Politechnika Białostocka opatentowała nową nawierzchnię drogową z betonu geopolimerowego

Patent (nr Pat. 248185) dotyczy technologii, w której tradycyjną asfaltową warstwę wiążącą uzupełnia się o ochronno-ścieralną warstwę z betonu geopolimerowego. Dzięki jasnej barwie nawierzchni możliwe jest również ograniczenie zużycia energii elektrycznej na oświetlenie dróg.

Zespołem wynalazców kierował prof. dr hab. inż. Michał Bołtryk, Dziekan Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku oraz Kierownik Katedry Budownictwa i Kształtowania Krajobrazu Politechniki Białostockiej.

Beton geopolimerowy – trwałość i ekologia

Beton geopolimerowy to materiał o wyjątkowych właściwościach mechanicznych i środowiskowych. Powstaje z wykorzystaniem odpadów przemysłowych, takich jak popioły lotne czy żużle wielkopiecowe bogate w glinokrzemiany, aktywowanych alkaliami (np. szkłem wodnym i wodorotlenkiem sodu).

„Beton geopolimerowy jest materiałem stosunkowo nowym, gdzie wykorzystuje się odpady typu popioły lotne, żużle wielkopiecowe bogate w glinokrzemiany. Na glinokrzemiany oddziałujemy alkaliami typu szkło wodne i wodorotlenek sodu. W wyniku reakcji polimeryzacji powstaje geopolimer, którego właściwości są niewspółmiernie lepsze w odniesieniu do betonu asfaltowego. Przykładowo wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie geopolimeru jest 8 do 10 razy większe aniżeli betonu asfaltowego. Jest więc materiałem o wiele trwalszym, odpornym zarówno na obciążenia, jak i na warunki agresji środowiska. Ponadto geopolimer ma taką strukturę porów, która na przykład podczas opadów deszczu potrafi szybko odprowadzić wodę na pobocze drogi. Stąd jest to przyszłość nawierzchni z betonu asfaltowego z tą właśnie warstwą geopolimerową" – wyjaśnia prof. Bołtryk.

Dodatkową zaletą geopolimeru jest korzystna struktura porów, umożliwiająca szybkie odprowadzanie wody opadowej z powierzchni jezdni, co wpływa na bezpieczeństwo ruchu drogowego.

Klucz do sukcesu: trwałe połączenie warstw

Najważniejszym elementem badań była optymalizacja połączenia warstwy geopolimerowej z asfaltową warstwą wiążącą. Naukowcy skoncentrowali się na zjawisku adhezji pomiędzy dwoma różnymi kompozytami.

„Od dłuższego czasu zajmujemy się zjawiskiem adhezji pomiędzy dwoma kompozytami. Ustaliliśmy, że dzięki odpowiednio dobranym składnikom zarówno betonu asfaltowego, jak i betonu geopolimerowego wprowadzając wgłębienia w warstwie wiążącej przy pomocy półwałków o odpowiednim promieniu mamy bardzo trwałe połączenie pomiędzy warstwą wiążącą z betonu asfaltowego a warstwą geopolimerową. Warstwa ścieralna pracuje bowiem nie tylko na obciążenie pionowe od kół pojazdów, ale również na ścinanie pomiędzy dwiema górnymi warstwami nawierzchni" – mówi prof. Bołtryk.

W badaniach pod kierunkiem profesora Bołtryka uczestniczył zespół składający się z doktoranta i dwóch dyplomantów, którzy są współautorami patentu. 

„Chcąc zapewnić jak najlepszą sczepność międzywarstwową zastosowaliśmy rozwinięcie łączonych powierzchni poprzez użycie na zwykłym bębnie walca drogowego półwałków. Zagęszczając warstwę wiążącą walec będzie w tym samym czasie pozostawiał wgłębienia w kształcie tych półwałków, zapewniając zwiększoną powierzchnię sczepności międzywarstwowej" – wyjaśnia dr inż. Krzysztof Granatyr, adiunkt w Katedrze Budownictwa i Kształtowania Krajobrazu. 

Korzystnie wgłębienie jest odciskiem półwałka, którego promień jest większy od maksymalnej średnicy ziarna kruszywa grubego zastosowanego w betonie geopolimerowym warstwy ochronno-ścieralnej, przy czym jest nie mniejszy niż 20 mm.

Wykorzystanie ciepła asfaltu

Badacze z Politechniki Białostockiej nie tylko opatentowali sposób zwiększenia powierzchni łączonych kompozytów, ale też praktyczne wykorzystanie temperatury do wzmocnienia łączenia. Jak to możliwe? 

„Nawierzchnie asfaltowe bazują właśnie na termoplastycznym lepiszczu asfaltowym. Wiązanie lepiszcza asfaltowego z kruszywem w mieszankach mineralno-asfaltowych odbywa się w temperaturach rzędu 150-180 stopni. Dopiero przy takich temperaturach mieszanka mineralno-asfaltowa jest dobrze urabialna. Daje się transportować, układać i zagęszczać. Mając na względzie wysoką temperaturę tej warstwy wiążącej, wykorzystaliśmy jej energię cieplną do przyspieszenia reakcji polimeryzacji i hartowania warstwy geopolimerowej. Po prostu po ułożeniu górnej warstwy geopolimerowej i jej zagęszczeniu przykrywamy ją matą termoizolacyjną i proces polimeryzacji przyspiesza – przypomina prof. Bołtryk. 

Zespół i dalsze prace badawcze

W skład zespołu autorów patentu weszli:

• prof. dr hab. inż. Michał Bołtryk
• dr inż. Krzysztof Granatyr
• mgr inż. Jakub Pruszyński
• mgr inż. Paweł Szeligowski

Badacze z Politechniki Białostockiej kontynuują prace nad kolejnymi innowacyjnymi rozwiązaniami.

„Pracujemy nad nawierzchnią betonową, która nie będzie wymagać dylatacji. Jeżeli uda się nam opracować taki materiał hybrydowy, który zminimalizuje skurcz plastyczny i autogeniczny betonu, wówczas mam nadzieję, że to też będzie bardzo interesujące rozwiązanie dla drogownictwa" – mówi prof. Bołtryk. 

Dlaczego geopolimer zamiast asfaltu?

Tradycyjne nawierzchnie asfaltowe, mimo licznych zalet, mają istotne ograniczenia:

• są wrażliwe na wysokie i niskie temperatury,
• mają ciemną barwę, zwiększającą koszty oświetlenia,
• generują wysokie koszty eksploatacji i napraw,
• są podatne na koleinowanie i uszkodzenia w strefie warstwy ścieralnej.

Zastosowanie betonu geopolimerowego w warstwie ochronno-ścieralnej znacząco ogranicza te problemy.

Podsumowanie

Opatentowana przez Politechnikę Białostocką technologia umożliwia budowę trwalszych, bardziej ekologicznych i ekonomicznych nawierzchni drogowych. Kluczowe znaczenie mają:

• trwałe zespolenie warstw asfaltowej i geopolimerowej,
• wykorzystanie ciepła asfaltu do przyspieszenia polimeryzacji,
• zwiększona odporność na warunki środowiskowe i obciążenia ruchu.

Rozwiązanie to ma potencjał, by realnie wpłynąć na przyszłość nowoczesnego drogownictwa.

Konsultacja merytoryczna: prof. dr hab. inż. Michał Bołtryk

Źródło: Politechnika Białostocka