Inovativní vozovka pro velká dopravní zatížení ze tří vrstev SMA v rafinerii Gdaňsk

Příspěvek popisuje unikátní a inovativní typ asfaltové vozovky s velkou odolností vůči pomalu jedoucí těžké dopravě po obslužných komunikacích v rafinerii v Gdaňsku. Původní návrh vozovky byl upraven společností TPA.

Byly navrženy tři vrstvy směsí SMA s použitím vysoce modifikovaného asfaltového pojiva (HiMA) ve všech vrstvách. Práce realizovala firma STRABAG s technickou podporou TPA podle smlouvy se společností LOTOS Asfalt. V článku jsou prezentovány kroky, které byly provedeny pro vyvinutí této inovativní konstrukce vozovky tak, aby splnila požadavky na trvanlivost ve smyslu mechanického chování.

Úvod

V únoru 2016 podepsal STRABAG Sp. z o.o. smlouvu s LOTOS Group na výstavbu vnitrozávodních vozovek a infrastruktury v rámci rozvojového programu Efektivní rafinace (EFRA). Provádí se výstavba nových a rekonstrukce stávajících vozovek, ploch a chodníků i další stavební a elektrické práce.  Práce musí být provedeny ve velmi krátké době vzhledem k paralelní realizaci montážních prací v rámci EFRA firmou Kinetics Technology. Hlavní silniční práce realizovala firma STRABAG, elektrické a další práce provedli subdodavatelé. LOTOS, který je jedním z hlavních výrobců asfaltů v Polsku, měl dvojí roli. Jednak jako zákazník, zadruhé jako dodavatel asfaltu. Celá plocha vozovek (převážně asfaltových) byla 26 000 m².

Projekt EFRA dává možnost vyzkoušet inovativní řešení využitím velmi výkonných asfaltových pojiv vyráběných rafinerií LOTOS. Správná volba asfaltu v projekčním stupni může významně prodloužit životnost vozovky. Použití asfaltů modifikovaných polymery v obrusné a ložné vrstvě zvyšuje trvanlivost vozovky o 20−25 %. Použití silně modifikovaného asfaltu ve všech třech vrstvách zajistí její dlouhou životnost. Druhým cílem bylo nahradit cementový beton v parkovacích plochách a doložit, že řešení s asfaltem je účinnější z hlediska vlastností a ekonomiky. Pro realizaci nové myšlenky byla přizvána TPA Polsko, která je součástí skupiny STRABAG, aby vytvořila speciálně navrženou asfaltovou vozovku. Výstavba silniční infrastruktury v rámci projektu EFRA byla dobrým příkladem použití nových a inovativních řešení při moderní optimalizaci procesu výstavby. Vozovka byla TPA navržena speciálně pro tento druh pomalu jedoucí těžké nákladní dopravy použitím vysoce modifikovaného asfaltu (HiMA) vyráběného firmou LOTOS. Tyto typy asfaltových směsí byly optimalizovány použitím moderních asfaltových pojiv.

Nová idea – inovativní řešení pro vozovky s velkým dopravním zatížením

Výstavba nových jednotek vyžadovala též návrh a stavbu vozovek, které budou používány hlavně pro spojení mezi výrobnami. Konstrukce vozovek v areálu rafinerie je realizována firmou STRABAG. Nejnáročnějším požadavkem na nové vozovky je odolávat zatížení kamiony převážejícími koks ze skladů k odběratelům. Vzhledem k pomalému pohybu velmi zatížených vozidel na těchto vozovkách by standardní asfaltová vozovka byla nevhodná z hlediska předpokládané trvanlivosti. Aby se zajistilo, že těžká nákladní vozidla, přepravující okolo 300 000 tun koksu ročně a pohybující se velmi pomalou rychlostí, vozovku rychle nepoškodí, LOTOS se rozhodl nahradit silniční asfalty na všech vozovkách použitých v rámci projektu EFRA. Vozovky budou vystaveny velkému zatížení pomalu jedoucí dopravou. Byla předpokládána návrhová rychlost 20 km/hod. To má dlouhodobý nepříznivý vliv na konstrukci vozovky. Proto musí být vozovka velmi tuhá, odolná proti deformacím, ale zároveň odolná proti trhlinám.

Podle původního návrhu měly být na parkovacích plochách (se statickým zatížením) a na manipulačních plochách betonové vozovky. Tento návrh nesplňoval očekávání LOTOS Asfalt, který chtěl podporovat používání nových asfaltových technologií. Návrh použít speciální druh vozovky s asfalty HiMA byl podán několik dní před podpisem smlouvy. Inženýři se zaměřili na myšlenku, že tento projekt by mohl být velkou šancí vyzkoušet ve skutečném měřítku novou a inovativní konstrukci vozovky s různými novými druhy asfaltů pro pomalu jedoucí těžkou dopravu. Protože nemohlo dojít ke zpoždění v realizaci projektu, měli inženýři z TPA, která zajišťuje technickou podporu pro STRABAG, velmi málo času na přípravu návrhu vozovky a realizaci počátečních zkoušek typu. Na brainstormingovém jednání padl návrh na „věčnou“ vozovku s SMA od podkladní až po obrusnou vrstvu. Zdá se, že v té době to bylo první použití vozovky složené jen z SMA v Evropě, možná i v celém světě. Díky použití speciálního asfaltu HiMA se vozovka stala velmi odolnou proti přetvoření. Inženýři z TPA ji nazvali „Třívrstvý SMA pro vozovky s velkým dopravním zatížením“. Tento název je vyhrazen pro vozovky, které jsou velmi odolné proti trvalým deformacím a únavě i pro velká zatížení od pomalu jedoucích těžkých nákladních vozidel. Byl to též první skutečný test koncepce vozovky pro velká zatížení s trvanlivou technologií SMA odolnou proti deformacím. Z teoretického pohledu by toto mohlo být perfektním řešením pro všechny velmi zatížené vozovky s velkým podílem těžké nákladní dopravy z průmyslových závodů, manipulační plochy, plochy před mýtnými zařízeními a oblastmi u křižovatek. Účelem těchto zkušebních sekcí v měřítku 1:1 bylo prokázat, že skutečné chování vozovky jen z vrstev SMA odpovídá teoretickým předpokladům. To by mohlo umožnit, aby byla řešení založená na tomto konceptu uvedena na trh. TPA, STRABAG a LOTOS se rozhodly být prvními společnostmi, které udělají tento průkopnický čin.

Silně modifikovaný asfalt (MODBIT HiMA) od společnosti LOTOS

V posledních několika desetiletích se modifikovaný asfalt stal osvědčenou koncepcí přidané hodnoty svým přínosem k zvýšené trvanlivosti vozovky. Je velmi dobře známo, že asfaltová pojiva modifikovaná polymery mají lepší vlastnosti. Vyšší stupeň modifikace poskytuje příznivější parametry. Pojivo je charakterizováno menší citlivostí parametrů vůči teplotním změnám. To přispívá k lepší kvalitě asfaltových směsí, jako vyšší odolnost proti únavě, vzniku trhlin za nízkých teplot a trvalým deformacím. Předpokládaná dopravní zatížení a změněné klimatické podmínky vyžadují použití asfaltů vyšší kvality než těch, které jsou získány přímo z rafinace ropy. V současné době se nejčastěji používá pro zlepšení vlastností asfaltů SBS (blokový kopolymer styrenu a polybutadienu). V poslední době se při budování silnic v Polsku stalo používání asfaltů modifikovaných SBS nutností. V současné době dosáhl podíl modifikovaných asfaltů při stavbách silnic více než 20 %.

Před několika lety se stala modifikace více než 6 % hmotnosti pojiva prakticky použitelná, ale výroba asfaltových směsí s takovým pojivem byla velmi obtížná kvůli velmi vysoké viskozitě směsi. Důsledkem bylo, že doprava a zejména pokládka asfaltových směsí působila i při příznivém počasí značné problémy při hutnění směsí. Současná inovativní řešení v chemii polymerů a dostupnost širokého rozsahu přísad pro zlepšení zpracovatelnosti minimalizují tuto nevýhodu.

Asfalt MODBIT HiMA s obsahem SBS přesahujícím historickou úroveň 6 % se používá u technologií „za horka” při téměř stejném oboru technologických teplot. Nové druhy polymery vysoce modifikovaného asfaltu (MODBIT HiMA 25/55-80, 45/80-80 a 65/105-80) zavedl LOTOS na trh v roce 2014. Vlivem většího objemu rozptýleného polymeru, vyšší odolnosti proti stárnutí a vyšší pevnosti nových pojiv HiMA byl umožněn vývoj inovativních řešení pro snižování hlučnosti povrchů vozovek a pro větší odolnost proti poškození.

Všechna nová vysoce modifikovaná pojiva splňují požadavky normy EN 14023:2011, zejména technické parametry uvedené v polském národním dokumentu PN-EN 14023:2011/Ap1:2014-04.

Nová pojiva HiMA se vyznačují významně novou úrovní výkonnosti. Tento technologický pokrok je obdobný jako při srovnání silničních asfaltů s běžnými PMB s bodem měknutí okolo 60 ^oC. Rozdíl je velmi dobře doložen zkouškami asfaltových směsí s pojivy HiMA, nebo při použití zkoušek funkčních vlastností asfaltů. Zkoušky funkčních vlastností provedených LOTOS Asfalt dokládají lepší vlastnosti pojiv HiMA nejen vůči silničním asfaltům, ale i vůči běžně používaným PMB se středním dávkováním SBS. Na obrázku 3 je porovnání třech druhů pojiv při zkoušce MSCR. Nevratná smyková poddajnost J_nr stanovená ze zkoušky MSCR silně koreluje s výsledky zkoušek odolnosti proti trvalým deformacím zkouškou pojíždění kolem, zejména přírůstkem vyjeté koleje za 10 000 cyklů WTS_AIR. Čím je parametr J_nr menší, tím větší je odolnost asfaltu proti deformacím.

Pro tři asfalty, uvedené na obrázku 3, které měly stejnou konzistenci při středních teplotách, byly dále stanoveny únavové charakteristiky zkouškou LAS (Linear Amplitude Sweep, tj. zkouškou opakovaným zatěžováním při jedné teplotě pro různé frekvence a následně zkouškou s kontinuálně rostoucí amplitudou přetvoření ve stejných intervalech při jedné frekvenci zatěžování). Obrázek 4 ukazuje výsledky zkoušek krátkodobě stárnutého pojiva při zkušební teplotě 15 °C. Hodnota únavového kritéria Nf koreluje s únavovým kritériem asfaltové směsi při zkoušce v čtyřbodovém ohybu na trámku. Čím vyšší je hodnota Nf pro danou úroveň přetvoření, tím vyšší je odolnost proti únavě.

Koncepce vozovky pro velká dopravní zatížení se 3 vrstvami SMA

Tradiční koncepce navrhování vozovek je založena na diverzifikaci tlouštěk a kvality materiálů v závislosti na poloze vrstvy. Čím hlouběji je vrstva vozovky, tím větší je maximální zrno a tím menší je kvalita použitých materiálů. Nejspodnější asfaltová vrstva tradiční vozovky má vždy nejmenší odolnost proti únavě, protože má nejmenší obsah asfaltu a největší mezerovitost. Taková spodní asfaltová vrstva poskytuje poměrně velkou tuhost celé vozovce. Proto bývala někdy označována jako „základ“ asfaltové vozovky. Ovšem největší tahová přetvoření od dopravního zatížení se vyskytují na spodu této vrstvy, která je poměrně málo poddajná.

Koncepce vozovek s dlouhou životností je v různých zemích různá, ale hlavní cíl je, že má vydržet bez rekonstrukce v dlouhé perspektivě s výjimkou plánovaných výměn obrusné vrstvy. Vlastnosti každé vrstvy je možné zvolit a optimalizovat v závislosti na její funkci ve vozovce. Podkladní vrstva by měla být tenčí a poddajnější pro dobrou odolnost proti únavě. Ložná vrstva by měla být silnější a odolná proti deformacím. Obrusná vrstva by měla chránit spodní vrstvy a splňovat požadavky na bezpečný provoz. Spodní vrstva nazývaná někdy „proti-únavová“, tj. s velkou odolností proti únavě, by měla být tenčí, mít vyšší obsah pojiva, což poskytuje vysokou flexibilitu a pružnost stejně jako vysokou odolnost proti únavě. V tomto případě bylo, kvůli pomalé a těžké dopravě, po interní diskuzi našeho expertního týmu z TPA, rozhodnuto, že použití vrstev SMA s velkou stabilitou kombinované s HiMA poskytne nejlepší výkonnost. To umožní též zvýšit významně odolnost proti dynamickým a/nebo kvazi-statickým deformacím (trvalé deformace, otisky pneumatik atd.) způsobené pomalými pohyby těžkých kamionů převážejících zbytky po rafinaci.

Při návrhu vozovky byly tyto hlavní předpoklady

• návrhová rychlost 20 km/h
• 300 000 tun koksu za rok
• maximální dovolené zatížení nápravy 115 kN

Byly předpokládány snížené moduly E, aby se simuloval vliv malé rychlosti (20 km/h).

Výsledný návrh vozovky byl se směsmi SMA 16 a SMA 22. Podle toho jakou úlohu měla vrstva ve vozovce hrát, byly použity dva vysoce modifikované asfalty MODBIT HiMA 25/55-80 nebo MODBIT HiMA 45/80-80. Kombinace různých asfaltů a zrnitostí SMA umožnila použít dvě různé vrstvy s SMA. Obrusná vrstva byla navržena jako SMA 16 s PMB 45/80-80 a ložní vrstva odolná proti deformacím jako SMA 22 s 25/55-80. Podkladní vrstva odolná proti únavě byla SMA 16 s PMB 45/80-80. Obrusná vrstva s SMA se zrnitostí do 16 mm byla použita pro svou vysokou stabilitu, odolnost proti deformacím a smykovým silám. Ložná vrstva SMA 22 byla navržena tak, aby zlepšovala odolnost vozovky proti trvalým deformacím. Ložná vrstva má největší tloušťku a též nejhrubší zrnitost. Poprvé byla směs SMA použita do podkladní vrstvy jako vrstva odolná proti únavě.

Použití vysoce modifikovaného asfaltu MODBIT HiMA 45/80-80 významně zlepšuje vlastnosti všech asfaltových směsí. Návrh směsi SMA 16 a SMA 22 byl založen na německých požadavcích pro navrhování a provádění alternativních ložních asfaltových vrstev „H AL ABi“ (Hinweise für die Planung und Ausführung von alternativen Asphaltbinderschichten). Obě směsi byly navrženy jako velmi hutné s mezerovitostí 3,0 – 4,0 %. Obě směsi splnily požadavky na odolnost proti trvalým deformacím ve velkém přístroji podle normy PN-EN 12697-22, odolnost proti únavě dle PN-EN 12697-24, komplexní dynamický modul v přístroji SPT dle americké výzkumné zprávy NCHRP 9-29:PP 02, odolnost vůči vzniku trhlin při nízkých teplotách metodou TSRST dle PN-EN 12697-46 a dalších fyzikálních zkoušek.

Průměrná hodnota komplexního modulu zkoušené asfaltové směsi SMA 16 ze 6 zkušebních těles byla E* = 9 648 MPa (T = 10 °C, f = 10 Hz). Odolnost vůči únavě stanovená zkouškou 4 PB-PR, vyjádřená jako přetvoření pro million cyklů, byla ε6 = 225 [µm/m]. Citlivost vůči vzniku trhlin za nízkých teplot směsi SMA 16 byla stanovena metodou TRST. Byla zjištěna teplota vzniku trhliny T = −34,7 °C při napětí v tahu σ = 5,3 MPa. Hlavní křivka (master curve) dynamického modulu směsi SMA 16 a SMA 22 v přístroji SPT je na obrázku 6.

Analogicky průměrný komplexní modul pro zkoušenou směs SMA 22 ze 6 zkušebních těles byl E* = 11 240 MPa (T = 10 °C, f = 10 Hz). Odolnost proti únavě zkouškou 4 PB-PR, vyjádřená jako přetvoření při milionu cyklů, byla ε6 = 198 [µm/m]. Teplota vzniku trhliny na vzorku SMA 22 při zkoušce TSRST byla T = −26,0 °C při napětí v tahu σ = 4,1 MPa.

Optimalizace asfaltové směsi probíhala současně s návrhem, aby poskytla co možná nejpřesnější návrhové parametry. Návrh asfaltové směsi byl dokončen až před pokládkou, právě včas pro zahájení skutečného ověření. Směsi pro asfaltové vrstvy byly vyrobeny na standardní obalovně a dopravovány tak, jak je pro SMA zvykem. Neobvyklé bylo, že kvůli malému objemu výroby byl vysoce modifikovaný asfalt dopravován přímo z kamionu s asfaltem na váhu asfaltu bez využití asfaltového hospodářství na obalovně. Asfaltové směsi byly položeny standardními finišery a hutněny statickými a vibračními (oscilačními) válci s ocelovými běhouny.

Systém kontroly kvality byl rozdělen na dvě části. Kontrola na obalovně a kontrola při pokládce. Inspekce na obalovně zahrnovala zkoušky kameniva, tj. zrnitost, objemovou hmotnost. Kontrola při pokládce byla prováděna sondou PQI (Pavement Quality Indicator) využívající elektromagnetických vln. Výsledné vlastnosti vrstvy byly potvrzeny vývrty a dalšími laboratorními zkouškami. Jednání na stavbě se zákazníkem a další aktivity umožnily dosažení dohody, že z důvodů homogenizace celého povrchu vozovky bude obrusná vrstva provedena najednou na každé sekci.

V současné době ještě nejsou všechny vozovky dokončeny. Jsou úseky, kde byla položena jen podkladní vrstva odolná proti únavě. Obrusná vrstva není zatím položena nikde. Projekt má být hotov v květnu 2018.

Shrnutí

Inženýři ze společnosti STRABAG a TPA, pracující pro LOTOS Asfalt, měli velmi krátký čas na koncepci a přípravu druhu vozovky navržené podle speciálního požadavku zákazníka pro velmi nepříznivé dopravní zatížení (pomalá a těžká doprava). Inovativní konstrukce vozovky, která nebyla předtím takto provedena, je prvním ověřením ve skutečném měřítku v celém světě vozovky pro těžká dopravní zatížení typu „Třívrstvá SMA s asfaltem HiMA“. Úseky s nejvyšším dopravním zatížením a manipulační plochy byly místo cementobetonových vozovek realizovány jako asfaltové vozovky typu „tři vrstvy SMA pro velká dopravní zatížení“. Tím se plocha asfaltových vozovek zvýšila o 2 600 m2 proti předběžnému pracovnímu plánu. Po dokončení stavebních prací bude čas a příležitost zahájit sledování a kontrolu výkonnosti inovativní vozovky. Zatím byla nedokončená vozovka (dosud nebyla provedena obrusná vrstva) již vystavena velmi těžkému a pomalému zatížení při přepravě dílů instalovaných výrobních jednotek EFRA. Samopojízdná plošina SMPT měla tlak na nápravu 142 kN. I přesto, že horní vrstva chybí, vozovka přečkala tuto přepravu bez viditelných a měřitelných deformací. Plánované dlouhodobé sledování chování vozovky ukáže v příštích několika letech, zda teoretické předpoklady odpovídají skutečným podmínkám v provedené vozovce.

Autoři:

Igor Ruttmar, Marcin Hering, Agata Grajewska, TPA Sp. z o.o.
Paweł Czajkowski, LOTOS Asfalt Sp. z o.o.

Překlad:

Ing. Jiří Fiedler

Literatura

[1]  David H. Timm, Mary M. Robbins, J. Richard Willis, Nam Tran, NCAT Report 13-03, Field and Laboratory Study of High-Polymer Mixtures at the NCAT Test Track, 2013
[2]  Adam J. Taylor Bernard Eckmann, Sabine Largeaud, Ronald Van Rooijen, Luc Planque, Michael Farrar, Jean-Pascal Planche, New bitumen performance indicators – A feasibility study.  E&E Congress 2016, 6^th Eurasphalt & Eurobitume Congress, June 2016, Prague, Czech Republic
[3]  Nikhil Saboo and Praveen Kumar, Performance Characterization of Polymer Modified Asphalt Binders and Mixes, Advances in Civil Engineering, 2016
[4]  Carl Robertus, Ronald Van Rooijen, Laima Thimm, A COMPARISON OF BINDER TESTS THAT RELATE TO ASPHALT MIXTURE DEFORMATION, 5th Eurasphalt & Eurobitume Congress, 13-15^th June 2012, Istanbul
[5]  PN-EN 14023:2011/Ap1:2014-04