Négy fókuszterület az Open-Graded Friction Course (OGFC) burkolatok tartósabbá tételéhez
A hagyományos aszfaltkeverékek tervezése során általában arra törekszünk, hogy a bedolgozott elegy lehető legkisebb levegőüreg-tartalommal (air voids) rendelkezzen, tipikusan 6% vagy akár annál alacsonyabb értéken, mert a sűrűbb keverékek az esetek többségében időtállóbbak. A zárt szerkezetű, úgynevezett dense-graded aszfaltok valóban jól védhetők a nedvesség- és oxidációs károsodás ellen. Ezzel szemben az open-graded friction course (OGFC), más néven porous friction course (PFC) keverékeket szándékosan úgy tervezik, hogy magas (kb. 15–20%) levegőüreg-tartalmat érjenek el, ezzel biztosítva az esővíz gyors elvezetését a felületről. Logikusnak tűnik a kérdés: ha a kisebb légüresedés kedvez a tartósságnak, a nagyobb (háromszoros) légüresedés vajon nem rövidíti-e le drasztikusan a burkolat élettartamát?
A tapasztalat sajnos azt mutatja, hogy az OGFC burkolatok élettartama gyakran kb. fele egy sűrű keverékhez képest. Nem véletlen, hogy sok állami közútkezelő (DOT) „járványos méreteket öltő” OGFC-problémáról számol be, ami az amúgy is szűkös költségvetésüket nagy kihívások elé állítja. Ennek ellenére a DOT-ok egyre inkább megkövetelik az OGFC alkalmazását a nagy forgalmú autópályákon, hiszen a biztonsági előnyök (például az aquaplaning kockázatának csökkentése) komoly érvként jelennek meg. A kérdés tehát adott: Miért is ragaszkodunk az OGFC burkolatokhoz? És hogyan lehet őket tartósabbá tenni?
A cikkben bemutatom, miért nem hagyunk fel az OGFC építésével, annak ellenére, hogy rövidebb az élettartamuk, és azt is, hogyan növelhető akár a sűrű keverékekkel összemérhető tartósság.
Miért építünk OGFC burkolatokat, ha nem olyan tartósak?
Az OGFC lényegi előnye a kiváló vízelvezetés. A burkolat felületéről az esővíz gyorsan beszivárog a nyitott pórusokon keresztül a felső réteg belsejébe, majd oldalirányban a padka felé távozik. Miért fontos ez? A hagyományos, sűrű szerkezetű aszfaltburkolatok felületén a keréknyomokban kialakuló kisebb mélyedések, vagy a nem megfelelő lejtési viszonyok miatt megállhat a víz, amely aquaplaninget (a gumiabroncs elveszíti a tapadást a vízréteg miatt) okozhat. Számos statisztika – például a japán közlekedésbiztonsági adatok – szerint a halálos balesetek kb. 80%-a esős időben történik, és az OGFC burkolat alkalmazása 70%-kal csökkentheti ezt az arányt. Ez óriási javulás a közlekedésbiztonság terén.
Egyszerűen fogalmazva: a társadalom nem szeretne teljesen lemondani az autózásról, de a balesetek kockázatát csökkenteni akarja. Az OGFC ezt az igényt elégíti ki: több emberi életet menthet meg, még ha cserébe kevesebb is az aszfalt tényleges élettartama. Innentől érthető, hogy a DOT-ok miért ragaszkodnak hozzá. A műszaki kihívás az, hogy hogyan lehet tartóssá tenni ezt a vízáteresztő keveréket.
Az OGFC tipikus élettartama és állapota
Természetesen a burkolatok élettartama számos tényezőtől függ (forgalmi terhelés, éghajlati körülmények, fenntartás stb.). Ennek ellenére összehasonlításként gyakran hallani, hogy egy hagyományos (dense-graded) aszfaltburkolat 15–20 évre is tervezhető, míg az OGFC-ek jellemzően 6–12 évet bírnak (forrás: NCHRP Report 877). Tehát gyakran fele az élettartam. Ráadásul az OGFC burkolatok esetében már 3–5 év után raveling (szemcsekihullás, felszíni durva kopás) és durva, egyenetlen felület is megjelenhet. Nem minden eset ugyanolyan (lehet 10–12 évig is bírja), de sok helyen már a 6–7. év környékén cserére szorul. Ez igen rövid idő, ha a projektköltségeket és a felhasználók elvárásait nézzük.
A mindennapi gyakorlatban sok állami közútkezelőnek ez túlzottan gyakori felújítási ciklust jelent, és a szűk keretek miatt a DOT-ok arra kényszerülnek, hogy az OGFC-keverékeket finomítsák, módosítsák a nagyobb tartósság érdekében. Az alábbiakban négy olyan tényezőt mutatok be, amelyek befolyásolhatják az OGFC hosszabb távú működését: anyagválasztás, keveréktervezés, kivitelezés, fenntartás (megőrzés).
1. Anyagválasztás
Egy magas levegőüreg-tartalmú aszfalt sokkal hajlamosabb az oxidációra, mivel a pórusrendszerben keringő levegő és víz belülről öregíti a bitument. Ezért egy öregedésálló kötőanyag kiválasztása kulcstényező (például erősen polimerrel módosított kötőanyag vagy speciális adalékokkal ellátott „age-resistant aszfalt”). A FHWA-PROJ-19-0011 projekt keretében 2019 óta folyik kutatás olyan bitumenadalékokkal, amelyek lassítják az öregedést. Florida DOT megbízásából Arámbula-Mercado és munkatársai (2019) vizsgálták a HiMA (Highly Modified Asphalt) alkalmazását OGFC-ben, és előrejelzéseik szerint 7–8 éves hosszabbodást is elérhetnek az OGFC élettartamában. Ezek nagyon jelentős eredmények.
„Egyes, laboratóriumban tesztelt adalékok akár 70–90%-kal is csökkenthetik a kötőanyag öregedését, összehasonlítva a kontrollkeverékkel.” – (Arámbula-Mercado et al., 2019, BE287 jelentés, Florida DOT)
Ha az OGFC keverékeket eleve olyan kötőanyaggal gyártjuk, amely lassabban öregszik, akkor jelentősen megnő a réteg élettartama. Ez különösen fontos ott, ahol extrém hőmérsékleti ingadozások vagy nagy forgalom okozta terhelések roncsolják a felszínt.
2. Keveréktervezés
Bár az OGFC esetében szándékosan magas légüresedés-szintet célozunk meg (általában 15–20%), ez nem jelenti azt, hogy ne lehetne optimalizálni a keveréket tartósság szempontjából. Néhány javaslat:
- Kötőanyagfilm vastagságának növelése: A vastagabb bitumenfilm lassabban öregszik, így tartósabb a keverék. Ehhez több kötőanyag vagy speciális adalékok kellhetnek.
- Poranyag (baghouse fines) hozzáadása: A finom poranyaggal képződő „mastic” (aszfalt + finom töltőanyag) jobban védi az aggregátumokat, erősíti a kötéseket, és segíthet a raveling visszaszorításában.
- Légüresedés csökkentése a megengedett keretek között: Lehet például 20%-ról 15%-ra módosítani a légtartalmat úgy, hogy a vízelvezető képesség megmarad. A lényeg az, hogy továbbra is maradjon átjárható, de valamivel kevesebb légüresedéssel már lényegesen tartósabb lehet a burkolat.
A Cantabro mass loss teszt az OGFC keverékeknél elterjedt módszer a felületi kopásállóság (raveling-ellenállás) jellemzésére. Ha öregítés előtt és után is megmérjük a Cantabro-veszteséget (például 4 órás, 135 °C-os – 275 °F-os – öregítés után), akkor pontosabb képet kapunk a burkolat hosszú távú viselkedéséről. A keveréktervezés során Balanced Mix Design (BMD) megközelítés alkalmazható, amikor a kötőanyag mennyisége elég magas a tartóssághoz, de nem annyira, hogy kicsapódjon (draindown) a gyártás során.
Némi szemléletváltást jelenthet a 3/8” NMAS (10 mm körüli) alkalmazása is. Az NCAT Tesztpályán ez a megközelítés sikeres volt, és akár magasabb AC-tartalmat is lehetővé tett, miközben fenntartotta az OGFC kívánt vízlevezetési tulajdonságait, csökkentette a zajt és a gördülési ellenállást.
A mérések szerint az egyes paraméterek módosítása drasztikusan csökkentheti a Cantabro tömegveszteséget:
- +2% baghouse fines → kb. 30%-os javulás a Cantabro tesztben
- Kötőanyag-tartalom növelése 5%-ról 7%-ra → kb. 40%-os javulás
- Légüresedés mérséklése 20%-ról 15%-ra → akár 80%-os javulás
Természetesen az eredmények anyagfüggők, de jól mutatják, hogy már kisebb keveréktervezési módosítások is nagy hatást fejthetnek ki az OGFC tartósságára.
3. Kivitelezés
Gyakran előfordul, hogy a laborban jól megtervezett keverék a kivitelezési hibák miatt mégis idő előtt tönkremegy. Az OGFC esetében két kritikus aspektus van:
- Rétegek közötti tapadás (bonding)
- Keverék hűlési sebessége
Ha az OGFC és az alatta lévő réteg között nincs megfelelő tack coat, vagy rossz minőségben viszik fel, elkerülhetetlen, hogy a felső réteg idő előtt leváljon, felmaródjon (raveling). A FHWA/TX-12-0-5836-2 jelentés kitér például egy I-35-ös szakaszra, ahol az OGFC burkolat feleút táján kezdett el tömegesen tönkremenni, és a helyszíni vizsgálatok egyértelműen rossz tack coat-ról számoltak be. Tanulságos eset, mennyire „apróságnak” tűnő dolog is végzetes lehet egy OGFC élettartamára nézve.
„Az OGFC projekt idő előtti meghibásodásánál a forenzikus elemzés kimutatta, hogy a felső réteg teljesen elvált az alatta lévőtől, jelentős ravelinget és durva felületet okozva.”
A másik fő kérdés a hűlési sebesség. Mivel az OGFC általában vékony, például 1 col (kb. 2,5 cm), sokkal gyorsabban veszít hőmérsékletet, mint egy 3 colos (7,5 cm) sűrű aszfaltréteg. Alacsony külső hőmérséklet mellett az OGFC akár 7 perc alatt elérheti a kritikus bedolgozási hőmérsékletet, miközben egy vastagabb keveréknél 40–45 perc áll rendelkezésre. Ez kifejezetten extra szervezettséget igényel a kivitelező brigádtól. Ha a hőmérséklet gyorsan lezuhan, akkor a kellő tömörítés (pontosabban „seat and bond” a kismélység miatt) elmarad, ami ravelinghez és idő előtti repedésekhez vezethet.
Lehetséges megoldások a kivitelezésnél:
- Magasabb beépítési hőmérsékletet vagy meleg keverék adalékokat (warm-mix) használni, hogy kitoljuk a tömöríthetőségi időablakot.
- Ügyelni arra, hogy a marás során ne maradjon meg a felületi scabbing, azaz minden apró szemcsés régi maradványt eltávolítsunk. Szükség esetén mélyebb marást, vagy SMA 4,75 mm NMAS alaprétagot alkalmazni, így tiszta, egyenletes felületre kerülhet a tack coat.
- A műszak végén kerülni a túlzott dízelüzemanyagos tisztítást a gépeken. A műszak kezdetekor pedig ajánlott lehet egy teljes „hulladékkeverék” mennyiséget átfuttatni a finisheren, hogy az összes formaleválasztó maradékot kidolgozzuk.
- Ha vastagabb OGFC-réteg lehetséges, kicsit nagyobb esély marad a megfelelő hengerlésre (noha az OGFC-t többnyire vékonyan terítik). Ez is segíthet, bár gazdasági szempontok döntik el, hogy ez mennyire járható út.
4. Megőrzés (fenntartás, kezelés)
Minden értékes befektetés (például az autód) rendszeres karbantartást kíván, különben drasztikusan csökken az élettartama. Ez a helyzet az aszfaltburkolatokkal is, de erről sokszor hajlamosak vagyunk elfeledkezni, és csak akkor nyúlunk hozzá, amikor már jelentős károk mutatkoznak. Az OGFC esetében – a magasabb üregtartalom miatt – fokozott öregedési ütem figyelhető meg, így a megelőző fenntartás még lényegesebb.
A standard aszfaltburkolatoknál bevett emulziós kezelések, tömítőanyagok és felületkezelések viszont az OGFC esetében eltömíthetik a pórusokat. Ez ellentétes a vízáteresztő funkcióval. Ezért óvatosan kell bánni mindenféle bitumenbázisú felületkezeléssel. Egy jó alternatíva lehet a rejuvenáló fog seal – egy vékony, beszívódó emulzió, amely nem zárja le a pórusokat, de javítja a bitumenfilm rugalmasságát és lassítja az öregedést. Az NCAT Tesztpályán jelenleg is folyik kutatás arról, mennyire hatásos ez a módszer az OGFC burkolatoknál. Az első eredmények szerint a felületi aszfalt merevsége már néhány hét után csökken (tehát lazul, rugalmasabb lesz), ami csökkentheti a raveling és repedés kockázatát.
Összegzés
Nincs kétség afelől, hogy komoly tartóssági problémák merülnek fel az OGFC burkolatokkal kapcsolatban. A közlekedési hatóságoknak egyre nehezebb helyzetben kell döntéseket hozniuk, mert miközben a biztonsági szempontok miatt a vízáteresztő (OGFC) rétegek egyre népszerűbbek, ezek élettartama sokszor rövidebb, és drága a gyakori felújítás. Ha azonban odafigyelünk az alábbi négy területre – anyagválasztás, keveréktervezés, kivitelezés, fenntartás –, akkor a tapasztalatok szerint jelentős mértékben (akár több évvel) is meghosszabbíthatjuk az OGFC burkolatok életciklusát.
A valóságban még az sem elképzelhetetlen, hogy e megközelítések kombinációjával az OGFC réteg élettartama elérje, vagy akár meg is haladja a hagyományos sűrű keverékek élettartamát, ésszerűbb életciklus-költségek mellett. Ehhez további kutatások és terepi verifikációk zajlanak (például több állam is végez kísérleteket az NCAT Tesztpályán). A hagyományos aszfaltos gondolkodástól kissé eltérően az OGFC-nél meg kell barátkozni a magasabb üregtartalommal, ugyanakkor okos módon kiválasztani, adagolni és védeni a felhasznált anyagokat. A modern, magas polimertartalmú vagy öregedésgátló adalékokat tartalmazó kötőanyagok, a gondos keveréktervezés, a kiváló kivitelezési gyakorlatok és a rugalmas megőrzési stratégiák együttesen vezethetnek tartósabb OGFC burkolatokhoz.
(A cikk írásához felhasznált források: FHWA-PROJ-19-0011, NCHRP Report 877, NCAT Pavement Test Track kutatások, Arámbula-Mercado et al. 2019, FHWA/TX-12-0-5836-2 és további állami DOT-jelentések.)
Allen az Asphalt Institute Regionális Mérnöke. Powell az Asphalt Pavement Alliance műszaki igazgatója.
