom tečení, MSCR, AASHTO T 350 / ASTM D7405

Skúška obnovy po viacnásobnom tečení (MSCR), štandardizovaná ako AASHTO T 350 a ASTM D7405, je najvýznamnejším pokrokom v hodnotení vyjazdenia koľají asfaltového spojiva od pôvodnej špecifikácie Superpave. Skúška MSCR rieši kritické obmedzenia parametra vyjazdenia koľají DSR G*/sin δ, najmä jeho neschopnosť presne charakterizovať polymérom modifikované spojivá kvôli citlivosti na sterické tvrdnutie, reverzibilné molekulárne stuhnutie, ktoré nastáva počas skladovania pri teplote okolia a nadhodnocuje hodnoty G*/sin δ, čo vedie k nadhodnoteniu odolnosti proti vyjazdeniu koľají.

Skúška MSCR používa rovnaké zariadenie DSR ako štandardná oscilačná skúška, ale so zásadne odlišným protokolom zaťažovania, tečenie a obnova namiesto oscilačného šmyku. Skúška aplikuje konštantné šmykové napätie počas 1 sekundy (fáza tečenia), po ktorej nasleduje 0 napätie počas 9 sekúnd (fáza obnovy). Tento 10-sekundový cyklus sa opakuje 10-krát pri nižšej úrovni napätia 0,1 kPa, potom bezprostredne nasleduje 10 cyklov pri vyššej úrovni napätia 3,2 kPa. Úrovne napätia pri tečení simulujú rôzne podmienky dopravného zaťaženia, 0,1 kPa predstavuje ľahšiu dopravu, zatiaľ čo 3,2 kPa predstavuje vyššie šmykové napätia z ťažkej, pomaly sa pohybujúcej alebo stojacej dopravy.

Primárnym parametrom zo skúšky MSCR je nevratná poddajnosť v tečení (Jnr) . Jnr sa vypočíta ako zvyšková deformácia na konci každej 9-sekundovej periódy obnovy vydelená aplikovaným napätím tečenia. Jnr je vyjadrená v kPa⁻¹ a predstavuje príspevok spojiva k trvalej (nevratnej) deformácii počas každého zaťažovacieho cyklu. Nižšie hodnoty Jnr indikujú lepšiu odolnosť proti vyjazdeniu koľají. Špecifikačná hodnota je Jnr3.2, priemerná nevratná poddajnosť v tečení z 10 cyklov pri napätí 3,2 kPa.

Sekundárnym parametrom je percento obnovy (%R) pri 3,2 kPa, percento celkovej deformácie tečením, ktorá sa obnoví počas 9-sekundovej periódy obnovy. %R indikuje stupeň elastického správania v spojive. Vyššie hodnoty obnovy sú charakteristické pre elastomérnu modifikáciu polymérom (napr. SBS-modifikované spojivá typicky vykazujú %R ≥ 30% pre Jnr = 1,0 kPa⁻¹). %R nie je požiadavkou na vyhovujúce/nevyhovujúce, ale používa sa ako indikátor obsahu a kvality polyméru.

Citlivosť na napätie (Jnr_diff) sa vypočíta ako percentuálny rozdiel medzi Jnr pri 0,1 kPa a Jnr pri 3,2 kPa: Jnr_diff = 100 × (Jnr3.2, Jnr0.1) / Jnr0.1. Špecifikačný limit pre Jnr_diff je ≤ 75% pre všetky dopravné triedy. Spojivá s vysokou citlivosťou na napätie vykazujú významný nárast potenciálu trvalej deformácie pri vyšších úrovniach napätia, čo indikuje slabý výkon pri ťažkej alebo pomaly sa pohybujúcej doprave.

AASHTO M 332 používa limity Jnr3.2 založené na MSCR na definovanie dopravných tried, čím nahrádza prístup zvyšovania triedy z AASHTO M 320:

Skúška MSCR má tri kritické výhody oproti skúške DSR G*/sin δ. Po prvé, meria nevratnú deformáciu priamo namiesto jej odvodzovania z oscilačnej odozvy, Jnr je priamym meraním trvalej deformácie na jednotku napätia, čo je presne to, čo riadi vyjazdenie koľají v teréne. Po druhé, skúška MSCR nie je ovplyvnená sterickým tvrdnutím, zaťažovanie tečením a obnovou narúša reverzibilné molekulárne štruktúry, ktoré spôsobujú sterické tvrdnutie, čím sa vytvárajú výsledky, ktoré predstavujú skutočnú odolnosť spojiva proti vyjazdeniu koľají. Po tretie, skúška MSCR poskytuje informácie o elastickej odozve prostredníctvom %R, čo umožňuje identifikáciu kvality modifikácie polymérom.

Rotačná tenkovrstvová pec, RTFO, AASHTO T 240 / ASTM D2872

Skúška rotačnou tenkovrstvovou pecou (RTFO), štandardizovaná ako AASHTO T 240 a ASTM D2872, simuluje krátkodobé starnutie, ktorému je asfaltové spojivo vystavené počas výroby horúcej asfaltovej zmesi, prepravy a pokládky. Skúška je nevyhnutnou súčasťou systému špecifikácií PG spojiva, pretože vlastnosti spojiva po krátkodobom starnutí (nie pôvodné nestarnuté vlastnosti) riadia výkonnosť počas kritických prvých rokov prevádzkovej životnosti vozovky.

Skúška RTFO používa špeciálne navrhnutú konvekčnú pec, ktorá drží osem valcových sklenených fliaš (vnútorný priemer 64 mm, dĺžka 140 mm) vo vertikálnom karuseli. Každá fľaša obsahuje 35,0 g ± 0,5 g asfaltového spojiva. Pec je predhriata na 163°C ± 1°C. Karusel sa otáča rýchlosťou 15,0 ± 0,2 ot./min a prúd vzduchu dodáva 4000 ml/min filtrovaného stlačeného vzduchu do každej fľaše. Spojivo je týmto podmienkam vystavené presne 85 minút od okamihu, keď sa teplota pece stabilizuje po naplnení.

Otáčanie vytvára tenký film spojiva na vnútornej stene fľaše, hrúbka spojiva je približne 1,25 mm. Tento tenký film maximalizuje plochu povrchu vystavenú horúcemu vzduchu, čím urýchľuje oxidačné starnutie. 85-minútové vystavenie pri 163°C simuluje tepelnú a oxidačnú históriu spojiva počas približne 2 až 4 hodín v miešačke horúcej asfaltovej zmesi, vrátane: zahrievania v skladovacích nádržiach (160-180°C), miešania s prehriatym kamenivom (kamenivo je typicky pri 150-175°C), prepravy v nákladných autách (30-90 minút) a pokládky a zhutňovania (30-60 minút).

Zo skúšky RTFO sa merajú dva parametre. Strata hmotnosti sa vypočíta ako percento hmotnosti spojiva stratenej počas skúšky v dôsledku odparovania prchavých zložiek. Špecifikačný limit podľa AASHTO M 320/M 332 je strata hmotnosti ≤ 1,00% pre väčšinu tried PG. Nadmerná strata hmotnosti (> 1,0%) indikuje, že spojivo obsahuje nadmerné prchavé zložky, ktoré sa počas výroby odparia, čo vedie k tvrdšiemu, krehkejšiemu spojivu, ako bolo zamýšľané. Zvyšok RTFO sa získa a použije na následné skúšanie, skúšku DSR G*/sin δ na vyjazdenie koľají a ako východiskový materiál pre starnutie PAV.

Skúška RTFO má známe obmedzenia. Tenkovrstvová geometria presne nereplikuje starnutie, ku ktorému dochádza v miešačke horúcej asfaltovej zmesi, kde spojivo pokrýva častice kameniva vo filmoch rôznej hrúbky (typicky 6-15 µm, oveľa tenších ako film RTFO). Výskum ukázal, že RTFO môže nedostatočne starnúť spojivá v porovnaní so skutočným starnutím v miešačke pre niektoré kombinácie spojiva a kameniva a nadmerne starnúť pre iné. Skúška v rotačnej tenkovrstvovej peci pri premenlivej teplote (RTFOT-VT) a modifikovaná skúška rotujúcou bankou (RFT) boli navrhnuté ako alternatívy, ale nenahradili štandardnú RTFO v špecifikáciách.

Skúška tenkovrstvovou pecou (TFOT) podľa ASTM D1754 je staršia alternatíva k RTFO, ktorá používa statické misky (bez otáčania) namiesto rotujúcich fliaš. TFOT je stále špecifikovaná v niektorých medzinárodných normách a produkuje všeobecne podobné účinky starnutia, hoci RTFO poskytuje rovnomernejšie a reprodukovateľnejšie starnutie kvôli nepretržitej obnove filmu spojiva otáčaním.

Tlaková nádoba na starnutie, PAV, AASHTO R 28 / ASTM D6521

Skúška tlakovou nádobou na starnutie (PAV), štandardizovaná ako AASHTO R 28 a ASTM D6521, simuluje dlhodobé oxidačné starnutie, ktorému je asfaltové spojivo vystavené počas 5 až 10 rokov prevádzkovej životnosti vozovky. Podmienky skúšky PAV urýchľujú prirodzený oxidačný proces, ku ktorému dochádza, keď kyslík zo vzduchu difunduje do filmov spojiva pokrývajúcich častice kameniva vo vozovke.

Skúška PAV používa zvyšok po starnutí RTFO ako východiskový materiál. Zvyšok RTFO, už kondicionovaný na simuláciu krátkodobého starnutia, sa naleje do nerezových misiek, aby sa dosiahla hrúbka filmu približne 3,2 mm. Misky sa umiestnia do nádoby PAV, čo je utesnená nerezová komora. Nádoba je natlakovaná na 2,07 MPa ± 0,07 MPa (300 psi) stlačeným vzduchom a zahriata na skúšobnú teplotu. Štandardná skúšobná teplota je 100°C ± 0,5°C pre triedy PG s vysokoteplotnými triedami do PG 76. Pre triedy PG 76 a vyššie (typicky polymérom modifikované spojivá) sa teplota zvýši na 110°C ± 0,5°C, aby sa udržalo primerané urýchlenie starnutia. Pre niektoré triedy pre studené podnebie sa môže použiť teplota 90°C. Spojivo sa starne presne 20 hodín ± 10 minút pri špecifikovanej teplote a tlaku.

Vysoký tlak (2,07 MPa = približne 20 atmosfér) dramaticky urýchľuje difúziu kyslíka do filmu spojiva, čím sa za 20 hodín vytvorí starnutie ekvivalentné 5-10 rokom poľného starnutia v miernom podnebí. Teplota 100-110°C je dostatočne vysoká na urýchlenie oxidačných reakcií, ale dostatočne nízka, aby sa zabránilo tepelnej degradácii (praskaniu) molekúl spojiva.

Po 20-hodinovom období starnutia sa nádoba odtlakuje počas 8-10 minút a misky sa vyberú. Zvyšok spojiva po starnutí PAV musí prejsť vákuovým odplynením pri približne 170°C pre štandardné triedy (alebo pri teplote starnutia PAV + 60°C pre iné triedy) vo vákuovej peci pri absolútnom tlaku 15 kPa počas 30 ± 5 minút. Krok odplynenia odstraňuje vzduchové bubliny, ktoré sa zachytia v spojive počas procesu tlakového starnutia. Nedostatočné odplynenie bude mať za následok chybné (umelo nízke) hodnoty tuhosti, pretože zachytené vzduchové bubliny pôsobia ako dutiny, ktoré znižujú efektívny prierez skúšobných vzoriek.

Zvyšok PAV sa používa na dve kritické skúšky špecifikácie PG. DSR skúška únavy (G× sin δ)* pri strednej teplote vozovky hodnotí odolnosť spojiva voči únavovému porušeniu v jeho zostarnutom stave. BBR nízkoteplotná skúška (S a m-hodnota) pri nízkej teplote vozovky plus 10°C hodnotí odolnosť spojiva voči tepelnému porušeniu v jeho zostarnutom stave. Obe skúšky používajú zvyšok PAV, pretože únavové porušenie a tepelné porušenie sa typicky prejavujú po niekoľkých rokoch prevádzky, keď spojivo prešlo podstatným oxidačným starnutím.

Skúška PAV výrazne stuhne spojivo. Pre typické spojivo PG 64-22 sa DSR G* pri strednej teplote (25°C) môže zvýšiť z približne 2 000 kPa (RTFO-zostarnuté) na 4 500-5 500 kPa (PAV-zostarnuté), čo je nárast o viac ako 100%. Tuhosť v tečení BBR pri -12°C sa typicky zvyšuje z približne 150-250 MPa pre RTFO-zostarnuté spojivo na 250-350 MPa pre PAV-zostarnuté spojivo. Nárast hmotnosti počas starnutia PAV je typicky 0,1% až 0,5% v dôsledku príjmu kyslíka.

Vlastnosti spojiva a poškodenie vozovky

Vzťah medzi výsledkami skúšok asfaltového spojiva a poľnými vzormi poškodenia vozovky je základnou znalosťou, ktorá umožňuje inžinierom vybrať vhodné triedy spojiva, diagnostikovať predčasné poruchy a predpovedať zostávajúcu životnosť vozovky. Každý hlavný mechanizmus poškodenia asfaltových vozoviek možno vysledovať k špecifickým vlastnostiam spojiva hodnoteným skúškami opísanými vyššie.

Vyjazdenie koľají (trvalá deformácia), Vyjazdenie koľají je hromadenie trvalej deformácie v stopách kolies pri vysokých teplotách vozovky (typicky > 40°C teplota vozovky). Príspevok spojiva k vyjazdeniu koľají je kontrolovaný jeho tuhosťou a elasticitou pri vysokej prevádzkovej teplote. DSR G/sin δ* na pôvodnom a RTFO-zostarnutom spojive kvantifikuje odolnosť proti vyjazdeniu koľají. Spojivá s G*/sin δ pod limitmi špecifikácie pri vysokej teplote vozovky budú príliš mäkké na to, aby odolali šmykovým napätiam z dopravy, čo bude mať za následok vyjazdenie koľají v stopách kolies. MSCR Jnr3.2 poskytuje ešte priamejšie meranie, každý zaťažovací cyklus vytvára malý prírastok trvalej deformácie a kumulatívny účinok počas miliónov zaťažovacích cyklov vytvára merateľné vyjazdenie koľají. Spojivá s vysokými hodnotami Jnr (mäkké, viskózne spojivá) sú obzvlášť náchylné na vyjazdenie koľají pri pomaly sa pohybujúcom alebo stojacom zaťažení (križovatky, mýtne brány, stúpania).

Únavové porušenie, Únavové porušenie (aligátorové porušenie) nastáva pri stredných teplotách vozovky (typicky 15°C až 35°C) v dôsledku opakovaných ťahových deformácií na spodnej strane asfaltovej vrstvy od dopravného zaťaženia. Spojivo prispieva k odolnosti proti únave prostredníctvom svojej tuhosti a kapacity rozptylu energie. DSR G× sin δ* na PAV-zostarnutom spojive pri strednej teplote kvantifikuje odolnosť proti únave. Spojivá s G*× sin δ presahujúcim 5000 kPa sú v zostarnutom stave príliš tuhé a budú predčasne praskať pri opakovanom zaťažení. Rýchlosť oxidačného starnutia tiež riadi únavovú životnosť, spojivá, ktoré starnú rýchlo (vysoký nárast G* so starnutím PAV), budú skôr skrehnuté, čím sa krivka únavového porušenia posunie na skoršiu fázu životnosti vozovky.

Nízkoteplotné (tepelné) porušenie, Tepelné porušenie nastáva počas chladného počasia, keď sa vozovka zmršťuje a ťahové napätia vyvolané kontrakciou prekročia pevnosť spojiva v ťahu. BBR tuhosť v tečení (S) a m-hodnota na PAV-zostarnutom spojive kvantifikujú odolnosť proti tepelnému porušeniu. Spojivá s S > 300 MPa pri nízkej teplote vozovky plus 10°C sú príliš tuhé, vytvárajú vysoké ťahové napätia počas kontrakcie, ktoré prekročia ich pevnosť v ťahu, čo má za následok priečne trhliny. Spojivá s m-hodnotou < 0,300 nedokážu uvoľniť napätia dostatočne rýchlo počas ochladzovania, aj keď je tuhosť prijateľná. DTT deformácia pri porušení poskytuje dodatočné informácie, spojivá s deformáciou pri porušení < 1,0% pri nízkej teplote vozovky sú príliš krehké a budú praskať pod tepelným napätím. Tepelné porušenie sa typicky pozoruje ako rovnomerne rozmiestnené priečne trhliny (rozostup 5-20 m), často sa objavujúce po prvej alebo druhej zime po výstavbe, najmä ak bola trieda spojiva vybraná bez primeranej nízkoteplotnej rezervy.

Poškodenie vlhkosťou (odlupovanie), Hoci je primárne kontrolované mineralógiou kameniva a protiodlupovacími prísadami, chémia spojiva ovplyvňuje náchylnosť na poškodenie vlhkosťou. Adhézia spojiva a kameniva je ovplyvnená acidobázickou chémiou spojiva, spojivá s vyšším obsahom asfalténov všeobecne vykazujú lepšiu adhéziu ku kremičitému kamenivu. Penn State skúška a skúška varom vo vode (ASTM D3625) hodnotia citlivosť na vlhkosť na rozhraní spojiva a kameniva.

Starnutie a trvanlivosť, Strata hmotnosti RTFO poskytuje pohľad na prchavosť spojiva, spojivá so stratou hmotnosti > 1,0% obsahujú nadmerné ľahké frakcie, ktoré sa počas výroby odparia, čo vedie k predčasnému stuhnutiu a skrehnutiu. Index starnutia PAV (pomer viskozity alebo tuhosti po starnutí PAV k hodnotám po starnutí RTFO) poskytuje mieru náchylnosti spojiva na starnutie. Spojivá s vysokými indexmi starnutia budú v prevádzke stuhnúť a skrehnúť rýchlejšie, čo môže viesť k predčasnému únavovému alebo tepelnému porušeniu.

Nasledujúca tabuľka sumarizuje prepojenie medzi skúškami PG spojiva a poškodením vozovky:

Skúšanie spojiva pre letiskové vozovky, normy FAA a ICAO

Skúšanie spojiva pre letiskové vozovky sa riadi rovnakými základnými princípmi ako skúšanie spojiva pre diaľnice, ale s dôležitými úpravami, ktoré zohľadňujú jedinečné podmienky zaťaženia a prostredia leteckých prevádzok. Federálny letecký úrad (FAA) špecifikuje požiadavky na spojivo prostredníctvom svojej položky P-401 (Rastlinné bitúmenové vozovky) v Advisory Circular 150/5370-10H.

FAA vyžaduje skúšanie PG spojiva podľa ASTM D6373 (Štandardná špecifikácia pre asfaltové spojivo klasifikované podľa výkonnosti) pre všetky projekty letiskových vozoviek. Trieda PG sa vyberá pomocou rovnakej databázy klimatických údajov LTPP Bind ako pri diaľničných projektoch, ale FAA používa 98% úroveň spoľahlivosti pre letiská komerčnej prevádzky (oproti 50% bežne používanej pre diaľnice), čo odráža kritickú povahu letiskových vozoviek z hľadiska bezpečnosti.

Kľúčové rozdiely v skúšaní a špecifikácii spojiva pre letiská zahŕňajú:

Zvyšovanie triedy pre tlaky v pneumatikách lietadiel, Tlaky v pneumatikách lietadiel sa pohybujú od 100 psi (všeobecné letectvo) do viac ako 250 psi (Boeing 777, Airbus A380), v porovnaní s typickými tlakmi v pneumatikách diaľničných nákladných áut 100-120 psi. Vyššie tlaky v pneumatikách vytvárajú väčšie šmykové napätia na povrchu vozovky, čo si vyžaduje vyššie vysokoteplotné triedy PG. FAA odporúča zvýšenie triedy o jednu až dve triedy pre vozovky s ťažkými lietadlami, najmä v horúcom podnebí.

Požiadavky na skúšanie PG Plus, Pre spojivá s teplotným rozpätím 92°C alebo väčším (indikujúcim modifikáciu polymérom) FAA vyžaduje skúšanie PG Plus podľa doplnkových špecifikácií agentúry. To zahŕňa Elastické zotavenie (ASTM D6084) pri 25°C s minimálnym zotavením 60-70% a Separáciu polyméru (ASTM D7173) s maximálnym rozdielom bodu mäknutia 2,5°C až 5,5°C medzi hornou a spodnou časťou vertikálne skladovanej vzorky.

Spojivá odolné voči palivám, Letiskové vozovky v blízkosti miest tankovania sú vystavené únikom prúdového paliva (Jet A, Jet A-1, JP-8). Prúdové palivo je uhľovodíkové rozpúšťadlo, ktoré rozpúšťa konvenčné asfaltové spojivá, čo spôsobuje vydrolovanie a nebezpečenstvo cudzích predmetov (FOD). FAA špecifikuje špeciálne spojivá odolné voči palivám (SFR), chemicky zosieťované, termosetové spojivá, pre tieto kritické oblasti, a tieto spojivá musia prejsť dodatočným skúšaním ponorením do paliva podľa špecifikácií FAA.

Skúška so zaťaženým kolesom, FAA vyžaduje skúšku vyjazdenia koľají so zaťaženým kolesom ako súčasť schválenia návrhu zmesi podľa AASHTO T 340 (Asphalt Pavement Analyzer) pri tlaku hadice 250 psi a 64°C, s maximálnou hĺbkou vyjazdenia koľají 10 mm pri 4 000 prejazdoch.

Normy Medzinárodnej organizácie civilného letectva (ICAO), predovšetkým prostredníctvom Annex 14, Aerodromes a Aerodrome Design Manual (Doc 9157, Part 3), odkazujú na normy ASTM a národné normy pre skúšanie a výber asfaltového spojiva. ICAO vyžaduje, aby materiály letiskových vozoviek boli vybrané tak, aby odolali prevádzkovým podmienkam na letisku, vrátane zaťaženia lietadlami, tlakov v pneumatikách a klimatických podmienok. ICAO nepredpisuje špecifické skúšobné metódy spojiva, ale vyžaduje, aby členské štáty zabezpečili, že spojivá spĺňajú príslušné normy výkonnosti. V praxi väčšina medzinárodných letísk mimo Severnej Ameriky používa spojivá penetračnej triedy podľa EN 12591 s dodatočnými špecifikačnými požiadavkami na modifikáciu polymérom v oblastiach s vysokým zaťažením, zatiaľ čo letiská v Severnej Amerike prevažne používajú spojivá PG podľa ASTM D6373 alebo AASHTO M 332.

Chémia asfaltového cementu a jej vplyv na skúšanie spojiva

Chemické zloženie asfaltového cementu zásadne riadi jeho fyzikálne a reologické vlastnosti, a teda aj jeho výkon v skúškach spojiva. Pochopenie týchto vzťahov umožňuje inžinierom interpretovať výsledky skúšok a diagnostikovať problémy s výkonnosťou na hlbšej úrovni.

Asfaltový cement je komplexný koloidný systém pozostávajúci z asfalténov (vysokomolekulárne, vysoko polárne aromatické uhľovodíky) dispergovaných v spojitej malténovej fáze. Malténová frakcia je sama o sebe zložená z troch subfrakcií. Nasýtené uhľovodíky sú nepolárne alifatické uhľovodíky (20-40% hmotnosti malténovej frakcie), ktoré prispievajú k tekutosti a nízkoteplotným vlastnostiam, ale poskytujú málo tuhosti. Aromáty (nafténové aromáty) sú nízkopolárne cyklické uhľovodíky (40-60%), ktoré pôsobia ako peptizačné činidlo, dispergujúce asfaltény v malténovej fáze. Živice (polárne aromáty) sú vysokopolárne uhľovodíky (15-30%), ktoré pôsobia ako kompatibilizátor medzi asfalténmi a malténovou fázou, stabilizujúc koloidnú štruktúru.

Rovnováha medzi týmito frakciami riadi vlastnosti spojiva. Vysoký obsah asfalténov vytvára tuhé, viskózne spojivá s vysokými hodnotami G*, vysokými bodmi mäknutia a nízkou penetráciou, vhodné pre horúce podnebie a vysokú dopravu. Vysoký obsah malténov (najmä vysoký obsah nasýtených uhľovodíkov) vytvára mäkké, tekuté spojivá s nízkymi hodnotami G*, nízkymi bodmi mäknutia a vysokou penetráciou, vhodné pre studené podnebie, ale náchylné na vyjazdenie koľají v horúcich podmienkach.

Interakcia asfalténov a malténov je kritická pre pochopenie modifikácie polymérom. SBS (styrén-butadién-styrén) polymér absorbuje aromatické a živicové frakcie z malténovej fázy, čím vytvára trojrozmernú elastomérnu sieť, ktorá fyzikálne zosieťuje spojivo. Táto sieť dramaticky zvyšuje elastickú odozvu spojiva (nižšie δ, vyššie %R v MSCR) bez nadmerného zvyšovania tuhosti pri nízkych teplotách. Účinnosť modifikácie polymérom závisí od kompatibility medzi polymérom a chémiou základného spojiva, spojivá s nedostatočným obsahom aromátov nedokážu správne napučať polymér, čo má za následok slabú modifikáciu a potenciálnu separáciu fáz.

Oxidačné starnutie, simulované skúškami RTFO a PAV, primárne ovplyvňuje chemické zloženie spojiva. Počas starnutia polárne aromatické zlúčeniny oxidujú za vzniku ďalších asfalténov prostredníctvom tvorby karbonylových (C=O) a sulfoxidových (S=O) funkčných skupín. Toto obohacovanie asfalténmi zvyšuje G* spojiva (stuhne ho), znižuje fázový uhol (robí ho elastickejším) a nakoniec skrehne spojivo do bodu, keď sa únavové alebo tepelné porušenie stane nevyhnutným. Rýchlosť oxidačného starnutia sa meria karbonylovým indexom z infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (FTIR). Spojivá s vysokou rýchlosťou starnutia (vysoký rast karbonylov za jednotku času) dosiahnu svoj bod skrehnutia v teréne rýchlejšie, čo si vyžaduje buď mäkšiu počiatočnú triedu PG, alebo použitie prísad proti starnutiu.

Vzťah chemického zloženia a fyzikálnych vlastností vysvetľuje, prečo môžu byť dve spojivá s rovnakou penetračnou triedou alebo rovnakou triedou PG v teréne rozdielne. Spojivá z parafínových zdrojov ropy (napr. Arabian Light, West Texas Intermediate) majú inú teplotnú citlivosť ako spojivá z nafténových zdrojov ropy (napr. Venezuelan Boscan, kalifornské pobrežné ropy), aj keď sú klasifikované identicky. Toto je základné obmedzenie všetkých empirických klasifikačných systémov a dôvod, prečo systém PG, ktorý testuje spojivá pri skutočných prevádzkových teplotách relevantných pre projekt, poskytuje lepšie predpovedanie výkonnosti bez ohľadu na chemický pôvod spojiva.

Presnosť a odchýlka skúšok spojiva

Pochopenie presnosti (opakovateľnosti a reprodukovateľnosti) výsledkov skúšok spojiva je nevyhnutné pre rozhodnutia o kontrole kvality a akceptácii. Všetky štandardizované skúšky spojiva zahŕňajú vyhlásenia o presnosti vyvinuté prostredníctvom medzilaboratórnych skúšobných programov.

Opakovateľnosť (d2s), rozdiel medzi dvoma výsledkami skúšok získanými rovnakým operátorom pomocou rovnakého zariadenia, by nemal prekročiť uvedenú hodnotu vo viac ako 5% prípadov. Reprodukovateľnosť (d2s), rozdiel medzi dvoma výsledkami skúšok získanými rôznymi operátormi v rôznych laboratóriách, by nemal prekročiť uvedenú hodnotu vo viac ako 5% prípadov.

Tieto hodnoty presnosti majú dôležité praktické dôsledky. Pre overenie triedy PG spojiva podľa AASHTO R 29 má požiadavka DSR na vyjazdenie koľají G*/sin δ ≥ 2,20 kPa na zvyšku RTFO reprodukovateľnosť 28%. To znamená, že spojivo so skutočnou hodnotou 2,50 kPa by mohlo byť rôznymi laboratóriami vykázané ako nízke 1,80 kPa (nevyhovujúce) alebo vysoké 3,20 kPa (vyhovujúce). Tento rozptyl je dôvodom, prečo overenie triedy PG typicky vyžaduje duplicitné skúšanie a konsenzuálne hodnotenie. Pre hraničné materiály sú nevyhnutné dodatočné opakované skúšky a štatistická analýza, aby sa predišlo nesprávnemu prijatiu alebo odmietnutiu.

Citlivosť na šmyk výsledkov skúšok spojiva tiež ovplyvňuje presnosť. Spojivá, ktoré sú vysoko citlivé na šmyk (viskozita výrazne klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou šmyku), môžu vykazovať rôzne výsledky v závislosti od konkrétneho nastavenia DSR alebo viskozimetra. Polymérom modifikované spojivá sú na tento účinok obzvlášť náchylné, pretože polymérna sieť je pri vysokých rýchlostiach šmyku narušená. Použitie riadeného pretvorenia oproti riadenému napätiu v režimoch skúšania DSR môže produkovať rôzne výsledky pre modifikované spojivá, čo je faktor, ktorý treba zohľadniť pri porovnávaní výsledkov medzi laboratóriami používajúcimi rôzne zariadenia DSR.

Záver: Úloha skúšania spojiva v inžinierstve vozoviek

Skúšanie asfaltového cementu a spojiva poskytuje nevyhnutné prepojenie medzi výberom materiálu a výkonnosťou vozovky. Vývoj od empirických skúšok (penetrácia, bod mäknutia) k reologickej charakterizácii (DSR, BBR, MSCR) a simulácii starnutia (RTFO, PAV) transformoval schopnosť inžinierov vozoviek vyberať spojivá, ktoré budú fungovať v špecifických klimatických a dopravných podmienkach každého projektu.

Pre odborníka na kontrolu vozoviek a hodnotenie stavu pochopenie výsledkov skúšok spojiva umožňuje: správnu diagnostiku pozorovaných vzorov poškodenia, vyjazdenie koľají poukazuje na nedostatočnú vysokoteplotnú triedu alebo zvýšenie triedy pre dopravu, tepelné porušenie poukazuje na nedostatočnú nízkoteplotnú triedu a únavové porušenie poukazuje na nadmernú tuhosť pri stredných teplotách, overenie zhody materiálov, porovnanie výsledkov skúšok dodaného spojiva so špecifikáciami projektu a identifikáciu nezrovnalostí, ktoré vysvetľujú predčasné poruchy, forenzné hodnotenie, skúšanie spojiva získaného z poľných jadier (pomocou Absonovej extrakcie podľa ASTM D1856 alebo extrakcie rotačnou odparkou podľa ASTM D5404) na určenie, či vlastnosti spojiva v mieste zodpovedajú špecifikovanej triede alebo či došlo k nadmernému starnutiu, a plánovanie ochrany vozovky, predpovedanie zostávajúcej životnosti na základe rýchlosti starnutia spojiva a výber vhodných údržbových opatrení.

Špecifikácia PG spojiva, či už AASHTO M 320 (založená na DSR) alebo AASHTO M 332 (založená na MSCR), predstavuje súčasný stav techniky v charakterizácii spojiva. Inžinieri, kontrolóri a materiáloví špecialisti, ktorí rozumejú princípom, postupom a interpretácii skúšok spojiva, sú vybavení na prijímanie informovaných rozhodnutí, ktoré priamo ovplyvňujú výkonnosť vozovky, bezpečnosť a náklady na životný cyklus.