ENVIRONMENTÁLNÍ TECHNOLOGIE, ENERGETICKÁ NÁROČNOST

1. ENVIRONMENTÁLNÍ TECHNOLOGIE, ENERGETICKÁ NÁROČNOST Jan Valentin 24.-25.11.2009, České Budějovice

2. Úvodní poznámka

3. Příspěvky k tématu IV konference • Problematika recyklace • dodáno šest příspěvků • jeden příspěvek zahraniční (Francie) • Problematika nízkoteplotních směsi • dodáno pět příspěvků • jeden příspěvek zahraniční (Francie) • Problematika uplatnění drcené pryže • dodány čtyři příspěvků • jeden příspěvek slovenský • Problematika asfaltových směsí s pojivem CRmB • dodáno šest příspěvků • dva příspěvky zahraniční (Německo,USA) a jeden slovenský

4. Asfaltové směsi s uplatněním drcené pryže

5. Úvod - obecně • využívání drcené pryže v asfaltových směsích se i v České republice od osmdesátých let v pravidelných cyklech opakuje; • existují dva procesy využití v asfaltové směsi – mokrý a suchý; • v roce 2009 v této souvislosti vydány aktualizované TP148; • problematika uplatňování drcené pryže v posledních letech v řadě evropských zemích velmi aktuální; • zaměření na problematiku motivováno podmínkami směrnice o odpadech a evropských předpisů týkajících se ochrany ovzduší a produkce emisí; • stoupá množství starých pneumatik, které jsou problematické z hlediska skládkování; • při spalování starých pneumatik nezbytné garantovat, že nedojde k emisi zplodin obsahujících síru.

6. Úvod – problematika starých pneumatik • v zemích EU se ročně vyprodukuje 300 mil. kusů opotřebovaných pneumatik; • obsah kaučuku v pneumatice je cca 30-50 %-hm.; • využití: • cementárny • gumárenský průmysl • silniční stavitelství • otázka dopadů na životní prostředí.

7. Úvod – uplatnění v silničním stavitelství • kaučuk obsažený v pneumatikách je vulkanizovaný sírou => náročné rozpouštění v asfaltovém pojivu; • možnosti rozpouštění: • přímé (energeticky i časově náročné), • rozpouštění s využitím změkčovadel, • úprava granulátu termickou devulkanizací (ekonomicky náročnější na pořízení zařízení), • potřeba správného stanovení teploty i doby míchání při aplikaci drcené pryže do asfaltového pojiva; • při teplotách nad 230°C dochází k postupné destrukci vazeb v chemické struktuře pryže => ztráta pružných vlastností, degradace; • některé složky pryžového granulátu nejsou zcela rozpustné v pojivu (např. saze).

8. Asfaltové směsi s CRmB – české zkušenosti • Příspěvek KUDRNA et al.: • zaměřeno na mokrý proces, tzn. přípravu asfaltového pojiva modifikovaného pryžovým granulátem; • technologie suchého procesu v ČR selhaly; • použití drcené pryže v množství 15-25 %-hm. pojiva. • Příspěvek ŽALMAN: • ověřovací směsi a provedení posouzení v praxi směsi AC s uplatněním CRmB; • použití drcené pryže v množství 18-20 %-hm. pojiva.

9. Rozsah experimentu (KUDRNA) • použití pryžového granulátu z mechanického mletí a granulování; • ověření přijatelnosti uplatnění podílu zkalandrovaného granulátu; • pryž zrnitosti 0/1 nebo 0/2; • jako základní pojiva uplatněny asfalty 50/70 a 70/100; • vlastnosti pojiva laboratorně stanoveny po 60 min. míchání při 175°C; • kontrolní zkoušky pojiv z praxe (podmínky výroby) po 10 hod. @190°C a 45 min. @170°C; • výsledky potvrzují obecné zkušenosti – pokles penetrace i o několik tříd, nárůst bodu měknutí a více jak třicetinásobný nárůst viskozity @175°C.

10. Rozsah experimentu (KUDRNA) • návrh a výroba směsí typu AC, PA a BBTM; • u směsi AC o 2 %-hm. vyšší obsah pojiva; • ověřování empirických i funkčních vlastností; • upřednostnění funkčních charakteristik s ohledem k menší vhodnosti návrhu směsi Marshallovým pěchem; • uplatnění adhezní přísady vápenného hydrátu (potřeba zlepšení odolnosti proti účinkům vody); • sledováno stárnutí směsi (uložení nezhutněné směsi @80°C po dobu 2 a 7 dní).

11. Výsledky (KUDRNA) Odolnost proti vodě • zjištěna nižší odolnost směsí s CRmB vůči účinkům vody => vliv na životnost; • přísada vápenného hydrátu v množství 20 % hmotnosti pojiva zabraňuje vlivu CRmB z hlediska hodnoty ITSw; • vápenný hydrát pravděpodobně má pozitivní vliv i na stárnutí směsi. Tuhost • moduly tuhosti (@15°C a 10 Hz) směsí s CRmB jsou nižší než u srovnávacích směsí; • u směsí ze zkušebních úseků se pravděpodobně ukazuje vliv množství drcené pryže (vyšší obsah vede k nižší tuhosti); • při stejném obsahu pryže vápenný hydrát snižuje tuhost.

12. Výsledky (KUDRNA) Únava • charakteristiky stanoveny @10°C a 25 Hz dle ČSN EN 12697-24; • zlepšení charakteristiky 6 u směsí s CRmB v porovnání se standardní směsí; • přísada vápenného hydrátu naopak mírně zhoršuje únavové vlastnosti. Nízkoteplotní vlastnosti • zkouška není v ČR standardizována; • uplatněn postup Thermal Stress Restrained Specimen Test; • z hlediska vzniku mrazových trhlin došlo u směsí s CRmB k snížení teploty v průměru o 6°C.

13. Výsledky (KUDRNA)

14. Výsledky (KUDRNA) Ztráta částic u PA • při obsahu pojiva nad 8 %-hm. ztráta částic do 10 %; • vliv simulace účinku mrazu přinesl nárůst ztráty částic cca o 2 %; • vliv simulace stárnutí přinesl nárůst ztráty částic cca o 3 %. Akustické vlastnosti

15. Výsledky (KUDRNA) Environmentální hlediska • diskutované riziko uvolňování škodlivých látek při výrobě a zpracování => zejména některé PAU; • studie ve Švédsku či v Německu účinky těchto látek nepotvrdily; • oproti tomu některé studie NIOSH poukázaly na riziko vybraných PAU z hlediska chronických onemocnění. Další vývoj • návrh a ověření směsi typu SMA; • provedení zkušebních úseků na PK typu D a R.

16. Rozsah experimentu (ŽALMAN) • návrh a výroba směsí typu AC – označená jako ACR v souladu s firemním TP; • obsah pojiva ve směsi 7,5-8,6 %-hm.; • provedení ověřovacího úseku (I/36 – obec Časy – rekonstrukce); • použito CRmB dovezené z Itálie (Asphalt Rubber Italia); • penetrace pojiva 25-75p.j., bod měknutí ≥ 54,4°C, viskozita @175°C v rozmezí 1,5-5 Pa.s; • pojivo možné udržovat při teplotě 165-185°C po dobu 10h.

17. Výsledky sledovaných směsí (ŽALMAN) *** zvýšení fp oproti směsi AC na navazujícím úseku **** snížení hluku oproti hladině hluku navazujícího úseku (při 50 km/h)

18. Výsledky sledovaných směsí (ŽALMAN) • použitá drcená pryž prakticky neobsahuje zrna < 0,063 mm; • nebylo prokázáno skutečné rozpouštění pryže v asfaltovém pojivu spíše lze usuzovat na dílčí rozpouštění (zmenšování) větších částic drcené pryže; • samostatně zjišťován a vyloučen úbytek pryže jejím povařením v rozpouštědle => max. úbytek 1 %-hm.; • prokázána vysoká odolnost proti trvalým deformacím a odolnost proti kopírování trhlin; • zlepšené nízkoteplotní vlastnosti; • předpokládán úbytek hlukové zátěže => vymezení směsi ARCT. POZNÁMKA: • zjištěné zvýšení vratné duktility @25°C (40 %) vyžaduje další ověření dosavadním poznatkům.

19. CRmB směsi – zahraniční zkušenosti • Příspěvek LOVEČEK et al.: • zaměřeno na mokrý proces; • návrh, ověření a výroba modifikovaného asfaltu PmB 45/80-55 s přísadou drcené pryže. • Příspěvek BEER et al.: • poznatky ze zkušebního úseku v Německu; • použití komerčního CRmB ve směsi SMA8 a porovnání se směsí s tradičním PmB. • Příspěvek MARCANT et al.: • využití vhodných aditiv pro zlepšení vlastností CRmB; • poznatky patentované technologie s využitím Innovalt R; • řešení problematiky stability a ekonomické efektivity.

20. Slovensko - dosavadní poznatky (LOVEČEK) • při mokrém procesu byl upřednostněn postup s termickou devulkanizací; • jako vhodnější se ukázala asfaltová pojiva s vysokým obsahem malténů (lepší nabobtnání pryže); • pro výrobu asfaltového pojiva Apollobit R použito obdobného pryžového granulátu.

21. Slovensko - dosavadní poznatky (LOVEČEK) Závěry: • potřeba provedení a sledování zkušebních úseků s porovnáním obou způsobů využití drcené pryže; • výroba asfaltového pojiva modifikovaná u výrobce se jeví jako výrazně efektivnější; • tato výroba přesto zůstává v porovnání s tradičním PmB energeticky náročnější (při výrobě i skladování na obalovnách); • z hlediska životního prostředí sledován charakteristický zápach => potřeba hygienických měření

22. Zkušební úsek v Německu (BEER) Vstupní poznatky: • v řadě zemích preferovány aplikace s použitím minimálně 15 %-hm. pojiva; • systém termodynamicky nestabilní vyžadující neustálé míchání; • pojivo CRmB se obecně hodí hlavně pro výrobu asfaltových směsí s vyšším podílem hrubého kameniva (vytváří odpovídající kostru); • v porovnání s klasickou směsí možný útlum hluku 8-10 dB(A); • dobrá odolnost proti vzniku trvalých deformací, nižší tendence ke stárnutí (obsaženy antioxidanty přítomné v pryži), zvýšená odolnost proti vzniku trhlin.

23. Zkušební úsek v Německu (BEER) Popis zkušebního úseku: • provedení obrusné vrstvy SMA ve dvou technologiích; • klasifikace pozemní komunikace: II. třída, 13.000 vozidel/24hod.; • tloušťka obrusné vrstvy 35 mm; • použito pojivo Mexphalte 45RM + 1,5% FTP (kvůli snížení viskozity); • pojivo vyrobeno mimo obalovnu; • směs vyrobena s teplotou 160-167°C s obsahem 20 % R-materiálu; • pokládka provedena dvěma finišery na horkou spáru; • hutnění oscilačními válci (8t) a statickými válci (12t).

24. Zkušební úsek v Německu (BEER) Poznatky: • průměrná hodnota mezerovitosti 3,8 % s průměrnou hodnotou stupně vyplnění mezer 81,6 %; • hloubka koleje po 20.000 pojezdech @20°C (voda, ocelové kolo); • nebyly prokázány žádné náznaky snížené přilnavosti pojiva ke kamenivu; • výsledky mezi směsí s CRmB a PmB jsou srovnatelné; • oba posuzované úseky jsou rovnocenné; • rozšíření asfaltových směsí s CRmB brání skutečnost, že pojivo nelze skladovat déle než několik hodin a to s dostatečným mícháním.

25. Kombinace pryže a aditiv (MARCANT) Motivace: • přínos z hlediska životního prostředí (využití pryže starých pneumatik namísto jejího spalování); • proměnlivá cena průmyslových polymerů; • problematika s vysokou viskozitou a nízkou stabilitou při dávkování 15-25 % drcené pryže do asfaltového pojiva. Příklady zahraničních specifikací: • v USA specifikace pro pojiva s obsahem drcené pryže >20 % nebo s obsahem drcené pryže a SBS; • ve Španělsku vymezeny tři kategorie: • asfaltové pojivo modifikované drcenou pryží, • vylepšený gumoasfalt, • vysoko viskózní asfaltové pojivo modifikované pryží.

26. Kombinace pryže a aditiv (MARCANT) Koncept technologie CRmB s Innovalt R: • návrh složení CRmB je vždy kompromisem mezi bodem měknutí, vratnou duktilitou, skladovou stabilitou a viskozitou; • vmíchání drcené pryže do asfaltového pojiva při vysokých smykových rychlostech po dobu 2-8 hodin; • následně aditivace Innovalt R400 po dobu 30 minut @160°C (množství 0,5-1,0 %).

27. Kombinace pryže a aditiv (MARCANT) Některé poznatky: • viskozita se při stejné době míchání výrazně zvyšuje v závislosti na množství přidávané drcené pryže; • při stálém obsahu drcené pryže se viskozita jakož i vratná duktilita zvyšují s rostoucí dobou míchání drcené pryže; • současně se mění tuhost pojiva; • pokud se zvyšuje množství Innovalt R, dochází k odpovídajícímu zvýšení hodnot tuhosti i viskozity; • aditivace Innovalt R má pozitivní vliv na parametr vratné duktility (pravděpodobně vliv spolupůsobení přísady a pryže); • vliv původu drcené pryže na vlastnosti je omezený.

28. Kombinace pryže a aditiv (MARCANT)

29. Protihlukové vrstvy (HALODOVÁ) • Úvod • hluk = druh environmentálního znečištění; • představuje problém nejen ve městech, ale i v extravilánu; • jedna z priorit řešených v rámci EU. • Mechanismy na styku pneumatika – vozovka: • primární zdroje => valivý hluk (při rychlosti nad 60 km/h tvoří více jak 75 % dopravního hluku; • sekundární (zesilující) zdroje => energie vyvinutá na styku se vyzařuje jako hluk a radiální vibrace.

30. Protihlukové vrstvy (HALODOVÁ) • Primární zdroje: • náraz dezénového bloku; • sání vzduchu (air-pumping); • tření mezi pneumatikou a vozovkou. • Sekundární zdroje: • vznik při neefektivním vyzáření energie na styku; • zesilující efekt; • píšťaly varhan a Helmholtzoby rezonátory.

31. Protihlukové vrstvy (HALODOVÁ) • CB kryty s optimalizovanou strukturou: • vymývaný beton; • CB kryt s drážkovanou strukturou či texturováním; • tenké vrstvy položené na povrch (nátěry). • Drenážní kryty (se systémem propojených mezer): • jednovrstvé nebo dvouvrstvé drenážní asfaltové koberce (PA); • drenážní (mezerovitá) CB obrusná vrstva. • Pružné a ostatní povrchy: • asfaltové vrstvy s pryžovým granulátem; • porézní elastické povrchy; • povrchy s jemnou texturou (snížení velikosti max. zrna), např. upravený typ SMA.

32. Protihlukové vrstvy (HALODOVÁ) • Přínosy protihlukových vrstev: • snížení hladiny hluku o 3-6 dB (A); • dvouvrstvé drenážní koberce mohou vést ke snížení až o 12 dB; • při použití drcené pryže lze u mezerovitých směsí dosáhnout útlumu až o 6 dB(A); • snížení se projeví zejména při rychlostech > 50 km/h; • u asfaltových směsí s drcenou pryží prodloužení životnosti, optimalizace protismykových vlastností a omezení některých poruch. • Negativní aspekty: • snížení mezerovitosti v důsledku zanášení nečistotami.

33. Environmentální aspekty v oblasti asfaltových vozovek

34. Životní prostředí vs. asfaltová pojiva a směsi • Příspěvek GÁBOR et al.: • problematika potřebného rozvoje silniční infrastruktury vs. aspekty ochrany životního prostředí; • shrnutí tzv. environmentálních technologií; • základní vymezení významu vozovek s dlouhou životností. • Příspěvek PLITZ et al.: • dosavadní poznatky ukazují, že asfalt není nebezpečná látka; • dle REACH by měl být klasifikován kategorií WT; • za běžných podmínek asfalt nepředstavuje žádné riziko pro zdraví a životní prostředí.

35. Environmentální technologie (GÁBOR) Environmentální technologie identifikované pro Slovensko: • třídění odpadu a technologie recyklace; • nová řešení ve výstavbě PK => např. CB vozovky; • technologie prodlužující životnost a zvyšující bezpečnost (mikrokoberce, nátěrové technologie); • nová generace pojiv na bázi rostlinných látek (Végecol a další); • asfaltové směsi s 3E; • vozovky s dlouhou životností.

36. Environmentální technologie (GÁBOR) Využití odpadu a recyklace: • obecný problém moderní společnosti; • potřeba podpory a propagace opětovného využití odpadů; • mnohdy získáváme materiály srovnatelných vlastností a kvality jako původní surovina; • významný podíl zaujímá stavební a demoliční odpad (na jednoho obyvatele ročně 0,6-1 tuna SDO); • potřeba a nutnost využití tohoto materiálu zpět ve stavebních konstrukcích; • výhody recyklace: • aktivní přístup k ochraně ŽP • mobilita (zpracování na místě) • ekonomika • na Slovensku nedostačující předpisová základna pro recyklace.

37. Environmentální technologie (GÁBOR) Využití CB vozovek: • prosazování v souvislosti s rostoucím zatížením konstrukcí a s vyšší intenzitou; • řešení pro případ potenciálního problému s dostupností ropy; • ekonomická hospodárnost (životnost až 40 let => méně časté opravy); • z betonu se nevyluhují nebezpečné látky (výskyt vyluhování toxických látek u asfaltových směsí nebyl nikdy prokázán!!); • beton je recyklovatelný; • menší náročnost na chemickou zimní údržbu; • lepší optické vlastnosti (světlý povrch => menší náročnost na osvětlení, nižší akumulace tepla); • nehořlavost betonové konstrukce.

38. Environmentální technologie (GÁBOR)

39. Environmentální technologie (GÁBOR) Podmínky pro vozovky s dlouhou životností: • zdokonalení technologických postupů; • další zkvalitnění návrhové metody, zpřesnění poznatků o únavě a degradaci konstrukcí; • silnější vs. subtilní konstrukční vrstvy; • použití kvalitních materiálů s vysokou přidanou hodnotou; • průběžné informace o průběhu a vzniklých problémech při výstavbě a provozu pozemní komunikace; • důsledné dodržování pravidelné správy a údržby (prevence); • uplatnění výkonových (funkčních) smluv. Především ale CENA stavební dodávky není jediným kritériem!!

40. Asfaltová pojiva a otázky ŽP (PLITZ) Poznatky o škodlivosti asfaltových pojiv: • z chemického hlediska asfalt je složitou kompozicí chemických látek (zejména uhlovodíků); • zatříděn pod CAS 8002-05-9; • při vyšších teplotách dochází k uvolňování emisí, které by potenciálně mohly mít negativní vlivy; • toxikologické vlastnosti mohou představovat riziko teprve při teplotách >180°C; • karcinogenita je z hlediska vdechování dermální, z hlediska kontaktu s kůže může být slabě pozitivní vliv kondenzátu dýmů uvolňovaných při teplotě >230°C; • poznatky eko-toxicity dosud ukazují, že výluhy z asfaltu jsou hluboko pod limity pro pitnou vodu. Obecně doporučeno při aplikacích udržovat teplotu pod 200°C => dochází k minimální emisi PAU.

41. Asfaltová pojiva a otázky ŽP (PLITZ) Asfaltová pojiva v kontextu nové evropské legislativy: • podléhají klasifikaci a registraci dle REACH; • musí mít doloženu existenci předpisů pro uvolňování nebezpečných látek => činnost CEN TC351; • při posuzování shody asfaltových stavebních výrobků dle CPD (resp. CPR) musí být posouzeny emise všech složek; • pro asfaltová pojiva existuje řada ověřovacích studií. Nahlížení na asfalt z hlediska zdraví a ŽP jako na nebezpečnou látku je neopodstatněné a nesprávné.

42. Studie škodlivosti asfaltových výparů Úvod: • týká se celého zpracovatelského řetězce; • problematika zejména zvýšených pracovních teplot; • různé kategorie částic asfaltových výparů: • jemné částice, • částice rozpustné v benzenu, • celkový obsah organických látek, • obsah PAU (S-PAU, D-PAU, benzo(a)pyren).

43. Studie škodlivosti asfaltových výparů Identifikované vlivy na zdraví: • akutní (krátkodobé) podráždění: • riziko otravy a podráždění horních cest dýchacích (uzavřené prostory), • ojedinělé podráždění očních sliznic (vniknutí výparů), • akutní podráždění kůže nebylo prokázáno; • chronické vlivy na zdraví: • rakovina plic – nebyl prokázán vliv asfaltových výparů, • rakovina kůže – ověřování probíhá, • chronická obstrukční choroba plicní (určité negativní výsledky sledovány výzkumy v severských zemích).

44. Aktuální epidemiologické studie • případová kontrolní studie vlivu asfaltových výparů na rakovinu plic: • dlouhodobý výzkum IARC (více jak 20 let), • sledovány velké soubory pracovníků, kteří byly v kontaktu s asfaltovými směsmi, • studie je podkladem pro REACH a pro kladnou propagaci průmyslu zpracovávajícího asfalt, • výpary asfaltových pojiv nemají vliv na onemocnění rakovinou plic, • mnohem závažnější jsou kuřácké návyky a případná práce s dehtovými pojivy v minulosti.

45. Aktuální epidemiologické studie • studie MESTA vztahu respiračních onemocnění a asfaltových výparů: • dlouhodobé sledování souboru více jak 60 pracovníků (pouze Norsko), • sledován vliv asfaltových výparů a jemných asfaltových částic na výskyt respiračních onemocnění, • pracovní četa pokládky asfaltové směsi je v porovnání s dalšími pracovníky při výrobě a zpracování asfaltové směsi vystavena čtyřnásobně vyšší koncentraci PAU, • identifikován negativní vliv výfukových plynů strojů a projíždějící dopravy, • určité negativní vlivy ultra-jemných částic z hlediska mírného zvýšení výskytu chronických respiračních onemocnění.

46. Aktuální epidemiologické studie • studie potenciálu vlivu asfaltových výparů a aerosolů na vznik rakoviny kůže: • epidemiologický výzkum iniciován americkou NIOSH v roce 2007 pro ověření dermální expozice, • založeno na principu provádění kožních stěrů, • výzkum dosud prováděn především na laboratorních myších (nátěry kůže asfaltovým kondenzátem), • určité negativní vlivy ultra-jemných částic z hlediska mírného zvýšení výskytu chronických respiračních onemocnění, • biologické zkoušky myší kůže prokázaly, že kondenzát asfaltových výparů získaných z hutněné asfaltové směsi nebyl karcinogenní, • sledováno pouze slabé kožní podráždění a žádné jiné nežádoucí účinky.

47. Vyluhování škodlivých látek Úvod: • tlak na provádění tohoto typu zkoušek; • souvislost s ochranou podzemních vod a půdy; • do blízké budoucnosti nezbytné, pokud bude snahou surovinu identifikovat jako odpad; • podmínky vyplývají ze směrnice 2008/98/EC a z některých národních zákonů a vyhlášek (např. vyhláška 376/2001 Sb. o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů); • v rámci CEN se problematice věnuje TC292 a TC351; • riziko u druhotných materiálů používaných v silničním stavitelství je omezené => podmínkou je dostatečné třídění a využívání ověřených materiálů.

48. Vyluhování škodlivých látek Způsoby ověřování vyluhovatelnosti: • metoda vyluhování vymezením toxicity (využívána americkou agenturou EPA pro ověření koncentrací těžkých kovů); • jednostupňová vsádková zkouška vyluhovatelnosti se stanoveným poměrem kapalné a pevné fáze; • zkouška vyluhovatelnosti se závislostí na pH (obdobou vsádkové zkoušky); • sloupcová zkouška vyluhovatelnosti; • zkouška vyluhovatelnosti pro zhutněný zrnitý materiál; • dynamická monolitická zkouška vyluhovatelnosti.

49. Vyluhování škodlivých látek Alternativní měření - experiment: • činidlo vyluhování – destilovaná voda nebo kyselina octová; • zkušební vzorek o hmotnosti 1-5 g ve 100 ml činidla; • anorganický rozbor proveden zejména na mletých vzorcích; • srovnávací zkoušky provedeny na původním materiálu; • provedené též celkový rozbory chemických prvků rozpuštěním vzorku v roztoku kyseliny dusičné / kyseliny fluorovodíkové / kyseliny chloristé; • stanoveny koncentrace základních prvků (makroprvků) a stopových prvků (mikroprvků); • použito zařízení ICP EOS (optická emisní spektrometrie s plazmou) => plazma zajišťuje vznik signálu, spektrometr detekuje prvky a jejich koncentrace).

50. Vyluhování škodlivých látek Optická část spektormetru Generování plazmatu Uspořádání měření