Nové poznatky o vlastnostech a chování vozovek na letištích

Silnice mosty 2023, 2, 16–23

Ing. Jiří Fiedler

Nedávné zahraniční odborné články o letištních vozovkách poskytují zajímavé údaje o posledních trendech v této problematice, které jsou v České republice méně známé. Obsahují ale užitečné informace také pro techniky zabývající se silničními vozovkami.

Úvod

O vlastnostech a chování silničních vozovek existuje v literatuře velké množství údajů a poznatků, ale odborných článků s informacemi o vozovkách na letištích je méně. Jedním ze zdrojů byly odborné příspěvky francouzského časopisu RGRA. Kromě jiného se v něm popisuje experiment, kterým se zkoumala odolnost jedné vozovky pro letiště proti únavě a dále měření, kterým se ověřovalo spojení horní vrstvy cementového betonu se spodní vrstvou asfaltového betonu. Informace jsou v tomto textu doplněny dalšími údaji z francouzské a americké literatury týkajícími se vozovek na letištích.

Nejprve je třeba připomenout, v čem se liší vozovky na letištích od vozovek na pozemních komunikacích. Velká dopravní letadla vyvozují více než dvojnásobný tlak na jedno kolo podvozku než těžká nákladní vozidla. Zatížení jednoho kola podvozku velkého letadla může být až 250 kN, zatímco dle TP 170 Navrhování vozovek PK působí na jedno kolo návrhové nápravy síla 25 kN. Ovšem počet přejezdů letadel po letištní vozovce je i u největších světových letišť podstatně menší než počet přejezdů těžkých nákladních vozidel u vozovek dálničního typu. Je také menší koncentrace zatížení v jedné stopě. To je dáno různými typy letadel a tím, že přistávací a vzletové dráhy mají větší šířku než silniční komunikace. Proto nemají vozovky na letištích výrazně větší tloušťky stmelených vrstev než vozovky pozemních komunikací pro velká dopravní zatížení. To ale vede k tomu, že svislá napětí působící nejen na asfaltové vrstvy, ale i na nestmelené podkladní vrstvy a podloží jsou větší než u silničních vozovek. Dalším problémem je to, že poškození povrchu dráhy úkapy paliv může být pro letadla větším rizikem než pro vozidla na silničních komunikacích.

V minulosti byly letištní vozovky navrhovány jen empirickými metodami, popsanými v literatuře a v předpisech. Například ve Velké Británii platí pro návrh letištních vozovek podrobný manuál o 238 stranách, který obsahuje také doporučení pro zpětný výpočet modulů vrstev z rázových zkoušek FWD. Manuál je dostupný na https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/552405/DMG_27.pdf.

V poslední době se pro letištní vozovky v některých zemích začínají používat obdobné postupy jako u navrhování vozovek silničních komunikací. Ve Francii byl vydán v roce 2014 předpis pro navrhování vozovek na letištích [1] (2. vydání v roce 2016). Předpis je kolektivním dílem pracovní skupiny 16 odborníků. Vydala ho státní organizace pro letectví STAC (Service technique de l’Aviation civile). Návrh vozovky se provádí pomocí francouzského programu Alize, který umožňuje zadat současně větší počet zatěžovacích ploch různé konfigurace. Princip návrhové metody je obdobný jako pro vozovky na komunikacích. Manuál [1] obsahuje také podrobně zpracované příklady návrhu různých letištních vozovek. Zatím ovšem bylo ve Francii provedeno jen málo experimentů přímo na letištní vozovce, kterými by se ověřilo chování konstrukce při opakovaném zatěžování. Proto v současné době probíhají dva rozsáhlé experimenty, organizované STAC, kterými se toto chování zkoumá. Výsledky prvních měření z jednoho experimentu byly publikovány v literatuře [2].

První poznatky z experimentu s chováním vozovky
pro letiště při opakovaném zatěžování ve Francii

Experiment popsaný v literatuře [2] byl proveden v hale výzkumné organizace CEREMA v Normandii. Zkušební úsek měl rozměry 8 x 24 m. Při konstrukci vozovky byla provedena celá řada zkoušek a měření, kterými byly dokumentovány vlastnosti jednotlivých vrstev vozovky. Informace o zkušebním úseku, výsledcích zkoušek (statickou i dynamickou deskou a rázovými zkouškami FWD) provedených postupně na podloží, nestmelených vrstvách a na povrchu asfaltové vozovky a o způsobu provedení zpětných výpočtů modulů vrstev z rázových zkoušek byla zveřejněna v [3]. Zde byly uvedeny jak odkazy na francouzské články v RGRA o těchto experimentech, tak na další zahraniční články zabývající se problematikou zpětných výpočtů modulů vrstev vozovky z FWD.

Skladba vozovky při experimentech, které byly popsány v literatuře [2] byla následující: ACO (BBSG) 60 mm, ACP (GB) 120 mm, ŠD 2 x 250 mm, SP 3x 300 mm, podloží s modulem 80 MPa (označení asfaltových vrstev dle francouzské terminologie je v závorkách). Opakované zatěžování realizované vozovky bylo prováděno zařízením firmy CEREMA. Zatížení se přenáší na vozovku deskou o průměru 300 mm, která může být zatěžována různou frekvencí a silou. Bližší informace o tomto unikátním zatěžovacím zařízení a jeho fotografie jsou dostupné na webu CEREMA [4], kde jsou rovněž údaje o různých možnostech zatěžovacího systému. Například lze realizovat zatěžování s frekvencí 3 Hz, které má modelovat rychlost 30 km/hod na pojezdové dráze. V literatuře [4] je příklad vývoje ekvivalentního dynamického modulu celé vozovky při zatěžování silou 250 kN při frekvenci 3 Hz (obrázek 1).

V průběhu zatěžování byly 4 přestávky v délce 15 minut. Ekvivalentní modul tuhosti se po první z těchto přestávek mírně zvýšil. Brzy se ale obnovil původní trend poklesu modulu. Po cca 5 000 vteřinách byl již pokles ekvivalentního modulu s časem lineární. Po 20 000 vteřinách zatěžování klesl ekvivalentní modul tuhosti celé konstrukce vozovky na méně než 50 % počáteční hodnoty.

Při experimentu popsaném v [2] byly měřeny průhyby pod středem desky a ve vzdálenostech 300, 600, 900, 1 200, 1 500 mm od středu desky. Měření bylo provedeno laserem, mířícím na jednotlivé snímače polohy PSD (Position Sensitive Detector), z pevného bodu mimo dosah průhybové křivky od zatížení. Celkové zatížení na desku bylo 250 kN. Po odlehčení bylo zatížení 20 kN, aby byla deska stále v kontaktu s vozovkou.

Průběh amplitudy průhybu během 100 000 zatěžovacích cyklů pod jednotlivými snímači je na obrázku 2. K největšímu nárůstu průhybu došlo pod středem desky. Ten vzrostl o 120 mm. Na posledních dvou snímačích byl přírůstek průhybu malý. Vlastnosti podloží se tedy během zatěžování měnily jen málo. Docházelo ale ke zřetelnému zmenšování tuhosti asfaltových vrstev a nestmelených podkladních vrstev.

Změny tvaru průhybové křivky na povrchu vozovky jsou uvedeny na obrázku 3. Změny v průhybech na prvních dvou snímačích mohly být částečně ovlivněny i změnami teploty vzduchu vedoucími ke změně tuhosti asfaltových vrstev. Ty však byly pravděpodobně malé vzhledem k tomu, že experiment probíhal uvnitř haly za kontrolovaných podmínek. Ve vozovce byly zabudovány snímače teploty, ale v celkové informaci o experimentu v [2] nebyly údaje o teplotě ve vozovce uvedeny. Výsledky měření se teprve zpracovávají a experimenty pokračují. Provádí se také zkoušky funkčních vlastností asfaltových vrstev, včetně zkoušek únavy, aby bylo možné porovnat chování vozovky s teoretickým výpočtem odolnosti proti únavě programem Alize. Pravděpodobně bude provedeno i porovnání modulů jednotlivých vrstev ze zpětných výpočtů s výsledky laboratorních zkoušek modulů tuhosti asfaltových vrstev během experimentu. Po ukončení zatěžování mají být provedeny také zkoušky únavy vzorků z asfaltových vrstev a porovnány s výsledky zkoušek únavy před zatěžováním zkušebního úseku. Během 100 000 zatěžovacích cyklů se na povrchu vozovky neobjevily trhliny, přestože vozovka byla navržena tak, aby k porušování únavou během plánovaného počtu zatěžovacích cyklů došlo. Z textu článku [2] není jasné, zda se ještě bude v zatěžování vozovky pokračovat. Po ukončení experimentu mají být provedeny sondy ve vozovce. Těmi bude možné ověřit, zda se ve spodní asfaltové vrstvě únavové trhliny již objevily. Celkové výsledky tohoto rozsáhlého experimentu budou k dispozici až po určité době, ale již nyní je zjevné, že se jimi významně rozšíří poznatky o chování vozovek na letištích. To by mohlo vést k určitým úpravám v metodě navrhování vozovek na letištích.

Výsledky některých experimentů u vozovek
pro letiště v USA

Zajímavé výsledky se ukázaly také při experimentech zadaných americkou leteckou administrativou FAA (Federal Aviation Administration) a provedených ve výzkumném středisku americké armády (U.S. Army Engineer Research and Development Center Geotechnical and Structures Laboratory) ve Vicksburgu ve státě Mississippi. [5, 6]

V boxu o rozměrech 182 x 182 cm bylo vybudováno několik konstrukcí se skladbou, jakou mají vozovky na letištích. Schéma konstrukce s umístěním snímačů průhybů, měřidel svislého napětí a pórového tlaku v jílovitém podloží je na obrázku 4 (schéma není v měřítku, rozměry jsou v palcích). Asfaltová vrstva vozovky byla položena finišerem a standardně zhutněna na zkušebním poli mimo objekt haly. Z této vrstvy byly vyřezány desky s rozměrem odpovídajícím velikosti zkušebního boxu a jeřábem byly do něj přemístěny. Pulzující zatížení působilo na desku průměru 300 mm při kontaktním napětí 1,78 MPa. To mělo simulovat letadlo Boeing 777. Doba zatížení byla 0,3 vteřiny, následovaná přestávkou 0,9 vteřiny. Během ní působilo zatížení 25 kN, aby deska zůstala stále v kontaktu s povrchem asfaltové vrstvy.

Opakovaným zatěžováním docházelo postupně k růstu trvalých deformací všech vrstev vozovky i jejího podloží. Zkoušky se prováděly až do dosažení trvalé deformace 50 mm na povrchu asfaltové vrstvy pod středem zatěžovací desky. V tabulkách zprávy jsou uvedeny počty zatěžovacích cyklů pro dosažení trvalé deformace povrchu vozovky 25 mm a 50 mm.

Ve zprávách jsou dále uvedeny závislosti deformace pod středem desky na počtu cyklů, průhybové křivky, měřená svislá napětí v nestmelené vrstvě a v podloží. Dále pak fotografie dokumentující přetvoření jednotlivých vrstev vozovky na konci experimentů. Ty byly získány tak, že po skončení zatěžování byla asfaltová vrstva pilou rozříznuta v ose zatěžovací plochy. Konstrukce tím byla rozdělena na dvě poloviny. Jedna polovina pak byla po vrstvách opatrně odtěžována a viditelné průhyby všech vrstev na druhé polovině byly odměřeny metrem od srovnávací roviny. Přetvoření vrstev vozovky bylo dokumentováno fotografiemi, které velmi názorně zachycují deformace všech vrstev konstrukce po skončení každého experimentu.

Hlavním cílem výzkumů v literatuře [5] a [6] bylo porovnat chování běžné letištní vozovky s konstrukcemi, ve kterých byly v nestmelených vrstvách vloženy výztužné geosyntetické prvky od různých výrobců. Celkem bylo provedeno 11 experimentů. V tomto textu jsou blíže popisovány pouze výsledky pro dvě standardní konstrukce bez výztužných prvků ze zprávy [6]. Ve zprávě byly označeny jako Item 1 a Item 7. Zájemci o problematiku vyztužování si mohou podrobnosti o všech experimentech a zjištěných výsledcích v obou citovaných zprávách vyhledat. Zde pouze konstatujeme, že vložení výztužných prvků mezi horní a dolní nestmelenou vrstvu vozovky zmenšilo průhyby a zvýšilo počet zatěžovacích cyklů do konvenčně definovaného porušení konstrukce. Umístění výztužného prvku mezi druhou nestmelenou vrstvu a podloží zlepšilo chování konstrukce jen minimálně. Napětí a přetvoření v této úrovni pod povrchem vozovky již byla malá a nedošlo proto k významnější aktivací výztužného působení geosyntetika.

Zvolená skladba vozovky při experimentech v [5] a [6] byla ovlivněna geotechnickými poměry ve státě Mississippi, v němž je průměrná nadmořská výška necelých 100 m nad mořem. Podloží bylo ve všech 11 experimentech tvořeno jílem vysoké plasticity (CH dle americké klasifikace USCS, s mezí tekutosti 84 % a indexem plasticity 55 %). Vlhkost tohoto jílu byla upravena tak, aby hodnota CBR byla 3,0 % (to bylo při w = 38 %). v jednom případě, zde nepopisovaném, bylo CBR jen 2,0 %. Při experimentu označeném Item 1 byl ve spodní nestmelené vrstvě vozovky dobře odstupňovaný písek tmavší barvy se 6 % štěrkových zrn (SW podle klasifikace USCS, označený ve zprávě jako FAA P-154), který měl po zhutnění CBR = 55 %. Při experimentu Item 7 byla spodní nestmelená vrstva tvořena pískem světlejší barvy, který byl stejnozrnnější a bez štěrkových zrn (ve zprávě byl označený jako ERDC P-154). Tento materiál měl po zhutnění hodnotu CBR = 18 %, tj. 3x menší než u Item 1. Horní nestmelená vrstva byla v obou případech z drceného vápencového kameniva s 5 % jemných zrn < 0,075 mm, která měla po zhutnění CBR > 100 %.

Pružné stlačení při jednom zatěžovacím cyklu se během prvních cca 1 000 cyklů u obou zkoušek měnilo jen málo. Bylocca 1,5 mm. Poté začalo u zkoušky Item 1 pomalu růst, zatímco u zkoušky Item 7 byl nárůst pružného stlačení rychlý. Při ukončení zkoušek bylo v obou případech pružné stlačení cca 2,5 mm.

Počet cyklů pro dosažení trvalé deformace 25 mm při zkoušce Item 1 byl 150 720, kdežto při zkoušce Item 7 byla tato trvalá deformace dosažena již po 3 700 cyklech. U zkoušky Item 1 nebylo trvalé deformace 50 mm během zkoušky dosaženo, zatímco u Item 7 to bylo již po cca 17 000 cyklech. Nárůst trvalých deformací s rostoucím počtem zatěžovacích cyklů je na obrázku 5.

Vlivem rostoucích trvalých deformací nestmelených vrstev při zkoušce Item 7 začalo docházet ve spodní části asfaltové vrstvy k jejímu porušování. Tím začala tuhost asfaltové vrstvy v průběhu zkoušky klesat. To způsobilo růst svislého napětí, měřeného snímačem umístěným na povrchu spodní nestmelené vrstvy (obrázek 6). U zkoušky Item 1 zůstalo svislé napětí na povrchu spodní nestmelené vrstvy prakticky konstantní až do konce zkoušky a bylo vyšší než u Item 7.

Po skončení zatěžování bylo vidět, že u Item 1 není asfaltová vrstva porušena trhlinami ani po 300 000 cyklech, zatímco u Item 7 byly rozevřené trhliny přes celou tloušťku asfaltové vrstvy.

Nižší hodnota svislého napětí na povrchu spodní nestmelené vrstvy byla u zkoušky Item 7 již od počátku zkoušky, kdy ještě nebyla asfaltová vrstva porušena. Souvisí to patrně s tím, že malá tuhost spodní nestmelené vrstvy způsobila to, že asfaltová vrstva byla vůči ní relativně tužší. To pak vedlo k většímu horizontálnímu roznášení svislého napětí v asfaltové vrstvě. Tím by došlo k poklesu svislého napětí působícího na nestmelené vrstvy. Další příčinou rozdílu napětí mezi zkouškami Item 1 a Item 7 může být mírně jiná poloha snímače svislého napětí nebo jiná teplota při zkoušce, která mohla ovlivnit tuhost asfaltové vrstvy. Ve zprávě [6] není vyšší hodnota svislého napětí na povrchu spodní nestmelené vrstvy při zkoušce Item 1 komentována. Pro posuzování chování konstrukce však není podstatná velikost svislého napětí působícího na nestmelené vrstvy, ale růst svislých napětí a deformací, během zkoušky Item 7, v důsledku porušování asfaltové vrstvy opakovaným zatěžováním.

Průběh svislých napětí na povrchu podloží je uveden na obrázku 7. Při prvních zatěžovacích cyklech bylo napětí na podloží mírně větší u zkoušky Item 1. Pak se rozdíl zmenšoval a při 1 000 zatěžovacích cyklech bylo svislé napětí téměř stejné. Potom začalo napětí na povrchu podloží u Item 7 rychle narůstat, až na cca dvojnásobek hodnoty při 1 000 cyklech. Lze předpokládat, že tento růst napětí vedl k nárůstu trvalé deformace podloží a významně přispěl k rychlému růstu trvalé deformace na povrchu vozovky u Item 7 (obrázek 5). Naproti tomu svislé napětí na povrchu podloží u Item 1 zůstalo do konce zkoušky prakticky stejné.

Trvalé deformace při ukončení zkoušek jsou znázorněny na obrázcích 8 a 9 (pro lepší rozlišení přetvoření jednotlivých vrstev je na svislé ose použito zvětšené měřítko). U zkoušky Item 7 byly výrazně větší trvalé deformace všech vrstev vozovky i podloží, přestože počet cyklů do ukončení zkoušky byl 15x menší.

Výsledky experimentů popsaných v [5] a [6] ukazují, že při vysokých svislých napětích od zatížení letadly může při nižší tuhosti nestmelených vrstev docházet opakovaným zatěžováním k poměrně velkým trvalým deformacím těchto vrstev a podloží. Větší zakřivení průhybové čáry trvalé deformace asfaltové vrstvy může pak vést k porušení této vrstvy únavovými trhlinami.

Ve francouzském manuálu STAC pro navrhování vozovek letištních ploch [1] se v článku 6.7.4 požaduje používat do nestmelených vrstev vozovek jen směs složenou ze dvou frakcí s vlhkostí -1 % až +0,5 % od optima při zkoušce Proctor modifikovaný. Nelze tedy užít vrstvu ŠD. Při návrhu letištní vozovky se ve Francii stanoví přípustné vodorovné pružné přetvoření na spodním líci asfaltových vrstev a svislé přetvoření na povrchu podloží. Přípustné svislé přetvoření na povrchu nestmelených vrstev se tedy v manuálu [1] nestanovuje.

Nestmelené směsi horší kvality, použité při zkouškách v USA v [5] a [6], byly užity pravděpodobně proto, že ve státě Mississipi je těchto materiálů dostatek, zatímco kvalitní drcené kamenivo je nutné dovážet z velké vzdálenosti. Proto může být vyztužení nestmelených vrstev geosyntetiky v takovém případě ekonomicky zdůvodnitelné.

Letištní vozovky s vyšším obsahem R-materiálu

Problematice zvýšení obsahu R-materiálu v asfaltových směsích pro vozovky na letištích se věnuje literatura [7]. Dosud se při návrhu směsí pro asfaltové vozovky na letištích ve Francii postupovalo podle předpisu STAC [8] z roku 2009. V něm byla i tabulka s maximálním obsahem R-materiálu v jednotlivých vrstvách vozovky v závislosti na třídě dopravního zatížení. U letištních vozovek se při stanovení návrhového dopravního zatížení vychází z celkové váhy letadla, třídy letadla a četnosti  výskytu. Z toho se v [8] stanoví třídy TC, kterých je v něm 5. Nejpřísnější omezení je pro třídu TC 5. Pro ni je možné v ložné vrstvě použít maximálně 10 % R-materiálu a v podkladní vrstvě 20 %. Pro třídu TC 1 a TC 2 je to v ložní vrstvě 30 % a v podkladní 40 % R-materiálu.

Protože roste tlak na zvyšování obsahu R-materiálu v asfaltových vozovkách, provádí STAC v současné době rozsáhlý
experiment. Při něm bude zatěžováno 6 zkušebních úseků. Každý z nich má plochu 5 x 10 m. Byly realizovány v prostorách STAC v obci Bonneuil-sur-Marne v pařížské oblasti. Složení vrstev má odpovídat vozovce pro pojezdovou dráhu s rychlostí pojezdu letadel 30 km/hod. 

V obrusné vrstvě tloušťky 50 mm je 0 % a 30 % R-materiálu. Ve spodní asfaltové vrstvě tloušťky 140 mm je 0 %, 30 % a 50 % R-materiálu. Pod nimi je nestmelená vrstva tloušťky 500 mm. To bylo zvoleno proto, aby bylo zaručeno, že k porušení dojde v asfaltových vrstvách vozovky, a ne vlivem deformací nestmelených vrstev či podloží. Pro zajištění homogenity podloží byl terén v místě experimentu nejprve odtěžen do hloubky 1,4 m. Poté byly vrstvy podloží znovu provedeny za dokumentovaných podmínek a při realizaci kontrolních zkoušek. Podrobně byly dokumentovány a otestovány i všechny vrstvy vozovky. Bližší údaje o vlastnostech podloží a vrstev vozovky nejsou v citovaném článku uvedeny. Je v něm pouze popsáno, jak bude zatěžování vozovky probíhat a jaké zkoušky budou v průběhu experimentu prováděny.

Příprava experimentu byla zahájena v roce 2021. Zkušební úseky byly realizovány v listopadu 2021 firmou Eiffage Routes. Zatěžování zkušebních úseků má být zahájeno v roce 2023. Ve vozovce byly umístěny snímače teplot. Bude tedy možné sledovat i teploty ve vrstvách vozovky v průběhu experimentu. Budou prováděny rázové zkoušky FWD i laboratorní zkoušky modulu tuhosti a odolnosti proti únavě. 

Protože jde o rozsáhlý experiment, projevily zájem o spolupráci při zkoušení a vyhodnocování zkušebního úseku i zahraniční organizace. Část vzorků a materiálů z vozovky bude dodána americké organizaci pro civilní letectví FAA, laboratorní zkoušky budou provedeny na univerzitě v New Hampshire a na universitě v Parmě v Itálii. Bude se podílet i mezinárodní výzkumná organizace pro zkoušení materiálů RILEM, která vytvořila v roce 2022 technický výbor TC PAR (Performance-based
Asphalt Recycling); informace dostupné na https://www.rilem.net/groupe/par-performance-based-asphalt-recycling-441). Pro TC PAR RILEM má být experiment, organizovaný STAC, referenční stavbou. V rámci spolupráce EAPA a RILEM jsou součástí týmu TC PAR i členové EAPA Breixo Gomez a Laurent Porot. 

Předpokládá se, že první poznatky o chování těchto zkušebních úseků při opakovaném zatěžování budou k dispozici v létě roku 2023. Koncem roku 2023 má být dokončeno vyhodnocení. Na základě poznatků získaných při experimentu se má přistoupit v roce 2024 k revizi předpisu [8]. Je možné, že díky účasti zástupců EAPA v týmu TC PAR bude možné některé dílčí informace o tomto experimentu získat pro naše silniční odborníky již na podzimním zasedání TC EAPA v roce 2023.

Hodnocení kvality spojení vrstev vozovky ovalizační metodou

Kvalitní spojení vrstev vozovky má zásadní vliv na její životnost. Existují různé laboratorní zkoušky na vývrtech z vozovky, kterými je možné kvalitu spojení vrstev hodnotit. To je popsáno v normě ČSN EN 12697-48 Asfaltové směsi – Zkušební metody – Část 48: Spojení vrstev. V české nebo francouzské návrhové metodě, která modeluje vozovku a podloží jako lineárně pružný, vrstevnatý poloprostor, je možné vliv nedokonalého spojení vrstev zohlednit. Rozdíl v uvažování nedokonalého spojení vrstev v těchto dvou metodách byl popsán v [9]. Složitými výpočty metodou konečných prvků je možné přesněji modelovat vliv podmínek na styku vrstev na velikost napětí a přetvoření ve vozovce. Takové výpočty byly provedeny nejen v zahraničí, ale i v České republice [10]. Problém je ovšem v tom, že není dostatek informací o skutečném chování na kontaktu dvou vrstev ve vozovce. Zejména o tom, jak se mění kvalita spojení vrstev během životnosti vozovky. V zahraničí se sledování chování během provozu řešilo v rámci některých výzkumných úkolů umístěním snímačů přetvoření poblíž styku mezi dvěma vrstvami vozovky.

Ve Francii byla navržena již před několika desítkami let tak zvaná ovalizační zkouška. Tou se dá v otvoru po vývrtu z vozovky poměrně jednoduše zjistit přetvoření nad a pod stykem vrstev při zatížení vozovky těsně vedle tohoto otvoru. Provádí se to vložením speciálního zařízení, které měří průměr otvoru v několika výškových úrovních. Zkouška však byla po prvních výsledcích, popsaných v odborných článcích v roce 1979 a 1983, poměrně málo používána, protože byly s realizací a vyhodnocením určité problémy. V roce 2018 byl vyvinut v STAC nový přístroj pro ovalizační zkoušku, který původní přístroj nahradil.

V článku [11] specialistů STAC a provozovatele pařížského letiště ADP (Aeroport de Paris) je vysvětlen princip zkoušky, popis nového přístroje a výsledky měření provedených na letišti CDG v Paříži v roce 2022. V literatuře [12] jsou trojrozměrné modely nového přístroje, znázorněné CAD programem, poznatky z vývoje prototypu přístroje a výsledky prvních měření ve vozovce.

Měření popsaná v [11] byla provedena na nakládací ploše na letišti, která před měřením ještě nebyla pojížděna letadly, takže vozovka byla v neporušeném stavu. Jednalo se o vozovku, která se ve francouzské terminologii označuje jako inverzní. Horní vrstva vozovky byla z cementového betonu tloušťky 270 mm. Pod ní byl asfaltový beton pro podkladní vrstvy (francouzské označení GB) tloušťky 85 mm. Nestmelená vrstva měla tloušťku 400 mm. Tento typ vozovky je pro daný účel vhodný, protože horní betonová vrstva dobře přenese i velká zatížení pod koly letadel a zároveň odolává lépe úkapům paliv používaných letadly. Nejistota je ovšem v tom, zdali lze při návrhu vozovky počítat s dokonalým spojením cementové a asfaltové vrstvy.

Pro zatěžování vozovky v [11] byl k dispozici jen požární vůz se dvěma dvojnápravami s jednou pneumatikou na každé straně. Zatížení na kolo bylo 59 kN, protože vozidlo bylo určené pro pohyb na silničních komunikacích. Vzhledem k velké tloušťce cementové vrstvy byly napětí a deformace obou vrstev vozovky malé. Proto byly i změny průměru válcového otvoru ve vozovce od zatížení vozidlem, jedoucím těsně vedle otvoru, poměrně malé (menší než 10 mikronů). Přesto bylo možné podle autorů článku [11] považovat naměřené hodnoty za spolehlivě zjištěné. Změny průměru otvoru byly měřeny v betonové vrstvě v hloubce 70 mm pod povrchem a 10 mm nad a pod stykem vrstvy cementového a asfaltového betonu.

V hloubce 70 mm se průměr otvoru zvětšil, protože v této úrovni působilo ve vrstvě napětí v tlaku. Nad stykem i pod stykem betonové a asfaltové vrstvy působilo napětí v tahu, přičemž rozdíl hodnot byl minimální s tím, že mírně větší průměr otvoru byl pod stykem. To dokazuje dobré spojení obou vrstev. Mírně větší protažení ve spodní vrstvě odpovídá tomu, že asfal-
tová vrstva má několikrát menší modul tuhosti než vrstva betonová. Na obrázku 10 vlevo jsou změny průměru v příčném směru a na obrázku vpravo změny průměru ve směru pohybu vozidla. V podélném směru došlo k rychlým změnám velikosti deformací, ale mezi vrcholy nedošlo k poklesu deformace na nulu, protože kola dvojnápravy byla blízko sebe. Tvary křivek na obrázku 10 odpovídají velmi dobře přetvořením měřeným snímači umístěnými ve vrstvách vozovky při experimentech na únavových dráhách v zahraničí. Příklady takových měření byly uvedeny v literatuře [13].

V literatuře [11] jsou také údaje o provedených rázových zkouškách vozovky na skladovací ploše letiště přístrojem HWD (Heavy weight deflectometer) a jejich vyhodnocením programem Prediware. Byla při něm použita redukce zpětně vypočteného modulu tuhosti podloží, který vyšel dvojnásobný proti modulu tuhosti nestmelené vrstvy. Tento postup byl tedy stejný jako v případě zkoušek při experimentech na letištní vozovce popsaných v [2]. Informace o použití programu Prediware a redukci modulů podloží byla uvedena v [3], s upozorněním, že v České republice ani v USA se tento způsob systematicky nepoužívá. Zatím není tento postup zaveden ani v manuálu STAC pro letištní vozovky, ani v jiných francouzských předpisech. Nicméně jsme se tímto přístupem u francouzských kolegů nedávno setkali při diskuzích o vyhodnocování zkoušek FWD pro jednu silniční vozovku.

Vliv snížení modulu podloží případně i nestmelených vrstev byl v [3] analyzován na konkrétním případu vzorky v České  republice. Použití redukce modulu podloží by mohlo vést k příliš pesimistickému hodnocení stavu vozovky, zejména proto, že  české návrhové metodě je kritérium pro posuzování porušení podloží nastaveno velmi konzervativně.

V literatuře [11] jsou stručně popsány také výsledky analýzy metodou konečných prvků (MKP) jak pro ovalizační zkoušku, tak pro rázovou zkoušku HWD. Informace o této složité analýze a jejích výsledcích by již byla mimo rozsah našeho obecně zaměřeného textu. V textu článku [11] je zmíněno, že v roce 2022 mají být zorganizována provozovatelem pařížského letiště, skupinou ADP, další měření na pojížděné letištní vozovce s horní betonovou vrstvou pro ověření jejího chování při opakovaném zatěžování.

Asfaltová směs pro letištní vozovky odolná proti úkapům

V čísle RGRA věnovaném letištním vozovkám je rovněž článek o speciální asfaltové směsi odolné proti úkapům kerosenu [14]. Autoři jsou kanadští specialisté firmy McAsphalt, která směs vyvinula, spolu s technickým ředitelem firmy Colas Canada. Popisuje se v něm složení směsi, výsledky laboratorních zkoušek podle amerických norem i požadavků FAA a její použití na zkušebním úseku letiště Pearson v roce 2020. V návaznosti na získané zkušenosti použití na pojezdové dráze na stejném letišti v roce 2021.

Zájemci mohou nalézt podrobnější informace o návrhu této směsi odolné proti úkapům a výsledcích laboratorních zkoušek v článku specialistů firmy McAsphalt, spolu s americkým profesorem Bennertem z univerzity v New Jersey, publikovaném v roce 2018 v Kanadě [15].

Závěr

Odborné články o letištních vozovkách poskytují zajímavé informace o posledních trendech v této problematice, která je v České republice méně známá. Obsahují ale informace užitečné rovněž pro techniky z oboru silničních vozovek.

Literatura                            

[1]      Méthode rationnelle de dimensionnement des chaussées aéronautiques souples. Guide technique STAC, 2014.
https://www.stac.aviation-civile.gouv.fr/fr/publications/methode-rationnelle-dimensionnement-chaussees-aeronautiques-souples

[2]      Roussel J.M., Broutin M., Voisin G., et al.  Etude de la fatigue des chaussées aeronautiques souples. RGRA 2022, No 993, p. 27–29.

[3]      Fiedler J. Zpětné výpočty modulů vrstev vozovky z rázových zkoušek FWD. Silnice mosty 2020, č. 1, str. 26–29.

[4]      Expérimentation sur le comportement des structures de chaussées aéronautiques, 2021, https://www.cerema.fr/fr/actualites/experimentation-comportement-structures-chaussees

[5]      Norwood G.J. Cyclic Plate Testing of Reinforced Airport Pavements—Phase I: Geogrid, DOT/FAA/TC-19/3, February 2019.

[6]      Robinson W.J., Norwood G.J. Cyclic Plate Testing of Reinforced Airport Pavements—Phase II: Geosynthetics, DOT/FAA/TC-19/4, February 2019.

[7]      Roussel J.M., Broutin M., Boulkhemair I. AE dans les chaussées aéronautiques, construction des planches experimentales, RGRA 2022, No 993, p. 36–39.

[8]      Enrobés hydrocarbonés et enduits superficiels pour chaussées aéronautiques, Guide d´application des normes, STAC 2009

[9]      Fiedler J., Bureš P. Vliv předpokladů na návrh polotuhých vozovek v české, slovenské a francouzské návrhové metodě, Konference Podkladní vrstvy a podloží vozovek Brno, 2016.

[10]    Štěpánek M., J. Pěnčík J. Parametrická studie vlivu vzájemného spojení vrstev vozovky, Konference ANSYS 2009,
https://adoc.pub/queue/parametricka-studie-vlivu-vzajemneho-spojeni-vrstev-vozovky.html

[11]    Roussel J.M., Broutin M., Bouteiller R., et al. Caracterisation d´une interface entre couches de chaussées, d´ovalisation, RGRA 2022, No 993, p. 30–35.

[12]    Gharbi M., Chabot A. Towards an adapted ovalization system for flexible airfield pavement interface characterization using rolling-wheel or HWD loads, 2020,  https://www.researchgate.net

[13]    Fiedler J. Napětí a přetvoření ve vozovce při přejezdech vozidel, Silnice mosty 2021, č. 2, str. 35–38.

[14]    Kucharek T., Esenwa M., Varamini S., et al. Enrobé bitumineux aéeronautique anti-kérosène et résistant aux sollicitations mécaniques sévères, RGRA 2022, No 993, p. 46–50.

[15]    Varamini S., Corun R., Bennert T., et al. Development and Field Evaluation of High Performance and Fuel Resistant Asphalt Mixture, 2018, https://fr.mcasphalt.com/wp-content/uploads/download-manager-files/