Kompozyty mineralne jako składnik trwałych, bezpiecznych nawierzchni asfaltowych redukujących ujemny wpływ na środowisko
Projekt pt. „Kompozyty mineralne jako składnik trwałych, bezpiecznych nawierzchni asfaltowych redukujących ujemny wpływ na środowisko” uzyskał dofinansowanie w konkursie na granty pt. „ISKRA - budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych” realizowanym w ramach Politechnicznej Sieci VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego. Kierownikiem projektu jest prof. dr hab. inż. Tomasz Siwowski z Katedry Dróg i Mostów na Wydziale Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej. Projekt realizowany jest przez zespół badawczy z Politechniki Białostockiej, Politechniki Lubelskiej i Politechniki Rzeszowskiej. Liderem projektu jest Politechnika Białostocka.
Zespół badawczy
Politechnika Białostocka: wykonawca wiodący prof. dr hab. inż. Władysław Gardziejczyk, wykonawcy: dr inż. Marta Wasilewska, dr inż. Paweł Gierasimiuk
Politechnika Lubelska: wykonawca wiodący dr inż. Agnieszka Woszuk, wykonawcy dr Szymon Malinowski, mgr inż. Michał Wróbel (doktorant)
Politechnika Rzeszowska: wykonawca wiodący prof. dr hab. inż. Tomasz Siwowski, wykonawcy dr inż. Lesław Bichajło, dr inż. Krzysztof Kołodziej
Opis projektu
Celem projektu 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°C.
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.
W projekcie przewidziana jest modyfikacja zeolitów związkami z grupy silanów zawierających różne ilości siarki, które dotychczas nie były opisane w literaturze. Zakres prac badawczych przewidzianych we wniosku 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.
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 do nawierzchni dróg obciążanych ruchem o kategorii KR4–KR7 jest trwałym rozwiązaniem. Pozostaje jednak problem aquaplaningu, który ogranicza generowanie siły tarcia na styku opony i powierzchni nawierzchni w warunkach poślizgu, a 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. Stan wiedzy technicznej z zakresu badań nad mieszankami SMA LA wskazuje, że dotychczas koncentrowano się głównie na testowaniu mieszanek na bazie polimeroasfaltów. Realizacja projektu pod kątem zastosowania kompozytów mineralnych umożliwi wskazanie nowego rozwiązania technologicznego korzystnego z punktu widzenia trwałości, właściwości przeciwpoślizgowych i akustycznych w mieszance SMA LA. W literaturze brak jest informacji na temat produkcji mieszanek SMA LA przy obniżonej temperaturze technologicznej. Konieczne jest zatem przeprowadzenie szczegółowych badań mieszanki SMA LA, które umożliwią określenie wpływu ich składu na trwałość oraz właściwości przeciwpoślizgowe i akustyczne.
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. W literaturze nie ma wyników badań na temat stosowania kompozytów mineralnych z zeolitami jako dodatku do asfaltu lanego w celu redukcji temperatur technologicznych podczas produkcji i wbudowaniu takiej mieszanki. 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.
Więcej informacji na temat projektu można znaleźć w w publikacji „ISKRA – budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych”.
