Nad kompozytami mineralnymi mogącymi być składnikiem trwałych, bezpiecznych nawierzchni asfaltowych redukujących ujemny wpływ na środowisko pracują naukowcy z Białegostoku, Lublina i Rzeszowa. Projekt realizowany jest w ramach Politechnicznej Sieci VIA CARPATIA.
Celem przedsięwzięcia jest ustalenie optymalnych rozwiązań w zakresie wybranych mieszanek mineralno-asfaltowych na bazie kompozytów mineralnych produkowanych przy obniżonej temperaturze technologicznej. Opracowane mieszanki powinny gwarantować trwałość warstw nawierzchni drogowych i mostowych, zapewniać dobre właściwości przeciwpoślizgowe oraz przyczyniać się do ograniczenia ujemnego wpływu na środowisko. Obecnie produkcja mieszanek mineralno-asfaltowych w technologiach konwencjonalnych (HMA – hot mix asphalt) odbywa się w wysokich temperaturach, sięgających nawet 230 stopni Celsjusza.
W celu zminimalizowania negatywnego wpływu na środowisko istotny jest optymalny dobór technologii wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych przyjaznych środowisku, np. technologii produkcji mieszanek na ciepło (WMA, warm mix asphalt), co pozwala m.in. na zmniejszenie zużycia paliw oraz emisji szkodliwych oparów i aerozoli do atmosfery. Obniżenie temperatur technologicznych można uzyskać m.in. przez dodatek minerałów z grupy zeolitów. W strukturze krystalicznej tych minerałów występują komory i kanały o różnych wymiarach, dzięki którym możliwe jest magazynowanie wody lub innych związków polarnych. Taki specyficzny typ budowy nadaje im wiele cech fizycznych i chemicznych, w tym zdolność do absorpcji niewielkich cząsteczek związków chemicznych. Dzięki funkcjonalnej budowie materiału możliwe jest również wprowadzenie do struktury zeolitu wody z zewnątrz, która intensyfikuje proces spienienia asfaltu.
Zamierzamy modyfikować zeolity związkami z grupy silanów zawierających różne ilości siarki. Zakres prac obejmuje również analizę wodo- i mrozoodporności zmodyfikowanych lepiszczy asfaltowych na podstawie pomiarów swobodnej energii powierzchniowej (SEP) z uwzględnieniem różnych warunków kondycjonowania próbek (ciśnienie, temperatura, obecność wody). Takie podejście do pośredniego oznaczenia mrozoodporności lepiszczy asfaltowych nie było dotychczas analizowane. Istotną wartością naukową będzie zastosowanie otrzymanych kompozytów mineralnych do mieszanek mineralno-asfaltowych specjalnego przeznaczenia, tj. asfaltu lanego do nawierzchni na obiektach mostowych, SMA LA w warstwach ścieralnych do redukcji hałasu drogowego – zapowiada prof. Tomasz Siwowski z Katedry Dróg i Mostów na Wydziale Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej.
Warstwa ścieralna powinna być trwała, zapewniać komfort jazdy i bezpieczeństwo użytkowników oraz ograniczać ujemny wpływ transportu na środowisko. Jest to możliwe przez odpowiedni dobór materiałów oraz składu mieszanki mineralno-asfaltowej. Tradycyjnie budowana warstwa ścieralna z mieszanki SMA jest trwałym rozwiązaniem, ale problem stanowi aquaplaning, który ogranicza generowanie siły tarcia na styku opony i powierzchni nawierzchni w warunkach poślizgu, zaś poziom hałasu toczenia pojazdów samochodowych generowanego na styku opony z powierzchnią jest wyższy niż w przypadku warstw z asfaltu porowatego. Z kolei warstwy z asfaltu porowatego nie zapewniają satysfakcjonującej trwałości, szczególnie w krajach z ujemnymi temperaturami w okresie zimowym.
Mając na uwadze potrzebę redukcji poziomu hałasu toczenia pojazdów samochodowych i aquaplaningu, projektuje się mieszankę mastyksowo-grysową SMA LA, będącą rozwiązaniem pośrednim między mieszanką SMA i asfaltem porowatym. Podobnie jak mieszanka SMA, mieszanka SMA LA powinna być projektowana na bazie asfaltów modyfikowanych polimerem. Zawartość wolnych przestrzeni (co najmniej 10–12%) oraz wysoka zawartość kruszyw grubych (ok. 80%) przyczynia się do „otwarcia” struktury i powstania „negatywnej” tekstury warstwy wykonanej z mieszanki SMA LA. Wpływa to na obniżenie hałasu w płaszczyźnie kontaktu opony z nawierzchnią oraz szybsze odprowadzenie wody na styku opony z powierzchnią SMA LA.
W Polsce mieszanka SMA LA nie jest powszechnie stosowana w budowie warstwy ścieralnej. Badania poziomu hałasu na nawierzchniach typu SMA LA wybudowanych w Niemczech, Danii i Belgii wykazały, że pozwalają one obniżyć poziom hałasu toczenia pojazdów o ok. 2,0 dB w porównaniu z nawierzchnią referencyjną z mastyksu grysowego SMA. Potwierdziły to także badania zespołu z Politechniki Białostockiej wykonane na drodze ekspresowej S51 – zaznacza prof. Siwowski.
Stan wiedzy technicznej z zakresu badań nad mieszankami SMA LA wskazuje, że dotychczas koncentrowano się głównie na testowaniu mieszanek na bazie polimeroasfaltów. Zastosowanie kompozytów mineralnych umożliwi opracowanie nowego rozwiązania technologicznego korzystnego z punktu widzenia trwałości, właściwości przeciwpoślizgowych i akustycznych w mieszance SMA LA.
Mieszanka asfaltu lanego charakteryzuje się bardzo dużą szczelnością (zawartość wolnych przestrzeni ok. 1–1,5%), co predestynuje ją do stosowania w warstwach nawierzchni na obiektach mostowych, stanowiąc warstwę ochronną izolacji. Właściwości warstwy ochronnej z asfaltu lanego stanowią dobrą barierę dla wody, dlatego uważa się, że jest uzupełnieniem izolacji pomostu. Jest wytwarzana w wyższej temperaturze (ponad 200°C) niż klasyczne mieszanki wałowane (ok. 180°C), co stwarza dodatkowe wymagania dla izolacji pomostu, na której warstwa ochronna jest rozkładana. W praktyce wykonawczej w Polsce niejednokrotnie stwierdzono niewystarczającą odporność izolacji na podwyższoną temperaturę, objawiającą się powstawaniem pęcherzy oraz wybrzuszeniami nawierzchni. Jednocześnie ze względu na zmniejszony udział w mieszance frakcji kruszywa łamanego grubych frakcji asfalt lany może mieć zmniejszoną odporność na odkształcenia trwałe niż warstwy z mieszanek wałowanych.
Na Politechnice Rzeszowskiej wykonano badania wpływu dodatku asfaltu naturalnego Trynidad Epure na właściwości zarówno lepiszcza, jak i otrzymanej z jego udziałem mieszanki asfaltu lanego, przeznaczonej na warstwę ochronną w nawierzchni mostowej. Badania wykazały pozytywny wpływ dodatku w kontekście zwiększenia odporności na odkształcenia trwałe. Istnieje zatem możliwość oddziaływania na odporność na deformacje trwałe także przez zastosowanie odpowiednio skomponowanego nowoczesnego lepiszcza. Korzyścią zastosowania innowacyjnego lepiszcza opracowanego w ramach grantu w mieszance asfaltu lanego może być zmniejszenie ryzyka wykonania wadliwej nawierzchni na obiektach mostowych, a także uzyskanie większej jej trwałości przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii do produkcji i wbudowania mieszanki asfaltu lanego na obiektach mostowych. Oznacza to osiągnięcie efektu ekologicznego.
Projekt, któremu lideruje Politechnika Białostocka, realizowany jest w ramach Politechnicznej Sieci VIA CARPATIA.
Anna Worosz, źródło: PRz