Rozměrové změny, stárnutí a nosná vložka asfaltovaného pásu a jejich vzájemná vazba

K pochopení celého problému je nutné se seznámit se základními principy stavby asfaltovaného pásu, s problémy jeho rozměrové stability a dále s problémy procesu stárnutí. K tomu všemu spějí následující řádky, kde bez pochopení těchto základů nedojdeme k jasným závěrům.

Nosná vložka

Kvalita a trvanlivost asfaltovaného pásu je dána mimo potřebnou kvalitu asfaltů rovněž nosnou vložkou, ta v asfaltovaném pásu plní hlavně následující funkce:

1. ovlivňuje prostorovou stabilitu při výrobě i vlastní pokládce,
2. ovlivňuje difúzní propustnost pásu,
3. ovlivňuje pevnost a průtažnost pásu,
4. ovlivňuje způsob natavování pásu,
5. ovlivňuje protipožární vlastnosti pásu,
6. ovlivňuje trvanlivost asfaltového pásu.

Z hlediska materiálového základu nosné vložky jsou dnes nejvíce používané tyto tři druhy. Jedná se o skleněné vlákno ve formě rohože (nižší pevnost) a tkaniny (vysoká pevnost). Syntetické nosné vložky jsou zastoupeny polyesterovou rohoží z nekonečného vlákna a krátkého vlákna a jejich předností je pružné chování.

Nosná vložka – skelná rohož jsou vlastně náhodně směrovaná vlákna, obecně má tak nižší pevnost, než skelná tkanina.

Skelná tkanina – jsou vzájemně orientovaná a spojená vlákna, jejich spojením se dosahuje vysokých pevností až 1600 N/50mm (přepočet z N/50 mm na kNm-1 se provede přenásobením součinitelem 0,02).

Polyesterová rohož – ve výrobě se nekonečné vlákno spřádá a tvoří rohož, která se propichuje a vyztužuje pojivem.

Při výrobě nosné vložky z krátkého vlákna v prvé etapě se tvoří netkaná rohož, která se následně propichuje speciálními jehlami se současným chemickým spojením, které zlepšuje její pevnost.

U každé vyráběné nosné vložky je vlákno (příp. jiná struktura hmoty nosné vložky) složkou, která zabezpečuje pevnost. Pojivo je složkou, zajišťující soudržnost a tvar nosné vložky. V každém případě jde o materiály, které mají v asfaltovém pásu odlišné funkce a odlišují se i materiálovými charakteristikami a z toho vyplývá, že celková pružnost a pevnost jako parametr nosné vložky je dána oběma složkami. Vlákna, která jsou zastoupená v nosné vložce tvoří převážně nespojitou fázi stmelenou pružným pojivem. Při zatížení se napětí začne projevovat na pojivu, které se elasticky deformuje a teprve potom se napětí přenáší do jednotlivých vláken nosné vložky. Tento průběh je příznačný pro všechny typy nosných vložek s rozdíly v konečném napětí, které je ještě daný typ schopen přenášet.

Hmotnost používaných nosných vložek je od 50 do 250g/m2 a extrémně až 350 g/m2. Kombinovaná nosná vložka vznikne použitím dvou nebo tří vložek, které v asfaltovém pásu byly uloženy volně – dá se říci, že tento způsob se neosvědčil a tak vznikla tzv. vložka spřažená neboli kompozitní. Je to vlastně kombinovaná vložka, kde dvě nebo tři nosné vložky jsou vzájemně spojené – spřažené. Spojení je dosaženo pomocí adhezních prostředků (lepidel) nebo tepelným lisováním. Kombinací materiálu spřažené nosné vložky může být několik. Nejčastěji se jedná o polyesterovou rohož se síťkou ze skleněných vláken nebo sendvič ze skleněných vláken mezi dvěma polyesterovými rohožemi.

Mezi špičkové vložky patří taková, kde jsou v podélném směru skleněná vlákna, v příčném pak vlákna polyesterová a tato síť je všitá do polyesterového rouna. Dosahuje pevnost až 30kN/m-1 a tažnost mezi 20 –30 %, výjimečně až 50%.

Používají se různé hmotnosti nosných vložek, jejich robustnost tj. hmotnost však nemusí vždy znamenat kvalitu. Např. jestliže hmotnost nosné vložky je vyšší než 300 g/m2, pak její tloušťka musí být vyšší než u nosné vložky 180-210 g/m2 a tím se rozhodně zmenšuje její krytí asfaltovou hmotou. Toto se nevýhodně nejvíce projeví u tenkých druhů asfaltovaných pásů 3,5–4,0 mm, kde dochází k poměrně malému krytí asfaltovou hmotou.

Obecně rizikovější jsou nosné vložky z polyesteru a sice takové, které mají plošnou hmotnost pod 150 g/m2 a jednu z pevností v tahu nižší než 500N/50mm.

Rozměrová stabilita nosné vložky je nejvíce ovlivněna parametrem modulu pružnosti v tahu. Proto se po skleněném vlákně dosahují nejlepší výsledky u těžších polyesterových rohoží – okolo 250g/m2. Ze stejného důvodu se u lehčích typů polyesterových rohoží musí upravovat tj. snižovat rychlost impregnace. V opačném případě je do těchto nosných vložek vnášeno napětí, které se projeví nebo obnoví při natavení a zjistí se to podélným i příčným smrštěním asfaltového pásu.

Impregnace nosné vložky hlavně u modifikovaných asfaltových pásů je jeden z nejnáročnějších technologických etap jejich výroby. Je potřebné si uvědomit základní věc. Impregnace nosné vložky musí být dokonalá, asfaltová hmota musí vyplnit veškeré mezery v nosné vložce, musí být s touto nosnou vložkou plně kompaktibilní a v konečném důsledku musí být kompaktibilní i s krycí asfaltovou hmotou. Nedostatečné nasycení nebo přesycení nosné vložky při impregnaci se může (a často se i odrazí) odrazit ve formě puchýřků (bublin) uvnitř pásu a nebo v odlupování asfaltové hmoty od nosné vložky, s následnými prasklinami ve vnější krycí hmotě – dochází k odhalení nosné vložky.

Objemové změny asfaltovaného pásu , které jsou důsledkem výroby mají příčinu ve výrobním principu linek. Při jednom z nich je vložka tažena do výrobní linky a tak je do ní vnášeno předpětí, které je základním původcem vzniku objemových změn. Toto nejvíce platí pro polyesterové nosné vložky s nižší hmotností (pod 150g/m2).

Druhý způsob je, že nosná vložka je do výrobní linky vtlačována – zamezí se tak základnímu principu objemových změn – nevnáší se do ní přepětí.

Pro zkvalitnění asfaltovaných pásů – hlavně modifikovaných - zavedla Francie pojem volné smršťování (rozměrová stabilita) asfaltové krytiny. V rámci normy UEAtc je povoleno všeobecně smrštění volně položeného asfaltovaného modifikovaného pásu 0,5%, mechanicky kotvené jednovrstvé asfaltové povlakové krytiny do 0,3%. Evropská a zároveň česká norma ČSN EN 1107-1 připouštějí smrštění v procentech nebo desetinách procent, které však musí stanovit příslušný výrobce ve svých technických podmínkách (do 0,6%). Podle připravované ASTM D5147 se pro dosažení skutečné spolehlivosti a trvanlivosti a pro plné využití vlastnosti asfaltového pásu se nezávazně pro mechanicky kotvené a studenými aplikacemi (lepením do studeného asfaltu či polyuretanového lepidla) plnoplošně lepené jednovrstvé systémy doporučuje maximální volné smrštění asfaltovaného pásu v hodnotě 0,15-0,20%.

Nově zpracované Standardy modifikovaných asfaltových pásů jsou však daleko (proti normě UEAtc) přísnější a považují za maximální hodnotu volného smrštění 0,1% délky (např. pro pás délky 7,5m to je maximálně 7,5mm).

Rozměrové změny asfaltovaných pásů je možné rozdělit na změny, které souvisí s tepelnou roztažností a dotvarováním. Samotná tepelná roztažnost, i když v případě asfaltových směsí (platí pro oxidované i modifikované) je velká a vzrůstá ještě s narůstající teplotou. Typické vlastnosti a parametry koloidní struktury krycí asfaltové hmoty však zabezpečují, že velká objemová roztažnost není z hlediska silových účinků a vnitřního napětí relevantní (nemusí se s ní počítat). Výjimku tvoří oblast velmi nízkých teplot (v závislosti na struktuře polymer-asfaltové hmoty).

Dotvarování je však daleko důležitější proces, který má přímý vliv na celkovou kvalitu a odolnost proti objemovým změnám povlakové krytiny. Toto platí zejména u syntetických nosných vložek – polyesterové vložky. K samotnému smršťování polyesterových nosných vložek dochází v důsledku vnitřního pnutí, související s procesem výroby. Zbytkové napětí je z pnutí při výrobě vlastní vložky – vnitřní pnutí z výroby syntetického vlákna. Největší podíl na dotvarování má však vnitřní pnutí, způsobené ve vlastní výrobě asfaltovaného pásu, kde při vysokých teplotách 160-200°C se při impregnaci vnáší do těchto termoplastických vláken, které po ochlazení v pásu zůstává až do dalšího zahřátí pod vlivem tohoto pnutí (viz způsob výroby asfaltovaného pásu). K smršťování dochází při teplotách nad 60°C, při teplotách nad 70°C dochází k výraznému růstu smrštění až na dvojnásobek. Tento typ smrštění se projevuje pouze v podélném směru (viz vliv způsobu výroby).

Z výše uvedeného vyplývá, že na dotvarování asfaltovaného pásu má přímý vliv i jeho způsob zabudování do střešní skladby. Nejhůře dopadá technologie plnoplošného natavení nebo lepení asfaltovaného pásu – na rozhraní vrstev vzniká smykové napětí, které se po délce kumuluje, čehož důsledkem je nárůst až k hranici, kterou již není asfaltovaný pás schopen odolávat – dojde k poškození povlakové krytiny. K tomuto jevu dochází v poměrně krátkém časovém intervalu. V tomto případě hraje významnou roli důkladná dilatace podkladu.

U volně položených asfaltových pásů k tomuto jevu nedochází. Zde jsou nejchoulostivějším prvkem vlastní spoje a napojení na detaily. Smykové napětí zde působí v delších časových intervalech a postupně vyvolává zvýšené napětí v okrajových částech spojů, dochází k narušení mikrostrukturálních vazeb, molekulových vazeb a posléze při nízkých teplotách k vytváření mikrotrhlin, které se šíří od okraje pásu. Silové účinky smršťování mohou dosáhnout v závislosti na typu, hmotnosti a kvalitě polyesterové vložky a typu a kvalitě krycí vrstvy asfaltového pásu řádově až stovky N/m asfaltovaného pásu. Po opakovaném vysokoteplotním letním zatížení a zatížení v oblasti záporných teplot dochází k dalšímu zvýšení vnitřního pnutí a asfaltované pásy podléhají dalším, v tomto případě cyklickým kontrakcím.

U mechanicky kotveného systému dochází k intenzivnímu teplotnímu zatížení, čehož důsledkem je vznik vnitřního napětí a to opět v oblasti vysokoteplotního smršťování - nárůst napětí podélný. Na rozdíl od volného položení však dojde k zachycení nadměrných napětí v ploše střechy. Přesto může dojít ke snížení pevnosti ve spojích, případně k poškození spojů usmýknutím. Jednoduchým opatřením v tomto případě je použití asfaltovaných pásů se spřaženou nosnou vložkou, neboť problém dotvarování a smršťování nosné vložky je hlavně u polyesterových vložek a zanedbatelný je u skleněné tkaniny a jediný problém je u skleněné rohože v oblasti záporných teplot, kde jsou rozměrové změny zřetelné, avšak nedosahují hodnot vložek syntetických.

Objemové změny dále inicializují nebo podporují:

• Použití asfaltů, které mají nižší teplotu měknutí kolem 80°C, pro penetrační i obalové vrstvy (většina oxidovaných asfaltů). Vlastnosti těchto asfaltů umožňují prokluz vrstev.
• Degradací vlastností vrchní a spodní vrstvy pásu, které jsou z modifikovaných asfaltů, které vykazují zrychlenou degradaci - rozpad modifikátoru. Tyto asfalty ztrácejí elastické vlastnosti a tvrdnou. Vzniká kluzná vrstva mezi nimi a střední vrstvou z oxidovaného asfaltu, kterým je penetrována nosná vložka. Tím je opět umožněn prokluz.
• Použití asfaltů, které obsahují větší množství těkavých složek – po jejich migraci dochází ke zmenšení objemu hmoty a opět ke smrštění, zmenšení asfaltového pásu.

Stárnutí asfaltové hmoty a pásů

Na vlastnosti a chování modifikovaných asfaltů má rozhodující vliv složení asfaltové hmoty (podíl jejich složek v rámci koloidní struktury a jejich molekulová hmotnost), typ, struktura a molekulová hmotnost použitého modifikátoru, způsob a délka míchání polymer - asfaltové směsi a nakonec i technologie výroby finálních produktů z těchto směsí, tj. asfaltovaných pásů. Z hlediska skladby vlastního modifikovaného asfaltu lze zjednodušeně stanovit základní vlastnosti modifikované směsi v závislosti od aromatičnosti malténové fáze asfaltu, množství a velikosti asfalténů v asfaltech obsažených a polymerových molekul, jejich struktury, molekulové hmotnosti a jejich obsahu ve výsledné směsi. Na první pohled se toto může jevit jako příliš složitá záležitost. Je však potřebné si uvědomit, že jedině vyváženými podíly jednotlivých složek lze dosáhnout optimální asfaltovou hmotu. Nelze připustit nízkou aromatičnost (malá kompaktibilita modifikátoru a asfaltu - nedojde ke sloučení těchto složek) ani vysokou aromatičnost (neboť se dosáhne nízké tuhosti výsledné směsi) ani nízký obsah asfalténů (nedojde k vylepšení vysokoteplotních vlastností) ani vysoký obsah asfalténů (neboť vznikne nestabilní směs a dochází k separaci jednotlivých složek).

Nejvýraznější faktory, které ovlivňují stárnutí asfaltů jsou:

• Kyslík a ozón.
• UV záření.
• Teplota - hlavně v záporných teplotách.
• Mechanické napětí – individuální dle použití.
• Vlhkost – ta se bere v úvahu hlavně po započatém narušení struktury hmoty.
• Chemické látky v ovzduší.
• Mikroorganismy a mikroflóra prostředí.

Termooxidační (nastává vždy) či fotooxidační (nastává pouze při silné expozici slunečního záření) stárnutí je rozděleno do několika fází, které mohou trvat i desítky let.

• I.fáze – vznikají při ní nestabilní preoxidy, které se pod vlivem dodané energie mění - štěpí na volné radikály.
• II.fáze – tyto pak v reakci s přítomnými molekulami uhlovodíků tvoří tzv. alkyly (vzniká z uhlovodíků odnětím atomu vodíku) pak nastává tendence k řetězové reakci.
• III.fáze – postupně vznikají meziprodukty (alkoholy, anhydridy, keton a další) síranové sloučeniny a poslední je vznik asfalténu – na vlastnosti asfaltu se to projeví snížením penetrace a nárůstem bodu měknutí – asfalt tvrdne, je křehký.

Uvedené změny vedou rovněž ke vzniku různých korozívních látek a ke změnám molekulových vazeb a pak hovoříme o nevratné změně.

Na okraj celého problému je potřebné vědět, že oxidační účinek se u nechráněných povlakových krytin pohybuje v rozmezích tloušťky od 0,05 do 0,2 mm – jen v tenké povrchové vrstvě. Přistoupením dodatečných podmínek, jako je pohyb podkladu, objemové změny asfaltovaného pásu či dynamické působení sil, smršťování nosné vložky, které vytvářejí mikrotrhliny v povlaku, se oxidační proces dostává do hloubky asfaltové hmoty.

Jako urychlovač celého procesu oxidace působí zvyšování teploty (Arrhenius a jeho rovnice - jakákoliv chemická aktivita se ve své intenzitě zdvojnásobuje nárůstem teploty o 10°C), při v našich podmínkách běžně dosaženém teplotním spádu 110°C (celoroční rozdíl teplot) se tak řádově mění intenzita chemické agrese 1000 až 4000 x.

Platí zde rovněž pravidlo, že čím více má asfalt lehčích prchavých složek (olejové složky), tím více dochází k jejich odpařování a tím opět dochází k tvrdnutí asfaltové hmoty – k tomuto jevu dochází hlavně v letním období za extrémních teplot.

Prof. Ing. Dr. J. Mleziva, DrSc. ve svých odborných článcích upozorňuje na odolnost polymerů proti stárnutí na povětrnosti. Mezi příčiny změn – stárnutí makromolekulárních látek lze zařadit pochody chemické (dochází ke změně chemické struktury), fyzikální (změny morfologické, nadmolekulární struktury) a fyzikálně - chemické. Mezi fyzikální pochody patří i ztráty nízkomolekulárních podílů (změkčovadel, stabilizátorů či rozpouštědel) a sice odpařením, vyluhováním, migrací, absorpcí do podložky apod. Na druhé straně je to naopak přírůstek nízkomolekulárních podílů (voda, soli, elektrolyty apod.) a sice difúzí, bobtnáním, absorpcí, osmózou. Citlivost polymerů k oxidaci je ovlivňována i jejich formou, hlavně poměrem povrchu k objemu. Z tohoto důvodu jsou velmi citlivá vlákna, fólie a nátěry a již méně materiály s polymery v bloku.

Vlhkost

Vlhkost působí na proces stárnutí ve všech podobách. Mrznoucí voda v kalužích vyvolává velké povrchové napětí v místech, kde led přilne k povlaku. Naopak velké vnitřní napětí v povlakové krytině způsobí v letních měsících (extrémní teplota) odpar na okrajích kaluží.

Celý tento proces stárnutí je zřejmý u nechráněných střech s povlakovou hydroizolací z oxidovaných asfaltovaných pásů.

Pro asfaltované modifikované pásy je celý proces daleko složitější, ale hlavně je rozložen do daleko většího časového úseku.

Ve zkratce lze říct, že u modifikace SBS má řetězová přeměna škodlivý vliv na spojitou fázi polymerů v modifikovaném asfaltu. Modifikátor má tendence vytvářet krystalickou prostorovou mřížku, tím dochází ke snížení elasticity a v konečném důsledku opět k tvrdnutí asfaltové hmoty se všemi důsledky. To vše však platí v plné míře pro nechráněné povlakové hydroizolace. Je nutné si uvědomit, že celý proces urychlení stárnutí platí i pro chráněné povlakové izolace za předpokladu, že se projeví některá z výše uvedených poruch. Celý proces stárnutí tak může probíhat v řádu od 20 do 40 let a více, ale také méně.

U modifikace APP dochází z chemického hlediska k depolymerizaci, která má za následek změnu pevnostních parametrů hmoty a následně dochází k separaci části bohaté na polymery od části s asfalty. Důsledky tohoto procesu se projevují hlavně ve spojích, kde dojde k jejich zmýdelnění - nedochází tedy k tvrdnutí jako u SBS a poruchy se neobjevují v ploše, kde plocha navenek působí jako bezporuchová. Při vyšších teplotách a postupem času pak dochází k oddělování polymerů a asfaltu.

Celá předchozí část článku ukázala, jak složitý je proces výroby co vstupuje a limituje jednotlivé složky. Jak složité je použití jednotlivých druhů asfaltových materiálů, nosných vložek a co vše se dotýká problému okolo správného návrhu použití těchto materiálů. Jak úzce jednotlivé části souvisí, jak se prolínají a vzájemně silně ovlivňují. Jak v počátku procesu může malá chyba či nepozornost ovlivnit dobu správné funkce daného střešního pláště. Pro zhotovitele, autorské dozory a investora to představuje skutečně poctivě prohlížet kvalitu každého rozbaleného asfaltovaného pásu – nedopustit zabudování rozpraskaných konců nebo okrajů pásu, věnovat pozornost při návrzích jednotlivých druhů pásů, vč. jejich nosných vložek pro jednotlivé případy použití. Věnovat zvláštní péči při návrhu technologie pokládky asfaltovaných pásů, jejich následné převzetí a dodatečnou (alespoň jednou za rok) a důkladnou kontrolu.

Použitá literatura:
Odborné články Prof. Ing. Dr. J. Mlezivy, DrSc.
Střechy, fasády, izolace – odborné články ing. P. Malycha