Texturování ztvrdlého betonu metodou grinding pro nízkohlučné cementobetonové kryty – výsledky výzkumných projektů v Německu

Textura povrchu vozovky hraje podstatnou roli při vzniku hluku na styku pneumatika/vozovka. Ovlivňuje jak kmitání pneumatik na vozovce, tak i aerodynamické procesy mezi pneumatikou a vozovkou, které vedou ke vzniku hlukových emisí. Technologie Grinding (broušení) se v Německu úspěšně používá již po léta, především pro zlepšení protismykových vlastností, případně rovinatosti. Jako pozitivní vedlejší efekt bylo zjištěno, že textury vytvářené technologií Grinding mohou snižovat hlučnost povrchu vozovky. Dosud však není známo, s kterými typy textury Grinding lze spolehlivě dosáhnout trvale nízkohlučných povrchů vozovek. V ukončeném výzkumném záměru (Villaret 2011) [2] byl zkoumán vliv různých parametrů na vlastnosti cementobetonových krytů s texturou Grinding a na ovlivnění vzniku hlukových emisí v případě jejího použití. Na základě získaných poznatků byly v navazujícím výzkumném záměru (Villaret 2015) [3] optimalizovány geometrie textur a složení betonu pro výrobu nízkohlučných cementobetonových krytů s protismykovými vlastnostmi s dlouhou trvanlivostí.

Technologie Grinding a Grooving

U technologie Grinding jsou řezné kotouče, osazené na rotujícím hřídeli, vedeny přes betonovou plochu. Na okraji řezných kotoučů se nacházejí diamantové segmenty, které mohou mít různou šířku. Rozestup jednotlivých řezných kotoučů je řízen distančními vložkami, umístěnými mezi nimi. K dosažení trvanlivé geometrie textury je nutno volit takovou hloubku broušení betonového povrchu, že je rovnoměrně odstraněna malta na povrchu, až se objeví zrna hrubého kameniva. Toho se dosáhne zpravidla v hloubce 3 mm až 5 mm.

Textura Grinding sestává z rýh a z výstupků původního povrchu cementobetonového krytu. Forma rýh se řídí formou diamantových segmentů. Výstupky mezi rýhami vznikají u technologie Grinding zpravidla jako důsledek nedefinovaného vylamování betonu mezi jednotlivými diamantovými segmenty. Výška a tvar výstupků závisejí jak na betonu (pevnost, druh hrubého kameniva), tak na rozestupu diamantových segmentů (t). Pro zlepšení protismykových vlastností se v praxi zpravidla pracuje s šířkou diamantových segmentů (s) 3,2 mm, případně 2,8 mm při rozestupu diamantových segmentů (t) 2,2 mm (obrázek 1).

Obrázek 1: Uspořádání řezných kotoučů a distančních vložek

Obrázek 2: Hřídel pro provádění technologie Grinding; uprostřed pohled na hřídel zblízka, vpravo textura Grinding

Také u technologie Grooving (drážkování) jsou vedeny řezné kotouče, osazené na rotujícím hřídeli, po povrchu cementobetonového krytu. Na rozdíl od technologie Grinding je v tomto případě rozestup diamantových segmentů větší než 10 mm; v důsledku toho nedochází k vylamování betonu mezi jednotlivými diamantovými segmenty. Pro texturu jsou typické rýhy v betonu. Metoda se používá hlavně pro zlepšení odtoku vody z povrchu cementobetonového krytu (obrázek 3).

Obrázek 3: Textura Grooving

Vlastnosti textur Grinding

K posouzení vlastností textur a jejich trvanlivosti byly zkoušeny protismykové vlastnosti i snížení hluku na styku pneumatika/vozovka [2]. Na obrázku 4 jsou znázorněny hodnoty protismykových vlastností úseků s texturou Grinding v Německu.

Ukazuje se, že nezávisle na době provozu všechny zkoušené úseky vykazují protismykové vlastnosti výrazně vyšší, než jsou hodnoty požadavků pro nově položené cementobetonové kryty (0,46 při rychlosti 80 km/h). Hodnoty protihlukových vlastností jsou znázorněny na obrázku 5.

Obrázek 4: Hodnoty protismykových vlastností na dálnicích s texturou Grinding (metoda měření: SKM)

Obrázek 5: Hodnoty protihlukových vlastností úseků s texturou Grinding (měření hladiny hluku metodou SPB)

Za nízkohlučné se považují povrchy vozovek, které při měření hladiny hluku metodou SPB (Statistical Pass-By Method) vykazují hladinu hluku nižší než je referenční hodnota 85,2 dB(A) při rychlosti 120 km/h. Čtyři z pěti výsledků na zkušebních úsecích, které jsou zde představeny, jsou nižší než tato referenční hodnota. Nejnižší hladina hluku 82,2 dB(A) byla zjištěna u textury Grinding, která byla v době měření nejstarší – vozovka byla v provozu 10 let.

Zkoušky na zkušebních úsecích prokázaly, že se tradiční textury Grinding vyznačují dobrou trvanlivostí protismykových vlastností a mohou být rovněž nízkohlučné. Dosud však nebylo známo, s kterými geometriemi textury lze bezpečně dosáhnout trvalého snížení hladiny hluku při současném zabezpečení požadovaných protismykových vlastností.

Laboratorní zkoušky

V rámci laboratorních zkoušek byly nejdříve provedeny studie parametrů, aby se stanovily rozhodující vlivy na snižování hluku silničního provozu. K tomu účelu bylo vyvinuto laboratorní zařízení s řeznými kotouči a distančními vložkami obvyklými v praxi.

V tomto zařízení může být na hřídeli současně namontováno maximálně sedm řezných kotoučů. Průměry řezných kotoučů činí 350 mm, průměr distanční vložky 200 mm. Řezací hlava je poháněna elektromotorem o výkonu 2 200 W. Při počtu otáček 2 800/min lze dosáhnout hloubek řezání až 10 mm. Pod řezací hlavou jsou umístěna betonová zkušební tělesa na pojízdném stole. Maximální rozměry zkušebních těles (délka × šířka × výška) činí 400 mm × 400 mm × 90 mm. Pro texturování zkušebních těles byla nejdříve řezací hlava snížena ručně na požadovanou hloubku řezu. Pomocí indikátoru polohy bylo možné nastavit hloubku řezu s přesností na desetinu milimetru. Následně byl stůl se zkušebními tělesy pomocí vřetena ručně veden řezací hlavou, a tak byla texturována první dráha v šířce cca 3 cm. Pomocí bočního posunu stolu (rovněž s přesností na desetinu milimetru) bylo zkušební těleso přemístěno o šířku texturované dráhy a byla texturována další dráha. Postup byl opakován, až byla texturována celá plocha.

Obrázek 6: Zařízení pro laboratorní výzkum technologie Grinding

Pro první řadu laboratorních zkoušek byla použita zkušební tělesa z malty. Použití malty umožnilo vyloučit vliv hrubého kameniva na geometrii textury. V první části zkoušek byla rovněž obměňována šířka distanční vložky, aby se zkoumal její vliv na geometrii textury, a tím i na předpokládané hlukové emise. Šířka distanční vložky se nacházela mezi 1,00 mm a 20,00 mm. Šířka použitého řezného kotouče s diamantovým segmentem byla stanovena jednotně na 3,2 mm. Hloubka řezání činila 3,00 mm.

Obrázek 7: Zkušební tělesa z malty s různými šířkami distanční vložky d

Na základě velmi malého rozestupu řezných kotoučů jsou při vzdálenosti 1,0 mm až 2,0 mm výstupky velmi úzké a vykazují velmi rovnoměrný tvar a malou výšku. Při zvětšení šířky distanční vložky se výstupky nekontrolovaně vylamují a jejich výška se zvyšuje, což vede k větším hloubkám textury. Od šířky distanční vložky 3,0 mm vykazují výstupky velmi nehomogenní obraz vylamování. Výška těchto výstupků odpovídá v jednotlivých případech hloubce řezu 3,0 mm. Od šířky 5,0 mm už nedochází k vylamování výstupků. Výška výstupků tak odpovídá hloubce řezu. Od této šířky distanční vložky odpovídají textury přesně texturám Grooving.

K posouzení hloubky textury byla stanovena hodnota ETD (Estimated Texture Depth – odhadnutá hloubka textury) podle EN ISO 13473-1 Popis textury vozovky pomocí profilů povrchu – Část 1: Určování průměrné hloubky profilu. Metoda ETD prováděná zařízením ELAtextur poskytuje výsledky srovnatelné se zkouškou „Měření hloubky makrotextury povrchu vozovky odměrnou metodou“.

Hloubky textury při zvětšování šířky distanční vložky nejdříve narůstají, protože se zvyšuje výška výstupku. Avšak od šířky distanční vložky 5,0 mm jsou hodnoty ETD výrazně vyšší, protože v tomto případě už nedochází k vylamování výstupku a výška výstupku je maximální (odpovídá hloubce řezání). Při dalším zvětšení šířky distanční vložky (> 5,0 mm) zaznamenávají hodnoty ETD opět pokles, protože se zvětšuje vzdálenost rýh.

K posouzení protihlukových vlastností povrchů byly stanoveny laserovým profilometrem další vlastnosti textury povrchu, relevantní pro snižování hluku silničního provozu, a rovněž odpor proti proudění vzduchu na povrchu, indikovaný texturou. Stanovení odporu proti proudění vzduchu bylo provedeno podle normy EN 29053 Akustika. Materiály pro použití v akustice. Stanovení odporu proti proudění vzduchu.

Na základě těchto měření byla předpokládaná hladina hluku od pojíždějící pneumatiky vypočtena simulačním programem SPERoN (Statistical Physical Explanation of Rolling Noise). Výpočtový model označený akronymem SPERoN byl vyvinut v rámci výzkumného projektu „Nízkohlučná silniční doprava – snížení hluku na styku pneumatika/vozovka“ (Spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum, 2002) a projektu ITARI (Integrated Tyre and Road Interaction), (firma Müller-BBM ve spolupráci se švédskou Technologickou univerzitou v Göteborgu).

Zkušební úseky

Zkušební úsek 1

Na základě poznatků z laboratorních zkoušek byly cementobetonové kryty různého složení betonu na několika zkušebních úsecích texturovány různými variantami technologie Grinding. Na dálnici A 13 byl u Mittenwalde (km 7,800 až 16,000) z důvodu nevyhovujících protismykových vlastností texturován technologií Grinding, případně Grooving, pruh pro nákladní vozidla v obou směrech jízdy. Podstatné poznatky z výzkumů jsou uvedeny dále. Pro výzkum vlivů dodatečně provedených rýh u technologie Grooving na vlastnosti textury byla vzdálenost rýh Grooving (rozestup řezných kotoučů) obměňována (tabulka 1).

Tabulka 1: Textury na dálnici A 13

Obrázek 8: Kombinace technologií Grinding a Grooving – vzdálenost rýh u technologie Grooving činí 20 mm

Na základě poznatků z laboratorních zkoušek byly cementobetonové kryty různého složení betonu na několika zkušebních úsecích texturovány různými variantami technologie Grinding. Na dálnici A 13 byl u Mittenwalde (km 7,800 až 16,000) z důvodu nevyhovujících protismykových vlastností texturován technologií Grinding, případně Grooving, pruh pro nákladní vozidla v obou směrech jízdy. Podstatné poznatky z výzkumů jsou uvedeny dále. Pro výzkum vlivů dodatečně provedených rýh u technologie Grooving na vlastnosti textury byla vzdálenost rýh Grooving (rozestup řezných kotoučů) obměňována (tabulka 1).

Hodnoty protismykových vlastností se nacházejí, nezávisle na vzdálenosti rýh v technologii Grooving, výrazně nad stanovenou hodnotou požadavků 0,46 pro nově vybudované úseky.

Nejvyšší hodnoty protismykových vlastností vykazuje úsek texturovaný technologií Grooving s rozestupem řezných kotoučů 10 mm. V tomto případě má malá vzdálenost rýh Grooving zlepšit vodorovné drenážní vlastnosti povrchu vozovky, a tím příznivě ovlivnit i protismykové vlastnosti. Pro kontrolu protihlukových vlastností byla nejdříve provedena měření metodou CPB (Controlled Pass-By), u níž se měření provádí testováním dvou automobilů (jeden malý, druhý velký) s vybranými pneumatikami (na každý automobil dvě sady). Na vybraném úseku míjejí připravený mikrofon se zapnutým motorem a jedou kontrolovanou rychlostí. Měří se maximální hladina hluku a dále se provádí výpočet průměrné hodnoty pro konkrétní rychlosti. Výsledky měření metodou CPB nelze přímo přenést na měření statistickou metodou při průjezdu (SPB), ukazují však, v jaké řádové hodnotě se mohou nacházet výsledky měření metodou SPB.

Podobně jako při laboratorních zkouškách bylo zjištěno při rozestupu řezných kotoučů 5 mm až 20 mm zlepšování protihlukových vlastností při technologii Grooving s rostoucí vzdáleností rýh. Nejnižší hladina hluku  80,9 dB(A) byla zjištěna při vzdálenosti rýh 20 mm, protože při větší vzdálenosti rýh má vzduch méně kanálků, kterými by mohl proudit, což vede k poklesu podílu aerodynamického hluku. Vztaženo na referenční hodnotu 85,2 dB(A) (pro měření metodou SPB) by bylo v tomto případě dosaženo snížení hladiny hluku:

85,2 dB(A) – 80,9 dB(A) = 4,3 dB(A)

Protože použitý typ pneumatik je nutno považovat za reprezentativní pro soubor vozidel při měření metodou SPB, lze vycházet z toho, že popsaná textura umožňuje snížení hladiny hluku až o 4 dB(A).

Zkušební úsek 2

V rámci údržby a oprav dopravních ploch byla na spolkové dálnici A 12 v levém jízdním pásu mezi km 34,100 až 36,500 v délce 2,400 km plánována celková rekonstrukce cementobetonového krytu v úrovni nivelety stávající vozovky. V rámci rekonstrukce byl úsek mezi km 34,100 až 35,000 vybudován jako zkušební úsek. Na tomto zkušebním úseku byly položeny tři typy betonu pro horní vrstvu, kombinované se třemi texturami uvedenými na obrázku 9.

Obrázek 9: Rozdělení zkušebního úseku do devíti různých sekcí

Kamenivo použité pro horní vrstvu cementobetonového krytu bylo stejného původu a lišilo se jen v maximální velikosti zrna, případně v čáře zrnitosti. Jako beton pro horní vrstvu cementobetonového krytu byl použit tradiční beton s maximální velikostí zrna 22 mm (Beton 1) a dva betony s povrchem s obnaženým kamenivem s maximální velikostí zrna 8 mm. Při složení betonu s povrchem s obnaženým kamenivem byla použita přerušená čára zrnitosti (Beton 2) a plynulá čára zrnitosti (Beton 3). Ve stáří betonu 5 dní bylo nejdříve provedeno texturování technologií Grinding pro dosažení odpovídající rovinatosti, ve stáří 7 dní, byla provedena technologie Grinding s texturami uvedenými v tabulce 2.

Tabulka 2: Textury na dálnici A 12

Je zřejmé, že protismykové vlastnosti na všech úsecích vykazují hodnoty vyšší, než je hodnota požadavku stanovená pro novostavby (0,46). K posouzení trvanlivosti textur Grinding byly ze zkušebních úseků odebrány jádrové vývrty, na nichž byla zkoušena odolnost proti zmrazování a rozmrazování (zkouška zmrazování a rozmrazování [zkouška CDF podle normy P CEN/TS 12390-9 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování]). Zkoušky obrusu a stanovení hodnoty ohladitelnosti (PSV) byly provedeny na zkušebním zařízení ARTe (Aachener Ravelling-Tester). Byla provedena měření metodou SPB; měření byla v pravidelných intervalech opakována, aby tak mohla být posouzena trvanlivost akustických vlastností povrchu vozovky.

Zkušební úsek 3

V říjnu 2015 byl v rámci výzkumného záměru při rekonstrukci dálnice A 5 mezi městy Bruchsal a Karlsruhe (km 609,400 až 610,280) vybudován další zkušební úsek. Analogicky s postupem na dálnici A 12 byly rovněž použity tři různé betony pro horní vrstvu cementobetonového krytu kombinované se třemi různými texturami. Na rozdíl od dálnice A 12 však bylo při rekonstrukci dálnice A 5 použito do betonu pro horní vrstvu cementobetonového krytu i těžené kamenivo. U dvou ze zvolených betonů tvoří těžené kamenivo 100 % hrubého kameniva (štěrkobeton).

Protože při použití technologie Grinding jsou povrchy zrn hrubého kameniva broušeny a zdrsněny, lze předpokládat, že pro povrchy broušené technologií Grinding by bylo možno používat pro získání trvalých protismykových vlastností výlučně těžené kamenivo. Tímto způsobem by bylo možné snížit u této technologie i náklady. Kamenivo použité do betonu má stejný původ a liší se pouze ve tvarovém indexu, případně v čáře zrnitosti. Jako beton pro horní vrstvu cementobetonového krytu byl použit tradiční beton pro spodní vrstvu cementobetonového krytu (štěrkobeton) s maximální velikostí zrna 32 mm (Beton 1) i další štěrkobeton s maximální velikostí zrna 16 mm (Beton 2). Jako třetí byl zvolen tradiční beton pro horní vrstvu cementobetonového krytu s maximální velikostí zrna 22 mm, na kterém byla provedena protismyková úprava povrchu umělým trávníkem. Tento beton obsahuje i podíl drceného kameniva. Zvolené geometrie textury jsou uvedeny v tabulce 3.

Tabulka 3: Textury na dálnici A 5

V porovnání s texturami na dálnici A 12 byla v tomto případě zvolena menší šířka řezných kotoučů 2,0 mm. V důsledku použití užších řezných kotoučů se zvýšil počet výstupků textury Grinding, což lze z hlediska protismykových vlastností hodnotit pozitivně. Šířky řezných kotoučů jsou rovněž menší než na dálnici A 12. Laboratorní zkoušky a simulační výpočty ozřejmily, že menší rozestup řezných kotoučů je pro akustické vlastnosti povrchu výrazně vhodnější. Textura 1 přitom vykazuje s 1,0 mm nejmenší rozestup. Textura 1 a textura 2 se liší v dodatečném drážkování technologií Grooving (textura 2). Na základě předpokládané nižší hloubky textury při minimálním rozestupu řezných kotoučů (textura 1) a s ním spojeným splněním požadavku na protismykové vlastnosti na úrovni mezní hodnoty byly u textury 2 řezány do povrchu dodatečně rýhy textury Grooving. U textury 3 se jedná pouze o texturu Grinding s poněkud větším rozestupem řezných kotoučů, než u textury 1; s tím je spojena větší hloubka textury a předpokládaná delší trvanlivost protismykových vlastností. Technologie Grinding byla na dálnici A 5 provedena teprve po 40 dnech, aby bylo zabezpečeno, že beton na povrchu je pro dosažení požadované textury dostatečně ztvrdlý.

Obrázek 10: Zkušební úsek na A 5: Fotografie textur na příkladu Betonu 2 (vlevo: textura 1, uprostřed textura 2, vpravo textura 3)

Textury vykazují požadovanou geometrii. Měření protismykových vlastností a hlukových emisí není dosud dokončeno Měření budou opakována v pravidelných intervalech, aby bylo možno posoudit trvanlivost zkoušených vlastností. V rámci revize předpisu ZTV Beton-StB má být technologie Grinding zařazena i pro úpravu povrchu nově položených krytů – jednak jako standardní protismyková úprava, jednak jako optimalizovaná úprava pro nízkohlučný povrch vozovky.

Literatura

[1] Straße und Autobahn 2016, č. 11, str. 868
[2] VILLARET (2010): VILLARET, S., BECKENBAUER, T., SCHMIDT, J., ALTE-TEIGELER, R., FROHBÖSE B., ALBERT, S.: Forschungsbericht zu FE 08.0210/2010/ORB: „Untersuchung der lärmtechnischen Eigenschaften von Betonfahrbahndecken mit Grinding-Oberflächen“. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, Hoppegarten, Deutschland, November 2011.
[3] VILLARET (2015): VILLARET, S., BECKENBAUER, T., FROHBÖSE, B., SKARABIS, J.: 4. Zwischenbericht zu FE 08.0220/2012/ORB „Dauerhafte Betondecken – Optimierung der Fahrbahnoberfläche durch Textuierung mittels Grinding-Verfahren“. Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, Hoppegarten, Deutschland, Februar 2013.
[4] https://www.dtad.de/details/Forschungs_und_Entwicklungsdienste_und_zugehoerige_ Beratung_51427_Bergisch_Gladbach-8525225_3