Badania mieszanek mineralno-asfaltowych z dodatkiem ścinek bitumicznych gontów papowych (Reclaimed asphalt shingles - RAS) dr inż. Piotr Zieliński Politechnika Krakowska
Plan prezentacji Bitumiczne gonty papowe jako dodatek do MMA Przegląd badań MMA z dodatkiem RAS Badania własne MMA z dodatkiem RAS Podsumowanie i wnioski w zakresie możliwości zastosowania RAS w MMA w Polsce
Budowa bitumicznych gontów papowych Zawartość lepiszcza asfaltowego w RAS wynosi około 20-35%
Pochodzenie RAS Odpady z produkcji gontów papowych (manufacture waste asphalt shingles MWAS) w USA około 1 mln ton rocznie Pokrycia pap bitumicznych zdemontowane z dachów (tear-off asphalt shingles TOAS) w USA około 10 mln ton rocznie
Stosowanie RAS w produkcji MMA w USA Od prawie 20 lat trwają badania, ostatnie 10 lat to intensywne wdrożenia i tworzenie przez poszczególne Stany specyfikacji na MMA z dodatkiem RAS; Dodatek RAS wynosi od kilku do 10% MMA, najczęściej nie przekracza 5%; Przy stosowaniu MWAS można zwiększyć ilość dodatku, przy papach zdjętych z dachów ilość dodatku jest bardziej ograniczona (produkt bardziej zestarzony).
Badania lepiszcza odzyskanego z papy klasyfikacja PG w wysokich temperaturach (badania z Texasu)
Klasyfikacja lepiszcza mieszanego (asfalt oryginalny + odzyskany z papy) w niskich temperaturach wg PG (badania z Texasu)
Podsumowanie dostępnych badań lepiszczy z gontów papowych wykresy właściwości mieszaniny asfaltu oryginalnego z lepiszczem z gontów bitumicznych nie zachowują się liniowo, w praktyce zależność liniową można przyjmować przy zawartości lepiszcza z papy w MMA do 30% zwiększenie zawartości lepiszcza z gontów bitumicznych poprawia odporność MMA na wysokie temperatury (koleinowanie), ale może też pogorszyć odporność na pękanie niskotemperaturowe Wpływ dodatku TOAS na odporność MMA na niskie i wysokie temperatury jest większy niż w przypadku dodatku MWAS.
Potencjał RAS w Polsce Kilkanaście zakładów produkujących bitumiczne gonty papowe i papy asfaltowe, łączna roczna produkcja wynosi około 70-90 tysięcy ton Ilość odpadów powstających przy produkcji gontów zależy od ich kształtu i wynosi kilka do kilkunastu % Ilość odpadowej papy zrywanej z dachów wynosi kilkadziesiąt tysięcy ton rocznie
Możliwości użycia RAS w MMA w Polsce Roczna produkcja MMA w ostatnich 10 latach wynosiła 15-26 mln ton; Aby zagospodarować cały potencjał odpadowej papy (TOAS + MWAS) przy dodatku około 2% RAS do MMA można wyprodukować około 4 mln ton mieszanki (około 20% całkowitej produkcji); Z uwagi na jednorodność produktu i mniejsze zestarzenie najłatwiej będzie wdrożyć zastosowanie odpadów poprodukcyjnych (MWAS)
Przedmiot badań własnych 1) Ścinki z produkcji asfaltowych gontów papowych z zakładu IZOHAN Sp. z o.o. w Krośnie. 2) Zmielone ścinki papy po wcześniejszych schłodzeniu ciekłym azotem
Program badań własnych 1. Ekstrakcja ścinków papy, określenie składu i badania asfaltu odzyskanego, 2. Badania MMA: referencyjnej (AC 16 W 50/70) a następnie mieszanek z dodatkiem 1% RAS, 2% RAS oraz 1% RAS + 20% RAP, 3. Badania asfaltu wynikowego z w.w. recept, 4. Analiza wyników badań.
Skład gontów wg badania ekstrakcji Rozmiar sita [mm] Odsiew [%] Krzywa uziarnienia [%] 4.0 0,0 100 2.0 0,1 99,9 1.0 22,7 77,2 0.5 20,9 56,3 0.25 5,9 50,4 0.125 4,6 45,8 0.063 8,6 37,2 <0.063 37,2 Zawartość asfaltu w gontach = 29,3 %
Odzyskanie asfaltu z gontów w wyparce
Badania asfaltu odzyskanego z gontów Penetracja w 25 C Temperatura mięknienia PiK Ciągliwość w z pomiarem siły w temperaturze 25 C
Wyniki badań penetracji asfaltu z gontów Nr odczytu granulat ścinki Próbka 1 Próbka 2 Próbka 1 Próbka 2 1 17 19 20 20 2 18 20 21 21 3 19 18 22 21 4 19 19 22 22 5 19 18 21 22 średnia 18 19 21 21 wynik 19 21 Odzyskany asfalt można zaklasyfikować jako 15/25
Wyniki badań temperatury mięknienia PiK Nr odczytu granulat ścinki 1 122,3 121,8 2 122,3 122,3 3 123,2 4 122,5 średnia 122,6 122,1 Odzyskany asfalt posiada bardzo wysoką temperaturę mięknienia, znacznie powyżej wyników dla asfaltów drogowych (także modyfikowanych)
Składniki referencyjnej recepty MMA AC 16 W 50/70 L.p. Materiał Typ skały Pochodzenie Gęstość [g/cm 3 ] 1 Mączka wapienna wapień Wolica 2,70 2 Piasek 0/2 piasek Strzegocice 2,66 3 Mieszanka 0/4 dolomit Sedlice 2,65 4 Grys 4/8 dolomit Maglovec 2,73 5 Grys 8/16 dolomit Maglovec 2,72 6 Asfalt 50/70 LOTOS 1,021
Porównanie składu badanych mieszanek L.p. Materiał Udział w MMA % [m/m] dla mieszanki REF. 1%RAS 2%RAS 1%RAS +20%RAP 1 Mączka wapienna 4,3 4,1 4,8 3,9 2 Piasek 0/2 9,6 9,4 9,6 7,7 3 Mieszanka 0/4 27,7 27,4 24,1 19,4 4 Grys 4/8 17,2 17,2 19,2 14,5 5 Grys 8/16 36,8 36,9 36,5 30,9 6 Ścinki gontów - 1,0 2,0 1,0 papowych 7 Asfalt drogowy 50/70 4,4 4,0 3,8 3,3 8 Granulat asfaltowy - - - 19,3 9 Środek adhezyjny 0,2 asf 0,2 asf 0,1 asf 0,1 asf
Program badań MMA Cechy fizyczne: gęstość, gęstość objętościowa, zawartość wolnych przestrzeni; moduł sztywności sprężystej metodą rozciągania pośredniego (ITCY) w 3 temperaturach: +5 C, +15 C i +30 C; odporność na wodę i mróz (ITSR); wytrzymałość na rozciąganie pośrednie (ITS); odporność na spękania niskotemperaturowe (TSRST); odporność na koleinowanie; właściwości zmęczeniowe metodą rozciągania pośredniego (ITFT).
Przygotowane próbki dla każdej MMA Mieszanka luźna do badania gęstości w piknometrze wg PN-EN 12697-5 Cylindryczne o średnicy 101,6 mm i wysokości ok. 63,5 mm, zagęszczane w ubijaku Marshalla przy energii 2x 75 uderzeń i 2 x 35 uderzeń wg PN-EN 12697-30 Płytowe o wymiarach w planie 305 x 305 mm i wysokości 60 mm, zagęszczane przez roller compactor wg PN-EN 12697-33. próbki belkowe o wymiarach 40x40x160 mm, wycięte piłą dwutarczową z płyt wykonanych w roller compactor
Wyniki badań cech fizycznych MMA recepta ρ mv [g/cm 3 ] 2 x 75 uderzeń 2 x 35 uderzeń ρ b [g/cm 3 ] P [%] ρ b [g/cm 3 ] P [%] REF. 2,628 2,521 4,1 2,483 5,5 1%RAS 2,631 2,533 3,7 2,481 5,7 2%RAS 2,621 2,526 3,6 2,477 5,5 1%RAS +20%RAP 2,627 2,520 4,1 2,495 5,0 Badane mieszanki uzyskały zbliżone cechy fizyczne
Wyniki badań modułu sztywności MMA metodą rozciągania pośredniego w NAT
Wyniki badań odporności MMA na rozciąganie pośrednie (ITS)
Temperatura pękania mma [ C] Wyniki badań odporności MMA na spękania niskotemperaturowe (TSRST) - 1 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0-20,0-25,0-30,0 REF 1% RAS 2% RAS 1% RAS+20% RAP średnia -25,4-26,3-25,7-25,4 odch. St 0,1 0,4 2,4 0,4
Wytrzymałość na pękanie niskotemperaturowe [kpa] Wyniki badań odporności MMA na spękania niskotemperaturowe (TSRST) - 2 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 REF 1% RAS 2% RAS 1% RAS+20% RAP średnia 4999 5237 4876 5567 odch. St 111 80 490 189
PRD [%] Wyniki badań odporności MMA na koleinowanie - PRD 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 REF 1%RAS -granulat 2% RAS 1% RAS+20% RAP Serie1 8,6 5,5 6,6 8,7
WTS [mm/1000 cykli] Wyniki badań odporności MMA na koleinowanie - WTS 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 REF 1%RAS -granulat 2% RAS 1% RAS+20% RAP Serie1 0,23 0,10 0,09 0,14
Liczba cykli do zniszczenia próbki Wyniki badań odporności MMA na zmęczenie (ITFT) w 20 C 90000 85267 80000 70000 60000 50000 400 [kpa] 450 [kpa] 500 [kpa] 64062 69791 40000 36969 30000 20000 1944317983 28883 25331 26743 13253 12661 10000 5161 0 REF 1%RAS 2%RAS 1%RAS+20%RAP seria próbek
Wnioski końcowe Przedstawione wyniki badań wskazują na potencjalną możliwość stosowania odpadów z produkcji bitumicznych gontów papowych do MMA w Polsce; badane mieszanki z zawartością RAS 1% i 2% spełniają wszystkie cechy wymagane wg WT-2; Należy kontynuować prace badawcze (większa liczba próbek, inne metody badań), także dla innych mieszanek oraz przy innych proporcjach RAS; Potrzebne będzie wykonanie odcinków testowych z wykorzystaniem przedmiotowej technologii oraz ich monitoring.
Dziękuję za uwagę