EGYÉB HULLADÉKOK
6.5
Hulladékok és másodnyersanyagok felhasználása az útépítésben Tárgyszavak: építőipari hulladék; jogszabályok; minőségvizsgálat; hulladékfelhasználhatóság; vízáteresztő képesség; vizsgálati módszerek; habbitumen.
Hulladékok és másodnyersanyagok kötőanyagmentes beépítésének lehetőségei Németországban már 20 éve alkalmaznak építőipari reciklátumokat (hulladékokat, másodnyersanyagokat) az útépítésben. Egy nemrégiben végzett tanulmány – amelyben kötőanyagmentes rétegeket vizsgáltak az útfelépítményben – kimutatta, hogy már 10 éve forgalomban használt rétegek esetében is gyakorlatilag alig lépett fel öregedés, a teherviselő képesség elfogadhatónak, sőt jónak mondható. A laboratóriumi vizsgálatok kimutatták, hogy a hulladék összetételének és a fagyási/olvadási ciklusokkal szembeni ellenálló képességnek van döntő szerepe a minőség meghatározásában. A későbbiekben ügyelni kell arra, hogy lehetőleg minél kisebb ingadozás lépjen fel a beépített másodnyersanyagok összetételében, és a vízáteresztő képességet is fel kell venni a minőségbiztosítási paraméterek közé. Az útépítés gyakorlatában építőipari eredetű hulladékok alatt olyan ásványi anyagokat értünk, amelyeket előzőleg természetes vagy mesterséges építőanyagokként, (kötőanyaggal együtt vagy anélkül) már alkalmaztak. Átépítéskor vagy bontáskor a zömmel ásványianyag-tartalmú hulladékot esetleges későbbi felhasználás céljából elkülönített konténerekbe gyűjtik. Az építőipari hulladékokat felhasználhatjuk magukban vagy más ásványi anyagokkal együtt – ez esetben építőipari másodnyersanyag keverékről beszélünk. Németországban számos olyan útszelvény létezik, ahol ilyen építőipari hulladékokból készült, kötőanyagmentes hordfelületek már legalább10 éve üzemelnek. Ennyi idő már elég ahhoz, hogy eldöntsük: az eddig alkalmazott kiválasztási kritériumok, vizsgálati módszerek mennyire váltak be, és kell-e változtatni rajtuk? A Német Környezetvédelmi Hivatal által finanszírozott kísérletekben ezekre a kérdésekre próbáltak meg választ kapni.
A jelenlegi szabályozás és alkalmazhatósági kritériumok Jelenleg az ásványi anyagok felhasználását az útépítésben és a másodnyersanyagok hozzáadásának feltételeit minisztériumi rendeletek szabályozzák Németországban, amelyeket kiegészítenek a teherhordó rétegekre és az útépítési földmunkákra vonatkozó előírások, valamint az ipari melléktermékek útépítési alkalmazására és a beton útalapokban való felhasználására vonatkozó alkalmazási segédletek. Eszerint ilyen anyagokat korlátlanul használni lehet az SV és I–VI. osztályú autóutak fagyvédő rétegében és erősítésekben hidraulikus kötőanyaggal, illetve bizonyos korlátozásokkal a sóder teherhordórétegben. Az építőipari hulladék alkalmazása tehát nem korlátozódik egyetlen területre. 80
százalékos részesedés (%)
70 60 50 40 30 20 10 0 1989
1991
1993
1995
1997
év
1. ábra Az utak teherhordó rétegébe kötőanyagmentesen beépített építőipari hulladék aránya Az 1. ábrán a kötőanyag nélkül az utak teherhordó rétegébe beépített építőipari hulladék hányadát láthatjuk 1989 és 1997 között. Ez az érték időben szemmel láthatóan csökken. Ez azzal is kapcsolatban van, hogy egyre több ilyen anyagot használnak az útépítésekben a földmunka területén, és egyéb nem funkcionális területeken. A műszaki irodalom eddig főként pozitív értéke-
léseket tett közzé az építőipari hulladékok útépítésben való alkalmazásáról. Ezekből kiderül, hogy: – egyre nagyobb mennyiségben alkalmaznak kötőanyagmentes építőipari másodnyersanyagot az utak teherhordó rétegében; – az aszfaltot és a válogatott törtbetont érdemes elkülönítve kezelni az építőipari hulladékoktól, mert azok értékes építőanyagokként hasznosíthatók; – az építőipari hulladék hozzáadását a kötőanyagmentes teherhordó rétegekhez szigorú előírások szabályozzák, de eddig még nem sikerült egyértelműen választ kapni arra a kérdésre, hogy a hagyományos nyersanyagokra kidolgozott előírások és szelekciós kritériumok minden további nélkül alkalmazhatók-e a másodnyersanyagokra, vagy esetleg szükség van külön minősítő rendszer kidolgozására; – a magasabb osztályú utak esetében a hozzáadásnak a szokásosnál szigorúbb követelményei vannak az anyagösszetétel és homogenitás tekintetében.
Mintavétel az építőipari hulladékot tartalmazó útszelvényekből és azok vizsgálata A körkérdés alapján az útépítő és recikláló cégek összesen 56 olyan helyszínt jelentettek be, ahol legalább 10 évvel ezelőtt építettek be építőipari hulladékot. Ebből az 56 helyszínből 4 autópálya, 4 szövetségi autóút, 8 országos út, 40 városi utca és 1 ipari út. Ezekből a helyszínekből választottak ki kilencet (1. táblázat), amelyekből mintát vettek a további vizsgálatokhoz. 1. táblázat A vizsgálatra kiválasztott útszakaszok, amelyeknek teherhordó rétegébe kötőanyagmentes építőipari hulladékot építettek be Hely
Építési osztály
Építés éve
A
IV/V.
1986
B
III.
1986
C
III.
1985/86
D
III.
1987
E
III.
1984
F
I.
1987
G
I.
1984
H
SV.
1992
I
I.
1987
A vizsgálatok között voltak helyszíni és laboratóriumi vizsgálatok. A helyszíni vizsgálatok között volt szemrevételezés (az „E” és „F” helyszíneken repedések voltak megfigyelhetők, de ezek nem az alkalmazott építőipari hulladékokra voltak visszavezethetők). Az építőipari hulladékot tartalmazó kötőanyagmentes teherhordó réteg a bontáskor kevéssé vízáteresztőnek bizonyult. A keresztmetszetek és furatok kiértékeléséből arra lehetett következtetni, hogy az útfelület jó állapotban van. A mérések ugyancsak azt igazolták, hogy az utak teherhordó képessége kielégítő.
Szemcseméret-eloszlás és fagyásállóság A laboratóriumi vizsgálatok között (a TL RC-ToB 95 minisztériumi rendelet szerint) a következők szerepeltek: anyagösszetétel, sűrűség, szemcsealak, törési felület simasága, ütésállóság, fagyás/olvadásállóság, szemcseméreteloszlás, térfogat-állandóság, Proctor-sűrűség, vízáteresztő képesség. A vizsgált minták anyagi összetétele szemcsénként és átlagosan nézve is elég eltérő volt (2. táblázat). Az egyes komponensek szelektív feldúsítása mások kárára azonban nem ajánlatos. A keverékre és a 8/12 mm-es frakcióra megállapított sűrűségek a mintavétel helyétől függtek (3. táblázat), és az egyes szelvények anyagösszetételének (2. táblázat) eltéréseit tükrözték. Az ilyen inhomogén rendszerek esetében az egyes szemcsetípusokra megállapított egyedi értékek nehezen vihetők át a keverékre. Az eltérő összetétel ellenére a kedvezőtlen alakú szemcsék részaránya egy kivétellel alig változott a különféle mintákban (3. táblázat). 2. táblázat Az építőipari hulladék anyagösszetétele a különböző mintavételi helyeken (az előírásokat meghaladó értékeket vastag betűvel jelöltük). Az összetétel %(m/m) értékben van megadva Paraméter
Követelmény
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Természetes kő
–
26,9
33,4
77,1
17,4
13,9
75,4
11,1
32,1
63,9
Kavics
–
0,0
0,5
0,0
0,0
0,0
0,0
16,5
0,0
4,3
Beton
–
55,5
26,4
2,6
53,3
71,6
16,5
52,7
49,3
23,8
Salak
–
0,0
5,0
0,3
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
Aszfalt
max. 30
14,0
1,3
10,4
15,8
11,0
6,8
4,6
13,3
6,5
Klinker
max. 25
3,6
4,0
0,0
12,5
3,5
0,0
2,8
0,0
0,0
Mészhomokkő
max. 5
0,0
21,3
8,0
1,1
0,0
1,3
12,3
0,0
1,8
Ásványi könnyű és szigetelőanyagok
max. 1
0,0
8,7
1,6
0,0
0,0
0,0
0,0
5,3
0,0
0,0
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
Egyéb idegen anyagok max. 0,2
3. táblázat Szemcseforma, nyers sűrűség és ütés hatására bekövetkező töredezési értékek a vizsgált minták esetében Paraméter
Követelmény
A
B
C
D
E
F
G
H
I
minták
Kedvezőtlen alakú szemcsék/darabok , %(m/m)
max. 50%
6,8
2,6
24,1
3,5
3,9
4,8
8,2
7,8
4,2
Lapos törési felületű rész, %(m/m)
–
0,0
0,5
0,0
0,0
0,0
0,0
16,5
0,0
4,3
Nyers sűrűség (teljes keverék) g/cm3
–
2,581
2,628
2,744
2,553
2,547
2,625
2,552
2,595
2,539
Nyers sűrűség (8/12 – szemcseosztály) g/cm3
2,581
2,628
2,744
2,553
2,547
2,625
2,552
2,595
2,539
Ütés hatására bekö- max. 32 vetkező töredezés, %(m/m)
21,2
31,8
25,2
26,7
25,0
21,2
26,4
20,2
19,9
Az ütésállóságot jellemző tönkremeneteli százalékok kb. 20 és 32 %(m/m) között változnak, ami még belefér a követelménybe. A minták többségénél azonban jóval a 32%-os határ alatti értékek adódtak. A legnagyobb mértékű tönkremenetelt abban a mintában figyelték meg, amelynek legnagyobb volt a „mészhomokkő + gyengén égetett tégla + vakolat” frakciója. A „természetes kő”, „kavics” és „beton” frakciók esetében nem volt korreláció az ütésállóság és az adott frakció mennyisége között, ha azonban az említett három frakció együttes mennyiségét vizsgálták, azt tapasztalták, hogy ennek növekedésével javul az ütésállóság, vagyis kisebb a roncsolódás mértéke. A szemcseméret-eloszlást illetően a 0/32 mm-es frakciót tartalmazó, fokozatos méreteloszlású, homokban gazdag keverékek kedvezők. A fagyvédő rétegekbe történő alkalmazás feltételeit a ZTV T-StB 95/98 minisztériumi rendelet írja le, és ennek alapján az „A” minta kivételével (amelyben magas a 0,063 mm-nél kisebb, iszaposítható frakció aránya) mindegyik megfelel a szabványnak (4. táblázat). Azt is hozzá kell azonban tenni, hogy a finomfrakció mennyisége a beépítés, sőt a mintavétel során is megnőhet. Az összes vizsgált esetben az építőipari hulladék fagyás/olvadásállósága gyengének bizonyult. A 8/16 mm-es frakción végzett vizsgálatokban egyik minta sem teljesítette a TL RC-ToB 95 rendelet követelményét, hogy ti. a 4 mm-nél kisebb frakció legfeljebb 3 %(m/m) lehet. Ugyanez mondható el a 0,71 mm-nél kisebb frakció határértékére. Az anyagösszetétel és a fagyásállóság összefüggése tekintetében megállapítható, hogy a nagyobb betonhányad fagyásérzékenységgel járhat,
ha nem megfelelő minőségű a betonfrakció. Ha a „mészhomokkő + gyengén égetett tégla + vakolat” frakció mennyisége meghaladja a megengedett maximális 5 %(m/m)-ot, ugyancsak gyenge fagyásállósággal számolhatunk. A „klinker + sűrű tégla + kőszerű anyag” frakció negatív hatása a fagyásállóságra nem állapítható meg egyértelműen. Amennyiben a 8/16 mm-s frakcióban a 4 mm-nél kisebb frakció aránya nem haladja meg a 10 %(m/m)-ot (ami öt minta esetében teljesül), a fagyásállósági vizsgálat elvégezhető a 0,063 mm-nél nagyobb frakción is. Az így elvégzett vizsgálat eredményeiből is az adódik, hogy az építési hulladék fagyásállósága nem kielégítő. Az újonnan keletkező 0,063 mm-nél kisebb frakció biztosabb jelzője a fagyásállóságnak, mint a teljes keveréken végzett mérés eredménye, mert a 0,063 mm-nél kisebb frakció már az eredeti mintákban is elég magas – és itt, mint említettük, nem zárható ki a mintavétel torzító hatása sem. Az anyagi összetétel és a finomfrakció megjelenése szempontjából a mészhomokkő jelenléte tűnik kritikusnak. 4. táblázat A fagyási/olvadási ciklusokkal szembeni ellenállást jellemző értékek az (az adott frakció mennyisége a fagyási/olvadási ciklusok után) építőipari hulladékot tartalmazó úttestmintákon mérve Paraméter
Követelmény
A
B
C
D
E
< 4 mm frakció (%(m/m))
max. 3,0 (5,0)
4,8 30,8
8,8 22,8
19,7
< 0,71 mm frakció (%(m/m))
(max. 1,0)
2,7 13,6
5,5 11,8
8,2
4,6
5,3
F
G
H
I
6,2 17,0
4,1
7,2
8,7
3,5
6,0
2,2
3,5
4,1
7,0
4,9
3,5
4,0
3,3
8/16 mm kiindulási frakció
Teljes, >0,063 mm kiindulási frakció < 0,063 mm frakció kezelés előtt < 0,063 mm frakció kezelés utáni növekmény
max. 2,0
1,1
2,5
1,8
1,4
1,1
0,8
2,0
0,9
1,2
< 0,063 mm frakció teljes frakció, kezelés után
max. 5,0
9,3
7,1
7,1
5,5
8,1
5,7
5,5
4,9
4,5
Víztartalom és vízáteresztő képesség Az építőipari hulladékok optimális víztartalma széles tartományban ingadozik (6,5–12,8 %(m/m)). Ezek éppúgy, mint a Proctor-sűrűség értékek (1,74– 2,14 g/cm3) a megadott tartományon belül mozognak. Az építőipari hulladékok a fagyvédő rétegek számára nem kedvező vízelnyelő képességet mutatnak. A Bajorországban megkövetelt minimum 1×10-5 m/s értéket egyik minta sem éri el annak ellenére, hogy egy kivétellel nem tartalmaznak a megengedettnél több iszaposítható (0,063 mm-nél kisebb) frakciót. Itt nem lehetett megállapítani semmilyen összefüggést az anyagösszetétellel. A vízben történő forralás
hatására fellépő töredezés (a 2 mm-nél kisebb frakció növekedése) 0,5 és 2,2 %(m/m) között változott, ami pl. a Brandenburgban érvényes maximum 1%-os határértékkel összehasonlítva, nem túl jó eredmény. A 7 napos párás környezet hatására mutatkozó térfogatnövekedés 0,05 és 0,25 %(V/V) között változott, ami pl. alatta marad a kohósalak jellemző értékének, amelyet hasonló célra ugyancsak szoktak alkalmazni.
A laboreredmények értékelése Az eredményekből az alábbi következtetéseket lehet levonni: – A legalább 10 éves utakból vett minták egyike sem felel meg a TL RCToB 95 minisztériumi rendelet minden előírásának, de az az újonnan beépített anyagokra vonatkozik, az itt vizsgált minták pedig már hosszú idejű eróziónak voltak kitéve a használat során. – A TL RC-ToB 95 és a ZTV T-StB 95/98 rendeletek szemcseméretre, szemcsealakra, törési felületekre és ütési tönkremenetelre vonatkozó előírásai teljesülnek. Egy kivétellel teljesülnek a 0,063 mm-nél kisebb frakcióra vonatkozó előírások is. – Négy minta nem teljesíti az anyagösszetételre vonatkozó előírásokat. – Különösen kritikusnak bizonyult a fagyási/olvadási ciklusokkal szembeni ellenálló képesség. Itt sem az a probléma elsősorban, hogy a 8/16 mm-es frakcióból túl sok finomfrakció képződne, hanem az, hogy a minta már eredetileg is sok finomfrakciót tartalmaz, és az eredeti és újonnan keletkező frakció együttes mennyisége meghaladja az 5 %(m/m)-ot. – Viszonylag korlátozott következtetéseket lehet levonni az anyagösszetétel hatására vonatkozóan. A „mészhomokkő + gyengén égetett tégla + vakolat” frakció nagy mennyisége rontja a fagyásállóságot, növeli a víztartalmat és csökkenti a Proctor-sűrűséget. – A vízáteresztő képesség szinte minden esetben alacsonynak adódott. – Fontos lenne megállapítani, hogy az egyes anyagtípusokon mért értékek mennyire vihetők át a bonyolultabb keverékekre, mert az egyes hulladékok összetétele meglehetősen ingadozó.
Az alkalmazhatósági kritériumok és vizsgálatok értékelése A kilenc vizsgált helyből négy esetben rendelkezésre állt valamilyen eredeti dokumentum: az „A”, „F” és „G” esetben mind a műbizonylat, mind a mérési jegyzőkönyvek, az „E” esetben pedig csak a műbizonylat. Jelentős eltérések adódtak a műbizonylat szerinti, az ellenőrző mérésekben mért, és az utólag kitermelt minták összetételében. Ez is azt bizonyítja, milyen nagy az ösz-
szetétel ingadozása a mintavétel helyétől függően, másrészt arra utal, hogy pontosan szabályozni kellene az egyes komponensek azonosítási kritériumait. 100
a szitán átmenő hányad %[m/m]
80 kitermelt minta műbizonylat ellenörző mérés 60 60 %[m/m]
40
legkisebb érték a tört anyagra
20 15 %[m/m] 0 0,063
0,125
0,25
0,71
2
5
8
11
16
22 32 45 56 63
részecskeméret, mm
2. ábra Az „A” mintavételi hely részecskeméret-eloszlása az eredeti műbizonylat, az eredeti kontrollminta és a használat után kitermelt minta esetében A 2. ábra azt mutatja be, hogy az „A” esetben milyen eltérések adódtak a részecskeméret-eloszlási görbében a műbizonylatban, az ellenőrző mérésben és a kitermelt mintában. A kitermelt minta finom (0,063 mm-nél kisebb) szemcse hányada már meghaladja a kritikus értéket, nem lenne újra beépíthető. Látható, hogy a tartós használat hatására a finomabb frakciók mennyisége nő, a többi kevéssé változik. Itt is figyelembe kell venni azonban azt a tényt, hogy a kiindulási anyag szemcseméret-eloszlásában is jelentős ingadozás mutatkozott. Az ütésállóság értéke nem változott jelentősen két minta esetében, romlás mutatkozott egy esetben és "javulás" egy esetben. Ez utóbbi valószínűleg arra vezethető vissza, hogy a kitermelt mintában az átlagosnál nagyobb volt a természetes kő frakció mennyisége. A fagyás/olvadásállóság értéke a tartós használat után kitermelt minták esetében minden esetben gyengébbnek adó-
dott, mint a műbizonylat szerinti vagy az ellenőrző próbákban mért esetekben. Az „E” és „G” minták esetében a kitermelt mintákon mért érték már nem is felel meg a beépíthetőségi szabványnak, sőt a „G” esetben már eredetileg sem felelt meg a mostani előírásnak – már kiinduláskor is túl sok volt a finomszemcsék aránya. Ez, mint már említettük, összefüggésben lehet a „mészhomokkő + gyengén égetett tégla + vakolat” frakció viszonylag nagyobb mennyiségével. A vizsgálatokból az alábbi következtetéseket lehet levonni: – Ahol rendelkezésre áll az eredeti műbizonylat és a mérési jegyzőkönyv, jelentős összetétel-ingadozás mutatható ki a műbizonylat, az eredeti és a használat utáni mérések között, ami a heterogenitásra utal. – Nagy ingadozás mutatkozott még a szemcseméret-eloszlásban, az ütésállósági és a Proctor-sűrűség értékekben. – A fagyási/olvadási ciklusokkal szembeni ellenálló képesség minden esetben gyengébb volt az eredeti értékeknél, ami nagyrészt a használat során fellépő mechanikai és vegyi erózió következménye.
Az építési hulladékok alkalmazhatóságának kérdése az útépítésben A fent említett ingadozások ellenére a Benkelman-Balken mérések és a lemezterheléses vizsgálatok azt bizonyították, hogy az építési hulladék felhasználásával készített útfelületek teherhordó képessége hosszú használat után is jó. A laboratóriumi eredmények közül kritikusnak bizonyultak az alábbiak: – anyagösszetétel, – fagyási/olvadási ciklusokkal szembeni ellenállás, – vízáteresztő képesség. Az anyagösszetétel és a mért értékek közti összefüggést csak néhány esetben lehetett megállapítani. Tekintettel a nagy összetételbeli ingadozásra, célszerűnek látszik az alkalmazhatósági kritériumoknál a maximális megengedhető összetétel-ingadozás rögzítése, és ennek szigorú ellenőrzése a belső minőségi vizsgálatoknál éppúgy, mint a szakértői vagy külső cégek által végzett átvételeknél. Ehhez azonban az is szükséges lenne, hogy egyértelműen rögzítsék a különböző anyagcsoportokba való besorolás kritériumait. A nagy összetétel-ingadozás miatt nehéz az egyes tiszta frakciókon mért értékek birtokában megjósolni a keverék viselkedését, ezért előnyben kellene részesíteni az olyan mérési eljárásokat, amelyek az egész keverék viselkedését integránsan jellemzik. Ma már léteznek olyan vizsgálati módszerek (CBR-vizsgálat, dinamikus vizsgálat, a szemcseméret-eloszlás megállapítása a Proctorvizsgálat során), amelyek egyéb anyagok (pl. háztartási szemét hamuja) esetében már beváltak. Ezekkel az eljárásokkal a teherhordó képességgel párhuzamosan a térfogatállandóság vagy a fagyási/olvadási ciklusokkal szembeni
ellenállás is vizsgálható. A ZTV T-StB 95/98 rendelet szerint a fagyvédő rétegek esetében jó vízáteresztő anyagokra lenne szükség, ami az építőipari hulladékokról nem mondható el. Ezért a vízáteresztő képességet rutinszerűen mérni kellene. Összességében megállapítható, hogy az építőipari hulladékok kötőanyag nélküli alkalmazása a teherhordó rétegben nem rontja az úttest szilárdsági tulajdonságait, ezért továbbra is lehetséges az építőipari másodnyersanyag ilyen célú felhasználása, legfeljebb a magasabb osztályú utak esetében célszerű finomítani és szigorítani a szabályozást.
A habosított bitumen kötőanyagként való alkalmazása Németországban 1996-ban lépett érvénybe egy törvény, amely a hulladékgazdálkodást és a hulladékok újrafelhasználását szabályozza, és amelynek célja a nyersanyagokkal való takarékosság, ill. a hulladékmennyiség csökkentése. Az elkerülhetetlenül keletkező hulladékokat meg kell próbálni vagy anyagában, vagy energetikailag kedvező módon hasznosítani. A szuroktartalmú útépítési anyagok esetében ismertek pl. olyan hideg eljárások, amelyekben bitumenemulzióval vagy cementtel kötik össze a részecskéket. A bitumenemulzióval történő megkötés egyrészt drága, másrészt a bevitt nagy mennyiségű víz jelenléte miatt a kezdeti szilárdság sem kielégítő. A cementtel történő megkötéskor viszont az alkalikus közegben arra kell számítani, hogy a fenolok fenolátokká alakulva átkerülhetnek a talajvízbe. Alternatívaként említhető a bitumenhab technológia, amely már 1957 óta ismert, és azóta folyamatosan továbbfejlődött. A 3. ábra mutatja a Wirtgen cég WLG 10 laboratóriumi berendezésének elvi működését és a hozzá tartozó optimalizált előállítási paramétereket. A habbitumen előállításakor egy szelepen keresztül forró bitument injektálnak egy kamra belsejébe, és egyidejűleg vizet és levegőt juttatnak a kamrába. A nyomólevegő a vizet egyenletesen diszpergálja. Az ütközéskor fellépő nagy nyíróerők hatására hab alakul ki, amelyet a kibocsátó nyíláson át elvezetnek. Az eljárás során nagyszámú bitumenbuborék képződik, amelyek egy ideig külön "életet" élnek, majd összetapadnak. Amikor a kondenzált buborékok szobahőmérsékletre hűlnek, a belsejükben levő gőz kondenzál, a hab összeesik. A bitumenhab leírására a következő számszerű jellemzőket használják: a kiterjedési (expanziós) hányad (ER), a felezési idő (HWZ) és a habosodási index (SI). Az expanziós hányad a minta maximális térfogatának és a végső térfogatnak a hányada, amelyet kb. 60 perc elteltével ér el. A maximális kiterjedés a viszkozitás függvénye, amely azt is meghatározza, hogy milyen jól lehet a kötőanyagot a keverékben eloszlatni. A felezési idő (másodpercekben) az az idő, amely alatt a maximális térfogat felére csökken. Ez a hab stabilitását méri, és megadja azt az időtartamot, amíg a hab még keverhető. A habosítási index a hab összeesésének időfüggését leíró függvény integráljából határozható meg.
bitumen
160-165°C 4 bar
Expanziós (habosító) kamra Kb: 4 bar H2O [4 bar]
levegő [3 bar]
fúvóka
bitumenhab
atmoszferikus nyomás
3. ábra A bitumenhab előállításának elvi ábrája
A bitumenhabra vonatkozó kutatási program A laboratóriumi léptékű gyártóberendezés kifejlesztése után különböző kísérleteket kezdtek a különféle anyagok bevihetőségére vonatkozóan, és egy hordozható berendezés segítségével kísérleti útburkolati szakaszokat készítettek. Végül az energiafelhasználást és a károsanyag-kibocsátást próbálták optimalizálni. Diabáz mint referenciaanyag mellett szuroktartalmú útépítési törmeléket (PSA), építőipari hulladékot (RC), háztartási szemét égetéséből származó hamut (HMV-A), valamint egy öntödei maradék és szuroktartalmú
útépítési törmelék keverékét (PSA + GRS) is megpróbálták megkötni bitumenhabbal. Az előkísérletekben egy, a Strabag cég által előállított laboratóriumi lépétkű kísérleti gyártóberendezést alkalmaztak, majd a fő kísérletekben egy könnyebben kezelhető, Wirtgen cég által gyártott berendezést használtak, amely azonban az előzővel azonos tulajdonságú anyagokat eredményezett. A kültéri próbákhoz egy ipari léptékű, ugyancsak a Wirtgen által gyártott berendezést használtak.
Laboratóriumi vizsgálatok Az előkísérletekben a különféle kötőanyagok hatását vizsgálták a bitumenhab tulajdonságaira. A 4. ábra foglalja össze a víztartalom hatását az expanziós hajlamra és a felezési időre B80 és B200 kötőanyag esetében. A későbbiekben főleg a B80 kötőanyagot alkalmazták, mert nagyobb viszkozitása ellenére ez adott nagyobb mértékű expanziót. A továbbiakban a feldolgozási paramétereket optimalizálták (5. táblázat). 70
expanzió B200 felezési idő B200 expanzió B80
expanzió(-)/felezési idő (s)
60
felezési idő B80
50
40
30
20
10
0 3
5
7
víztartalom (%)
4. ábra Az expanziós görbe és a felezési idő a víztartalom függvényében B80 és B200 jelű bitumen kötőanyag alkalmazása esetén, 1,5 bar bitumennyomás mellett
A továbbiakban a különféle őrlemé5. táblázat nyek és szemcsés hulladékok/másodA laboratóriumi léptékű nyersanyagok beépíthetőségét vizsgálbitumenhab-előállító berendezés ták, ahol összehasonlításként 0/22 diafeldolgozási paraméterei báz szerepelt. A keveréket a következőBitumenhőmérséklet kb. 165 oC képpen készítették el: először az ásványi Bitumennyomás 4,0 bar anyagot egy előzetesen megállapított Légnyomás 3,0 bar mennyiségű, optimális vízmennyiséggel Víznyomás 4,0 bar keverték össze (15 s). Ezután beporlaszA bitumen víztartalma 4,0% tották a bitumenhabot, és megkeverték a rendszert (3 min). A mikroszkópos metszeti képek azt mutatták, hogy a nagyobb szemcséket nem veszi teljesen körül a bitumenhab. A keverékből Marshall próbatestet készítettek a DIN 1996-4 szabvány szerint. Azt is megvizsgálták, hogy mennyi ideig tárolható a keverék a minta elkészítése előtt, és arra az eredményre jutottak, hogy 5 órás állás nem okoz veszélyes mértékű tömörödést. Az is kiderült, hogy a keveréket kb. 60 oC-ra melegítve jobb keveréktulajdonságokat kapnak. Hétféle adalékot is kipróbáltak, de egyik sem eredményezett jelentős javulást a keverék jellemzőiben. A diabázzal és egyéb alapanyagokkal készített keverékek vizsgálati paramétereit a 6. táblázat foglalja össze. 6. táblázat A vizsgálati paraméterek értéke különböző töltőanyagot tartalmazó rendszerek esetében Vizsgálati hőmérséklet, oC
Vizsgált töltőanyag
Próbatest
stabilitás
hasító–húzó vizsgálat
nyomás alatti duzzadási vizsgálat
kora (nap)
60
50
50
1/3/7
40/60
50
25/50
2/7
PSA + GRS (PSA+ öntödei maradék)
40
50
–
2/7
HMV-A (háztartási hulladék hamuja)
25/40
40
25/40
2/7
RC (építőipari hulladék)
40/60
50
50
2/7
Diabáz PSA (szuroktartalmú útburkolat törmelék)
A laborvizsgálat eredményei Elsőként az ásványianyag-keverék víztartalmát kellett optimalizálni. Ennek során kiderült, hogy a 6. táblázatban beállított mérési körülmények nem minden esetben tarthatók. A következő lépésben a keverék bitumenhabtartalmát optimalizálták. Az első kedvezőtlen tapasztalatok ellenére kiderült, hogy a durvaszemcsék nem teljes borítottsága ellenére tömörítéssel megfelelő
minőségű próbatestek készíthetők. Az optimális mintaösszetételeket (kötőanyag- és víztartalmat) a 7. táblázat foglalja össze. Ezekben a vizsgálatokban összehasonlították a B80 bitumen viselkedését a B65 bitumenével és egy stabil kationos bitumenemulzióéval. A további vizsgálatokban a próbatestek korát 28 naposra választották, és 31–34 °C-os tömörítési hőmérsékletet, a bitumenemulzió esetében pedig Duriez tömörítési módszert alkalmaztak. 7. táblázat A különböző töltőanyagok esetén optimálisnak talált kötőanyagés víztartalom (a rövidítések jelölését ld. a szövegben és 6. táblázatban) Anyag
PSA
PSA+GRS
HMV-A
RC
Kötőanyag-tartalom (%(m/m)) Kötőanyag-víztartalom (%, WPr) Kötőanyag-víztartalom (%(m/m))
6,0 80 4,5
5,5 65 3,5
9,0 60 9,3
5,5 100 10,6
A PSA + GRS keverék töltőanyagra és különböző kötőanyagokra kapott mérési eredményeket a 8. táblázat foglalja össze. Az összes mintára végeztek fagyásállósági próbákat (a TP HGT-StB rendeletnek és a DIN 52104-1 szabványoknak megfelelően), és megállapították, hogy az emulzióval kötött minták általában kisebb mértékű hasadást mutattak, ami arra utal, hogy az ásványi eredetű szemcsék jobban beágyazódtak a kötőanyagba. Különösen nagy eltérések adódtak az építőipari hulladék (RC) töltőanyag esetében. A háztartási hulladék hamujának (HMV-A) bitumenhabbal készült keverékeiben a B80 kötőanyag még jobb fagyásállóságot eredményezett, mint a bitumenes kötőanyag, ezért ebben az esetben a B80 használata ajánlható. A minták tárolásakor azt is megállapították, hogy a levegőpórusok fokozatos megszűnésével a hab sűrűsége fokozatosan nő, de a 21. és 42. nap közti időtartamban már nem lép fel lényeges változás. Ezt azt is jelenti, hogy 28 napos próbatesteken végzett vizsgálatok már gyakorlatilag a végső állapotot tükrözik. A diabázzal és RC, valamint PSA+GRS töltőanyagokkal készült keverékek 60 oC-on is vizsgálhatók voltak, a többi csak 25 és 40 oC-on. Megvizsgálták az alkalmazott ásványi töltőanyagok és a bitumennel megkötött termékek környezetvédelmi alkalmasságát is – elsősorban kioldódó veszélyes anyagok szempontjából (az eredményeket a 9. táblázat foglalja össze). A nem kötött anyaghoz képest csökkent a káros anyagok kioldódása (értelemszerűen fenolos jellegű káros anyagok csak a kátrányt is tartalmazó termékekből távozhatnak, szervetlen ionok az építőipari törmelékből), és a bitumenhab esetében valamivel kedvezőbbek az értékek, mint a bitumenemulzióval megkötött minták esetében. A szervetlen sók (szulfát, klorid, réz) kioldódását a bitumenhab a háztartási szemét hamujából készült minták esetében is jelentősen csökkentette a bitumenemulzióhoz képest. A bitumenhab alkalmazása tehát környezetvédelmi (vízügyi) szempontból kimondottan előnyös.
8. táblázat A PSA+GRS töltőanyaggal és különböző kötőanyagokkal készült minták tulajdonságai PSA + GRS
Egység
Stabilitás, 25 oC
Minta kora (nap)
B80
Kötőanyag B65
Bitumenemulzió
kN
2
6,4
3,4
–
o
kN
7
8,9
–
4,0
o
kN
28
16,3
11,8
–
o
kN
2
1,9
1,8
–
o
kN
7
2,9
–
4,4
o
kN
28
5,2
4,1
–
Stabilitás, 25 C Stabilitás, 25 C Stabilitás, 40 C Stabilitás, 40 C Stabilitás, 40 C o
Stabilitás, 60 C
kN o
Hasító–húzószilárdság, 50 C
28
1,8
–
–
2
2
0,24
0,5
–
2
7
0,32
–
–
2
28
0,60
–
0,69
N/mm
o
Hasító–húzószilárdság, 50 C
N/mm
o
Hasító–húzószilárdság, 50 C
N/mm
Hasító–húzószilárdság veszteség % (affinitás)
28
83
88
6
Légpórustartalom
%(V/V)
2
9,8
10,5
–
Légpórustartalom
%(V/V)
7
10,7
10,7
–
Légpórustartalom
%(V/V)
28
12,5
10,5
–
Légpórustartalom
%(V/V)
friss
8,5
6,0
–
friss
2,167
2,160
–
5,5
5,5
5,5
3
Térfogati sűrűség
g/cm
Kötőanyag-tartalom (szurok nélkül)
%(m/m)
–
9. táblázat Szilárdanyag-tartalom és kioldódott anyagmennyiségek két, különböző töltőanyagot (PSA és RC) tartalmazó rendszerben. PAH = policiklusos aromás szénhidrogén Töltőanyag
Átlagértékek
Kötőanyagmentes szilárd anyag [mg/kg]
PSA RC
eluátum [mg/l]
Bitumenhab Bitumen emulkötőanyaggal zió kötőanyageluátum gal eluátum [mg/l] [mg/l]
teljes PAH
969,14
0,0824
0,0103
0,0134
fenol-index
0,98
0,0130
<0,0050
<0,0050
klorid
–
164,0
1,3
12,0
szulfát
–
208,0
8,7
9,5
Valóságos körülmények között végzett kísérletek A valóságos körülmények közti kísérletek során hagyományos beépítési eljárásokkal teherhordó rétegeket hoztak létre. Mivel itt már nagy mennyiségű anyag bedolgozásáról volt szó, nem lehetett minden kísérletet egyszerre tárolt készletből elvégezni, az új sarzsokat új minőségbiztosítási eljárásnak kellett alávetni. A vizsgálatok összesen öt helyszínen folytak (I–V.), ahol 0/32 ásványianyag-tartalmú töltőanyag-frakciókat alkalmaztak. A későbbiekben egy nehéz henger segítségével 2×13 cm vastagságú bitumenhab teherhordó rétegeket is kialakítottak. Sajnos a munkák során egy 9 t tömegű henger állt csak rendelkezésre, és már akkor felmerült, hogy ilyen mértékű tömörítés nem lesz elég, ezért egy VI. útszakasz építésekor 12 tonnás hengert alkalmaztak. Az I–V. szakaszokat 1999 novemberében, hideg és nedves körülmények között építették, ezért a laboratóriumi körülményekhez képest kedvezőtlenebbek voltak a hőmérsékleti viszonyok a bekeveréshez. A lefektetett 2×13 cm-es rétegből minden kísérleti helyszínen két próbát vettek. A kivett keverékből Marshall próbatestek készültek, amelyeket 7 nap után vizsgáltak be. Az előre megadott víztartalmat igyekeztek gondosan betartani. A kötőanyag-tartalmat a szuroktartalmú (PSA és PSA+GRS) töltőanyagok esetében az aktuális szuroktartalom figyelembevételével határozták meg, ezért a megállapított értékeket ±0,5 %(m/m)-os pontossággal be lehetett tartani. A HMV-A és RC töltőanyagok esetében nem kell az összetételt ilyen szigorúan szabályozni, de itt is figyelni kell a töltőanyag homogén adagolására. A legnagyobb légpórus-tartalom a HMV-A töltőanyag esetében adódott – nagyobb, mint amit a laboratóriumi elővizsgálatok alapján vártak. A kivett Marshall mintákon mért hasító–húzó (Spaltzug) szilárdság értékek is kisebbnek adódtak, mint az elővizsgálatok alapján várták. A kész rétegekből 3–28 nap után vett próbatesteken végeztek vizsgálatokat. Az elvárható 97%-os sűrűségi fokhoz képest néhány esetben kisebb értékek (94–96%) adódtak. A felhordott rétegek vastagsága elég homogén volt, ennek ingadozása az alapréteg egyenetlenségeire volt visszavezethető, de a rétegvastagság abszolút értéke nem mindig felelt meg a megcélzott 13 cm-es értéknek. A VI. útszakasz építésekor használt nehezebb hengerrel jobb sűrítési fokot lehetett elérni. Az energiafelhasználás tekintetében a bitumenhabbal történő hideg keverés a töltőanyag egy tonnájára vonatkoztatva 9,5 liter fűtőolaj-megtakarítást mutatott a meleg, aszfaltos keveréshez képest. Ez azzal van kapcsolatban, hogy a hideg eljárás során nem kell kiszárítani a töltőanyagot, nem kell felmelegíteni és elpárologtatni annak víztartalmát.
Átfogó kiértékelés és következtetések A 10. táblázatban többféle töltőanyag és többféle kötőanyag optimalizált összetételéhez tartozó fizikai jellemzők láthatók. A bitumenhabbal készült minták fizikai jellemzői általában hasonlók a bitumenemulzióval készült mintáké-
hoz, kivéve a hasító–húzószilárdság csökkenését jellemző értékeket. Kérdés azonban, hogy ez a mérési módszer egyáltalán joggal alkalmazható-e a bitumenhabra, hiszen itt a kőhöz való tapadásról van szó. Mint azt korábban említettük, a kötőanyag egy része nem veszi körül a szilárd kőszemcséket, ezért valószínű, hogy ennek a vizsgálatnak nincs sok értelme. 10. táblázat Különböző ásványi töltőanyagokat tartalmazó, bitumenhab és bitumenemulzió kötőanyagot tartalmazó rendszerek néhány fizikai jellemzője. (A rövidítések jelölését ld. a szövegben és 6. táblázatban) Ásványi anyag keverék
Kötőanyag
Próbatest kora (nap) PSA
PSA +GRS
HMV-A
RC
Diabáz
Marshall stabilitás
Hasító–húzószilárdság
Hasító–húzószilárdság veszteség
Légpórusok
kN
N/mm2
%
%(V/V)
7
28
28
28
B80
2,6
0,15
72
12,0
B65
2,5
0,14
-
13,2
bitumenemulzió
2,5
0,67
27
-
B80
2,9
0,60
83
12,5
B65
3,0
0,80
88
10,5
bitumenemulzió
4,4
0,70
6
–
B80
3,8
0,57
47
19,3
B65
3,8
0,62
61
14,8
bitumenemulzió
2,5
0,65
25
–
B80
6,0
0,70
93
18,3
B65
6,0
0,51
71
18,0
bitumenemulzió
2,7
0,65
29
–
B80
4,9
0,64
70
9,9
A laborvizsgálatok mindenesetre azt mutatják, hogy a bitumenhabbal készült minták mechanikai tulajdonságai nem érik el a melegen, aszfalttal kevert mintákéit, de a vizsgálati módszereket is hozzá kellene igazítani az anyag viselkedéséhez. A bitumenhab esetében pl. a minták fizikai tulajdonságait jelentős mértékben befolyásolja a minták életkora – ezt figyelembe kell venni az alkalmassági vizsgálatokban. Az, hogy a szabadtéri vizsgálatokban gyengébb
eredmények adódtak, mint a laborban, arra utal, hogy a kedvezőtlen időjárási körülmények negatívan befolyásolhatják a keverékek viselkedését (nem alakul ki megfelelő tömörség). A laboratóriumban ugyanis a bekevert anyag átlaghőmérséklete mintegy 15 oC-kal magasabb volt, mint a szabadtéri kísérletben. Ez egyben azt is jelenti, hogy a rendszer melegítésével javítani lehet a sűrűséget a keverés és a beépítés során. Az mindenesetre kiderült, hogy a megfelelő tömörítéshez nehéz hengerre (12 t) van szükség. Valószínű, hogy 1–2 %(m/m) cement hozzáadása a bitumenhab-keverékhez vagy az ásványi anyag törmelék előmelegítése javítana a késztermék tulajdonságain. A mérésekből az is kiderült, hogy a bitumenhabbal történő keverés csökkenti a káros anyagok kioldódásának veszélyét a töltőanyagból. Különösen igaz ez a szervetlen ionok kioldódására a hamuból, de a policiklusos aromások kioldódására is a szuroktartalmú törmelékből. A bitumenhabnak ezt az előnyös tulajdonágát (a bitumen-emulzióval készült keverékekhez képest) a szabadtéri kísérletek is igazolták. Ez a környezetvédelmi előny a meleg aszfaltkeveréshez képest kisebb energiafelhasználással és a kisebb felhordás közbeni károsanyagkibocsátással együtt amellett szól, hogy érdemes tovább kísérletezni a bitumenhab alapú, ásványi hulladékokkal töltött rendszerekkel az útépítés területén. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Wörner, T.; Westiner, E. = Das Verhalten von Recycling-Baustoffen in Tragschichten ohne Bindemittel. = Strasse und Autobahn, 53. k. 9. sz. 2002. p. 521–527. Krass, K.; Stoppka, B. = Schaumbitumen als Bindemittel für Tragschichten aus pechhaltigem Strassenaufbruch und industriellen Reststoffen. = Strasse und Autobahn, 53. k. 9. sz. 2002. p. 528–535.
