Čo je asfaltové spojivo podľa výkonnostnej triedy (PG)?

Čo je asfaltové spojivo podľa výkonnostnej triedy (PG)?

Asfaltové spojivo podľa výkonnostnej triedy (PG) je klasifikačný systém pre asfaltové cementy vyvinutý v rámci Strategického programu výskumu diaľnic (SHRP) v rokoch 1987 až 1993 ako kľúčová súčasť systému Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements – nadradené výkonné asfaltové vozovky). Systém PG predstavuje zásadný paradigmatický posun od empirických metód triedenia spojiva, penetračnej triedy (AASHTO M 20) a viskozitnej triedy (AASHTO M 226), k špecifikácii založenej na výkonnosti, ktorá klasifikuje spojivá podľa teplotného rozsahu, v ktorom sa od nich očakáva spoľahlivá funkcia v teréne.

Označenie PG spojiva pozostáva z dvoch čísel oddelených pomlčkou, napríklad PG 64-22, PG 70-22 alebo PG 76-28. Prvé číslo označuje triedu vysokej teploty v stupňoch Celzia, priemernú sedemdňovú maximálnu návrhovú teplotu vozovky v hĺbke 20 mm pod povrchom vozovky, ktorú spojivo vydrží bez nadmerného vytvárania vyjazdených koľají. Druhé číslo označuje triedu nízkej teploty v stupňoch Celzia, minimálnu návrhovú teplotu vozovky, ktorú spojivo vydrží bez vzniku teplotného (nízkoteplotného) praskania. Spojivo PG 64-22 je preto vhodné pre lokality, kde vozovka dosahuje v lete 64 °C a v zime -22 °C.

Špecifikácia PG je zdokumentovaná v norme AASHTO M 320 (štandardná špecifikácia pre výkonnostne triedené asfaltové spojivo), čo je pôvodná špecifikácia Superpave, a v norme AASHTO M 332 (štandardná špecifikácia pre výkonnostne triedené asfaltové spojivo s použitím testu viacnásobného tečenia a zotavenia pri zvýšenom napätí [MSCR]), čo je aktualizovaná špecifikácia, ktorá zahŕňa test MSCR pre zlepšenú charakterizáciu odolnosti voči vyjazdeným koľajám. Ekvivalentmi ASTM sú ASTM D6373 (štandardná špecifikácia pre výkonnostne triedené asfaltové spojivo) a ASTM D8239 (štandardná špecifikácia pre výkonnostne triedené asfaltové spojivo s použitím testu viacnásobného tečenia a zotavenia pri zvýšenom napätí [MSCR]).

Systém PG používa spoločnú sadu reologických testov, dynamický strihový reometer (DSR), reometer s ohybovým nosníkom (BBR) a test priamym ťahom (DTT), na meranie vlastností spojiva pri teplotách, ktoré zodpovedajú konkrétnym klimatickým podmienkam danej lokality projektu. Akceptačné limity zostávajú konštantné, ale teplota, pri ktorej sa testy vykonávajú, sa mení v závislosti od požadovanej triedy PG. To je zásadný rozdiel oproti penetračnému a viskozitnému triedeniu, kde je testovacia teplota pevne stanovená (25 °C pre penetráciu, 60 °C pre absolútnu viskozitu) a menia sa akceptačné limity.

Systém PG rozpoznáva tri kritické veky spojiva, ktoré zodpovedajú rôznym fázam životnosti vozovky: pôvodné (nestarnuté) spojivo, predstavuje spojivo dodané do asfaltárne, krátkodobo starnuté spojivo, simulované Rotačnou stenkofilmovou pecou (RTFOT) podľa AASHTO T 240, predstavuje spojivo po miešaní, doprave, pokládke a zhutnení, a dlhodobo starnuté spojivo, simulované Tlakovou nádobou starnutia (PAV) podľa AASHTO R 28, predstavuje spojivo po 5 až 10 rokoch prevádzkového oxidačného starnutia.

Koncepcia systému PG: Triedy vysokej a nízkej teploty

Systém PG je postavený na základnom poznaní, že asfaltové spojivo je viskoelastický materiál, ktorého správanie je riadené teplotou aj rýchlosťou zaťažovania. Pri vysokých teplotách vozovky (typicky > 46 °C) spojivo mäkne a stáva sa viskóznym, čím je vozovka náchylná na vyjazdené koľaje (trvalú deformáciu) pri dopravnom zaťažení. Pri nízkych teplotách vozovky (typicky < 0 °C) spojivo tvrdne a stáva sa krehkým, čím je vozovka náchylná na teplotné praskanie, keď sa vozovka zmršťuje a ťahové napätia presiahnu pevnosť spojiva v ťahu. Pri stredných teplotách (typicky 15 °C až 35 °C) rozhoduje únavová odolnosť spojiva o odolnosti vozovky voči únavovému praskaniu súvisiacemu so zaťažením.

Trieda vysokej teploty

Trieda vysokej teploty je prvé číslo v označení PG a pohybuje sa od PG 46 do PG 82 v krokoch po 6 °C. Trieda vysokej teploty zodpovedá priemernej sedemdňovej maximálnej návrhovej teplote vozovky v hĺbke 20 mm pod povrchom vozovky. Teplota vozovky sa vypočítava z údajov o teplote vzduchu pomocou algoritmov vyvinutých v rámci programu SHRP a začlenených do meteorologickej databázy LTPP Bind.

Dynamický strihový reometer (DSR) podľa AASHTO T 315 je primárnym testovacím prístrojom pre triedu vysokej teploty. DSR meria komplexný modul pružnosti v šmyku (G)* a fázový uhol (δ) spojiva pri frekvencii zaťažovania 10 radiánov za sekundu (približne 1,59 Hz), čo simuluje vozidlo idúce rýchlosťou 55 mph (90 km/h). Komplexný modul pružnosti v šmyku predstavuje celkový odpor spojiva voči deformácii pri šmykovom zaťažení, zatiaľ čo fázový uhol predstavuje časové oneskorenie medzi aplikovaným napätím a výsledným pretvorením, čo indikuje viskoelastickú rovnováhu materiálu. Fázový uhol 0° znamená dokonale elastické správanie (žiadna disipácia energie), zatiaľ čo fázový uhol 90° znamená čisto viskózne správanie (newtonovská kvapalina).

Parameter odolnosti voči vyjazdeným koľajám je G/sin δ*. Na pôvodnom spojive musí byť G*/sin δ ≥ 1,00 kPa pri vysokej teplote vozovky. Na RTFO-starnutom zvyšku musí byť G*/sin δ ≥ 2,20 kPa pri rovnakej vysokej teplote vozovky. Vyššia požiadavka na RTFO-starnuté spojivo zohľadňuje stvrdnutie, ku ktorému dochádza počas výstavby. Vyššia hodnota G*/sin δ znamená tvrdšie spojivo, ktoré je odolnejšie voči vyjazdeným koľajám. Výraz sin δ v menovateli odráža skutočnosť, že elasticita spojiva prispieva k odolnosti voči vyjazdeným koľajám, pri rovnakom G* dáva nižšie δ (elastickejší materiál) vyššiu hodnotu G*/sin δ.

Trieda nízkej teploty

Trieda nízkej teploty je druhé číslo (so znamienkom mínus) v označení PG a pohybuje sa od PG XX-10 do PG XX-46 v krokoch po 6 °C (t. j. -10 °C, -16 °C, -22 °C, -28 °C, -34 °C, -40 °C, -46 °C). Trieda nízkej teploty zodpovedá minimálnej návrhovej teplote vozovky na povrchu vozovky. Ide o najnižšiu teplotu, ktorej bude vozovka pravdepodobne vystavená, vypočítanú z historických údajov o minimálnej teplote vzduchu s úpravami na slnečné žiarenie.

Reometer s ohybovým nosníkom (BBR) podľa AASHTO T 313 je primárnym testovacím prístrojom pre triedu nízkej teploty. BBR meria tuhosť tečenia (S) a hodnotu m nosníka z PAV-starnutého spojiva (125 mm × 12,7 mm × 6,35 mm) vystaveného konštantnému zaťaženiu 100 g v strede počas 240 sekúnd. Test sa vykonáva pri nízkej teplote vozovky plus 10 °C (napr. pre spojivo PG XX-22 sa test BBR vykonáva pri -12 °C).

BBR poskytuje dva kritické parametre. Tuhosť tečenia (S), modul pružnosti v ohybe nosníka spojiva po 60 sekundách zaťaženia, musí byť ≤ 300 MPa. Nižšia tuhosť znamená mäkšie spojivo, ktoré lepšie uvoľňuje tepelné napätia. Hodnota m, absolútna hodnota sklonu krivky logaritmu tuhosti oproti logaritmu času v čase 60 sekúnd, musí byť ≥ 0,300. Vyššia hodnota m znamená, že spojivo dokáže rýchlejšie uvoľňovať napätia vznikajúce počas tepelnej kontrakcie.

Pre spojivá, kde je tuhosť tečenia BBR pri 60 sekundách medzi 300 a 600 MPa, sa vyžaduje dodatočné vyhodnotenie testom priamym ťahom (DTT) podľa AASHTO T 314. DTT meria pomerné pretvorenie pri porušení vzorky PAV-starnutého spojiva pri nízkej teplote vozovky. Pomerné pretvorenie pri porušení musí byť ≥ 1,0 %. DTT poskytuje priamu mieru schopnosti spojiva natiahnuť sa bez prasknutia, čo je základná vlastnosť rozhodujúca o odolnosti voči teplotnému praskaniu.

Stredná teplota, Únavová trieda

Stredná teplota nie je priamo uvedená v označení PG, ale je odvodená z tried vysokej a nízkej teploty. Stredná testovacia teplota pre hodnotenie únavy sa vypočíta ako: (Vysoká teplota + Nízka teplota)/2 + 4 °C, s hornou hranicou (Vysoká - 22) °C a dolnou hranicou (Vysoká - 40) °C v praxi. Pre spojivo PG 64-22 by stredná teplota bola približne 25 °C (vypočítané ako (64 + (-22))/2 + 4 = 25 °C).

Pri strednej teplote sa DSR používa s únavovým parametrom G × sin δ* na PAV-starnutom spojive. Požiadavka je G × sin δ ≤ 5 000 kPa*. Nižšia hodnota G* × sin δ znamená mäkšie, ťažnejšie spojivo, ktoré lepšie odoláva opakovanému zaťaženiu bez únavového praskania. Výraz sin δ v čitateli odráža, že viskóznejší (menej elastický) materiál s vyšším δ je v skutočnosti výhodný pre únavovú odolnosť, umožňuje väčšiu disipáciu energie pred porušením. Toto je opak požiadavky na odolnosť voči vyjazdeným koľajám a ilustruje základný konflikt v návrhu spojiva: vlastnosti, ktoré zlepšujú odolnosť voči vyjazdeným koľajám (vysoká tuhosť, vysoká elasticita), môžu znižovať odolnosť voči únavovému a teplotnému praskaniu.

Teplotné rozpätie

Teplotné rozpätie PG spojiva, rozdiel medzi triedami vysokej a nízkej teploty, udáva teplotný rozsah, v ktorom sa očakáva, že spojivo bude poskytovať primeranú výkonnosť. PG 64-22 má rozpätie 86 °C (64 - (-22) = 86 °C). PG 70-28 má rozpätie 98 °C. PG 76-34 má rozpätie 110 °C. Všeobecne platí, že na dosiahnutie teplotného rozpätia 90 °C alebo viac je potrebná polymérna modifikácia, pretože nemodifikované (čisté) spojivá nedokážu dosiahnuť taký široký výkonnostný rozsah. Štandardná špecifikácia Superpave zahŕňa spojivá až do PG 82-46.

Laboratórne testy PG spojiva

Špecifikácia PG spojiva používa batériu reologických a fyzikálnych testov na charakterizáciu spojiva v rôznych štádiách starnutia a pri teplotách zodpovedajúcich očakávaným prevádzkovým podmienkam. Nasledujúca tabuľka sumarizuje kľúčové testy a ich účely:

Rotačný viskozimeter (RV)

Test rotačným viskozimetrom (RV) podľa AASHTO T 316 sa vykonáva na pôvodnom (nestarnutom) spojive pri 135 °C. Test meria viskozitu spojiva otáčaním vretena v zohriatej vzorke asfaltového spojiva a meraním krútiaceho momentu potrebného na udržanie konštantnej rýchlosti otáčania. RV poskytuje mieru spracovateľnosti spojiva pri typických teplotách výroby horúcej asfaltovej zmesi. Maximálna povolená viskozita je 3 Pa·s (3 000 cP) pri 135 °C. Spojivá s viskozitou presahujúcou tento limit sa nedajú ľahko čerpať, premiestňovať ani miešať s kamenivom pri typických prevádzkových teplotách obaľovacej súpravy. Ak spojivo nespĺňa požiadavku na viskozitu, teplota miešania sa môže zvýšiť (zvyčajne o 5–10 °C), aby sa viskozita znížila na prijateľnú úroveň.

Rotačná stenkofilmová pec (RTFOT)

Rotačná stenkofilmová pec (RTFOT) podľa AASHTO T 240 simuluje krátkodobé starnutie, ku ktorému dochádza počas výroby horúcej asfaltovej zmesi, dopravy a pokládky. Pohybujúci sa film asfaltového spojiva je vystavený teplu (163 °C) a prúdeniu vzduchu v rotujúcej sklenenej fľaši počas 85 minút. RTFOT simuluje oxidáciu, ku ktorej dochádza, keď je spojivo zahrievané a vystavené vzduchu počas relatívne krátkeho obdobia (typicky 2–4 hodiny) medzi výrobou a zhutnením.

Test RTFO produkuje kondicionovaný zvyšok spojiva, ktorý sa používa na následné DSR testovanie odolnosti voči vyjazdeným koľajám a je tiež východiskovým materiálom pre dlhodobé starnutie PAV. Hmotnostná strata počas kondicionovania RTFO musí byť ≤ 1,00 % pre väčšinu tried PG. Nadmerná hmotnostná strata indikuje prítomnosť prchavých zložiek, ktoré sa môžu počas výroby odpariť, čo vedie k tvrdšiemu a krehkejšiemu spojivu, než bolo zamýšľané. Zvyšok spojiva starnutého RTFO slúži aj ako testovacia vzorka pre test MSCR (AASHTO T 350) v špecifikácii M 332.

Tlaková nádoba starnutia (PAV)

Tlaková nádoba starnutia (PAV) podľa AASHTO R 28 simuluje dlhodobé oxidačné starnutie, ku ktorému dochádza počas 5 až 10 rokov životnosti vozovky v prevádzke. Zvyšok spojiva starnutého RTFO sa umiestni do tlakovej nádoby pri 2,07 MPa (300 psi) a 100 °C (alebo 110 °C pre triedy PG 76 a vyššie) na 20 hodín. Vysoký tlak a teplota urýchľujú oxidačný proces a vytvárajú zvyšok, ktorý predstavuje stav spojiva po rokoch vystavenia vzduchu a teplote.

Zvyšok starnutý PAV sa používa na tri kritické testy: DSR únavový test (G* × sin δ pri strednej teplote), BBR test tečenia (S a hodnota m pri nízkej teplote) a DTT test pomerného pretvorenia pri porušení (v prípade potreby). Tieto testy charakterizujú odolnosť spojiva voči dvom mechanizmom porúch, ktoré sú kritické pri starnúcich vozovkách, únavovému praskaniu a teplotnému praskaniu.

Dynamický strihový reometer (DSR)

Dynamický strihový reometer (DSR) podľa AASHTO T 315 je pravdepodobne najdôležitejším prístrojom v súbore testov PG spojiva. DSR je reometer, ktorý aplikuje oscilačné šmykové zaťaženie na tenkú vzorku asfaltového spojiva umiestnenú medzi dvoma paralelnými doskami (priemer 25 mm pre pôvodné/RTFO spojivo, priemer 8 mm pre PAV-starnuté spojivo). Test sa vykonáva pri frekvencii zaťažovania 10 radiánov za sekundu (približne 1,59 Hz), čo simuluje rýchlosť šmykového zaťaženia vozidla idúceho rýchlosťou 55 mph.

DSR meria dva základné parametre. Komplexný modul pružnosti v šmyku (G)* predstavuje celkový odpor spojiva voči deformácii pri opakovanom šmykovom zaťažení, vyjadrený v kPa. Vyššie G* znamená tvrdšie spojivo. Fázový uhol (δ) predstavuje oneskorenie medzi aplikovaným napätím a výsledným pretvorením, vyjadrený v stupňoch. Dokonale elastický materiál má δ = 0° (napätie a pretvorenie sú dokonale vo fáze), zatiaľ čo čisto viskózna newtonovská kvapalina má δ = 90° (napätie predbieha pretvorenie o 90°). Asfaltové spojivá sú viskoelastické, s hodnotami δ typicky v rozsahu od 50° do 85°.

DSR sa používa pre tri rôzne hodnotiace parametre v závislosti od veku spojiva a hodnoteného mechanizmu poruchy. Pre pôvodné (nestarnuté) spojivo a RTFO-starnuté spojivo musí parameter odolnosti voči vyjazdeným koľajám G/sin δ* spĺňať minimálne hodnoty (1,00 kPa a 2,20 kPa) pri vysokej teplote vozovky. Pre PAV-starnuté spojivo musí byť únavový parameter G×sin δ* ≤ 5 000 kPa pri strednej teplote vozovky.

DSR je presný prístroj, ktorý vyžaduje starostlivú kalibráciu a reguláciu teploty. Nastavenie medzery medzi doskami je kritické, typické medzery sú 1,0 mm pre dosky s priemerom 25 mm a 2,0 mm pre dosky s priemerom 8 mm. Vzorka musí byť pri testovacej teplote starostlivo orezaná, aby sa odstránilo prebytočné spojivo, ktoré by vytvorilo vydutie (efekt barrelovania) a spôsobilo chybné výsledky. Test DSR sa vykonáva ako teplotný sken alebo pri jednej teplote v závislosti od toho, či je cieľom overenie triedenia alebo stanovenie triedy PG.

Reometer s ohybovým nosníkom (BBR)

Reometer s ohybovým nosníkom (BBR) podľa AASHTO T 313 je prístroj používaný na hodnotenie odolnosti voči nízkoteplotnému praskaniu PAV-starnutých asfaltových spojív. Test BBR podrobuje hranolový nosník z PAV-starnutého spojiva (127 mm × 12,7 mm × 6,35 mm) konštantnému zaťaženiu tečením 100 g (980 mN) v strede jednoduchého rozpätia 102 mm. Priehyb nosníka sa meria ako funkcia času zaťažovania (0 až 240 sekúnd) pri testovacej teplote, ktorá je o 10 °C vyššia ako návrhová teplota nízkej teploty vozovky.

BBR poskytuje dva parametre po 60 sekundách zaťažovania. Tuhosť tečenia (S) je pomer konštantného napätia k nameranému pretvoreniu v čase 60 sekúnd, vyjadrený v MPa. Tuhosť tečenia musí byť ≤ 300 MPa. Hodnota m je absolútna hodnota sklonu krivky logaritmu tuhosti tečenia oproti logaritmu času v čase 60 sekúnd. Hodnota m musí byť ≥ 0,300.

Test BBR sa vykonáva o 10 °C nad nízkou teplotou vozovky, pretože k teplotnému praskaniu v teréne dochádza nielen pri minimálnej teplote vozovky, ale aj počas procesu ochladzovania, spojivo musí byť schopné uvoľňovať napätia, ktoré sa hromadia počas tepelnej kontrakcie. Bezpečnostná rezerva 10 °C zohľadňuje tento jav. Ak má spojivo S = 350 MPa a m = 0,280 pri -12 °C (pre triedu PG XX-22), nespĺňa požiadavky na nízku teplotu. Inžinier musí buď vybrať mäkšie spojivo (PG XX-28), alebo akceptovať riziko teplotného praskania.

Test priamym ťahom (DTT)

Test priamym ťahom (DTT) podľa AASHTO T 314 je doplnkový nízkoteplotný test vyžadovaný vtedy, keď je tuhosť tečenia BBR medzi 300 a 600 MPa. DTT priamo meria ťahové vlastnosti pri porušení PAV-starnutého spojiva pri návrhovej nízkej teplote vozovky. Vzorka spojiva v tvare činky je naťahovaná konštantnou rýchlosťou 1,0 mm/minútu a zaznamenáva sa napätie aj pretvorenie pri porušení.

Kritickým parametrom je pomerné pretvorenie pri porušení, percentuálne predĺženie v bode lomu. Pomerné pretvorenie pri porušení musí byť ≥ 1,0 % (t. j. vzorka sa musí natiahnuť aspoň o 1 % svojej pôvodnej dĺžky pred prasknutím). DTT poskytuje priamu mieru ťažnosti spojiva pri nízkej teplote, čo je základná materiálová vlastnosť rozhodujúca o odolnosti voči teplotnému praskaniu. Spojivo s pomerným pretvorením pri porušení 1,5 % je odolnejšie voči teplotnému praskaniu ako spojivo s pomerným pretvorením 0,8 %.

Keď je tuhosť tečenia BBR ≤ 300 MPa, spojivo spĺňa požiadavku na nízku teplotu bez testovania DTT. Keď je tuhosť BBR medzi 300 a 600 MPa A súčasne je pomerné pretvorenie DTT ≥ 1,0 %, spojivo tiež spĺňa požiadavku na nízku teplotu. Keď tuhosť BBR presahuje 600 MPa, spojivo nevyhovuje bez ohľadu na výsledky DTT.

Test viacnásobného tečenia a zotavenia pri zvýšenom napätí (MSCR)

Test viacnásobného tečenia a zotavenia pri zvýšenom napätí (MSCR), štandardizovaný ako AASHTO T 350 (štandardná skúšobná metóda pre viacnásobné tečenie a zotavenie asfaltového spojiva pomocou dynamického strihového reometra), je najvýznamnejším pokrokom v špecifikácii PG spojiva od pôvodného programu SHRP. Test MSCR bol vyvinutý na riešenie obmedzení pôvodného parametra odolnosti voči vyjazdeným koľajám DSR G*/sin δ, najmä pre polymérom modifikované spojivá.

Test MSCR používa rovnaké zariadenie dynamického strihového reometra (DSR) ako štandardný test DSR, ale so zásadne odlišným protokolom zaťažovania. Namiesto oscilačného (sínusového) zaťažovania používaného v štandardnom teste DSR, test MSCR aplikuje zaťažovanie tečením, konštantné šmykové napätie sa aplikuje počas 1 sekundy, po ktorom nasleduje 9-sekundové obdobie zotavenia pri nulovom napätí. Tento cyklus tečenie-zotavenie sa opakuje 10-krát pri úrovni napätia 0,1 kPa (predstavuje nižšie úrovne dopravy), po ktorých nasleduje 10 cyklov pri 3,2 kPa (predstavuje vyššie úrovne dopravy a pomaly sa pohybujúce zaťaženie).

Test MSCR meria dva primárne parametre. Nevratná poddajnosť tečenia (Jnr) pri 3,2 kPa je zvyškové pretvorenie po zotavení vydelené aplikovaným napätím. Jnr sa vyjadruje v kPa-1 a predstavuje príspevok spojiva k trvalej deformácii, ide o priamu mieru potenciálu vzniku vyjazdených koľají. Nižšia hodnota Jnr znamená lepšiu odolnosť voči vyjazdeným koľajám. Percento zotavenia (%R) pri 3,2 kPa je percento celkového pretvorenia, ktoré sa zotaví počas 9-sekundového obdobia zotavenia. %R indikuje stupeň elastického správania spojiva, vyššie zotavenie znamená elastickejšiu odozvu, čo je charakteristické pre polymérnu modifikáciu.

Test MSCR má tri kritické výhody oproti testu DSR G*/sin δ. Po prvé, test MSCR meria nevratnú deformáciu priamo, a nie ju odvodzuje z oscilačného testu. G*/sin δ koreluje s odolnosťou voči vyjazdeným koľajám pre nemodifikované spojivá, ale nekoreluje dobre pre modifikované spojivá. Po druhé, test MSCR nie je citlivý na sterické tvrdnutie, reverzibilné molekulárne stvrdnutie, ku ktorému dochádza v niektorých spojivách počas skladovania pri okolitej teplote. Sterické tvrdnutie môže spôsobiť, že test DSR G*/sin δ poskytne falošne vysoké hodnoty, ktoré nadhodnocujú odolnosť voči vyjazdeným koľajám. Po tretie, test MSCR poskytuje informácie o elastickej odozve polymérom modifikovaných spojív prostredníctvom parametra %R, čo pomáha identifikovať typ a kvalitu polymérnej modifikácie.

AASHTO M 332, Špecifikácia PG založená na MSCR

AASHTO M 332 (štandardná špecifikácia pre výkonnostne triedené asfaltové spojivo s použitím testu viacnásobného tečenia a zotavenia pri zvýšenom napätí [MSCR]) je moderná špecifikácia PG, ktorá nahrádza požiadavku na odolnosť voči vyjazdeným koľajám DSR G*/sin δ testom MSCR. AASHTO M 332 zavádza systém označovania úrovne dopravy, ktorý nahrádza prístup zvyšovania triedy podľa AASHTO M 320. Úroveň dopravy sa pripája k označeniu triedy PG ako prípona:

Podľa AASHTO M 332 by spojivo označené ako PG 64-22 H bolo spojivom PG 64-22, ktoré spĺňa požiadavku Jnr ≤ 2,0 kPa-1 pre aplikácie s ťažkou dopravou. Špecifikácia M 332 tiež zahŕňa požiadavky na percento zotavenia, ktoré sa zvyšujú so znižujúcim sa Jnr, čím sa zabezpečuje, že spojivá vystavené vysokému dopravnému zaťaženiu majú primeranú elastickú odozvu.

Test MSCR sa vykonáva na zvyšku spojiva starnutého RTFO pri vysokej teplote vozovky. Citlivosť spojiva na napätie sa tiež hodnotí porovnaním Jnr pri 0,1 kPa a 3,2 kPa. Citlivosť na napätie (% rozdiel) musí byť ≤ 75 % pre triedy S a H a ≤ 75 % pre triedy V a E (niektoré špecifikácie povoľujú až 100 % pre V a E pre spojivá miešané v teréne).

Výber triedy PG podľa klímy a dopravy

Výber triedy PG spojiva pre projekt nasleduje systematický proces, ktorý integruje klimatické údaje, dopravné podmienky a konštrukčné aspekty vozovky. Tento proces je zdokumentovaný v norme AASHTO M 323 (štandardná špecifikácia pre objemový návrh asfaltovej zmesi Superpave) a v štátne špecifických smerniciach, ako je TxDOT Pavement Manual Section 5 a program FHWA LTPP Bind.

Výber triedy na základe klímy

Základná trieda PG sa určuje z klimatických podmienok danej lokality projektu pomocou meteorologickej databázy LTPP Bind (dostupnej prostredníctvom webovej stránky FHWA alebo začlenenej do štátne špecifických nástrojov). Databáza obsahuje záznamy z približne 8 000 meteorologických staníc v Spojených štátoch a Kanade, ktoré poskytujú údaje o minimálnej teplote vzduchu, maximálnej teplote vzduchu a slnečnom žiarení.

Výpočty návrhovej teploty vozovky prevádzajú teploty vzduchu na teploty vozovky pomocou algoritmov vyvinutých počas programu SHRP. Návrhová vysoká teplota vozovky je priemer najvyšších siedmich po sebe nasledujúcich dní maximálnej teploty vozovky v hĺbke 20 mm. To zohľadňuje skutočnosť, že teploty vozovky môžu byť o 20–35 °C vyššie ako teploty vzduchu v dôsledku absorpcie slnečného žiarenia tmavým povrchom vozovky. Návrhová nízka teplota vozovky je minimálna teplota vozovky na povrchu, typicky o 1–3 °C vyššia ako minimálna teplota vzduchu v závislosti od rýchlosti vetra a oblačnosti.

Úroveň spoľahlivosti predstavuje pravdepodobnosť, že teplota vozovky počas ktoréhokoľvek roka neprekročí návrhovú hodnotu. Bežné úrovne spoľahlivosti sú:

• 50 %, štandardné vozovky, umožňujúce štatistické riziko
• 95 %, vyššie zmiernenie rizika pre vozovky s vysokou dopravou
• 98 %, kritické vozovky (diaľnice, letiskové dráhy)

Vyššie úrovne spoľahlivosti vedú ku konzervatívnejším výberom spojiva (vyššia trieda vysokej teploty, nižšia trieda nízkej teploty). Napríklad lokalita v centrálnom Texase by mohla vyžadovať PG 64-22 pri 50 % spoľahlivosti, ale PG 70-22 pri 98 % spoľahlivosti.

Zvyšovanie triedy na základe dopravy

Zvyšovanie triedy je prax zvyšovania hodnotenia vysokej teploty spojiva o jeden alebo viac 6 °C prírastkov na zabezpečenie dodatočnej odolnosti voči vyjazdeným koľajám pre vyššie objemy dopravy, nižšie rýchlosti dopravy alebo stojace zaťaženie. Odporúčania na zvyšovanie triedy sú založené na predpokladanej 20-ročnej návrhovej doprave v miliónoch ekvivalentných zaťažení na nápravu (ESAL) :

Trieda nízkej teploty môže byť tiež znížená o jednu triedu (napr. z -22 na -28), keď je teplotné praskanie známym problémom v danej oblasti, aj keď by samotná klíma nevyžadovala mäkšiu triedu. Táto prax, niekedy nazývaná nízkoteplotná rezerva, zvyšuje flexibilitu spojiva pri nízkych teplotách bez výrazného ovplyvnenia výkonnosti pri vysokých teplotách.

Znižovanie triedy je opačná prax, zníženie triedy vysokej teploty spojiva (a prípadné zvýšenie triedy nízkej teploty) na zmiernenie stvrdzujúcich účinkov recyklovanej asfaltovej vozovky (RAP) a recyklovaných asfaltových šindľov (RAS) . Pri použití vysokého obsahu RAP/RAS (≥ 25 %) pridáva recyklované spojivo v RAP/RAS tuhosť do celkovej zmesi spojív. Použitie mäkšieho pôvodného PG spojiva (napr. PG 58-28 namiesto PG 64-22) kompenzuje toto stvrdnutie a udržiava výkonnostnú triedu celkovej zmesi spojív na cieľovej úrovni.

Štátne špecifický výber PG

Každá štátna diaľničná agentúra implementuje výber PG spojiva odlišne, s úpravami na základe miestnej klímy, stavebných postupov a histórie výkonnosti. Asphalt Institute udržiava databázu špecifikácií asfaltových spojív USA, ktorá dokumentuje konkrétne špecifikácie PG a požiadavky prijaté jednotlivými štátnymi dopravnými oddeleniami.

Napríklad Texas (TxDOT) používa kombináciu výberu na základe klímy podľa programu LTPP Bind a tabuľky TxDOT PG-SPG pre výber triedy. Prax TxDOT, zdokumentovaná v jeho príručke pre vozovky, používa PG 64-22 ako základné spojivo pre väčšinu lokalít pri 95 % úrovni spoľahlivosti. Púštne oblasti v západnom Texase môžu vyžadovať PG 70-32, zatiaľ čo chladnejšie severné oblasti môžu vyžadovať PG 64-28. Pre kamennú asfaltovú zmes (SMA) a priepustný trecí kurs (PFC) vyžaduje TxDOT minimálne spojivo PG 76-XX na zabezpečenie primeranej odolnosti voči vyjazdeným koľajám v týchto otvorených zmesiach. Pre povrchové zmesi s vysokou dopravou (≥ 30 miliónov ESAL) sa bežne používajú spojivá PG 70 alebo PG 76.

Minnesota (MnDOT) implementovala špecifikáciu AASHTO M 332 založenú na MSCR s limitmi Jnr pre rôzne úrovne dopravy. Klíma Minnesoty vyžaduje spojivá ako PG 58-28, PG 58-34, PG 64-28 a PG 64-34 v závislosti od geografickej polohy v rámci štátu. Test MSCR poskytuje MnDOT zvýšenú dôveru v odolnosť polymérom modifikovaných spojív používaných v mestských aplikáciách s vysokou dopravou.

Špecifikácie PG Plus

Špecifikácie PG Plus sú doplnkové testy, ktoré mnohé agentúry pridávajú k základným požiadavkám AASHTO M 320 alebo M 332 na poskytnutie dodatočnej charakterizácie polymérom modifikovaných spojív alebo spojív so širokým teplotným rozpätím. Termín “PG Plus” bol pôvodne vytvorený počas implementácie systému Superpave, keď štátne agentúry zistili, že štandardná špecifikácia PG dostatočne nerozlišuje medzi spojivami modifikovanými rôznymi typmi polymérov ani medzi polymérom modifikovanými a chemicky modifikovanými spojivami.

Testovanie PG Plus sa typicky vyžaduje pre spojivá s teplotným rozpätím 92 °C alebo viac (napr. PG 76-22 má rozpätie 98 °C, PG 70-28 má rozpätie 98 °C, PG 82-22 má rozpätie 104 °C). Tieto spojivá sú takmer vždy polymérne modifikované na dosiahnutie širokého výkonnostného rozsahu.

Test elastického zotavenia

Test elastického zotavenia podľa AASHTO T 301 alebo ASTM D 6084 meria percento zotavenia vzorky RTFO-starnutého spojiva po jej natiahnutí v duktilometri. Vzorka sa odťahuje rýchlosťou 50 mm/min pri 25 °C, kým nedosiahne stanovené predĺženie (typicky 200 mm alebo 100 mm v závislosti od normy). Vzorka sa potom prereže v strede a zotavenie oboch polovíc sa meria po 30 alebo 60 minútach.

Elastické zotavenie sa vypočíta ako: (Pôvodná dĺžka, Zotavená dĺžka) / (Natiahnutá dĺžka, Pôvodná dĺžka) × 100 %. Väčšina agentúr vyžaduje minimálne elastické zotavenie 60–70 % pre modifikované spojivá. Test elastického zotavenia poskytuje indikáciu elastomérnej povahy polymérnej modifikácie, spojivá modifikované SBS (styrén-butadién-styrén) typicky vykazujú vysoké elastické zotavenie (≥ 70 %), zatiaľ čo iné modifikátory (napr. polyolefíny, gumový granulát, chemické modifikátory) môžu vykazovať nižšie zotavenie, aj keď poskytujú primeranú poľnú výkonnosť.

Test vynútenej ťažnosti

Test vynútenej ťažnosti podľa ASTM D 113 alebo AASHTO T 300 meria silu potrebnú na natiahnutie vzorky PAV-starnutého spojiva pri 4 °C a rýchlosti 50 mm/min. Počas testu ťažnosti sa sila kontinuálne meria a zaznamenáva, čím vzniká krivka sila-predĺženie. Kľúčové parametre zahŕňajú silu pri vrcholovej ťažnosti a vykonanú prácu (plocha pod krivkou sila-predĺženie).

Test vynútenej ťažnosti je užitočný najmä na identifikáciu SBS polymérnej modifikácie. Spojivá modifikované SBS vykazujú charakteristickú krivku sila-predĺženie s počiatočnou vrcholovou silou, po ktorej nasleduje plató a potom konečný vrchol pred porušením. Toto správanie je odlišné od nemodifikovaných spojív, ktoré vykazujú relatívne plochú krivku sila-predĺženie. Niektoré štátne špecifikácie vyžadujú minimálnu silu pri konkrétnom predĺžení (napr. 50 N pri predĺžení 200 mm) ako akceptačné kritérium pre modifikované spojivá.

Separácia polyméru (skladovacia stabilita)

Test separácie polyméru podľa ASTM D 7173 alebo AASHTO T 317 hodnotí skladovaciu stabilitu polymérom modifikovaných spojív. Test zahŕňa umiestnenie vzorky modifikovaného spojiva do vertikálnej trubice (priemer 25 mm × výška 140 mm) a jej uskladnenie pri 163 °C (alebo 180 °C pre určité modifikované spojivá) počas 48 hodín. Po ochladení sa trubica rozreže na tri časti a meria sa bod mäknutia (AASHTO T 53) hornej a spodnej časti.

Rozdiel v bode mäknutia medzi hornou a spodnou časťou nesmie presiahnuť 2,5 °C až 5,5 °C v závislosti od špecifikácie. Veľký rozdiel indikuje, že polymér sa počas skladovania oddelil (vyplával na povrch), to je znak zlej kompatibility medzi základným spojivom a polymérnym modifikátorom, čo môže viesť k nerovnomernej poľnej výkonnosti. Skladovaco-stabilné modifikované spojivá si zachovávajú jednotné vlastnosti v celom skladovacom tanku.

PG spojivá pre letiskové vozovky

Letiskové vozovky kladú na asfaltové spojivá jedinečné nároky, ktoré sa výrazne líšia od diaľničných aplikácií. Tlaky v pneumatikách lietadiel sa pohybujú od 100 psi (všeobecné letectvo) až po viac ako 250 psi (veľké komerčné lietadlá ako Boeing 777 a Airbus A380) v porovnaní s typickými tlakmi v pneumatikách diaľničných nákladných vozidiel 100–120 psi. Zaťaženie lietadiel je tiež oveľa vyššie, plne naložený Airbus A380 môže vyvinúť zaťaženie na jedno koleso viac ako 25 000 kg v porovnaní so štandardným zaťažením nápravy diaľničného nákladného vozidla 8 200 kg. Kanálové dopravné vzory na dráhach a rolovacích dráhach koncentrujú zaťaženie v úzkych zónach, čo zvyšuje potenciál vzniku vyjazdených koľají.

Federálny úrad pre letectvo (FAA) rieši výber asfaltového spojiva pre letiskové vozovky prostredníctvom svojho Oběžníka 150/5370-10H, Normy pre špecifikáciu výstavby letísk, konkrétne položky P-401 (obaľované bitúmenové vozovky). Prístup FAA k výberu PG spojiva pre letiskové vozovky zahŕňa:

Výber základnej triedy, Základná trieda PG sa určuje z klímy danej lokality projektu pomocou meteorologickej databázy LTPP Bind, v súlade s diaľničnou praxou. FAA používa 98 % úroveň spoľahlivosti pre komerčné letiská a 95 % pre letiská všeobecného letectva, čo odráža kritický význam bezpečnosti letiskových vozoviek.

Zvyšovanie triedy pre dopravu, Smernice FAA pre zvyšovanie triedy pre letiskové vozovky sa líšia od diaľničnej praxe, pretože zaťaženie lietadiel je zásadne odlišné od zaťaženia nákladnými vozidlami. FAA zohľadňuje návrhové lietadlo (kritické lietadlo, ktoré určuje hrúbku vozovky) a ročné odlety (počet vzletových operácií za rok). Pre vozovky s ťažkými lietadlami (≥ 30 000 ročných odletov lietadiel s hmotnosťou > 60 000 kg) sa môže odporučiť zvýšenie triedy o jednu až dve triedy, najmä v horúcich klimatických podmienkach.

Palivovzdorné spojivá, Letiskové vozovky sú vystavené rozliatiu prúdového paliva (Jet A, Jet A-1, JP-8) počas tankovacích operácií. Prúdové palivo je uhľovodíkové rozpúšťadlo, ktoré môže rozpúšťať konvenčné asfaltové spojivá, čo spôsobuje povrchové odlupovanie, rozpad a nebezpečenstvo z cudzích predmetov (FOD). Pre aplikácie vyžadujúce odolnosť voči palivu (typicky v okruhu 2–4 metrov od hydrantových šácht a tankovacích pozícií) FAA špecifikuje špeciálne palivovzdorné (SFR) spojivá, ktoré sú chemicky zosieťované, aby odolávali rozpúšťaniu palivom. Tieto spojivá sú typicky vysokovýkonné polymérom modifikované spojivá alebo reaktoplastické spojivá, ktoré spĺňajú rovnaké požiadavky PG ako konvenčné spojivá, ale poskytujú dodatočnú odolnosť voči ponoreniu do paliva.

Výkonnostné testovanie, FAA vyžaduje testovanie so zaťaženým kolesom pre schválenie návrhu letiskovej vozovkovej zmesi. Analyzátor asfaltových vozoviek (APA) podľa AASHTO T 340 je predvolená metóda s testovaním pri tlaku hadice 250 psi a teplote 64 °C počas 4 000 prejazdov s maximálnou povolenou hĺbkou vyjazdenej koľaje 10 mm. Pre spojivá, kde je trieda vysokej teploty ≥ 76 °C, sa môžu použiť alternatívne testovacie teploty. Teplota testu APA môže byť tiež upravená podľa vysokej teplotnej triedy PG spojiva, napríklad spojivo PG 76-22 sa môže testovať pri 76 °C namiesto 64 °C.

Letecký technický bulletin FAA č. 83A poskytuje dodatočné usmernenie k používaniu výkonnostného triedenia asfaltového spojiva pre letiskové vozovky. Bulletin odporúča, aby inžinieri používali špecifikáciu AASHTO M 332 založenú na MSCR pre letiskové vozovky s príslušnými limitmi Jnr pre úrovne leteckej dopravy. Bulletin tiež poskytuje usmernenie k testovaniu PG Plus pre modifikované spojivá, spojivá s teplotným rozpätím 92 °C alebo viac vyžadujú testovanie elastického zotavenia.

PG vs. penetračná trieda vs. viskozitná trieda

Penetračná trieda (AASHTO M 20) klasifikuje spojivá na základe penetračného testu (AASHTO T 49), ktorý meria hĺbku (v jednotkách 1/10 mm), do ktorej štandardná ihla prenikne do vzorky spojiva pri 25 °C pod zaťažením 100 g počas 5 sekúnd. Bežné triedy zahŕňajú 40/50, 60/70, 80/100 a 120/150. Penetračný test je empirické meranie, ktoré priamo nesúvisí so žiadnou základnou inžinierskou vlastnosťou spojiva. Neposkytuje žiadne informácie o správaní spojiva pri vysokých teplotách vozovky (odolnosť voči vyjazdeným koľajám) ani pri nízkych teplotách vozovky (odolnosť voči teplotnému praskaniu).

Viskozitná trieda (trieda AC) (AASHTO M 226) klasifikuje spojivá na základe testu absolútnej viskozity pri 60 °C (AASHTO T 201) a testu kinematickej viskozity pri 135 °C (AASHTO T 201). Bežné triedy zahŕňajú AC-5, AC-10, AC-20, AC-30 a AC-40. Číslo AC predstavuje absolútnu viskozitu v stovkách poise (napr. AC-20 = 2000 poise = 200 Pa·s pri 60 °C). Systém viskozitnej triedy zlepšil penetračné triedenie tým, že meria tuhosť spojiva pri teplote bližšej maximálnej teplote vozovky, ale stále nezohľadňoval výkonnosť pri nízkej teplote, únavovú odolnosť ani dlhodobé starnutie.

AR viskozitná trieda (AASHTO M 226) je variant systému viskozitnej triedy, kde sa spojivo testuje po starnutí v Rotačnej stenkofilmovej peci (RTFO) . Triedy AR (napr. AR-4000, AR-8000) klasifikujú spojivá na základe ich viskozity pri 60 °C po simulovanom krátkodobom starnutí. Zatiaľ čo AR triedenie zohľadňuje účinky starnutia pri vysokej teplote, stále nerieši výkonnosť pri nízkej teplote ani únavovú výkonnosť.

Nasledujúca tabuľka poskytuje porovnanie troch systémov triedenia:

Kľúčovým obmedzením penetračných a viskozitných systémov je, že spojivá z rôznych zdrojov ropy môžu mať rovnakú penetračnú alebo viskozitnú triedu pri testovacej teplote, ale správať sa veľmi odlišne pri iných teplotách. Napríklad dve spojivá obe klasifikované ako 60/70 penetrácia môžu mať dramaticky odlišnú odolnosť voči vyjazdeným koľajám pri 70 °C alebo odlišnú odolnosť voči teplotnému praskaniu pri -20 °C. Systém PG túto nejednoznačnosť odstraňuje špecifikovaním výkonnosti pri teplotách relevantných pre danú lokalitu projektu.