PENASTI BITUMEN U RECIKLAŽI ASFALTNIH KOLOVOZNIH KONSTRUKCIJA

Transcription

1 PENASTI BITUMEN U RECIKLAŽI ASFALTNIH KOLOVOZNIH KONSTRUKCIJA Miomir Miljković 1 Rezime: Reciklaža asfaltnih kolovoznih konstrukcija uz primenu penastog bitumena, sa aspekta životne sredine ima mnogobrojne prednosti. Ekonomski, tehnološki, i zakonski razlozi dovode do toga da je hladna reciklaža sve zastupljenija kao raspoloživo rešenje pri donošenju odluka u upravljanju kolovoznim konstrukcijama. Penasti bitumen nastaje ubrizgavanjem malih količina vode u vruć bitumen čime dolazi do njegovog naglog širenja i smanjenja viskoziteta. Osnovne osobine penastog bitumena su ekspanzija i poluživot. Određivanje optimalne količine vode koju treba dodati bitumenu i optimalne količine bitumena u mešavini zahteva relativno jednostavnu i dostupnu opremu. Osnovni deo savremenih mašina za reciklažu (risajklera) je reciklažna komora u kojoj se odvija sam postupak mlevenja materijala postojeće kolovozne konstrukcije i mešanje sa penastim bitumenom i eventualno cementnim muljem. Širom sveta su razvijeni različiti modeli mašina velikog kapaciteta čime je omogućeno izvođenje radova za kratak vremenski period uz obezbeđenje visokog nivoa kvaliteta. Ključne reči: hladna reciklaža, asfaltne kolovozne konstrukcije, stabilizacija, penasti bitumen Abstract: Cold in-place recycling of asphalt pavements with application of foamed bitumen as a binder has many advantages in respect to the environment. Economical, technological, and legal reasons promoted cold recycling as an available solution in pavement management. Foamed bitumen is made by injecting small quantities of water into hot bitumen that leads to its abrupt expansion and reduction of viscosity. Basic properties of foamed bitumen are expansion and half life. Determination of an optimum quantity of water to be added to bitumen and optimum quantity of bitumen in mix requires relatively simple and available equipment. Main part of modern recycling machines (recyclers) is recycling chamber in which the very process of milling of existing pavement material and mixing with foamed bitumen and optionally cement slurry is done. Worldwide, different models of machines were developed that enabled realization of works in a short period of time with assurance of high quality level. Keywords: cold recycling, asphalt pavements, stabilization, foamed bitumen 1 Dipl. inž. građ., saradnik u nastavi, Građevinsko arhitektonski fakultet Univerziteta u Nišu 118

2 1 UVOD Može se reći da je bezbedna i efikasna kolovozna konstrukcija ona koja je u skladu sa životnom sredinom i odgovara zahtevima današnjih korisnika ne dovodeći u pitanje potrebe budućih generacija. Sa aspekta životne sredine, reciklaža asfaltnih kolovoznih konstrukcija uz primenu penastog bitumena ima sledeće prednosti: 1. optimizacija korišćenja prirodnih resursa i smanjena potrošnja energije 2. smanjenje uticaja na efekat staklene bašte (smanjena emisija gasova staklene bašte) 3. poboljšanje zdravstvenih, bezbednosnih, i uslova prevencije rizika 4. obezbeđenje visokih standarda komfora korisnika Ključni razlozi koji dovode do porasta upotrebe recikliranih materijala u održavanju kolovoznih konstrukcija se mogu svrstati u tri osnovne grupe: 1. Ekonomski razlozi Ograničene količine agregata i sve veći troškovi otvaranja i eksploatacije novih nalazišta, cena sirove nafte dugoročno teži da ostane iznad 50 dolara za barel, pa je jeftina energija stvar prošlosti, i konačno, bitumen u ceni novog asfalta redovno učestvuje sa više od 50 %. 2. Razlozi u vezi sa razvojem tehnologije i opreme U poslednjem periodu je došlo do značajnijeg razvoja tehnologije i tehnike izvođenja radova na reciklaži, čemu su značajno doprineli i mnogobrojni istraživački programi iz ove oblasti. 3. Zakonski razlozi Reciklaža sve više postaje deo dostupnih rešenja pri donošenju odluka u upravljanju održavanjem kolovoznih konstrukcija, a različiti zakonski propisi je čine sve privlačnijom alternativom. Kao jedan od postupaka reciklaže, hladna reciklaža na licu mesta (Cold in place recycling, CIR) se sastoji u mlevenju asfaltnih slojeva, a vrlo često i slojeva od nevezanog materijala postojeće kolovozne konstrukcije u debljini i do oko 250 mm, koji se zatim meša da bi formirao homogen, stabilan noseći sloj. Samleveni materijal se može stabilizovati mehanički, hemijski, bitumenom, ili kombinacijom pomenutih metoda. Mehanička stabilizacija, koja se može obaviti dodavanjem drobljenog agregata, RAP a, ili drobljenog cementnog betona, poboljšava mehaničke osobine materijala isključivo poboljšanjem međusobnog uklještenja zrna agregata. Za hemijsku stabilizaciju se kao vezivo koristi kreč, cement, ili mešavina kreča i letećeg pepela i sl., dok se za stabilizaciju bitumenom koristi bitumenska emulzija ili penasti bitumen. Skraćenica RAP (Recycled Asphalt Pavement) se odnosi na reciklirani asfaltni kolovoz širom sveta prihvaćen termin za mleveni asfaltni materijal. U okviru postupka projektovanja reciklaže treba proceniti tip, obim, i učestanost oštećenja postojeće kolovozne konstrukcije. U postupku hladne reciklaže na licu mesta se u cilju dobijanja homogenog sloja od usitnjenog materijala uništava postojeća kolovozna konstrukcija, pa na neujednačenost sastava konačno dobijenog sloja utiče prisustvo velikih učestalih zakrpa na postojećem kolovozu. Na površinama gde su oštećenja rezultat nedovoljne nosivosti posteljice ili npr. visokog nivoa podzemne vode, uzroke problema bi trebalo rešiti pre obavljanja postupka reciklaže. Ovo može da zahteva otkopavanje problematičnih područja i zamenu materijala posteljice kvalitetnijim, i/ili dovođenje sistema za odvodnjavanje u funkcionalno stanje. 2 PENASTI BITUMEN Penasti bitumen se proizvodi dodavanjem malih količina vode (približno 2 do 3 % u odnosu na masu bitumena) vrućem bitumenu. Za ovaj postupak se koristi bitumen koji se i obično primenjuje u proizvodnji vrućih asfaltnih mešavina, a najčešće su to bitumeni analogni BIT 60 do BIT 200. Kada se ubrizga, voda naglo isparava, uzrokujući tako eksplozivno penušanje bitumena u zasićenoj vodenoj pari. Bitumen se na taj način širi orijentaciono 15 do 20 puta od svoje početne zapremine čime se njegov viskozitet značajno smanjuje. U tom obliku, on je izuzetno pogodan za mešanje sa hladnim agregatom. Penasti bitumen se može koristiti kao vezivo za stabilizaciju različitih vrsta agregata, počev od drobljenog kamena dobrog kvaliteta, do šljunkovitih materijala sa sadržajem čestica relativno visoke plastičnosti. Najveći uticaj na osobine procesa penušanja imaju temperatura bitumena, količina vode dodate bitumenu, i pritisak pod kojim se bitumen ubrizgava u 119

3 ekspanzionu komoru. Kod najvećeg broja mašina za reciklažu na licu mesta, ovaj proces se odigrava u pojedinačnim ekspanzionim komorama u kojima se voda ubrizgava u bitumen, čija je temperatura približno 180 ºC, a pritisak približno 500 kpa, zavisno od tehnologije. Tako proizveden na licu mesta, penasti bitumen napušta ekspanzionu komoru kroz mlaznicu. Prikaz nastajanja penastog bitumena u ekspanzionoj komori, dat je na slici 1. Napuštajući ekspanzionu komoru, sićušni mehurovi penastog bitumena sa sobom nose tanak bitumenski film koji u kontaktu sa sitnim zrnima agregata formira bitumenski malter koji obavija krupan agregat. Sadržaj šupljina u tako dobijenom sloju posle zbijanja retko prelazi 10 %. Ovaj materijal se ponaša delom kao zrnast, sposoban da primi velika naprezanja zahvaljujući međuzrnskom trenju, a delom kao viskoelastičan, sposoban da izdrži ponavljane napone zatezanja. Tipična struktura materijala stabilizovanog penastim bitumenom data je na slici 2. količine aktivnog punila (0,5 do 1,5 % mase) mogu značajno povećati zadržanu čvrstoću bez odražavanja na osobine sloja u pogledu zamora, a sa penastim bitumenom ono deluje kao katalizator disperzije. 2.1 OSOBINE PENASTOG BITUMENA Glavni parametri za određivanje kvaliteta konačno proizvedenog penastog bitumena su ekspanzija i poluživot. Ekspanzija (stepen ekspanzije) se definiše kao odnos između najveće postignute zapremine penastog bitumena i početne zapremine bitumena pre penušanja. Po pravilu, ekspanzija penastog bitumena se obično kreće u granicama od 15 do 20. Poluživot se definiše kao vreme za koje se najveća postignuta zapremina penastog bitumena smanji za 50 %, tj. za koje ekspanzija padne na polovinu vrednosti. Poluživot se izražava u sekundama i obično je u granicama od 10 do 15 s. Povećavanjem količine vode dodate bitumenu ekspanzija raste, a poluživot se smanjuje. Po pravilu, što su ekspanzija i poluživot veći, viši je i kvalitet penastog bitumena. Primer zavisnosti ekspanzije i poluživota od količine vode dodate bitumenu prikazana je na slici 3. Slika 1 - Prikaz proizvodnje penastog bitumena u ekspanzionoj komori Slika 3 - Primer dijagrama zavisnosti ekspanzije i poluživota od količine vode dodate bitumenu Slika 2 - Tipična struktura materijala stabilizovanog penastim bitumenom S obzirom da pojedini materijali stabilizovani penastim bitumenom imaju loše osobine u pogledu zadržane čvrstoće (ITS im se potapanjem u vodu smanjuje), često se praktikuje dodavanje aktivnog punila kao što je hidratisani kreč ili cement. Male 2.2 PROIZVODNJA PENASTOG BITUMENA U MAŠINAMA ZA HLADNU RECIKLAŽU NA LICU MESTA Ključni parametar važan za kvalitet penastog bitumena kao veziva je primenjena tehnologija raspršivanja. 120

4 Penasti bitumen nastaje u nizu pojedinačnih ekspanzionih komora pri čemu ga mlaznice raspršuju ravnomerno po celoj širini rada. Voda i vazduh se u ekspanzionu komoru ubrizgavaju pomoću posebnih mlaznica, a mikroprocesor kontroliše proces penušanja i količine komponentalnih materijala koje se dodaju, u zavisnosti od širine i dubine rada, brzine napredovanja i drugih činilaca. Na slici 4 je šematski prikazan sistem za proizvodnju penastog bitumena. Slika 6 - Prikaz reciklažne komore sa dovodima bitumena, cementnog mulja, i vode Slika 4 - Šematski prikaz sistema za proizvodnju penastog bitumena u mašini za reciklažu (tokovi bitumena, vode, i vazduha) Da bi se izbeglo začepljenje mlaznica bitumenom, svaka mlaznica je opremljena pneumatskim klipom koji je u toku rada periodično čisti. Mlaznice se takođe, u cilju smanjenja širine raspršivanja, a samim tim i širine mešanja, mogu potpuno zatvoriti. Reciklažni vozovi mogu biti sastavljeni različito, zavisno od načina izvođenja reciklaže i vrste primenjenog veziva. U svakom slučaju, mašina za reciklažu funkcioniše kao vučno vozilo, vukući ili gurajući opremu sa kojom je udružena. Tipičan primer reciklažnog voza za stabilizaciju penastim bitumenom je ilustrovan na slici 7. 3 IZVOĐENJE HLADNE RECIKLAŽE NA LICU MESTA Mašine za reciklažu su godinama evoluirale od modifikovanih mašina za mlevenje i stabilizaciju tla do specijalizovanih risajklera kakve imamo danas. Moderni risajkleri mogu da recikliraju debele slojeve kolovoznih konstrukcija u jednom prelazu, a opremljeni su gusenicama ili pneumaticima. Srce mašine za reciklažu je reciklažna komora u koju je smešten bubanj za mlevenje i mešanje opremljen velikim brojem specijalno konstruisanih zubaca, i u koju se direktno ubrizgavaju penasti bitumen i cementni mulj. Bubanj obično rotira na gore meljući materijal postojeće kolovozne konstrukcije kako je to prikazano na slici 6. Slika 7 - Primer reciklažnog voza za stabilizaciju uz primenu penastog bitumena i cementnog mulja Kada se penasti bitumen primenjuje zajedno sa cementnim muljem (cement slurry), u sastav reciklažnog voza ulazi i mešalica za mulj (slurry mixer) smeštena između risajklera i cisterne za snabdevanje bitumenom. U slučajevima kada se cement razastire na površinu postojećeg kolovoza u praškastom obliku ispred reciklažnog voza, cisterna za 121

5 bitumen se kreće neposredno uz risajkler, a cisterna za vodu je vodeće vozilo u okviru voza. Na slici 8 je dat prikaz načina rada jednog velikog risajklera za brzo izvođenje hladne reciklaže kolovoznih konstrukcija sa velikom širinom rada. Ovakvi risajkleri najčešće sadrže dva bubnja pokretljiva u poprečnom pravcu i jedan fiksirani bubanj čime se omogućava povećanje širine rada. Takođe, sadrže i mešalicu kojom se postiže viši kvalitet proizvedene mešavine. Određivanje optimalne količine bitumena u mešavini je takođe jednostavno i obavlja se široko rasprostranjenim uređajima prisutnim u svim laboratorijama za kolovozne konstrukcije. Širom sveta su razvijeni različiti modeli mašina za reciklažu velikih kapaciteta čiji je osnovni deo reciklažna komora u kojoj se odigrava proces mlevenja materijala postojeće kolovozne konstrukcije, ubrizgavanja penastog bitumena i cementnog mulja, i mešanje, a njihovi različiti varijeteti daju široke mogućnosti organizacije izvođenja radova. LITERATURA Slika 8 - Primer velikog risajklera za hladnu reciklažu sa dva bubnja i mešalicom 4 ZAKLJUČAK Hladna reciklaža na licu mesta uz primenu penastog bitumena je postupak održavanja kolovoznih konstrukcija koji sa aspekta životne sredine ima značajne prednosti u odnosu na konvencionalne metode održavanja primenom vrućih asfaltnih mešavina. Mnogobrojni ekonomski, tehnološki, i zakonski razlozi dovode do toga da je hladna reciklaža sve zastupljenija kao raspoloživo rešenje pri donošenju odluka u upravljanju kolovoznim konstrukcijama. Penasti bitumen je vezivo koje se dobija ubrizgavanjem vode u vruć bitumen, pri čemu ona naglo isparava stvarajući penu, pa se viskozitet bitumena naglo smanjuje, i on postaje pogodan za obavijanje zrna hladnog agregata. Za određivanje optimalne količine vode koja se dodaje bitumenu razvijana je relativno jednostavna i dostupna oprema kojom se lako simuliraju uslovi nastajanja penastog bitumena u mašinama za hladnu reciklažu. [1] Basic Asphalt Recycling Manual,, Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA), 2001., Annapolys [2] Fayat Recycling Book,, Fayat Group, 2007., Bordeaux [3] Pavement Rehabilitation Manual,, Flexible California Department of Transportation (Caltrans), 2001., Sacramento [4] Foamed Bitumen The Innovative Binding Agent for Road Construction,, Wirtgen GmbH, 2002., Windhagen [5] Hladna reciklaža na licu mesta asfaltnih kolovoznih konstrukcija uz primenu penastog bitumena kao veziva, Miomir Miljković, Put i saobraćaj, godina LV, broj 2, Društvo za puteve Srbije, 2009., Beograd, str [6] Laboratory Scale Foamed Bitumen Plant WLB 10,, Wirtgen GmbH, 2001., Windhagen [7] Rehabilitation of Heavily Trafficked Road,, Wirtgen GmbH, 2005., Windhagen [8] The Asphalt Handbook (MS 4), 7th Edition,, Asphalt Institute, 2007., Lexington [9] Wirtgen Cold Recycling Manual, 2nd Edition,, Wirtgen GmbH, 2004., Windhagen [10] Milling and Recycling (Technical paper T 127), J. Don B,rock, Jeff L. Richmond, Astec Inc., 2007., Chattanooga [11] Pavement Recycling Guidlines for State and Local Governments Participient s Reference Book (FHWA SA ), Prithvi S. Kandhal, Rajib B. Mallick, Federal Highway Administration (FHWA), 1997., Washington 122