Stabilizacja lepiszcza asfaltowego w mieszankach mastyksowo-grysowych SMA i innych mieszankach o uziarnieniu nieciągłym jest konieczna ze względu na jego zwiększoną grubość na kruszywach i powinna być zapewniona podczas transportu mieszanki do budowy, jej rozkładania i zagęszczania w nawierzchnię drogowej w wysokiej temperaturze około 150-180 °C. Jeśli lepiszcze asfaltowe nie zostanie ustabilizowane, ono spłynie, powodując segregację i rozwarstwienie mieszanki asfaltowej, co doprowadzi do naruszenia zarówno wewnętrznej struktury warstwy, jak i jej tekstury; na przykład mogą pojawić się zarówno „plamy asfaltowe”, jak i obszary o zwiększonej porowatości. Może dopowadzić to nie tylko do zmniejszenia trwałości nawierzchni, ale także do zmniejszenia bezpieczeństwa ruchu.
Obecnie dodatki na bazie włókien celulozowych są prawie powszechnie stosowane jako stabilizatory lepiszcza w mieszankach asfaltowych SMA. Ale czy tylko włókna celulozowe należy stosować w celu wyeliminowania spływności lepiszcza asfaltowego?
Zrozumiejmy fizyczne przyczyny spływności lepiszcza w mieszankach asfaltowych SMA.
Lepiszcze asfaltowe spływające z cząstek mineralnych w wysokiej temperaturze jest podobne, na przykład, do farby spływającej ze ściany. Ale dlaczego spływają?
Przejdźmy do reologii, dziedziny nauki, która bada zachowanie materiałów płynnych i plastycznych pod wpływem naprężeń mechanicznych. Eugene Bingham wprowadził termin reologia. On i Fedor Shvedov opracowali modele opisujące zachowanie reologiczne systemów rozproszonych.
Systemy rozproszone obejmują na przykład zwykłe farby olejne i lepiszcza asfaltowe (asfalt + wypełniacz mineralny) w wysokich temperaturach. Równanie Shvedova-Binghama opisujące przepływ cieczy lepkoplastycznej ogólnie wygląda następująco:
W cieczy lepkoplastycznej pod działaniem naprężenia przekraczającego granicę plastyczności τ0 struktura warstwy cieczy zapada się, a ciecz płynie w pewnym stopniu podobnie do cieczy Newtonowskiej o lepkości η.
Na przykład, jeśli farba olejna ma niewystarczającą granicę plastyczności τ0, aby utrzymać się na ścianie pod ciężarem własnym, zacznie spływać, a jej lepkość η określi natężenie przepływu w dół ściany.
To samo dzieje się w grubych warstwach lepiszcza asfaltowego na kruszywach w mieszance asfaltowej SMA. Gdy temperatura robocza wzrasta do 150-180 °C, granica plastyczności lepiszcza asfaltowego τ0 zmniejsza się i osiąga granicę, gdy lepiszcze przestaje się zatrzymywać na cząstkach mineralnych z powodu naprężenia wynikającego z ciężaru własnego. Lepiszcze asfaltowe zaczyna spływać, a szybkość (czas) jego całkowitej spływności z cząstki mineralnego zależy od jego lepkości η.
W związku z tym konieczne jest zapewnienie minimalnych właściwości reologicznych lepiszcza asfaltowego w wysokiej temperaturze roboczej, aby zapobiec jego spływaniu w mieszankach asfaltowych SMA. Oznacza to, że aby zapobiec jego niedopuszczalnego spływania: granica plastyczności τ0 musi być wyższa niż skuteczne naprężenia ścinające wynikające z ciężaru własnego błoni asfaltowej; czy, aby zapewnić czas spływania wystarczający do transportu mieszanki asfaltowej i jej rozkładania i zagęszczania w nawierzchnię: lepkość plastyczna η lepiszcza asfaltowego musi mieć odpowiednią wartość.
Wtedy okazuje się, że bez względu na to, jakie składniki dodajemy do lepiszcza asfaltowego, czy to włókna celulozowe, czy jakiekolwiek inne włókna, wypełniacz czy polimer, wszystkie te dodatki zmienią jego właściwości reologiczne, a ich prawidłowa ocena jest kluczem do sukcesu w wyborze odpowiedniego i skutecznego stabilizatora. Bardzo proste.
Nie bez powodu w jednym z pierwszych patentów na mieszanki asfaltowe SMA (Patent Stanów Zjednoczonych nr 3797951, 1970) G. Zichnera, aby zapewnić stabilność technologiczną lepiszcza, proponuje się dodanie polimerów, włókien, wypełniaczy itp., jako stabilizatorów, tj. dowolnych składników, które mogą zoptymalizować właściwości reologiczne lepiszcza w wysokich temperaturach roboczych.
A włókna celulozowe nie są tu wyjątkowe, bo nie poprawiają właściwości mieszanek asfaltowych SMA. SMA jest dobre samo w sobie ze względu na swoje cechy strukturalne. Włókna celulozowego może być potrzebne mniej niż jakiegokolwiek innego składnika stabilizującego, ale nie więcej od tego. Jednak na przykład ze względu na wysoką zdolność absorpcji włókien celulozowych nie można je wiele dodawać; właściwości mieszanki asfaltowej pogarszają się, wysycha, a jej wskaźniki charakteryzujące długotrwałą wytrzymałość, wodoodporność i mrozoodporność maleją. Zatem zastosowanie włókien celulozowych jest ograniczone. A na przykład syntetycznych włókien lub polimerów, można dodawać znacznie więcej, poprawiając, jak wiadomo, nie tylko właściwości technologiczne mieszanek asfaltowych (zmniejszając szybkość spływania lepiszcza asfaltowego), ale także ich wytrzymałość i właściwości odkształcające.
Czy więc sensowne jest pozostawanie przy technologiach celulozowych do stabilizacji lepiszcza asfaltowego w SMA, które są stare i statyczne i które wymagają ciągłego stosowania znacznie droższych asfaltów modyfikowanych, ponieważ nie wpływają włókna celulozowe sami sobą na znaczące zmiany właściwości lepiszcza asfaltowego czy mikro – i makrostruktury mieszanek asfaltowych? Odpowiedź jest oczywista.
Skorzystaj z nowoczesnych, innowacyjnych, przyjaznych dla środowiska i opłacalnych rozwiązań do stabilizacji i wzmacniania mieszanek asfaltowych z włóknami syntetycznymi z recyklingu wytrzymałych kordów tekstylnych opon wycofanych z eksploatacji.
Poziom oddziaływania na środowisko obliczony na podstawie potencjału efektu cieplarnianego (GWP, CO2e), zredukowany do szacowanej trwałości nawierzchni asfaltowej SMA z włóknem syntetycznym, pochodzącym z opon wycofanych z eksploatacji, jest co najmniej o 20-30% niższy niż w przypadku nawierzchni asfaltowej SMA z dodatkami celulozowymi [1, 2]. W związku z tym dla drogi jednokierunkowej o długości 1 km z dwoma pasami ruchu, użycie tego włókna zamiast dodatku celulozowego może zmniejszyć wskaźnik GWP (CO2e), zmniejszony do 1 roku szacowanej trwałości nawierzchni asfaltowej, o 3-5 ton.
Nawierzchnie asfaltowe wykonane z włókna syntetycznego z opon wycofanych z eksploatacji są bardziej niezawodne i trwałe, co zapewnia ich wysokie parametry techniczne i ekonomiczne. W porównaniu z mieszankami asfaltowymi na bazie włókna celulozowego, wzrost trwałości mieszanek asfaltowych z podobnym włóknem syntetycznym może osiągnąć, według naszych badań [3], nawet 20-40%, a według badań innych naukowców [4], nawet do 100%.
Obecnie polska firma Recykl O.O. S.A. produkuje seryjnie włóknisty granulowany dodatek SMAPOL® do mieszanek asfaltowych z włókien syntetycznych z tekstylnych kordów opon wycofanych z eksploatacji.
SMAPOL® to granulowany dodatek o działaniu stabilizującymi wzmacniającym, ponieważ jego głównym składnikiem są wysokowytrzymałe włókna syntetyczne (poliester, poliamid, wiskoza, aramid). SMAPOL® dozuje się do mieszalnika na etapie przemieszania gorących materiałów mineralnych, co w żaden sposób nie wpływa na czas mieszania, ponieważ podczas mieszania „na sucho” granulki dodatku są tylko podgrzewane, a końcowa homogenezacja odbywa się na etapie mieszania „na mokro”. SMAPOL® nie jest mieszanką twardych granulek polimerowych, ale składa się z włókien, więc nie wymaga dodatkowego czasu mieszania w porównaniu do włókien celulosowych.
Jako dodatek stabilizujący SMAPOL® jest w zasadzie podobny do dodatków celulozowych, tj. zapobiega spływności lepiszcza asfaltowego w mieszankach asfaltowych SMA podczas transportu, rozkładania i zagęszczania, jednak dodatkowo, ponieważ składa się z wysokowytrzymałych włókien syntetycznych o średniej długości około 2-5 mm,SMAPOL® zapewnia mikrostrukturalne wzmocnienie mieszanek asfaltowych (nie tylko mieszanek SMA, ale także mieszanek asfaltowych innych typów), zapewniając, w przeciwieństwie do dodatków celulozowych, wzrost wytrzymałości i właściwości odkształcających.
DodatekSMAPOL® przeszedł państwową procedurę oceny w Instytucie badawczym dróg i mostów w Warszawie dotyczącą możliwości zastosowania w mieszankach asfaltowych SMA jako stabilizatora lepiszcza asfaltowego. Proces produkcji jest corocznie monitorowany przez SGS pod względem zabezpieczenia jakości.
Korzyści z zakupu SMAPOL® – zastosowanie wielofunkcyjnego dodatku do mieszanek asfaltowych, nawet po niższej cenie niż stabilizujące dodatki celulozowe.
SMAPOL®: to nie tylko zamiana dodatków celulozowych do mieszanek asfaltowych SMA – to ulepszenie
Bibliografia
- An environmental evaluation. Procedia Manufacturing, 21, 329-336. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.02.128
- Martinez-Soto, A., Valdes-Vidal, G., Calabi-Floody, A., Avendaño-Vera, C., & Martínez-Toledo, C. (2022). Comparison of Environmental Loads of Fibers Used in the Manufacture of Hot Mix Asphalt (HMA) and Stone Mastic Asphalt (SMA) Mixes Using a Life Cycle Assessment (LCA). Sustainability, 14(21), 14246. https://doi.org/10.3390/su142114246
- Zaprzalski, P., Zankowicz, W. (2023). Ekologiczny sposób recyklingu tekstyliów pochodzących z opon wycofanych z eksploatacji. Nowoczesne nawierzchnie drogowe. Recykling w konstrukcjach nawierzchni drogowych. MRP’23, 18.10.2023, Warszawa. Streszczenia referatów. Instytut Badawczy Dróg i Mostów, 63-64. https://mrp23.ibdim.edu.pl/images/dokumenty/2023/10/streszcenia_calo_m.pdf
- Vidal, G., Calabi, A., Mignolet-Garrido, C., Bravo-Espinoza, C. (2024). Enhancing Fatigue Resistance in Asphalt Mixtures with a Novel Additive Derived from Recycled Polymeric Fibers from End-of-Life Tyres (ELTs). Polymers. 16, 385. https://doi.org/10.3390/polym16030385
Dr inż. Witalij Zankowicz
Kierownik ds. B+R Technologii Drogowych
RECYKL O.O. S.A.
