Vozovky s účinkom tlmiacim slnečné žiarenie

Medzinárodná organizácia Združenie svetových cestných kongresov (AIPCR/PIARC), ktorá každé štyri roky usporadúva svetový cestný kongres, ocenila pri príležitosti XXIV. kongresu v Mexiku prestížnou cenou Maurice Milne medal Price výsledky výskumnej práce kolektívu z Japonska. Z publikovaného opisu riešenia vyplýva, že problematikou sa zaoberali viac ako štyri roky. V článku je komentovaný opis uverejnený v časopise Routes/Roads [1].

Klimatické zmeny a celkové otepľovanie ovzdušia sa priamo dotýkajú cestného staviteľstva. Teplota asfaltových zmesí, ktoré sa používajú na stavbu asfaltových vozoviek, výrazne ovplyvňuje ich deformačné a pevnostné charakteristiky. Veľmi nepriaznivo sa to prejavuje napríklad v lete vznikom trvalých deformácií krytu asfaltových vozoviek. V zastavanom urbanizovanom prostredí sa môžu v našich podmienkach vyskytovať teploty povrchu asfaltových vozoviek až 60 °C. V minulosti sa ako riešenie možnej redukcie teploty používali svetlejšie povrchy. Tie sa však ukázali ako ekonomicky náročné (náklady na stavbu a údržbu) a trvanlivosť farebnej úpravy nebola dostatočná. Podľa japonských výskumov možno dosiahnuť zmiernenie teploty použitím technológie vozoviek s tlmiacim účinkom slnečného žiarenia.

Podstata technológie
Konštrukcie asfaltových vozoviek majú zvyčajne tri vrstvy z asfaltových zmesí – obrusnú, ložnú a podkladovú vrstvu, ktoré majú rozdielne funkcie. Výskum bol zameraný na zmes do obrusnej vrstvy a okrem odolnosti proti obrusovaniu sa sledovala aj skúška odrazivosti slnečného žiarenia. Funkciu vrstvy z asfaltovej zmesi s reflexiou žiarenia vysvetľuje schéma na obr. 1.

Z fyzikálneho hľadiska ide o zmes s povrchom, ktorý má väčšie albedo (faktor odrazu neutrónov od povrchu vozovky) a redukovaný efekt slnečného žiarenia. Do zmesi sa pridával mimoriadne reflektívny pigment. Charakteristiky odrazivosti povrchu vrstvy z takto upravenej zmesi sa merali na štandardnej zmesi a na zmesi so sivým povrchom. Grafické porovnanie výsledkov laboratórnych skúšok s lampou s infražiarením sú na obr. 2. Povrchová teplota novej zmesi bola menšia ako teplota zmesi medzerovitého asfaltového betónu (PA) – po 120 minútach asi o 12 °C.

Okrem odrazivosti povrchu bola predmetom skúšok aj drsnosť. Skúšky súčiniteľa trenia na povrchu PA a na povrchu s reflexnou vrstvou sa vykonali zariadením Dynamic Friction tester podľa ASTM E1911. Pri rýchlosti 40 km/h boli hodnoty 0,60, respektíve 0,62 a pri rýchlosti 60 km/h boli 0,55, respektíve 0,56. Možno povedať, že drsnosť povrchu bola rovnaká. Špeciálny prístroj a skúšobný postup sa použili na hodnotenie takzvaného vypierania povrchu a porovnanie PA a PA s reflexnou vrstvou. Hodnotí sa pomocou veľkosti plochy s vypieraním, ktorú stanovuje počítač. Výsledkom bolo, že reflexný povrch mal veľmi dobrú adhéziu, a kým prípustná plocha s vypieraním môže byť maximálne 40 %, skúškou sa zistila plocha iba 9,9 %.

Pridávaná reflexná zmes je na báze MMA (Methyl Methcrylate – metylmetakrylátová živica), ktorá zapácha. Aj intenzita a šírenie zápachu boli predmetom testovania. Záver bol taký, že so zmesou možno pracovať aj v obytnej zóne, keď sa použije s redukovaným zápachom. Okrem materiálu na báze MMA možno najmä na parkovacích plochách a cestách s malým dopravným zaťažením použiť emulzie so schopnosťou tlmiť slnečné žiarenie.

Obr. 2  Výsledky laboratórnych skúšok s lampou

Obr. 3  Merania teploty povrchu vozovky a teplôt vzduchu v mesiaci august

Teplotný režim a trvalé deformácie
Účinnosť úpravy konštrukcie asfaltovej vozovky s tlmiacim účinkom slnečného žiarenia sa overovala na experimentálnom úseku. V danom mieste sa merala teplota vzduchu a teplota povrchu vozovky so štandardnou asfaltovou zmesou (AC) a s reflexnou zmesou tlmiacou žiarenie. Na obr. 3 je záznam meraní v horúcom mesiaci august počas troch dní. Keď teplota vzduchu bola 35 °C, maximálna teplota povrchu vozovky bola 58 °C, ale na povrchu s tlmiacim účinkom asi o 16 °C menej. Rozdiel teplôt na hornom a spodnom povrchu vozovky v noci bol menší, asi 4 až 5 °C. Záznam meraní teplôt v priebehu rokov 2006 až 2009 je na obr. 4.

Obr. 4  Redukcia teploty v hĺbke 20 mm pod povrchom vozovky

Veľmi dôležité a sledované boli merania hĺbky koľají (trvalých deformácií), ktoré sa vytvárali na povrchu oboch porovnávaných konštrukcií asfaltových vozoviek. Merania, ktoré sa vykonávali počas používania vozoviek dlhšie ako štyri roky, sú graficky znázornené na obr. 5. Rozdiel v hodnotách hĺbky koľají sa ukázal už po dvoch rokoch. Tie boli 14, respektíve 32 mm. V ďalšom období bol nárast hĺbky koľají menší, asi po troch rokoch boli hodnoty 16, respektíve 34 mm. Toto meranie a jeho hodnotenie ukázali, že koľaje vozovky s účinkom tlmiacim slnečné žiarenie mala iba polovičnú hodnotu ako koľaje na štandardnej konštrukcii. Opatrenie možno hodnotiť ako veľmi efektívne, ktoré môže ovplyvniť náklady na obnovu prevádzkovej spôsobilosti asfaltových vozoviek.

Obr. 5  Maximálne hĺbky vyjazdenej koľaje po štyroch rokoch

Vplyv na životné prostredie
Technológie vozoviek s účinkom tlmiacim slnečné žiarenie znižujú negatívny vplyv teploty na životné prostredie a na organizmus človeka. Výsledky výskumu sledujúceho vplyv zvýšenie albeda na povrch vozoviek poukazujú na prijateľnejšie prostredie z pohľadu tepelnej pohody.

Účinnosť vozoviek so schopnosťou tlmiť slnečné žiarenie bola preukázaná priamou aplikáciou a terénnymi skúškami. Cieľom bolo určiť zmeny teploty vzduchu v zastavanom území a zistiť a porovnať, akou mierou vnímajú chodci teplotu prostredia v miestach s tradičnou asfaltovou vozovkou a s vozovkou s účinkom tlmiacim slnečné žiarenie.

Zmeny teploty vzduchu v zastavanom území sa stanovili pomocou počítačovej simulácie, v ktorej sa uvažovala aplikácia tohto druhu vozovky v centre Tokia, s hodnotou albeda zvýšenou zo 14 na 60 %, a to pri predpoklade slnečného dňa. Oblasť pôsobnosti teplôt sa predpokladá v hlavnom území s rozlohou 366 × 366 km (oblasť Kanto) a na menšom území s veľkosťou 114 × 114 km, ktoré predstavovalo centrum Tokia. Teplota vo výške 1,5 m nad povrchom sa stanovila metódou vyvinutou Kinouchim a jeho tímom [2]. Teplota vzduchu v centre Tokia má klesajúcu tendenciu. Zníženie priemernej teploty vzduchu o 0,8 °C súčasne zabezpečuje zníženie teploty povrchu vozovky.

Okrem toho sa meral vnímateľný tepelný tok v uliciach pri zvýšenej hodnote povrchového albeda. Simulácia uvažuje teplotu vzduchu 35 °C, rýchlosť vetra 5 m/s a povrchové albedo 0,1 a 0,5. Z výsledkov vyplýva, že v dôsledku zvýšenej odrazivosti povrchu vozovky sa znižuje teplota vzduchu, a tým sa zlepšuje mestské prostredie.

Prieskum týkajúci sa ľudského vnímania teploty poukázal na príjemnejšie prostredie pri použití vozoviek s povrchom s väčšou odrazivosťou.

Aplikácia a závery
Experimenty a merania, ktoré vykonali japonskí výskumní pracovníci na asfaltových vozovkách, potvrdili predpoklady, že úpravou povrchu týchto vozoviek tak, aby tlmili účinok slnečného žiarenia, sa môže dosiahnuť podstatná redukcia teploty vrstiev z asfaltových zmesí. Zvýšením odrazivosti povrchu vozovky sa zníži jeho teplota: podľa meraní v lete v hĺbke 20 mm pod povrchom približne o 16 °C. S tým súvisí odolnosť zmesí proti vzniku trvalých deformácií a zmenšenie hĺbky koľají. Použitím technológie stavby asfaltových vozoviek s účinkom tlmiacim slnečné žiarenie možno zlepšiť odolnosť vozovky proti účinkom dopravného zaťaženia a súčas­ne vytvoriť podmienky na prijateľnejšie prostredie v zastavanom území (priemerná teplota vzduchu bola menšia o približne 0,8 °C).

V Japonsku tvoria plochy s aplikáciou asfaltových vozoviek so schopnosťou tlmenia slnečného žiarenia viac ako 1 mil. m² (rok 2010) a ich použitie do mestských oblastí predstavuje 67 %. Použili sa na mestských komunikáciách, parkoviskách, križovatkách a odpočinkových plochách.

Publikované výsledky môžu byť podnetom na riešenie problematiky v našich meniacich sa klimatických podmienkach.

TEXT: prof. Ing. Ivan Gschwendt, DrSc., Ing. Silvia Štefunková, PhD.
OBRÁZKY: archív autorov
Ilustračné foto: Dano Veselský

Ivan Gschwendt je emeritný profesor na Stavebnej fakulte STU v Bratislave.

Silvia Štefunková je výskumná pracovníčka na Katedre dopravných stavieb Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Iwama, M., Yoshinaka, T., Omoto, S., Nemoto, N.: Use of Solar Heat-Blocking Pavement Technology for Mitigation of Urban Heat, In: Routes/Roads 2011/2012, N° 352/353.
2.    Kinouchi, T., Yoshinaka, T., Fukae, N., Kanda, M.: Deve­lopment of Cool Pavement with Dark Colored High Albedo Coating, American Meteorological Society. In: 5th Conference on Urban Environment, No 4.7, 2004.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.