Opětovné využití odpadních PVB v asfaltových směsích

Sklo se z podstatné části mechanicky oddělí, PVB fólie je však znehodnocena kontaminací, a to zbytky střepů, anténními, senzorovými a dalšími prvky a je pro další smysluplné využití bezcenná. Celosvětově se PVB fólie historicky likviduje spalováním a skládkováním. Ročně se tak ukládá do země přes 150 mil. kg odpadu.

Odpad jako cenná surovina

Česká firma CIUR a.s., která se dlouhodobě zabývá smysluplným využitím nepotřebných odpadů, se v roce 2006 spojila s Ing. Jiřím Langem, Ph.D., z firmy DuPont, hledajícím ekologicky zaměřenou firmu ochotnou investovat nemalé finanční prostředky do vývoje produktu, který by využil PVB odpad jako částečnou náhradu základní složky asfaltové směsi, a to asfaltového pojiva. K takovému vývoji průmyslového využití PVB odpadu byla potřeba také celá řada nezbytných technologických kroků. V zásadě se jednalo o koncept, který by umožnil vytvoření aditivního fázového rozhraní mezi kamenivem v používaných asfaltových směsích. Tím přispěje k delší životnosti vozovek tvorbou aditivních kohezních můstků a dále ušetří část asfaltového pojiva z neobnovitelných zdrojů, obvykle v rozmezí 15–30 %.

Technologie zpracování odpadního PVB na nový výrobek

Vývoj produktu a aplikační technologie, která probíhala ve spolupráci firem CIUR a.s. a partnery, jako je DuPont, Stavby silnic a železnic, a.s. (v současnosti EUROVIA CS, a.s.), ČVUT v Praze, trval více než deset let. Holistickým přístupem byly postupně vyvinuty všechny nutné technologické operace tak, aby ve výrobním závodě CIUR a.s. mohlo být zpracováváno minimálně 2 000 t odpadního PVB ročně na nový výrobek, později nazvaný SUBSTABIT. Název vznikl odvozením ze slovního spojení „substituce bitumenu“. Konečný výrobek nalézá uplatnění v asfaltových směsích jako částečná náhrada asfaltového pojiva.

V rámci vývoje, ověřovacích laboratorních a následně poloprovozních a provozních zkoušek průmyslového zpracování bylo postupně dosaženo těchto milníků:
■ vývoj dezintegrační a separační technologie za účelem přidání oddělujících přísad k udržení sypkosti finálního výrobku;
■ ověření přidání SUBSTABITU do asfaltových směsí laboratorními zkouškami;
■ adaptace technologie do podmínek reálně existujících technologií výroby asfaltových směsí v obalovnách a při pokládce a hutnění těchto směsí na stavbě silnic.

Laboratorní ověření asfaltové směsi s přísadou z PVB

Možnost náhrady asfaltového pojiva přísadou z PVB byla kromě jiného ověřena na souboru laboratorních zkoušek směsi ACL 16+ 50/70. Byla vyrobena referenční směs se 100 % asfaltu, dále směs s náhradou 1/3 asfaltu a poté směs s náhradou 1/2 asfaltu přísadou SUBSTABIT. Všechny směsi měly klasickou čáru zrnitosti kameniva splňující požadavky předepsané v ČSN 73 6121 pro směs ACL 16+. Tyto směsi byly označeny:
■ směs A – referenční směs (5 % asfaltu 50/70);
■ směs B – směs s 1/3 PVB (3,3 % asfaltu + 1,7 % PVB);
■ směs C – směs s 1/2 PVB (2,5 % asfaltu + 2,5 % PVB).

Objemová hmotnost zhutněného zkušebního tělesa
Ověření objemové hmotnosti zkušebního tělesa bylo provedeno podle metody B objemová hmotnost – nasycený suchý povrch (SSD) definované v ČSN EN 12697-6 a podle metody D objemová hmotnost stanovená z rozměrů. Zkušební tělesa byla připravena v rázovém zhutňovači hutnicí energií 2 × 25 úderů a 2 × 50 úderů.
■ Výsledky
Objemová hmotnost jednotlivých těles se liší podle jejich teploty hutnění (snižuje se s klesající teplotou hutnění). Při teplotě 160 °C mají směs A a směs B srovnatelnou hodnotu objemové hmotnosti. Směs C má objemovou hmotnosti při 160 °C nižší.

Mezerovitost
Zjištěné mezerovitosti směsí jsou porovnávány s normou ČSN 73 6121.
■ Výsledky
Mezerovitost směsí stoupala s klesající teplotou hutnění (graf 1).
Směs C měla vysokou mezerovitost i při teplotě hutnění 180 °C. Mezerovitost směsi C nevyhovovala hranicím stanoveným normou (3–8 % pro kontrolní zkoušky), což znamená, že směs by nebylo možné na místě správně zhutnit. Směs B nevyhovovala normovým hranicím pouze při teplotě hutnění 120 °C. Hodnota mezerovitosti směsi B při 160 °C byla srovnatelná s hodnotou u referenční směsi A.

Stupeň vyplnění mezer pojivem
Směsi byly porovnávány s hranicemi stanovenými stejnou normou jako pro mezerovitost, tedy ČSN 73 6121.
■ Výsledky
Stupeň vyplnění mezer pojivem při teplotě hutnění 160 °C vyhovoval pro referenční směs A i směs B, které měly srovnatelné hodnoty. U směsi C byl patrný pokles hodnoty stupně vyplnění mezer pojivem při všech teplotách, navíc hodnota stupně vyplnění mezer pojivem je nižší než hranice stanovená normou (60–74 %). To odpovídá vysoké mezerovitosti směsi. Při snížení mezerovitosti se zvýší hodnota stupně vyplnění mezer pojivem.

Odolnost asfaltové směsi vůči negativním účinkům vody
Stanovení odolnosti zkušebního tělesa vůči účinkům vody bylo provedeno podle normy ČSN EN 12697-12.
■ Výsledky
Pro ACL 16+ požaduje norma ČSN 73 6121, aby odolnost vůči negativním účinkům vody byla alespoň 70 % (graf 2). Tato podmínka byla splněna jak u referenční směsi A, tak u směsi B. U referenční směsi A se snížila díky působení vody pevnost v příčném tahu o 10 %. U směsi B narostla pevnost v příčném tahu u mokrých těles. Tento jev byl způsoben zprůměrováním dílčích hodnot a neznamená to tedy, že by voda měla příznivý vliv na pevnost těles v příčném tahu.

Moduly tuhosti metodou IT-CY
Stanovení modulů tuhosti asfaltové směsi bylo provedeno podle ČSN EN 12697-26, metoda C, ­IT-CY – zkouška v příčném tahu na válcových zkušebních tělesech při dvou zkušebních teplotách 15 °C a 40 °C.
■ Výsledky
Na modul tuhosti má velký vliv mezerovitost (graf 3). Se zvyšující se mezerovitostí klesá modul tuhosti. Směs B měla však vyšší hodnotu modulu tuhosti při 15 °C než referenční směs A, což mohlo být způsobeno nižším množstvím asfaltového pojiva. Při 40 °C se pozitivně projevil vliv vysokého bodu tání látky PVB u směsi s jejím největším obsahem, směsi C, která tak vykázala nejnižší teplotní citlivost.

Odolnost proti trvalým deformacím
Stanovení odolnosti asfaltové směsi vůči tvorbě trvalých deformací bylo provedeno podle ČSN EN 12697-22+A1. Zkouška oproti podmínkám v normě byla provedena při 60 °C. Náchylnost asfaltových směsí k trvalé deformaci se posuzuje podle hloubky vyjeté koleje a jejího přírůstku způsobeného opakovaným pojížděním zatěžovacím kolem při stálé teplotě.
■ Výsledky
Směs B měla výrazně lepší výsledky při zkoušce vyjetí kolem než referenční směs A. To odpovídalo i lepším výsledkům modulu tuhosti. Směs byla tužší, tím pádem byla odolnější vůči trvalým deformacím (graf 4). Asfaltové směsi s pojivem 50/70, které mají nízký bod měknutí, nedokáží dobře odolávat statickému nebo soustředěnému zatížení při teplotě 60 °C a vyšší, což dokazuje výsledek laboratorní zkoušky na referenční směsi. Směs B vykázala v obou sledovaných parametrech cca pětkrát až desetkrát lepší výsledky. Vysoký bod tání PVB (180 °C) zvyšuje odolnost asfaltové směsi vůči tvorbě trvalých deformací při vysokých teplotách.

Odolnost proti únavě
Odolnost vůči únavě byla stanovena podle ČSN EN 12697-24, příloha E, tedy zkouškou v příčném tahu na válcových tělesech, a vyhodnocena z Wöhllerova diagramu, kde jsou vykresleny hodnoty opakování zatížení a vodorovné přetvoření.
■ Výsledky
Sklon únavové křivky byl srovnatelný u referenční směsi A a směsi B. U směsi C byla hodnota sklonu nižší (graf 5). Vypočtená poměrná přetvoření (směs A: ε₆ = 50,8; směs B: ε₆ = 33,6 a směs C: ε₆ = 28,8) po provedení milionu cyklů klesala se stoupajícím množstvím PVB ve směsi. Čím nižší ε₆, tím je směs méně odolná vůči únavě. Hodnoty ε₆ jsou nižší, než jsou návrhové hodnoty uvedené v TP 170, a to vzhledem k odlišné metodice zkoušení.

Z výše uvedených výsledků je patrné, že substituce asfaltového pojiva látkou PVB je v laboratorních podmínkách možná, maximálně však ve výši 1/3 množství asfaltového pojiva. Při menším množství použitého asfaltového pojiva ve směsi je směs suchá a spojení mezi jednotlivými zrny není dokonalé. Směs má vyšší mezerovitost a nízkou odolnost vůči účinkům vody. Při 1/3 náhradě asfaltového pojiva ve směsi látkou PVB nedochází ke zhoršení zhutnitelnosti směsi ani ke zhoršení odolnosti asfaltové směsi vůči účinkům vody. Pokles modulů tuhosti při 15 °C a 40 °C není vysoký a směs je stále dostatečně tuhá. Směs má velice dobrou odolnost proti tvorbě trvalých deformací. Negativem chování směsi při zkouškách v laboratoři jsou nízké únavové charakteristiky. Ty by bylo vhodné ověřit i na jiném tvaru zkušebního tělesa a na čtyřbodovém zařízení. Při sledování poruch na zkušebních úsecích se však nižší únavy zjištěné v laboratoři nepotvrdily. Negativem při použití PVB je nutnost zajištění vysokých teplot při jeho rozpuštění. To se však týká jen laboratorní výroby směsi. V případě výroby na obalovně se PVB přidává do míchačky, kde má kamenivo dostatečně vysokou teplotu pro jeho rozpuštění.

Ověření vlastností nového výrobku z odpadního PVB na zkušebních úsecích

Před realizací zkušebních úseků s využitím výrobku SUBSTABIT bylo nutné provést průkazní zkoušky asfaltových směsí s touto přísadou. Zkouškami se prokazuje, že asfaltová směs vyhoví všem technickým požadavkům pro daný typ asfaltové směsi. Jednou z těchto zkoušených významných vlastností pro směsi do ložních vrstev je odolnost asfaltových směsí proti trvalým deformacím podle ČSN EN 12697-22+A1 (v roce 2005, z něhož tyto úvodní zkoušky jsou, nebyla norma ještě vydána a postupovalo se podle TP 109 Změna č. 1). Odolnost asfaltové směsi proti trvalým deformacím se stanovila prostřednictvím zkoušky pojíždění kolem, a to jak na směsi ACL 16 s 4,2 % silničního asfaltu 50/70 s přísadou 0,8 % SUBSTABITU, tak na referenční směsi ACL 16 s 4,9 % silničního asfaltu 50/70 bez přísady. Původní hodnoty získané na pracovišti centrální laboratoře Staveb silnic a železnic, a.s., jsou uvedeny v tab. 1.

Z tab. 1 je vidět, že v průměru je hloubka vyjeté koleje u směsi bez přísady SUBSTABIT o 77,7 % vyšší než v případě přidání 0,8 % přísady, která navíc uspořila 0,7 % asfaltového pojiva z celkové hmotnosti směsi. To z celkového obsahu pojiva ve směsi činí náhradu ve výši 14,3 %. Na základě této a mnoha dalších průkazních zkoušek začaly být od roku 2009 kontinuálně prováděny zkušební úseky s využitím přísady SUBSTABIT do asfaltových směsí. Celkem bylo na území České republiky zatím provedeno na různě zatížených komunikacích devět zkušebních úseků, kde byly položeny asfaltové směsi s různým obsahem přísady SUBSTABIT až do výše 1/3 obsahu asfaltového pojiva ve směsi. Všechny úseky jsou průběžně monitorovány a u převážné většiny z nich nebyly ani po cca deseti letech od uvedení do provozu shledány zásadní problémy. Nejvýznamnější z nich je zkušební úsek v Rudné u Prahy, který se nachází v bezprostřední blízkosti dálnice D5.

Pokládka asfaltových směsí s přísadou SUBSTABIT na něm byla realizována v roce 2015, konkrétně na Masarykově třídě (silnice II/605). Úsek měl celkovou délku 3,9 km a byl rozdělen na několik částí podle množství dávkované přísady. Ta byla dávkována především do ložních konstrukčních vrstev. Silnice II/605 funguje jako bypass pro dálnici D5 a je často zatěžována těžkou nákladní dopravou. Například v letech 2017 až 2019 byl průtah obcí velmi vytížen z důvodu rekonstruované části dálnice D5 v úseku 0. až 5. km. Na tomto úseku jsou pravidelně (cca 1× až 2× ročně) prováděna kontrolní měření. Bylo uskutečněno několik zkušebních vývrtů, na nichž byly posléze provedeny kontrolní laboratorní zkoušky, především na pracovištích laboratoří firmy EUROVIA CS, a.s., a v silniční laboratoři Fakulty stavební ČVUT v Praze. V roce 2017 byly realizovány kontrolní jádrové vývrty a na zkušebních tělesech z těchto vývrtů byly provedeny následující zkoušky. Poslední kontrola stavu vozovky zkušebního úseku v Rudné u Prahy proběhla v září 2018. Další série vývrtů byla realizována v září 2020 a momentálně probíhá vyhodnocení výsledků.Objemová hmotnost, jako jedna ze základních charakteristik asfaltových směsí, byla stanovena podle ČSN EN 12697-6. Hodnoty získané na pracovišti silniční laboratoře FSv ČVUT v Praze jsou uvedeny v tab. 2.

Moduly tuhosti předmětné směsi ACL 16 byly stanoveny na válcových zkušebních tělesech podle ČSN EN 12697-26 metodou C, tedy opakovaným namáháním v příčném tahu při různých teplotách (0 °C, 15 °C, 27 °C). Díky získaným hodnotám bylo možné odvodit schopnost vzorku odolávat účinkům zatížení při různých podmínkách. Určující byly pro posouzení deformačního chování hodnoty změřené při teplotě 15 °C. Čím vyšší hodnota, tím vyšší odolnost vůči účinkům dopravního zatížení. Hodnota teplotní citlivosti ukazuje na poměrně stálé chování. Hodnoty jsou shrnuty v tab. 3.

K určení dalšího předpokládaného chování směsi při nízkých teplotách byla provedena zkouška stanovení odolnosti směsi proti šíření trhliny na půlválcovém zkušebním tělese podle ČSN EN 12697-44. Jako zkušební byla stanovena teplota 0 °C. Hodnoty práce a lomové energie byly stanoveny nad rámec požadavků normy a pracoviště FSv ČVUT v Praze je používá k posouzení náchylnosti směsi k šíření trhliny. Lomová houževnatost udává maximální možné napětí, kterému je schopna asfaltová směs odolat. Lomová energie je práce, potřebná pro vytvoření trhliny a k jejímu následnému šíření až do úplného kolapsu. Hodnota lomové energie udává, zda asfaltová směs bude náchylná ke vzniku mrazových/únavových trhlin. Z tab. 4 lze tedy odvodit, že díky vysoké hodnotě lomové houževnatosti byla směs se SUBSTABITEM schopna odolávat vyšším účinkům dopravního zatížení než běžné směsi v oboru nízkých teplot.

Výsledky zkoušek prokazují, že asfaltová směs s přísadou SUBSTABIT má podobné vlastnosti a charakteristiky jako běžné asfaltové směsi se silničním asfaltem 50/70 a v některých funkčních vlastnostech (odolnost proti trvalým deformacím, vlastnosti v oboru nízkých teplot, teplotní citlivost) je dokonce i přesahuje. Reálné zkušenosti z výroby asfaltové směsi obsahující PVB namísto části asfaltového pojiva potvrzují, že funkčnost směsi je závislá na obalení hrubého drceného kameniva ve směsi v první fázi obalování. Ta musí probíhat bez frakce 0/4 a fileru, aby došlo k dokonalému obalení hrubého kameniva látkou PVB.

Závěr

Po více než deseti letech vývoje se podařilo vytvořit celosvětově unikátní a odpovědnou metodu účelného zpracování dosud masově nerecyklovatelného odpadu PVB, která v současnosti představuje tok přibližně 150 mil. kg ročně.

Takové řešení umožní ušetřit cca 15 % až 30 % ropných produktů při stavbě silnic, což v praxi představuje cca 500 t ropy na stavbu jednoho kilometru dálnice. Vzhledem k vzrůstajícím cenám asfaltového pojiva a jeho nedostatku na trhu, ať už z důvodu eliminace vakuového zbytku v rafinériích díky dokonalejším destilačním jednotkám a přechodu na lehčí ropy, nebo kvůli útlumu výroby v rafinériích, neboť po jejich hlavních produktech (letecký benzín, benzín, nafta) během aktuální krize není poptávka, lze díky použití náhrady až 30 % asfaltového pojiva ušetřit i finanční náklady na výrobu asfaltových směsí.

Dosavadní výzkum potvrdil zlepšení funkčních charakteristik směsí, zvláště odolnosti proti vyjíždění kolejí a trvalých deformací i při použití běžných nemodifikovaných asfaltových pojiv. Kromě toho se vytvořením polymerního filmu na povrchu kameniva zvyšuje jeho přilnavost k asfaltu a dává tak prostor k omezení použití vysoce toxických adhezních přísad u kameniv se sníženou přilnavostí k asfaltu (cca 40 % aplikací v EU). Současně s tím umožňuje celosvětově eliminovat přibližně 300 mil. kg odpadu (PVB + zbytky skla + keramika), který v současnosti z valné většiny končí na deponiích a spalovnách. Navíc za výrobek SUBSTABIT získala firma CIUR a.s. Cenu industrie. Tato cena za nejlepší výrobkovou nebo technologickou inovaci v soutěži Česká hlava 2019 je dokladem toho, že český výrobek dokáže být nejen ekologickým, ale i užitečným.

Celý článek naleznete v archivu čísel 11/2020.