Jak granulat gumowy wpływa na właściwości betonu asfaltowego?

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.

Wyniki badań i ich analiza  

Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że w przypadku modyfikacji mieszanki mineralno-asfaltowej granulatem gumowym pochodzącym ze zużytych opon nie udało się uzyskać mieszanki (nr 1–3), która spełnia wymagania normy PN -S -96025:2000 „Drogi samochodowe i lotniskowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania” stawiane mieszankom #0/12,8 mm przeznaczonym do stosowania jako warstwa ścieralna dla kategorii ruchu KR3. Stabilność i odkształcenie mieszanek zawierających granulat są mniejsze niż wymagane. Ponadto nie uzyskano ani wymaganej zawartości wolnej przestrzeni w próbkach (rys. 2), ani wypełnienia wolnej przestrzeni asfaltem (rys. 3).

Wartości stabilności i odkształcenia poszczególnych mieszanek wykorzystano do obliczenia wskaźnika sztywności Marshalla. Pozwala on wstępnie ocenić mechaniczne cechy mieszanek. Zazwyczaj wartość ta nie powinna być mniejsza niż 2, a większa od 6 kN/mm [1].

Analiza wskaźników sztywności Marshalla (rys. 4) mieszanek z różną ilością granulatu gumowego wskazuje, że ich wartości są mniejsze niż 2 kN/mm i dlatego można przypuszczać, że charakteryzują się małą odpornością na deformacje trwałe.

Przy ocenie wpływu granulatu gumowego na cechy fizyko-mechaniczne betonu asfaltowego wykorzystano metodę analizy statystycznej dla mieszanin z wykorzystaniem programu Statistica. Wybrane wyniki przeprowadzonej analizy przedstawiono w tabeli 2.

Podjęto próbę wyznaczenia współczynników równania, w którym cechy mieszanki mineralno-asfaltowej, takie jak: zawartość wolnej przestrzeni, wypełnienie wolnej przestrzeni asfaltem i wskaźnik sztywności Marshalla, uznano jako zmienne zależne od składników tworzących mieszankę mineralno-asfaltową (asfaltu, granulatu gumowego i mieszanki mineralnej).

Niezawodność każdego modelu oceniano na podstawie: współczynnika determinacji R2 i poziomu p. Przyjmując wartość krytyczną rozkładu t-Studenta równą 3,182 przy poziomie istotności α = 0,05 i 3 stopniach swobody, można określić, które współczynniki funkcji są istotne (wartość poziomu p jest większa od poziomu istotności α = 0,05). Kwadrat współczynnika korelacji wielokrotnej R2 (współczynnik determinacji) jest we wszystkich przypadkach dość wysoki, co świadczy o dobrym dopasowaniu obliczonego równania do danych doświadczalnych. Natomiast z analizy wariancji wynika, że obliczone wartości statystyki F znacznie przekraczają wartość krytyczną, która na poziomie istotności α =0,05 i przy 3 stopniach swobody dla licznika i 2 stopniach swobody dla mianownika wynosi 19,16. Wynika stąd, że cała rozpatrywana zależność jest istotna, lecz wzajemne korelacje między wprowadzonymi funkcjami zmiennych niezależnych powodują, że niektóre z nich są nieistotne.

Wnioski

Na podstawie badań, analizy otrzymanych wyników oraz studiów literaturowych można sformułować następujące wnioski:

• podstawową trudnością przy modyfikacji mieszanek mineralno-asfaltowych typu betonowego granulatem gumowym za pomocą metody suchej jest uzyskanie wymaganych cech mieszanek;
• choć przeprowadzone badania nie wykazały, że istnieje możliwość uzyskania mieszanki mineralno-asfaltowej spełniającej wymagania dotyczące betonu asfaltowego o uziarnieniu do 12,8 mm przeznaczonej do stosowania jako warstwy ścieralne, to zdaniem autora optymalna zawartość granulatu w mieszankach mineralno-asfaltowych wynosi 1±0,5% (wagowo);  
• analiza statystyczna dowiodła, że jednym z istotniejszych składników mieszanek mineralno-asfaltowych modyfikowanych granulatem obok mieszanki mineralnej jest ilość granulatu gumowego, która wywiera znaczny wpływ na właściwości fizykomechaniczne mieszanek mineralno-asfaltowych. Wzrost ilości granulatu w mieszankach typu betonowego powoduje wzrost zawartości wolnej przestrzeni oraz zmniejszenie wypełnienia wolnej przestrzeni asfaltem i wskaźnika sztywności Marshalla;  
• zastosowanie odpadów gumowych ze zużytych opon samochodowych, a zwłaszcza granulatu przy produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych, może przyczynić się do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego przy założeniu opracowania właściwej technologii. 

Podsumowując, należy zaznaczyć, że największe szanse powodzenia przy modyfikacji granulatem gumowym w metodzie suchej mają mieszanki mineralno-asfaltowe, których krzywe uziarnienia charakteryzują się nieciągłym uziarnieniem. Do tego typu mieszanek należą przede wszystkim MNU (mieszanki o nieciągłym uziarnieniu) i SMA (mastyks grysowy). Zawierają one ponad 70% grysów tworzących szkielet nośny, którego pory wypełnione są mastyksem. Tak duża ilość grysów wzajemnie się klinujących zapewni z jednej strony odpowiednią odporność na deformacje trwałe, a z drugiej odpowiednią zawartość wolnych przestrzeni w szkielecie mineralnym, który wypełniony będzie mastyksem (asfalt, piasek, granulat i dodatek stabilizujący).

Literatura

1. K. Błażejowski, S. Styk, „Technologia warstw asfaltowych”, WKiŁ, Warszawa 2004.
2. R. Horodacka, M. Kalabińska, J. Piłat, P. Radziszewski, D.Sybilski, „Wykorzystanie zużytych opon samochodowych w budownictwie drogowym”, „Studia i materiały”, zeszyt 54, IBDiM, Warszawa 2002.  
3. M. Malesa, L. Pyskło, „Wprowadzenie do Recyklingu Opon: 2004”, Stowarzyszenie Przemysłu Gumowego EKOGUMA, Piastów, wrzesień 2004.  
4. U. Mielicke, D. Schlag, „Entsorgung von Altreifen in Baden-Württemberg. Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg”, Karlsruhe 2002.  
5. J. Piłat, P. Radziszewski, „Nawierzchnie asfaltowe”, WKiŁ, Warszawa 2004.  
6. www.entire-engineering.de/str/de_zer.html

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!