Možnosti využití asfaltového recyklátu ve stavebnictví
Výzkumem bylo prokázáno, že stmelením asfaltového recyklátu asfaltovou emulzí dosáhneme dostatečné pevnosti podkladní vrstvy. Zároveň v kombinaci s mírným zahřátím stmelené směsi dojde k mnohonásobnému zvýšení požadovaných parametrů (především pevnosti v příčném tahu) této směsi, právě díky aktivaci obsaženého pojiva v recyklátu. Tato možnost úpravy je vhodná pro většinu asfaltových recyklátů používaných v ČR, které obsahují pojivo s bodem měknutí okolo 60 °C. Navrhovaná technologie se osvědčí zejména při výstavbě, opravě či údržbě komunikací, a tento cenný materiál v podobě asfaltového recyklátu se jistě dočká adekvátního využití. Téma se řešilo i v rámci letošní konference Izolace.
1. Úvod
Všeobecným cílem využití recyklátů do pozemních komunikací je zvýšit množství R-materiálu v horkých asfaltových směsích a asfaltového recyklátu do podkladních vrstev vozovek. V případě „čistého“ R-materiálu (asfaltového recyklátu) je situace dobrá a v současné době se tyto recykláty běžně používají do nových asfaltových směsí. Bohužel využití asfaltového recyklátu dle TP 210 s hlavním využitím pro směsi do podkladních vrstev vozovek není zatím tak preferováno, jak by mohlo být. Velká část asfaltového recyklátu, která nevyhovuje použití do horkých asfaltových směsí, tak končí zbytečně jako materiál pro podkladní vrstvy chodníků, zásypy krajnic vozovek nebo jako nestmelené povrchy málo zatížených účelových komunikací a jiných dopravních ploch. A právě z tohoto důvodu byl iniciován výzkum týkající se návrhu a zpracování asfaltového recyklátu do podkladních vrstev vozovek stmelených pojivem.
2. Metodologie výzkumných prací
Aktuální výzkum využití asfaltových recyklátů navazuje na projekt, který proběhl v letech 2019 až 2022, kdy byly v rámci konkrétních staveb v Brně používány asfaltové recykláty stmelené hydraulickým pojivem do podkladních vrstev vozovek místních komunikací. Významným způsobem se do těchto výzkumných aktivit zapojila firma DUFONEV RC, a.s. se svým míchacím centrem.
Stmelené směsi recyklátů z míchacího centra vykazovaly optimální homogenitu kontrolovaných vlastností čerstvých směsí. Díky tomuto úspěšnému řešení využití recyklátů do podkladních vrstev vozovek pozemních komunikací byl navržen nový specifický projekt výzkumu těchto směsí na VUT, Fakultě stavební, Ústavu pozemních komunikací. V rámci tohoto výzkumu se vycházelo z nově vzniklé normy ČSN 73 6147 Recyklace konstrukčních vrstev vozovek za studena (s účinností od 1. 6. 2023) navazujících na původní technické podmínky TP 208 Recyklace konstrukčních vrstev netuhých vozovek za studena.
Obrázek 1 Mísící centrum pro výrobu stmelených směsí a příklad pokládané stmelené směsi do podkladní vrstvy místní komunikace (Dufonev R.C., a.s.)
Cílem výzkumu bylo posoudit různorodé vzorky běžně používaných asfaltových recyklátů a navrhnout jejich snadnou, široce použitelnou a ekonomicky výhodnou úpravu pro jejich další použití do podkladních vrstev vozovek, zejména místních pozemních komunikací.
V první etapě došlo k odebrání významného množství vhodných zkušebních vzorků materiálů. Vzhledem k tomu, že se výzkum zaměřuje převážně na podkladní vrstvy komunikací druhých a třetích tříd, byla navázána spolupráce především se středisky správy a údržby komunikací v jednotlivých krajích, které s tímto materiálem hospodaří. Celkem bylo odebráno na těchto střediscích, popř. přilehlých obalovnách asfaltových směsí celkem 5 různých druhů běžně používaného asfaltového recyklátu do maximální velikosti zrna 32 mm, popř. 63 mm. Jednalo se o vzorky z SÚS cestmistrovství Bystřice nad Pernštějnem (vzorek 1), obalovna Rajhradice (vzorek 2), SÚS cestmistrovství Tišnov (vzorek 3), skládka Colas, a.s. Znojmo (vzorek 4) a obalovna tasovice (vzorek 5). Kromě velikosti maximálního zrna a obsahu vody do 5 % (z důvodu zajištění dobré zpracovatelnosti a zhutnitelnosti v laboratorních podmínkách) nebyly na recyklát kladeny žádné jiné požadavky.
Ve druhé etapě byly provedeny standardní zkoušky jak na samotném recyklátu (sítový rozbor), tak na extrahovaném asfaltovém pojivu (obsah asfaltového pojiva, penetrace, bod měknutí) pro zjištění základních informací o odebraných vzorcích. Tyto zkoušky potvrdily předem očekávaný různý původ a vlastnosti asfaltového recyklátu, čímž bylo zajištěno široké spektrum výběru mezi použitými materiály od nejméně kvalitních, až po velmi vhodné asfaltové recykláty.
Součástí třetí etapy byl samotný návrh stmelených směsí z asfaltového recyklátu. Celkem bylo pro každý laboratorní vzorek asfaltového recyklátu vytvořeno 9 zkušebních sad válcových zkušebních vzorků. V prvním kroku byla vytvořena řada referenčních těles z asfaltového recyklátu při teplotě + 30 °C. Poté byly, za účelem maximálního využití zbytkového obsahu asfaltového pojiva v recyklátu, vytvořeny další 3 sady zkušebních těles při teplotách 60 °C, 90 °C a 135 °C. Teploty byly voleny účelně dle následujících důvodů:
- 30 °C – referenční teplota asfaltového recyklátu za standardních podmínek;
- 60 °C – jedná o teplotu, při které je překročen bod měknutí běžně používaného asfaltového pojiva v ČR; zároveň se jedná o teplotu, při které bývá ohřívána asfaltová emulze a lze ji nastavit v ohřívacím bubnu používaným na některých střediscích SÚS;
- 90 °C – teplota, při níž je 100% překročen bod měknutí asfaltového pojiva a nedochází k odparu vody v případě dávkování asfaltové emulze;
- 135 °C – teplota nahřívání R-materiálu na obalovně asfaltových směsí při dávkování do horkých asfaltových směsí (nedochází k přepalování asfaltového filmu na povrchu zrn).
Pozn. Nastavený teplotní rozsah uvažuje s aktivací zbytkového asfaltu v recyklátu.
V dalším kroku bylo do asfaltového recyklátu dávkováno drobné množství pojiva 1,5 % kationaktivní asfaltové emulze modifikované 60% (KAE), pro zlepšení pevnostních charakteristik vrstvy. Pro takto namíchanou směs byly opět vytvořeny a zhutněny 4 sady těles při výše uvedených teplotách. Asfaltová emulze byla dávkována vždy při standardní míchací teplotě 60 °C.
Obrázek 2 Zkušební válcová tělesa Ø 150 mm, výšky 120 mm po zkoušce pevnosti v příčném tahu a schéma zhutňování zkušebních těles
Obrázek 3 Ruční mobilní hydraulický lis na zhutnění směsí pro podkladní vrstvy vozovek
Poslední, devátá vytvořená sada těles, byla hutněna pouze při referenční teplotě 30 °C a obsahovala přídavek pojiva v podobě 1,0 % hm. směsného cementu CEM II 32,5 R (CEM). Tato sada byla speciálně vytvořena pro zjištění účinků hydraulického pojiva na tuhost směsi asfaltového recyklátu, který obsahoval největší množství zbytkového zestárlého asfaltu. Bod měknutí tohoto pojiva byl tak vysoký, že pro stmelující funkci ho bylo nutné zahřát minimálně na 90 °C.
Na závěr byla všechna vyrobená tělesa podrobena zkoušce pevnosti v příčném tahu dle ČSN EN 13286-42. Ta byla dle normy ČSN 73 6147 provedena na vodou saturovaných i suchých tělesech a byla sledována jak jejich minimální pevnost v příčném tahu, tak poměr pevností mezi „mokrým“ a suchým tělesem.
Po vyhodnocení výsledků byly vybrány nejlepší a nejekonomičtější návrhy stmelených směsí pro podkladní vrstvy, u kterých byly zhutněny a vyzkoušeny zbývající požadovaná zkušební tělesa pro specifikaci finálních výsledků.
Hutnění zkušebních těles probíhalo pomocí manuálního hydraulického lisu zobrazeného na obrázku 3, který zajišťoval rovnoměrné zhutnění tělesa z obou stran. Hutnicí síla působící na těleso byla dle normy ČSN 73 6147 stanovena na 88,5 ± 0,5 kN, což odpovídá dotykovému napětí 5 MPa v hutnící formě.
Pro výrobu zkušebních vzorků bylo nutné v rámci výzkumu vyrobit speciální hutnící lis, protože běžně používaná rázová zhutňovací metoda Proctor modifikovaný, používaná pro laboratorní hutnění zkušebních válcových těles, není pro pružno-plastický asfaltový recyklát vhodná. Schéma hutnícího lisu je zobrazeno na obrázku 2.
3. Zhodnocení výsledků navržených stmelených směsí s asfaltovým recyklátem
V této kapitole jsou uvedeny výsledky provedených zkoušek. Jedná se jak o zkoušky asfaltových pojiv vyextrahovaných z asfaltových recyklátů, tak zkoušky provedené na navržených směsích recyklátů. Před odběrem každé zkušební navážky byla provedena na daném materiálu kvartace a homogenizace.
Zkoušení zbytkových asfaltů v recyklátech
V tabulce 1 jsou uvedeny hodnoty penetrace a bodu měknutí zbytkových asfaltů vyextrahovaných z asfaltových recyklátů a množství asfaltového pojiva v asfaltovém recyklátu. Tyto hodnoty slouží k posouzení „stáří a kvality“ asfaltového pojiva.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
|---|---|---|---|---|---|
| Bod měknutí [°C] | 61,8 | 67,9 | 85,9 | 60,8 | 62,5 |
| Penetrace [0,1 mm] | 26,6 | 17,3 | 4,8 | 19,4 | 33,9 |
| Obsah asfaltu v recyklátu [%] | 5,8 | 5,1 | 5,3 | 5,1 | 5,1 |
Stanovení zrnitostí asfaltových recyklátů
Na následujících obrázcích 3 a 4 jsou zobrazeny provedené sítové rozbory použitých recyklátů včetně sledovaných zrnitostních mezí. Hodnoty těchto mezí jsou při recyklaci na místě pouze doporučené. Na obrázku 3 jsou zobrazeny provedené sítové rozbory použitých asfaltových recyklátů před extrakcí asfaltového pojiva, na obrázku 4 po vyextrahování asfaltového pojiva.
Obrázek 3 Zrnitostní rozbor asfaltových recyklátů před extrakcí pojiva
Obrázek 4 Zrnitostní rozbor asfaltových recyklátů po extrakci pojiva
Z hlediska zrnitosti asfaltového recyklátu zpracovávaného na místě, hovoří norma ČSN 73 6147 o doporučených hodnotách. V případě přípravy v míchacím centru či laboratoři by měly být dodrženy normou požadované procentuální hodnoty propadů na sítech 0,063 mm, 2 mm, 8 mm, 16 mm, (31,5 mm pouze pro frakci 0/63). Již první hodnota požadovaného propadu min. 2 % na sítě 0,063 mm je velmi sporná. Asfaltový recyklát, jehož zrna, jak vychází z názvu, jsou stmelena asfaltovým pojivem, bude jen velmi těžko při standardních podmínkách dosahovat na sítě 0,063 mm propadu většího než několik desetin procent.
V případě recyklace za studena nenastává problém se zvýšením teploty směsi. V případě zvýšení teploty asfaltového recyklátu nad bod měknutí, na což se zaměřoval popisovaný výzkum, dochází k povolení vazeb mezi částicemi a sítový rozbor studeného recyklátu neodpovídá skutečnému stavu. Z tohoto důvodu je uváděna zrnitost před a po extrakci pro kontrolu vedení zrnitosti v doporučených mezích.
Stanovení pevnosti v příčném tahu a odolnosti proti vodě
Na obrázku 5 jsou uvedeny výsledky zkoušky stanovení pevnosti v příčném tahu a poměry pevností při zkoušce stanovení odolnosti proti vodě (obrázek 6). Všechny zkušební vzorky použité při provádění výše uvedených zkoušek splňovaly požadavky normy ČSN 73 6147 na výšku 125 ± 20 mm a byly dle příslušné normy připravovány a zkoušeny.
Obrázek 5 Pevnosti v příčném tahu
Obrázek 6 Poměry pevnosti v příčném tahu při stanovení odolnosti proti vodě s uvedením minimální požadované hodnoty 0,2 MPa
4. Závěr
Z výše uvedených výsledků lze konstatovat, že navržené stmelené směsi vyhovují nové ČSN 73 6147 pro užití asfaltových recyklátů „za studena“ do podkladních vrstev vozovek pozemních komunikací. Bylo prokázáno, že stmelením asfaltového recyklátu asfaltovou emulzí dosáhneme dostatečné pevnosti podkladní vrstvy vozovky. Zároveň v kombinaci s mírným zahřátím stmelené směsi dojde k mnohonásobnému zvýšení požadovaných parametrů (především pevnosti v příčném tahu) této směsi, právě díky aktivaci obsaženého pojiva v recyklátu. Tato možnost úpravy je vhodná pro většinu asfaltových recyklátů používaných v ČR, které obsahují pojivo s bodem měknutí okolo 60 °C.
V reakci na prováděný výzkum by bylo vhodné revidovat normu ČSN 73 6147, v níž byly shledány jisté nepřesnosti týkající se požadavků kladených na recyklované stmelené vrstvy a zároveň do této normy zakomponovat samostatný oddíl týkající se ohřevu těchto směsí na nižší teploty – „recyklace za tepla“.
Výzkum a jeho možné pokračování bylo prezentováno a konzultováno se správci komunikací v ČR a SR v rámci každoročních odborných přednášek a seminářů (též konference Izolace). Věříme, že se daná technologie osvědčí i při výstavbě, opravě či údržbě komunikací a tento cenný materiál v podobě asfaltového recyklátu se dočká adekvátního využití.
5. Literatura
- TANEČKOVÁ, Pavlína: Využití asfaltového recyklátu do podkladních vrstev vozovek pozemních komunikací, diplomová práce 2023, VUT Brno.
- ČSN 73 6147: Recyklace konstrukčních vrstev vozovek za studena, UNMZ Praha (s účinností od 1. 6. 2023).
- ČSN EN 13286-42: Nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy – Část 42: Zkušební metoda pro stanovení pevnosti v příčném tahu směsi stmelených hydraulickými pojivy, UNMZ Praha, 2004.
- TP 210 Užití recyklovaných stavebních demoličních materiálů do pozemních komunikací, Ministerstvo dopravy ČR, s účinností od 1. 1. 2024.
The paper deals with the design of recycled asphalt mixtures for the bound base layers of pavements. These mixtures are made up of almost 100% reclaimed asphalt mixture adjusted by crushing to a suitable wide fraction. Suitable binder added to the recycled asphalt mixture or heated to a low temperature or is processed by a combination of these technological procedures. The research described in the contribution follows on from the newly created standard ČSN 73 6147 “Recycling of structural layers of roads in the cold”.