2004 – 2006 Lepiszcza ekologiczne fluksowane

 

Tytuł projektu: Nowe lepiszcza ekologiczne pochodzenia roślinnego przeznaczone dla budownictwa drogowego.

ZLECENIODAWCA: Ministerstwo Nauki i Informatyzacji

Nr projektu: 4 T07E 005 26

ZESPÓŁ:

prof. dr hab. inż. Jerzy Piłat – Kierownik tematu
prof. dr hab. inż. Irena Gaweł
prof. dr hab. inż. Piotr Radziszewski
mgr inż. Jan Król
mgr inż. Michał Sarnowski
mgr inż. Łukasz Niczke

Publikacje:

  1. Piłat J., Gaweł I., Radziszewski P., Niczke Ł., Król J., Sarnowski M. Badania asfaltów modyfikowanych estrami metylowymi olejów roślinnych. 52 Konferencja naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB. 11-16 września 2006 r.
  2. Piłat J., Gaweł I., Radziszewski P., Niczke Ł., Król J., Sarnowski M. Bituminous binders fluxed with vegetable oil methyl esters and asphalt mixtures with these binders. 4-th Eurasphalt & Eurobitume Congress. Paper No. 500-602. Copenhagen 2008. Str. 1854-1861.
  3. Gaweł I., Piłat J., Radziszewski P., Niczke Ł., Król J., Sarnowski M. Bitumen fluxes of vegetable origin. Polimery No LV, 1/2010 (55-60)

Patenty:

Zgłoszenie patentowe nr P-389156 „Sposób otrzymywania i skład asfaltów fluksowanych”.
Twórcy: Jerzy Piłat, Irena Gaweł, Piotr Radziszewski, Łukasz Niczke, Jan Król, Michał Sarnowski.
29.09.2009

Syntetyczny opis uzyskanych wyników

Stosowane obecnie w budownictwie drogowym technologie z mieszanek MA to głównie technologie na gorąco. Tylko niewielka ilość nawierzchni wykonywana jest przy użyciu technologii na zimno. Obydwie technologie mają wady i zalety.

Technologie na gorąco, po wielu udoskonaleniach w ostatnich latach, w dalszym ciągu powodują emisję składników lotnych do atmosfery, a wysoka temperatura MMA stwarza różnego rodzaju zagrożenia w zakresie bezpieczeństwa. W technologiach na zimno stosuje się emulsje asfaltowe lub asfalty upłynnione. Emulsje asfaltowe mają w Polsce zastosowanie ograniczone głównie względami klimatycznymi. W naszym klimacie mogą być stosowane przez kilka miesięcy w roku. Ponadto emulgatory i dodatki adhezyjne stosowane w emulsjach asfaltowych nie są obojętne dla środowiska naturalnego.

Asfalty upłynnione otrzymuje się przez zmieszanie asfaltu z rozpuszczalnikiem pochodzenia petro- lub karbochemicznego, przeważnie zawierającego znaczną ilość węglowodorów aromatycznych. Są to lotne substancje organiczne charakteryzujące się niską temperaturą zapłonu i emisją do atmosfery szkodliwych związków. Wymagania związane z ograniczeniem emisji związków organicznych do atmosfery wymuszają odchodzenie od stosowania tradycyjnych asfaltów upłynnionych i poszukiwanie substytutów aromatycznych upłynniaczy asfaltów, które wykazywałyby zdolność do twardnienia po zmieszaniu z asfaltem oraz małą lotność.

Na świecie prowadzone są prace badawcze nad zastąpieniem konwencjonalnych upłynniaczy asfaltów rozpuszczalnikami pochodzenia roślinnego oraz obniżeniem temperatur technologicznych mieszanek mineralno-asfaltowych w procesach wytwarzania, transportu, rozkładania i zagęszczania. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń stwierdzono, że możliwa jest produkcja ekologicznych asfaltów upłynnionych i mieszanek MA w technologii na zimno i ciepło dzięki zastosowaniu upłynniaczy pochodzenia roślinnego.

Nowa generacja lepiszczy stanowi mieszaninę asfaltu i oleju roślinnego lub jego pochodnych. O przydatności tych surowców roślinnych jako komponentów asfaltów decyduje możliwość przeprowadzenia procesu ich sykatywizacji. Wzrost konsystencji kwasów tłuszczowych i ich estrów w tym procesie zachodzi w wyniku utleniającej polimeryzacji. Fizyczne zmiany są obserwowane jako twardnienie i wysychanie lepiszcza z jednoczesnym brakiem emisji organicznych zanieczyszczeń do atmosfery.

Rozpuszczalniki pochodzenia roślinnego można stosować zarówno do upłynniania asfaltów niemodyfikowanych jak i asfaltów modyfikowanych polimerami. Lepiszcza takie mogą znaleźć zastosowanie w następujących technologiach:

  • przy wykonywaniu nawierzchni na ciepło, ale z obniżoną temperaturą wytwarzania MMA, poniżej 150 °C;
  • przy wykonywaniu lepiszczy na zimno, np. emulsji asfaltowych;
  • do mieszanek MA przeznaczonych do składowania, wytwarzanych z emulsjami lub z asfaltami fluksowanymi (lepiszcze takie zapewnia urabialność MMA przez szereg miesięcy);
  • do wytwarzania nowych mieszanek MA z zastosowaniem destruktu.

Dotychczasowe doświadczenia w stosowaniu upłynniaczy pochodzenia roślinnego do mieszanek MA wytwarzanych na ciepło pozwoliły na sformułowanie następujących zalet lepiszczy z tymi upłynniaczami:

  • całkowite wyeliminowanie oparów przy rozściełaniu MMA;
  • łatwiejsze rozkładanie w czasie budowy;
  • podwyższona temperatura zapłonu, powyżej 200 °C;
  • dobra przyczepność lepiszczy do kruszywa;
  • stosowanie surowców odnawialnych;
  • stworzenie nowego rynku zbytu dla produktów rolnych.

Celem badań prowadzonych przez autorów niniejszej pracy jest opracowanie składu lepiszczy z upłynniaczami pochodzenia roślinnego do następujących zastosowań:

  • mieszanek MA w technologii na ciepło (obniżona temperatura wytwarzania MMA),
  • wiązań międzywarstwowych w konstrukcjach nawierzchni drogowej.

Kryterium przydatności olejów roślinnych do otrzymywania ekologicznych upłynniaczy asfaltów jest łatwość ich utleniania. Podatność na utlenianie zależy od ilości i rozmieszczenia wiązań nienasyconych w łańcuchu węglowodorowym kwasów tluszczowych obecnych w oleju roślinnym. Oleje bogate w kwasy tłuszczowe o trzech i dwóch wiązaniach podwójnych, jak oleje lniany i tungowy, określa się mianem „olejów schnących”, oleje słonecznikowy i sojowy zaliczane są do „olejów półschnących”, a olej rzepakowy do „olejów nieschnących”. Francuzi zastosowali jako „biofluksy” asfaltów olej słonecznikowy oraz ester metylowy kwasów tłuszczowych tego oleju.

W pracy badawczej zastosowano jako surowce do otrzymania ekologicznych upłynniaczy oleje rzepakowy i lniany oraz ich estry metylowe, uzyskane na drodze transestryfikacji tych olejów metanolem. Wybór oleju rzepakowego był podyktowany jego dostępnością w Polsce oraz niższą ceną w porównaniu z innymi olejami. Mniejsza podatność na utleniającą polimeryzację oleju rzepakowego, w porównaniu z olejami schnącymi, wskazywała na konieczność jego utleniania w wyższej temperaturze celem uzyskania produktu, który nadawałby się do zastosowania jako upłynniacz asfaltów. Z tego względu przeprowadzono utlenianie oleju rzepakowego w podwyższonych temperaturach (110-150 i 200°C). Bardziej reaktywny olej lniany i jego ester metylowy zmieszano z asfaltem bez uprzedniego utleniania. Jako katalizatory reakcji utleniania zastosowano związki kobaltu, manganu i cyrkonu, a jako promotory utleniania – nadtlenki benzoilu i dikumylu. Zastosowane katalizatory (sykatywy) stanowiły nafteniany wymienionych metali, o zawartości 6,0 % metalu.

Do badań zastosowano asfalt gatunku 70/100, który upłynniono fluksantami pochodzenia roślinnego. Dla wybranych upłynniaczy oznaczono temperaturę zapłonu. Asfalt ogrzany do temperatury 100°C mieszano z upłynniaczem przez 10 minut. Zawartość upłynniacza (fluksantu) w mieszaninie z asfaltem wynosiła od 7 do 15%.

Określono właściwości i skład surowców roślinnych, tj. oleju rzepakowego i estru metylowego oleju rzepakowego. Dalsze prace obejmowały próby polimeryzacji innych surowców roślinnych, dobór nowych katalizatorów i promotorów oraz optymalizację temperatury i czasu procesu utleniania. Surowce do badań stanowiły oleje rzepakowy i lniany oraz estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego, lnianego i sojowego, uzyskane na drodze transestryfikacji tych olejów metanolem. Wykonano utleniania estru metylowego oleju rzepakowego stosując: katalizator kobaltowy, katalizator kobaltowy + hydrochinon, katalizator kobaltowy + bezwodnik maleinowy, katalizator kobaltowy + nadtlenek dikumylu. Zoptymalizowano proces otrzymywania lepiszczy ekologicznych z wykorzystaniem olejów roślinnych: oleju rzepakowego, lnianego i sojowego.

Oznaczono gęstość, temperaturę zapłonu, zmiany lepkości w funkcji czasu, liczbę jodową oraz ciężar cząsteczkowy. Określono również skład chemiczny surowców. Przeprowadzono badania zmian właściwości reologicznych dla mieszanin asfaltu z dodatkami oleju rzepakowego oraz estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Porównawczo przeprowadzono próby zmian właściwości reologicznych dla mieszanin asfaltów z olejem lnianym oraz sojowym i estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju lnianego oraz sojowego z sykatywami.

Przeprowadzono ocenę przydatności estrów pochodzenia roślinnego jako upłynniaczy do lepiszczy drogowych. Lepiszcza te można stosować przy wykonywaniu mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło z obniżoną temperaturą wytwarzania o około 30-50°C w stosunku do mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. Badania dla mieszanin asfaltów z upłynniaczami roślinnymi przeprowadzono w celu określenia zmian konsystencji w funkcji czasu polimeryzacji od 0 do 31 dni oraz w celu określenia optymalnych temperatur technologicznych.

Uzyskane wyniki badań pozwoliły na dokonanie wyboru dwóch mieszanek estrów metylowych olejów roślinnych do modyfikacji lepiszczy stosowanych na ciepło (lepiszcze asfaltowe + 10% dodatku estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju lnianego + sykatywa kobaltowa, lepiszcze asfaltowe + 10% dodatku estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego + 1% nadtlenku benzoilu + 0,1 % diametyloaniliny). Wyniki badań wykazały, że najszybszy wzrost konsystencji lepiszczy upłynnionych obserwuje się przy modyfikacji asfaltu estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju lnianego z sykatywą. Możliwe jest również uzyskanie mieszanin asfaltów modyfikowanych polimerem SBS z dodatkiem upłynniaczy w postaci estrów metylowych olejów roślinnych.

Oleje roślinne i estry metylowe kwasów tłuszczowych tych olejów mogą być stosowane jako ekologiczne upłynniacze asfaltów. Optymalny dodatek tych upłynniaczy wynosi od 10% do 15%.

Korzystniejsze jest stosowanie estrów metylowych. W przypadku estrów metylowych kwasów oleju rzepakowego muszą one zostać poddane utlenianiu w obecności katalizatora, najlepiej bimetalicznego. Zastosowanie jako upłynniacza asfaltu oleju lnianego lub estrów metylowych kwasów tłuszczowych tego oleju nie wymaga wstępnego utleniania, a jedynie zastosowania dodatku katalizatora utleniania. Asfalty upłynnione estrami metylowymi kwasów tłuszczowych olejów roślinnych zastosowanych w niniejszej pracy mogą być użyte do wytwarzania mieszanek MA w temperaturach o około 30-50°C niższych niż MMA na gorąco i zagęszczane w odpowiednio niższych temperaturach. Asfalty upłynnione olejem lnianym z dodatkiem sykatywy kobaltowej (10% upłynniacza) wymagają nieco wyższej temperatury otaczania (wytwarzania mieszanek MA w temperaturach o około 30°C niższych niż MMA na gorąco), natomiast asfalty upłynnione taką samą ilością estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju lnianego z dodatkiem sykatywy mogą być stosowane do wytwarzania mieszanek MA w temperaturach nawet o około 50°C niższych niż MMA na gorąco.

Badania wykonane w ramach projektu badawczego są pierwszymi w Polsce badaniami nad zastąpieniem nieekologicznych upłynniaczy rozpuszczalnikowych upłynniaczami w postaci estrów olejów roślinnych. Badania te sa zgodne z ogólnoświatową tendencją ograniczania emisji CO2 do atmosfery.

© 2012 Zespół Technologii Materiałów i Nawierzchni Drogowych