Asfalt je živičnatá látka, která se získává buď přírodní cestou, nebo jako vedlejší produkt při frakční destilaci ropy. Je to směs různých sloučenin uhlovodíků (parafinů, olefinů, kyslíku, dusíku a síry). Pro praktické účely se složení asfaltu rozděluje na asfalteny (nositele tvrdosti) a malteny (olejovité látky zodpovědné za plastické a lepivé vlastnosti asfaltu). To, co vídáme denně na silnicích, bychom však správně, technicky, neměli nazývat asfaltem, ale asfaltovou směsí. Asfaltová směs, která se využívá jako stavební materiál při výstavbě pozemních komunikací, je vlastně směs kameniva a asfaltu. Dále se do asfaltové směsi přidávají podle potřeby další látky, které vylepšují vlastnosti výsledného materiálu nebo ho různě upravují.
Podle původu můžeme dělit asfalt na přírodní a umělý. Dále můžeme asfalt dělit podle typu užití na asfalt silniční a asfalt stavebně izolační. Oxidované asfalty se uplatňují hlavně v izolačních výrobcích a v menší míře také v silničním stavitelství. Jedná se o proces profukování měkčích asfaltů a zbytků z destilace vzduchem při teplotách kolem 250 až 300 °C. Přidáním organických rozpouštědel vznikají ředěné asfalty. Výsledná látka má výrazně nižší viskozitu. Z důvodu vysokého množství rozpouštědel (40-50 % hmotnosti) se od používání těchto směsí upouští. Uvolňované páry z rozpouštědel totiž představují vyšší nebezpečí požáru. Přidáváním kaučuků a termoplastů vznikají nové druhy asfaltů s lepšími vlastnostmi. Výsledná látka má vyšší bod měknutí s naopak nižším bodem lámavosti. Přidáním zmíněných polymerů se navíc docílí nárůstu tažnosti a vratné deformace. V praxi to znamená, že jsou modifikované asfalty odolnější vůči tvorbě mrazových trhlin a vyježděných kolejí. Využití asfaltu je v dnešní době velice široké a zdaleka se neomezuje jen na silniční výstavbu. Asfalt je oblíbenou látkou hlavně díky jednoduchosti jeho zpracování a možnému využití ihned po vychladnutí. V porovnání například s betonovou vozovkou vyniká asfalt také snazší údržbou v případě poškození.
Historie a vývoj recyklace asfaltových směsí
Recyklace asfaltových směsí je technologie známá desítky let. K jejímu dřívějšímu rozvoji přispěla především ropná krize v průběhu 70. let 20. století, kdy se skokově zvýšila cena za barel ropy, která tvoří hlavní surovinu pro výrobu asfaltového pojiva. Již ve zmiňovaných 70. a dále 80. letech 20. století bylo financováno několik výzkumných programů zaměřujících se na problematiku výroby směsí s R-materiálem, např. Federal Highway Administration (FHWA) Demonstration Project No. 39 [6]. V USA došlo také k provedení několika zkušebních úseků s použitím vysokého obsahu R-materiálu, většinou okolo 50 % až 70 %, podrobnější popis je možné nalézt například v odkazu [7]. Bohužel při výrobě těchto směsí nebyla věnována dostatečná pozornost zpracování znovuzískaných asfaltových směsí a často ani obalovny nebyly na přidávání takto vysokého množství technologicky uzpůsobeny. Z těchto důvodů plynuly také problémy, které nastaly během výroby, tj. u směsí kolísal obsah asfaltového pojiva, zrnitost směsí byla proměnlivá a často i výsledná tuhost směsí byla příliš vysoká. Mnohdy nedošlo ani ke splnění volumetrických parametrů, které byly kladeny na konvenční směsi. Následkem toho docházelo u takových směsí k předčasnému výskytu poruch a celkové degradaci. Tyto zkušební úseky musely být brzy sanovány použitím konvenčních asfaltových směsí. Souhra těchto okolností vedla k výraznému omezení použití vyššího podílu R-materiálu, kdy bylo maximální přidávané množství sníženo na 10 % až 25 % hmotnosti směsi v závislosti na státu, kde probíhala pokládka [8]. V některých státech přetrvává takto striktní omezení dodnes, přestože technologie výroby a zpracování materiálů se v posledních 40 letech významně posunuly. S rozvojem technologického vybavení obaloven byla umožněna výroba směsí s obsahem až 100 % R-materiálu, jejichž vlastnosti jsou srovnatelné se směsmi konvenčními [9]. Například New York City Department of Transportation (NYCDOT) umožnil ve svých předpisech používat pro městské komunikace ve státě New York směsi obsahující 100 % R-materiálu již v roce 2015. V Evropě se zdá být nejdále v tomto směru spolková země Hamburk (SRN), kde byly konstruovány zkušební úseky s obsahem R-materiálu až 90 % [10].
Technologické požadavky na obalovny a proces výroby
Kromě již zmíněných benefitů přináší ale tato technologie i větší nároky na zacházení s materiály na obalovně, které vyplývají z nutnosti zpracování znovuzískané asfaltové směsi a její úpravy na R-materiál. Další překážkou v použití vyššího množství R-materiálu jsou nároky na technologická vybavení obaloven, kdy pro dávkování vyšší než 25 % je obecně nutné mít obalovnu vybavenou bubnem s dvojitým pláštěm, paralelním bubnem nebo jinou vhodnou technologií [3]. V neposlední řadě je nutné věnovat zvýšenou pozornost nastavení okrajových podmínek výroby, a to především: míchacím časům, způsobům dávkování jednotlivých složek asfaltové směsi a způsobu oživení zestárlého pojiva obsaženého v R-materiálu. Protože investice do nového vybavení obaloven jsou vysoké a v některých zemích není používání R-materiálu v asfaltových směsích podporováno, zůstává míra recyklace asfaltových směsí nižší, než je z technologického pohledu možné.
Většina současných předpisů zabývajících se návrhem a požadavky na asfaltové směsi, např. americká AASHTO M 323 Standard Specification for Superpave Volumetric Mix Design nebo i evropská EN 12697-35 Asfaltové směsi - Zkušební metody pro asfaltové směsi za horka - Část 35: Laboratorní výroba směsi, popř. EN 13108-1, vycházejí z předpokladu, že vždy dojde k úplnému promíchání mezi zestárlým a novým pojivem. Vliv doby míchání a teploty na vlastnosti R-materiálu a vlastnosti výsledné směsi je popsán například v [19], a to jak v podmínkách laboratorních, tak i v podmínkách na obalovně.
Čtěte také: Beton svépomocí: Recept
Příklady technologií pro zpracování R-materiálu:
- Ammann RAH 100/Benninghoven BA - sušicí dvoukomorový paralelní buben s nepřímým ohřevem. R-materiál je nahříván proudem horkého vzduchu. R-materiál opouští buben, aniž by byl v kontaktu s hořákem.
- RAP King (Astec) - sušicí buben, uvnitř jehož středu jsou umístěny vyhřívací trubky naplněné tepelným médiem.
- HERA (VolkerWessels) - speciálně navržený buben s nepřímým ohřevem R-materiálu.
- HyRAP (Brooks Costruction Company) - systém s upraveným bubnem kontinuální obalovny, kdy jsou různé frakce R-materiálu dávkovány na 4 různých místech po délce bubnu.
Většina těchto systémů je však finančně velmi náročná nebo jsou uzpůsobeny pro použití spolu se zařízením kontinuální obalovny, které nejsou v České republice (ČR) příliš rozšířené (pouze dvě obalovny z celkového počtu 103) [12]. Z toho důvodu se dá očekávat, že častěji bude přistoupeno k vybavení současných obaloven v ČR především paralelními bubny s přímým ohřevem (popřípadě s ohřevem nepřímým), které jsou kompatibilní se současným technologickým zázemím šaržových obaloven v ČR.
Proces míchání
Jedním ze zásadních kroků během výroby směsí s R-materiálem v šaržové obalovně je proces míchání v míchačce obalovny. Během míchání by mělo dojít k maximální možné homogenizaci zestárlého a nově přidávaného asfaltového pojiva, popřípadě oživovací přísady. Míra promíchání (degree of blending) je definována jako procento zestárlého pojiva, které efektivně přispívá, spolu s novým pojivem, ke spojení zrn kameniva. Míra promíchání závisí na obsahu pojiva ve směsi, vlastnostech zestárlého pojiva a na zrnitosti směsi. Míra promíchání je přitom přímo úměrná času a teplotě R-materiálu. Je proto důležité věnovat zvýšenou pozornost nastavení doby míchání u směsí s obsahem R-materiálu, která by měla být v každém případě delší než v případě konvenčních směsí, dále teplotám R-materiálu a kameniva, ale i způsobu dávkování oživovacích přísad, který je závislý na povaze oživovací přísady. Proces míchání a interakce zejména mezi oživovací přísadou a zestárlým pojivem v R-materiálu je kontinuální proces, který nemusí být ukončen nutně během výroby asfaltové směsi. Ke vzájemnému ovlivňování mezi složkami směsi dochází do té doby, než je dosaženo rovnovážného stavu. Jedná se o výrobu homogenní směsi až po stav, kdy vlastnosti pojiva ve směsi kolísají vlivem nedokonalé výroby, která může být zapříčiněna například nehomogenitou R-materiálu nebo příliš krátkým časem míchání. Při špatně zvolených okrajových podmínkách výroby nebude nikdy dosaženo rovnovážného stavu.
Současná situace v ČR a Evropě
V ČR je v provozu celkem 103 obaloven, z nichž 72 umožňuje dávkování R-materiálu. Pouze 5 obaloven na území ČR je uzpůsobeno pro vyšší dávkování R-materiálu za horka. Požadavky na parametry R-materiálu jsou uvedeny v normě ČSN EN 13108-8 Asfaltové směsi - Specifikace pro materiály - Část 8: R-materiál, kde je stanoveno, jaké vlastnosti se musí sledovat a deklarovat. Maximální obsahy R-materiálu v asfaltových směsích typu asfaltový beton jsou stanoveny v národní příloze normy ČSN EN 13108-1 Asfaltové směsi - Specifikace pro materiály - Část 1: Asfaltový beton z roku 2008. V případě podkladních vrstev je maximální povolené množství stanoveno na 60 %, u ložních vrstev pak na 40 % a u obrusných vrstev až na 25 %. V současné době probíhá revize této národní přílohy, přičemž jedním z cílů změn je i zvýšení maximálního povoleného množství R-materiálu. U směsí pro obrusné vrstvy bude možné dávkovat až 35 % R-materiálu v závislosti na typu směsi. Změny týkající se maximálního povoleného množství R-materiálu pro směsi typu AC budou uvedeny v příloze normy ČSN 73 6121 Stavba vozovek - Hutněné asfaltové vrstvy - Provádění a kontrola shody. Tyto hodnoty jsou navrženy s ohledem na zkušenosti ostatních států z Evropské unie, které jsou zapojeny v CEN (Evropský výbor pro normalizaci), např. Německo, Nizozemsko nebo Rakousko. V těchto zemích je umožněno použití vyššího množství R-materiálu do obrusných vrstev, pokud R-materiál splňuje požadavky EN 13108-8, popřípadě požadavky na homogenitu (Německo, Nizozemsko), a pokud vyrobené směsi splňují požadavky kladené na směsi konvenční.
Obecně lze říci, že je v současnosti považováno množství převyšující 25 % R-materiálu v asfaltové směsi do obrusných vrstev za vysoké [14]. V několika studiích, realizovaných v USA, bylo prokázáno, že použití až 35 % R-materiálu do obrusných vrstev nezpůsobilo zhoršení funkčních vlastností směsí ve smyslu zvýšené tuhosti, únavy nebo odolnosti proti vodě, stejně tak nebyly zaznamenány problémy během pokládky [15, 16]. Naopak směsi ze zkušebního úseku s obsahem R-materiálu vykazovaly nezřídka lepší výsledky než směsi konvenční. Během výroby směsí s tímto vyšším obsahem R-materiálu došlo vždy k použití měkčího pojiva tak, aby byla kompenzována přílišná „tvrdost“ zestárlého pojiva v R-materiálu. Na druhou stranu bylo prokázáno, že pokud nejsou vlastnosti R-materiálu kontrolovány, nedochází k jeho homogenizaci a během návrhu směsi není počítáno s přítomností zestárlého pojiva nebo nedojde k jeho dostatečnému promíchání s pojivem novým, může dojít k dřívějšímu výskytu poruch.
Čtěte také: Výroba jímky z betonu krok za krokem
Na některých zkušebních úsecích v USA již byla použita také směs pro obrusné vrstvy obsahující 100 % R-materiálu. V těchto případech nebylo možné použít měkčí pojivo za účelem kompenzace přítomnosti zestárlého pojiva, ale místo toho byla vždy použita oživovací přísada. Například poznatky z jednoho z prvních zkušebních úseků se 100% recyklovanou asfaltovou směsí v obrusné vrstvě jsou ze státu New York z roku 2002. Pro výrobu směsi byla použita upravená kontinuální obalovna (NYCDOT 100% Recycle Pilot Plant, kontinuální obalovna), během výroby byla dávkována oživovací přísada Renoil, a to při výstupu R-materiálu z bubnu. K promíchání oživovací přísady a R-materiálu došlo během přepravy materiálu z bubnu do skladovacího sila. R-materiál byl během výroby nahříván na teplotu 150 °C. Tuhost 100% recyklované směsi byla nižší než u směsi kontrolní a nízkoteplotní vlastnosti byly srovnatelné s kontrolní směsí. Nedávno došlo k výstavbě dalšího zkušebního úseku ve státě Indiana USA, kde byla v roce 2013 pro výrobu 100% recyklované směsi využita technologie HyRAP. R-materiál byl dávkován na několika místech do speciálně modifikovaného bubnu kontinuální obalovny. Při kontrolních zkouškách byly zaznamenány velmi podobné parametry asfaltového pojiva i volumetrické vlastnosti kontrolní a kontrolované 100% recyklované směsi. V Evropě (v Hamburku) došlo k realizaci zkušebního úseku s vysokým obsahem R-materiálu v obrusných vrstvách v roce 2010. Název projektu je „Pollhornweg trial“. Navržená směs byla typu ACO 11 s 91 % R-materiálu. Během výroby byla použita technologie firmy Ammann RAH 100, přičemž R-materiál byl nahříván na 160 °C. Teplota směsi na stavbě pak byla 150 °C. Použitou oživovací přísadou byl Storbit.
Příklad obalovny v ČR - ASKOM VS 3TV
V roce 2016 česká firma ASKOM, a.s. (Brno) pro Obalovnu Ostrava s.r.o. vybudovala obalovnu asfaltových směsí s možností výroby litého asfaltu. Tato obalovna označená jako ASKOM VS 3TV má nominální výkon 160 t/hod.
Proces výroby na obalovně Ostrava:
- Suroviny a jejich doprava: Vodou prané kamenivo je velkokapacitními návěsy přiváženo z kamenolomu v Jakubčovicích nad Odrou a poté se drť vysype do příslušného zastřešeného boxu - jednotlivé frakce jsou označeny a je zabráněno jejich smísení. Nakladač rozváží kamenivo z boxů do sedmi 12m3 dávkovačů podle pokynů obsluhy velínu (tj. vyráběné směsi).
- Dávkování kameniva: Pod každým dávkovačem je krátký pásový dopravník s plynulou regulací rychlosti frekvenčními měniči, čímž lze poměrně přesně provést tzv. předdávkování.
- Sušení a ohřev kameniva: Sběrné pásy dopravují kamenivo ze zásobníků do 8 metrů dlouhého sušicího bubnu o průměru 2,2 metrů, jehož rotace je zajištěna čtyřmi elektromotory.
- Třídění horkého kameniva: Sušicí buben ústí do 30 metrů vysokého korečkového elevátoru, který pomocí korečků (tzv. "školení") dopravuje kamenivo na vrchol míchací věže, kde je osazeno šestisítné třídící zařízení. Třídičem je horké kamenivo rozděleno do samostatných částí zásobníku horkého kameniva o celkové kapacitě cca 50 m3. Zásobník je tepelně izolován. To umožňuje míchání menšího množství směsi (až 20 t) i bez spuštění celé obalovny.
- Přesné dávkování kameniva: Ze zásobníku horkého kameniva jsou podle právě vyráběné receptury pneumaticky ovládanými klapkami dávkovány jednotlivé frakce kameniva na váhu kameniva. Celý proces je řízeno prostřednictvím PC na velínu a PLC v rozvodně. Proces je plně automatický a nevyžaduje žádný zásah obsluhy velínu.
- Doprava a skladování asfaltu: Nedílnou složkou obalovaných směsí je pochopitelně asfalt. Ten je dovážen v tekutém skupenství izolovanými autocisternami při teplotě cca 170 °C. Jednotlivé druhy asfaltu se skladují odděleně.
- Použití fileru: Kromě kamenné drti a asfaltu se pro výrobu obalovaných směsí používá ještě vápenná moučka (tzv. filer). Filer je dovážen v suchém stavu v cisternách, ukládán v silech a stlačeným vzduchem je vháněna do stacionárního sila obalovny.
- Míchání: Míchačka o kapacitě 3 t pomocí sad lopatek na dvou hřídelích zajišťuje dokonalé promísení jednotlivých složek (kamenivo, asfalt, filer a popř. další přísady). Výsledkem je homogenní asfaltová směs. Čas míchání mimo jiné značně ovlivňuje celkovou kapacitu obalovny. Proto je nezbytné věnovat kondici míchačky potřebnou údržbu a kontrolovat stav lopatek i obložení.
- Skladování hotové směsi a expedice: Výpustnou klapkou pod míchačkou je směs vysypána do vozíku o kapacitě 3 tuny. Elektrickým pohonem je vozík dopraven nad otvor v zásobníku hotové směsi. Obalovna disponuje zásobníky pro uložení cca 400 tun hotové směsi. Od zásobníku jednotlivá vozidla odjíždí na tenzometrickou mostovou váhu o nosnosti 60 tun. Vozidlo totiž musí mít při odjezdu z areálu obalovny zaplachtovanou korbu pro omezení úniku tepla a zabránění šíření pachů z horké směsi.
- Odsávání a filtrace spalin: K odsávání spalin slouží hadicový filtr ZEOS, jenž k regeneraci využívá stlačeného vzduchu. Odfiltrovaný prach je ukládán v samostatném sile, odkud jej lze v souladu s recepturou použít ve výrobě jako tzv. vratný prach. Emise obalovny jsou na špičkové úrovni a nepřekračují 10 mg/m3. Aktuální stav je kontinuálně monitorován autonomním zařízením se zobrazováním a ukládáním naměřených hodnot.
Zkušební úseky a experimentální návrhy v ČR
V roce 2015 byl realizován zkušební úsek s použitím vysokého podílu R-materiálu na části komunikace II/204 mezi obcemi Kaznějov a Mrtník. Technologie byla vyzkoušena u směsi typu asfaltový beton. Celkem bylo položeno 8 různých směsí do ložních a obrusných vrstev. U ložních vrstev bylo dávkováno 0 % až 60 % R-materiálu z hmotnosti asfaltové směsi. V obrusných vrstvách bylo dávkování R-materiálu 0 % až 50 %.
Cílem projektu je prezentace výsledků zkoušek asfaltových pojiv z jednoho ze zkušebních úseků, konkrétně se jedná o zkušební úsek z roku 2015. Tento projekt je zaměřen na porovnání vlastností směsí s odstupňovaným obsahem R-materiálu a sledování vývoje vlastností asfaltového pojiva. Do srovnání jsou zařazeny směsi typu asfaltový beton pro obrusné a ložní vrstvy. Zkušební úsek se nachází v Plzeňském kraji. Jedná se o část komunikace II/204 mezi obcemi Kaznějov a Mrtník. Celková délka zkušebního úseku je 2,765 km. Úsek je rozdělen celkem na 4 podúseky.
Ve směsích pro obrusnou vrstvu (označení 1.1, 2.1 a 3.1) i ložní vrstvu (označení 1.2, 2.2 a 3.2) byl použit silniční asfalt kategorie 50/70, který svými vlastnostmi splňuje podmínky ČSN EN 12591 Asfalty a asfaltová pojiva - Specifikace pro silniční asfalty. Dále byl použit polymerem modifikovaný asfalt PMB 45/80-55 pro obrusnou vrstvu (4.1) a polymerem modifikovaný asfalt PMB 25/55-55 pro ložní vrstvu (4.2), oba asfalty odpovídají podmínkám stanoveným v ČSN EN 14023 Asfalty a asfaltová pojiva - Specifikace pro polymerem modifikované asfalty. Přísada použitá v asfaltových směsích se silničním asfaltem se dodává pod obchodním názvem Storelastic. Výrobek má charakter modifikátoru, konkrétně se jedná o pryžový granulát s maximální velikostí granulí < 1 mm. Kromě vlastního granulátu obsahuje produkt i rejuvenátor Storflux. Právě tato kombinace jednotlivých komponent má zajistit, aby zestárlé pojivo obsažené v R-materiálu bylo během výroby oživeno a nově přidávané pojivo i pojivo v R-materiálu modifikováno.
Čtěte také: Materiály na dřevěný plot
Během výroby asfaltových směsí byly použity dvě frakce R-materiálu. Do obrusných vrstev byla dávkována frakce RA 0/11 a u vrstev ložných RA 0/22. V obou případech se jednalo o směsný R-materiál, který byl před výrobou homogenizován a roztříděn na příslušné frakce pomocí mobilního granulátoru firmy Benninghoven. Během výroby byl R-materiál předehříván na 130 °C v paralelním bubnu obalovny Benninghoven. První sada směsí byla odebrána na obalovně během výroby. Následně došlo k odvrtání jádrových vývrtů na zkušebním úseku po uplynutí 6 měsíců od data pokládky.
Za účelem získání asfaltového pojiva z odebrané asfaltové směsi a jádrových vývrtů byla použita metoda extrakce dle normy ČSN EN 12697-1 Asfaltové směsi - Zkušební metody pro asfaltové směsi za horka - Část 1: Obsah rozpustného pojiva, následně bylo pojivo destilováno v rotačním vakuovém destilačním zařízení dle ČSN EN 12697-3 Asfaltové směsi - Zkušební metody pro asfaltové směsi za horka - Část 3: Znovuzískání extrahovaného pojiva - Rotační vakuové destilační zařízení. Použité rozpouštědlo byl trichlorethylen.
Přehled vybraných zkušebních úseků v ČR
| Název zkušebního úseku | Rok realizace | Typ směsi | Obsah R-materiálu v obrusných vrstvách | Poznámka |
|---|---|---|---|---|
| Kaznějov - Mrtník (komunikace II/204) | 2015 | Asfaltový beton | 0 % - 50 % | Ověření vlastností s odstupňovaným obsahem R-materiálu |
| Pollhornweg trial (Hamburk, SRN) | 2010 | ACO 11 | 91 % | Zkušební úsek s vysokým obsahem R-materiálu v Evropě |
| New York (USA) | 2002 | 100% recyklovaná asfaltová směs | 100 % | Použití oživovací přísady Renoil |
| Indiana (USA) | 2013 | 100% recyklovaná asfaltová směs | 100 % | Využití technologie HyRAP |
Důvodem výstavby těchto zkušebních úseků je především ověření možnosti návrhu, výroby a chování asfaltových směsí s vysokým obsahem R-materiálu v praxi v klimatickém pásmu ČR.
tags: #výroba #asfaltové #směsi #proces