https://doi.org/10.36246/UL.2020.2.05

2020; 8. évfolyam, 14. szám

Pdf: Tapadásjavító mészhidráttal kezelt alacsony zúzottüveg adagolású AC 11 kopó keverékek teljesítménye a hazai szabályozás alapján

Bevezetés: zúzott hulladéküveg újrahasznosítás lehetőségei

A gyors gazdasági növekedés és a folyamatosan növekvő fogyasztás mellett nagy mennyiségű üveghulladék keletkezik. Az ökológusok számára nem feltétlenül a meglévő hulladék jelenti a legfőbb problémát, hanem az, ha hiányoznak azok az intézmények és technológiák, amelyek segítségével a hulladék keletkezését el lehetne kerülni, és amelyekkel meg lehetne oldani a hulladék visszaforgatását és újrahasznosítását. A hulladékgazdálkodás a 21. század legjelentősebb feladata, amely magába foglalja a hulladék keletkezésének megelőzését, csökkentését, a keletkezett hulladék elkülönítését, gyűjtését, kiválogatását és hasznosítását, valamint a nem hasznosítható hulladék környezetszennyezés nélküli átmeneti tárolását és ártalmatlanítását. (Jony et al., 2011)

Ezen feladatok megoldására már elméletek, modellek jelentek meg, amelyet az úgynevezett 4R környezetvédelmi intézkedési program fogalmaz meg hierarchiába rendezve:

  • Reduce: a hulladék keletkezési helyeinek felkutatása és a hulladék mennyiségének csökkentése a hulladékok, esetleg veszélyes anyagoknak más, kevésbé problémás anyagokkal történő helyettesítése.
  • Reuse: hulladék újrahasználata. Különösebb fizikai beavatkozás nélkül ugyanarra a célra, ugyanarra a tevékenységre használjuk.
  • Recycling: Az anyagok szelektív gyűjtése után azok újrahasznosítása. Az anyagában történő hasznosítás, hulladékból újra terméket állítunk elő.
  • Recovery: A hulladéknak vagy valamely összetevőjének a termelésben vagy szolgáltatásban történő felhasználása. Ez a folyamat irányulhat hulladékban lévő különböző anyagok visszanyerésére, újrafeldolgozására (anyagában történő hasznosítására), vagy a hulladék anyagaiban rejlő energia felhasználására (energetikai hasznosítás).

Bármely infrastruktúra ágazat építése kapcsán számos hulladék hasznosítási módszer terjedt már el világszerte. Ezek előnye nem csak az, hogy csökkentik a hulladékok mennyiségét, hanem jelentős megtakarításokat lehet velük elérni az új építési anyagokkal szemben (Hawken et al., 2013).

Az üveg használatba történő visszaforgatásának két módja van. Az első a visszaváltás, amikor szortírozzák szín szerint a beérkező üvegeket, majd megfelelő tisztítás és fertőtlenítés után újratöltik azokat (újrahasználat). Másik, amikor a vegyes hulladékot szortírozzák színük és fajtájuk szerint, megtisztítják, majd beolvasztásra kerülnek, majd új üvegterméket állítanak elő belőlük (újrahasznosítás). Jelenleg ezen felhasználás a legelterjedtebb a világon. Bár az összegyűjtött hulladéküveg összmennyisége nagy lehet, azonban a teljes mennyiségnek csak a töredékét lehet új üveg előállításához felhasználni az újrafeldolgozás szigorú korlátai miatt. Az újrafeldolgozás során figyelembe kell venni a hulladéküveg származását. Az üvegeket hagyományosan különböző színekben kell összegyűjteni és rendezni. A nem szétválogatható üvegek jellemzően törnek vagy összekeverednek az összegyűjtési fázisban olyan hulladéküveg anyagokkal, melyek tartalmaznak szennyező anyagokat (fa, műanyag, fém, papír, kavics, kerámia). Ezen frakciókat már nem mindig gazdaságos szétválogatni, viszont technikailag alkalmatlanok az új üveg gyártására. Mindössze 5-20 g nem újrahasznosítható üveg elegendő 1 tonna újrahasznosítható üveg szennyezéséhez. (Afshinnia et al., 2015). Ezen problémának egyik vonzó megoldása a zúzott hulladéküveg használata építési anyagok alternatívájaként, például aszfaltkeverék alapanyagként. Mint ahogy sok más másodlagos hasznosítási terület az építőiparban, a zúzott hulladéküveg felhasználása nehezen dönthető el, hogy újrahasználati, vagy újrahasznosítási tevékenység lenne. Általában inkább újrahasznosítás kategóriába sorolják többször, a felhasználási cél megváltoztatása miatt. Az viszont bizonyos, hogy sok esetben gazdaságosabb megoldást jelenthet, mint az új üveg előállítás A hazai üvegfeldolgozás helyzetéről és másodlagos hasznosítási lehetőségekről részletesebben a diplomamunkámban számoltam be (Rosta, 2019).

Történeti áttekintés észak-amerikai tapasztalatok

A világon egyre nagyobb problémát jelent az üveghulladékok keletkezése. Hulladéküveg újrahasznosítás egy alternatívája lehet, ha azt megfelelő frakciókra törve és osztályozva az aszfaltkeverékek alapanyagául szolgáló zúzottkövek helyettesítésére használjuk fel. Az ilyen módon gyártott melegen hengerelt aszfaltbeton keverékeket nevezzük üvegaszfaltnak.

A pályaszerkezeti aszfaltrétegekben nedvesség jelenlétében a kötőanyag-szemcse tapadása lecsökkenhet, anélkül, hogy láthatóvá válna a kötés megbomlása, mivel a víz befolyásolhatja a kötőanyag kohéziós erejét. A víz okozta legkorábbi problémák (melyek szélsőséges éghajlat és nagy forgalom esetén még korábban jelentkeznek) a szemek kipergése, hámlás, további kohézió csökkenés következtében felületi repedések, később pedig kátyúk kialakulása.

Zúzott hulladéküveg felhasználása aszfaltkeverékekben az 1960-as évek végétől kezdődött el az Amerikai Egyesült Államokban. Legkorábbról származó kutatás Missouri-Rolla Egyetem egy környezetvédelmi szervezettel folytatott projektje, amelyben 33 db üvegaszfalt (glasphalt) próbaszakaszt építettek. 1969 és 1972 között 19 különböző kanadai és egyesült államokbeli szervezet épített üvegaszfaltot a régióban, ahol az átlagosan adagolt üveg mennyisége 1970-ben 73%-volt míg 1972-ben 46 %-ra csökkent ez a mennyiség. Toledo és New York City voltak az első városok, ahol a legnagyobb mennyiségben üvegaszfaltot használtak fel. Az üvegaszfalt korai használatának nagy része parkolók aszfalt alaprétegei voltak, azonban városi utak és lakó utcák esetében is használták, kisebb mennyiségben kopórétegként is (Chesner et al., 1987).

1983-ban egy Christman nevezetű mérnöki tanácsadó cég dolgozott Connecticut állam néhány városával egy olyan kopóréteg kialakításán, amely 50% -ban osztályozott tört üvegből állt. Az 50% -os zúzottüveg keveréket tesztelték. A beépített kopóréteg csúszási ellenállás vizsgálata alapján úgy döntöttek, hogy az üvegtartalmat 20-25% közöttire csökkentik. Egy 1991-es Christman-jelentés szerint az üvegburkolatok „elfogadható használhatóságot” biztosítanak (Dembicki, 1992).

1988-ban a New York állam Közlekedési Minisztériuma kísérleti jelleggel épített be New York Cityben üvegaszfaltot 5-15%-os finom rész (<4,75 mm) helyettesítéssel. Brooklynban a New York City tulajdonában lévő és működtetett aszfaltüzem minőségellenőrzési vezetője 1989 után végeztette el a csúszásellenállási teszteket, és az üvegaszfalt megfelelt a normál keverékkel szemben támasztott követelményeknek. Ezt követően 1990-1995 között New York Cityben kb. 250 000 t üvegaszfalt került beépítésre.

1994-ben összesen 6 állam jelentett üveg felhasználását aszfaltkeverék beépítéseknél, azonban 10 másik állam számolt be kutatási tevékenységről üvegaszfalt témakörben. (Maupin, 1998) Üvegaszfalt felhasználása a 2000-es évek elején Egyesült Államok néhány államában (K-i partvidék), Kanada néhány tartományában, Japánban, és néhány Európai országban volt lehetséges, mivel ezekben az országokban, vagy régiókban került valamilyen formában a nemzeti útépítési előírásban a zúzottüveg, mint aszfalt alapanyag (Su et al., 2002).

A kezdeti baltimore-i és New York-i szakaszokon repedések jelentek meg. Ennek kapcsán a 1990 körül vizsgálatokat hajtottak végre, amelyben felülvizsgálták az 1970-es években beépített üvegaszfaltokat. A korai kutatók potenciális problémaként azonosították a lapos és hosszúkás szemcséket, amelyek hozzájárulhatnak a szemek kipergéséhez, tapadóképesség csökkenéséhez, a gyenge csúszásellenálláshoz, a rendellenesen magas gumiabroncsok kopásához és a túlzott csillogáshoz. Mivel az üveg nem képes abszorbeálni a bitument, és mivel az üveg is “hidrofil”, a nedvességkárosodás különös aggodalomra ad okot, különösen akkor, ha a magas százalékos arányokat és nagy névleges szemnagyságú üvegzúzalékhalmazokat használnak aszfalt kopórétegek esetén. A korai kutatók közül sokan azt javasolták, hogy mészhidrátot kell a keverékhez adni, ami tapadásjavító tulajdonságokkal rendelkezik. A felülvizsgált adatokból arra a következtetésre jutottak, hogy korai üvegaszfalt projektekben jellemzően használt magas adagolási mennyiség (a keverék 25 tömegszázalékát meghaladó) és magas névleges szemcseméretű üvegzúzalék halmazok (12,7 mm-nél nagyobbak) valószínűleg hozzájárultak a legtöbb, az 1970-es években beépített üvegaszfalt próbaszakaszok kipergési, és repedezési problémáihoz (Chesner et al., 1987; Petrarca, 1988; Hughes, 1990; Chesner, 1992; Dembicki, 1992; Flynn, 1993)

A legfontosabb ajánlásokat és követelményeket az Egyesült Államok Közlekedési Minisztériumához tartozó Szövetségi Autópálya Felügyelet (FHWA) már 1990-ben kiadta, és azóta többször is megújította azt. Számos államban jelenleg is érvényben van. A FHWA legfontosabb előírásai és a korai kutatók megállapításai a következők:

  • Az üveg szemcsék lassabban hűlnek le, mint az aggregátumok, azok hővezető képességük különbségei miatt. Ez lehet előnyös tulajdonság hideg időben, mivel több időt biztosít a tömörítésnek. Melegebb időjárás esetén azonban a keverékek instabilak lehetnek az építési hengerek alatt.
  • A vizsgált felületek megfelelő csúszásellenállósági tulajdonsággal rendelkeztek.
  • Szemeloszlás: kopórétegekben használt zúzottüveg halmazok névleges szemnagysága maximálisan 4,75mm és feleljen meg az AASHTO T27 követelményeinek. Nagyobb névleges szemnagyságú halmazok 4,75-15,3 mm aszfalt alaprétegek keverékeihez alkalmasak.
  • Testsűrűség: Az üveg kb. 10-15%-kal alacsonyabb térfogatsúllyal rendelkezik az általánosan használt útépítési zúzottköveknél. Ennek köszönhetően az üvegaszfalt testsűrűsége alacsonyabb, az aszfaltbeton testsűrűségénél, amely nagyobb termelékenységet eredményezhet a kivitelezésnél.
  • Mechanikai tulajdonság: az üveg törékeny anyag, a 4,75 mm-nél nagyobb szemcsék tömörítés hatására törhetnek, ezért javasolt kizárólag D<4,75mm halmazt használni kopórétegek esetén. Kevésbé érzékeny a nedvességre (0,3% és 0,4% közötti vízfelvétel).
  • A csúszásellenállás vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy a hulladéküveg burkolatok az ajánlott csúszásellenállás vizsgálati határok közé esnek. Mindazonáltal a nagyobb méretű (>9,5 mm) hosszú lapos szemek nem használhatók, mert azok tömörítés hatására „besimulnak” és rontják a keverék csúszási ellenállását.
  • A megfelelően zúzott üveg szögletes alakja és nagy súrlódási szöge (kb. 50 °) hozzájárul a jó oldalirányú stabilitáshoz. Ez pozitív tulajdonság, különösen akkor, ha a keveréket fokozott fékezési és gyorsulási helyszínekre tervezik.
  • Az üveg gyenge tapadóképességének javítása érdekében valamilyen tapadásjavító szer alkalmazása javasolt.
  • Az AASHTO T283 Lottman teszt alapján igazolni kell minden esetben az üvegaszfalt keverékek megfelelőségét. (Vízérzékenység).
  • 15 %-nál nagyabb adagolás esetén már számottevően megnőhet a burkolat fényvisszaverő képessége. Annak mértékét a nagyobb szemek használata még jobban befolyásolja. Esztétikai szempontból kedvező ez a tulajdonság, illetve éjszakai vezetésnél is optikai vezetést tud biztosítani gépjármű sofőrjének. Nedves felületen nappal viszont ez problémát okozhat. (FHWA, 1998)

Keveréktervezés

A szakirodalom tanulmányozását követően meghatároztam a keverékeim típusát, az üvegadagolás mennyiségeit, a tapadásjavítószer típusát és adagolási mennyiségét.

A kutatás során egy AC 11 kopó (F) B 50/70 es keveréket vizsgáltam különböző zúzottüveg adagolással (a kőanyagkeverékre vonatkoztatva 15 m% és 30 m%.) Vizsgáltam továbbá egy tapadásjavító szer, a mészhidrát hatását (kőanyagkeverékre vonatkoztatva 4 m%). Így 5 különböző keveréket állítottam elő. Első körben meghatároztam ezen keverékek optimális bitumentartalmát Marshall-eljárással. Majd az optimális bitumentartalmú keverékeken elvégeztem az e-UT 05.02.11:2018- Útpályaszerkezeti aszfaltburkolatok keverékeinek követelményei hazai előírásban foglalt teljesítmény vizsgálatokat (1. táblázat). Az előírt követelmények alapján értékeltem az alacsony üvegadagolással készített keverékek felhasználhatóságát különböző forgalmi terhelésű utak esetén.

AC 11 kopó (N) B 50/70 és AC 11 kopó (F) B 50/70 jelű keverékek követelményei (e-UT 05.02.11:2018).

AC 11 kopó

Tervezési forgalom
(F100 millió darab)

0-0,03

0,03-0,3

0,3-10

Vizsgálati módszer

Forgalmi terhelési osztály

A alatt

A, B

C ,D, E

Igénybevételi kategória

(P)

(N)

(F)

Aszfaltkeverék jelzete

(N)

(F)

Megnevezés

Aszfaltkeverék követelményei

Kötőanyag-tartalom, tömeg%, legalább

5,3

MSZ EN 12 697-1, vagy
MSZ EN 12 697-39

Hézagtartalom, V, térfogat%, legalább

2,5

MSZ EN 13 108-20C.1.2,2×50 ütés

legfeljebb

4

Vízérzékenység, ITSR, %, legalább

80

80

MSZ EN 12 697-12 2×35 ütés,15 °C

Maradó alakváltozási ellenállás, PRDAIR, %, legfeljebb

7

MSZ EN 12 697-33
MSZ EN 12 697-22 kiskerekű,
„B” módszer levegőn, 60 °C

Merevség, S, MPa,
legalább

NR, megadandó

MSZ EN 12 697-26 IT-CY: 20 °C, 124 µs

Fáradás, ε6, microstrain, legalább

NR, megadandó

MSZ EN 12 697-24 2PB-TR: 10  C,25 Hz, vagy 4PB-PR: 20 °C,30 Hz

5 különböző keverék jelölése:

  • AC 11 kopó (F) B 50/70 jelölése: 1AC11_0_2
  • AC 11 kopó (F) B 50/70+15% zúzottüveg jelölése: 1AC11_15_2
  • AC 11 kopó (F) B 50/70+30% zúzottüveg jelölése: 1AC11_30_2
  • AC 11 kopó (F) B 50/70+15% zúzottüveg + 4% mészhidrát jelölése: 1AC11MH_15_2
  • AC 11 kopó (F) B 50/70+30% zúzottüveg + 4% mészhidrát jelölése: 1AC11MH_30_2

Továbbá keverések során alkalmazott különböző szemeloszlásokat (1sorszám) és bitumen tartalmakat (2százalék megadása) szintén feltüntettem a jelölésekben. A laboratóriumi vizsgálatokat az Eulab Laboratóriumi és Technológiai Kft. dunakeszi központi laboratóriumában végeztük.

Alapanyagok és keverékterv meghatározása

A vizsgálatokhoz a Swietelsky Magyarország Kft. egyik típusvizsgálatát (SW DK 083 2016 AC 11 kopó (F) vettük alapul, amelynek a kővázát eruptív andezites nógrádkövesdi kőanyaghalmaz alkot. A keverékek előállításához OMW B 50/70 típusú útépítési bitument használtunk fel.

A kőanyaghalmazok, a zúzottüveghalmaz, a töltőanyag és a tapadásjavító töltőanyag szemeloszlásai.

Szita
méret (mm)

Áthullott tömegszázalék

Tatabánya
Mészkőliszt

Calmit Mészhidrát

Nógrádkövesd NZ 0/2

Nógrádkövesd NZ 0/4

Fer-Marik

ZÜ 0/5

Nógrádkövesd KZ 4/8

Nógrádkövesd
KZ 8/11

16

100

100

100

100

100

100

100

11,2

100

100

100

100

100

100

89

8

100

100

100

100

100

91

17

5,6

100

100

100

100

92

29

5

4

100

100

100

86

70

2

5

2

100

100

89

54

50

1

3

1

100

100

55

31

30

1

3

0,5

100

100

30

15

17

1

2

0,25

100

100

15

6

11

1

2

0,125

98

98

6

1

6

1

2

0,063

87,8

79,2

1,7

0,4

4,2

0,4

1,7

A keverékekhez Fer-Marik Kft.-től származó zúzottüveget vizsgáltam. A zúzottüveg és a többi kőanyagkeverék szemeloszlásai a 2. táblázatban láthatók. A zúzottüveg szemeloszlása kissé durvább a nógrádkövesdi NZ0/4-nél, továbbá az e-UT 05.01.15:2018- Útépítési kőanyaghalmazok útügyi műszaki előírás szerinti NZ, KZ, Z 0/4-es és ZK 0/8-as határértékek közé esik, előbbinél durvább, utóbbinál finomabb. A szemeloszlás tulajdonságára utalva a felhasznált zúzottüveg a 0/5-ös jelölést kapta. A töltőanyagként használt Tatabánya mészkőliszt és Calmit mészhidrát szemeloszlása alapján elmondható, hogy a mészhidrát szemeloszlása kis mértékben durvább, azonban feleslegesen bitument felvenni képes apró szemek szinte teljesen egyenlő arányban vannak jelen a két töltőanyagban. (3. táblázat) D10 szemnagyság mindkét esetben 0,003 mm finom iszap tartományba esik.

A mészkőliszt és mészhidrát agyag iszap tartalmának meghatározása.

homok

iszap

agyag

di-nél kisebb szemcsék [%]

0,5

0,25

0,125

0,063

0,02

0,0063

0,002

D60

D30

D10

Calmit Mészhidrát

100

100

98

79,2

77,1

26,3

0

0,011

0,007

0,003

Tatabánya
Mészkőliszt

100

100

98

87,8

72,1

40,3

0

0,008

0,004

0,003

Az MSZ EN 1097-6:2013 Kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata 6. rész: A testsűrűség és vízfelvétel meghatározása szerint meghatároztuk a felhasznált alapanyagok testsűrűségeit és vízfelvételeit.

Alapanyagok testsűrűsége és vízfelvétele.
Tatabánya
Mészkőliszt
Calmit Mészhidrát Fer-Marik
ZÜ 0/5
Nógrádkövesd NZ 0/2 Nógrádkövesd NZ 0/4 Nógrádkövesd KZ 4/8 Nógrádkövesd
KZ 8/11
Testsűrűség ρa [Mg/m3] 2,801 2,789 2,488 2,855 2,863 2,837 2,821
Testsűrűség ρssd [Mg/m3] 2,455 2,751 2,759 2,74 2,737
Vízfelvétel WA24 [%] 0,4 2,2 2,1 2,0 1,7

A 4.táblázatból látható, hogy a zúzottüveg testsűrűsége ~13%-kal alacsonyabb az NZ 0/4-es zúzottkő testsűrűségénél, és cca~ 80%-kal alacsonyabb vízfelvételre képes az összehasonlításban szereplő andezit zúzottkőnél.

Optimális bitumentartalom meghatározása Marshall eljárással

Az aszfaltkeverékek optimális bitumentartalmát Marshall-eljárással határoztam meg. A keverékek optimális bitumentartalmát legalább 3 összetétellel előállított próbatestek vizsgálatain alapultak. A vizsgált jellemzők empirikus jellegűek, elsősorban a hézagtartalom, de emellett egyszerűbb mechanikai tulajdonságok voltak, mint a Marshall-stabilitás és a Marshall-folyás.

A keverékek optimális bitumentartalmának meghatározásához, mindegyik esetben a lépcsőközöket 0,3%-os bitumentartalomra határoztam meg. A referencia szemeloszlást a SW DK 083 2016 AC 11 kopó (F) típusvizsgálatban megadott szemeloszlás adta.

1-es 2-es 3-as típusú szemeloszlás.

Első lépésben meghatároztam a referenciakeverék optimális szemeloszlását 1-es 2-es 3-as egyre finomodó szemeloszlás közül (1.ábra), majd mindegyiknek az optimális bitumentartalmát 4,9%, 5,2%, 5,5%, 5,8% bitumentartalom mellett. Az optimális bitumentartalmat 3,5-os hézagtartalomra terveztük, azokat kis mértékben korrigáltam a Marshall-vizsgálatokból született eredmények alapján.

Az optimális bitumentartalmú referencia keverék: 3AC11_0_5,7.

Ezt követően meghatároztam a 3AC11 _15, 3AC11 _30, 3AC11MH _15, 3AC11MH _30 keverékek zúzottüveg, zúzottkő, mészkőliszt és mészhidrát adagolási arányait, hogy azok szemeloszlásai a lehető legjobban illeszkedjenek a 3-as típusú szemeloszláshoz (ez ±1%-os felezőszitán áthullott anyagmennyiségek mellett volt lehetséges). A keverékekhez a bemérési arányokat az 5. táblázatban foglaltam össze.

Különböző alapanyagok adagolási mennyiségei a kővázra vonatkoztatva tömegszázalékban, keverékenként.
Keverékek jelölése Tatabánya ML Calmit Mészhidrát Fer-Marik ZÜ 0/5 Nógrádkövesd NZ 0/2 Nógrádkövesd NZ 0/4 Nógrádkövesd KZ 4/8 Nógrádkövesd KZ 8/11,2
1AC11 _0 9 0 0 0 49 13 29 100
2AC11 _0 9 0 0 5 42 14 30 100
3AC11 _0 9,5 0 0 10 37,5 14 29 100
3AC11 _15 9 0 15 7,5 27 12,5 29 100
3AC11 _30 8,5 0 30 10 12 11,5 28 100
3AC11MH_15 5 4 15 7,5 27 12,5 29 100
3AC11MH_30 4,5 4 30 10 12 11,5 28 100

Ezt követően meghatároztam a négy üvegaszfalt keverék optimális bitumentartalmát. A pontos bitumentatalom kiválasztásához lineáris és exponenciális regressziós görbéket használtam (a hézagtartalmakat ábrázoltam a bitumentartalom függvényében), és vizsgáltam, hogy a görbék hol metszik a 3,5%-os hézagtartalmat. A 3AC11MH_15 keverékeknél a trend nem szoros R2=0,47 determinációs együttható mellett, annak ellenére, hogy a hézagmentes testsűrűség és szabad hézagtartalom vizsgálatok a megengedett terjedelmek között maradtak. Itt feltételezhető, hogy egyéb mérési vagy beadagolási hiba történt az 5,2%-os bitumentartalmú keverék esetén. Meg kell jegyezni, hogy mindegyik esetben hasonló szorossággal illeszkedtek a vizsgálati eredmények a lineáris regressziós görbére is. Számottevő különbség a 3AC11_15 esetén prognosztizálható hiszen exponenciális regresszió esetén R2=0,87 és lineáris regresszió esetén R2=0,88, viszont az optimális bitumentartalom az első esetben 5,0 m% míg a második esetben 5,2 m%, ami már jelentősebb különbséget jelent (a többi esetben tizedre kerekítve ugyanazok az eredmények adódtak). A keverékek szabad hézagtartalmai a bitumentartalom függvényében a 2. ábrán látható.

A keverékek hézagtartalmai a bitumenartalom függvényében.

Az MSZ EN 12697-34:2004+A1.2008 Aszfaltkeverékek. Meleg aszfaltkeverékek vizsgálati módszerei. Marshall-vizsgálatból származó Marshall-stabilitás és folyás kikerült a nemzeti értékelési rendszerünkből, azonban az ASTM D 1559 (2008) Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixture using Marshall Apparatus szabványban leírtak alapján közepes forgalmi igénybevétel esetén (104 – 106 ET) stabilitási értékre minimum 5 336 N, míg folyás értékekre 2-4,5 mm az elvárható teljesítmény aszfaltbeton kopórétegek esetén.

A keverékek Marshall-folyás és Marshall-stabilitás értékei a kötőanyagtartalom függvényében.

Marshall-folyás minimumának elérése érdekében, a 3AC11_30 jelű keveréknek 0,2 m%-os bitumentartalom növelését hajtottam végre. A 3AC11_15 jelű keveréknél a Marshall-folyás teljesítése, és a burkolati hézag eredményeinél alkalmazott exponenciális és lineáris függvényből származó bizonytalanság miatt 5,2 m%-os bitumentartalmat állapítottam meg optimálisnak.

A keverékek optimális bitumentartalmai.

3AC11_30

3AC11_15

3AC11MH_30

3AC11MH_15

3AC11_0

optimális bitumentartalom [%]

4,8→5,0

5,2

5,2

5,3

5,7

Megfigyelhető, hogy a zúzottüveg növekvő adagolása mellett a keverékek bitumenigénye csökken. A kutatásban használt kötőanyag és kőanyagok használata esetén az optimális 5,7%-os bitumentartalom 15%-os zúzottüveg adagolás esetén 0,4-0,5%-kal csökken, míg 30%-os adagolás esetén kb. 0,5-0,7%-kal. A jelenséget azzal lehet magyarázni, hogy az üvegszemcsék minimális porozitása miatt, azok sokkal kevésbé képesek bitument abszorbeálni a zúzottkővel szemben.

Ezt a tulajdonságát a keveréknek mások is megállapították. Egy jordániai kutatásban (Zaydoun et al. 2018) Dmax=4,75mm zúzottüveggel gyártott kopóréteg keveréket terveztek Marshall-eljárással. A tervezett 4%-os hézagtartalom mellett az optimális bitumentartalom a következőképp alakult:

  • 0%-os zúzottüveg → 5,80 % bitumen
  • 5%-os zúzottüveg → 5,45 % bitumen
  • 10%-os zúzottüveg → 5,50 % bitumen
  • 15%-os zúzottüveg → 5,40 % bitumen
  • 20%-os zúzottüveg → 5,35 % bitumen

Egy iráni kutatásban a finom zúzottüveg 20 %-os adagolása az optimális bitumentartalom 1,0%-os csökkenését eredményezte egy aszfaltbeton kopóréteg tervezésekor (Shafabakhsh et al., 2014).

Vízérzékenység

Az aszfaltbeton kopórétegek felületéről a víz képes a pórusokon keresztül a rétegbe bejutni. Ha ez a pórusokból nem tud azonnal távozni, pangó víz alakul ki. Amikor a pályán egy nagy tömegű gépjármű halad egy ilyen rétegen, a jármű abroncsnyomásával arányos mértékben préselődik szét a víz az egyébként terheletlen felületek felé. A nagynyomású öblítő hatás képes kimosni az aszfalt habarcs részét, így a nagy szemcsék közötti érintkezési felületen létrejövő bitumen-szemcse kapcsolatot károsítani képes. Ezek ellen a hatások ellen a kötőanyag és a szemcse közötti tapadás minősége a mértékadó. Ennek ellenőrzésére alakították ki a vízérzékenység vizsgálatot, amely az EN termékszabványok megjelenésével típusvizsgálatként kötelezően elvégzendő vizsgálattá vált (Ambrus,  2006).

MSZ EN 12697-12:2009 Aszfaltkeverékek. Meleg aszfaltkeverékek vizsgálati módszerei. Próbatestek vízérzékenysége vizsgálat eredményekből látszik (4. ábra), hogy a legmagasabb ITS értékek 30%-os zúzottüveg adagolása mellett adódtak. A 15%-os zúzottüvegű keverékek hasonló szilárdsággal rendelkeznek (nedves csoport), mint a referencia keverék.

ITS hasító-húzó szilárdság eredményei.

A hasító-húzószilárdság hányadost „vízérzékenység” (ITSR=ITSn/ITSsz*100) tekintve (7. táblázat) a legmagasabb értéket a referencia keverék érte el. A kiváló vízérzékenységi ellenállást mutatja, hogy a nedves csoport átlagos ITS értékei 1,3%-kal a száraz csoport ITS értékeinél magasabbra adódtak. Ez ellentmond a vizsgálatban végrehajtott leromlási procedúra elvének, azonban jó szemcse-bitumen tapadással rendelkező keverékeknél ez az anomália előfordulhat. Megfigyelhető, hogy az üvegaszfalt keverékek is kedvező tulajdonságot mutattak a vizsgálat szerint. A mészhidrát tapadásjavító tulajdonsága nem mutatkozott olyan markánsan jelen esetben, mint amit több más kutató is bemutatott.

ITSR hasító-húzó szilárdság hányados eredményei.
3AC11_0_5,7 3AC11_15_5,2 3AC11_30_5,0 3AC11MH_15_5,3 3AC11MH_30_5,2
ITSR [-] 101,3 88,5 89,6 92,4 92,5

Általában a kutatásokban a keverékek kb. 5-10 %-kal magasabb TSR értékekről számolnak be mészhidrát adagolás mellett. (Maupin, 1998; Lesueur et al. 2013; Behbahani et al. 2015) A kutatási eredményeim alapján mindössze 2-3 %-kal adódtak alacsonyabb értékek mészhidrát adagolása nélkül. Hozzá kell tenni, hogy a hivatkozott kutatásokban módosított Lottman-teszt alapján 150 mm átmérőjű zsirátoros tömörítéssel gyártott próbatesteken határozták meg a keverékek vízérzékenységét.

A szakirodalomban leírt üvegarány adagolás melletti vízérzékenység növekedés 15%-os adagolásig jelen esetben is megfigyelhető. Azonban további leépülés nem mutatkozott sem a mészhidrát adagolás nélküli 3AC11, sem a mészhidrát adagolással készített 3AC11MH keverékek esetén a fenti cikkekben tapasztaltakkal ellentétben.

IT-CY Merevség

A merevségi modulus (Sm) fontos tényező a pályaszerkezetek dinamikus terheléssel szembeni ellenállásának előrejelzésében. Az IT-CY merevségi modulus az axiális terhelés feszültség-feszültségváltozásának sebessége, amely az aszfaltkeverék viselkedését mutatja terhelési körülmények között. Mivel az aszfaltkeverékek viselkedése érzékeny a hőmérsékletre és a terhelés időtartamára, a merevségi modulus ezen paraméterek függvénye, amely kapcsolat különböző keverékek esetében eltérő.

A hazai előírásban előírtak szerint könnyű és normál igénybevételi kategóriában nincs előírt érték aszfaltbeton keverék esetén merevségre. Fokozott igénybevételi kategória esetén, megadandó paraméterként kell szerepeltetni MSZ EN 12697-26:2012 Aszfaltkeverékek. Meleg aszfaltkeverékek vizsgálati módszerei. Merevség, C melléklet hasító-húzó vizsgálat IT CY merevségeit. A szabványban leírtak szerint 2×50 ütéses Marshall-próbatesteken kell elvégezni a vizsgálatot 20 °C-on 124 µs erőfelfutás mellett. Az eredmények az 5. ábrán láthatók.

IT CY merevség átlagai 20 °C 124 µs erőfelfutás esetén.
3AC11_0_5,7 3AC11_15_5,2 3AC11_30_5,0 3AC11MH_15_5,3 3AC11MH_30_5,2
Sm [Mpa] átlag 4935 6211 5882 6823 6420

Összeségében elmondható, hogy a legalacsonyabb merevség értéke a referencia, 0%-os zúzottüveg adagolású keveréknek adódott. Megfigyelhető, a zúzottüveg adagolás 15%-ig merevség növekedést eredményezett. A referencia keverékhez képest 15% zúzottüveg adagolású keverék mészhidrát nélkül 25%-kal, míg mészhidrát adagolás mellett 38%-kal növelte meg a vizsgált merevségét a keveréknek. Azonban a 30%-os adagolás esetén kis mértékű visszaesés figyelhető meg a merevségek értékeiben. A megnövekedett merevség a zúzottüvegek aszfaltkeverékbe történő hatékony beágyazódásának köszönhető. A kőváznak megnövekedett belső súrlódási szögét az üvegszemcsék nagyobb mértékű szögletessége adja, illetve a bazalt és üveg közti szilárdság különbség. Azonban feltételezhető, hogy egy optimális értéket elérve ezen szemcsék bősége miatt egyre több üvegszemcse-üvegszemcse kapcsolat alakul ki, amelyek nem képesek a bitument hatékonyan felvenni, így egymáson elcsúszni képesek, ami a merevség csökkenését eredményezheti. A merevségek ezen tendenciáját más kutatók is megállapították. A csökkenő tendencia kezdetét aszfaltbeton kopóréteg esetén Dmax=4,75 mm zúzottüveg adagolás mellett kb. 15-20%-ban állapították meg. (Arabani, 2011; Shafabakhsh et al., 2014; Arabani et al., 2014). Megfigyelhető továbbá, hogy mészhidrát tapadásjavítóval kezelt keverékek merevségei 12-15 %-kal magasabbra adódtak, mint a tapadásjavító adalékszer nélkül készített próbatesteké.

Keréknyomképződés

Az öt keverék plasztikus deformációs hajlamát az MSZ EN 12697-22:2003 A1.2008 Aszfaltkeverékek. Meleg aszfaltkeverékek vizsgálati módszerei. Keréknyomképződés szabványban előírtak szerint hajtottam végre.

A hazai előírás alapján könnyű és normál igénybevételi kategóriában nem támaszt az előírás követelményt keréknyom-képződési ellenállás tekintetében. Fokozott igénybevétel esetén B 50/70-es útépítési bitumen használata mellett kiskerekű berendezéssel levegőn mért keverék fajlagos nyommélysége 10 000 terhelési cikluson maximálisan 7% lehet. A 6. ábrán látható a keverékeken mért fajlagos nyommélységek és azok átlagai. A referencia keverék ellenálló tulajdonságát mutatja, hogy teljesíti a fokozott igénybevételi kategória előírt értékét, amely határt egyik üvegaszfalt keverék sem érte el. Keréknyomképződés tekintetében megfigyelhető, hogy az üveg adagolási mennyiségének növekedése a vizsgált keverékek esetében keréknyomképződési hajlam növekedést eredményez. Azonban 4% mészhidrát adagolás esetén ennek mértéke csökkent.

Fajlagos nyommélység a vizsgált keverékeken.

A 3AC11MH_15 keverék megközelíti az előírt határértéket, kissé módosított összetétellel feltételezhető, hogy teljesíteni is tudná azt. Érdekes, hogy a 3AC11_15 keveréknél még a 4 % mészhidráttal készült 30%-os üveg adagolású keverék is kedvezőbb keréknyomképződési ellenállást mutatott, ami még inkább annak jótékony hatását igazolja.

Érdekes megfigyelni a 3AC11_15 típusú keverékek görbéjének alakulását. A vizsgálatban megszokott trendtől egy gyors kezdeti alakváltozást követően már kevesebb, mint 1000 ciklus után figyelhető meg egy szinte teljesen lineáris szakasz. Ez általában és a többi keverék esetén is későbbi ciklusszám után következik be.

A 6. ábrán feltüntetett WTSAIR (wheel tracking slope) a kondicionálási szakasz (5000 kerékáthaladás) utáni grafikonrész meredekségét jelenti milliméterben 1000 ciklusra számítva. Úgy kell meghatározni, hogy a 10000. ciklusban mért deformáció értékéből kivonjuk az 5000. ciklusban mért deformáció értékét, és elosztjuk 5-tel.

Ezt a paramétert nem befolyásolja a keverék kezdeti összenyomódása, ami nagyban függ a keverék térfogatváltozásából. Finomszemcsés keverékek esetén például a spanyol PG3-szabályozás 0,07- 0,1 mm /1000 ciklusú WTS határértéket határoz meg az EN 12697-22 kiskerekű berendezéssel vizsgált eljárásában, az éghajlati viszonyoktól és forgalmi terheléstől függően. (García et al., 2012)

A hazai szabályozás nem támaszt követelményt ezen paraméterrel szemben. A vizsgálataim alapján a referencia keverék 0,04 mm/1000 ciklus WTS érték, tehát kifejezetten ellenálló tulajdonságra utal. Érdekes megfigyelni, hogy a mészhidráttal előállított keverékek fajlagos nyommélység görbe meredekségei és mészhidrát nélkül előállított üvegaszfalt keverékek 15% és 30 % zúzottüveg adagolás mellett szinte megegyeznek egymással. Az utóbbi viszont majdnem háromszor meredekebb deformációs meredekséget mutat. A 0,11 mm/1000 ciklus WTS értékek a mészhidrát tapadásjavító adalékszer, plasztikus deformációs hajlamra való jótékony hatását mutatja.

A mészhidrátot nem tartalmazó keverékek eredményei a szakirodalomban sokkal inkább kiemelt vízérzékenységi hajlamnál talán még érzékenyebb tulajdonságára hívják fel a figyelmet az üvegaszfalt keverékeknek.

Összefoglalás

A vizsgálatban felhasznált zúzott hulladéküveg kb. 10-15%-kal alacsonyabb térfogatsúllyal rendelkezik az általánosan használt útépítési zúzottköveknél (a kutatásban használt Nógrádkövesd NZ 0/4 2,86 kg/Mg, míg Fer-Marik ZÜ 0/5 2,49 kg/Mg). Ennek köszönhetően az üvegaszfalt testsűrűsége alacsonyabb, az aszfaltbeton testsűrűségénél, amely nagyobb termelékenységet eredményezhet beépítéskor.

Alacsony (0-30%) zúzottüveg adagolási tartományban az üveg adagolásának növelése mellett a keverékek bitumen igénye csökken. A kutatásban használt kötőanyag és kőanyagok használata esetén az optimális 5,7%-os bitumentartalom 15%-os zúzottüveg adagolás esetén 0,4-0,5%-kal csökken, míg 30%-os adagolás esetén kb. 0,5-0,7%-kal.

A Marshall-vizsgálat eredmények tekintetében elmondható, hogy a keverékek optimális bitumentartalma mellett magas stabilitási értékeket kaptunk. Az ASTM 1559 (2008) Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixture using Marshall Apparatus szabványban előírt 5,36 kN -os határértéket mindegyik keverék kielégíti, ez főként a megfelelő minőségű kőanyaghalmazok és üveghalmaz minőségét igazolja. A legmagasabb érték a mészhidráttal kezelt keverékeknél adódtak. A Marshall-folyás eredményei is szintén kielégítik a szabványban előírt 2 mm-4,5 mm közötti követelményt, annak alsó határához közelítenek. A kapott eredmények 2,0-2,4 mm közötti szűk tartományban mozognak.

Finomszemcséjű zúzottüveg adagolása mellett (Dmax=4-5 mm) kb. 15-20 %-ig az aszfaltkeverékek merevsége növekszik, kőváznak megnövekedett belső súrlódási szöge az üvegszemcsék nagyobb mértékű szögletessége, illetve a bazalt és üveg közti szilárdság különbség miatt. Egy optimumot elérve, azonban egyre több üvegszemcse-üvegszemcse kapcsolat alakul ki, amelyek nem képesek a bitument hatékonyan felvenni, így egymáson elcsúszni képesek, ami a merevség csökkenését eredményezi. Mészhidrát adagolás esetén a kötőanyag szemcse tapadás növekedése miatt a vizsgálatokból 10-15 %-os merevség növekedés látszik.

A vizsgálat szerint 30%-os zúzottüveg adagolásig a fokozott igénybevételi kategóriába tartozó ITSR 80% követelmény megfelelő keveréktervezéssel biztosítható, de mészhidrát adagolása mellett a vízérzékenység kockázata még jobban csökken, a keverék tartóssága kedvezőbben biztosítható.

30%-os adagolásig könnyű (P) és normál (N) igénybevételű utaknál kopórétegbe beépíthetőnek bizonyulnak a vizsgálati összetételű keverékek. Fokozott (F) igénybevételi kategória esetén alacsonyabb forgalmi terhelésű utaknál (C esetleg D) 5-15 %-ban tapadásjavítószer használata esetén (pl. mészhidrát) alkalmas lehet kopórétegben. Magasabb adagolás és adalékszer hiányában kritikus lehet, keréknyomképződési ellenállása a keveréknek.

Irodalomjegyzék

Arabani, M. 2011: Effect of glass cullet on the improvement of the dynamic behaviour of asphalt concrete, Constraction and Building Materials 25, 1181-85; https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.09.043

Ambrus, K. 2006: Az SNM 46 jelű syntumen adalékkal készített aszfaltkeverék vizsgálatai, Közúti és Mélyépítési Szemle 56(1)

Afshinnia, K., & Rangaraju, P. R. 2015: Influence of fineness of ground recycled glass on mitigation of alkali–silica reaction in mortars, Constraction and Building Materials 81, 257–67; https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.02.041

Behbahani, H., Ziari, H., Kamboozia, N., Mansour Khaki, A. & Mirabdolazimi, S. M. 2015: Evaluation of performance and moisture sensitivity of glasphalt mixtures modified with nanotechnology zycosoil as an anti-stripping additive, Consturuction and Building Materials, 78, 60-68; https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.053

Chesner, W. 1992: Waste Glass and Sewage Sludge Ash Use in Asphalt Pavement, Utilization of Waste Materials in Civil Engineering Construction. American Society of Civil Engineering

Chesner, W. & Petrarca, R. 1987: Report on Glass Aggregate Pavement for the Browning Ferris Industries Merrick Transfer Station Located in Hempstead, New York

Dembicki, M. 1992: Glasphalt paves an alternate route, Waste Age Magazine, 23, 87–92

Federal Highway Administration Research and Technology, 1998: User Guidelines for Waste and Byproduct Materials in Pavement Construction, WASTE GLASS, Publication Number: FHWA-RD 97-148

Flynn, L. 1993: Glasphalt Utilization Dependent on Availability, Roads and Bridges

García-Travé, G., Martinez-Echevarria, M. J., Rubio Gámez, M. C. & Moreno-Navarro, F. 2012: Bituminous mix response to plastic deformations: comparison of the Spanish NLT-173 and UNE-EN 12697-22 wheel tracking tests. Dyna 174, 51–57

Hawken, P., Lovins, A. B. & Lovins L. H. 2013: Naturalcapitalism: the next industrial revolution, 1sted. US Green Building Council

Hughes, C. S. 1990: Feasibility of using recycled glass in asphalt, Virginia Transportation Research Council, VTRC 90-R3 Charlottesville

Jony, H. H., Al-Rubie, M. F. & Jahad, I. Y. 2011: The Effect of Using Glass Powder Filler on Hot Asphalt Concrete Mixtures Properties, Engineering and Technology Journal 29, 44-57

Lesueur, D., Petit, J. & Ritter H. J. 2013: The mechanisms of hydrated lime modification of asphalt mixtures: a state of the art review, Road Materials and Pavement Design, 14, 1–16; https://doi.org/10.1080/14680629.2012.743669

Maupin, G. W. 1998: Effect of glass concentration on stripping of glasphalt, Virginia Transportation Research Council Final Report, 1-20

Nazirizad, M., Kavussi, A. & Abdi, A. 2015: Evaluation of the effects of anti-stripping agents on the performance of asphalt mixtures, Constraction and Building Materials, 84 (Supplement C) 348–53; https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.03.024

Petrarca, R. 1988: Use of Glasphalt, Paper Presented to the Long Island Society of Asphalt Technologists

Rosta, Sz. 2019: Zúzott hulladéküveg felhasználhatóságának vizsgálata aszfaltbeton kopórétegben, MSc. Diplomamunka Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 7-19

Shafabakhsh, G. H. & Sajed, Y. (2014): Investigation of dynamic behavior of hot mix asphalt containing waste materials, case study, Glass cullet; Case Studies in Construction Marterials, 96-103; https://doi.org/10.1016/j.cscm.2014.05.002

Su, N. & Chen, J. S. 2000: Physical properties of glass asphalt concrete and it’s applications. The first conference on roadway pavement, Taiwan, 12–26

Zaydoun T. Abu Salem, Taisir S. Khedawi, Musa Bani Baker & Raed Abendeh 2018: Effect of Waste Glass on Properties of Asphalt Concrete Mixtures, Jordan Journal of Civil Engineering, vol. 11 (1)

 

Erre a szövegre így hivatkozhat:

Rosta Szabolcs:  Tapadásjavító mészhidráttal kezelt alacsony zúzottüveg adagolású AC 11 kopó keverékek teljesítménye a hazai szabályozás alapján, 2020, DOI: 10.36246/UL.2020.2.05