Chemické složení a modifikace asfaltu: Inovace pro delší životnost

Asfalt je živičnatá látka, která se získává buď přírodní cestou, nebo jako vedlejší produkt při frakční destilaci ropy. Je to směs různých sloučenin uhlovodíků (parafinů, olefinů, kyslíku, dusíku a síry). Pro praktické účely se složení asfaltu rozděluje na asfalteny (nositele tvrdosti) a malteny (olejovité látky zodpovědné za plastické a lepivé vlastnosti asfaltu). Asfalteny jsou nositelé tvrdosti asfaltu, zatímco malteny jsou olejovité látky zodpovědné za plastické a lepivé vlastnosti asfaltu.

To, co vídáme denně na silnicích, bychom však správně, technicky, neměli nazývat asfaltem, ale asfaltovou směsí. Asfaltová směs, která se využívá jako stavební materiál při výstavbě pozemních komunikací, je vlastně směs kameniva a asfaltu. Dále se do asfaltové směsi přidávají podle potřeby další látky, které vylepšují vlastnosti výsledného materiálu nebo ho různě upravují.

Asfalty jsou tmavé plastické až tuhé podíly z ropy koloidního charakteru. Obsahují zejména asfaltény, ropné pryskyřice a nejtěžší ropné olejové podíly. Nejčastějším způsobem získávání ropných asfaltů je pomocí fyzikální rafinace ropy, jejíž základní operací je dvoufázová destilace. První fází je tzv. atmosférická destilace, která je následovaná destilací vakuovou. Výsledkem tohoto procesu je tzv. asfalt primární. Vlastnosti získaných primárních asfaltů je možné dále upravovat navazujícími procesy jako je oxidace - vzniká asfalt oxidovaný (polofoukaný) nebo tzv. extrakce vakuového zbytku - vzniká asfalt extrahovaný.

U asfaltů se sledují zejména reologické vlastnosti - asfalty se nesmí lámat při nízké teplotě a trvalá deformace při vyšších teplotách nebo dlouhodobém zatížení musí být malá. Dalšími důležitými vlastnostmi asfaltů jsou fyzikálně chemické vlastnosti, chemické složení a povrchové vlastnosti, zejména přilnavost asfaltu ke kamenivu. Mezi nejdůležitější sledované vlastnosti asfaltů patří bod lámavosti a bod měknutí. Bod lámavosti je stav, kdy asfalt přestává být termoplastický a při ohybu vznikají trhlinky - asfalt se láme.

Typy asfaltu a jejich úpravy

Podle původu můžeme dělit asfalt na přírodní a umělý. Přírodní asfalt je získaný přírodní cestou, zatímco umělý asfalt je získaný jako vedlejší produkt při frakční destilaci ropy. Dále můžeme asfalt dělit podle typu užití na asfalt silniční a asfalt stavebně izolační.

Čtěte také: Detailní pohled na polymerem modifikovaný bitumen

Oxidované asfalty

Oxidované asfalty se uplatňují hlavně v izolačních výrobcích a v menší míře také v silničním stavitelství. Jedná se o proces profukování měkčích asfaltů a zbytků z destilace vzduchem při teplotách kolem 250 až 300 °C.

Ředěné asfalty

Přidáním organických rozpouštědel vznikají ředěné asfalty. Výsledná látka má výrazně nižší viskozitu. Z důvodu vysokého množství rozpouštědel (40-50 % hmotnosti) se od používání těchto směsí upouští. Uvolňované páry z rozpouštědel totiž představují vyšší nebezpečí požáru.

Modifikovaný asfalt

Modifikovaný asfalt je přidání vnějších příměsí (modifikátorů), jako je pryž, pryskyřice, vysokomolekulární polymery, jemně mletý pryžový prášek nebo jiná plniva, nebo přijetí opatření, jako je mírné oxidační zpracování asfaltu za účelem výroby asfaltu nebo asfaltové směsi. Existují dva mechanismy pro úpravu asfaltu. Jedním je změna chemického složení asfaltu a druhým je to, aby se modifikátor rovnoměrně rozložil v asfaltu, aby vytvořil určitou prostorovou síťovou strukturu.

Asfaltové pojivo, jehož reologické vlastnosti jsou při výrobě upraveny použitím jednoho nebo více chemických činidel. V této souvislosti termín „chemický prostředek“ zahrnuje přírodní kaučuk, syntetické polymery, vosky, síru a určité organokovové sloučeniny, ne však kyslík nebo katalyzátory oxidace jako chlorid železitý, kyselina fosforečná, oxid fosforečný. Vlákna a anorganické prášky („filery“) se nepovažují za modifikátory asfaltu. Modifikované asfalty mohou být vyrobeny „přímo“ nebo ve formě ředěných asfaltů nebo emulzí nebo smíchané s přírodním asfaltem.

Modifikovaný asfalt je speciálně upravené asfaltové pojivo, do kterého jsou přidány příměsi zlepšující jeho vlastnosti, například pružnost, odolnost proti stárnutí nebo trhlinám. Oproti běžnému silničnímu asfaltu lépe snáší velké teplotní výkyvy, vyšší dopravní zatížení i zatížení brzděním a zatáčením. Základem je klasické bitumenové pojivo vzniklé při zpracování ropy. Do něj se přidávají modifikační přísady, často polymery, pryž nebo jiné látky, které mění chování pojiva při nízkých i vysokých teplotách.

Čtěte také: Jak SBS modifikovaný asfaltový pás zajišťuje dlouhodobou hydroizolaci?

Pod označením modifikovaný asfalt se skrývá více druhů pojiv, která se liší typem a množstvím přísad. V praxi se používají hlavně polymerem modifikované asfalty, kde jsou v pojivu jemně rozptýlené řetězce plastických látek. Setkat se můžeme i s pojivy, kde je součástí recyklovaná pryž, například z pneumatik. Takové pryžem modifikované pojivo pomáhá zlepšovat tlumení hluku a pružnost směsi. Typické použití je v místech, kde je povrch silně namáhaný dopravou. Na dálnicích, kruhových objezdech, křižovatkách nebo autobusových zastávkách se od asfaltobetonové směsi očekává vysoká odolnost proti deformacím. Významná je role modifikovaných asfaltů také v mostních vozovkách, kde povrch musí zvládat pohyby konstrukce, změny teplot i vlhkost.

Výhody a nevýhody modifikovaného asfaltu

• Hlavní výhodou je větší pružnost a odolnost. Modifikované asfaltové pojivo lépe přenáší namáhání, takže se v povrchu tvoří méně trhlin a výtluků. Díky tomu má modifikovaná asfaltová vozovka delší životnost a není potřeba tak častá obnova. Ve finále to znamená méně uzavírek, menší nároky na údržbu a nižší celkové náklady během životního cyklu komunikace nebo střechy.
• Nevýhodou může být také náročnější recyklace asfaltu, protože přítomnost polymerů a přísad komplikuje návrat materiálu do nových směsí. Za lepšími vlastnostmi stojí složitější výroba i vyšší cena modifikovaného pojiva. Modifikovaný asfalt je citlivější na správné technologické postupy při výrobě a pokládce, a pokud se směs nevyrobí nebo neuloží správně, nemusí se očekávané výhody projevit.

Úspěch použití modifikovaného asfaltu závisí na dobrém projektovém návrhu i provedení na stavbě. Projektant volí typ asfaltové směsi podle zatížení, klimatických podmínek a podkladní konstrukce. Samotná pokládka vyžaduje pečlivě připravený podklad, kvalitní asfaltový finišer a správné hutnění asfaltu válci. Z pohledu udržitelnosti je cílem prodloužit životnost konstrukcí a omezit počet oprav. Modifikovaný asfalt může významně přispět k tomu, že se vozovky a střechy nebudou muset tak často rekonstruovat. Zároveň se rozvíjí technologie, které propojují modifikované asfaltové směsi s recyklovaným asfaltem a pryžovým granulátem. Tím se využívají odpady z jiných odvětví a snižuje se množství materiálu, který končí na skládkách.

Typy modifikátorů asfaltu

Přidáváním kaučuků a termoplastů vznikají nové druhy asfaltů s lepšími vlastnostmi. Výsledná látka má vyšší bod měknutí s naopak nižším bodem lámavosti. Přidáním zmíněných polymerů se navíc docílí nárůstu tažnosti a vratné deformace. V praxi to znamená, že jsou modifikované asfalty odolnější vůči tvorbě mrazových trhlin a vyježděných kolejí.

Pryžový a termoplastický elastomer modifikovaný asfalt

• Přírodního kaučuku modifikovaný asfalt.
• SBS modifikovaný asfalt (nejpoužívanější).
• Styren-butadienového kaučuku modifikovaný asfalt.
• Chloroprenového kaučuku modifikovaný asfalt.
• Butylkaučuku modifikovaný asfalt.
• Odpadní pryže a regenerace Pryžový modifikovaný asfalt.
• Ostatní modifikovaná pryž asfalt (jako je ethylen-propylenový kaučuk, nitrilový kaučuk atd.).

Plasty a asfalt modifikovaný syntetickou pryskyřicí

• Asfalt modifikovaný polyethylenem.
• Asfalt modifikovaný polymerem etylen-vinylacetát.
• Asfalt modifikovaný polystyrenem.
• Asfalt modifikovaný kumarinovou pryskyřicí.
• Asfalt modifikovaný epoxidovou pryskyřicí.
• Asfalt modifikovaný nepravidelným polymerem α-olefinů.

Směsný polymer modifikovaný asfalt

K úpravě asfaltu se do asfaltu přidávají současně dva nebo více polymerů.

Výroba modifikovaného asfaltu: "Mokrý" a "Suchý" proces

Diskuze na téma využití odpadní pryže při výrobě asfaltové směsi probíhá řadu let v celé řadě zemí. Autoři prezentace v rámci 59. Petersenovy vědecké asfaltové konference uvedli řadu výsledků ze sledovaných staveb a konstatovali, že optimální množství přidávané odpadní pryže činí max. 10 %. Také v tomto případě je podle autorů výhodné použít aditiva, aktuální výzkum ukazuje např. na výhody izokryanátu. Současně autoři poukázali na nesporné kvalitativní výhody předreagovaných pojiv. Obdobné diskuze probíhají rovněž v evropských zemích.

Čtěte také: Polyelast Extra Design s drcenou břidlicí

V průběhu 80. let byly v Německu poprvé realizovány pokládky pryží modifikovaných asfaltových směsí. Řada pozitivních zkušeností ze zahraničí tak mohla být potvrzena i zkušenostmi vlastními. Prvotní technické zkušenosti byly získány nejprve v 70. letech v USA, kde byly v Arizoně realizovány první velkoplošné pokusné úseky. V Evropě následovaly zejména Francie, Belgie a Rakousko. Obecně bylo používáno pryží modifikovaného asfaltu na směsi s otevřenou mezerovitostí, a to z důvodu vysokých personálních i materiálových nákladů. Současně se u těchto typů směsí výrazněji projevily kvalitativní výhody už v krátké době po pokládce.

Až do roku 2010 nebyl k dispozici žádný technický předpis. Teprve v roce 2010 byl speciální předpis pro pryží modifikované asfaltové směsi v Německu zpracován a vydán. Jednalo se o předpis TL RmB-StB By, který vydal Vrchní stavební úřad bavorského ministerstva vnitra. V roce 2012 následoval předpis „Doporučení pro pryží modifikované asfalty a asfaltové směsi“, který pod zkratkou E GmB a vydala společnost FGSV.

Oba předpisy popisují skupinu asfaltových pryží modifikovaných pojiv pro další použití a jejich výroba je označena většinou jako „mokrý proces“.

Mokrý proces

Při mokrém procesu jsou aditivované drcené pryže smíchány s horkým asfaltem a tato pojiva jsou následně v horkém, tekutém stavu distribuována na jednotlivé obalovny k dalšímu použití. Přidávání pojiva probíhá analogickou cestou jako u běžných asfaltových pojiv a postup je opět označován jako „mokré dávkování“. Polymery v pryži v průběhu výrobního procesu výrazně bobtnají a spojují se s asfaltovou matricí při teplotách > 200 °C. Důsledkem reakce je nárůst jak bodu měknutí, tak i viskozity.

Bohužel je tento proces spojen také s nežádoucím růstem emisí. Z pohledu bezpečnosti práce a ochrany zdraví cítily příslušné orgány nutnost reagovat a snížily maximální přípustnou teplotu při výrobě, dopravě a zpracování tohoto typu pojiva. Aktuálně je tato teplota předpisem stanovena na max. 190 °C. V tomto případě se uplatnilo nepsané pravidlo, že při snížení teploty o 10 °C dojde ke snížení emisí zhruba na polovinu. Při této předepsané restrikci teploty však nemohou polymery v použité drcené pryži optimálně bobtnat a plně se „otevřít“. To znamená, že je dosaženo pouze neuspokojivé a nestabilní úrovně viskozity finálního výrobku. Důsledkem je v případě směsí OPA nebo SMA, že vhledem k tomu, že není dosažena potřebná maximální viskozita, může docházet ke stékání asfaltového pojiva. Tato nevýhoda je proto eliminována přidáváním vláken nebo ztužujících filerů.

Jedním z důsledků bylo úplné zastavení výroby horkých, pryží modifikovaných pojiv v Německu v období několika let.

Suchý proces (Granulovaný pryží modifikovaný asfalt)

Pokud se podíváme dále do výše uvedených předpisů, najdeme zde i popis pryží modifikovaného asfaltového granulátu CTS/Tec Road. V předpisu TL RmB-StB By je tento výrobek označen jako GRM (Granulate Rubber Modified) a značení převzal i předpis E GmB A. Speciálně v TL RmB-StB By jsou uvedena rozsáhlejší omezení při výrobě - např. je pevně stanoveno složení modifikovaného pryžového granulátu, protože požadované hodnoty vyrobených modifikovaných směsí RmB G nejsou pro popis jakosti směsi dostačující. Pro splnění požadavků bezpečnosti práce, ochrany životního prostředí a pro snížení množství emisí je pro výrobu pryží modifikovaného granulátu potřeba speciálně vybavené výrobní zařízení. Pro tento proces neplatí výše uvedené teplotní omezení, protože v průběhu „mokrého procesu“ modifikace nejsou uvolňovány žádné emise.

Rozhodující pro tento proces je jednak výrobní teplota (> 200 °C) a reakční doba (zpravidla několik hodin v reakční nádrži). Tyto dvě podmínky musejí být vzájemně optimalizovány. Po ukončení kontrolovaného výrobního procesu (tj. ukončení v okamžiku dosažení maximální viskozity) je výrobek ochlazen a následně granulován. Takto vyrobený granulát je následně dodáván na obalovnu a zde dávkován společně s kamenivem a standardním asfaltovým pojivem přímo do míchačky. V tomto případě se jedná tedy o „suché dávkování“.

Na rozdíl od „suchého dávkování drcené pryže“, kdy jsou případně přidávány další přísady, jsou v případě modifikovaného granulátu tyto přísady přidávány již během výroby tohoto granulátu. Proto je dostačující pouhé promíchání asfaltového pojiva a modifikovaného pryžového granulátu na obalovně - modifikace asfaltového pojiva proběhne ve velmi krátkém čase. Z technologického pohledu je důvod následující: částečky pryže při vysokých teplotách a době trvání procesu částečně devulkanizují a jsou integrovány do asfaltové matrice. Společně s nabobtnalými zbytky ne zcela degradovaných pryžových částeček pak dochází k žádoucímu růstu viskozity pouze v důsledku výrobního procesu, a tedy bez přidání jakýchkoli aditiv jako jsou např. vlákna, vosky, pryskyřice apod. Hlavním cílem je tedy výrazný nárůst viskozity. Tento postup zamezí stékání asfaltového pojiva a dochází tak k vytvoření dostatečně silného filmu asfaltového pojiva. To je základní předpoklad pro zpomalení stárnutí a prodloužení doby životnosti asfaltové směsi.

Při tvorbě uvedeného předpisu stály v popředí zejména kvalitativní požadavky. Bavorsko realizovalo od roku 2005 řadu úseků, kde byl pro výrobu asfaltových směsí použit pryží modifikovaný asfalt RmB R a následně i granulát GRM 40/15 a 40/20. Tyto úseky byly dlouhodobě sledovány a vyhodnocovány. Tyto zkušenosti byly následně využity při tvorbě předpisu TL RmB-StB By.

Postupem času se ukázalo, že účinnost granulovaného předreagovaného pojiva předčí vlastnosti standardního pryží modifikovaného pojiva. Jedním z důvodů je jednak v proměnných vlastnostech destilovaného silničního asfaltu a současně i teplotní omezení při výrobě asfaltových směsí s horkým, pryží modifikovaným pojivem. Porovnávací zkoušky ukazují, že kvalita pryží modifikovaného pojiva vyráběného v současnosti není srovnatelná s jakostí pojiv vyráběných před několika lety.

Porovnání procesů modifikace

Níže uvedená tabulka shrnuje klíčové vlastnosti a aspekty "Mokrého" a "Suchého" procesu modifikace asfaltu s pryží.

Pryží modifikovaná asfaltová pojiva prokázala během řady let jejich ověřování a používání svoje pozitivní vlastnosti. Je zřejmé, že s jejich využitím lze vyrobit asfaltové směsi s dlouhou životností, přesto ale je tento typ pojiva považován za „doplňkový výrobek“. Např. v roce 2020 bylo v Německu zpracováno cca 1,45 mil. tun asfaltových pojiv pro výrobu asfaltových směsí. Z tohoto množství činil podíl modifikovaných pojiv cca 30 % a z těchto 30 % pak 5 % připadlo na pryží modifikovaná pojiva. Z tohoto podílu pryží modifikovaných pojiv činil podíl pojiv vyrobených „mokrým procesem“ (tedy pryží modifikované granuláty GRM) ca 80 %. Z těchto čísel je zřejmé, že v Německu se „suchý proces“ neuplatnil v podobě přidávání drcené pryže přímo do směsi. Technicky funkční a stabilní chemicko-fyzikální modifikace lze však dosáhnout jen s využitím procesu předreagování směsi pryže a asfaltu.

K bobtnání dochází v rozmezí teplot 170 °C až 200 °C. Omezení teploty na hodnotu 170 °C je tedy nelogické. Dalším požadavkem je reakční doba, která v závislosti na složení použitého silničního asfaltu může trvat i několik hodin. Bohužel jsou k dispozici data z řady staveb, kde nebylo splněno očekávání z hlediska kvality asfaltové vrstvy a délky její životnosti. Zkušenosti z praxe jsou doplněny také výsledky zkoušek, které provedl Německý institut pro kaučukové technologie (DIK) v Hannoveru a který definoval závěry k tématu změny vlastností pryžového granulátu a asfaltu při působení teploty a času.

Strukturální podobnost mezi asfaltem a částečkami pryže je ideální. Teplota nad 170 °C, zejména pak v oblasti okolo 200 °C, vede k degradaci síťové struktury síry. Tato degradace vede následně k výraznému bobtnání (v laboratorních podmínkách sledováno pomocí viskozity) a současně k částečnému rozpuštění polymerových částeček (toto rozpuštění teprve umožní jejich potřebné rozptýlení v asfaltové matrici). Zvýšení teploty na úroveň 200 °C urychlí degradační reakci částeček pryže. Tato reakce probíhá v souladu se zákony kinetiky nikoli lineárně, nýbrž exponenciálně.

Nanomodifikace asfaltu

Nanotechnologie je slibná a nová technika materiálového průmyslu. Nové trendy v oblasti chemie materiálů jsou již testovány v České republice. Úsilí o zavádění dlouhodobě stálejších asfaltobetonů vede k optimalizaci těchto směsí, omezuje plýtvání a je výhodné z ekologického i ekonomického hlediska. Je třeba zdůraznit socioekonomický a ekologický dopad těchto dlouhodobě stálejších asfaltobetonů s přídavkem nanosiliky.

S přídavkem nanosiliky v základním pojivu asfaltu se hodnoty viskozity nanomodifikovaného asfaltového pojiva mírně klesají. Nižší viskozita pojiva znamená, že je nižší teplota zhutnění nebo nižší spotřeba energie celého procesu. Komplexní smykový modul nanomodifikovaného asfaltu obecně mírně klesá ve srovnání se srovnávací asfaltovou směsí. Dále přidáním nanosiliky do asfaltového pojiva, se zpomalují oxidační reakce a proces stárnutí nano-modifikovaného asfaltu, a to díky změnám chemických vazeb. Přídavek nanosiliky dle dosažených výsledků zvyšuje dynamický modul pružnosti v závislosti na vzrůstající koncentraci nanosiliky a to 4 % - 6 % při vysokých teplotách.

Tyto nové asfaltobetonové směsi s nanosilikou je třeba odzkoušet na zkušebních úsecích v praxi a dále sledovat a měřit fyzikální a chemické vlastnosti a tyto nové poznatky uvést do praxe při výstavbě silnic a dálnic v České republice. Čímž se stane Česká republika zase více konkurenceschopná.

Recyklace asfaltu

Recyklování asfaltu se stalo klíčovou součástí moderního stavebnictví, zejména v oblasti silničního inženýrství. Tento proces nejen přispívá k ochraně životního prostředí, ale také snižuje náklady na stavební materiály.

Prvním krokem v recyklaci asfaltu je sběr starého asfaltu z různých zdrojů, jako jsou demoliční projekty, rekonstrukce silnic nebo údržbové práce. Jakmile je starý asfalt dopraven do recyklačního zařízení, podrobuje se procesu drcení a třídění. Velké kusy asfaltu se rozdrtí na menší frakce, což usnadňuje jejich další zpracování. Drcený asfalt se zahřívá na určitou teplotu, což usnadňuje oddělení asfaltového pojiva od agregátů. Po zahřátí se recyklovaný asfalt smísí s novými složkami, jako jsou nové agregáty, přísady a asfaltové pojivo.

Po smísení se hotová recyklovaná asfaltová směs ochladí a skladuje, dokud není připravena k použití. Recyklovaný asfalt se často používá jako součást nových asfaltových směsí pro silnice a dálnice. Pomáhá snižovat náklady na výstavbu a zároveň zajišťuje potřebné technické parametry. Vhodný je také při opravách povrchů silnic, tedy pro výmoly a praskliny. Recyklovaný asfalt ale může sloužit také jako základová vrstva pod nové asfaltové povrchy. Tím se zvyšuje stabilita a nosnost konstrukce.

Výhody recyklace asfaltu

• Úspora nákladů
• Ochrana životního prostředí
• Udržitelný rozvoj

Recyklovaný asfalt je často levnější alternativou k novým asfaltovým směsím. Snížení nákladů na suroviny přispívá k celkovému snížení nákladů na výstavbu a údržbu silnic. Tento proces také šetří přírodní zdroje, protože snižuje potřebu těžby nových surovin. Využití recyklovaného asfaltu podporuje principy udržitelného rozvoje a přispívá k ekologičtějším stavebním praktikám.

Jak již bylo nastíněno, největším problémem recyklovaného asfaltu je původní pojivo, které stárne od prvního použití a má přímý vliv na recyklovanou směs. Z tohoto důvodu se do recyklovaného asfaltu přidávají tzv. omlazovací přísady. Tyto omlazovací materiály mohou být různé - od produktů z minerálních olejů (bitumenové produkty, minerální oleje, uhlovodíky), přes organická rozpouštědla, až po složitější chemii.

tags: #modifikovany #asfalt #chemicke #slozeni

Oblíbené příspěvky:

• Typizované stavby Junior a Nový stavební zákon
• jak na štukový vzhled sádrokartonu
• Vše, co potřebujete vědět o tmavě zelené barvě ve spreji pro PVC
• Průvodce výběrem fotbalových branek
• Průvodce výběrem hmoždinky s plastovým pláštěm