ODBORNÝ DVOJMESAČNÍK ZAMERANÝ NA NAJNOVŠIE POZNATKY O VÝVOJI MOBILNÝCH PRACOVNÝCH STROJOV A O ICH APLIKÁCII V PRAXI

Asfaltové zmesi s nižšou energetickou náročnosťou a s menšou záťažou pre životné prostredie


Výroba a spracovanie asfaltových zmesí je jednou z činnosti s potenciálom na zníženie negatívneho vplyvu na životne prostredie, pri súčasnom zlepšení efektívnosti pre ich producentov. To bol jeden z dôvodov, prečo Agentúra na podporu výskumu a vývoja podporila projekt, s názvom „Asfaltové zmesi s nižšou energetickou náročnosťou a s menšou záťažou pre životne prostredie“, predložený spoločnosťou VUIS – CESTY, spol. s r. o.




Informácie o projekte 

Ciele projektu

Projekt bol zameraný na overenie možnosti uplatnenia nízkoteplotných asfaltových zmesi (NAZ) v našich podmienkach. V rámci riešenia sa overovali prísady a technologické postupy, ktoré umožňujú upraviť viskozitu asfaltových zmesi tak, aby sa dali vyrábať a spracovať pri nižších teplotách. Pritom sa zohľadnili možnosti výrobcov asfaltových zmesí, ktorí prejavili záujem o budúcu realizáciu výsledkov projektu. Významnou súčasťou riešenia bolo využitie prírodného zeolitu. Základnou požiadavkou pre úspešne uplatnenie nízkoteplotných asfaltových zmesi je, aby ich výsledne vlastnosti spĺňali všetky požiadavky uvedene v technických špecifikáciách. V rámci projektu sa vykonalo rozsiahle laboratórne overovanie, pričom popri empirických skúškach sa vykonali vybrané funkčne skúšky (modul tuhosti, odolnosť proti únave). Po technicko-ekonomickom vyhodnotení laboratórnych skúšok sa získané poznatky overili priamo vo výrobni asfaltových zmesi a na stavbe. Pritom sa sledoval aj vplyv teploty pri výrobe na vyprodukovane emisie a energetickú náročnosť výroby.


Hlavným cieľom projektu bolo uplatnenie nízkoteplotných hutnených asfaltových zmesí pri stavbe vozoviek v našich podmienkach. Na podporu hlavného cieľa boli stanovené čiastkové ciele projektu:

  • Výber vhodných prísad a technológií využiteľných v našich podmienkach.
  • Overenie možnosti využitia domácich surovín na výrobu prísad.
  • Teoretické stanovenie energetickej náročnosti výroby a spracovania.
  • Laboratórne overenie vlastnosti vybraných zmesi.
  • Stanovenie emisií skleníkových plynov a energetickej náročnosti pri výrobe.
  • Realizácia experimentálneho úseku.
  • Spracovanie realizačných výstupov.


Členenie projektu

Na úspešne splnenie cieľov projektu bolo riešenie rozčlenené na štyri samostatné etapy.

I. etapa: Analýza súčasného stavu

  • súčasný stav poznatkov v tejto oblasti v zahraničí a na Slovensku,
  • nadviazanie spolupráce s výrobcami asfaltových zmesi.

II. etapa: Laboratórne overenie

  • výber základného zloženia hutnených asfaltových zmesí (kamenivo, asfalt) typu asfaltový betón (AC),Spracovanie NAZ
  • laboratórne stanovenie všetkých vlastností porovnávacích zmesí, predpísaných v technických špecifikáciách,
  • overenie vplyvu vybratých komerčných prísad (rôzne typy a dávky) a prírodného zeolitu na objemové charakteristiky overovaných zmesí pri rôznych teplotách,
  • overenie vplyvu alternatívnych spôsobov napenenia na objemové charakteristiky overovaných zmesi v závislosti od teploty ich výroby.

 III. etapa: Praktické overenie

  • výber potenciálnych odberateľov na overenie nových produktov,
  • spracovanie, resp. úprava skúšok typu asfaltových zmesí určených na overenie vo výrobe,
  • praktické overenie vo výrobni, odber vzoriek a kontrolné skúšky vyrobených zmesi,
  • vyhodnotenie správania nízkoteplotných asfaltových zmesí pri doprave, rozprestieraní a hutnení.

IV. etapa: Vplyv na životne prostredie a energetické úspory

  • analýza možnosti úspory energie a zníženia sledovaných emisií produkovaných pri výrobe (eventuálne i pri kladení) hutnených asfaltových zmesí,
  • meranie spotreby energie pri výrobe klasických a nízkoteplotných asfaltových zmesí priamo v ich výrobniach,
  • meranie emisií produkovaných pri výrobe zmesi bez prísad (štandardne teploty) a zmesi s prísadami, resp. s upravenou viskozitou a spracovateľnosťou (znížene teploty), vyhodnotenie výsledkov s návrhom na úpravu emisných limitov.


Aplikačné výstupy

Výsledky riešenia boli spracované v aplikačných výstupoch. V projekte boli navrhnuté tri samostatné dokumenty:

  • Technické podmienky na prísady a postupy používané pri výrobe nízkoteplotných asfaltových zmesí
  • Kvantifikácia funkčných požiadaviek pre nízkoteplotné asfaltové zmesi
  • Technologické podmienky výroby a spracovania nízkoteplotných asfaltových zmesí.


Doba riešenia

Riešenie projektu bolo rozvrhnuté na október 2013 až jún 2017.


Dosiahnuté výsledky

Analýza súčasného stavu

V súčasnosti je znižovanie teploty pri výrobe a spracovaní asfaltových zmesí vysoko aktuálnou témou, ktoré súčasne rieši znižovanie nákladov, ako i zníženie emisií skleníkových plynov.

Na nárast rozšírenia technológii NAZ (v angličtine sa používa skratka WMA –Warm Mix Asphalt) priaznivo vplýva aj skutočnosť, že oba efekty sa dajú dosiahnuť súčasne. Zníženie teploty pri výrobe asfaltových zmesí určite prispeje i k zlepšeniu pracovných podmienok pri ich výrobe a spracovaní. Základným cieľom nízkoteplotných asfaltových zmesí je úprava ich viskozity tak, aby ich bolo možne dostatočne zhutniť i pri menších teplotách. Tým sa, samozrejme, znižujú i požiadavky na výrobne teploty. Existuje viacero spôsobov, ako dosiahnuť zmenu viskozity a spracovateľnosti.

V súčasnosti je známych viac ako dvadsať rôznych technologických postupov. Medzi najznámejšie a najpoužívanejšie patria:

- napenenie asfaltu, napr. špeciálnou dýzou,
- uvoľnenie vody viazanej v zeolite,
- použitie prísad na báze voskov a organických prísad,
- použitie povrchovo aktívnych látok umožňujúcich dosiahnuť požadovane obalenie kameniva asfaltom i pri nižšej teplote.

Hoci základné princípy známe, overujú sa nové postupy, ktoré zvyšujú ich účinnosť.

Nedá sa presne kvantifikovať rozsah teplôt, s ktorými sa pri použití jednotlivých spôsobov dá nízkoteplotná asfaltová zmes spracovať, ale ide o niekoľko desiatok stupňov Celzia. S ich použitím sa súčasne docieli zníženie emisií skleníkových plynov vyjadrených v tonách ekvivalentu CO2. Orientačne možno počítať so znížením teploty až na 110 °C a zníženie produkcie emisií vyjadrených v CO2 v rozmedzí od 2 do 5,5 kg na tonu vyrobenej zmesi.

Uvedené princípy sú známe už dlhšie, ale k ich širšiemu uplatneniu dochádza až v poslednom období. Prvé experimenty s týmito zmesami sa vykonali v Európe v polovici deväťdesiatych rokov a ich koncom sa realizovali prvé praktické overovania na stavbách. V USA sa začalo s ich aplikáciou až v 21. storočí, ale v súčasnosti je to miesto s najvyšším nárastom ich používania.


Výrobcovia prísad reagovali na zvyšujúci sa záujem o produkty zamerané na úpravu viskozity hutnených asfaltových zmesí a dnes je na trhu k dispozícii široká škála rôznych komerčných produktov. Vývojom prísad sa zaoberajú i veľké stavebné organizácie, ktoré tak ponúkajú objednávateľom stavieb pridanú hodnotu vo forme komplexného riešenia pri nižšej celkovej cene.


Laboratórne overenie

Empirické vlastnosti

Cieľom týchto skúšok bolo preukázať, že všetky sledovane vlastnosti NAZ vyhovujú parametrom stanoveným pre asfaltové zmesi typu AC vyrábané štandardnými postupmi, t. j. pri vyšších teplotách. V našich podmienkach to znamená dodržať parametre uvedené v katalógových listoch asfaltových zmesi. Prísady, resp. technológie určené na výrobu NAZ musia garantovať splnenie tejto požiadavky. Overovali sme zmesi s komerčnými prísadami (napr. Rediset LQ, Evotherm MA3 a pod.), zmesi s prísadami na báze prírodného zeolitu, ako aj NAZ vyrobené technológiou penoasfaltu. Pretože priľnavosť asfaltu ku kamenivu výrazne ovplyvňuje výsledne vlastnosti asfaltovej zmesi, v praxi sa využívajú najmä kombinované prísady. Tieto prísady zlepšujú priľnavosť a súčasne umožňujú znížiť teplotu pri výrobe a spracovaní asfaltovej zmesi. Na základe dosiahnutých výsledkov možno konštatovať, že:

- pre prax je výhodnejšie použiť kombinované prísady, ich účinnosť však treba vždy preukázať na konkrétnych materiáloch v skúške typu,
- účinnosť prísady treba preukázať dosiahnutím predpísaných parametrov všetkých sledovaných vlastností v skúške typu pre konkrétnu asfaltovú zmes,
- citlivosť na vodu (ITSR) sa na overovaných prísadách podarilo udržať v požadovaných hodnotách.


Funkčne vlastnosti

Hodnotenie hutnených asfaltových zmesi typu AC funkčnými skúškami sa u nás používa iba pre zmesi s vysokým modulom tuhosti. Ostatne zmesi sa pre náročnosť skúšok hodnotia iba na základe empirických vlastností. Budúcnosť je však v širšom uplatnení funkčných skúšok. Preto sme v rámci riešenia projektu vykonali veľkú sériu funkčných skúšok NAZ. Ich výsledky sme využili pri stanovení hodnôt modulu tuhosti a odolnosti proti únave pre NAZ používané vo vrstvách vozoviek diaľníc a rýchlostných ciest.


Modul tuhosti (STN EN 12697-26, metóda B)
Priemerne moduly tuhosti pri skúšobnej teplote 20 °C sú zobrazené na obrázku 1.Červenou farbou je znázornený navrhovaný rozsah hodnôt modulov tuhosti NAZ typu AC (6 000 až 11 000 MPa).


Únava (STN EN 12697-24, metóda D)
Na obrázku 2 sú zobrazenehodnoty odhadu pomernej deformácie ε6. Hodnoty sú v porovnaní so štandardnými asfaltovými zmesami o niečo nižšie. Na základe výsledkov výskumu bola stanovená požiadavka pre NAZ s cestnými asfaltmi ε6-min 100.

Prísady na báze prírodného zeolitu
Súčasťou projektu bolo aj overenie možnosti použiť na výrobu NAZ prísady na báze prírodného zeolitu nachádzajúceho sa na Slovensku. Preto sme oslovili spoločnosť ZEOCEM, a. s., ktorá prejavila záujem o spoluprácu pri riešení. Zdroje prírodného zeolitu a výrobné kapacity, ktorými disponuje, umožňujú pripraviť a z dlhodobého hľadiska aj vyrábať tento typ prísad. Základný princíp využitia zeolitu na výrobu NAZ je všeobecne známy a vychádza z toho, že voda v zeolite je pomerne slabo viazaná a uvoľňuje sa už pri teplote nad 70 °C. V styku s horúcim kamenivom sa mení na vodnú paru, a tým mení viskozitu zmesi, čo ma priamy dosah na jej spracovateľnosť a zhutniteľnosť.

Efekt napenenia, ktorý pri tom vzniká, prispieva k rovnomernému obaleniu zŕn kameniva asfaltom. K dispozícii sme mali šesť prísad charakterizovaných zrnitosťou max. 50, resp. max.20 μm a chemickým zložením (SiO2 cca 74 % a Al2O3 cca 15 %).

Podľa očakávania sa dosiahli najlepšie výsledky s prísadami so zvýšeným obsahom vody. Po vykonaní laboratórnych skúšok sa vybrala prísada 50 P 18-20 % (zvýšená vlhkosť) na praktické overenie vo výrobe. Potrebné množstvo prísady a logistickú podporu poskytla spoločnosť ZEOCEM, a. s. Výsledky potvrdili možnosť použitia týchto prísad na výrobu NAZ.


Technológia penosafaltu
Inou možnosťou je výroba NAZ technológiou penoasfaltu. Využitie spenenia horúceho asfaltu vodou sa v cestnom staviteľstve používa už desiatky rokov a u nás sa v posledných rokoch používa pri technológii recyklácie na mieste za studena. Princíp je jednoduchý. Do asfaltu zohriateho na teplotou 170-190 °C sa pod tlakom okolo 5 000 hPa vstrekne voda s teplotou 15-25 °C v množstve 2 až 4 %. Voda sa v procese výroby premení na paru, ktorá v podstatnej miere unikne zo zmesi pri výrobe, doprave a spracovaní.

Hlavným cieľom použitia speneného asfaltu (penoasfaltu) je zmena jeho vlastnosti tak, aby sa dosiahlo dobre obalenie kameniva asfaltom a spracovanie zmesi aj pri nízkej teplote. Správnym nastavením zariadenia na speňovanie a teploty asfaltu sa dajú dosiahnuť optimálne hodnoty pre konkrétny typ asfaltu. Medzi výhody technológie penoasfaltu patrí popri znížení teploty aj možnosť pri výrobe použiť vlhké kamenivo. Pri výrobe hutnených asfaltových zmesi bola tato technológia u nás prvý raz použitá v roku 2014 vo vybraných výrobniach patriacich spoločnostiam, ktoré sú súčasťou nadnárodnej spoločnosti Colas.

Použité zariadenie na speňovanie asfaltu je patentovo chránene. Aby bolo možné systematicky overiť vlastnosti asfaltovej zmesi v našich podmienkach a preukázať ich rovnocennosť s klasicky vyrábanými zmesami, vypracovali sme v spolupráci s pracovníkmi laboratória výrobcu metodiku na overenie vybraných vlastností.


Po vyhodnotení poznatkov z overovania vlastnosti zmesi NAZ vyrobených technológiou penoasfaltu a poznatkov z ich výroby a spracovania môžeme konštatovať:

- technológia si vyžaduje použitie spoľahlivého speňovacieho zariadenia, ktoré musí byť správne začlenené do technologickej linky na výrobu asfaltových zmesí,
- na kontrolu dávkovania vody treba inštalovať merač a pravidelne kontrolovať jej spotrebu,
- správne nastavenie a zacvičenie posádky OS si vyžaduje čas na zvládnutie novej technológie,
- výsledné parametre asfaltových zmesí vyrobených technológiou penoasfaltu sú rovnocenné so zmesami vyrobenými klasickou metódou. Skúsenosti získane na viacerých výrobniach potvrdzujú, že tento spôsob výroby NAZ je vhodný aj pre naše podmienky.


Praktické overovanie
Na overenie laboratórnych výsledkov sa podarilo zabezpečiť viacero pokusných úsekov s použitím kombinovaných prísad, resp. technológie penoasfaltu. Dôležitým bol najmä pokusný úsek s prísadou na báze prírodného zeolitu (50 P 18-20 %), ktorý sme realizovali v spolupráci so spoločnosťou Swietelsky-Slovakia, s. r. o., v ich výrobni asfaltových zmesí v Pezinku, kde súčasne akreditované laboratórium vykonalo meranie emisii pri výrobe a získali sme aj informácie o energetickej náročnosti výroby NAZ.


Vyhodnotenie poznatkov z realizácie:

- podmienkou uplatnenia v praxi je minimalizácia investičných nákladov spojených so zavedením výroby NAZ,
- preukázalo sa, že spracovateľnosť a zhutniteľnosť NAZ je rovnocenná so štandardnou zmesou,
- empirické i funkčne skúšky zmesi odobratej priamo z výroby potvrdili, že sa dajú dosiahnuť predpísane parametre všetkých sledovaných vlastnosti.

Pri zohľadnení výsledkov laboratórnych skúšok a praktického overenia možno konštatovať, že overované spôsoby výroby sú z hľadiska dosiahnutia požadovaného efektu, t. j. zníženie teploty pri výrobe a spracovaní, účinné a vhodné na výrobu NAZ.


Vplyv na životne prostredie a energetické úspory

Bežné hutnené zmesi sa vyrábajú v šaržových alebo kontinuálnych obaľovacích súpravách pri teplotách 140 až 195 °C. Tieto vysoké teploty sú potrebne jednak z hľadiska ich výroby, jednak z hľadiska ich spracovateľnosti. Na dosiahnutie takýchto pracovných teplôt asfaltových zmesi je potrebné veľké množstvo energie. Jej spotreba je priamo závisla od typu výrobného zariadenia, stupňa jeho vybavenia a od použitého vykurovacieho média. 

Na Slovensku sa používajú ako vykurovacie média:

zemný plyn (ZP), skvapalnený ropný plyn (LPG), ľahký vykurovací olej (LVO). Cenovo sú najvýhodnejšie plynne média (podiel energie na výslednej cene zmesi je cca 11 až 15 %), pričom mierne výhodnejšie sa javi skvapalnený propan. Ľahký vykurovací olej je ekonomicky najmenej výhodný – podiel energie na výslednej cene je takmer 20 %.

Ekonomický prínos náhrady klasických zmesí zmesami NAZ ovplyvňuje viacero faktorov. Pri použití prísad je to najmä ich cena (ich použitím sa zvýši cena za tonu zmesi cca o 1 až 5 €) a pri použití technológie penoasfaltu sú to najmä počiatočné investície do úpravy OS. Významnejším faktorom pre zavedenie výroby NAZ sa môže stať úspora energii. Na výrobu asfaltových zmesí typu asfaltového betónu sa spotrebuje 350 MJ/t až 460 MJ/t, čo je vo finančnom vyjadrení cca 6 €/t. Podľa použitej technológie sa dá pri výrobe NAZ dosiahnúť zníženie energetickej náročnosti o 15 až 35 %.


Ak hodnotíme vykurovacie média z hľadiska vyprodukovaných emisií skleníkových plynov, najvhodnejším sa javí použitie skvapalneného propánu, kde sa pohybuje množstvo CO2 na tonu vyrobenej zmesi pod hodnotou 20 kg. Pri použití zemného plynu alebo ľahkého vykurovacieho oleja sa dostávame k hodnotám nad 30 kg CO2 na tonu vyrobenej asfaltovej zmesi. Z týchto hodnôt vyplýva, že aj z hľadiska emisii CO2 je najvýhodnejším médiom LPG. Potom nasleduje ZP a najmenej vhodne je použitie LVO.


Pre merania emisii na OS platí vyhláška 410/2012. Kontrolujú sa tuhé znečisťujúce latky (TZL), oxid uhoľnatý (CO) a organické plyny a pary (TOC) vyjadrene ako celkový organicky uhlík (tabuľka 1).

Možno konštatovať, že overovania výroby NAZ na Slovensku dostatočne nepreukázali očakávané úspory. Náklady na prísady a manipuláciu s nimi v podstate vyrovnali úspory získané pri ich výrobe. Táto skutočnosť ovplyvnila výrobcov asfaltových zmesí a vo väčšine

prípadov sa v ekonomicky náročnom období posledných rokov ďalej týmto technológiám nevenovali v potrebnom rozsahu. Aj vďaka výsledkom riešenia projektu sa však tento stav začína meniť v prospech NAZ.

Na stanovenie objektívnych hodnôt energetickej náročnosti pri výrobe asfaltových zmesi a vplyvu zníženia výrobných teplôt na sledovane emisie bude treba vykonať dlhodobé merania vo viacerých výrobniach.

Tabuľka 1: Emisné limity pre výrobne asfaltových zmesí

Podmienky platnosti EL :  
Štandardné stavové podmienky, suchý plyn, O1)2ref: 17 % obj.
Časť zdroja  
Emisný limit [mg/m3]

TZL

CO

TOC

Technológia, priamy procesný ohrev  

30, 50 2)

500 3)

50 3)

1)Referenčný objem kyslíka v spalinách

2)Pre zariadenia, ktoré boli uvedené do prevádzky do 31. marca 2001

3)Pre zariadenia s vydaným povolením do 31. decembra 2003 sa emisný limit pre CO a TOC    neuplatňuje do 31. decembra 2015


Tabuľka 2 Emisné limity pri výrobe NAZ (návrh)

Emisné látky  
Emisné limity (mg/m3)
Tuhé znečisťujúce látky TZL

25

Oxid uhoľnatý CO

400

Celkový organický uhlík TOC

45


Spracované aplikačné výstupy

Dosiahnuté výsledky a uspešná komunikácia s výrobcami asfaltových zmesí umožnili spracovanie aplikačných výstupov už ku koncu roka 2016, hoci pôvodný termín bol marec 2017. Veľký význam malo aj spracovanie aktualizácie TKP 6 Hutnene asfaltove zmesi v roku 2015, kde boli zapracovane prve usmernenia pre výrobu a spracovanie NAZ. Pre uplatnenie NAZ v praxi je kľučové vydanie TKP 41 Nízkoteplotné asfaltové zmesi. Je to rezortný predpis MDV SR, v ktorom sú kumulované všetky aplikačné výstupy riešenia projektu.


Zaver

Ochrana životného prostredia by mala byť pre nás všetkých samozrejmá, ale nie je. Často sa sami pred sebou obhajujeme tým, že náš prínos je zanedbateľný a bez zmeny prístupu najväčších producentov znečisťovania sa nič nezmení.

Sme iba kvapkou v mori, to je najčastejšia obhajoba našej nečinnosti. Ale akosi nám pritom uniká, že more sa skladá z kvapiek. Veríme, že práve uplatnenie NAZ sa stane tou našou kvapkou, ktorou prispejeme k tomu, aby si to pomyselné more mohli užívať aj nasledujúce generácie.

Tento príspevok bol spracovaný na základe výsledkov projektu APVV-0554-12 s názvom Asfaltové zmesi s nižšou energetickou náročnosťou a s menšou záťažou pre životné prostredie podporovaného Agentúrou na podporu vedy a výskumu. ×


Literatúra:
[1] Polakovič, Ľ.: Asfaltové zmesi s nižšou  energetickou náročnosťou a s menšou záťažou pre životné prostredie, záverečná správa o riešení projektu APVV–0554–12, júl 2017
[2] TKP 41 Nízkoteplotné asfaltové zmesi, Technicko-kvalitatívne podmienky, MDV SR, 1. 1. 2017 Ing. Ľubomír Polakovič, CSc., VUIS – CESTY, spol. s r. o.


Ing. Ľubomír Polakovič, CSc.,
VUIS-CESTY, spol. s. r. o.

Fotogaléria k článku