Budownictwo drogowe – nowe technologie

Coraz więcej wiodących firm z sektora budowlanego stawia na innowacyjność i współpracę ze start-upami, poszukiwanie nowych rozwiązań pozwalających wzmacniać współpracę między przemysłem i sektorem nauki. Poruszamy się po coraz nowocześniejszych drogach, a od procesu projektowania, przez realizację wykorzystywane są coraz nowsze metody w zakresie produkcji materiałów konstrukcyjnych i projektowania.

Nowe technologie to np.: spoiwa geotechniczne na bazie popiołów, przyjazne środowisku asfalty pozwalające na wykorzystywanie, już nie tylko zużytych opon samochodowych, ale także niedopałków papierosów, zastępowanie nawierzchni asfaltowych nawierzchniami wytwarzanymi w wykorzystaniem butelek PET czy wreszcie ulepszane od lat samoleczące się nawierzchnie betonowe. Nowe technologie w budownictwie drogowym, dla których wspólnym mianownikiem jest podążanie w kierunku zrównoważonego rozwoju i gospodarki obiegu zamkniętego, wkraczają na rynek coraz śmielszym krokiem.

Fotolia

Co nas wstrzymuje przed wykorzystywaniem pełni możliwości, jakie daje nam nowoczesna inżynieria? Często nasze własne uprzedzenia, obawy.

Czytaj też: Dodatki do betonu

Wykorzystanie popiołów w budownictwie drogowym

Mówiąc o nowych technologiach, nie można jednak zapomnieć, że część z nich wzorowana jest na naturze lub rozwiązaniach, które się sprawdziły w przeszłości. Te ostatnie w dobie nowych technologii można wskrzesić i udoskonalić. Tak też się stało w przypadku samonaprawiających się nawierzchni betonowych i spoiw geotechnicznych na bazie popiołów.

Co je łączy? Umiejętność wykorzystania właściwości puculanowych popiołów. Różnica polega na tym, że starożytni Rzymianie wykorzystywali do swoich celów popiół wulkaniczny, a w XXI w. wykorzystywany może być lotny popiół pochodzący z elektrowni zawodowych. Konstrukcje z czasów rzymskich przetrwały ponad 2000 lat, a swoją trwałość zawdzięczają zastosowaniu mieszanki pyłu wulkanicznego, skał wulkanicznych i wapna. W przypadku podwodnych konstrukcji, takich jak falochron zatopiony w Morzu Śródziemnym, mieszano wapno i popiół wulkaniczny, tworząc zaprawę, dodając do niej odłamki skał. Za utrwalenie mieszanki odpowiadała reakcja chemiczna zachodząca przy udziale wody morskiej. Beton rzymski charakteryzowała mniejsza zawartość krzemianów i dodatek aluminium. W czasie reakcji chemicznej powstawał uwodniony krzemian wapniowo-aluminiowy stanowiący spoiwo o dużej stabilności. Mieszanki do betonów z dodatkiem popiołów lotnych na poziomie 20-30% wykazują autogenne właściwości uszczelniania niewielkich szczelin od 0,1 mm do 0,15 mm. O możliwości samonaprawiania mówi się w kontekście odzyskiwania wytrzymałości na ściskanie, właściwości fizycznych i przepuszczalności. Badania potwierdzają odkładanie się kalcytu w mikrospękaniach, co sprawia, że popękany element staje się mniej przepuszczalny i bardziej zwarty [5, 6].

Popioły w postaci suchego pyłu mają właściwości wiążące i mogą być stosowane nie tylko jako dodatek do betonu, ale również jako samodzielne spoiwo lub dodatek do innych spoiw. Popioły lotne mają podobny skład chemiczny do popiołów wulkanicznych, stosowanych w czasach rzymskich do budowy dróg. Różnica między popiołami lotnymi a cementem polega na tym, że mają one inną charakterystykę wiązania, co się przekłada na mniejszą wytrzymałość niż w przypadku cementów, natomiast charakteryzuje je mały skurcz hydratacyjny i termiczny. Właściwości te czynią je przydatnymi do stabilizacji gruntów spoistych oraz gruntów przewilgoconych, a także tych o podwyższonej zawartości związków organicznych. Popioły pozwalają także na podwyższenie wilgotności optymalnej gruntu.

Dodatek popiołu lotnego powoduje zmianę struktury gruntu, wzrost jego sztywności i w konsekwencji nośności. Produkcja spoiw geotechnicznych na bazie popiołów lotnych została z powodzeniem wdrożona w Polsce. Przeznaczone są do ulepszania i stabilizacji gruntów i kruszyw przewilgoconych, równoziarnistych i innych słabo zagęszczalnych.

Mogą być stosowane do ulepszania gruntów słabych i gruntów przydatnych przy budowie podłoża nasypów, warstw nasypów w zależności od kategorii przewidywanego ruchu. Podstawą doboru rodzaju spoiwa do określonych gruntów i kruszyw jest recepta robocza, której sporządzenie każdorazowo poprzedzają badania laboratoryjne mieszanki gruntu ze spoiwem w celu ustalenia niezbędnego dodatku spoiwa pozwalającego na spełnienie parametrów projektowych.

Gotowa mieszanka sprosta wymaganiom zawartym w normach technicznych lub dokumentach normalizacyjnych. Stosowanie spoiw geotechnicznych na bazie popiołów lotnych powinno być zgodne z dokumentacją techniczną określonego obiektu, opracowaną według obowiązujących przepisów budowlanych. W każdym przypadku doświadczalnie badana jest skuteczność działania spoiwa i to zarówno laboratoryjnie, jak i za pomocą badań polowych. W zależności od wymagań projektowych określana jest nośność i, jeśli jest to wymagane, również wytrzymałość na ściskanie gruntu lub kruszywa po ulepszeniu bądź zastabilizowaniu. Praktyczne doświadczenie zdobywane wspólnie z wykonawcami inwestycji związanych z budową dróg ekspresowych czy też linii kolejowych pozwala na ciągłe doskonalenie technologii i odpowiedź na bolączki projektantów i wykonawców.

Trudne warunki gruntowo-wodne, złe warunki atmosferyczne i krótki czas realizacji to podstawowe problemy, z jakimi musi się obecnie zmagać każdy wykonawca dużej inwestycji drogowej. Dobre właściwości osuszające odpowiednio dobranych spoiw sprawiają, że można realizować prace również w trudnych warunkach atmosferycznych oraz przy dużej wilgotności gruntu.

Czasem wystarczy zwiększenie udziału procentowego spoiwa w stosunku do suchej masy stabilizowanego gruntu w celu uzyskania parametrów projektowych, jednak i w tym przypadku występują pewne ograniczenia, np. gdy temperatura powietrza jest zbyt niska, na zamarzniętym podłożu lub w przypadku występowania bardzo obfitych opadów.

Zasadniczą zaletą technologii stabilizacji gruntu spoiwami hydraulicznymi na bazie popiołów lotnych jest jej duża wydajność. Ta z kolei się przekłada na redukcję kosztów realizacji. W przypadku wykonywania robót ziemnych ekonomicznie uzasadnione jest wykonywanie stabilizacji gruntów słabonośnych otrzymanych z wykopów spoiwami, a następnie wbudowanie ich w nasyp. Cały proces technologiczny ogranicza się bezpośrednio do miejsca, w którym zadanie inwestycyjne jest realizowane, dlatego też w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami podbudów oraz nasypów wykonywanych np. z betonu lub kruszyw naturalnych uzyskuje się znaczne oszczędności poziomu ponoszonych kosztów. Mówiąc o kosztach, oczywiste jest wykazywanie aspektu czysto ekonomicznego. Zastosowanie alternatywnych rozwiązań wiązałoby się z dodatkowym wydobyciem lub produkcją materiału wraz z jego transportem w miejsce wbudowania. Stosowanie spoiw pozwala na uzyskanie dużych oszczędności w porównaniu z kosztowną i czasochłonną technologią wymiany gruntów. Ale należy podkreślić również, spychane często na margines, aspekty związane z ochroną środowiska – mowa tu o ochronie zasobów naturalnych i wykorzystaniu minerałów antropogenicznych oraz ponownym wprowadzeniu ich do obiegu, a także o potencjale redukcji emisji CO₂ samego spoiwa oraz pozostałych gazów cieplarniach, których emisja wynika m.in. z transportu materiałów i dłuższym czasie pracy maszyn budowlanych.

Budowa drogi ekspresowej S7 na odcinku Kalsk-Miłomłyn, której wykonawcą była firma Strabag, jest pozytywnym przykładem. Na budowę dostarczono 114 tys. ton spoiw TEFRA^®. Zastąpienie betonu, cementu, mączki wapiennej i innych kruszyw przez te spoiwa pozwoliło uniknąć emisji CO₂ na poziomie 56 316 ton. Wykonawca osiągnął wymagane parametry nośności ulepszonego podłoża gruntowego – 40 MPa.

Samonaprawiające się nawierzchnie w budownictwie drogowym

Wracając do tematyki samonaprawiających się nawierzchni, którym poświęcono bardzo wiele projektów badawczych, np. uniwersytety w Cardiff, Bath i Cambridge zrealizowały projekt badawczy Materials for Life (M4L), którego celem było określenie potencjału nowych technologii i ich zastosowań w praktyce. Badania prowadzono na odcinkach autostrady A465 Heads of Highleys Highway, a testom poddano rozwiązania z zastosowaniem różnych technologii: wykorzystanie mikrokapsułek zawierających związki mineralne, takie jak krzemian sodu, które rozrywane są poprzez propagację pęknięć (uwalniane z nich związki uszczelniają pęknięcie); zastosowanie pasów polimerowych z pamięcią kształtu (SMP) i sieci przepływowych pozwalających na dostarczenie mineralnego środka leczniczego za pośrednictwem sieci przepływu naczyniowego; wykorzystanie bakterii Bacillus pseudofirmus DSM 8715, podawanych w postaci lekkiej perlitowej cząstki kruszywa (w oddzielne cząstki włączony został organiczny prekursor mineralny, który zawierał ekstrakt drożdżowy i octan wapnia, stanowiący źródło pożywienia dla bakterii). Wszystkie te metody mogą być stosowane w praktyce, wciąż jednak wymagają dodatkowych badań [7]. Sprzymierzeńcem, który może pomóc w samodzielnej naprawie nawierzchni betonowych, są grzyby. Naukowcy amerykańscy sprawdzają przydatność zarodników Trichoderma reesei, które po zmieszaniu z wilgotnym betonem mogą się przyczyniać do naprawy pierwszych spękań w materiale. Zazwyczaj te zarodniki są w stanie uśpienia. Gdy pojawiają się pierwsze pęknięcia, woda i tlen przedostają się do betonu, aktywując zarodniki grzyba, które kiełkują i strącają węglan wapnia CaCO3. Ten z kolei uszczelnia szczeliny. Proces ten technicznie może trwać prawie zawsze. Projekt jest jeszcze na bardzo wczesnym etapie badań [3], [4].

Dlaczego warto wdrażać nowe technologie w budownictwie drogowym

Można zadać pytanie, czy warto? Biorąc jednak pod uwagę, że produkcja cementu stanowiącego główny składnik betonu odpowiada za ok. 7% całkowitego zużycia energii w przemyśle i w zależności od źródeł 8-9% całkowitej światowej emisji CO₂ oraz ok. 9% globalnego, przemysłowego zużycia wody, wnioski zdają się być oczywiste.

Zarówno technologie pozwalające na zastępowanie cementu przez minerały antropogeniczne zawarte w popiołach, jak i te, które umożliwiają samonaprawianie się betonu mają niepodważalne zalety. Pozwalają chronić zasoby nieodnawialnych surowców naturalnych, redukować emisję gazów cieplarnianych, dodatkowo znacząco redukować koszty realizacji inwestycji, a także utrzymania i naprawy eksploatowanych obiektów.

Jakiego rodzaju odpady poza popiołami wykorzystywane są do produkcji nawierzchni asfaltowych?

Zespół badawczy z Uniwersytetu w Melbourne znalazł sposób na uporanie się ze zużytymi niedopałkami papierosów. Badania poświęcono enkapsulacji niedopałków i łączeniu z różnymi klasami bitumu i wosku parafinowego i włączaniu ich do betonu asfaltowego (AC) wykorzystywanego do budowy nawierzchni. Enkapsulacja ma stanowić gwarancję hermetyzacji niedopałków i ograniczyć możliwość wymywania zawartych w nich związków chemicznych. Zużyte niedopałki papierosów są jednymi z najczęstszych rodzajów śmieci na całym świecie.

Mieszanina kapsułkowanych niedopałków papierosów z bitumem spełnia wymogi nawet dla nawierzchni o dużym obciążeniu ruchem, w przypadku wosku parafinowego zmiany właściwości mechanicznych pozwalają spełnić jedynie warunki dla lekkiego obciążenia ruchem. Dodatek niedopałków wpływa na zwiększenie gęstości objętościowej betonu asfaltowego i zwiększenie porowatości, zwłaszcza w przypadku kapsułkowania w bitumie wyższego rzędu.

W konsekwencji obniża się przewodność cieplna nawierzchni, co w obszarach zabudowanych pomaga zmniejszać efekt miejskiej wyspy ciepła [2] (www.abc.net.au, 2017).

Wiele prac badawczych dowiodło, że odpady z tworzyw sztucznych, takie jak chociażby PET pochodzący z recyklingu, po uprzednim przygotowaniu, mogą z powodzeniem być stosowane jako dodatek do mieszanek bitumicznych. Wykorzystanie PET poprawia właściwości elastyczne nawierzchni, wpływa na zwiększenie stabilności, sztywności i lepkości, a tym samym poprawia odporność na pękanie termiczne, zmniejsza podatność na temperaturę, uszkodzenie zmęczeniowe i koleinowanie [1].

Powstały również nawierzchnie modułowe w całości wykonane z użyciem przetworzonego plastiku. Pierwsze pilotażowe (30 m) odcinki ścieżek rowerowych powstały w Holandii w Zwolle i Giethoorn. Taka modułowa odporna na warunki klimatyczne nawierzchnia PlasticRoad została opracowana przez joint venture firm KWS, Wavin i Total. Podobnie jak w przypadku spoiw geotechnicznych na bazie popiołów można mówić o niewielkim śladzie węglowym produktu, m.in. ze względu na jego oczekiwaną dłuższą żywotności i znacząco mniejszą potrzebę wykorzystania środków transportu do budowy tego typu nawierzchni w porównaniu z nawierzchniami klasycznymi. Zaletą tego typu nawierzchni jest także zachowanie pustej przestrzeń, którą można wykorzystać do magazynowania wody (tymczasowego) podczas ekstremalnych opadów. Może być również przeznaczona do poprowadzenia w niej przewodów, kabli czy rur infrastruktury miejskiej. Przykłady dowodzą, że dzięki odpowiedniemu doborowi technologii i materiałów możemy mieć istotny wpływ nie tylko na samą jakość infrastruktury komunikacyjnej, ale również na środowisko.

Bibliografia

• F. Ahmad, A. R. (2017). Utilization of poly- ethylene terephthalate (PET) in asphalt pave- ment: A review. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 203 (2017) 012004 doi:10.1088/1757-899X/203/1/012004. IOP Publishing Ltd.
• Abbas Mohajerani, i. i. (2017, październik 30), Physico-mechanical properties of asphalt concrete incorporated with encap- sulated cigarette butts, „Construction and Building Materials”, strony vol. 153; https:// doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.091.
• Congrui Jin, P & (2018, vol. 5, Issue 2, Summer 2018). Funghi-Mediated Self-He- aling Concrete for Sustainable&Resilient Infrastructure, HDIAC Journal.
• Jing Luo, i. i. (2018). Interactions of fungi with concrete: Significant importance for bio- -based self-healing concrete, „Construction and Building Materials” str. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2017.12.233.
• Mukherjee, S. &. Comparative Study on Self Healing of Fly Ash and Conventional Cement Mortar, „Current Advances in Civil Engineering” 2/2014.
• Ratnayake, S. &. (2018). Effect of Fly Ash on Self-healing of Cracks in Concrete, Conference paper; 10.1109/MER- Con.2018.8421952.
• Robert Davies, O. T.-T. (2018, wrzesień 04). Large Scale Application of Self-He- aling Concrete: Design, Construction, and Testing. Frontiers in Materials, str. https://doi. org/10.3389/fmats.2018.00051.

Kamil Szczygielski
prezes Zarządu Grupy EKOTECH

Czytaj: Uszkodzenia i naprawy nawierzchni betonowych