VPLIV DELEŽA BITUMNA V SESTAVI BITUMENSKEGA BETONA NA REZULTATE PRESKUSOV PRI NIZKIH TEMPERATURAH INFLUENCE OF BITUMEN CONTENT IN THE ASPHALT CONCRETE MIXTURES ON THE RESULTS OF TESTS AT LOW TEMPERATURES mag. Dejan HRIBAR, univ. dipl. inž. grad. Znanstveni članek Gradbeni inštitut ZRMK, d. o. o., Dimičeva 12, 1000 Ljubljana, UDK 624.011.9:691.32 Center za prometnice in infrastrukturo, dejan.hribar@gi-zrmk.si doc. dr. Marjan Tušar, univ. dipl. inž. kem. Kemijski inštitut Ljubljana, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana, marjan.tusar@ki.si Povzetek l Zaradi geografske lege Slovenije se pri nas srečujemo z zelo nizkimi temperaturami. Po podatkih ARSO je v pretežnem delu Slovenije izmerjena absolutno najnižja temperatura zraka s povratno dobo 50 let (obdobje 1951 do 2005) pod -18 °C, razen na Primorskem in Vipavskem, kjer je višja. Po podatkih DRSC je bila pozimi 2011/2012 izmerjena najnižja temperatura vozišča pod -16 °C. To pomeni, da je na tem območju zaradi nizkih temperatur večja verjetnost za nastanek razpok na asfaltnih voziščih. Poleg nizkih temperatur je v zadnjem obdobju v Sloveniji tudi porast prometnih obremenitev, ki posledično pospešujejo nastanek razpok pri nizkih temperaturah. V prispevku so predstavljeni rezultati preskusov na vzorcih bitumenskega betona AC 11 surf B50/70 A2/Z2 pri nizkih temperaturah v odvisnosti od deleža bitumna v bitumenizirani zmesi. Opravljena sta bila ohlajevalni preskus ob preprečeni deformaciji (ang. Tensile Stress Restrained Speciment Test - TSRST) in enoosni natezni preskus pri nizkih temperaturah (ang. Uniaxial Tensile Strenght Test - UTST). Analiza rezultatov je pokazala slabo korela-cijo med deležem bitumna in rezultati pri preskusu TSRST. Rezultati enoosnega nateznega preskusa UTST v odvisnosti od deleža bitumna kažejo, da je korelacija odvisna od temperature, pri kateri je bil preskus opravljen. Še najbolje je vidna dobra korelacija z največjo rezervo natezne trdnosti Apt,max in temperaturo pri največji rezervi natezne trdnosti T(Aplmax). Pri deležu bitumna pod 4,8 m.-% opazimo, da se največja rezerva natezne trdnosti A^t,max in temperatura pri največji rezervi natezne trdnosti T(A^t,max) zelo malo spreminjata. Nad 4,8 m.-% pa se obe lastnosti drastično izboljšujeta. Od tod sklepamo, da je 4,8 m.-% minimalni potrebni delež bitumna za to našo konkretno sestavo aC 11 surf B50/70 A2/Z2. Z raziskavo smo ugotovili, da delež bitumna pomembno vpliva na lastnosti bitumenizirane zmesi pri nizkih temperaturah. Ključne besede: bitumenski beton, bitumen, nizke temperature, razpoke Summary l Due to geographical position of Slovenia we are dealing with very low temperatures. According to the ARSO data, practically the whole of Slovenia has the absolute minimum air temperature with a return period of 50 years (the period from 1951 do 2005) below -18 °C, except at the seaside and in Vipava region where it is higher. According to the DRSC data the lowest measured temperature in the pavement last winter was below -16 °C. This means that the occurrence of cracks in the asphalt pavements in this region is more likely to happen. In addition to low temperatures the traffic in Slovenia has significantly increased in recent years, which has caused the occurrence of thermal cracks. This paper presents the result of the tests on specimens of asphalt concrete AC 11 surf B 50/70 A2/Z2 at the low temperature as a function of bitumen content. We have carried out the cooling test (Tensile Stress Restrained Specimen Test - TSRST) and uniaxial tensile test (Uniaxial Tensile Strength Test - UTST). The analysis of the results has shown a poor correlation between the bitumen content and TSRST test results. The results of the uniaxial tensile test UTST in the dependence of bitumen content indicate that the correlation depends on the test temperature. What is especially evident is a good correlation between the maximum reserves of tensile strength Apt,max and temperature at the maximum reserve tensile strength T(Apt,max). At the bitumen content 4.8 m.-% it was observed that the maximum reserves of tensile strength Apt,max and the temperature at the maximum reserve tensile strength T(Apt,max) has only slightly changed. Over 4.8 m.-% both of properties have drastically improved. Therefore, the 4.8 m.-% is a minimum bitumen content for our specific bituminous mixture AC 11 surf B 50/70 A2/Z2. This study-shows that the bitumen content has very important influence on the properties of the bituminous mixture at the low temperatures. Keywords: asphalt concrete, bitumen, low temperature, cracks 1«UVOD Na slovenskih asfaltnih voziščih je opaziti poškodbe v obliki razpok. Žmavc [Žmavc, 2010] opisuje, da razpoke razvrščamo na osnovi značilne oblike in mesta v krovni plasti. Delimo jih na linijske in mrežaste. Vzroki za nastanek razpok na asfaltnih voznih površinah so škodljive spremembe mehanskih, fizikalnih in kemijskih lastnosti vgrajenih materialov. V naravi se večina gradbenih materialov pri segrevanju razteguje in pri ohlajanju krči, tudi bitumenizirana zmes. Z nižanjem temperature je stanje vedno bolj podobno kot pri elastičnih materialih, v bitumenizirani zmesi pa natezna napetost narašča. Ko natezna napetost preseže natezno trdnost materiala, nastane porušitev [Arand, 2002] v obliki razpok. Te napetosti se od zgornjega roba asfaltne plasti proti spodnjemu nelinearno manjšajo [Žmavc, 2010], zato se razpoka širi od zgoraj navzdol [Read, 2003]. Poleg nizkih temperatur je v zadnjem obdobju v Sloveniji tudi občuten porast prometnih obremenitev, kar pospešuje nastanek razpok pri nizkih temperaturah. Henigman [Henigman, 2010] opisuje, da se je na slovenskih avtocestah v zadnjih desetih letih na posameznih avtocestnih krakih povečala rast prometne obremenitve od planiranih 3 do 4 % letno za 4- do 5-krat oziroma med 16 in 17 % letno. V prvem delu prispevka so na kratko prikazane meritve nizkih temperatur na slovenskih asfaltnih voziščih. V drugem sklopu prispevka so predstavljeni rezultati in analiza preskusov na vzorcih bitumenskega betona AC 11 surf B50/70 A2/Z2 pri nizkih temperaturah v odvisnosti od deleža bitumna v bitumenizirani zmesi. Opravljena sta bila ohlajevalni preskus ob preprečeni deformaciji (ang. Tensile Stress Restrained Speciment Test - TSRST) in enoosni natezni preskus pri nizkih temperaturah (ang. Uniaxial Tensile Strenght Test - UTST), oba preskusa v skladu s standardom kSIST FprEN 12697-46:2009. Slika 1a* Prečna razpoka (Babno Polje, februar 2012) Pri ohlajevalnem preskusu TSRST je togo vpeti preskušanec dimenzij 4 x16 cm ohlajan pri nespremenjeni dolžini. Ohlajanje poteka s hitrostjo dT = (-10 ± 0,5) K/h. Rezultat preskusa je kriogenska natezna napetost v odvisnosti od temperature acry(T) [MPa], napetost pri porušitvi acry,f(T) [MPa] in temperatura pri porušitvi Tf [°C]. Pri enoosnem nateznem preskusu preskušanec enakomerno raztegu-jemo pri konstantni temperaturi. Preskušanje poteka pri temperaturah Ti = 20 °C, 5 °C, -10 °C in -25 °C. Raztezanje poteka s hitrostjo ds = (0,625 ± 0,025) %/min. Rezultat sta natezna trdnost pt [MPa] in raztezek pri porušitvi sf [%]. Preskus TSRST simulira obremenitev asfaltne zmesi pri nizki temperaturi, kjer nastanejo termično inducirane natezne napetosti, ki jih omenjeni standard imenuje Slika 1 b • Vzdolžna razpoka v območju kolesnih sledi (Babno Polje, februar 2012) kriogenske natezne napetosti (ang. cryogenic tensile stress), te se na asfaltnem vozišču odražajo predvsem kot prečne razpoke na razdalji 3 do 5 m (slika 1a). Preskus UTST simulira odpornost asfaltnih zmesi na enoosno natezno obremenitev zaradi obtežb, ki jih povzroči prometna obremenitev v osi koles-nice in v območju kolesnih sledi, zaradi česar na vozišču nastanejo vzdolžne razpoke na razdalji 30 do 90 cm od osi kolesnice (slika 1 b) [Spiegl, 2008]. Takšne nizkotemperaturne razpoke so opazne tudi v Avstriji v podnebnih območjih z minimalno temperaturo zraka do -34 °C in maksimalno stopnjo ohlajanja od 7,5 °C/h [Wistuba, 2002]. Razliko med natezno trdnostjo materiala pt(T) in kriogensko natezno napetostjo acry(T) imenujemo rezerva natezne trdnosti A^t(T) [Read, 2003]. Od tod lahko odčitamo največjo rezervo natezne trdnosti Afy(T) in temperaturo pri največji rezervi natezne trdnosti TApt. Enačba za rezervo natezne trdnosti je AA(T) = A(T)-a^T) (1) 2 • MERITVE NIZKIH TEMPERATUR NA SLOVENSKIH VOZIŠČIH V Sloveniji se srečujemo z zelo nizkimi temperaturami zraka. Po podatkih ARSO je praktično na celotnem območju Slovenije absolutna izmerjena najnižja temperatura zraka s povratno dobo 50 let (obdobje 1951 do 2005) pod -18 °C (slika 2). Izjema je del Primorske in Vipavske doline, kjer so temperature nekoliko višje. Najnižje temperature in največja verjetnost, da nastanejo razpoke prav zaradi nizkih temperatur, so na Gorenjskem v območju Triglavskega narodnega parka, Kamnika in Velike planine, na notranjskem in dolenjskem v območju Vrhnike, Cerknice, Babnega Polja, Ribnice, Kočevja in Brežic, na Štajerskem v območju Celja, Rogle in Ptuja ter v Prekmurju v območju Murske Sobote pa vse do hrvaško-madžarske meje. Od leta 2008 dalje je v Sloveniji vzpostavljen Cestno-vremenski informacijski sistem CVIS, ki ga uporabljajo pri Direkciji RS za ceste (DRSC) ter Družbi za avtoceste v RS (DARS), omogoča pa enoten pregled nad stanjem cestišča na lokacijah cestno-vremenskih postaj (CVP). CVP imajo vgrajene merilnike za temperaturo zraka in vozišča (2 do 5 cm v obrani plasti), vlažnost zraka, jakost padavin, vidljivost, sončno sevanje in veter. Podatki se preko komunikacijske opreme zapisujejo v skupno bazo podatkov [Šajn Slak, 2010]. Od DRSC smo pridobili podatke o doslej izmerjeni najnižji temperaturi vozišča v Sloveniji. S slike 3 (rdeča linija) je razvidno, da je bila izmerjena najnižja temperatura 20. decembra 2009 na mostu ceste Gorica-Predel in je znašala -16,4 °C ter na lokaciji Kranj-Delavski most -16,3 °C istega dne. Tudi v začetku februarja letos so na teh dveh lokacijah temperature vozišča padle pod -16 °C. Na sliki 3a vidimo, da je v sedmih urah upad temperature z -3 °C (ob 13. uri) na -15 °C (ob 20. uri), torej je bila stopnja padanja temperature za 1,8 °C/h. Po podatkih DARS so bile v zimskem obdobju leta 2011 in 2012 najnižje izmerjene vrednosti temperature v vozišču z avtocestnimi CVP-ji v krajih Divača -13,3 °C, Ivanje selo -14,7 °C, Podmežakla II -14,4 °C, Kresnica -10,6 °C in Dobovo -16,5 °C. Slika 2 • Absolutno najnižje temperature zraka s povratno dobo 50 let za obdobje 1951-2005 [ARSO, 2012) Slika 3a • Podatki CVIS na mostu ceste Gorica Slika 3b • Podatki CVIS na cesti Kranj -- Predel na lokaciji CVP, I Delavski most na lokaciji CVP, 20. december I 20. december 2009 3 • PRESKUSI PRI NIZKIH TEMPERATURAH 3.1 Material Preskuse smo opravljali v laboratoriju v ZAG na predhodno pripravljenih vzorcih bitumeni-zirane zmesi AC 11 surf B 50/70 A2/Z2 (SIST 1038-1:2008). Uporabljena je bila kamena moka - polnilo (Stahovica), zmes kamnitih zrn 0/2, 2/4, 4/8 in 8/11 mm (Ljubešcica) ter bitumen B50/70 (MOL). V laboratoriju smo pripravili pet sestav bitumeniziranih zmesi v odvisnosti od deleža bitumna (4,0, 5,0, 5,4, 5,8 in 6,0 m.-%). V preglednici 1 so prikazane lastnosti vhodnega in ekstrahiranega cestogradbenega bitumna B50/70, ki je bil uporabljen v bitumenizirani zmesi (Poročilo ZAG, št. P 790/10-760-1 in P 790/10-760-6). Slika 4 predstavlja presejne krivulje za vsak vzorec v odvisnosti od deleža bitumna. S slike 4 je razvidno, da se presejne krivulje med seboj prekrivajo, kar dokazuje, da se sestava zmesi kamnitih zrn ni spreminjala in tudi delež polnila (zrna pod 0,125 mm) se praktično ni spreminjal. Pri spreminjanju deleža bitumna se ob nespremenjeni presejni krivulji spreminja vsebnost votlin. V preglednici 2 so prikazani rezultati nekaterih osnovnih preskusov bitumeniziranih zmesi (Poročilo ZAG, št. P 790/10-760-6 in P 790/10-760-9). Iz rezultatov je razvidno, da je rahlo variiral delež polnila. Največje odstopanje je bilo ugotovljeno pri deležu bitumna 5,6 m.-%. 3.2 Rezultati in analiza Iz rezultatov ohlajevalnega preskusa TSRST zmesi AC 11 surf B 50/70 A2/Z2 (Poročilo ZAG, št. P 790/10-760-3, P 790/10-760-4, P 790/10-760-5, P 790/10-760-7 in P 790/ 10-760-8) vidimo, da je pri natezni napetosti CTcry