W latach 70. zapotrzebowanie na budowę nowych dróg spadło, a te wybudowane w przeszłości wymagały zwiększenia prac naprawczych i kosztów utrzymania ze względu na ich wiek i wzrost natężenia ruchu samochodowego. Tendencja ta zbiegła się w czasie z kryzysem energetycznym i materiałowym. Spowodowało to znaczny wzrost cen materiałów do budowy dróg, a szczególnie asfaltu i cementu. W efekcie wzrosło zainteresowanie technologiami umożliwiającymi powtórne wykorzystanie materiałów, pozwalającymi na racjonalne wydawanie funduszy przeznaczonych na utrzymanie dróg.

Ostatnie lata przyniosły w Polsce znaczny rozwój konstrukcji nawierzchni dróg z użyciem nowych materiałów. Warto wymienić choćby: mieszankę SMA, cienkie dywaniki z mieszanek mineralno-asfaltowych o nieciągłym uziarnieniu, mineralno-asfaltowe mieszanki o podwyższonej sztywności, mieszanki z lepiszczami modyfikowanymi polimerami, geosyntetyki czy materiał uzyskiwany z recyklingu na gorąco i na zimno.

Najważniejsze wydają się rozwój i wdrażanie nowych technik budowy dróg, zapewniających ich dłuższą trwałość w polskich warunkach klimatycznych i eksploatacyjnych.

MATERIAŁY STABILIZUJĄCE

Jedną z metod poprawienia właściwości użytkowych nawierzchni jest zastosowanie środków stabilizujących. Oprócz zwiększenia charakterystyki wytrzymałości materiału środki stabilizujące poprawiają jego trwałość oraz odporność na działanie wody. Należy do nich zaliczyć: cement, wapno, emulsję asfaltową i różne rodzaje bitumu (rys. 1).

W wielu regionach nie występują materiały dobrej jakości do budowy dróg. Koszty transportu odpowiednich materiałów przyczyniły się do rozwoju technik stabilizacji, umożliwiających wykorzystanie zasobów dostępnych na miejscu. Poprzez dodanie środka stabilizującego można ulepszyć materiał lokalny lub odzyskiwany z istniejącej nawierzchni (rys. 2).

Wapno, cement oraz mieszaniny tych produktów z lotnym popiołem, zmielonym żużlem wielkopiecowym oraz podobnymi materiałami odpadowymi to najczęściej stosowane cementowe środki stabilizujące. Zasadniczą funkcją tych środków jest zwiększanie wytrzymałości stabilizowanego materiału, którego
wytrzymałość jest zależna od ilości dodawanego środka stabilizującego i rodzaju przetwarzanego materiału.

 

 

W przeciwieństwie do niektórych opinii, dodanie większej ilości środka stabilizującego w celu uzyskania większych wytrzymałości może być niekorzystne dla właściwości użytkowych materiału. Zwiększanie wytrzymałości powoduje, że materiał przetwarzany staje się bardziej kruchy, co z kolei zmniejsza jego odporność oraz trwałość zmęczeniową stabilizowanej warstwy. Prowadzi to do wzrostu liczby pęknięć przy wielokrotnych zmiennych obciążeniach, wywołanych przez ruch pojazdów. Ważne jest więc, aby stworzony został właściwy projekt mieszanki na bazie pobranej reprezentatywnej próbki.

Cement jest powszechnie stosowanym środkiem stabilizującym. Jego zastosowanie na całym świecie znacznie przekracza łącznie wszystkie inne środki stabilizujące. Główną tego przyczyną jest jego dostępność. Cement wytwarza się w większości krajów i jest on łatwo dostępny na całym świecie. Ma opinię dobrego materiału budowlanego. Są dostępne normy, metody badań i specyfikacje dotyczące zastosowania oraz wiele przykładów udanych nawierzchni, które zawierają warstwy stabilizowane cementem [2]. Wszystkie materiały przetwarzane z użyciem cementu, w tym beton, są podatne na pękanie.

Również stosowanie bitumu jako środka stabilizującego staje się coraz bardziej popularne. Jest on używany w postaci emulsji, asfaltu upłynnionego i spienionego. Materiał przetwarzany stabilizowany bitumem nie podlega zjawisku pękania podczas kurczenia się (charakterystycznego w przypadku stabilizacji z użyciem cementu), jak również pozwala natychmiast wprowadzać ruch kołowy. Wybór rodzaju emulsji jest też zależny od rodzaju odzyskanego materiału:

1) emulsje wolnorozpadowe o lepkości niższej niż średniorozpadowe są bardziej przydatne do otaczania mieszanek drobnoziarnistych,

2) emulsje średniorozpadowe są bardziej przydatne do materiałów gruboziarnistych z małą zawartością ziaren mniejszych od 0,063 mm.

Stosowanie emulsji jest uzasadnionym sposobem na polepszanie wytrzymałości oraz zmniejszanie wpływu oddziaływania wody na materiał przetwarzany. Taki materiał, związany bitumem z emulsji, tworzy elastyczną warstwę o znacznej odporności na zmęczenie. Pozwala to na zmniejszenie grubości warstwy bez ryzyka utraty nośności konstrukcji drogi.

Emulsje bitumiczne eliminują trudności przy pracy z gorącym bitumem i dobrze się łączą z wilgotnym materiałem przetwarzanym w temperaturze otoczenia. Emulsja składa się z dwóch cieczy wzajemnie nierozpuszczalnych, tworzących mieszaninę. Jest klasyfikowana według szybkości rozpadu oraz procentowej zawartości bitumu.

Po zmieszaniu z materiałem przetwarzanym dochodzi do utraty wody i cząstki bitumu ponownie łączą się w ciągłą błonkę osadzającą się na powierzchni kruszywa. Ten proces fizyczny nazywany jest rozpadem, a wpływ na niego mają:

a) utrata wody poprzez odparowywanie lub absorpcję przez materiał przetwarzany;

b) koagulacja chemiczna z powodu reakcji zachodzącej pomiędzy emulsją a kruszywem;

c) zakłócenia mechaniczne spowodowane przez nadmierne ciśnienie pompy;

d) czynność mieszania;

e) sposób zagęszczania;

f) skład chemiczny emulsji.

Kiedy określona ilość wody jest dodawana do gorącego bitumu, następuje jego spienienie [1]. Bitum w tej postaci dobrze nadaje się do zmieszania z zimnym, wilgotnym kruszywem (rys. 3). Przez spienienie asfaltu uzyskuje się lepiszcze, które wykazuje następujące zalety:

1) spieniony asfalt ma większą objętość od płynnego asfaltu i lepiej otacza zimną i wilgotną mieszankę mineralną,

2) w procesie spieniania asfaltu zmniejsza się jego lepkość, co poprawia właściwości reologiczne asfaltu,

3) gorący asfalt po procesie spienienia ma temperaturę tylko około 50-60°C.

Niektóre przetwarzane materiały odpadowe, stabilizowane z użyciem bitumu, mają niską wytrzymałość początkową (gdy są wilgotne). Problem ten można rozwiązać poprzez dodanie cementu. Małe ilości cementu lub wapna (0,5 do 2% wagowo) mogą znacznie zwiększyć wytrzymałość, bez obawy o ich wpływ na odporność zmęczeniową warstwy materiału. Stosuje się cement lub wapno w połączeniu z bitumicznymi środkami stabilizującymi, wyjątkiem przypadków, gdy recyklingowi poddawany jest sam destrukt asfaltowy.

Cement jest przeważnie używany w połączeniu z emulsją bitumiczną. Oprócz polepszenia początkowej wytrzymałości cement działa jako katalizator. Badania przeprowadzone nad skutkami łączenia cementu z emulsją bitumiczną wykazały, że można dodać do 2% (wagowo) cementu, bez znaczącego zmniejszania charakterystyki „zmęczenia materiału" ustabilizowanej warstwy. Praktykuje się również dodawanie większej zawartości procentowej cementu podczas stabilizacji przy użyciu emulsji bitumicznej w podobnej proporcji. Na podstawie badań właściwości mieszanek mineralnocementowo-emulsyjnych (m-c-e), przeprowadzonych przez autora w Laboratorium Badawczym Obiektów Infrastruktury Transportowej Politechniki Wrocławskiej, wynika, że najlepsze efekty uzyskuje się przy zawartościach 3% cementu i 4% asfaltu z emulsji asfaltowej w mieszance. Badane próbki zawierały 60% destruktu asfaltowego i 40% kruszywa doziarniającego [6].

Przy podejmowaniu decyzji, jakiego środka stabilizującego należy użyć dla konkretnego zadania, należy uwzględnić [7]:

1) koszt jednostkowy stabilizacji (zawsze będzie zasadniczym elementem analizy);

2) dostępność środka stabilizującego;

3) charakterystykę materiału. Niektóre środki stabilizujące są bardziej skuteczne w stosunku do konkretnego materiału;

4) doświadczenie. Niektórzy zarządcy dróg mają określoną politykę dotyczącą stosowania pewnych środków stabilizujących.

 

PROJEKTOWANIE MIESZANKI W PROCESIE RECYKLINGU

Podstawowym warunkiem powodzenia przy recyklowaniu nawierzchni asfaltowych jest właściwe projektowanie składu mieszanek mineralno-asfaltowych, zawierających materiały odzyskane i nowe. Wszystkie proponowane metody projektowania składu mieszanek mineralno-asfaltowych mają na celu ustalenie takich proporcji starego materiału, nowego kruszywa i asfaltu oraz ewentualnie dodatku recyklującego i innych nowych składników, aby:

1) usunąć nieprawidłowości w składzie i właściwościach recyklowanej mieszanki,

2) uzyskać mieszankę mineralno-asfaltową o właściwościach dorównujących cechom mieszanki o takim samym przeznaczeniu, wykonanej w całości z nowych składników.

Stosowane procedury projektowe obejmują najczęściej następujące czynności:

a) określenie cech materiału odzyskanego z nawierzchni (rys. 4),

b) określenie wymaganej ilości i rodzaju nowego kruszywa,

c) wybór rodzaju i określenie ilości nowego asfaltu oraz (lub) środka recyklującego,

d) przygotowanie oraz badanie mieszanek próbnych (rys. 5.),

e) wybór optymalnego składu mieszanki.

Nowe kruszywa dodaje się do recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej w celu [4]:

1) spełnienia wymagań dotyczących uziarnienia projektowanej mieszanki,

2) poprawy stabilności, trwałości oraz odporności na spękania niskotemperaturowe mieszanki,

3) spełnienia wymagań stawianych przez stosowaną technologię i uniknięcia problemów z zanieczyszczeniem powietrza,

4) poprawy szorstkości warstwy tworzonej przez recyklowany materiał (w przypadku zastosowania recyklowanej mieszanki na warstwę ścieralną),

5) umożliwienia wprowadzenia do projektowanej mieszanki dodatkowego asfaltu i środka recyklującego, które mają na celu regenerację starego asfaltu.

Nowy asfalt i (lub) środek recyklujący dodaje się do recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej w celu:

a) zregenerowania zawartego w niej starego asfaltu;

b) dostarczenia odpowiedniej ilości lepiszcza, wymaganej do otoczenia ziaren nowego kruszywa.

Po określeniu właściwości materiału przeznaczonego do recyklowania i ustaleniu stosunku ilości starego materiału do nowych kruszyw (względy technologiczne) należy określić ich rodzaj i uziarnienie tak, aby mieszanka mineralna, składająca się z ziaren nowych oraz wykorzystywanych powtórnie, spełniała odpowiednie wymagania normowe.

Funkcje środka recyklującego [4]:

1) poprawa składu chemicznego starego asfaltu,

2) poprawa cech fizycznych starego asfaltu (lepkości, penetracji),

3) wytworzenie mieszanki mineralno-asfaltowej o odpowiednich właściwościach fizycznych i mechanicznych.

 

 

 

Efektem zmian składu chemicznego starych asfaltów, po dodaniu środków recyklujących, są zmiany ich cech fi zycznych: zmniejszenie lepkości, wzrost penetracji, ciągliwości oraz polepszenie przyczepności do kruszyw mineralnych [4]. Wzrasta także odporność regenerowanego asfaltu na starzenie (ulega zmniejszeniu wskaźnik lepkości). Zregenerowany asfalt ma zbliżone cechy reologiczne do asfaltów nowo produkowanych. Indeksy penetracji asfaltów z dodatkiem środka recyklującego są porównywalne z indeksami dla nowych asfaltów. Również moduły sztywności asfaltów recyklowanych są zbliżone do modułów sztywności charakteryzujących nowe lepiszcze. Wpływ środków recyklujących na zmiany cech starego asfaltu badali laboratoryjnie Davidson i współpracownicy. Wykorzystali oni fakt, że pewne składniki środka recyklującego fl uoryzują w świetle ultrafioletowym, podczas gdy asfalt nie wykazuje tego efektu. Fluorescencja zmniejsza się i w końcu zupełnie zanika, gdy środek recyklujący staje się częścią lepiszcza. W trakcie tych badań stwierdzono, że [4]:  mieszanie starego asfaltu i środka recyklującego odbywa się stopniowo, nawet po wbudowaniu recyklowanej mieszanki mineralno-asfaltowej,

1) czas potrzebny do osiągnięcia stanu równowagi zależy od ilości dodatku recyklującego,

2) mieszanie starego asfaltu i środka recyklującego jest przyśpieszone przez zagęszczenie, ruch i podwyższoną temperaturę otoczenia,

3) istnieje określona ilość środka recyklującego, która może być zasymilowana przez asfalt.

Przy podejmowaniu decyzji o recyklowaniu nawierzchni oraz podczas pobierania próbek należy starać się określić, na ile właściwości mieszanki przeznaczonej do powtórnego użycia mogły być przyczyną powstałych uszkodzeń nawierzchni. Do najczęściej spotykanych niekorzystnych właściwości mieszanki mineralno-asfaltowej należą:

a) kruchość mieszanki z powodu niedoboru lub starzenia się lepiszcza,

b) niska stabilność mieszanki i skłonność do odkształceń plastycznych, spowodowana zbyt dużą ilością asfaltu lub złym uziarnieniem szkieletu mineralnego,

c) zła przyczepność asfaltu do kruszywa; w tym przypadku powtórne użycie mieszanki jest możliwe jedynie pod warunkiem poprawienia przyczepności asfaltu.

Oceniając w laboratorium cechy mieszanki mineralno-asfaltowej odzyskanej z nawierzchni, należy oddzielnie oceniać właściwości zawartego w niej kruszywa, a oddzielnie właściwości asfaltu. Z tego względu nieodzowne jest wykonanie ekstrakcji reprezentatywnej próbki materiału przeznaczonego do recyklowania.

Wymaga się wykonania ekstrakcji dla każdej pobranej próbki. Ilość asfaltu i kruszyw uzyskanych w wyniku ekstrakcji powinna być wystarczająca do przeprowadzenia wszystkich wymaganych badań.

Po ekstrakcji należy określić:

1) uziarnienie i właściwości kruszywa,

2) zawartość asfaltu w mieszance,

3) właściwości asfaltu.

Określenie uziarnienia kruszywa zawartego w mieszance mineralno-asfaltowej, poddawanej recyklowaniu, stanowi podstawę przy doborze ilości i uziarnienia nowych kruszyw korygujących. O proporcji starego i nowego materiału decydują ponadto często względy technologiczne. Jeżeli przewiduje się użycie projektowanej mieszanki do wykonania warstwy ścieralnej, należy dodatkowo określić ścieralność (badanie w bębnie Los Angeles) oraz polerowalność nowego i odzyskanego kruszywa.

Zawartość asfaltu w recyklowanej mieszance jest określana wagowo na podstawie wyników ekstrakcji. Ponadto należy określić konsystencję starego asfaltu za pomocą badania lepkości oraz penetrację w temperaturach 25 i 60°C. Określenie konsystencji wyekstrahowanego asfaltu jest nieodzowne dla oszacowania rodzaju, a także ilości nowego asfaltu i (lub) dodatku recyklującego, które należy użyć w projektowanej mieszance. Zawartość asfaltu oraz penetracja i lepkość asfaltu powinny być określone dla wszystkich próbek poddanych ekstrakcji [4, 6].

 

PROCES RECYKLINGU

Proces powtórnego wykorzystania częściowo zużytych lub uszkodzonych nawierzchni drogowych, jako źródła surowców do wykonania nowych nawierzchni, w języku angielskim określany jest słowem „recycling" [4]. W Polsce terminem tym przyjęło się określać „powtórne stosowanie materiałów, które były już użyte w podobny sposób". Wbrew powszechnie panującej opinii należy podkreślić, że to właśnie w drogownictwie ponowne wykorzystanie materiałów było znane i stosowane już od dawna. Recykling nawierzchni jest procesem technologicznym, który modyfikuje i przekształca uszkodzoną nawierzchnię w jednorodną strukturę, która może zapewnić wymagania ruchu drogowego. Pozwala przetworzyć i zastosować materiały odpadowe. Uzyskuje się to poprzez rozdrobnienie nawierzchni na określoną głębokość, dodanie lepiszcza (cement, emulsje asfaltowe, asfalt spieniony, popioły), wody (dla zmieszania i zagęszczenia), kruszywa - o ile zachodzi konieczność (dla korekty krzywej uziarnienia) i domieszki (rys. 6). Najczęściej recykling nawierzchni asfaltowej obejmuje sfrezowanie istniejącej warstwy - zawierającej asfalt, cement i kruszywo wypełniające - ewentualne dodanie nowych, takich samych materiałów oraz środka odnawiającego i wbudowanie nowej mieszanki mineralno-asfaltowej w nawierzchnię. Technika ta znalazła szersze zastosowanie dzięki wprowadzeniu specjalnych maszyn wielozadaniowych, tj. recyklarek, które wykonują cały proces z dużą dokładnością. Chociaż recykling
w budownictwie drogowym jest coraz powszechniejszy i częściej stosowany na świecie, to istnieją ograniczenia i zahamowania w pełnym rozwoju wszystkich jego możliwości. Zastosowania recyklingu w drogownictwie dotyczą materiałów:

1) drogowych, tj. odzyskanych z przebudowywanych obiektów drogowych lub ich elementów,

2)  niedrogowych, tj. uzyskanych z innych gałęzi przemysłu.

Najbardziej rozpowszechnionymi materiałami odpadowymi, mającymi szerokie zastosowanie w drogownictwie w różnych krajach, są [5]:

 a)  materiały ze starych nawierzchni asfaltowych, w nowych warstwach w ilości 10-60%;

b)  regenerowana mieszanka mineralno-asfaltowa z odzysku, zastosowana w nowej nawierzchni;

c)  beton cementowy nawierzchniowy z odzysku, w nowej nawierzchni jako kruszywo;

d) gruz z betonu cementowego, wykorzystywany jako kruszywo grube;

e)  popioły lotne;

f)  żużel wielkopiecowy;

g)  żużel paleniskowy z zakładów przemysłowych;

h)  żużel stalowniczy stosowany jako kruszywo w mieszankach mineralno-asfaltowych;

i)  tworzywa sztuczne;

j)  zużyte opony samochodowe, stosowane do mieszanek asfaltowych.

Materiały odpadowe stosowane w ograniczonych ilościach w drogownictwie, ze względu na brak doświadczeń, niską opłacalność lub niepełne badania nad ich przydatnością, to [5]:

1) materiały ze starych nawierzchni z mieszanek mineralno-smołowych (recykling na zimno);

2) szkło;

3)  popiół ze spalania śmieci miejskich do częściowego zastąpienia kruszywa;

4) odpady powstające podczas odsiarczania spalin;

5)  włókna odpadowe, polipropylenowe lub nylonowe, powstające przy produkcji dywanów;

6)  płynne lub półpłynne osady porafineryjne, zespolone dodatkiem wapna palonego;

7) odpady zawierające azbest, po utylizacji i pokruszeniu mogą być używane w mieszankach betonowych (np. w ilości 5%);

8)  gruz ceglany, stosowany do wykonywania podbudowy dróg i ulic lokalnych;

9)  materiały odpadowe z zakładów przemysłowych, zwykle poprodukcyjne lub przetworzone. Stosowanie recyklingu ma dużo oczywistych zalet, ale powstają różne problemy z jego wdrażaniem.

Wymienia się cztery główne powody, dla których powinno się recyklować nawierzchnie:

a) techniczny (dobra jakość materiałów użytych już uprzednio),
b)  finansowy (koszty są niższe przy zastosowaniu recyklingu),
c) ochrony środowiska (ponowne użycie zmniejsza zużycie nowych materiałów mineralnych),
d)  polityczny (który przeważnie łączy niektóre powody wymienione powyżej).

PODSUMOWANIE

Należy zakładać, że w przyszłości stosowanie materiałów recyklowanych musi zwiększać się we wszystkich krajach, gdyż pojawiać się będą coraz większe trudności z pozyskaniem nowych, tradycyjnych materiałów, a także kłopoty ze znalezieniem miejsca na składowanie materiałów rozbiórkowych, jak w krajach wysoko uprzemysłowionych. Te kraje są przykładem powstających kryzysów materiałowych i odpadowo-hałdowych, które wymusiły długoletnie stosowanie recyklingu, zarówno w zakresie jego wartości technicznych, jak i promowania na rynku. Polityka taka jest równocześnie ekologiczna, gdyż zapobiega ingerencji w środowisko naturalne, przy uzyskiwaniu niezbędnych materiałów. Doświadczenia z wdrażania recyklingu w jednym kraju nie można kopiować bezkrytycznie w innych warunkach. Każdy kraj musi uwzględnić czynniki kierujące własnym rynkiem. Na wybór tych rozwiązań wpływają oczywiście koszty, a do sukcesu recyklingu potrzebne jest poparcie władz państwowych. Recykling może uzyskać sukces jedynie, gdy jest konkurencyjny w gospodarce rynkowej. Jego konkurencyjność jest oceniana przede wszystkim przez zalety dla ochrony środowiska. W związku z tym największy wpływ na stosowanie recyklingu mają władze poszczególnych krajów.