W artykule omówiono niektóre perspektywy rozwoju kierunku wykorzystania wysokowytrzymałych kordów tekstylnych stosowanych w produkcji współczesnych opon, które masowo odzyskuje się w procesie recyklingu mechanicznego opon wycofanych z eksploatacji w celu zwiększenia niezawodności i trwałości mieszanek asfaltowych do budowy nawierzchni nowoczesnych dróg. Jako przykład podano niektóre wskaźniki skuteczności stosowania stabilizującego i wzmacniającego dodatku SMAPOL® do mieszanek mineralno-asfaltowych, seryjnie produkowanego przez firmę RECYKL O.O. S.A. zgodnie z wymaganiami SYSTEMU 2+ oceny i weryfikacji stałości właściwości użytkowych wyrobów budowlanych, który znajduje coraz szersze zastosowanie zarówno w Polsce jak i za granicą.  W procesie produkcji SMAPOL® mieszanka wielowłóknowa, składająca się z włókien poliestrowych, poliamidowych, aramidowych i wiskozowych, jest optymalizowana pod względem zawartości każdego rodzaju włókien, aktywowana i modyfikowana. Dzięki temu uzyskuje się produkt o wyjątkowej funkcjonalności i efektywności.

Struktura mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) jest w niektórych przypadkach uważana za trójskładnikowy system składający się z połączonych ze sobą mikro -, mezo – i makrostruktur. Mikrostruktura to struktura lepiszcza asfaltowego (wypełniacz + asfalt), mezostruktura to struktura roztworu asfaltowego (drobne kruszywo + lepiszcze asfaltowe), makrostruktura to struktura mieszanki mineralno-asfaltowej (grube kruszywo + roztwór asfaltowy).

SMAPOL® jest idealnym wyborem

Rozwój uszkodzeń w warstwach asfaltowych nawierzchni drogowych przebiega w trzech, poniżej opisanych etapach i prowadzi do pogorszenia ich właściwości wytrzymałościowych i odkształcających:

Uszkodzenia na mikro- i submikropoziomie, których nie można zarejestrować na podstawie istniejących metod i przyrządów
Powstawanie mikrodefektów i rozwój uszkodzeń wewnątrzstrukturalnych, które mogą być rejestrowane za pomocą sprzętu specjalistycznego, pod warunkiem obserwacji przez wiele lat
Rozwój makrodefektów, które można zarejestrować wizualnie (tj. defekty widoczne na powierzchni drogowej)

Rozwazamy kolejne linie do produkcji Smapolu w pozostatych naszych zaktadach. Pierwsza moglaby powstac w 2025 roku, a kolejna w 2026, o porównywalnych mocach wytworczych.

Maciej Jasiewicz, Prezes Zarzadu Grupy Recykl S.A.

Jednocześnie, im wyższy jest poziom akumulacji mikrodefektów, tym większe jest  prawdopodobieństwo wystąpienia makrodefektów w strukturze nawierzchni asfaltowej w wyniku działania obciążeń transportowych i czynników klimatycznych.

W związku z tym, poprawa właściwości lepiszcza i roztworu asfaltowego, wraz ze wzmocnieniem interakcji międzyfazowych na granicy między cząstkami mineralnymi a asfaltem, prowadzi do poprawienia właściwości fizyko-mechanicznych mieszanek asfaltowych, a tym samym i trwałości nawierzchni drogowych.

W związku z tym, poprawa właściwości lepiszcza i roztworu asfaltowego, wraz ze wzmocnieniem interakcji międzyfazowych na granicy między cząstkami mineralnymi a asfaltem, prowadzi do poprawienia właściwości fizyko-mechanicznych mieszanek asfaltowych, a tym samym i trwałości nawierzchni drogowych.

Sposoby na poprawienie wytrzymałości

Głównym sposobem na poprawienie wytrzymałości i trwałości MMA jest modyfikacja asfaltu za pomocą składników polimerowych. Wszystkie zmodyfikowane w ten sposób asfalty można podzielić na 2 duże grupy w zależności od metody modyfikacji:

Asfalty modyfikowane polimerami, w większości przypadków termoelastoplastycznymi:
- Asfalty modyfikowane;
- Asfalty wysokomodyfikowane
Asfalty modyfikowane gumą, w większości przypadków uzyskiwanej w procesie recyklingu mechanicznego opon wycofanych z eksploatacji

Wieloletnia praktyka stosowania zmodyfikowanych asfaltów świadczy o ich skuteczności w zwiększaniu trwałości nawierzchni drogowych, jednak ze względu na stały wzrost obciążenia nowoczesnych dróg wymagany jest coraz wyższy stopień modyfikacji asfaltów, wzrasta zużycie polimerów (na przykład w przypadku wysokomodyfikowanych asfaltów zawartość polimeru typu SBS wynosi ponad 7 %), co znacznie zwiększa koszty budowy dróg. Na przykład koszt asfaltu modyfikowanego jest wyższy o 25-30 % od kosztu zwykłego asfaltu drogowego, a koszt asfaltu wysokomodyfikowanego – już o 40-50 %. Biorąc pod uwagę fakt, że koszt asfaltu jest głównym składnikiem kosztu mieszanek asfaltowych, sytuacja ta czasami negatywnie wpływa na efektywność techniczno-ekonomiczną całego projektu budowy drogi (pogorszenie parametru „koszt budowy nawierzchni vs trwałość nawierzchni”) i hamuje powszechne stosowanie, na przykład,  wysokomodyfikowanych asfaltów.

Dodatkowo należy zauważyć, że przy zawartości termoelastoplastycznego polimeru w asfalcie ponad 6,5-7 % następuje inwersja faz w mieszance polimerowo-asfaltowej, co negatywnie wpływa na urabialność modyfikowanych MMA, wymaga wzrostu temperatury ich produkcji, układania i zagęszczania, co zmniejsza efektywność ekologiczną i kosztową tego procesu. Można powiedzieć, że skuteczność asfaltów modyfikowanych została wyczerpana pod względem zwiększania stopnia modyfikacji, a dalsza poprawa trwałości nawierzchni drogowych wymaga innowacyjnych rozwiązań pod względem rozwoju metod modyfikacji lepiszcza w MMA oraz poprawy ich właściwości strukturalnych.

Metody modyfikacji

Jedną z takich metod jest technologia modyfikacji MMA i asfaltów gumą z przerobu opon wycofanych z eksploatacji, na przykład:

metoda sucha: dozowanie gumy bezpośrednio do mieszalnika wytwórni mas bitumicznych (1÷3 % wagowo gumy w stosunku do masy MMA)
metoda mokra (metoda polowa): modyfikacja poprzez wymieszanie, podgrzewanie i reakcję gorącego asfaltu z gumą (zawartość gumy w stosunku do masy asfaltu min. 15÷20 %)
metoda mokra (metoda terminalowa): modyfikacja poprzez homogenizację gorącego asfaltu z gumą (zawartość gumy około 4÷8 %) podczas produkcji asfaltu modyfikowanego

Jednak każda z metod tego rodzaju modyfikacji ma swoje zalety i wady. Na przykład przy suchej metodzie modyfikacji gumą optymalna zawartość asfaltu wzrasta, a ze względu na pogorszenie interakcji międzyfazowej między gumą a asfaltem, wskaźniki poprawy właściwości są niewielkie, a czasami wręcz odwrotnie, pogarszają się, co ogranicza stosowanie tej metody modyfikacji do ściśle określonych warunków klimatycznych nawierzchni drogowych. Metodę można skuteczniej zastosować, na przykład, w gorącym, suchym klimacie.

Powszechne stosowanie mokrej metody terminalowej modyfikacji asfaltu za pomocą gumy ograniczane jest przez słabe zdolności asfaltu modyfikowanego w ten sposób do długotrwałego przechowywania bez rozwarstwienia. Jednocześnie, ze względu na niską zawartość gumy, która wynika z cech technologicznych procesu produkcji modyfikowanego asfaltu, jakość i właściwości gumy powinny być stałe i wysokie, co stawia pod znakiem zapytania opłacalność tej metody modyfikacji oraz dostępność surowca w postaci wyselekcjonowanej grupy opon.

Mokra metoda polowa rozwiązuje powyższe problemy modyfikacji MMA gumą z przetwarzania opon wycofanych z eksploatacji, ponieważ wiąże się z użyciem mieszanki asfaltowo-gumowej bezpośrednio po jej przygotowaniu, a ze względu na możliwość użycia większej ilości gumy problemy z jej jakością i właściwościami nie są tak zauważalne. Jednocześnie, biorąc pod uwagę fakt, że guma nie rozpuszcza się całkowicie, uzyskane w ten sposób lepiszcze asfaltowo-gumowe nie jest jednorodne, lecz składa się z oddzielnych cząstek gumy nabrzmiałych we frakcjach olejowych, które oddziałują ze sobą i cząstkami mineralnymi lepiszcza poprzez częściowo zmodyfikowane błonie asfaltowe.

Zatem perspektywy dalszej poprawy właściwości wytrzymałościowych i odkształcających MMA, a także wskaźników ich efektywności techniczno-ekonomicznej i środowiskowej, mogą być związane z rozwojem kierunku optymalizacji wskaźników tworzenia struktury roztworu asfaltowego na mikro- i mezopoziomie.

Kolejnym sposobem zwiększania wytrzymałości strukturalnej MMA jest ich wzmacnianie, na przykład, za pomocą różnego rodzaju włókien, zarówno na poziomie mikro-, jak i makro-.

W praktyce światowej najczęściej stosowane są następujące włókna wzmacniające dla MMA: mineralne, np. bazaltowe; syntetyczne, m.in. aramidowe, poliestrowe, poliamidowe, poliakrylonitrylowe, nylonowe itp.; poliolefinowe, w tym polipropylenowe; szklane; węglowe.

Przeprowadzono również szereg badań nad wpływem mieszaniny włókien (np. szklanych i polimerowych, mineralnych i syntetycznych, aramidowych i polimerowych/syntetycznych, np. dodatek Forta-FI®, węglowych i polimerowych itp.) na właściwości wytrzymałościowe MMA.

W praktyce światowej szeroko stosowane są również naturalne włókna roślinne (głównie celulozowe) w celu zapewnienia stabilności lepiszcza asfaltowego (zapobiegania jego spływności z cząstek mineralnych) w mieszankach mineralno-asfaltowych o nieciągłym uziarnieniu podczas ich transportu, układaniu i zagęszczaniu. Jednak ze względu na wysoką zdolność absorpcji asfaltu przez włókna celulozowe nie mogą znacząco wpływać na właściwości wytrzymałościowe i odkształcalność MMA przy optymalnej zawartości asfaltu [1, 2].

W ostatnich latach coraz szerzej prowadzone są badania skuteczności stosowania dla celów wzmocnienia mikrostrukturalnego na poziomie mikro- i mezostruktury MMA włókien syntetycznych uzyskanych w wyniku recyklingu mechanicznego kordów tekstylnych z opon wycofanych z eksploatacji (poliestrowych, poliamidowych, aramidowych i wiskozowych) [3-6]. Odnotowuje się wysoką efektywność ekologiczną i ekonomiczną ich użytkowania [7, 8]. Jednak ten rodzaj włókna nie zyskał jeszcze szerokiego zastosowania przemysłowego jako dodatek do mieszanek mineralno-asfaltowych ze względu na złożoność procesu oczyszczania włókien, a także złożoność procesu uzyskiwania z nich dodatku w postaci nadającej się do skutecznego dozowania i homogenizacji przy produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na wytwórniach mas bitumicznych.

Kwestia produkcji seryjnej wspomnianych dodatków została rozwiązana przez firmę RECYKL O.O. S.A., która z tego typu włókien syntetycznych wytwarza dodatek stabilizujący i wzmacniający SMAPOL®.

Ten rodzaj włókna syntetycznego ma optymalne właściwości absorpcyjne i niski stopień pęcznienia, co pozwala na stosowanie go w MMA o dowolnej strukturze i właściwościach, w tym do zbrojenia mikrostrukturalnego na poziomie ich mikro- i mezostruktury w celu zwiększenia wytrzymałości i odkształcalności. Przy czym, wspólne stosowanie SMAPOL® z modyfikowanymi (wysokomodyfikowanymi) asfaltami i asfaltami modyfikowanymi gumą w celu poprawy wytrzymałości długotrwałej MMA zapewnia znaczny efekt synergiczny.

GŁÓWNE ZALETY STOSOWANIA DODATKU SMAPOL®

  • Optymalne właściwości technologiczne: Zapobiega spływności lepiszcza w mieszankach asfaltowych SMA i innych MMA o uziarnieniu nieciągłym.
  • Zwiększona odporność strukturalna: Zwiększa odporność na koleinowanie, wodoodporność i mrozoodporność oraz ogranicza prawdopodobieństwo pęknięć niskotemperaturowych i zmęczeniowych MMA wszystkich rodzajów
  • Łatwe dozowanie: Możliwość dozowania z wykorzystaniem aktualnego sprzętu dozującego dowolny stabilizator SMA
  • Łatwe przechowywanie: Zwiększona hydrofobowość powierzchni granulek zapewnia zachowanie ich właściwości nawet po wniknięciu wilgoci do opakowania, co umożliwia przechowywanie bez zadaszania

W przeciwieństwie do dodatku na bazie włókna celulozowego, dodatek na bazie włókna syntetycznego SMAPOL®, przy zwiększeniu jego zawartości do 30 % w składzie mieszanki SMA w stosunku do poziomu zawartości dodatku celulozowego, zapewnia wzrost jej wytrzymałości strukturalnej (do 20-25 %) i odporności na koleinowanie (do 35-40 %) przy jednoczesnym wzroście (do 5 %) wskaźnika wodoodporności i odporności na pękanie termiczne (do 10 %). Wraz ze wzrostem zużycia włókien syntetycznych SMAPOL® w warunkach optymalnego poziomu nasycenia matrycy lepiszcza (na przykład dla mieszanek SMA – do 0,9-1,2%, dla mieszanek AC – do 0,2-0,5%), wskaźniki wytrzymałości i odkształcalności mieszanek asfaltowych również będą wzrastać.

Dzięki temu stosując SMAPOL® zamiast dodatków celulozowych możemy liczyć nie tylko na obniżenie kosztów bezpośrednich (koszt SMAPOL® na polskim rynku jest niższy od kosztu dodatków celulozowych o 1,6-1,75 razy), ale i na uzyskanie wymiernego rocznego efektu ekonomicznego poprzez przedłużenie trwałości nawierzchni drogowych o około 25-40 %.

Dlatego historia SMAPOL® dopiero się zaczyna!

Piśmiennictwo

  1. McDaniel R.S.: Fiber additives in asphalt mixtures. NCHRP Synthesis of Highway Practice. Transportation Research Board, 2015, №. Project 20-05 (Topic 45-15), №475, 67 p.
  2. Sybilski D., Horodecka R., Bańkowski W. i inne: Ocena skuteczności dodatku włókien do mieszanek mineralno-asfaltowych. Temat GDDKiA TN-251. IBDiM, Warszawa, 2010, 89 s.
  3. Putnam B.J., Amirkhanian S.N.: Utilisation of Waste Fibers in Stone Matrix Asphalt Mixtures. Resources, Conservation and Recycling, 2004, Vol. 42, 265–274.
  4. Sybilski D.: Zastosowanie odpadów gumowych w budownictwie drogowym. Przegląd budowlany, 2009, Vol. 80, 37-44.
  5. Jurczak R.: Nawierzchnia z dodatkiem gumy (i włókien) po 18 latach eksploatacji. Drogownictwo, 2022, №. 2-3, 35-39.
  6. Calabi-Floody A., Mignolet-Garrido C., Valdes-Vidal G.: Study of the effect of the use of asphalt binders modified with polymer fibres from end-of-life tyres (ELT) on the mechanical properties of hot mix asphalt at different operating temperatures. Materials, 2022, Vol. 15(21), 7578.
  7. Landi D., Marconi M., Bocci E., Germani M.: Comparative life cycle assessment of standard, cellulose-reinforced and end of life tires fiber-reinforced hot mix asphalt mixtures. Journal of Cleaner Production, 2020, Vol.  248, 119295.
  8. Landi D., Vitali S., Germani M.: Environmental analysis of different end of life scenarios of tires textile fibers. Procedia CIRP, 2016, Vol. 48, 508-513.