V prosinci 2019 byly dokončeny dva francouzské výzkumné projekty (MURE a IMPROVMURE) zabývající se vlastnostmi a použitím asfaltových směsí s R-materiálem. Zaměřily se hlavně na směsi s vyšším podílem R-materiálu, na vícenásobnou recyklaci a na nízkoteplotní směsi.
Projekt MURE
Tento rozsáhlý národní výzkumný projekt PN MURE (Projet National) zabývající se kromě jiného vícenásobnou recyklací (Multiple recycling) asfaltových směsí probíhal od roku 2015. Do projektu se zapojilo 35 partnerů, mezi nimi několik předních francouzských silničních firem jako Colas a Eurovia, výrobci asfaltů, např. Nynas a Total, výrobci různých přísad jako Kraton a Arizona Chemical, výzkumníci z několika organizací, např. Cerema a Ifsttar, státní silniční správa v několika regionech (departementech), soukromá firma Cofiroute, která spravuje ve Francii více než 1 200 km dálnic a francouzské silničářské sdružení Routes de France (účastníky projektu lze najít na https://www.pnMURE.fr/programme/partenariat-projet-national/). Celková cena projektu MURE byla 2,4 milionů eur.
Jedna část projektu byla zaměřena na zkoušení vlastností materiálů a vliv vícenásobné recyklace. Druhá část se zabývala realizací a sledováním 9 vybraných staveb na vozovkách v různých oblastech Francie. Především byly realizovány laboratorní zkoušky asfaltových směsí se 40 % R-materiálu. Tyto směsi byly použity na 5 sledovaných stavbách. V menším rozsahu byly zkoumány asfaltové směsi se 70 % R-materiálu. Ty byly aplikovány na 3 stavbách. Referenční směs byla se silničním asfaltem 35/50. Při dávkování 40 % R-materiálu byl použit asfalt 50/70. Při dávkování 70 % R-materiálu byl použit asfalt 70/100. Na jedné stavbě (Arsac, komunikace RD 121) bylo dávkování R-materiálu 50 % a na jedné ze sekcí této stavby byl též použit rejuvenátor. Na 3 stavbách byly asfaltové směsi s R-materiálem vyráběny za horka a na 6 stavbách byly použity nízkoteplotní směsi. Základní přehled o projektu MURE je uveden ve članku [1].
Na třech vybraných stavbách bylo postupováno následujícím způsobem. Stavba byla rozdělena na 4 sekce po 100 metrech délky. Byly provedeny 3 fáze pokládky a údržby obrusné vrstvy vozovky tloušťky 80 mm. Asfaltové směsi obrusné vrstvy z těchto sekcí označeny byly jako E0, E1, E2 a E3. R-materiál z asfaltových vozovek se ve Francii nazývá Agrégat d´enrobé (množné číslo Agrégats d´enrobés) a označuje se zkratkou AE. Proto bylo označení R-materiálu v projektu AE0, AE1 a AE2.
V první etapě prací byla položena obrusná vrstva v tloušťce 80 mm. Na první stometrové sekci úseku byla realizována referenční směs E0, neobsahující R-materiál. Na dalších 300 met-
rech byla položena asfaltová směs se 40 % R-materiálu ze skládek na obalovně, označeného AE0. Po určité době provozu na zkušebním úseku byla ve druhé etapě experimentu odfrézována vozovka ve třetí a čtvrté sekci do hloubky 60 mm. Bylo postupováno tak, aby se získal R-materiál zrnitosti obdobné jako u frakce kameniva 0/10.
Okolo 120 tun odfrézovaného R-materiálu bylo následně zrychleným způsobem zestárnuto tak, aby vlastnosti pojiva po tomto zestárnutí byly obdobné jako u pojiva R-materiálu ze skládek (tj. R-materiálu AE0). Tento R-materiál byl označen jako AE1. Přidal se v množství 40 % nebo 70 % do směsi, která byla označena E2. Takto vyrobená směs byla položena na třetí a čtvrtou sekci. V další etapě experimentu se odfrézovala vozovka jen ve čtvrté sekci. Získaný R-materiál se znovu zrychleně zestárnul. Tím vznikl R-materiál označený AE2. Ten se přidal v množství 40 % nebo 70 % do asfaltové směsi označené E3 a položené na čtvrtou sekci. Tím vznikl zkušební úsek, ve kterém každá jeho stometrová sekce odpovídala jedné etapě vícenásobného použití R-materiálu. Ze všech etap byly odebírány vzorky pro laboratorní zkoušky.
Obtížným úkolem bylo zajištění zrychleného stárnutí 100 až 150 tun R-materiálu, které by umožnilo docílit zestárnutí pojiva odpovídající 10 letům provozu v poměrně krátké době určené pro provedení experimentů. Nejprve bylo zkoušeno zrychlené zestárnutí ohřevem při opakovaném průchodu R-materiálu paralelním bubnem na obalovně. Ukázalo se však, že zestárnutí po 3 průchodech bubnem bylo menší než zestárnutí pojiva při laboratorní zkoušce stárnutí asfaltové směsi metodou RILEM. (Stárnutí metodou RILEM je jednou ze tří metod v návrhu
ČSN EN 12697-52 Oxidativní stárnutí. Provádí se na volně rozprostřených směsích při teplotě 85 °C po dobu 9 dnů). Poměrně malé zestárnutí pojiva po průchodu paralelním bubnem na obalovně je ilustrováno v tabulce 1 s výsledky zkoušek penetrace a bodu měknutí pojiva.
Proto bylo rozhodnuto pro zrychlené zestárnutí pojiva použít recyklér Wirtgen HM 4500 s tepelnými panely pro recyklaci za horka. Odfrézovaný materiál byl na ploše skládky rozprostřen bez hutnění v tloušťce 40 mm. Stroj po něm opakovaně přejel rychlostí několik metrů za vteřinu. Po každém přejezdu byl R-materiál naložen nakladačem na korbu kamionu a poté nasypán do finišeru, kterým byl znovu rozprostřen. Teplota uvnitř vrstvy byla cca 80 °C až 90° C. Přímo na povrchu vrstvy byla sice teplota 180 °C až 200 °C, ale předpokládalo se, že při krátké době expozice bude více zestárlý asfalt na povrchu vrstvy jen malou částí celkového množství R-materiálu. Tento postup se osvědčil. Pouze na jedné stavbě se stalo to, že při ohřevu došlo ke spečení zrn R-materiálu, takže musel být před novým použitím do asfaltové směsi předrcen. Laboratorní zkoušky potvrdily, že takto zestárlé pojivo v R-materiálu má obdobné vlastnosti jako při laboratorní zkoušce metodou RILEM. Příklad výsledků je v tabulce 2. Tento náročný postup bylo možné použít pouze na 3 stavbách. Na ostatních 6 stavbách bylo provedeno jen porovnání směsí E0 a E1.
Koeficient stárnutí ICO byl stanoven ze zkoušek infračervenou spektrometrií metodou, která byla navržena a ověřena v rámci projektu MURE.
Velký význam pro vlastnosti asfaltových směsí s R-materiálem má to, zda se podaří dobře homogenizovat zestárlé pojivo R-materiálu s novým asfaltem. Pro ověření toho se v projektu používala metoda navržená firmou Eurovia. Metodou se podrobně zabýval Navaro ve své dizertační práci [2]. Pojivo se ze směsi s R-materiálem získává postupným rozpouštěním. Během něho se odebere 10 vzorků. První pochází z povrchu asfaltového pojiva a poslední je z pojiva přímo u povrchu zrn kameniva. Vzorky se pak analizují ve spektrometru a u každého se stanoví tzv. karbonylový index. Je-li zestárlé a nové pojivo dobře homogenizované, jsou rozdíly mezi výsledky jednotlivých vzorků malé. U asfaltových směsí s obsahem R-materiálu 40 % bylo vždy dosaženo dobré homogenizace zestárlého a nového pojiva. Při laboratorních zkouškách asfaltových směsí se 40 % R-materiálu metodami dle evropských norem nebyly zjištěny významné rozdíly mezi směsmi vyráběnými za horka a nízkoteplotními směsmi.
U směsí se 70 % R-materiálu již mohou být problémy s nehomogenitou. Záleží to na kromě jiného na dávkování R-materiálu na obalovně. V rámci projektu MURE byly směsi se 70 % R-materiálu vyráběny jen na jedné obalovně. Ta byla vybavena paralelním bubnem. Při laboratorních zkouškách nebyl zjištěn významný rozdíl mezi vlastnostmi směsí s R-materiálem a bez něho. Chování všech staveb do dokončení projektu bylo vesměs dobré. První tři stavby projektu MURE byly realizovány na podzim 2015, takže jejich stáří na konci projektu bylo jen 4 roky. Další stavby byly v roce 2016 a poslední v roce 2018. Teprve dlouhodobé sledování ukáže, zda se časem projeví mezi různými směsmi a použitými technologiemi nějaké rozdíly. Dlouhodobé sledování všech staveb zahrnutých do projektu MURE bude zajišťovat státní výzkumná organizace Cerema (zabývající se místním rozvojem, dopravní a environmentální problematikou). Předpokládá se, že provedené obrusné vrstvy budou mít životnost vyšší než 10 let.
Hodnosení projektu MURE ze strany zástupců investora na sledovaných 9 stavbách je uvedeno v čísle 968 RGRA včetně podrobnějších informací o jednotlivých stavbách a získaných zkušenostech. Celkové hodnocení investorů bylo pozitivní. Dle mínění dvou z nich se ukázalo, že realizace směsí se 40 % R-materiálu je sice možná, ovšem v některých oblastech může být pro toto dávkování nedostatek R-materiálu.
Projektu MURE se zúčastnili výzkumníci z 9 firem a organizací. Jejich společný příspěvek [3] se zabývá výsledky zkoušek asfaltových směsí při vícenásobné recyklaci. Ukázalo se, že všechny směsi vyhověly požadavkům francouzských norem. Některé výsledky porovnání laboratorních zkoušek odpovídaly předpokladům. Například moduly tuhosti po vícenásobné recyklaci byly vyšší než u směsi bez R-materiálu a hloubka kolejí (při zkoušce na velkém kole dle EN 12697-22 při teplotě 60 °C) byla menší (obrázky 1 a 2).
Při zkoušce odolnosti proti únavě při zkoušce na komolém klínu (2PB-TZ) vyhodnocené standardním způsobem (tj. kritériem porušení je pokles tuhosti na 50 % počáteční hodnoty) byla po vícenásobné recyklaci hodnota únavové charakteristiky e6 vyšší než na referenční směsi. (Sklon únavové přímky nebyl v tabulkách v literatuře [3] uveden). Obvykle se předpokládá, že stárnutím se odolnost směsi proti únavě zhoršuje, protože materiál je tužší a křehčí. Nemusí tomu tak být vždy. Ukazují to například zkoušky provedené v [4]. Vliv stárnutí na odolnost proti únavě byl komentován v [5]. Proto zde již není tato otázka znovu popisována.
Vícenásobná recyklace se stává aktuálním tématem. Proto je důležité, že dosavadní zkušenosti získané v projektu MURE jsou pozitivní. Vícenásobnou recyklací se též zabývali v ČR výzkumníci z ČVUT. Jejich výsledky byly prezentovány například na konferenci Recycling 2016 [6]. Potvrdilo se, že vícenásobná recyklace je možná. Ovšem bude třeba ještě dalších ověřování a také upřesnění toho, jak velké dávkování R-materiálu bude při tomto postupu přípustné.
Projekt IMPROVMURE
Akronym projektu je zkratkou pro název „Innovation en Materiaux et Procedés pour la Valorisation du Multi-Recyclage des Enrobés“, tj. inovace materiálů a postupů pro valorizaci vícenásobné recyklace asfaltových směsí. Celková částka 2,3 milionu eur byla poskytnuta Národní výzkumnou agenturou (ANR − Agence nationale de la recherche). Náplň a některé výsledky projektu IMPROVMURE jsou popsány v [7] autorů z vysokých škol a specialisty z firmy Eiffage, která byla koordinátorem tohoto výzkumu. Mezi členy týmu byl také známý profesor H. Benedetto z Univerzity v Lyonu. Zkoušeny byly asfaltové směsi použité v projektu MURE.
Projekt IMPROVMURE byl zaměřen na zkoumání vztahu mezi zestárlým a novým pojivem a dopadem na vlastnosti asfaltových směsí. K tomu byly použity složité metody analýzy viskoelastického chování asfaltových směsí. Z měření modulů při několika frekvencích a teplotách byly sestrojeny hlavní křivky metodou 2S2P1D, navrženou na Univerzitě v Lyonu (ENTPE) a křivka modulů v diagramu Cole-Cole. Dále byly provedeny ochlazovací zkoušky dle normy EN 12697-46 s rovnoměrným řízeným poklesem teploty (TSRST) pro stanovení minimální teploty, kterou je asfaltová směs schopná snést před porušením. Kromě zkoušek dle EN byly provedeny i zkoušky šíření trhlin na trámku se zářezem uprostřed rozpětí čtyřbodovým ohybem metodou navrženou na ENTPE. Ukázalo se, že směsi s R-materiálem i při vícenásobné recyklaci mají obdobné vlastnosti jako referenční směs bez recyklátu. U nízkoteplotních směsí došlo pouze k mírnému zhoršení odolnosti proti vodě, ale výsledky stále vyhovovaly požadavkům francouzských předpisů.
Součástí projektu bylo též sledování vlivu na životní prostředí vyluhovací zkouškou (která byla v ČR zavedena v roce 2015 normou ČSN P CEN/TS 16637-2 Posuzování uvolňování nebezpečných látek – Část 2: Horizontální dynamická zkouška vyluhováním z povrchu) a analýzou emisí při laboratorní výrobě asfaltových směsí. Množství vyloužených látek po 64 dnech bylo velmi malé.
Výpary vznikající při výrobě asfaltových směsí v laboratoři byly sledovány na zařízení, které je v laboratoři výzkumné organizace IFSTTAR. Bylo sledováno celkové množství organických látek a obsah polycyklických aromatických uhlovodíků při výrobě asfaltové směsi s R-materiálem a bez něho s pojivem 35/50 pří teplotě 160 °C a 140 °C. Podíl R-materiálu a etapa vícenásobného použití měly jen malý vliv. Rozhodující byl vliv teploty. Při teplotě 140 °C bylo množství výparů o cca 30 % menší než při teplotě 160 °C.
V literatuře se většinou předpokládá, že snížení teploty při výrobě o 20 °C vede k větší redukci emisí. V citovaném článku ani na webové stránce projektu MURE nebyly k tomu podrobnější informace. Bohužel měření výparů na stavbách projektu MURE nemohlo být realizováno. (Měření na různých stavbách ve Francii provádí již několik let výzkumná organizace INSR. Podle informace na semináři k projektu MURE v únoru 2020 v Toulouse je plánován letos článek o těchto měřeních v časopise INSR.) Za zmínku stojí, že v pracovní skupině EAPA pro výpary z asfaltových směsí (TF Fumes) se na jednání v dubnu 2020 dohodlo, že předseda pracovní skupiny B. Gomez kontaktuje francouzského výzkumníka V. Gaudefroy z IFSTTAR, (který se problematikou emisí z asfaltových směsí v rámci projektu IMPROVMURE zabýval) a pokusí se získat k tomu další informace.
Součástí projektu IMPROVMURE bylo i hodnocení homogenity pojiva v asfaltových směsích s R-materiálem novou metodou nazvanou Chemomap. V článku [8] je metoda popsána a provedeno její porovnání s metodu postupné extrakce navrženou Eurovia.
Závěr
Sloganem projektu MURE byla věta „Asfaltové směsi a kočky mají mnoho životů. U asfaltových směsí to bylo prokázáno“. Úspěšné dokončení projektu a řada nových poznatků o chování asfaltových směsí dokládá oprávněnost zvoleného sloganu. Po ukončení projektu v roce 2019 byl v únoru 2020 uspořádán v Toulouse seminář o jeho výsledcích. Jednotlivé prezentace z tohoto semináře jsou uvedeny na https://www.pnMURE.fr/la-route-MURE-pour-le-recyclage-les-presentations-sont-en-ligne/.
Je však třeba připomenout, že teprve dlouhodobé sledování ukáže, zda mají směsi s vyšším obsahem R-materiálu stejnou životnost jako směsi bez R-materiálu. Na tuto skutečnost bylo upozorněno na semináři Journées techniques Routes v únoru 2020 v příspěvku [9].
Ing. Jiří Fiedler
Literatura
[1] Leroy Ch. et al. Le projet national MURE: réalisation et consequences. RGRA 2019, No. 968, p. 24−30.
[2] Navaro J. Cinétique de mélange des enrobés recyclés et influence sur les performances mécaniques. Thèse de doctorat 2011.
[3] Dony A., Pouget S., Nicolaï A. et al. Multirecyclage des enrobés : Application de la méthode
de formulation des enrobés, RGRA 2019, No. 968, p. 41−49.
[4] Isailović I., Wistuba M. P. Sweep test protocol for fatigue evaluation of asphalt mixtures.
Road Materials and Pavement Design 2017, p. 1−14. http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/
14680629.2018.1438305.
[5] Fiedler J. Funkční vlastnosti asfaltových směsí a navrhování vozovek, Silnice mosty 2020, č. 1,
s. 43−46.
[6] Valentin J., Kotoušová A., Valentová T. Ověření charakteristik asfaltových směsí s využitím vícenásobné recyklace. Sborník konference Recycling 2016, str. 70–77. http://www.arsm.cz/dok/Sbornik_RECYCLING_2016.pdf
[7] Pouget S., Marsac P., Pedraza A. et al. Caractérisation avancée des enrobés multirecyclés. RGRA 2019, No. 968, p. 54–65.
[8] Vassaux S., Gaudefroy V., Boulangé L. et al. Homogeneité des liants bitumineux dans les enrobés incorporant des AE, Méthode de qualification Chemomap. RGRA 2019, No. 968, p. 66−73.
[9] Delfosse F. Approche méthodologique pour la formulation d´enrobés bitumineux à chaud
à fort taux d´agrégats d´enrobés, JRT 2020. https://jtr.ifsttar.fr/interventions/