Gumiőrleménnyel és SBS-sel módosított bitumenek viszkozitás csökkentési lehetőségei Investigation of decreasing of rubber and SBS modified asphalt s viscosity Gergó Péter, Bartha László, Geiger András Pannon Egyetem, MOL Ásványolaj- és Széntechnológiai Intézeti Tanszék 8 Veszprém, Pf. MOL Magyar Olaj- és Gázipari NyRt. Százhalombatta, Pf. Summary To save the sustainable development in the th century the largest challenges are the protection of our environment, as far as the optimalisation of the energy consumption and efficiency increasing. This trend in the United States and Western Europe is manifested also in the road construction, asphalt mixing plants to reduce the mixing temperature. By reduced mixing and constucting temperatures would decrease the energy required to produce hot mix asphalt, the energy, the emissions and odors from plants would be decreased, and improved the working conditions. In order to achieve a reduced temperature in the hot mix production, the viscosity of the asphalt binder must be reduced. A solution to the realization this effect -% paraffin wax was mixed to the asphalt binder, thereby reducing it s viscosity. This article presents the properties of modified binders containing some possibles viscosity reducing additives. In this study, a group of crumb rubber modified asphalt binders and other group of polymer (SBS) modified asphalt binders were used. The binders were modified for this study by using three types of waxes. The waxes used in this study were made by thermal cracking of waste polymers (polyethylene, polypropylene, polystyrene). Concentration levels of, and w/w% wax by weight of the binder were used. Binder properties were determined by conventional test methods. The high temperature properties of asphalt binder were investigated by using the RTFO tester. It was found that the highest viscosity reduction effect was achieved in case of using the PE wax achieved. At low concentrations (-w/w%) of this additive in asphalt rubber compositions a significant effect was achieved without significant changes in the additional properties of the products. Properties of every samples complied the quality requirements. In addition, the waxes like plastomer additives improved the resistance to aging, such as PE wax may be suitable for use as flow improver type additives to reduce viscosity of the asphalt binder. The PP wax reduced the asphalt binder viscosity sufficiently only at higher concentration (-w/w%), however, increase of concentration significantly decreased the stability and the Fraass breaking point, therefore the use of this additives can only be recommended in combination with other complementary additives. Application of the PS wax resulted in the lowest modification effects of viscosity, therefore the application of that additive is suggested in other fields. Experiences in case of application of waxes in polymer modified asphalts were similar to those that crumb rubber modified asphalt samples. The best effects could be achived also by application of PE wax. Bevezetés A fenntartható fejlődés érdekében a XXI. század egyik legnagyobb kihívása környezetünk megóvása, illetve az energiafelhasználás optimalizálása, hatékonyságjavítása. Ezeknek a követelményeknek való megfelelés az élet minden területén mérnöki problémákat vet fel. Napjainkban ez a tendencia az Egyesült Államokban, illetve Ny- Európában az aszfaltutak építése területén abban nyilvánul meg, hogy az aszfaltkeverő üzemekben a kőzet és a bitumenes kötőanyag hagyományos keverési hőmérsékletét (7-9 o C) igyekeznek minél nagyobb mértékben csökkenteni. A bitumenhez -%-nyi nagy szénatomszámú paraffint adalékolva egy adott hőmérséklet felett jelentős viszkozitás csökkenés érhető el, a kis viszkozitás pedig lehetővé teszi, hogy az aszfaltkeverés során a kőzetet csak kisebb mértékben melegítsék fel [, ]. Ezzel kisebb mennyiségű fűtőgázt kell felhasználni, amely egyrészt energia-megtakarítást, másrészt kisebb CO emissziót jelent. Továbbá az útépítésnél az aszfaltterítés hőmérséklete is csökkenthető, ami a kisebb mennyiségű illó szénhidrogének, illetve származékaiknak kibocsátását jelenti. Kísérletek Munkánk során vizsgálatokat végeztünk gumiőrleménnyel, illetve SBS-sel módosított bitumenek nagy hőmérsékletű viszkozitásának csökkentésére. A kísérletekhez hulladék műanyagok (polietilén, polipropilén, polisztirol) termikus krakkolása során keletkező szilárd, nagy paraffin
tartalmú maradékot, azaz egy degradátumot használtunk fel. Gumibitumen mintákat állítottunk elő a Pannon Egyetem MOL Ásványolaj- és Széntechnológiai Intézeti Tanszékén kifejlesztett módosított nedves eljárás alkalmazásával [], ahol adalékként, és m/m% koncentrációban alkalmaztuk a műanyag degradátumokat. Következő lépésben kereskedelmi forgalomban kapható SBS-sel módosított bitumenekhez kevertük a degradátumokat, ugyancsak a gumibitumen minták esetében alkalmazott koncentrációkban. A minták előállítása után szabványos vizsgálatokat végeztünk a tulajdonságok megállapítására. Eredmények A bitumenek lágyuláspontja információt szolgáltat arról, hogy milyen éghajlaton ajánlott a felhasználásuk. Magas lágyuláspontú bitumenek melegebb éghajlatokon előnyösek, mert kisebb az esély nyomvályúk kialakulására, viszont hidegebb időben hajlamosak a ridegedésre, törésre. Alacsony lágyuláspontú bitumenek jobb hidegállósággal rendelkeznek, de melegben könnyebben lágyulnak. A polietilén (PE) degradátum bekeverése a viszkozitás mellett csökkentette a gumibitumen lágyuláspontját is, mely csökkenést a degradátum magas paraffintartalma eredményezte. A koncentráció növelése még további csökkenéssel járt (. és. ábrák). A tárolási stabilitás értéke jellemzi a bitumengumi, bitumen-polimer kompozíciók szétülepedésének mértékét, ezzel felhasználhatóságukat. Minél kisebb ez az érték, annál stabilabb a diszperz rendszer, azaz kisebb az ülepedés mértéke. A tárolási stabilitás határértéke C, ha e felett van az érték, akkor a bitumen stabilitása már nem megfelelő. A PE degradátummal módosított minták mindegyike megfelelt ennek az előírásnak. Azonban az m/m% degradátumot tartalmazó minta (PE--GB) stabilitásának mérőszáma megközelítette a megengedett értéket, így ennek az adaléknak az ennél nagyobb koncentrációban való alkalmazása már felhasználási problémákat vethet fel. A bitumenek hidegoldali viselkedését, azaz a kis hőmérsékleten bekövetkező változásokat a Fraass törésponttal jellemezhetjük. Minél magasabb ez az érték, annál ridegebb a bitumen, ezért az ilyen bitumenekből gyártott aszfaltok hajlamosabbak a termikus repedések kialakulására. A PE degradátum nem befolyásolta számottevően a gumibitumen töréspontját. A bitumenek melegoldali viselkedésének egyik meghatározó vizsgálata az RTFO teszt, amely modellezi, hogy az adott kötőanyag mennyire áll ellen az aszfaltkeverés során a hő és az oxigén hatására bekövetkező öregedésnek. Irodalmi tapasztalatok alapján a plasztomerrel módosított bitumenek ellenállóbbak az öregedéssel szemben, mint a hagyományos kötőanyagok. A degradátum a plasztomerekhez hasonlóan viselkedett, az adalékolt mintáknál kisebb mértékű volt a tömegváltozás, mint a referencia mintánál. Az m/m% degradátumot tartalmazó minta (PE--GB) esetén a tömegváltozás a referenciamintához viszonyítva %-kal volt kisebb (. ábra). - - - - - -7 -, -, -, -, 8 PE--GB PE--GB PE--GB penetráció,,mm tárolási stabilitás, dt, C. ábra. A PE degradátum tartalmú gumibitumen A degradátum bekeverése jelentősen csökkentette a gumibitumen viszkozitását a teljes hőmérsékleti tartományban. Az m/m% PE degradátumot tartalmazó minta (PE--GB) Con mért viszkozitása közel azonos volt a referencia minta 8 C-os viszkozitásával, tehát az adalék alkalmazása ebben a koncentrációban az egyéb tulajdonságmódosító hatását is figyelembe véve alkalmas lehet a felhasználásra (. ábra).
ábra). 7 78 8 8 8 PE--GB PE--GB PE--GB 7 8. ábra. A PE degradátum tartalmú gumibitumen A PP degradátum alkalmazása során hasonló következtetést vonhatunk le. Az adalék a minta lágyuláspontját kevésbé csökkentette, mint a PE degradátum, köszönhetően a kisebb paraffin tartalomnak. A minták jobban ellenálltak az öregedésnek, azonban az adalékot nagy koncentrációban tartalmazó minta stabilitása már nem felelt meg a követelményeknek. Továbbá a nagy adalékkoncentráció (PP--GB) esetén a hidegoldali tulajdonság jelentősen romlott, a további koncentráció növelés már feltehetően a szabványnak nem megfelelő töréspont értéket eredményezne (. ábra). - - - - - -, -, -, -, -7 PP--GB PP--GB PP--GB penetráció,,mm tárolási stabilitás, dt, C. ábra. A PP degradátum tartalmú gumibitumen A degradátum bekeverése hasonlóan a PE degradátumhoz, csökkentette a gumibitumen viszkozitását, de a csökkenés mértéke kisebb volt. A gyakorlati felhasználást tekintve az adalék, illetve m/m%-ban fejtett ki számottevő hatást, de figyelembe véve a stabilitás csökkenését, valamint a hidegoldali tulajdonság romlását a nagyobb koncentráció alkalmazása már nem javasolható (. 7 78 8 8 8 PP--GB PP--GB PP--GB 7 8 9. ábra. A PP degradátum tartalmú gumibitumen A PS degradátum alkalmazása esetén következett be a legkisebb mértékű lágyuláspont csökkenés. Ugyanakkor a minták, a degradátumot nagy koncentrációban alkalmazva is, kielégítették a stabilitásra vonatkozó követelményeket. A töréspontot csak kis mértékben változtatta meg, köszönhetően a krakkolás után a degradátumban maradó aromás jellegű részek miatt (. ábra). - 9 - - 7-7 -, -, -, -, PS--GB PS--GB PS--GB penetráció,,mm tárolási stabilitás, dt, C. ábra. A PS degradátum tartalmú gumibitumen Az alkalmazott adalékok közül a PS degradátum tartalmazta a legkevesebb nagy szénatomszámú paraffint. Ennek következtében értékelhető viszkozitás csökkenést csak nagy adalékkoncentráció alkalmazása során figyeltünk meg (. ábra).
7 78 8 8 8 PS--GB PS--GB PS--GB 7 8 9. ábra. A PS degradátum tartalmú gumibitumen Hagyományos szintetikus gumival módosított bitumenben alkalmazva a PE degradátumot, a koncentráció növelésével nagymértékben csökkent a lágyuláspont, valamint növekedett a töréspont. A polimer javította az öregedés állóságot és nagy koncentráció alkalmazásánál is stabil volt a bitumen-polimer rendszer. A lágyuláspont csökkenést és a töréspont növekedést figyelembe véve a további degradátum koncentráció nem javasolható, mert a termék ebben az esetben már nem teljesítené az előírt követelményeket (7. ábra). - 7-7 7 7-8 -, -, -, -, - PE--SBS PE--SBS 8 PE--SBS penetráció,,mm tárolási stabilitás, dt, C 7. ábra. A PE degradátum tartalmú módosított bitumen A PE degradátum alkalmazása csökkentette a minta viszkozitását. Már kis koncentrációban is észrevehető hatással volt a viszkozitásra, m/m%- ban alkalmazva (PE--SBS), a C-on mért viszkozitás közel azonos volt a referencia minta 8 C-on mért viszkozitásával. Továbbá jelentős csökkenés figyelhető meg a C-on mért viszkozitás értékében, amely előnyös az útépítés, a (terítés, hengerlés) során (8. ábra). 9 8 7 7 7 8 8 PE--SBS PE--SBS PE--SBS 7 8 9 8. ábra. A PE degradátum tartalmú módosított A PP degradátumot kis koncentrációban tartalmazó csak kis mértékben tértek el a referencia mintáétól. Az adalékot m/m% koncentrációban tartalmazó minta (PP--SBS) lágyuláspontja jelentősen csökkent, a csökkenés mértéke kisebb volt, mint a PE degradátumnál tapasztalt. A stabilitás mérőszáma ebben az esetben elérte a határértéket és a töréspont is jelentősen emelkedett. (9. ábra). 7 - - 7 7 7-8 - -,-,-,-, PP--SBS 8 PP--SBS PP--SBS penetráció,,mm tárolási stabilitás, dt, C 9. ábra. A PP degradátum tartalmú módosított bitumen A PP degradátum kis koncentrációban elhanyagolható mértékben csökkentette a viszkozitást. Jelentősebb változás csak nagyobb adalék koncentráció alkalmazásával érhető el, figyelembe véve a további tulajdonság módosító hatást, a koncentráció csak kis mértékben növelhető (. ábra).
9 8 7 7 7 8 8 PP--SBS PP--SBS PP--SBS 7 8 9. ábra. A PP degradátum tartalmú módosított A PS degradátum alkalmazása során hasonló tendencia figyelhető meg, jelentősebb tulajdonság változás csak az m/m% adalékkoncentráció esetén következett be. A töréspont hasonlóan a gumibitumen minták esetében tapasztaltakkal (. ábra) a többi degradátummal előállított mintákhoz képest kevésbé növekedett (. ábra). -7 7 7-9 7 - - 7 -,-,-,7-,8-,9-8 PS--SBS 8 PS--SBS PS--SBS penetráció,,mm tárolási stabilitás, dt, C. ábra. A PS degradátum tartalmú módosított bitumen A legkisebb viszkozitás csökkenést a PS degradátum okozta és csak nagyobb koncentrációban alkalmazva (>m/m%) lehetett kedvező hatást elérni, azonban ezekben az esetekben az egyéb tulajdonságmódosító hatás is fokozottan érvényesült (. ábra). 9 8 7 7 7 8 8 PS--SBS PS--SBS PS--SBS 7 8 9. ábra. A PS degradátum tartalmú módosított Összefoglalás A vizsgálatok során megállapítottuk, hogy a célként kitűzött viszkozitás csökkentés a leghatékonyabban a PE degradátum alkalmazásával valósítható meg. Gumibitumen kompozíciókban már kis alkalmazási koncentrációnál is jelentős hatást lehetett elérni, anélkül, hogy a termék további tulajdonságai nagymértékben változtak volna. A minták minden esetben teljesítették az előírásokat. Továbbá a plasztomerekhez hasonlóan a degradátum javította az öregedéssel szembeni ellenálló képességet is, így a PE degradátum alkalmas lehet viszkozitás csökkentő adalékként való alkalmazásra az útépítésben. A PP degradátum csak nagy koncentráció esetén csökkentette megfelelő mértékben a viszkozitást, azonban az adalékkoncentráció növelése jelentősen rontotta a stabilitást, illetve a hidegoldali tulajdonságát, ezért ennek az alkalmazása csak kiegészítő adalékokkal lehetne javasolt. A PS degradátum alkalmazása eredményezte a legkisebb viszkozitás módosító hatást, ezért ennek az adaléknak az alkalmazása más területen javasolható. Hagyományos, mesterséges gumival módosított bitumenekben alkalmazva a degradátumokat, hasonlóan a gumibitumen minták esetében tapasztalttal, a legnagyobb hatást a PE degradátum alkalmazásával lehetett elérni. Irodalomjegyzék [] Chandra K. Akisetty, Soon-Jae Lee, Serji N. Amirkhanian, High temperature properties of rubberized binders containing warm asphalt additives, Construction and Building Materials (9) 7 [] Yuksel Tasdemir, High temperature properties of wax modified binders and asphalt mixtures, Construction and Building Materials (9) [] WO/7/899, Bíró Sz., Bartha L., Deák Gy., Geiger A., Chemically stabilized asphalt rubber compositions and a mechanochemical method for preparing