Każdego roku w Polsce przybywa ponad 100 tys. ton zużytych opon, których zgodnie z uchwaloną przez Parlament Europejski dyrektywą Landfill 1999/31/EC nie można składować nawet w postaci rozdrobnionej. Należy zatem przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości stan zagospodarowania opon w Polsce będzie musiał ulec zmianie. W artykule zostaną przedstawione wyniki badań zastosowania odpadów gumowych ze zużytych opon samochodowych (granulatu) do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych typu betonowego.
Odpady gumowe ze zużytych opon samochodowych
Głównym źródłem odpadów gumowych są zużyte opony samochodowe zawierające wiele różnych materiałów, z których najwięcej jest mieszanki gumowej. Zawiera ona w zależności od przeznaczenia średnio 57% kauczuku naturalnego i syntetycznego oraz 30% sadzy (wypełniacza). Pozostałe 13% przypada na dodatki, które pełnią funkcje zmiękczające, wulkanizujące i antyutleniające [4].
Pierwszym etapem w procesie przeróbki i ponownego wykorzystania gumy pochodzącej ze zużytych opon samochodowych jest rozdrobnienie. Stosowane są dwie metody rozdrabniania opon samochodowych [2]:
- mechaniczne cięcie i rozcieranie w temperaturze otoczenia,
- rozdrabnianie kriogeniczne przy użyciu ciekłego azotu.
Oprócz gumy rozdrobnione opony zawierają również kawałki włókna i drutu stalowego, które oddziela się od granulatu gumowego. Proces rozdrobnienia prowadzi się do momentu uzyskania frakcji o pożądanych rozmiarach. Największe znaczenie z punktu widzenia wykorzystania rozdrobnionych opon do modyfikacji mieszanek mineralno-asfaltowych mają cząstki gumy od 1 do 10 mm i cząstki poniżej 1 mm (nazywane odpowiednio granulatem i miałem) [3].
Po porównaniu dwóch metod rozdrabniania zużytych opon samochodowych można stwierdzić, że cząsteczki uzyskane po zastosowaniu metody kriogenicznej (uzyskane z łamania i rozbijania) są gładkie i kubiczne oraz charakteryzują się małą powierzchnią właściwą. Natomiast cząstki otrzymywane w metodzie mechanicznej (uzyskane z cięcia i rozdrabniania) mają dużą powierzchnię właściwą, są szorstkie i mają nieregularny kształt. Koszty rozdrabniania opon (zużycia prądu, konserwacji) metodą kriogeniczną są niższe niż metodą mechaniczną. Ponadto w metodzie mechanicznej istnieje konieczność przynajmniej dwukrotnego rozdrabniania z uwagi na niewielki zakres wielkości ziaren otrzymywany w wyniku jednokrotnego rozdrabniania. Ten problem nie występuje przy rozdrabnianiu opon samochodowych za pomocą ciekłego azotu. Rozdrabnianie zużytych opon samochodowych metodą mechaniczną jest droższe i wymaga większych nakładów energii niż rozdrabnianie metodą kriogeniczną. Jednakże w celu uzyskania jednorodnej mieszaniny asfaltu z gumą korzystniejsze jest stosowanie miału gumowego otrzymywanego metodą mechaniczną [6].
Modyfikacja kompozytów mineralno-asfaltowych granulatem gumowym
Można wyróżnić dwie podstawowe metody dozowania granulatu gumowego do kompozytów mineralno-asfaltowych [2]:
- sucha (dry process),
- mokra (wet process).
Pierwsza metoda (sucha) polega na dodaniu granulatu gumowego do mieszanki mineralno-asfaltowej. Druga (mokra) polega na wprowadzeniu drobnoziarnistego granulatu gumowego (o uziarnieniu poniżej 1 mm) do asfaltu, które spełnia rolę lepiszcza w mieszance mineralno-asfaltowej. Dodatek rozdrobnionej gumy w tej metodzie wynosi od 10 do 20%. W metodzie na mokro stosuje się kilka sposobów wprowadzania miału gumowego do asfaltu [2].
Oprócz możliwości zastosowania odpadów gumowych ze zużytych opon samochodowych przy produkcji tradycyjnych mieszanek mineralno-asfaltowych metodą suchą to lepiszcze gumowo-asfaltowe wykorzystuje się przy produkcji [5]:
- mas zalewowych do wypełniania szczelin dylatacyjnych i innych, pokrowców nawierzchniowych SAM, które znajdują zastosowanie w postaci membran absorbujących naprężenia i tym samym obniżenia podatności na zmęczenie i zwiększenie efektów tłumienia hałasu,
- warstw międzywarstwowych SAMI, których celem jest przeciwdziałanie propagacji spękań i penetracji wilgoci,
- mieszanek mineralno-gumowo-asfaltowych, w których funkcję lepiszcza pełni asfalt modyfikowany miałem gumowym. Produkowane są mieszanki o uziarnieniu ciągłym i przerywanym,
- mieszanek mineralno-gumowo-asfaltowych stosowanych do wykonywania nawierzchni drenujących,
- warstw wodochronnych stosowanych do zabezpieczenia konstrukcji nawierzchni przed filtracją wody.
Metody i materiały użyte do badań
Mieszanki mineralno-asfaltowe modyfikowane granulatem gumowym metodą suchą zostały poddane badaniom laboratoryjnym. Wpływ granulatu gumowego na cechy fizyko-mechaniczne mieszanek mineralno-asfaltowych badano na podstawie pomiaru ich podstawowych właściwości, m.in. gęstości strukturalnej, zawartości wolnej przestrzeni, stabilności i odkształcenia.
W badaniach wykorzystano mieszankę mineralno-asfaltową o uziarnieniu do 12,8 mm przeznaczoną do warstw ścieralnych nawierzchni na kategorię ruchu KR3 o zawartości granulatu gumowego od 0 do 3%. Górną granicę zawartości granulatu ustalono na podstawie analizy literatury technicznej [5].
Przy modyfikacji betonu asfaltowego wykorzystano granulat gumowy pochodzący z rozdrobnienia metodą mechaniczną opon samochodów ciężarowych o uziarnieniu do 3 mm. Udział procentowy ziaren większych niż 2 mm w granulacie przekraczał 70%. Modyfikację przeprowadzono metodą suchą, która polegała na dodatku granulatu gumowego wagowo w różnych ilościach do mieszanki mineralnej, a wymianie podlegała część frakcji #2/5 mm.
Krzywą uziarnienia przyjętej do badań mieszanki mineralnej wraz z krzywymi granicznymi przedstawiono na rys. 1.
Zawartość asfaltu w stosunku do masy mieszanki mineralnej Ak = 5,4% określono na podstawie jej powierzchni właściwej F = 16,6 m²/kg i założonej grubości otoczki asfaltowej b = 3,2 μm [1]. Zatem ilość asfaltu w stosunku do całkowitej masy mieszanki mineralno-asfaltowej wynosi Am = 5,2%.
Do badań wykorzystano asfalt drogowy 50/70, który charakteryzował się penetracją 62 · 0,1 mm i temperaturą mięknienia TPiK równą 47,4°C. Na ich podstawie obliczono wskaźnik wrażliwości temperaturowej A = 0,0496 i indeks penetracji PI = –1,38.
Granulat gumowy dodawano do rozgrzanej do temperatury 160°C mieszanki mineralnej i mieszano przez 20 s. W dalszej kolejności dodawano rozgrzany do temperatury 140°C asfalt. Czas mieszania wynosił 4–5 min. Następnie mieszankę mineralnoasfaltową z dodatkiem gumy przechowywano w temperaturze 135°C przez 45 min. W ramach badań wykonano 6 zarobów (tabela 1). Dla każdej mieszanki wykonano po 3 próbki, które zagęszczano po 75 uderzeń na każdą jej stronę w temperaturze 135±3°C.
W celu zmniejszenia liczby zarobów zamiast metody badań kompletnych wykorzystano planowanie sympleksowe charakterystyczne dla badań właściwości mieszaniny zależnej od jej składu.
