Emulsje asfaltowe i ich funkcje w drogownictwie

• Strona główna
• Artykuły
• Emulsje asfaltowe i ich funkcje w drogownictwie

2018-07-09  / Autor: Grzegorz Nieradka Zastępca koordynatora projektu ds. technicznych Flukar Sp. z o.o.

O jaki produkt chodzi?

Emulsja asfaltowa jest dyspersją stałych cząstek asfaltu w wodzie, o niejednorodnym układzie składającym się z co najmniej dwóch nie mieszających się cieczy, silnie zdyspergowanych jedna w drugiej. Podstawowy skład emulsji asfaltowej zawiera od 40% do 75% bituminu, od 0,1% do 2,5% emulgatora i od 25% do 60% wody. Celem zapobieżenia rozdzieleniu się cieczy stosuje się związek powierzchniowo czynny, tzw. emulgator.

Cząstki rozproszonego asfaltu mają od 0,1 do 20 mikronów średnicy. Podczas produkcji otrzymują odpowiedni ładunek elektryczny. Dzięki odpychającym siłom elektrostatycznym stabilność emulsji ulega znacznej poprawie, co umożliwia jej długotrwałe magazynowanie. Emulsje asfaltowe można podzielić ze względu na rodzaj fazy rozpraszanej i rozpraszającej, zawartość asfaltu, szybkość rozpadu, rodzaj lepiszcza i dodatków. Ze względu na bardzo dobre właściwości przyczepności do kruszyw, praktyczne zastosowanie w drogownictwie mają emulsje kationowe.

Wytwarzanie emulsji asfaltowej jest procesem polegającym na rozdrobnieniu asfaltu w fazie wodnej w postaci małych cząstek. Zamierzony efekt uzyskuje się dzięki włożeniu dużej energii mechanicznej przy jednoczesnym zastosowaniu emulgatora. Emulgator  spełnia  w  emulsji  asfaltowej trzy podstawowe funkcje:

• obniża napięcie powierzchniowe między dwiema fazami, tj. wodą i asfaltem,
• stabilizuje emulsję,
• poprawia przyczepność.

Podczas stosowania emulsji asfaltowej następuje jej rozpad z rozdzieleniem na fazę asfaltową i wodną. Asfalt zaczyna wówczas pełnić właściwą rolę lepiszcza, a wydzielona z rozpadu emulsji woda odparowuje z mieszanki mineralno-asfaltowej, bądź ze skropionego emulsją podłoża.

Rodzaje technologii emulsyjnych

Istnieje wiele rodzajów technologii emulsyjnych. Najstarszym i najprostszym sposobem jest wykonanie skropienia nawierzchni emulsją asfaltową i posypanie jej odpowiednim grysem. Zmechanizowanie tych prac uzyskano poprzez wprowadzenie remonterów, czyli urządzeń zaopatrzonych w dwukomorowy zasobnik kruszywa, zbiornik na emulsję, sprężarkę powietrza, system podgrzewania emulsji i kruszywa oraz wysięgnik.

Prawidłowe wykonanie naprawy wykonuje się  oczyszczając miejsce uszkodzenia sprężonym powietrzem, skrapiając je emulsją pod ciśnieniem, wprowadzając grys otoczony emulsją i posypując miejsca naprawy suchym grysem. Zaletą takiej technologii jest bardzo dobra jakość naprawy wykonanej otoczonym grysem, wysoka wydajność i oszczędność materiałów oraz natychmiastowa gotowość sprzętu do pracy i jego duża mobilność.

Drugim rodzajem technologii emulsyjnych jest powierzchniowe utrwalanie dróg, którego celem jest powstanie szorstkiej warstwy ścieralnej, uszczelnienie nawierzchni i powstrzymanie jej destrukcji oraz poprawienie estetyki drogi i uzyskanie jednolitego  wyglądu nawierzchni. Proces ten realizuje się poprzez skropienie uszorstnionej powierzchni emulsją asfaltową, posypanie kruszywem i wałowanie. Wykonana w ten sposób nawierzchnia może być jedno-, dwu- lub trójwarstwowa.

Nawierzchnia jednowarstwowa  jest szybką i ekonomiczną metodą konserwacji, odnowy i uszorstnienia. Najlepsze efekty uzyskuje się z zastosowaniem szybkorozpadowej emulsji kationowej i grysów frakcji 5-8  mm otrzymanych z twardych skał. Nawierzchnia dwuwarstwowa stosowana jest na drogach o znacznie większym obciążeniu ruchem. Technologia wykonania rozbudowana jest o wykonanie na pierwszej warstwie warstwy dodatkowej z drobniejszego kruszywa, po wcześniejszym ponownym skropieniu odpowiednią ilością emulsji. Nawierzchnia trójwarstwowa jest metodą podobną do pozostałych, z tym, że warstwę spodnią wykonuje się z grubszego kruszywa, natomiast  do pozostałych dwóch warstw używa się mniejszej ilości drobnego kruszywa niż w metodzie dwuwarstwowej.

Ostatnim opisanym tutaj rodzajem technologii emulsyjnej jest zabieg wykonania „cienkich warstw asfaltowych na zimno”. Ogólna nazwa tej technologii wywodzi się z terminologii angielskiej slurry surfacing. Mieszanka jest wytwarzana i wbudowywana na miejscu. Proces wytwarzania cienkiej warstwy na zimno jest  skomplikowany. W trakcie mieszania składników zachodzą różnorodne reakcje chemiczne i fizyko-chemiczne rozpadu emulsji i powstania cienkiej warstwy asfaltowej o dobrej adhezji, kohezji oraz szorstkości. Cienkie warstwy asfaltowe na zimno stosowane są w pracach utrzymaniowych, przy rekonstrukcji oraz przy budowie nowych dróg. Zastosowanie tej technologii pozwala na ulepszenie tekstury i poprawę szorstkości, poprawę równości i wypełnienie kolein oraz uszczelnienie lekko spękanych powierzchni, a w przypadku nowych dróg – wykonanie tzw. warstwy ścieralnej. Cienkie warstwy na zimno mogą być układane na wszelkiego rodzaju nawierzchniach, zarówno podatnych, jak i sztywnych. Minimalna  grubość stosowana w praktyce wynosi około 1 cm.

Osobną grupą wyrobów wykorzystywaną do drobnych robót nawierzchniowych, wymagającą omówienia, są mieszanki mineralno-asfaltowe na zimno.

Mieszanki z emulsją asfaltową służą do uzupełniania ubytków  uszkodzonych nawierzchni lub usuwania skutków przekopów. Mieszanka jest szczelnie pakowana, co pozwala na jej długotrwale składowanie. Specjalnie  dobrany skład  gwarantuje natomiast odpowiednie zachowanie się mieszanki w trakcie wbudowania. Po nałożeniu warstwy o grubości ok. 5 cm należy mieszankę ubić. Z każdym następnym nałożeniem kolejne warstwy ponownie trzeba ubić. Po zapełnieniu całego wgłębienia powierzchni wystarczy ją wyrównać i zagęścić wibratorem powierzchniowym.

Rozwój technologii emulsyjnych

Drogownictwo jest branżą interdyscyplinarną, w której zaawansowana wiedza z zakresu budownictwa, fizykochemii, materiałoznawstwa i innych nauk wymusza współpracę co najmniej kilku sektorów. Przykładowo w firmie Flukar realizujemy przedsięwzięcie, którego podstawowym celem jest demonstracja innowacyjnej technologii wytwarzania emulsji asfaltowych modyfikowanych nanostrukturami z polimerów odpadowych, charakteryzujących się lepszymi parametrami wytrzymałościowo-szczepnymi w stosunku do obecnie stosowanych w drogownictwie.

Zaproponowane rozwiązania zakładają współdziałanie czterech węzłów technologicznych: produkcji asfaltu zmodyfikowanego, produkcji nanowłókien, upłynniania, oczyszczania i modyfikacji polimerów odpadowych oraz produkcji emulsji.

Wprowadzenie nanowłókien polimerowych do końcowego etapu produkcji emulsji asfaltowej winno przyczynić się do wzrostu odporności niskotemperaturowej, która jest jedną z głównych przyczyn odspojenia głównych warstw nawierzchni drogowej oraz do poprawy właściwości mechaniczno-sprężystych w kierunku wzdłużnym i poprzecznym. Przewiduje się, że w wyniku wdrożenia nowego sposobu wytwarzania emulsji asfaltowej modyfikowanej recyklatem polimerowym i nanonapełniaczami mineralnymi (montmorylonit MMT i nanokrzemionka) nastąpi wydłużenie cyklu życia nawierzchni asfaltowej i poprawa bezpieczeństwa ruchu drogowego.

Czynniki determinujące wybór lepiszcza dla nanoemulsji asfaltowej

Jak już zaznaczono na wstępie, głównym składnikiem emulsji asfaltowej jest lepiszcze, które stanowiąc największy udział w gotowym produkcie determinuje jego właściwości. Dlatego tak istotny w procesie wytwarzania emulsji jest odpowiedni wybór lepiszcza asfaltowego. Różnorodność klas emulsji asfaltowych i szereg konfigurowalnych możliwości ich stosowania uniemożliwia wskazanie jednego uniwersalnego rodzaju asfaltu do jej produkcji. Emulsje asfaltowe wykorzystywane są przy budowie i remontach dróg wszystkich kategorii ruchu, zwłaszcza tam, gdzie nie ma możliwości wyznaczenia objazdów, a trzeba wznowić ruch drogowy w krótkim czasie po wykonaniu naprawy. Stosowane są także wówczas, gdy wykonawcy robót zależy na poprawie właściwości użytkowych nawierzchni, a więc zwiększeniu żywotności drogi bez stosunkowo wysokich kosztów. Emulsji asfaltowych używa się również do niżej położonych warstw konstrukcji na tych drogach, które utraciły swoją nośność oraz w miejscach, w których należy skutecznie połączyć wcześniej wybudowaną nawierzchnię z tą nowopowstającą.

W Polsce emulsje asfaltowe wykorzystuje się obecnie najczęściej do wykonania połączeń międzywarstwowych. Trzeba podkreślić, że do produkcji emulsji asfaltowej należy dobierać rodzaje asfaltów pod kątem konkretnej technologii drogowej. Dla połączeń międzywarstwowych głównymi czynnikami emulsji są:

• 1.A - czynnik szczepności pomiędzy poszczególnymi warstwami - powoduje, że konstrukcja nie pracuje jako „całość”. W konsekwencji prowadzi do uszkodzeń nawierzchni i utraty jej trwałości, co obecnie jest nieakceptowalne, choćby ze względu wydłużone okresy udzielanej przez wykonawcę gwarancji.
• 1.B - czynnik wszechstronności emulsji asfaltowej i możliwości jej wykorzystania do różnych technologii drogowych - jedna emulsja wiele zastosowań. 
• 1.C - czynnik wrażliwości temperaturowej po rozpadzie emulsji - zachowanie optymalnych właściwości szczepnych w jak najszerszym zakresie temperaturowym.
• 1.D - czynnik stabilności okresowej - możliwość długotrwałego przechowywania.

Czynniki od 1.A do 1.C można uznać za główne determinanty doboru lepiszcza do produkcji emulsji asfaltowej, jednakże oparcie się tylko na czterech kryteriach nie daje możliwości dokonania pełnej analizy. Z tego powodu uwzględniono dodatkowe kryteria, które mają na celu wskazanie optymalnego rodzaju lepiszcza oferującego najszersze możliwości wykorzystania. Dodatkowe kryteria analizowano w oparciu o następujące czynniki:

• 2.A - czynnik modyfikacji polimerami w optymalnym zakresie temperaturowym pracy lepiszcza.
• 2.B - czynnik jakościowy asfaltu - obejmujący wyniki w poszczególnych badaniach.  
• 2.C - czynnik bezpieczeństwa dostaw - zapewnienie stałych dostaw o porównywalnych parametrach jakościowych.
• 2.D - czynnik ekonomiczny - cena zakupu surowca.

LIFE EMU NEW. Ekologiczne emulsje asfaltowe

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 3/2018 DWUMIESIĘCZNIKA "CHEMIA I BIZNES". ZAPRASZAMY.

chemia budowlanabadania i rozwójFlukaremulsje asfaltowe