Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017220 VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI THE IMPACT OF LABORATORY AGING ON 70/100 BITUMEN PENETRATION GRADE PROPERTIES mag. Mojca Ravnikar Turk, univ. dipl. inž. grad. mojca.turk@zag.si ZAG, Dimičeva 12, 1000 Ljubljana izr. prof. dr. Janko Logar, univ. dipl. inž. grad. janko.logar@fgg.uni-lj.si UL-FGG, Jamova 2, 1000 Ljubljana Aleksander Ipavec, univ. dipl. inž. grad. aleksander.ipavec@zag.si dr. Marjan Tušar, univ. dipl. inž. kem. marjan.tusar@zag.si ZAG, Dimičeva 12, 1000 Ljubljana ZNANSTVENI ČLANEK UDK 622.337:625.7/.8 Povzetek l Asfaltne zmesi so največkrat uporabljeni materiali za zgornji ustroj voziščnih konstrukcij. Ker so izpostavljene prometnim in vremenskim obremenitvam, v laboratorijih za asfalte raziskujemo vpliv utrujanja in nizkih temperatur na razpoke v as- faltu. Odpornost asfalta proti tvorjenju razpok je odvisna predvsem od lastnosti bitumna in vrste asfaltne zmesi. Za ugotavljanja odpornosti asfalta proti utrujanju in nizkim tem- peraturam so na voljo standardizirane preiskave, ki dajejo ponovljive rezultate. Vendar pa lahko začnemo preiskave šele takrat, ko je asfaltna zmes že narejena. Postopek je krajši, če lahko lastnosti asfalta predvidimo že iz lastnosti vhodnih komponent. Zato je zaželeno, da pred proizvodnjo asfaltne zmesi poznamo karakteristike bitumna pri nizkih temperatu- rah in njegovo odpornost proti utrujanju. Ker je bitumen viskoelastičen organski material, se njegove karakteristike pri vgradnji in tudi pozneje spreminjajo, kar imenujemo staranje bitumna. Pri proizvodnji in vgradnji se zaradi visokih temperatur elastično obnašanje bitu- mna zmanjša, bitumen postane trši. Z leti uporabe bitumen zaradi UV-žarkov ter izhlape- vanja in utrujanja še naprej otrdeva. Z dvema laboratorijskima postopkoma, ki simulirata vgradnjo (RTFOT) in uporabo (PAV), bitumen umetno lahko postaramo. V tem prispevku sta opisana oba postopka laboratorijskega staranja ter dve novejši preiskavi bitumnov, in sicer dinamični strižni reometer (DSR) in reometer z nosilcem, obremenjenim na upogib (BBR). Predstavljene so lastnosti šestih cestogradbenih bitumnov B 70/100 po labora- torijskem staranju. Ključne besede: cestogradbeni bitumni, RTFOT, PAV, laboratorijsko staranje bitumnov, BBR, DSR Summary l Asphalt mixtures are the most frequently used material for pavement structures. Due to traffic and climatic loads a lot of research is focused on the inves- tigations of the impact of fatigue and low temperatures on the formation of cracks in asphalt. Resistance of asphalt to cracking depends mainly on the characteristics Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar•VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017 221 of the bitumen used and the type of asphalt mix. For the determination of resistance to fatigue and resistance of asphalt to low temperatures, the standardized tests give reproducible results. However, we can begin investigations only when the asphalt mix- ture has already been made. Therefore, it is desirable that prior to the production of asphalt mixtures the characteristics of bitumen at high and low temperatures and its resistance to fatigue are determined. Bitumen is a visco-elastic organic material. Its characteristics change during installation due to the high production temperatures. The elastic behaviour of bitumen decreases and it becomes harder. During the service life, due to UV radiation, evaporation and fatigue, bitumen continues to harden. This behaviour is called aging of bitumen. Bitumens can be artificially aged with two labora- tory procedures, one (RTFOT) simulating aging during production and installation, and the other (PAV) simulating hardening during the service life. The paper describes both laboratory aging processes as well as the two more recent bitumen tests, which are “Dynamic shear rheometer” (DSR) and “Bending beam rheometer” (BBR). Results of tests for six samples of 70/100 bitumen penetration grade after laboratory aging are presented in the paper. Key words: paving grade bitumen, RTFOT, PAV, laboratory aging of bitumen, BBR, DSR Karakteristike cestogradbenih bitumnov se spremenijo predvsem v času proizvodnje in vgradnje asfalta, ko je ta podvržen visokim temperaturam. V tem času je izhlapevanje lah- kohlapnih komponent bitumna zaradi visokih temperatur veliko, prav tako je intenzivna ok- sidacija, saj bitumen obvije vroč kameni agre- gat, kar povzroči, da je velika površina bitum- na izpostavljena vročemu zraku. Karakteristike bitumna se spreminjajo tudi v celotnem času uporabe predvsem zaradi oksidacije in UV- sevanja ter zaradi temperaturnih sprememb in utrujanja pri prometnih obremenitvah. Poškodbe asfalta nastajajo predvsem v času zelo visokih in zelo nizkih temperatur zraka oziroma posledično vozišča. Pri dolgotrajnih zelo visokih temperaturah zraka lahko nasta- jajo kolesnice, ko temperatura asfalta preseže temperaturo zmehčišča bitumna. Pri nizkih temperaturah (predvsem pod lediščem) pa VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI •Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar 1•UVOD 2•TEMPERATURNE OBREMENITVE ASFALTOV so bitumni bolj viskozni in nastajajo razpoke. Ker bitumni z leti postajajo vse bolj togi, se nevarnost nastanka razpok z leti povečuje, nevarnost nastanka kolesnic pa se z leti staranja bitumna zmanjšuje. Za ugotavljanje lastnosti bitumnov in asfalta se uvajajo tako imenovane na obnašanje vezane preiskave in karakteristike, ki bolje ponazarjajo obnašanje bitumnov pri realnih razmerah na cesti. Odpornost asfalta proti razpokam je odvisna predvsem od karakteristik uporabljenega bi- tumna in vrste asfaltne zmesi. Za ugotav- ljanje odpornosti asfalta proti utrujanju se opravljajo različne standardizirane preiskave, vendar so nekatere zelo zamudne, rezultati pa niso vedno konsistentni. Za ugotavljanje odpornosti asfalta proti nizkim temperaturam se opravlja standardizirana preiskava, ki daje konsistentne rezultate. Možno je tudi labora- torijsko starati vzorce asfalta, vendar se tako staranje v Sloveniji še ne uporablja. Ker lahko začnemo preiskave obnašanja asfalta šele, ko je asfaltna zmes že narejena, je zaželeno, da pred proizvodnjo asfaltne zmesi poznamo karakteristike bitumna tudi po staranju. Odpornost neke vrste asfalta proti nastanku kolesnic, razpokam pri nizkih temperaturah in utrujanju je predvsem odvisna od vrste uporabljenega bitumna. Zato je mogoče sklepati na obnašanje asfalta, če poznamo karakteristike bitumna. Preiskave vzorcev as- falta so zamudne in drage, zato so se razvili postopki laboratorijskega staranja bitumnov in preiskave za ugotavljanje odpornosti bitu- mnov proti visokim temperaturam, utrujanju in nizkim temperaturam. V nadaljevanju sta opisana postopka labora- torijskega staranja RTFOT in PAV ter novejši laboratorijski preiskavi, imenovani DSR in BBR. Predstavljene so lastnosti šestih ces- togradbenih bitumnov B 70/100 po labora- torijskem staranju, s katerimi lahko ocenimo kakovost bitumnov pred začetkom proizvodnje asfalta. Po izdelavi v rafineriji se bitumni transportirajo do asfaltnih baz in se tam lahko hranijo več tednov v cisternah pri temperaturah od 90 °C do 130 °C. Bitumen se najbolj intenzivno stara zaradi segrevanja pri postopku mešanja z vročim agregatom na asfaltni bazi. Takrat je temperatura asfalta najvišja, zrna agregata pa so ovita z zelo tanko plastjo bitumna. V Sloveniji se večinoma uporablja proizvodnja z vročim postopkom, pri katerem je temperatura mešanja za B 70/100 od 145 °C do 155 °C. Po vgradnji in zgoščanju je asfalt podvržen dnevnim temperaturnim ciklom ter dolgotra- jnim visokim temperaturam v poletnem času in nizkim temperaturam v zimskem obdobju. Pridobili smo podatke o izmerjenih tempera- turah vozišča na mostu čez Muro [Korošec, 2016]. Na sliki 1 so prikazane izmerjene temperature zraka in vozišča med letoma 2012 in 2015. S slike je razvidno, da so tem- peraturne spremembe vozišča večje, kot so temperaturne spremembe zraka. V zimskem obdobju je temperatura vozišča podobna temperaturi zraka, čez dan lahko tudi nekoliko višja. Predvsem v poletnem obdobju pa so temperature asfalta precej višje od tempera- ture zraka. Na sliki 2 so prikazane izmerjene temperature zraka in vozišča na mostu čez Muro v časovnem obdobju petindvajset dni v poletnem času. Dnevna nihanja temperature v Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017222 asfaltu so dosegla tudi do 40 °C. V obdobju 2012–2015 je bila najvišja izmerjena temperatura vozišča +62,1 °C (v letu 2015), najnižja izmer- jena pa −12,9 °C (v letu 2014). Slika 1• Sezonske temperaturne spremembe vozišča na mostu čez Muro. Slika 2• Dnevne poletne temperaturne spremembe vozišča na mostu čez Muro. 3•OSNOVNE KARAKTERISTIKE BITUMNOV B 70/100 4•LABORATORIJSKO KRATKOTRAJNO STARANJE BITUMNA Cestogradbeni bitumen je gradbeni proizvod, za katerega so specifikacije navedene v evrop- skem standardu. Sistem ocenjevanja in prever- janja nespremenljivosti lastnosti pove, kakšna je stopnja vključenosti neodvisne kontrole (priglašenega organa). Za cestogradbene bi- tumne velja sistem 2+ oziroma certificiranje tovarniške kontrole proizvodnje, ki vključuje izdajo certifikata o skladnosti tovarniške kon- trole proizvodnje in stalni nadzor. Karakteris- tike, ki jih je treba preverjati oziroma navajati za proizvod bitumen B 70/100, so navedene v SIST EN 12591:2009. V tabelah 1A in 1B tega standarda so podane minimalne zahteve za cestogradbene bitumne. V Izjavi o lastnostih je treba navesti vsaj naslednje karakteristike, ki morajo ustrezati zahtevam v standardu: • za nestarane bitumne: penetracija, temper- atura zmehčišča (TPK), indeks penetraci- je, temperatura pretrgališča po Fraassu (TFraass, plamenišče, topnost, dinamična viskoznost pri 60 °C, kinematična viskoznost pri 135 °C); • za kratkotrajno starane bitumne: penetraci- ja, TPK, sprememba mase; • za dolgotrajno starane bitumne: zahtev ni. Sodobna oprema omogoča laboratorijsko sta- ranje bitumnov, s katerim simuliramo staranje pri proizvodnji in staranje vgrajenega bitumna v asfaltnih cestah. Postopek za kratkotra- jno staranje RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) simulira spremembe bitumenskih veziv pri proizvodnji, transportu na gradbišče in vgradnji asfaltnih zmesi (slika 3). Izvaja se po standardizirani metodi [SIST EN 12607- 1:2007]. Majhne količine vzorca bitumna se vlijejo v steklene valjaste čaše, ki se vložijo v komoro. Laboratorijski postopek se oprav- lja pri povišani temperaturi z vrtenjem čaš, v katerih je tanka plast bitumna. Staranje oziroma otrdevanje bitumna poteka v komori pod vplivom toplote (temperatura v komori Slika 3• RTFOT-postopek kratkotrajnega staranja (laboratorij ZAG Ljubljana). Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar•VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017 223 5•LABORATORIJSKO DOLGOTRAJNO STARANJE BITUMNA 6•REOLOŠKE ZNAČILNOSTI BITUMNOV je 163 °C) in zraka, ki se vpihuje v čaše oziroma v komoro. Pretok vročega zraka je 240 l/h, postopek traja 75 minut. Bitumen, ki je bil laboratorijsko podvržen kratkotrajnemu staranju, se uporabi za nadaljnje preiskave in pospešeno staranje. Bitumen, ki je po vročem postopku vgrajen v asfaltno plast, je že bil podvržen kratkotra- jnemu staranju v fazi proizvodnje. Zaradi postopka priprave asfaltne zmesi bitumen otrdi, kar pomeni, da se zniža penetracija, poviša se temperatura zmehčišča, poveča se viskoznost, bitumen postane bolj krhek (poviša se temperatura pretrgališča po Fraas- su). Zato je občutljivost bitumna za staranje zelo pomembna pri obnašanju asfalta. Pre- iskave so pokazale, da niso vsi bitumni B 70/100 enako občutljivi za kratkotrajno sta- ranje. Če uporabimo pri proizvodnji asfalta dodatke za znižanje temperature mešanja in vgrajevanja, je vpliv proizvodnje na karakteris- tike bitumna manjši. V sklopu kontrole bitumnov je skladno s proizvodnimi standardi treba preveriti lastnosti bitumna po kratkotrajnem staranju, in sicer vrednost penetracije, TPK in spremembo mase. Izračuna se ohranjena vrednost penetracije za posamezni vzorec bitumna ob predpostavki, da je penetracija nestaranega bitumna 100-%. Izračuna se ohranjena vrednost zmehčišča za posamezni vzorec bitumna. Standard [SIST EN 12591:2009] predvideva, da se po kratkotra- jnem staranju preveri tudi sprememba mase bitumna, ki pa je lahko pozitivna ali negativna. Kontrole drugih karakteristik niti evropski niti slovenski standardi za zdaj ne predpisujejo. Postopek pospešenega staranja PAV (Pres- sure Ageing Vessel) simulira spremembe bitumenskih veziv po daljšem času uporabe – večletno staranje zaradi oksidacije, UV-sevanje in kemikalije (slika 4). Postopek pospešenega staranja se opravlja v komori pri povišanem tlaku (2,1 MPa oz. 21 barov) in pri povišani temperaturi. Za naše podnebne razmere smo dolgotrajno staranje izvajali 20 ur pri tempera- turi 100 °C. V komoro damo deset okroglih posodic, v katere vlijemo točno določeno količino bitumna (slika 4). Po končanem postopku se vzorčki prenesejo še v komoro za vakuumiranje, da se iz bitumna izločijo zračni mehurčki, nastali med staranjem v komori PAV. Ocenjeno je, da naj bi postopek dolgotrajnega staranja simuliral uporabnost asfalta od 7 do 10 let. Časovna meja seveda ni jasno določena, saj je staranje odvisno tudi od lege asfalta (prisojna, osojna, predor), utru- janja, vrste asfalta, votlavosti … Za pridobitev dolgotrajno staranih vzorcev bitumna moramo v postopku PAV uporabiti bitumne, ki smo jih najprej kratkotrajno (RTFOT) postarali, saj postopek PAV simulira samo počasno, posto- pno staranje bitumnov. Pospešeno staranje se izvaja po standardizirani metodi [SIST EN 14769, 2012]. Na dolgotrajno staranem bitu- mnu opravimo preiskave, s katerimi ugotav- ljamo karakteristike, povezane z nastankom razpok zaradi utrujanja pri srednjih tempera- turah zraka ter povezane z nastankom razpok pri nizkih temperaturah zraka. V evropskih standardih kakor tudi v sloven- Slika 4• PAV-postopek pospešenega staranja v komori (laboratorij ZAG Ljubljana). skih standardih ali tehničnih specifikacijah še ni zahtev po karakteristikah bitumnov po dolgotrajnem staranju. Novejša standardizirana preiskava [SIST EN 14770, 2012] za ugotavljanje reoloških značilnosti bitumnov oziroma viskoznega in elastičnega obnašanja je dinamični strižni reometer (DSR – Dynamic Shear Rheometer). Rezultat te preiskave sta kompleksni strižni modul, ki se označuje z G*, in fazni kot ozi- roma fazni zamik, ki se označuje z δ. Glede na ugotovitve ameriških strokovnjakov para- metra G* in δ opredeljujeta dva pomembna dejavnika pri nastanku poškodb asfalta: tvor- jenje kolesnic (pri višjih temperaturah oziroma elastičnem področju bitumna) in pa tvorjenje razpok zaradi utrujanja pri nižjih temperaturah oziroma viskoelastičnem območju. Naprava, s katero smo opravljali preiskave, je prikazana na sliki 5. Vzorce bitumna os- cilacijsko strižemo med dvema paralelnima Slika 5• Dinamični strižni reometer (laboratorij ZAG Ljubljana). VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI •Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017224 ploščama pri različnih temperaturah. Naprava ima podstavek in dve horizontalno postavljeni ploščici krožne oblike. Preiskava se opravlja na tankem vzorcu bitumna, ki ga namestimo na spodnjo ploščico, ki je nepomična. Zgornjo ploščico pritisnemo na vzorec bitumna. V času izvedbe preskusa spodnja ploščica miru- je, zgornja pa oscilira s predpisano hitrostjo 10 rad/s (1,59 Hz), da se v vzorcu ustvarijo strižne sile. Taka hitrost striženja naj bi simu- lirala strižne obremenitve pri hitrosti vozil 97 km/h [Clyne, 2004]. Bitumen je naravni material, ki je viskoelastičen, obnašanje je odvisno od temperature. G* izraža celotno odpornost vzorca proti defor- macijam med ponavljajočim se striženjem. Fazni kot (δ) je zamik med največjo vsiljeno strižno napetostjo in največjo strižno defor- macijo (slika 6). Pri preiskavi se izmeri časovni zamik v sekundah, ki se pretvori v fazni kot z upoštevanjem oscilacijske frekvence. Fazni kot lahko zavzame vrednosti od 90° do 0°. V primeru, da je material popolnoma elastičen, je fazni kot 0°, popolnoma viskozen material pa ima fazni kot 90° (slika 7). (1) (2) (3) τmax = maksimalna vnesena napetost (kPa) γmax = maksimalna izmerjena deformacija (kPa)T = maksimalni vneseni navor (kNm)r = radij vzorca θ = krožni kot (v radianih)h = višina vzorca Na sliki 8 je prikazano spreminjanje faznega kota in kompleksnega strižnega modula v odvisnosti od temperature preizkušanca pri preiskavi. Z višanjem temperature bitumna se strižni modul zmanjšuje, fazni kot pa se povečuje. Iz meritev kompleksnega strižnega modula in faznega kota pri višjih temperaturah za nestarani in kratkotrajno starani bitumen lahko ocenimo potencial tvorjenja kolesnic. V lit- eraturi [SHRP, 1994] in ameriškem standardu [AASHTO, 2016] postavljena mejna vrednost za kriterij plastičnih deformacij (oziroma visoke temperature uporabe) je G*/ sinδ ≥ 2,2 kPa (za po RTFOT starani bitumen). V standar- dih postavljena mejna vrednost za kriterij odpornosti proti razpokam zaradi utrujanja za dolgotrajno starani bitumen je G* . sinδ ≤ 5.000 kPa (za po RTFOT+PAV starani Slika 6• Definicija faznega zamika. Slika 7• Kompleksni strižni modul in fazni kot. Slika 8• Spreminjanje faznega kota in kom- pleksnega strižnega modula v odvis- nosti od temperature preizkušanca. bitumen). Da dobimo značilne temperature pri teh vrednostih, opravljamo preiskave v temperaturnem območju od +50 °C do +100 °C na nestaranem in kratkotrajno staranem bitumnu ter pri temperaturah od +10 °C do +30 °C na dolgotrajno staranem bitumnu. Temperature, pri katerih opravljamo preiskave, se nekoliko razlikujejo glede na vrsto bitumna, saj so mejne vrednosti za vse cestogradbene bitumne enake. Na sliki 9 je prikazan primer določitve mejne visoke temperature vozišča za stanje takoj po vgradnji asfalta T2,2kPa (temperatura, kjer je G*/ sinδ ≥ 2,2 kPa). Pozneje bitumen dodatno otrdi, zato je vedno manj občutljiv za nastajanje kolesnic pri visokih tempera- turah zraka oziroma vozišča. Na sliki 10 je primer za dolgotrajno starani bitumen, kjer smo določili Tkrit N. pri G* . sinδ ≤ 5.000 kPa. Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar•VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017 225 Slika 9• Določitev T pri G*/sinδ = 2,2 kPa T2,2kPa. Slika 10• Določitev T pri G* . sinδ = 5.000 kPa Tkrit N. Slika 11• Ugotavljanje upogibne togosti z BBR (laboratorij ZAG Ljubljana). Natančnost te metode preskušanja še ni bila ugotovljena. Iz standarda [SIST EN 14770, 2012] lahko razberemo, da so bili opravljeni primerjalni preskusi s ploščicami premera 25 mm in 8 mm. Na osnovi teh preskusov je bilo zaključeno, da je mogoče dobiti ponovljivost za kompleksni strižni modul |G*| v območju od 0 % do 10 % ne glede na vrsto bitumna in stanje (nestarani, kratkotrajno ali dolgotrajno starani). Ponovljivost za fazni kot δ lahko dobimo v območju od 0 % do 5 % ne glede na vrsto in stanje bitumna. Za ugotavljanje karakteristik bitumna pri nizkih temperaturah se uporablja preiskava pretrgališča po Fraassu, ki pa ima določene pomanjkljivosti (npr. slaba ponovljivost re- zultatov preiskave). Zato je bila razvita nova, natančnejša preiskava: Ugotavljanje upogibne togosti – Reometer z nosilcem, obremenjenim na upogib (BBR). Standardizirana preiskava BBR [SIST EN 14771, 2012] se v Sloveniji opravlja šele od leta 2014. V ameriških speci- fikacijah AASHTO M320 pa je preiskava BBR obvezna preiskava na laboratorijsko staranih bitumnih. Vzorec bitumna se vlije v model v obliki prizme. Vsaka prizma se položi kot nosilec na dve podpori (slika 11) in se na sredini med podporama obremeni s konstantno navpično obtežbo. V napravi se preskuša po dve paralelki (dva enaka preizkušanca pri vsaki temperaturi, opravijo pa se preiskave pri različnih temperaturah, ki so vse pod lediščem). Običajno delamo preiskavo pri temperaturah od −4 °C do −34 °C s korakom po 6 °C. Če želimo preiskavo narediti pri šestih temperaturah, moramo dolgotrajno starati za- dostno količino bitumna za pripravo najmanj dvanajstih preizkušancev. Pri vsaki tempera- turi preskušanja se preizkušanec obremenjuje s silo 1000 mN najmanj 240 s. Shematski prikaz obremenjevanja je prikazan na sliki 12. 7•PREISKAVA BBR VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI •Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017226 Prikaz izmerjenih rezultatov preiskave – togost v odvisnosti od časa – je prikazan na sliki 13. Upogibna togost se pri konstantni sili s časom zmanjšuje, saj se upogib nosilca veča. Po dogovoru je karakteristična vrednost v 60. sekundi obremenjevanja. Za bitumen B 70/100 smo preiskavo opravili pri tem- peraturah −10 °C, −16 °C, −22 °C, −28 °C, −34 °C. Pri vsaki temperaturi preskušanja smo za rezultat dobili: • S60 togost v 60. sekundi obremenjevanja in • m60 vrednost, ki izraža hitrost spremembe togosti med obremenjevanjem. Po preiskavi smo izrisali grafe temperatura/to- Slika 13• Pomen S60 in m60 pri preiskavi BBR. Slika 14• Določevanje T(S)60 pri preiskavi BBR. Slika 15• Določevanje T(m)60 pri preiskavi BBR. Slika 12• Shematski prikaz obremenjevanja med preiskavo BBR. gost ter temperatura/m-vrednost po 60 sekun- dah obremenjevanja skladno z ameriškimi specifikacijami za cestogradbeni bitumen AASHTO M 320. Primera spremembe upo- gibne togosti S60 in vrednosti m60 glede na temperaturo sta prikazana na sliki 14 in 15. Dogovorjeni mejni vrednosti sta skladno s specifikacijami T(S)60 pri Smax  = 300 MPa in T(m)60 pri vrednosti m  = 0,300. Pri mejnih vrednostih 300 MPa za togost in 0,300 za m smo odčitali temperaturi T(S)60 in T(m)60. Tem- peratura pri mejni togosti (T(S)60) je definirana kot temperatura, pri kateri je togost S60 še manjša od 300 MPa. Prevelika togost pri nizkih temperaturah pomeni, da so v bitumnu akumulirane prevelike termične napetosti. Predpostavljeno je, da je bitumen odporen proti nastanku razpok, če je njegova togost manjša ali enaka od 300 MPa. Temperatura pri mejni vrednosti m60 (T(m)60), je definirana kot temperatura, pri kateri je vrednost m60 večja ali enaka 0,300. Višja vrednost m pomeni, da ima tak bitumen boljšo sposob- nost relaksacije nakopičenih termičnih napeto- sti. Na slikah 14 in 15 je prikazano določevanje T(S)60 in T(m)60 po zgoraj opisanih kriterijih. Končni rezultat preiskave je višja od obeh temperatur. 8•KARAKTERISTIKE BITUMNOV B 70/100 PO LABORATORIJSKEM STARANJU V letih 2015 in 2016 smo v laboratoriju za asfalte in bitumenske proizvode ZAG naredili obsežne preiskave šestih vzorcev bitumna B 70/100 različnih proizvajalcev ter jih labo- ratorijsko postarali in preiskave ponovili. Vsi preiskani bitumni so se uporabljali pri gradnji na slovenskih cestah. Za ugotavljanje karakteristik nestaranega bitumna se že dolgo časa uporabljajo tri osnovne preiskave: penetracija, temperatura zmehčišča TPK in preiskava pretrgališča po Fraassu oziroma temperatura pretrgališča TFraass. Zato smo na šestih vzorcih opravili te tri osnovne preiskave, katerih rezultati so podani v preglednici 1. Vseh šest vzorcev je v preiskanih karakteristikah ustrezalo zahtevam v standardu SIST EN 12591:2004. Preglednica 1: Zahteve v SIST EN 12591:2009 in rezultati preiskav šestih vzorcev B 70/100 Ugotovimo lahko, da so zahteve v veljavnem standardu navedene le za zelo osnovne pre- iskave in da so zahteve zelo blage. Vsi preiskani bitumni so izpolnjevali te zahteve. Na podlagi karakteristik, ki jih je treba podati za bitumen, ne moremo oceniti, kakšno bo obnašanje tega bitumna po dolgotrajnem staranju. Zato smo te bitumne tudi dolgotrajno starali in izvedli preiskavi DSR in BBR, ki jih standard SIST EN 12591:2009 ne predvideva. Na slikah od 16 do 18 so rezultati preiskav. Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar•VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017 227 Slika 16• Primerjava vrednosti penetracije in zmehčišča B 70/100 pred staranjem in po njem. Preglednica 1• Zahteve v SIST EN 12591:2009 in rezultati preiskav šestih vzorcev B 70/100 Nestarani bitumen B 70/100 B 70/100 po kratkotrajnem staranju (RTFOT) penetracija TPK indeks penetracije TFraass penetracija ohranjena penetracija TPK sprememba TPK Standard EN 1426 EN 1427 EN 12591 EN 12593 EN 1426 EN 1427 vzorec mm/10 °C / °C mm/10 % °C °C 1 84 45,8 -1,1 -13 51 61% 50,8 5 2 77 47,4 -0,8 -14 44 57% 58,2 10,8 3 78 46,4 -1,1 -13 39 50% 56,9 10,5 4 70 48,3 -0,8 -16 47 67% 54,8 6,5 5 79 45,8 -1,2 -10 50 63% 51,3 5,5 6 81 46,4 -1,0 -10 45 56% 52,8 6,4 zahteva 70 do 100 43 do 51 -1,5 do +0,7 ≤ -10 ni zahteve ≥ 50 ni zahteve ≤ 11 Vzorci so označeni z zaporednimi številkami od 1 do 6. Rezultati za nestarane bitumne so označeni v zeleni barvi, rezultati za kratkotra- jno starane (po RTFOT) so v sivi barvi ter za dolgotrajno starane bitumne (po RTFOT+PAV) v črni barvi. Otrdevanju oziroma staranju bitumnov pri proizvodnji asfalta se ne moremo izogniti. Zaželeno pa je, da bi vsi bitumni sicer nekoliko otrdeli med proizvodnjo asfalta, po vgradnji v cesto pa naj bi bilo otrdevanje čim manjše. S slike 16 lahko ugotovimo, da se je vsem bitu- mnom penetracija po kratkotrajnem staranju znižala, kar je pričakovano. V standardu abso- lutne zahteve za najnižjo dovoljeno penetracijo po kratkotrajnem staranju ni. Ugotovimo lahko tudi, da vsi bitumni po laboratorijskem dol- gotrajnem staranju dodatno otrdijo, kar je tudi pričakovano. Glede na penetracijo sta najbolj otrdela vzorca s številkama 3 in 6, najmanj pa vzorca s številkama 1 in 4. Zaželeno je, da je temperatura zmehčišča takoj po vgradnji relativno visoka. V stand- ardu pa absolutne zahteve za temperaturo zmehčišča po kratkotrajnem staranju ni. Mini- malna zahtevana TPK je 43 °C za nestarani bitumen B 70/100. Ob predpostavki, da bitu- men ne bi med proizvodnjo otrdel, velja TPK > 43 °C tudi za bitumen po kratkotrajnem staranju. To je seveda prenizka temperatura za naše podnebne razmere, saj temperatura na asfaltni površini lahko doseže več kot 60 °C. Zaradi proizvodnje se mora bitumen toliko postarati, da je takoj po vgradnji dovolj trd, VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI •Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017228 da ne nastanejo kolesnice. S slike 16 lahko ugotovimo, da vsi bitumni po kratkotrajnem in dolgotrajnem staranju otrdijo, saj se je zmehčišče zvišalo, kar je pričakovano. Po kratkotrajnem staranju (proizvodnji in vgradnji asfalta) imata najvišje zmehčišče vzorca 2 in 3, kar je zaželeno. Podoben rezultat pokaže preiskava DSR, rezultati so prikazani na sliki 17. Preiskavo smo izvedli pri več temperatu- rah in iz diagramov odčitali temperaturo, pri kateri je G*/ sinδ [Pa] enako 2,2 kPa T2,2kPa. Obe preiskavi kažeta, da sta po RTFOT najbolj otrdela vzorca 2 in 3, najmanj pa vzorca 1 in 5, nista pa temperaturi TPK in T2,2kPa medsebo- jno absolutno primerljivi. Zaželeno je, da se TPK vgrajenega asfalta z leti čim manj povišuje oziroma da bitumen čim manj otrdeva. Po dolgotrajnem sta- ranju (RTFOT+PAV) sta glede na temperaturo zmehčišča najbolj otrdela vzorca 2 in 3, kar ni zaželeno, najmanj pa vzorca 1 in 5 (slika 16). Temperatura pretrgališča TFraass mora biti v celotni življenjski dobi čim nižja, da je asfalt bolj odporen proti nizkim temperaturam. Zahteve za najvišjo temperaturo TFraass po kratkotrajnem in dolgotrajnem staranju ni. S slike 18 lahko ugotovimo, da kratkotra- jno staranje ni pomembno vplivalo na dvig temperature pretrgališča. Laboratorijsko dol- gotrajno staranje pa je povzročilo dodaten dvig TFraass in posledično manjšo odpornost proti nizkim temperaturam. Dobre karak- teristike glede na TFraass imajo vzorci 4, 1, 2 ter 5, slabše pa vzorca 3 in 6. Upoštevati je treba, da je ponovljivost rezultatov preiskave Fraass majhna in znaša le 2 °C. Na sliki 18 so tudi rezultati preiskave BBR, in sicer je prikazana višja vrednost izmed T(m)60 oziroma T(S)60. Glede na rezultate BBR imajo najboljše karakteristike vzorci 1, 6 in 5, najslabše pa vzorec številka 3. Rezultati obeh pre- iskav kažejo, da ima najslabše karakteristike vzorec 3, temperaturi TFraass ter T(m)60 oziroma T(S)60 med seboj nista absolutno primerljivi. Slika 17• Primerjava vrednosti TPK in T2,2kPa za B 70/100 pred in po kratkotrajnem staranju. Slika 18• Primerjava TFraass in višja od T(m)60 oziroma T(S)60 bitumna B 70/100 pred staranjem in po njem. Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar•VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI Gradbeni vestnik • letnik 66 • september 2017 229 9•ZAKLJUČEK 10•LITERATURA Asfaltne zmesi so največkrat uporabljeni ma- teriali za zgornji ustroj voziščnih konstrukcij in so neposredno izpostavljene prometnim in podnebnim obremenitvam. Glede na vpliv obremenitev na mehanskofizikalne lastnos- ti asfaltnih plasti predstavljajo bitumenska veziva bistveno komponento v sestavi as- faltnih zmesi. Karakteristike bitumna morajo omogočati, da projektirana asfaltna zmes po- daja ustrezno odpornost tako proti plastičnim deformacijam pri visokih temperaturah kot odpornost proti razpokam pri nizkih tempera- turah ter odpornost proti utrujanju pod vplivom prometnih in podnebnih obremenitev. Zato so preiskave lastnosti laboratorijsko staranih bi- tumnov zelo pomembne za oceno obnašanja asfaltnih plasti v celotni predvideni življenjski dobi. Zaradi pomanjkljivih zahtev v standardih se običajno preverjajo samo osnovne lastnosti nestaranih in kratkotrajno staranih bitumnov, čeprav so spremembe lastnosti po dolgotra- jnem staranju pomembne. Z laboratorijskim staranjem in s sodobnimi preiskavami je mogoče predvideti lastnosti bitumna po več letih uporabe, še preden se ta bitumen uporabi pri proizvodnji asfaltne zmesi, kar je pomemben podatek tako za proizvajalce asfaltnih zmesi kot za naročnike asfalterskih del. Novejša preiskava BBR omogoča določevanje karakteristik bitumnov pri nizkih temperatu- rah z dobro ponovljivostjo rezultatov pre- iskav, česar pri preiskavi pretrgališča TFraass, ki se običajno uporablja, ni mogoče doseči. Novejša preiskava DSR pa omogoča oceno odpornosti bitumnov glede na visoke tempera- ture in oceno odpornosti proti utrujanju. V nadaljnjem raziskovalnem delu bo treba postaviti kriterije tudi za karakteristike bitumna po dolgotrajnem staranju, saj teh zahtev niti v evropskih standardih (SIST EN) niti v izvirnih slovenskih standardih (SIST) za zdaj ni. AASHTO M 320-16, Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder, 2016. Clyne, T. R., Marasteanu, M. O., Inventory of properties of Minnesota certified asphalt binders, Final Report, University of Minnesota, Department of Civil Engineering, 2004. Harrigan, E. T., Leahy, R. B., Youtcheff, J. S., SHRP-A-379 The SUPERPAVE mix design systems manual of specifications, test methods, and practices, 1994. Korošec, M., Baza arhivskih podatkov DARS, d. d. – rezultati meritev zraka in temperature na Mostu čez Muro, Osebna komunikacija, 18. 4. 2016. Ravnikar Turk, M., Vpliv laboratorijsko simuliranega staranja bitumnov na njihove lastnosti pri nizkih temperaturah, Magistrsko delo, UL FGG, 2016. SIST EN 1426:2015, Bitumen in bitumenska veziva, Določanje penetracije z iglo, 2015. SIST EN 1427:2015, Bitumen in bitumenska veziva, Določanje zmehčišča – Metoda prstana in kroglice, 2015. SIST EN 12591:2009, Bitumen in bitumenska veziva, Specifikacije za cestogradbene bitumne, 2009. SIST EN 12593:2007, Bitumen in bitumenska veziva, Določanje pretrgališča po Fraassu, 2007. SIST EN 12607-1:2007, Bitumen in bitumenska veziva, Določanje odpornosti proti utrjevanju pod vplivom toplote in zraka, 1. del: metoda RTFOT, 2007. SIST EN 14769:2012, Bitumen in bitumenska veziva, Pospešeno staranje v tlačni posodi (PAV), 2012. SIST EN 14770:2012, Bitumen in bitumenska veziva, Ugotavljanje kompleksnega strižnega modula in faznega kota (DSR), 2012. SIST EN 14771:2012, Bitumen in bitumenska veziva, Ugotavljanje upogibne togosti – Reometer z nosilcem, obremenjenim na upogib (BBR), 2012. VPLIV LABORATORIJSKEGA STARANJA CESTOGRADBENIH BITUMNOV B 70/100 NA NJIHOVE LASTNOSTI •Mojca Ravnikar Turk, Janko Logar, Aleksander Ipavec, Marjan Tušar