Co je polymerem modifikovaný bitumen (PmB)?

Modifikovaný asfalt je asfaltové pojivo, jehož vlastnosti byly vylepšeny přidáním vnějších příměsí, nazývaných modifikátory, jako je pryž, pryskyřice, vysokomolekulární polymery, jemně mletý pryžový prášek nebo jiná plniva. Alternativně lze modifikace dosáhnout mírným oxidačním zpracováním asfaltu. Cílem je zlepšit užitné vlastnosti asfaltové hmoty, potlačit některé její nežádoucí vlastnosti a dodat jí takové, které jsou výhodné pro určité použití.

Úpravu modifikacemi je třeba rozlišovat od tradičních postupů s použitím plniv, mísením s jinými typy asfaltů, oxidací, emulgací a podobně. Při modifikaci přidávané látky, obvykle polymery, zasahují přímo do podstaty asfaltů. To je umožněno zcela unikátním složením asfaltů vytvářených přírodou miliony let. Přesto, že obsahují nesčetně navzájem se ovlivňujících organických látek, jejich koloidní charakter je relativně stabilní.

Existují dva mechanismy pro úpravu asfaltu:

• Změna chemického složení asfaltu.
• Rovnoměrné rozložení modifikátoru v asfaltu za účelem vytvoření určité prostorové síťové struktury.

Vynikající výkon modifikovaného bitumenu pochází z přidaného modifikátoru. Tento modifikátor se může nejen spojit s sebou pod působením teploty a kinetické energie, ale také reagovat s bitumenem, čímž výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti bitumenu, podobně jako přidávání ocelových tyčí do betonu. Aby se zabránilo segregaci, která se může objevit u běžně modifikovaného bitumenu, je proces modifikace bitumenu dokončen ve speciálním mobilním zařízení. Kapalná směs obsahující bitumen a modifikátor se prochází koloidním mlýnem plným drážek. Pod působením vysokorychlostního rotujícího koloidního mlýna jsou molekuly modifikátoru prasknuty, aby vytvořily novou strukturu, a poté jsou propuštěny na broušenou stěnu a poté se odrazí zpět, rovnoměrně smíchané do bitumenu. Tento cyklus se opakuje, což nejen způsobuje homogenizaci asfaltu a modifikace, ale také způsobuje, že se molekulární řetězce modifikátoru stáhnou dohromady a distribuují do sítě, což zvyšuje sílu směsi a zvyšuje únavovou odolnost.

Když kolo prochází modifikovaným bitumenem, bitumenová vrstva podléhá odpovídající mírné deformaci. Když kolo projede, v důsledku silné vazby modifikovaného bitumenu na agregát a dobré elastické zotavení se stlačená část rychle vrací k původnímu stavu.

Čtěte také: jak ovlivnit životnost asfaltu pomocí modifikací

Typy modifikátorů

Modifikátory se od sebe složením i funkcí značně liší. M. Rychlíková ve své diplomové studii zdůraznila podmínky potřebné pro funkci polymeru jako modifikátoru: rozpustnost, kontinuitu fáze a síťovou strukturu.

Podle typu modifikátoru lze modifikovaný bitumen rozdělit na:

1. Polymerem modifikovaný asfalt:
   • Pryžový a termoplastický elastomer modifikovaný asfalt:
     • Přírodní kaučukem modifikovaný asfalt
     • SBS modifikovaný asfalt (nejpoužívanější)
     • Styren-butadienovým kaučukem modifikovaný asfalt
     • Chloroprenovým kaučukem modifikovaný asfalt
     • Butylkaučukem modifikovaný asfalt
     • Odpadní pryží a recyklovanou pryží modifikovaný asfalt
     • Ostatní modifikovaná pryž (např. ethylen-propylenový kaučuk, nitrilový kaučuk atd.)
   • Plasty a asfalt modifikovaný syntetickou pryskyřicí:
     • Asfalt modifikovaný polyethylenem
     • Asfalt modifikovaný polymerem etylen-vinylacetát (EVA)
     • Asfalt modifikovaný polystyrenem
     • Asfalt modifikovaný kumarinovou pryskyřicí
     • Asfalt modifikovaný epoxidovou pryskyřicí
     • Asfalt modifikovaný nepravidelným polymerem α-olefinů
   • Směsný polymerem modifikovaný asfalt: K úpravě asfaltu se do něj současně přidávají dva nebo více polymerů.
2. Přírodní pryskyřicová modifikace: Jako je asfalt z Trinidadského jezera, budunská skalní pryskyřice atd.

Nejběžnější je polymerem modifikovaný bitumen, jako je SBS modifikovaný bitumen, jehož přidání může výrazně změnit vlastnosti bitumenu. Zesíťované polymery jako SBS jsou ze současných hledisek nejúčinnější. V určité teplotě se od sebe oddělují a vlastnosti modifikovaného asfaltu se skokem mění. Polymery na bázi polyetylenu by údajně tuto podmínku nesplnily, protože zůstávají dodavatelem tuhosti asfaltu až do relativně vysokých teplot.

V roce 1998 byl vynalezen Elvaloy RET, terpolymer postavený na polymeraci tří monomerů (etylen, butylakrylát a glycidylmetakrylát). Terpolymer se v asfaltu za horka dobře rozpouští a struktura je i v mikroskopu homogenní bez rozeznatelné struktury disperze. Tento polymer je díky epoxidové skupině schopen chemického provázání s asfaltovou matricí, takže modifikace není postavena na pouhém fyzikálním rozptýlení modifikátoru v asfaltovém pojivu. Podle firmy DuPont je tento termoplastický polymer účinný již v příměsi 1-2 %! Asfalty Mofalt dodávané výrobcem Paramo dosahují s polymerem RET v kombinaci se vhodně zvoleným základním asfaltem parametrů, které nebylo možné dosáhnout s polymery SBS a EVA.

Historie a vývoj polymerem modifikovaných asfaltů

Za počátek pokusů s gumou v asfaltu se označuje rok 1902. Vývoj modifikovaných asfaltů (PmB - polymerbitumen) se časově zařazuje do 60. let minulého století, vstup na trh nastal po roce 1970. Značný vzestup používání je uváděn po roce 1972, a to až na nejméně dvacetinásobek v roce 1998 (Německo 290 000 t, Francie 280 000 t). Podle článku v časopise Bitumen z roku 1999 převažovala v roce 1998 modifikace kaučukem SBS (ve Francii přes 75 %, v Německu přes 95 %). Jako další se uvádí EVA (etylvinylacetát) a zbývajících 10 % zaplňují polyetylen a granulát z pneumatik.

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

Výzkum v České republice

Tuzemská pracoviště se problémem asfaltů s gumou zabývají dlouho, v širším měřítku déle než 20 let, paralelně s výzkumem v USA a Evropě. Mezi vedoucí pracoviště v ČR patří hlavně brněnská VUT, Fakulta stavební, VŠ ve Zlíně a Pardubická rafinerie minerálních olejů. Informace o nových technologiích začaly pronikat do širšího povědomí někdy po roce 2011.

Ohlédnutí do roku 1954

Již v roce 1954 náš výzkum v omezených možnostech plánovaného hospodářství experimentoval s mletou pryží. V té době se nabízela zdánlivě jednoduchá možnost kombinace asfaltu s elastickým odpadem z pláště ojetých pneumatik. Několik let kolem roku 1954 probíhaly v laboratořích n.p. Posista (později Stavby silnic a železnic) zkoušky s přidáváním drcené gumy do betonových směsí a současně v druhé silniční laboratoři pro asfaltové vozovky i kombinace s asfalty. V betonových směsích nebyly příměsi vylepšením. Pryžová drť jemných frakcí, která byla tehdy navíc obtížně dostupná a poměrně drahá, nemohla jako plnivo podstatněji měnit vlastnosti materiálu kromě jeho zahuštění. Výzkum se proto zaměřil na možnosti vylepšení zálivek pro spáry betonových vozovek. Při přípravě různých směsí při teplotách kolem 200 °C bylo zjištěno, že po delším zahřívání dochází spíše ke změkčování směsi. Předpokládalo se, že zahřívání naruší vulkanizační vazby pryže, což vede k měkčí směsi asfaltu s gumou. Hmota se stala elastičtější a lepivější, což by mohlo vést k trvalejšímu vyplnění pohyblivých spár. Došlo i k několika zkušebním realizacím zálivek na místě, například u spár betonové vozovky silnice mezi Rabyní a Slapskou přehradou a později u spár betonu startovací dráhy na letišti Ostrava-Mošnov. Vývoj zálivek později převzal n.p. Paramo v Pardubicích, kde dospěl až do provozní výroby asfaltové zálivky s gumou (AZG).

Technologie s rozpouštěním gumy - VUISIL D a A

Hlavní kámen úrazu byl vždy ve snahách o rozptýlení některého druhu kaučuku v asfaltu a jeho udržení v dispergované formě. EPDM kaučuk, navržený původně pro modifikaci dehtu, pak asfaltu ve VÚ inženýrských staveb v Bratislavě pro výrobu tmelu VUISIL A, nešel žádným způsobem v asfaltu rozptýlit. Nejdříve se proto rozpouštěl v benzolu, rozmíchával v asfaltu a nakonec se benzol zase oddestiloval. Podařilo se zvýšit elasticitu, ale dost nebezpečným postupem.

Rozdíl mezi modifikovaným bitumenem a bitumenovou emulzí

Modifikovaný bitumen a bitumenová emulze jsou různé klasifikace asfaltu. Největší rozdíl spočívá v tom, že bitumenová emulze má vodu uvnitř, zatímco modifikovaný bitumen vodu neobsahuje. Modifikovaný bitumen vzniká přimícháním matrice bitumenu s modifikátorem, obecně ke zlepšení výkonu původního bitumenu. Bitumenová emulze se získává přidáním vody, emulgátoru, stabilizátoru a dalších vnějších příměsí do modifikovaného bitumenu při vysoké teplotě (nad 200 °C) pomocí vysokorychlostního střižného stroje. Hlavním účelem je dispergovat původní modifikovaný bitumenový systém a působením emulgátoru vytvářet malé částice. Po smíchání s bitumenem a vodou se emulgátor adsorbuje na rozhraní mezi bitumenem a vodou a bitumen se obalí do shluku, ve kterém má hydrofilní skupina elektrický náboj, takže po emulgaci může zůstat stabilní. Bitumen a voda tvoří emulzi prostřednictvím emulgátoru, který má dobrou tekutost při pokojové teplotě a snadno se používá. Bitumenová emulze je černohnědá kapalina.

Použití polymerem modifikovaného bitumenu

Modifikovaný bitumen může efektivně zlepšit nosnost chodníku, snížit únavu vozovky způsobenou přetížením a exponenciálně prodloužit životnost vozovky. Proto může být široce používán při dláždění vysoce kvalitních dálnic, letištních přistávacích drah a mostů. V roce 1996 byl modifikovaný bitumen použit k vydláždění východní dráhy na kapitálu a povrch vozovky zůstává dodnes neporušený.

Čtěte také: ochrana střech proti vodě

Použití modifikovaného bitumenu v propustných chodnících také přitáhlo velkou pozornost. Míra prázdnoty propustného chodníku může dosáhnout 20 % a je interně propojena. Dešťová voda může být rychle vyčerpána z chodníku v deštivých dnech, aby se zabránilo skluzu a stříkání při řízení. Zejména použití modifikovaného bitumenu může také snížit hluk. Na silnicích s relativně velkými objemy provozu ukazuje tato struktura její výhody. V roce 2015 například zpráva z ČT Brno informovala o použití speciálního gumoasfaltu na Vsetínsku pro zajištění tiššího provozu, kde nový povrch silnice obsahoval rozdrolené pneumatiky.

Vzhledem k faktorům, jako jsou velké teplotní rozdíly a vibrace, se mnoho můstkových paluby posune a praskne brzy po použití. Použití modifikovaného bitumenu může tento problém účinně vyřešit. Modifikovaný bitumen je nepostradatelným ideálním materiálem pro vysoce kvalitní dálnice a přistávací dráhy letišť.

Kromě silničního stavitelství se polymerní bitumenové membrány s vynikajícími vodotěsnými řešeními používají i pro ochranu staveb proti vodě. Polymer v membráně přidává pružnost bitumenům, čímž membrána může snadno stahovat a obnovovat svou původní velikost, což je klíčové pro přizpůsobení se termálnímu roztažení a smršťování nosného podkladu. Zároveň přirozené adhezivní vlastnosti bitumenů zajišťují pevné spojení s různými povrchy, poskytující spolehlivou a dlouhodobou vodotěsnou vrstvu. Tyto membrány poskytují vynikající odolnost proti pronikání vody. Hustá struktura tvořená směsí polymerů a bitumenů účinně blokuje pronikání vody, chránící stavby před poškozením způsobeným vodou. Ať už jde o vodotěsnost střech, kde je vystavení dešti a slunci nepřetržité, nebo o vodotěsnost sklepů, které čelí výzvám podzemní vody a vlhkosti, polymerní bitumenové membrány nabízejí spolehlivou ochranu. Dále ukazují dobrou odolnost vůči UV záření, chemickým látkám a stárnutí. Polymer v membráně pomáhá chránit bitumen před degradací způsobenou environmentálními faktory, což prodlužuje životnost vodotěsné vrstvy. Mohou vydržet široké rozpětí teplotních změn bez ztráty integrity, což zajišťuje dlouhodobý výkon. Používají se v různých stavebních projektech, včetně bytových, obchodních a průmyslových budov, pro vodotěsnost sklepů, střech, teras, koupelen a bazénů. Navíc se používají v infrastrukturních projektech, jako jsou vysokorychlostní železnice, metra a vodní hospodářství.

Vliv recyklace na vlastnosti polymerem modifikovaného asfaltu

Pro stmelení asfaltových směsí se ve stále větší míře používají polymerem modifikované asfalty. Do těchto asfaltových směsí se rovněž často přidává určité množství R-materiálu (recyklovaného asfaltového materiálu). Pojivo obsažené v R-materiálu se pak v ideálním případě promísí s čerstvým dávkovaným pojivem. Vlastnosti asfaltových vrstev vozovek jsou značně ovlivněny vlastnostmi asfaltového pojiva. Asfaltové pojivo jakožto organický materiál podléhá v průběhu životnosti různým degradačním vlivům. Z toho důvodu nelze posuzovat vlastnosti asfaltových pojiv, potažmo směsí, pouze v čerstvém stavu, ale je nutné hodnotit vlastnosti těchto materiálů i po simulaci stárnutí.

Pokud má asfaltové pojivo vyhovující vlastnosti v nezestárlém, respektive čerstvém stavu, automaticky to neznamená, že si tyto vlastnosti uchová i po stárnutí. Podobně pojivo s horšími vlastnostmi po výrobě může mít lepší vlastnosti z dlouhodobého hlediska, protože vlastnosti pojiva se s časem tolik nemusejí měnit. Do této problematiky navíc často vstupuje další proměnná ve formě zabudování již zestárlého pojiva obsaženého v R-materiálu. V asfaltové směsi tak vzniká směs pojiva, která je závislá nejen na vlastnostech nově přidávaného čerstvého pojiva, ale i pojiva R-materiálu. Cílené ovlivnění vlastností výsledného pojiva obsaženého v asfaltové směsi pojivem z R-materiálu je značně obtížné, protože výrobce asfaltové směsi je odkázán na dostupné omezené zdroje R-materiálu.

Polymerem modifikované asfalty typu PMB RC jsou speciální modifikované asfalty, které jsou vhodné pro stmelení asfaltových směsí obsahujících vyšší dávkování R-materiálu. Oproti obvyklým polymerem modifikovaným asfaltům má PMB RC zpravidla vyšší stupeň modifikace. Koncept technologie PMB RC je v Německu postaven na nízké hodnotě bodu měknutí. Předpokládá se, že když je nízký bod měknutí, je pojivo měkké, a tudíž odolné vůči mrazovým trhlinám. Naproti tomu se v Rakousku do PMB RC dávkuje vysoké množství polymerní přísady, takže bod měknutí je vysoký a předpokládá se, že při naředění tohoto vysoce modifikovaného asfaltu pojivem z R-materiálu zůstane dostatek modifikační přísady ve výsledném pojivu, což znamená, že asfaltová směs bude odolná proti vzniku mrazových trhlin.

Česká republika je v oblasti recyklace směsí s polymerem modifikovanými asfalty poměrně nováček a má doposud malé zkušenosti s používáním těchto materiálů. V současné době není v ČR žádný předpis, který by stanovoval požadavky na směsi s polymerem modifikovaným asfaltem s R-materiálem. Možnosti využití vyšších množství R-materiálu v asfaltových směsích s asfaltovými pojivy typu PMB řeší probíhající výzkumný projekt.

Laboratorní zkoušky a jejich výsledky

Byly zhodnoceny výsledky laboratorních zkoušek polymerem modifikovaného asfaltu třídy 45/80-65 a polymerem modifikovaného asfaltu třídy 45/80 RC, obsahujících různé množství zestárlého pojiva znovuzískaného z R-materiálu. Pojivo typu RC je pojivo vhodné pro stmelení asfaltových směsí, které obsahují R-materiál. Pro znovuzískání zestárlých pojiv byl využit R-materiál obsahující nemodifikované asfaltové pojivo i R-materiál získaný z asfaltové směsi stmelené polymerem modifikovaným asfaltem. Získaná asfaltová pojiva z R-materiálů byla extrahována v průtokové odstředivce a následnou vakuovou destilací.

Penetratce jehlou

Hodnoty penetrace jehlou pojiv získaných z R-materiálů jsou srovnatelné, mírně vyšší penetrace dosahuje pojivo získané z R-materiálu, obsahujícího modifikované pojivo. Je patrné, že hodnoty penetrace jehlou se po přidání pojiva z R-materiálu k novému čerstvému pojivu snižují. To znamená, že u namíchaných směsí pojiv se zvyšuje viskozita s vyšším podílem pojiva získaného z R-materiálu.

Bod měknutí

Hodnota bodu měknutí pojiva získaného z R-materiálu obsahujícího modifikovaný asfalt je o 5,7 °C vyšší než bod měknutí pojiva získaného z R-materiálu, obsahujícího nemodifikovaný silniční asfalt. Z výsledků je patrné, že hodnoty bodu měknutí se po přidání pojiva z R-materiálu k novému čerstvému pojivu snižují. To je pravděpodobně způsobeno „naředěním“ modifikačního systému, obsaženého v čerstvých polymerem modifikovaných asfaltech zestárlými pojivy z R-materiálů. Překvapivé bylo, že se hodnoty bodu měknutí směsí pojiv neumístily mezi bodem měknutí pojiv, ze kterých byly tyto směsi pojiv vyrobeny, ale často došlo k poklesu hodnoty bodu měknutí směsi pojiva oproti hodnotě bodu měknutí pojiva získaného z R-materiálu. Tento jev by bylo vhodné ověřit dalším výzkumem.

Penetrační index (Ip)

Penetrační index je indikátor teplotní citlivosti asfaltového pojiva. S růstem penetračního indexu přechází asfalt ze „sol“ typu na „sol-gel“ typ. Obecně lze říct, že asfalt s vyšším penetračním indexem má lepší viskoelastické vlastnosti. Je patrné, že s rostoucím obsahem pojiva získaného z R-materiálu klesá hodnota penetračního indexu směsi pojiva. Nejvyšších hodnot penetračního indexu (lepší viskoelastické vlastnosti a nižší teplotní citlivost) dosahoval polymerem modifikovaný asfalt třídy 45/80 RC, který byl následován pojivem třídy 45/80-65. Vyšší hodnoty penetračního indexu dosahovaly směsi pojiv, obsahující znovuzískaná pojiva z R-materiálu, obsahujícího modifikovaný asfalt, oproti směsím pojiv, které obsahovaly pojivo získané z R-materiálu, který obsahoval nemodifikovaný silniční asfalt.

Vratná duktilita

S rostoucím obsahem pojiva získaného z R-materiálu se hodnota vratné duktility snižuje. Směsi pojiv, obsahující pojivo získané z R-materiálu, který obsahoval modifikované pojivo, dosahovaly většinou vyšší hodnoty vratné duktility než směsi pojiv, které obsahovaly pojivo získané z R-materiálu, který byl stmelen nemodifikovaným pojivem. Vyšší hodnoty vratné duktility byly vždy dosaženy v případě směsí pojiv obsahujících polymerem modifikovaný asfalt 45/80 RC oproti směsím pojiv s pojivem 45/80-65.

Bod lámavosti

Hodnota bodu lámavosti polymerem modifikovaného asfaltu třídy 45/80 RC je o 1,0 °C vyšší než hodnota bodu lámavosti pojiva třídy 45/80-65, což naznačuje mírně lepší nízkoteplotní chování pojiva typu RC oproti pojivu třídy 45/80-65. S rostoucím obsahem pojiva získaného z R-materiálu se hodnota bodu lámavosti zvyšuje (zhoršuje). Směsi pojiv, obsahující pojivo získané z R-materiálu, který obsahoval modifikované pojivo, dosahovaly většinou nižší (lepší) hodnoty bodu lámavosti než směsi pojiv, které obsahovaly pojivo získané z R-materiálu, který byl stmelen nemodifikovaným pojivem.

tags: #co #je #polymerovy #modifikovany #bitumen

Oblíbené příspěvky:

• Podrobnosti o šamotových cihlách
• Efektivní odvodnění s optimálními háky
• Detaily atiky plochých střech
• o společnosti PRO-DOMA
• Komplexní přehled PUR pěn