Výroba a dávkování: suchý proces/suchý proces, mokrý proces/mokrý proces, mokrý a suchý proces. Kdo se v tom ještě vyzná? Pojmy z oblasti modifikace asfaltu pryží nejsou mnohdy správně používány.

Ačkoli je modifikace pryží již téměř součást „asfaltové historie“, není stále k dispozici jednotný a přehledný seznam užívaných pojmů, které jsou zakotveny jak v technických předpisech, tak i v hlavách uživatelů. Stejně tak chybí i vysvětlení pojmů, které jsou často používány velmi libovolně. Diskuze na téma využití odpadní pryže při výrobě asfaltové směsi probíhá řadu let v celé řadě zemí. Tématem modifikace pryží se zabývala také jedna z prezentací v rámci 59. Petersenovy vědecké asfaltové konference, kterou pořádá pravidelně Western Research Institut v Laramie, USA. Loňský ročník probíhal v červenci 2022. Autoři této prezentace 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. Příspěvek uveřejněný v loňském roce v německém odborném časopisu Asphalt & Bitumen uvádí porovnání různých typů pryží modifikovaných pojiv do asfaltových směsí a porovnává zkušenosti se dvěma platnými předpisy, které jsou na německém trhu pro pryží modifikované asfalty a asfaltové směsi využívány. Ze zmiňovaných textů vyplývá, že tyto diskuze korespondují s diskuzemi, které vedeme již několik let i v rámci naší republiky.


Trocha historie na úvod

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 (zde například úprava obrusné vrstvy na dálnici Inntal). Při těchto pokusných pokládkách bylo používáno výhradně předem za horka vyrobené a pryží modifikované asfaltové pojivo.

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. Nelze také pominout, že i ochota zadavatelů převzít vyšší náklady byla u těchto speciálních typů aplikací výraznější.


Technické předpisy

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. Zde je nutné poznamenat, že tento předpis byl následně úspěšně využit i v dalších spolkových zemích.

V roce 2012 následoval předpis „Doporučení pro pryží modifikované asfalty a asfaltové směsi“, který pod zkratkou E GmB a vydala společnost FGSV. První revize a zatím poslední revize proběhla v roce 2016, avšak pracovní skupina pracuje i v současnosti na dalších úpravách či revizích.


Dva předpisy pro „doplňkový výrobek“?

Oba předpisy obsahují určité společné rysy, bohužel ale k lítosti všech uživatelů obsahují také řadu různých pohledů a charakteristik k jednotlivým výrobkovým specifikacím.

Oba předpisy popisují skupinu asfaltových pryží modifikovaných pojiv pro další použití a jejich výroba je označena většinou jako „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. Proto nelze do budoucnosti ani vyloučit snížení max. přípustné teploty na 180 °C.

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. Lze ale předpokládat, že požadovaná výkonnost asfaltové směsi je v důsledku nedosažení potřebné viskozity negativně ovlivněna.

Jedním z důsledků bylo úplné zastavení výroby horkých, pryží modifikovaných pojiv v Německu v období několika let. Ačkoli se tato skupina výrobků v průběhu 25 let v Německu osvědčila, docházelo při jejich praktickém používání k řadě problémů, a to zejména:

  • k velmi nízké skladovací stabilitě,
  • k silné závislosti na klimatických vlivech;
  • u rozsáhlých staveb nemohly být v důsledku problémů v zásobování v některých případech dodrženy všechny požadavky na výrobek podle platné specifikace;
  • neexistovala žádná možnost vrácení zbylého materiálu ze zásobníku asfaltového pojiva a tím vznikla nutnost řešit otázku „kam se zbytkem“;
  • k usazování zbytků pryže v důsledku systematické nehomogenity na topných registrech nádrží, čímž docházelo k problémům s vytápěním s možností lokálních blokací dávkovacího systému asfaltového pojiva;
  • v důsledku proměnné viskozity docházelo k přetížení čerpadel asfaltového pojiva;
  • volumetrické dávkování nebylo z důvodu vysoké viskozity možné;
  • často docházelo při dodání pojiva a jeho zpracování na obalovně k výrazné pachové zátěži, obdobně provázela vyšší pachová zátěž i vlastní pokládku asfaltové směsi.


Možnosti řešení problémů při manipulaci a zpracování

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. Tím ale společné znaky končí.

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. Pouhé uvedení hodnot pro vlastní hodnocení by tak neodpovídalo cílům předpisu. Vlastnosti asfaltového pojiva lze upravit nebo měnit použitím jiných přísad a aditiv. Speciální výhody modifikace s modifikovaným pryžovým granulátem tímto postupem v současné době nelze realizovat.

Pro splnění požadavků bezpečnosti práce, ochrany životního prostředí a pro snížení množství emisí je pro výrobu pryží modifikovaného granulátu potřeba speciálně vybavené výrobní zařízení (např. reakční nádrže, reakce v ochranné plynové atmosféře, uzavřený systém se zpětným získáváním výparů).

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. Pro modifikaci podstatné procesy rozpouštění a bobtnání pryžových částic už nemusejí probíhat a není potřeba ani žádná doba zrání.


Výhody „mokrého“ způsobu výroby s následným „suchým“ dávkováním

Pokud je TL RmB-StB By správně interpretována, pro dosažení cílových hodnot v příslušné tabulce by měly být výhradně používány předreagované výrobky.

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. Tento proces předreagování pryže a asfaltu a následné smíchání předreagovaného granulátu s asfaltovou směsí vede k dosažení kvalitativních požadavků, které měli autoři předpisu TL RmB-StB By na mysli.

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. Při přípravě předpisu disponovalo bavorské ministerstvo dostatečným množstvím dat a informací; 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. Např. v závěrečné zprávě k úkolu „Porovnání vlastností asfaltových směsí s otevřenou mezerovitostí při použití různých typů pryží modifikovaných pojiv“, který zpracoval Institut Dr. Schellenberga, se uvádí, že asfaltová směs PA 8 G, která byla vyrobena s využitím granulovaného pojiva GRM 40/20, vykazuje tendenčně výrazně lepší vlastnosti při nízkých teplotách, současně i lepší vlastnosti s ohledem na ztrátu zrn kameniva ve srovnání se směsmi, které byly vyrobeny s využitím horkého pryží modifikovaného pojiva.

Tento závěr ukazuje, že „mokrý proces“, který pracuje s procesem bobtnání při vysoké teplotě v optimálním čase a který je v důsledku výsledné viskozity opakovatelný a měřitelný, umožňuje realizaci vysoce kvalitní modifikace pryží.

Jako další výhody využití modifikovaného granulátu GRM lze uvést:

  • bezproblémovou logistiku a skladování materiálu na obalovně;
  • jednoduché zpracování, které není závislé na klimatických podmínkách;
  • vysokou, konstantní a reprodukovatelnou kvalitu asfaltové směsi;
  • na obalovně není nutné regulovat provozní teplotu tak, aby odpovídala max. přípustnému omezení podle platného předpisu;
  • díky variabilitě dávkování granulátu i asfaltového pojiva lze na obalovně splnit požadavky na různé typy asfaltové směsi;
  • granulát GRM lze využít i při přidávání R-materiálu.


Co uvádí předpis E GmB A?

V tomto předpisu je pojem pryží modifikovaného granulátu formulován obdobně jako v předpisu TL RmB-StB By, odkaz na definované složení však v tomto předpisu nenajdeme. Předpis neuvádí ani žádné informace ke zpracování stejně, jako není uvedeno vysvětlení k pojmu „předreagované pojivo“.  Předpis řadí pouze v jedné kapitole modifikované granuláty pod pojem „suchý proces“, avšak pouze v souvislosti s pojmem „suché dávkování“. Nikde však není popsán výrobní proces. Velmi zavádějící je však skutečnost, že pod pojem „suchý proces“ jsou zařazeny i aditivované drcené pryže. Takto formulovaná skupina „příbuzných“ výrobků však nebyla do TL RmB-StB By převzata, protože pojiva vyrobená z aditivované drcené pryže nesplňují kvalitativní požadavky bavorského ministerstva.

Předpis E GmB A neudává žádné další požadavky na specifikace používaných silničních asfaltů a dále nejsou uvedena ani žádná množství pro dávkování jednotlivých přísad. Pouze jedna tabulka uvádí požadavky výsledného modifikovaného pojiva. Současně je použití aditivované drcené pryže nebo asfaltového granulátu na obalovně formou přímého dávkování do výrobního procesu definováno jako „suché dávkování“. Protože ale u uvedených výrobků nedošlo k předreagování, uvádí předpis v případě aditivované drcené pryže nebo aditivovaného pryžového granulátu potřebu zrání, aby bylo dosaženo bobtnání pryže. Zrání má být dosaženo „dostatečnou dobou skladování“ směsi v sile. Současně je uvedeno, že doba zrání v délce 1 hodiny je dostatečná. Paralelně je omezena také teplota skladování hodnotou max. 170 °C. S určitou opatrností je pro doplnění k předreagovaným výrobkům uvedena poznámka, že při použití granulátu mohou být některé součásti granulátu předreagovány v důsledku prvotního výrobního procesu, což umožňuje zkrácení doby zrání. Způsob i doba jsou plně ponechány na uživateli.


Teplota a výsledná kvalita asfaltové směsi

Zda je výrobek vhodný a odpovídá praktickým požadavkům, se ukáže teprve po delší době užívání asfaltové směsi. Potřebné odolnosti proti stárnutí v případě pryží modifikovaných pojiv lze dosáhnout pouze optimálním nabobtnáním pryžových částeček, které je spojeno s výrazným nárůstem viskozity. Takový produkt lze vyrobit využitím „mokrého procesu“. Pokusy dosáhnout podobných vlastností přidáním drcené pryže nebo prášku a dalších aditiv neukázaly dosud uspokojivé výsledky. Jedním z důvodu je již zmiňovaná nízká viskozita asfaltového pojiva v důsledku nevhodné (tedy nízké) teploty, která je pro reakci mezi pryží a asfaltem nezbytná. K bobtnání dochází v rozmezí teplot 170 °C až 200 °C. Omezení teploty na hodnou 170 °C (viz výše uvedený požadavek v předpisu E GmB A) je tedy nelogické. Dalším požadavkem je reakční doba, která v závislosti na složení použitého silničního asfaltu může trvat i několik hodin. Rovněž v tomto případě předpisem stanovená doba v délce 1 hodiny je naprosto nedostatečná.

Bohužel jsou k dispozici data z řady staveb, kde nebylo splněno očekávání z hlediska kvality asfaltové vrstvy a délky její životnosti. Tato skutečnost vedla k nutnosti předčasné opravy, což znamená jednak nehospodárné vynaložení veřejných financí, současně však vede i ke skepsi při používání pryží modifikovaných směsí.

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. Profesor Giese a jeho tým dospěli k následujícím poznatkům:

  1. Strukturální podobnost mezi asfaltem a částečkami pryže je ideální.
  2. 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).
  3. Zvýšení teploty na úroveň 200 °C urychlí degradační reakci částeček pryže. Tato reakce probíhá v souladu se zákony kinetiky nikoli lineárně, nýbrž exponenciálně. Tzn., že zvýšení teploty o 10 °C znamená zdvojnásobení rychlosti reakce.
  4. Lze předpokládat, že ani charakteristika bobtnání neprobíhá s největší pravděpodobností lineárně.
  5. Při vyšších teplotách přispívají k vyššímu bobtnání i vylučované reakční a štěpící prvky.
  6. Termogravimetrická měření ukázala, že k poškození polymerů dochází teprve při teplotách > 250 °C.


Laboratorní studie a zkušenosti

Dobré praktické zkušenosti jsou samozřejmě základem pro široké použití výrobku nebo technologie. Dobré je, pokud jsou praktické zkušenosti doplněny výsledky laboratorního ověřování, které provádí nezávislé laboratoře. V Německu např. Institut Dr. Gauera prováděl na základě projektu, který zadala státní správa Spolkové republiky Německo, porovnání výsledků různých pryží modifikovaných pojiv i pryží modifikovaných asfaltových směsí. V rámci projektu byly ověřovány různé výrobky, které svými vlastnostmi plně odpovídaly požadavkům výše zmiňovaných předpisů. Na ověřovaných výrobcích byly prováděny následující zkoušky:

  • Měření viskozity v závislosti na teplotě, a to jak na přístroji DSR, tak i s použitím ručního viskozimetru Haake. Výsledky ukázaly, že ruční měření na rotačním viskozimetru umožňuje získat rychle a jednoduše hodnotu viskozity. Současně bylo prokázáno, že oběma způsoby byla naměřena maximální viskozita, která odpovídá požadavkům v předpisu TL RmB-StB By.
  • měření s použitím metody BTSV na přístroji DSR. Ve srovnání s „historickým způsobem“ měřením bodu měknutí lze komplexní pryží modifikovaná pojiva touto metodou lépe charakterizovat.

Z dosažených výsledků vyplývá, že:

  • Pro označení účinného stupně modifikace lze odvodit, že vyšší stupeň modifikace (účinné množství otevřených polymerů) vede k růstu komplexního modulu G*.
  • Rostoucí účinnost modifikace lze charakterizovat snižováním hodnoty úhlu fázového posunu ð.


Shrnutí

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“. K této skutečnosti přispívá mimo jiné i ne zcela jednoznačná formulace požadavků v platných předpisech.

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. Praktické zkušenosti ukázaly, že využití přidávání drcené pryže nebo pryžového granulátu při výrobě asfaltové směsi s využitím různých přísad, aditiv nebo vláken, nevede ke kvalitativně srovnatelným výsledkům. Lze předpokládat, že různými technologickými postupy je možné dosáhnout v omezené míře dobrých výsledků. Technicky funkční a stabilní chemicko-fyzikální modifikace lze však dosáhnout jen s využitím procesu předreagování směsi pryže a asfaltu. Viskozita a odolnost proti stárnutí, docílené tímto postupem tak nejsou srovnatelné s jiným pryží modifikovaným výrobkem.

Pro další využití tohoto typu asfaltovém pojiva se ukazuje jako nezbytné, aby platné předpisy byly zrevidovány a jejich obsah odpovídal aktuální úrovni technických i praktických znalostí.

Zpracoval: Ing. Václav Valentin

Literatura:
[1] Reiter R. Gummimodifikation: Eine Einordnung. Asphalt & Bitumen 2022, v. 5, p. 34–41.
[2] Hallmark-Haack B. Understanding the Principles for Storage Stability in Ground Tire Rubber Modified Binder. 59th Petersen Asphalt Research Conference, Laramie, USA, 2022.