PL229182B1 - Sposób stabilizacji temperaturowej nawierzchni drogowej asfaltowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób stabilizacji temperaturowej nawierzchni drogowej asfaltowej, który charakteryzuje się tym, że do mieszanki asfaltowo - mineralnej i/lub podbudowy i/lub podłoża wprowadza się materiał zmiennofazowy, będący mieszaniną węglowodorów o temperaturach topnienia obejmujących zakres od 20°C do 70°C w ilości do 10% wagowych w stosunku do nawierzchni drogowej asfaltowej. Materiał zmiennofazowy, korzystnie cerezynę, wprowadza się w postaci kapsułkowanej i/lub uwięziony korzystnie w porach kruszywa drogowego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób stabilizacji temperaturowej nawierzchni drogowej asfaltowej mający zastosowanie w budownictwie drogowym do budowy nowych i napraw istniejących nawierzchni asfaltowych.

Znanych jest wiele sposobów modyfikacji nawierzchni asfaltowych w zakresie ich parametrów wytrzymałościowych: poprzez selekcję i wybór kruszyw budowlanych, w tym mączki wapiennej, piasku, grysu, tłucznia; stosowanie różnych rodzajów asfaltów, w tym utlenionych, spienionych zeolitem; zmianę proporcji lepiszczy bitumicznych do smoły; dodawanie: zmielonych opon do asfaltu (lepiszcze gumowo-asfaltowe) lub do mieszanek (mineralno-asfaltowych), elastomerów (SBS, SIS), plastomerów (EVA) rozdrobnionych żużli, granulatu szklanego, soli organometalicznych (Chemcrete), syntetycznej parafiny (Sasobit), niskomolekularnego estru (Asphaltait B).

Z polskiego opisu zgłoszenia wynalazku P.383321 znany jest sposób wytwarzania asfaltu specjalnego wykorzystywanego w procesach wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych do produkcji betonu asfaltowego o wysokim module sztywności, który polega na wymieszaniu asfaltu konwencjonalnego z 0,5-2% dodatku, w którego skład wchodzą mieszanina węglowodorowa > C20 o temperaturze wrzenia wyższej od 350°C oraz alkeny C9-C11.

Z polskiego opisu zgłoszenia wynalazku P. 396866 znana jest modyfikowana na zimno mieszanka mineralno-asfaltowa, składająca się z kruszywa mineralnego składającego się z frakcji grysowej i frakcji piaskowej, mączki wapiennej, asfaltu drogowego modyfikowanego elastomerem termoplastycznym styren-butadien-styren, asfaltu drogowego, asfaltu przemysłowego izolacyjnego PS, plastyfikatora, rozpuszczalnika organicznego, żywicy styrenowo-indenowej, włókna celulozowego.

Z polskiego opisu patentowego nr 203102 znany jest modyfikator do produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej składający się z węglowodorów nienasyconych C5, stabilizatora, którym jest benzenowy roztwór pierścieniowych, węglowodorów niearomatycznych C4-C8 oraz etanolu.

Znany jest również z patentu polskiego nr 184043 ciekły termo-stabilny środek modyfikujący do asfaltów drogowych stosowanych na gorąco składający się z olejów wysokowrzących o temperaturze krzepnięcia nie wyższej niż 10°C, N,N-di-(polioksyetyleno)alkiloamin, posiadających w łańcuchu alkilowym 12-22 atomów węgla i zawierających 4-15 grup oksyetylenowych w cząsteczce, elastomeru termoplastycznego styren-butadien-styren oraz do alkiloamidopoliamin i/lub 2-alkiloimidazolin posiadających w łańcuchu alkilowym 12-22 atomów węgla.

Z polskiego opisu patentowego nr 205644 znany jest modyfikowany asfalt naftowy zawierający od 0,5% do 30% wagowych frakcji oleju popirolitycznego, będącej produktem ubocznym pirolizy olefinowej benzyn, charakteryzującej się temperaturą wrzenia powyżej 300°C i temperaturą mięknienia powyżej 50°C.

Z polskiego opisu patentowego nr 191982 znany jest asfalt zawierający parafinę oraz sposób wytwarzania nawierzchni drogowej, który charakteryzuje się tym, że do bitumu zawierającego asfalt dodaje się parafinę w ilości od 0,5 do 10% wagowych bitumu. Użyta według wynalazku parafina pochodzi z syntezy Fishera-Tropscha, nie stanowi produktu powstałego z destylacji ropy naftowej, i charakteryzuje się innymi właściwościami. Celem opisanego rozwiązania jest otrzymanie nawierzchni drogowej o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Wynalazek nie prowadzi do stabilizacji temperatury powierzchni asfaltowej.

Znane sposoby modyfikacji mieszanek asfaltowych i mineralno-asfaltowych prowadzą do poprawy własności wytrzymałościowych mechanicznych nawierzchni, w tym elastyczności, twardości, kruchości, plastyczności, udarności, ścieralności.

Czarna nawierzchnia asfaltowa, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna, ale również potwierdzona doświadczalnie, osiąga w południe latem, przy natężeniu bezpośredniego promieniowania słonecznego Hp = 800 W/m² temperaturę t = 71,5°C. Temperatura ta utrzymuje się tylko przez kilka godzin dziennie. W czasie długotrwałego utrzymywania się wysokiej temperatury i wzmożonego ruchu drogowego, mieszanki asfaltowe i mineralno-asfaltowe ulegają mięknięciu i płynięciu, które powodują powstanie kolein, muld i innych uszkodzeń mechanicznych, będących wynikiem działania wysokiej temperatury.

Wynika z tego potrzeba opracowania rozwiązań dotyczących otrzymywania nawierzchni drogowych o wysokiej wytrzymałości w podwyższonej temperaturze oraz stabilizacji temperatury nawierzchni asfaltowych.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania umożliwiającego stabilizację temperatury nawierzchni asfaltowych, zwłaszcza obniżenie temperatury nawierzchni asfaltowych w dni upalne.

PL 229 182 B1

Badania przeprowadzone w Katedrze Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego Politechniki Gdańskiej wykazały, że poprzez dodanie do asfaltu albo do składu mieszanek; znajdujących się pod asfaltem, kruszywa porowatego, w którego pory wprowadzono na gorąco materiał zmiennofazowy PCM (Phase Change Material), podczas ogrzewania promieniowaniem słonecznym; tak zmodyfikowanego asfaltu, część energii jest akumulowana w materiale PCM, podczas jego zmiany fazy ze stałej w ciekłą.

Przedmiotem wynalazku jest sposób stabilizacji temperaturowej nawierzchni drogowej asfaltowej, który charakteryzuje się tym, że do mieszanki asfaltowo-mineralnej i/lub podbudowy i/łub podłoża wprowadza się materiał zmiennofazowy będący mieszaniną węglowodorów o temperaturach topnienia obejmujących zakres od 20°C do 80°C, w ilości do 10% wagowych w stosunku do nawierzchni drogowej asfaltowej, korzystnie 3%. Materiał zmiennofazowy wprowadza się w postaci kapsułkowanej i/lub uwięziony korzystnie w porach kruszywa drogowego.

Korzystnie, jako materiał zmiennofazowy stosuje się cerezynę, korzystnie pochodzącą z destylacji ropy naftowej.

Korzystnie, jako kruszywo drogowe stosuje się kruszywa sztuczne i/lub łamane i/lub naturalne takie jak pollytag, keramzyt, gazobeton, spieniony asfalt, pumeks, z tworzyw sztucznych, z recyklingu odpadów przemysłowych.

Korzystnie, kruszywo drogowe nasącza się materiałem zmiennofazowym w stanie ciekłym, w temperaturze wyższej niż jego temperatura topnienia, w warunkach ciśnienia atmosferycznego łub podciśnienia, korzystnie w cylindrycznym obrotowym lub nieruchomym mieszalniku.

Wynalazek opiera się na wykorzystaniu stosunkowo niedrogich materiałów zmiennofazowych PCM, których dodatek stabilizuje temperaturę asfaltu. Zastosowanie materiału zmiennofazowego w postaci mieszaniny węglowodorów o temperaturze topnienia w zakresie od tt = 20°C do 80°C, zwłaszcza cerezyny otrzymywanej w procesie przetwórstwa ropy naftowej, prowadzi do zapobiegania przegrzewaniu nawierzchni asfaltowej, któremu towarzyszy mięknięcie i płynięcie asfaltu oraz wzmożona emisja szkodliwych dla środowiska aromatycznych wielopierścieniowych produktów, pozostałych po destylacji ropy naftowej. Zastosowany materiał zmiennofazowy w ciągu dnia, a zwłaszcza w południe, kumuluje nadwyżkę energii słonecznej, chroniąc asfalt przed przegrzaniem, W ciągu nocy, oddając zmagazynowaną energię, ogrzewa asfalt i w ten sposób dodatkowo chroni go przed kondensacją nocnej wilgoci i osadzaniem rannej rosy.

Zastosowanie jako materiału zmiennofazowego, mieszaniny węglowodorów o temperaturze topnienia w zakresie od tt = 20°C do 80°C, prowadzi do tego, że schładzanie powierzchni asfaltu nie przebiega skokowo w jednej konkretnej temperaturze, lecz płynnie w całym zakresie zmienności temperatur otoczenia.

Zastosowana w wynalazku cerezyna stanowi produkt odpadowy powstały z destylacji ropy naftowej, ale w przeciwieństwie do składników asfaltu, jest środowiskowo neutralna.

Zastosowanie jako nośnika cerezyny kruszywa drogowego, zwłaszcza o dużej o porowatości, takiego jak pollytag, o większej wytrzymałości niż keramzyt, otrzymywanego z lotnych popiołów z elektrociepłowni, stanowi kolejne proekologiczne wykorzystanie tych popiołów.

P r z y k ł a d 1

Do zbiornika zawierającego roztopiony materiał zmiennofazowy w postaci cerezyny dodaje się kruszywo drogowe typu pollytag, które poddano wcześniej myciu i prażeniu w celu usunięcia wilgoci. Całość miesza się w temperaturze 90°C przez około 1 h w celu wysycenia porów ziaren materiałem zmiennofazowym. Następnie kruszywo odsącza się, a nadmiar cerezyny z powierzchni ziaren usuwa się poprzez prażenie w suszarce.

Po tak przygotowanej obróbce waży się kruszywo wysycone cerezyną w celu określenia efektywności absorpcji materiału zmiennofazowego przez ziarna lekkiego kruszywa budowlanego. Obliczona w ten sposób wydajność absorpcji materiału zmiennofazowego przez ziarna kruszywa mieści się w zakresie 18-20% wag.

P r z y k ł a d 2

Sposób prowadzi się jak opisano w przykładzie 1, z tym, że stosuje się gazobeton, w którego porach uwięziona zostaje cerezyną.

P r z y k ł a d 3

Sposób prowadzi się jak opisano w przykładzie 1, z tym, że stosuje się spienione szkło.

P r z y k ł a d 4

Sposób prowadzi się jak opisano w przykładzie 1, z tym, że stosuje się pumeks.

PL 229 182 B1

P r z y k ł a d 5

Sposób prowadzi się jak opisano w przykładzie 1, z tym, że stosuje się keramzyt.

P r z y k ł a d 6

Zostały wykonane dwa stanowiska badawcze nawierzchni drogowych składające się z warstwy wierzchniej asfaltu oraz warstwy asfaltu zmieszanego z kruszywem typu pollytag. Do budowy pierwszego stanowiska wykorzystano kruszywo niezmodyfikowane materiałem zmiennofazowym (próba odniesienia), w drugim zastosowano kruszywo zmodyfikowane materiałem zmiennofazowym przez nasączenie cerezyną. Ilość użytej cerezyny wynosiła 3% wag. udziału masowego w całej nawierzchni drogowej, przy zawartości 20% wag. w kruszywie.

Symulacje wykonane w warunkach naturalnych (w zakresie temperatury kruszywa od 45 do 65°C) potwierdziły różnicę między temperaturą nawierzchni drogowej niemodyfikowanej, a temperaturą nawierzchni zmodyfikowanej materiałem zmiennofazowych. Temperatura powierzchnia drogi niemodyfikowanej była wyższa o ponad 5°C względem nawierzchni zmodyfikowanej.

Dodatkowo przeprowadzone badania wykazały, że cerezyną jest w stanie magazynować ciepło w przedziale temperatur 20-80°C, najintensywniej w tt,I = 45,9°C oraz w tt,II = 69,7°C. W przedziale tym 1 kg cerezyny magazynuje, chroniąc tym samym asfalt przed przegrzaniem, 147,53 kJ energii cieplnej.

P r z y k ł a d 7

Sposób prowadzi się tak jak opisano w przykładzie 1, z tym, że cerezynę w postaci kapsułkowanej dodaje się bezpośrednio do zaprawy betonowej, w której po związaniu zostanie uwięziony.

Jeżeli proces ten przeprowadza się w złożu fluidalnym to otrzymuje się kuliste granulki betonowe z uwięzionym wewnątrz materiałem zmiennofazowym. Jeżeli wiązanie przeprowadza się w bloku, to otrzymany produkt, trzeba zgranulować, a otrzymane kruszywo z materiałem zmiennofazowym można wykorzystać do otrzymywania mieszanek asfaltowo-mineralnych.

Podczas przemiany fazowej użytego materiału zmiennofazowego, materiał ten pochłaniając ciepło, przechodzi w stan ciekły, a krzepnąc oddaje zgromadzoną energię. Proces ten jest powtarzalny, i jak wykazały badania przeprowadzane na gipsościankach z mikrogranulkami materiału zmiennofazowego, może przebiegać latami.

Ciekły lub półpłynny materiał zmiennofazowy, ze względu na swoją hydrofilność, nie wypływa z osłony kruszywa lub granulatu, nawet jeżeli ich ziarna ulegną uszkodzeniu, ponieważ w nawierzchni są one całkowicie zatopione w hydrofilnym asfalcie.

P r z y k ł a d 8

Sposób prowadzi się tak jak opisano w przykładzie 7, z tym, że cerezynę wprowadza się bezpośrednio do mieszanki asfaltowo-mineralnej.

Claims (4)

1. Sposób stabilizacji temperaturowej nawierzchni drogowej asfaltowej, znamienny tym, że do mieszanki asfaltowo-mineralnej i/lub podbudowy i/lub podłoża wprowadza się materiał zmiennofazowy będący mieszaniną węglowodorów o temperaturach topnienia obejmujących zakres od 20°C do 80°C w ilości do 10% wagowych w stosunku do nawierzchni drogowej asfaltowej, korzystnie 3%, w postaci kapsułkowanej i/lub uwięziony korzystnie w porach kruszywa drogowego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał zmiennofazowy stosuje się cerezynę korzystnie pochodzącą z destylacji ropy naftowej.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako kruszywo drogowe stosuje się kruszywa sztuczne i/lub łamane i/lub naturalne takie jak pollytag, keramzyt, gazobeton, spieniony asfalt, pumeks, z tworzyw sztucznych, z recyklingu odpadów przemysłowych.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że kruszywo drogowe nasącza się materiałem zmiennofazowym w stanie ciekłym, w temperaturze wyższej niż jego temperatura topnienia, w warunkach ciśnienia atmosferycznego łub podciśnienia, korzystnie w cylindrycznym obrotowym łub nieruchomym mieszalniku.