Asfaltové spojivá triedené podľa viskozity (VG-10, VG-20, VG-30, VG-40)

Asfaltové spojivá triedené podľa viskozity (VG) predstavujú racionálny, na výkonnosť orientovaný prístup ku klasifikácii cestného bitumenu na základe jeho odporu proti tečeniu pri kritických prevádzkových a konštrukčných teplotách. Na rozdiel od tradičného penetračného systému triedenia, ktorý meria tvrdosť spojiva pri jednej teplote (25 °C), systém VG hodnotí konzistenciu spojiva pri 60 °C — teplote približujúcej sa maximálnej teplote povrchu vozovky počas leta — a pri 135 °C — typickej teplote miešania a zhutňovania horúcej asfaltovej zmesi. Táto dvojteplotná charakteristika poskytuje inžinierom výrazne presnejšiu predpoveď správania spojiva v teréne.

Systém VG stanovuje štyri štandardné triedy: VG-10, VG-20, VG-30 a VG-40, pričom vzostupné čísla zodpovedajú zvyšujúcej sa tuhosti. Spojivo VG-40 má minimálnu absolútnu viskozitu 3200 poise pri 60 °C, čo je približne štyrikrát tuhšie ako spojivo VG-10 pri rovnakej teplote. Táto hierarchia tuhosti priamo koreluje s odolnosťou spojiva proti vyjazdeniu koľají (trvalej deformácii) pri zaťažení — čo je najkritickejší typ poruchy asfaltových vozoviek v horúcich klimatických podmienkach a pri ťažkej doprave.

Systém VG bol formálne prijatý Indickým úradom pre normalizáciu (BIS) v norme IS 73:2006 (tretia revízia), čím nahradil systém penetračného triedenia používaný v Indii od roku 1950. Štvrtá revízia (IS 73:2013) ďalej spresnila špecifikáciu zavedením rozsahov viskozity pre každú triedu, stanovením minimálnych hodnôt penetrácie pri 25 °C a — čo je najdôležitejšie — poskytnutím tabuľky výberu triedy na základe podnebia viazanej na 7-dňové priemerné maximum teploty vzduchu. Tým sa systém VG stal nielen klasifikačnou schémou, ale kompletnou metodikou výberu spojiva pre cestných inžinierov.

1. Koncept viskozitného triedenia

Koncept viskozitného triedenia vznikol z poznania, že penetračná skúška — ktorá meria, ako hlboko štandardná ihla prenikne do vzorky bitumenu pri 25 °C pri zaťažení 100 gramov počas piatich sekúnd — poskytuje obmedzené informácie o výkonnosti spojiva pri extrémnych teplotách, ktorým sú vozovky v skutočnosti vystavené. Začiatkom 60. rokov 20. storočia vyvinula Americká asociácia štátnych diaľničných úradníkov (AASHTO) vylepšený systém triedenia založený na testovaní viskozity, ktorý bol publikovaný ako AASHTO M 226 a ASTM D 3381. Tento systém predstavoval zásadný posun od empirickej klasifikácie k vedeckému meraniu.

Viskozita je definovaná ako pomer medzi aplikovaným šmykovým napätím a rýchlosťou šmyku — v podstate miera odporu tekutiny proti tečeniu. V Medzinárodnom systéme jednotiek (SI) sa viskozita vyjadruje v pascal-sekundách (Pa·s), ale tradičnou jednotkou pre asfaltové spojivá je poise (P), kde 1 poise sa rovná 1 dyn·s/cm² alebo 0,1 Pa·s. Systém VG používa poise pre absolútnu viskozitu pri 60 °C a centistoke (cSt) pre kinematickú viskozitu pri 135 °C.

Systém VG funguje na základnom princípe: správanie bitumenu pri tečení pri prevádzkovej teplote vozovky (60 °C) je najspoľahlivejším prediktorom odolnosti proti vyjazdeniu koľají. Spojivá, ktoré menej tečú pri 60 °C, sa budú menej deformovať pri dopravnom zaťažení. Súčasne kinematická viskozita pri 135 °C zaisťuje, že spojivo je počas miešania a zhutňovania dostatočne tekuté na správne obalenie kameniva a dosiahnutie primeranej hustoty vozovky. Tento dvojteplotný prístup je kľúčovou výhodou systému VG oproti jednoteplotnému penetračnému triedeniu.

V rámci viskozitného triedenia existujú dva subsystémy: AC triedenie (asfaltové cementy, testované na pôvodnom dodanom spojive) a AR triedenie (starnutý zvyšok, testovaný po podrobení spojiva skúške na rotačnej tenkovrstvovej peci simulujúcej starnutie pri horúcom miešaní). Systém AC používa triedy AC-2,5 až AC-40, kde číslo predstavuje cieľovú viskozitu v stovkách poise pri 60 °C. Systém AR používa AR-1000 až AR-16000, pričom číslo predstavuje viskozitu v poise po starnutí. Systém VG používaný v norme IS 73 a medzinárodnej praxi je zosúladený s konceptom AC — testovanie na pôvodných vzorkách spojiva.

2. Stanovenie: Absolútna viskozita pri 60 °C a kinematická viskozita pri 135 °C

Dve primárne merania viskozity definujú klasifikáciu VG spojiva: absolútna (dynamická) viskozita pri 60 °C a kinematická viskozita pri 135 °C. Tieto merania zachytávajú správanie spojiva pri dvoch teplotných extrémoch relevantných pre výkonnosť vozovky a výstavbu.

Absolútna viskozita pri 60 °C (ASTM D2171 / AASHTO T202 / IS 1206 Časť 2)

Absolútna viskozita pri 60 °C je primárny klasifikačný parameter pre VG spojivá. Stanovuje sa pomocou vákuového kapilárneho viskozimetra — presného borosilikátového skleneného prístroja, ktorý meria čas potrebný na pretečenie fixného objemu tekutého bitumenu cez kapiláru za kontrolovaných vákuových a teplotných podmienok.

Skúšobný postup podľa ASTM D2171-94 (Štandardná skúšobná metóda pre viskozitu asfaltov vákuovým kapilárnym viskozimetrom) zahŕňa nasledujúce kroky:

1. Vzorka bitumenu sa zahreje na 135 °C ± 5,5 °C na zabezpečenie tekutosti, jemne sa premieša, aby sa zabránilo lokálnemu prehriatiu, a ak sa predpokladá prítomnosť pevných látok, prefiltruje sa cez sito č. 50 (300 µm).
2. Viskozimeter sa predhreje na skúšobnú teplotu 60 °C ± 0,03 °C v presne regulovanom kúpeli.
3. Aplikuje sa vákuum 300 mm Hg na pretiahnutie bitumenu cez kapiláru.
4. Čas prietoku medzi dvoma vyrytými značkami sa meria stopkami s presnosťou na 0,1 sekundy.
5. Viskozita v poise sa vypočíta vynásobením času prietoku v sekundách kalibračným faktorom viskozimetra.

Schválené sú tri typy vákuových kapilárnych viskozimetrov: Cannon-Manning vákuový viskozimeter (CMVV), Asphalt Institute vákuový viskozimeter (AIVV) a modifikovaný Koppers vákuový viskozimeter (MKVV). Každý z nich má špecifické rozmerové charakteristiky, ktoré určujú jeho rozsah viskozity. CMVV je najčastejšie používaný typ s vymeniteľnými kapilárami pokrývajúcimi rôzne rozsahy viskozity.

Kinematická viskozita pri 60 °C typického spojiva VG-40 je približne 3200 – 4800 poise. Skúšobná metóda je použiteľná pre materiály s viskozitou od 0,036 do viac ako 200 000 poise, čo pokrýva všetky praktické triedy spojív.

Kinematická viskozita pri 135 °C (ASTM D2170 / AASHTO T201 / IS 1206 Časť 3)

Kinematická viskozita pri 135 °C sa meria pomocou kapilárneho viskozimetra typu Cannon-Fenske alebo Ubbelohde, ponoreného v teplotne regulovanom kúpeli pri 135 °C ± 0,1 °C. Postup je podobný ako pri skúške absolútnej viskozity, ale namiesto vákua využíva gravitačné tečenie:

1. Vzorka bitumenu sa zahreje na 135 °C a naleje sa do viskozimetra.
2. Viskozimeter sa umiestni do kúpeľa s teplotou 135 °C a nechá sa tepelne vyrovnať.
3. Bitumen sa natiahne nad hornú časovú značku a uvoľní sa.
4. Zaznamená sa čas, za ktorý meniskus prejde medzi dvoma kalibrovanými značkami.
5. Kinematická viskozita (v centistokoch, cSt) sa vypočíta ako čas prietoku × kalibračná konštanta.

Kinematická viskozita pri 135 °C slúži ako kontrola spracovateľnosti — zaisťuje, že spojivo bude počas výroby horúcej asfaltovej zmesi dostatočne tekuté na správne obalenie kameniva. Minimálne požiadavky na kinematickú viskozitu sa zvyšujú s triedou: 250 cSt pre VG-10, 300 cSt pre VG-20, 350 cSt pre VG-30 a 400 cSt pre VG-40. Tieto minimálne hodnoty pomáhajú predchádzať mäkkým zmesiam (zmesiam, ktoré sú počas výstavby nadmerne náchylné na deformáciu) a zabezpečujú dostatočnú hrúbku filmu na kamenive.

Tabuľka špecifikácií VG (podľa IS 73:2013)

3. Výber triedy VG podľa podnebia a dopravy

Výber vhodnej triedy VG je funkciou dvoch primárnych faktorov: podnebia (konkrétne teploty vozovky) a dopravného zaťaženia. Norma IS 73:2013 poskytuje explicitné usmernenie pre výber triedy na základe 7-dňového priemerného maxima teploty vzduchu pre danú lokalitu, vypočítaného z minimálne päťročných historických údajov.

Výber na základe podnebia (podľa IS 73:2013)

Teplotné hranice v tejto tabuľke sú založené na korelácii medzi teplotou vzduchu a skutočnou teplotou vozovky. Povrchové teploty vozovky na priamom slnku môžu byť o 20 – 25 °C vyššie ako teplota okolitého vzduchu, čo znamená, že lokalita s maximálnou teplotou vzduchu 45 °C môže zažiť teploty vozovky blížiace sa 70 °C — čo je výrazne nad teplotou viskozitnej skúšky 60 °C. Systém VG to zohľadňuje prostredníctvom svojich konzervatívnych minimálnych požiadaviek na viskozitu.

Pokiaľ ide o dopravné zaťaženie, všeobecnou zásadou je, že ťažšia doprava a pomalšie sa pohybujúce zaťaženia vyžadujú tuhšie spojivá. Je to obzvlášť dôležité pre letiskové vozovky, kde zaťaženie lietadiel (500 000+ lbs na hlavnom podvozku) a nízke rýchlosti rolovania vytvárajú náročné podmienky z hľadiska vyjazdenia koľají. Pri výbere triedy by sa mal zohľadniť aj objem dopravy (ekvivalentné jednoosové zaťaženia), rýchlosť dopravy (statická vs. vysoká rýchlosť) a to, či je vozovka vystavená smerovanej doprave (napr. osi dráh, trasy rolovacích dráh).

Ďalšie úvahy zahŕňajú:

• Nadmorská výška: Vysokohorské lokality (> 1500 m) so studenými nočnými teplotami môžu vyžadovať o jednu triedu mäkšie spojivo napriek vysokým denným teplotám z dôvodu rizika tepelného praskania.
• Zrážky: Oblasti s vysokými zrážkami môžu profitovať z tuhších spojív na zníženie poškodenia vodou a obnažovania kameniva.
• Špeciálne vozovky: Križovatky, kruhové objazdy, autobusové zastávky a letiskové odstavné plochy by mali používať o jednu triedu tuhšie spojivo, ako je odporúčanie na základe podnebia, kvôli pomalým/statickým podmienkam zaťaženia.

4. VG-40 pre letiskové dráhy

VG-40 je najtvrdšia trieda v systéme viskozitného triedenia a je preferovaným spojivom pre letiskové dráhové vozovky v horúcich klimatických podmienkach a pre vozovky vystavené ťažkému zaťaženiu lietadiel. Jej minimálna absolútna viskozita 3200 poise pri 60 °C a minimálna kinematická viskozita 400 cSt pri 135 °C poskytujú výnimočnú odolnosť proti trvalej deformácii pri extrémnych podmienkach zaťaženia charakteristických pre letiskové prevádzky.

Prečo VG-40 pre letiská?

Zaťaženie lietadiel sa zásadne líši od zaťaženia cestnou dopravou v niekoľkých kritických aspektoch:

1. Zaťaženie kolies: Pneumatika hlavného podvozku Boeingu 777 môže niesť viac ako 30 000 kg (66 000 lbs), čo vytvára tlak v pneumatikách presahujúci 200 psi (1,38 MPa). To je približne 2 – 3-krát viac ako typický tlak pneumatík cestných nákladných vozidiel.
2. Nízke rýchlosti: Lietadlá rolujú rýchlosťou 20 – 50 km/h (12 – 31 mph) a počas vzletu lietadlo akceleruje relatívne pomaly cez nižšie rýchlosti. To zvyšuje trvanie zaťaženia vozovky, čo generuje väčší viskózny tok v spojive.
3. Smerovaná doprava: Lietadlá sledujú rovnakú dráhu (os dráhy) s vysokou presnosťou, čo koncentruje zaťaženie v úzkych zónach kolies.
4. Vysoké teploty: Povrchy dráh na priamom slnku môžu v tropických klimatických podmienkach dosiahnuť 60 – 70 °C, čo vytvára ideálne podmienky pre vyjazdenie koľají, ak je spojivo príliš mäkké.

Špecifikácia FAA P-401 (Štandardná špecifikácia pre asfaltové vozovky letísk) a Unified Facilities Guide Specifications (UFGS) 32 12 15.13 odkazujú na spojivá triedené podľa viskozity pre letiskovú výstavbu. FAA povoľuje použitie spojív triedených podľa funkčných vlastností (PG) aj podľa viskozity (VG), pričom približný ekvivalentný vzťah je:

• VG-40 ≈ PG 76-22 alebo PG 82-10 (v závislosti od typu modifikátora a základného spojiva)

Príručka ICAO pre projektovanie letísk (Doc 9157, Časť 3 – Vozovky) poskytuje usmernenie pre výber spojiva pre letiskové vozovky a odporúča, aby bola trieda spojiva vybraná na základe referenčnej teploty letiska — 7-dňového priemerného maxima teploty vozovky v hĺbke 20 mm pod povrchom. Pre letiská v regiónoch s referenčnými teplotami nad 45 °C (ako Blízky východ, južná Ázia, časti juhovýchodnej Ázie a južné Spojené štáty) sa odporúča spojivo ekvivalentné VG-40 alebo vyššie.

Polymérom modifikované VG-40

Pre kritické letiskové aplikácie je VG-40 často modifikovaná polymérmi (čím vzniká PMB 40 alebo ekvivalentné triedy) na ďalšie zlepšenie výkonnosti. Polymérová modifikácia zlepšuje:

• Elastickú regeneráciu: Schopnosť spojiva “odraziť sa” po deformácii, čím sa znižuje trvalé vyjazdenie koľají
• Odolnosť proti únave: Zlepšená odolnosť proti praskaniu pri opakovanom zaťažení
• Odolnosť proti palivám: Zvýšená odolnosť proti pôsobeniu leteckého paliva a hydraulických kvapalín
• Odolnosť proti tepelnému praskaniu: Nižšia tuhosť pri nízkych teplotách, čo znižuje riziko praskania v chladnom počasí

Program technológií asfaltových vozoviek letísk (AAPTP) a Národné centrum pre asfaltové technológie (NCAT) na Auburn University vyvinuli Online nástroj pre výber asfaltového spojiva pre letiská, ktorý pomáha inžinierom vybrať vhodnú triedu spojiva na základe polohy letiska, dopravného zaťaženia a konštrukcie vozovky. Tento nástroj potvrdzuje, že VG-40 (alebo jej PG ekvivalent) je minimálna odporúčaná trieda pre hlavné dráhy na letiskách v horúcich klimatických podmienkach.

5. VG vs. penetračné triedenie

Systém penetračného triedenia (ASTM D946 / IS 73:1950 / EN 12591) klasifikuje bitumen na základe hĺbky, do ktorej štandardná ihla prenikne do vzorky za špecifikovaných podmienok (25 °C, 100 g, 5 sekúnd). Triedy ako 30/40, 40/50, 60/70, 80/100 a 100/120 predstavujú hodnoty penetrácie v desatinách milimetra. Tento systém bol celosvetovým štandardom viac ako storočie a naďalej sa používa v mnohých krajinách vrátane Iránu, SAE, Saudskej Arábie, Ománu, Kene, Tanzánie a Indonézie.

Kľúčové rozdiely

Dôvody pre výmenu

Základnou slabinou penetračného triedenia je, že penetrácia pri 25 °C nespoľahlivo koreluje s vysokoteplotnou odolnosťou proti vyjazdeniu koľají. Dve spojivá s identickými hodnotami penetrácie (napr. obe 60/70) môžu mať výrazne odlišné viskozity pri 60 °C v závislosti od zdroja ropy a spôsobu rafinácie. To znamená, že spojivo triedy 60/70 z voskovej ropy sa môže v horúcom počasí vážne vyjazdiť, zatiaľ čo spojivo 60/70 z nafténovej ropy vykazuje dobrú odolnosť — napriek tomu by boli obe klasifikované ako rovnaká trieda.

Systém VG túto nejednoznačnosť odstraňuje priamym meraním viskozity pri teplote, ktorá je pre vyjazdenie koľají najdôležitejšia. V systéme VG budú mať akékoľvek dve vzorky rovnakej triedy VG podobnú odolnosť proti vyjazdeniu koľají v horúcom počasí — čo nie je možné tvrdiť o penetračných triedach.

Ekvivalentné triedy

6. VG vs. triedenie podľa funkčných vlastností (PG)

Systém triedenia podľa funkčných vlastností (PG) — vyvinutý v rámci Strategického programu výskumu diaľnic (SHRP) koncom 80. a začiatkom 90. rokov 20. storočia a formalizovaný v normách AASHTO M 320 a ASTM D6373 — predstavuje najpokročilejšiu metodiku klasifikácie spojív. PG spojivá sa označujú dvoma číslami (napr. PG 64-22), kde prvé číslo je vysokoteplotná trieda (maximálna teplota vozovky v °C, ktorú spojivo znesie) a druhé je nízkoteplotná trieda (minimálna teplota vozovky v °C, ktorú spojivo znesie, so znamienkom mínus).

Zásadné rozdiely

Kedy použiť ktorý systém

Systém VG zostáva vhodný pre:

• Krajiny a regióny, kde je norma IS 73 platnou špecifikáciou (India, Nepál, Bangladéš, Srí Lanka)
• Projekty, kde testovacia infraštruktúra pre DSR a BBR nie je k dispozícii
• Aplikácie, kde je preferovaná jednoduchšia špecifikácia s menším počtom testov
• Ako kontrola kvality počas výroby (VG testy sú rýchlejšie a lacnejšie)

Systém PG je lepší pre:

• Projekty vyžadujúce výber spojiva špecifický pre podnebie (systém PG dokáže rozlíšiť medzi PG 64-22 a PG 70-22, zatiaľ čo VG obe zaradí do VG-30 alebo VG-40)
• Vysokovýkonné vozovky (letiská, koridory s ťažkým zaťažením), kde PG testovanie poskytuje komplexnejšiu charakteristiku
• Projekty v studených klimatických podmienkach, kde je primárnym problémom nízko-teplotné praskanie (systém PG priamo meria tuhosť BBR, zatiaľ čo VG nie)
• Medzinárodné letiskové projekty, kde špecifikácie FAA alebo ICAO odkazujú na PG spojivá (FAA P-401 povoľuje PG 76-22 alebo PG 82-28 pre letiskové aplikácie)

Praktická ekvivalencia

Pre inžinierske účely možno použiť nasledujúce približné ekvivalencie:

Tieto ekvivalencie sú približné a závisia od zdroja ropy a toho, či je spojivo modifikované. Pre kritické aplikácie by sa malo vykonať priame PG testovanie.

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

Testovací režim pre VG spojivá je špecifikovaný v normách ASTM aj IS. Primárne testy sú:

Absolútna viskozita pri 60 °C — ASTM D2171 / IS 1206 (Časť 2)

Toto je definujúci test pre klasifikáciu VG. Metóda vákuového kapilárneho viskozimetra vyžaduje starostlivú kontrolu:

• Teploty: ±0,03 °C pri 60 °C
• Vákua: 300 mm Hg ± 0,5 mm
• Časovania: Presnosť na 0,1 sekundy
• Prípravy vzorky: Zahriatie na 135 °C ± 5,5 °C s miešaním na zabránenie lokálnemu prehriatiu

Kalibračný faktor viskozimetra sa určuje pomocou štandardných referenčných kvapalín pre viskozitu. Pre ne-newtonské spojivá (ako sú polymérom modifikované spojivá) je potrebné zvážiť účinky rýchlosti šmyku — rôzne veľkosti kapilár viskozimetra alebo úrovne vákua môžu priniesť odlišné výsledky.

Kinematická viskozita pri 135 °C — ASTM D2170 / IS 1206 (Časť 3)

Skúška kinematickej viskozity používa iný typ kapilárneho viskozimetra (typicky Cannon-Fenske alebo Ubbelohde) pracujúceho s gravitačným prietokom pri 135 °C. Skúška meria čas, za ktorý fixný objem bitumenu pretečie kapilárou vlastnou hydrostatickou výškou. Kinematická viskozita v centistokoch sa vypočíta ako súčin času prietoku a kalibračnej konštanty viskozimetra.

Táto skúška slúži ako indikátor teploty miešania a zhutňovania. Minimálne hodnoty kinematickej viskozity v špecifikácii zaisťujú, že spojivo bude mať pri 135 °C dostatočnú tekutosť na obalenie kameniva počas výroby HMA. Spojivá s kinematickou viskozitou pod minimom môžu produkovať mäkké zmesi, ktoré sa ťažko zhutňujú a sú náchylné na deformáciu počas výstavby.

Ďalšie testy

1. Penetrácia pri 25 °C (IS 1203 / ASTM D5): Zachovaná ako doplnková skúška na zabezpečenie minimálnej mäkkosti spojiva pre odolnosť proti únavovému praskaniu pri priemernej prevádzkovej teplote.
2. Bod mäknutia (krúžok a guľôčka) (IS 1205 / ASTM D36): Meria teplotu, pri ktorej bitumen mäkne pri štandardnom zaťažení, čo poskytuje dodatočný ukazovateľ vysokoteplotnej výkonnosti.
3. Bod vzplanutia (Cleveland otvorený téglik) (IS 1448 P:69 / ASTM D92): Bezpečnostná požiadavka na zabezpečenie toho, že spojivo sa počas zahrievania nevznieti.
4. Rozpustnosť v trichlóretyléne (IS 1216 / ASTM D2042): Zaisťuje, že spojivo je bez anorganických nečistôt.
5. Skúška v tenkej filmovej peci (TFOT) alebo rotačnej tenkovrstvovej peci (RTFOT) (ASTM D1754 / D2872): Simuluje starnutie, ku ktorému dochádza počas výroby HMA. Testy na starnutom zvyšku zahŕňajú:
   • Viskozitný pomer (pomer viskozity po starnutí k pôvodnej viskozite, maximálne 4,0): Kontroluje nadmerné tvrdnutie počas výstavby.
   • Ťažnosť pri 25 °C (minimálne 75 cm pre VG-10, klesajúca na 25 cm pre VG-40): Zaisťuje primeranú rozťažnosť spojiva pre odolnosť proti únave po starnutí.

Prečo sedem testov namiesto štrnástich?

Revízia IS 73:2006 odstránila niekoľko testov z predchádzajúcej špecifikácie penetračného triedenia, u ktorých sa zistilo, že nemajú jasný vzťah s výkonnosťou v teréne. Išlo o:

• Špecifickú hmotnosť: Nemá koreláciu s výkonnosťou
• Obsah vody: Zriedkavo problém pri rafinérsky vyrobenom bitumene
• Strata zahrievaním: Nahradená zmysluplnejšími testami TFOT/RTFOT
• Fraassov bod lomu: Empirická nízkoteplotná skúška so slabou reprodukovateľnosťou; jej odstránenie bolo kontroverzné, ale odôvodnené zavedením testovania súvisiaceho s výkonnosťou
• Obsah parafínového vosku: Hoci obsah vosku ovplyvňuje výkonnosť, klasifikácia systému VG založená na viskozite inherentne zachytáva účinky vosku prostredníctvom ich vplyvu na správanie pri tečení
• Penetračný pomer: Zbytočný duplicitný parameter

8. VG spojivo a poruchy vozovky

Výber správnej triedy VG priamo ovplyvňuje odolnosť vozovky proti trom primárnym typom porúch: vyjazdeniu koľají, únavovému praskaniu a tepelnému praskaniu. Vzťah medzi viskozitnou triedou a každým typom poruchy je nasledovný:

Vyjazdenie koľají (trvalá deformácia)

Vyjazdenie koľají je tvorba pozdĺžnych depresií v stopách kolies spôsobená akumuláciou trvalej (plastickej) deformácie v jednej alebo viacerých vrstvách vozovky. Je to primárna vysokoteplotná porucha a systém klasifikácie VG sa ňou priamo zaoberá.

Spojivo s nedostatočnou viskozitou pri 60 °C (t. j. trieda príliš mäkká pre dané podnebie) bude pod zaťažením tiecť, čo umožní premiestnenie kamennej kostry. Je to obzvlášť kritické pri letiskových vozovkách, kde:

• Tlaky v pneumatikách lietadiel (150 – 250 psi) sú výrazne vyššie ako tlaky v pneumatikách nákladných vozidiel (100 – 120 psi)
• Pomaly sa pohybujúce lietadlá zvyšujú trvanie zaťaženia, čo umožňuje väčší tok spojiva
• Smerovaná doprava koncentruje zaťaženie v úzkych stopách kolies

VG-40 poskytuje maximálnu odolnosť proti vyjazdeniu koľají medzi štandardnými triedami a je minimálnou odporúčanou triedou pre letiskové dráhy v horúcich klimatických podmienkach. Pre extrémne podmienky by sa mala špecifikovať polymérom modifikovaná VG-40 (alebo ekvivalent PG 76-22).

Únavové praskanie

Únavové praskanie (tiež nazývané “krokodília koža”) je výsledkom opakovaných ťahových deformácií na spodnej strane súdržnej vrstvy vozovky pri dopravnom zaťažení. Je to primárna strednoteplotná porucha.

Vzťah medzi viskozitou spojiva a odolnosťou proti únave je zložitý. Zatiaľ čo tuhšie spojivá zlepšujú odolnosť proti vyjazdeniu koľají, môžu znížiť únavovú životnosť, ak je spojivo príliš krehké. Systém VG to rieši minimálnou požiadavkou na penetráciu pri 25 °C — aj VG-40 musí mať penetráciu najmenej 40 dmm (0,1 mm) pri 25 °C, čo zaisťuje minimálnu úroveň flexibility pre odolnosť proti únave.

Pri letiskových vozovkách je spojovacia vrstva (vrstva medzi povrchom a podkladom) obzvlášť náchylná na únavové praskanie, pretože je vystavená najvyšším ťahovým deformáciám. Výber príliš tuhého spojiva (napr. VG-40 v spojovacej vrstve, kde by postačovala VG-30) môže v skutočnosti znížiť únavovú životnosť.

Tepelné praskanie

Tepelné praskanie nastáva, keď nízke teploty spôsobia ťahové napätia v povrchu vozovky, ktoré presahujú pevnosť materiálu v ťahu. Je to primárna nízkoteplotná porucha a je slabinou systému VG — priamo nemeria nízkoteplotné vlastnosti spojiva.

Systém penetračného triedenia, z ktorého sa VG vyvinul, tiež postrádal priame nízkoteplotné meranie. Systém PG to rieši pomocou skúšky reometrom ohybom nosníka (BBR), ktorá meria tuhosť v dotvarovaní pri nízkych teplotách. Pre VG spojivá používané v studenom podnebí (VG-10, VG-20) poskytujú minimálne hodnoty penetrácie (80 – 100 a 60 – 80 dmm) určitú záruku nízkoteplotnej flexibility, ide však o nepriame meranie.

Pre letiskové vozovky v studených regiónoch platia nasledujúce odporúčania:

• Používať VG-10 alebo VG-20 pre podnebie s nízkymi zimnými teplotami
• Zvážiť polymérovú modifikáciu na zlepšenie nízkoteplotnej flexibility
• Pre kritické letiskové vozovky v studenom podnebí zvážiť prechod na špecifikáciu systému PG na priame meranie nízkoteplotnej výkonnosti
• Špecifikovať minimálne požiadavky na penetráciu a zvážiť index penetrácie (PI) ako dodatočné meradlo teplotnej citlivosti

9. VG v indických a iných špecifikáciách

Indická norma IS 73

Prijatie viskozitného triedenia v Indii predstavuje najvýznamnejší národný prechod z penetračného na VG triedenie. Časový harmonogram je nasledovný:

• 1950: IS 73 prvýkrát publikovaná s klasifikáciou penetračného triedenia (40/50, 60/70, 80/100 atď.)
• 1962: Prvá revízia s rozšírenými penetračnými triedami a samostatnými tabuľkami pre voskové a nevoskové ropy
• 1992: Druhá revízia zavádzajúca výkonnostné testy (penetračný pomer, obsah parafínového vosku, viskozita pri 60 °C a 135 °C, zachovaná penetrácia po TFOT)
• 2006: Tretia revízia — kľúčová zmena — triedenie sa zmenilo z penetračného na viskozitné. Stanovené štyri triedy VG: VG-10, VG-20, VG-30, VG-40. Počet špecifikačných testov znížený zo 14 na 7.
• 2013: Štvrtá revízia zavádzajúca:
  • Rozsahy viskozity (namiesto jednotlivých minimálnych hodnôt)
  • Minimálne hodnoty penetrácie pri 25 °C (namiesto rozsahov)
  • Tabuľku výberu triedy na základe podnebia viazanú na 7-dňové priemerné maximum teploty vzduchu
  • Skúška ťažnosti sa stala nepovinnou

Špecifikácia IS 73:2013 je teraz platnou normou pre všetky cestné bitumeny v Indii. Indian Oil Corporation (IOCL) a ďalšie veľké rafinérie začali uvádzať na trh VG-bitumen zo všetkých rafinérií v auguste 2009. Penetračné triedy (30/40, 40/50, 60/70, 80/100, 100/120) boli fakticky nahradené, hoci niektoré staršie projekty môžu naďalej špecifikovať penetračné triedy.

Iné národné špecifikácie

Južná Afrika: Používa systém podobný VG, ale s miestnymi modifikáciami (špecifikácie SANRAL). Triedy zahŕňajú penetračné triedy 40/50, 60/70, 80/100 popri triedach založených na viskozite.

Austrália: Používa systém založený na viskozite s triedami vyjadrenými ako Class 170, Class 320, Class 600, Class 1000 (kde čísla predstavujú približnú viskozitu v poise pri 60 °C pre starnutý zvyšok).

Európa (EN 12591): Používa primárne penetračné triedenie s doplnkovými požiadavkami na výkonnostné charakteristiky. Systém EN neprijal klasifikáciu VG, ale vyvinul systém založený na PG (EN 14023 pre polymérom modifikované spojivá).

Spojené štáty: Systém PG (AASHTO M 320) do veľkej miery nahradil penetračné aj viskozitné triedenie pri nových stavbách. Avšak ASTM D3381 (Štandardná špecifikácia pre asfaltové spojivo triedené podľa viskozity) zostáva v platnosti a je uvádzaná v niektorých starších špecifikáciách.

Blízky východ: Mnohé krajiny (SAE, Saudská Arábia, Katar, Kuvajt) špecifikujú penetračné triedy (60/70, 40/50) pre bežnú výstavbu a PG triedy pre veľké projekty. VG je menej bežná, ale vplyvom indických dodávateľov je čoraz viac uznávaná.

10. Význam pre inšpekciu

Pre inšpektorov letiskových vozoviek a inžinierov zabezpečenia kvality je pochopenie VG spojív kritické z niekoľkých dôvodov:

Overenie triedy spojiva

Pri inšpekcii výstavby letiskovej asfaltovej vozovky musí inžinier overiť, že dodané spojivo zodpovedá špecifikovanej triede VG. To zahŕňa:

1. Kontrola certifikátov z rafinérie: Každá dávka spojiva by mala byť sprevádzaná certifikátom z rafinérie preukazujúcim súlad s IS 73:2013 (alebo príslušnou normou) pre špecifikovanú triedu.
2. Nezávislé odoberanie vzoriek a testovanie: Vzorky by sa mali odobrať z cisterny na stavbe a odoslať do akreditovaného laboratória na overovacie testovanie. Absolútna viskozita podľa ASTM D2171 a kinematická viskozita podľa ASTM D2170 sú primárne testy.
3. Monitorovanie teploty: Spojivo sa musí skladovať a manipulovať s ním pri vhodných teplotách (typicky 150 – 180 °C pre VG-30 a VG-40), aby sa zabránilo predčasnému starnutiu alebo degradácii.

Terénne indikátory nesprávnej triedy

Počas inšpekcie vozovky môžu nasledujúce znaky naznačovať nesprávny výber triedy VG alebo problémy súvisiace so spojivom:

• Vyjazdenie koľají v novej vozovke (v prvých 1 – 2 rokoch): Spojivo môže byť príliš mäkké (nižšia VG, než je potrebná) alebo obsah spojiva môže byť nadmerný
• Krvácania / vytláčanie: Prebytočné spojivo vystupujúce na povrch, čo naznačuje spojivo príliš mäkké pre podnebie alebo nadmerný obsah spojiva
• Obnažovanie / odlupovanie: Strata kameniva z povrchu, čo naznačuje slabú priľnavosť spojiva ku kamenivu alebo spojivo príliš tvrdé na správne obalenie
• Predčasné praskanie (tepelná alebo únavová únava): Môže naznačovať spojivo príliš tvrdé pre podnebie (príliš vysoká trieda VG)
• Mäkká zmes počas zhutňovania: Ťažkosti s dosiahnutím cieľovej hustoty, môže naznačovať príliš nízku kinematickú viskozitu pri 135 °C pre teplotu miešania

Frekvencia testovania

Pre letiskové projekty sa odporúča nasledujúca frekvencia testovania:

Kontrola teploty spojiva počas výstavby

VG spojivá majú špecifické teplotné požiadavky počas miešania, dopravy a zhutňovania:

Tieto teploty zabezpečujú, že spojivo dosiahne správnu kinematickú viskozitu na obalenie kameniva počas miešania a na dosiahnutie cieľovej hustoty počas zhutňovania. Presné teploty by sa mali určiť zo vzťahu viskozita-teplota konkrétneho použitého spojiva.

Dokumentácia pre súlad

Pre akceptáciu letiskovej vozovky by sa mala udržiavať nasledujúca dokumentácia o VG spojive:

1. Certifikát analýzy z rafinérie pre každú dodávku
2. Výsledky nezávislých laboratórnych testov overovacích vzoriek
3. Dodacie listy spojiva s teplotou v čase nakladania
4. Záznamy o teplotách miešania a zhutňovania z obaľovacej súpravy
5. Jadrové vzorky na extrakciu a testovanie zvyšku spojiva (na overenie vlastností spojiva na mieste)
6. Akékoľvek správy o odchýlkach, ak boli potrebné náhrady triedy spojiva

Správna dokumentácia zaisťuje, že vozovka je v súlade so špecifikovanými požiadavkami na triedu VG a poskytuje záznam pre budúce forenzné vyšetrovanie, ak sa vyskytnú poruchy vozovky.

Referencie a ďalšie čítanie

• IS 73:2013 — Paving Bitumen — Specification (Štvrtá revízia), 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 (Položka 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