Анализи

Възможности пред България за прилагане на иновативни технологии в пътното строителство, свързани с кръговата икономика и европейската Зелена сделка

Инж. Росен Колелиев,

д-р инж. Петко Кръстев,

инж. Борислав Нейков

 

В контекста на европейската Зелена сделка основната цел е постигане на климатично неутрална Европа до 2050 г. За да могат да отговорят на поставените цели, икономиките на страните от ЕС/ЕИП трябва да претърпят съществени промени. Процесите и техологиите в индустрията, строителството и селското стопанство да бъдат изцяло кръгови, т.е. безотпадни и в идеалния вариант с нулев въглероден отпечатък - преизчислен на база емисии CO2. Строителството в частност е един от най-големите консуматори на енергия и източник на парникови газове, а именно:

 Консумира 40% от общата потребявана енергия;

 Отговорно е за 36% от емисиите на СО2;

 Използва 50% първични суровини;

 Генерира 33% отпадъци.

От друга страна строителството е и ключов фактор за икономически растеж на континента:

 Дава 9 - 10% от БВП;

 Осигурява над 10% от общата заетост, или 13,4 млн. пряко работещи в строителството и над 20 млн., включвайки съпътстващите дейности;

 Това са 3 млн. компании, като над 90% са МСП.

В този смисъл значението на строителството за дългосрочен растеж, развитие на технологиите и прилагане принципите на кръговата икономика е огромно. Един от сегментите на тази индустрия е пътното строителство, където основните усилия са за създаване на дълготрайни настилки (удължен срок на експлоатация), пълно рециклиране на използваните материали - безотпадни производства за намаляване консумацията на енергия и природни ресурси - битум и каменни фракции.

  1. Възможност за производство на полимермодифициран битум с рециклирани пластмаси
[caption id="" align="alignleft" width="433"] Сн. 1 Флуоресцентни микроскопски снимки на полимермодифициран битум с 10% HDPE (ляво) и хлориран HDPE (дясно) (Daly et all 1993)[/caption]

За да могат пътищата да отговорят на тези изисквания, в Европа се използват най-често битуми, модифицирани с термоеластопласти - обикновено стирол бутадиенови каучуци или реакционни еластомерни терполимери (след 1990 г.). По този начин чрез модификацията на свързващото вещество (битума) в асфалтовата настилка се постига устойчивост на температурни деформации и напрежения вследствие на тежък трафик - коловозо- и пукнатинообразуване. Подобрените характеристики на асфалта съответно удължават експлоатационния период на пътната настилка и намаляват разходите за реконструкция. Ако разгледаме този тип технология в светлината на кръговата икономика, ще отбележим, че не само термоеластопластите могат да бъдат използвани като модификатори, а също и рециклираните полимери. Но за да постигнем оптимални резултати, те трябва да отговарят на следните условия, както са дефинирани от Европейската асоциация за асфалтови настилки (ЕАРА) [1]:

 Да нямат негативен ефект в краткосрочен и дългосрочен план върху здравето на работниците и хората по време на производство и експлоатация;

 Да нямат отрицателен ефект върху околната среда;

 Да не нарушават възможността за рециклиране на асфалта;

 Да придават съответните експлоатационни характеристики, без да влошават качеството на асфалта;

 Полученият полимербитум да не е опасен продукт;

 Цената на полимербитума да бъде съизмерима на тази с първични полимери.

Разглеждайки съществуващите технологии, можем да отбележим, че усилията за намиране на устойчиви решения стартират от 1970 г. и в последните години интересът към рециклираните полимери рязко се е увеличил [2-8]:

  1. Каучукови мленки/брашно от автомобилни гуми. Омрежени полимери - SBS, NR. От една страна, това дава възможност за оползотворяване на вулканизатите, но от друга, дълготрайните ефекти са съмнителни. Трудно е последващо рециклиране на асфалта. За осигуряване на съвместимост с битума е необходимо използването на химични реагенти за модификация повърхността на каучуковите частици. Генерират се частици микропластмаса от пътната настилка.
  2. Полиетилен терефталат (PET) - масово използван полимер със значителен недобър ефект върху околната среда поради неорганизирана инфраструктура по сметосъбиране (особено в Африка и Азия). Пряко не може да бъде използван за модификация на битум поради Тт = 260оС, докато битумът се модифицира ок. 180оС. Към момента използването му е само чрез добавяне на изоцианати - технология на Technisoil - САЩ. Тя има ограничено приложение поради факта, че изоцианатите са отровни, характеристиките на асфалта не се подобряват значително и РЕТ може да бъде рециклиран много по-ефективно при стандартна преработка (екструзия) на пластмасите.
  3. Полиетилен ниска плътност (LDPE), полиетилен висока плътност (HDPE) и полипропилен (ПП) - полиолефинови термопласти, стапящи се под 200оС, Тт LDPE = 120oC, HDPE = 140oC, PP = 160oC, което ги прави подходящи за модификация на битума при стандартните условия на процеса ок. 180оС. Стапят се напълно, което минимизира възможността за образуване на частици микропластмаса. Повишават устойчивостта на асфалта на високи температури - дефинирани чрез параметъра Точка на омекване (ТО) на полимербитума, но същевременно влошават еластичните и нискотемпературните характеристики (дефинирани като Еластично възстановяване – ЕВ, и Температура на счупване по Фраас). Едновременно с това съвместимостта им с битума е ограничена (Сн. 1), което налага използване на други модификатори. Технология на база LDPE (поради най-ниската си Тт и най-добра еластичност) е предложена още от 1991 г. - Novophalt [2], но поради сепарация на полимербитума почти не се използва самостоятелно.

С развитието на индустрията бяха предложени нови решения, а именно през 2019 г. от Dow - САЩ, чрез използване на LDPE и реакционни термоеластопласти [9]. Докладваната ефективност е значителна, като полимербитумите, получени с рециклирани пластмаси, по нищо не се различават от тези с първични полимерни модификатори (Сн. 2).

От снимките ясно се вижда, че при наличие само на рециклиран ПЕ полимербитумът е с нехомогенна структура, което води до разслояване и влошени експлоатационни характеристики на асфалта. В случая, когато се влага допълнителен полимерен съвместител, системата е подобна на тази на стандартен полимербитум.

В обобщение на кратката ретроспекция по-горе можем да направим извода, че от рециклираните пластмаси единствено LDPE може да бъде използван относително ефективно за модификация на битум, и то само при условие, че едновременно с него има присъствие на друг полимер, който да осигури стабилност на системата. Такава технология към момента съществува на база LDPE и реакционни термоеластопласти, т.е. има налично техническо решение за ефективно оползотворяване на рециклирани LDPE фракции в асфалтовите настилки, допринасяйки за техния удължен срок на експлоатация.

Защо рециклираните пластмаси са от такова значение за асфалтовите пътища? От една страна, съгласно доклад за състоянието на пътищата в България към края на 2019 г. [10] 60% (или близо 12 000 км!) от настилките са в недобро до лошо състояние. Това създава предпоставки за ПТП, необходимост от непрекъснати ремонти, което ангажира значителен публичен ресурс, без да отчитаме загубите, свързани с удължените времена на пътуване и съпътстващите въглеродни емисии.

От друга страна, от 1 януари 2021 г. влeзe в сила новият регламент за нерециклираните пластмаси в ЕС, който дефинира 0,80 евро/кг данък във всяка страна членка. (За сравнение, цената на 1 кг първичен ПЕ е 1,2 евро/кг.) Или колкото по-ефективно оползотворяваме пластмасовите отпадъци, толкова по-малко държавата ще плаща към ЕС. При съществената ни нужда от подобряване на пътната мрежа за България това е шанс не само да я подобрим, но и да спестим значителни средства.

[caption id="" align="aligncenter" width="800"] Сн. 2 Флуоресцентни микроскопски снимки на битуми и полимермодифициран битум. От ляво надясно - чист битум, битум модифициран с 3% рециклиран LDPE, полимербитум с 1,8% реакционен термоеластопласт, полимербитум с 3% рециклиран LDPE и 1,8% реакционен термоеластопласт[/caption]

        2. Възможност за рециклиране на фрезован асфалт (Reclaimed asphalt pavement, RAP)

При рехабилитацията и ремонта на пътната мрежа на страната се генерират големи количества строителен отпадък (фрезован материал). Към настоящия момент най-често използваният метод за оползотворяване на фрезования материал е т.нар. горещо рециклиране. По тази технология материалът се нагрява до висока температура 160 - 170oС, така че съдържащият се в него битум да се стопи, и впоследствие се добавя модификатор. Методът е свързан с висока енергоемкост и допълнително окисление на битума и изпускане на вредни емисии в атмосферата. Едновременно с горещото рециклиране съществуват технологии за 100% рециклиране на този отпадък при производството на асфалтови смеси, като на студено се добавят модификатори, възстановяващи свойствата на битума, намиращ се в материала. Включва се и стабилизиран ПМБ в състава на модификаторите. Това повишава устойчивостта на пластични деформации (коловозообразуване на пътната настилка), подобрява нискотемпературните характеристики, забавя стареенето от окисление на битума, повишава се екологичността на производството на асфалтовите смеси и се намаляват вредните емисии в атмосферата. Наред със съществуващите разработки в резултат на сътрудничеството между Химико-технологичния и металургичен университет (ХТМУ), София, и фирма „Пътища и мостове“ ЕООД в България също се създаде и патентова технология за получаване на т.нар. високоякостни модификатори за производство на асфалтови смеси с фрезован материал; търговски марки: „Фрезобит R” за използване в рамките на 48 часа и „Фрезобит N” с възможност за съхранение 6 месеца след пакетиране. [11]

Високоякостният модификатор е система на база битум, полимери и модификатори, която може да се използва при температура от 50оC до -10оC. Смесена с фрезован материал в количество около 3%, преобразува веднага фрезования асфалт в асфалтова смес, аналогична на тази, получена от свежи материали. Изискванията към използвания фрезован материал са само като зърнометрия (съгласно ТС на АПИ), която лесно се постига след подходящо пресяване, а ако е необходимо, и претрошаване. Трябва да се отчете фактът, че фрезованият материал най-общо е с неуточнен състав за всяка партида – вид на каменната фракция и битум.

По отношение на свързващото вещество - възможностите на модификаторите за възстановяване и подобряване на качеството на битума във фрезования асфалт са безспорни и след третиране съществуващият битум придобива качества, почти аналогични на полимермодифицираните битуми, с което покрива съответните изисквания към така полученото свързващо вещество.

Що се касае за вида на фракциите във фрезования асфалт, всяка лаборатория може лесно да установи техните качества и да определи за какъв вид асфалт може да се използват.

В най-общия случай за кърпежи по общинската пътна мрежа такова изследване не е необходимо, защото фракциите, с които е правена асфалтовата смес, няма причина да не бъдат допуснати за производство на асфалтова смес за кръпки, тъй като изискванията за такъв вид ремонт са много занижени.

Подготовката за използване на фрезован асфалт с „Фрезобит“ е изключително лесна, а за малки количества необходимата техника може да се сведе до обикновена ръчна количка, лопата и трамбовка (може и дървена). Сместа има свойството да се доуплътнява от автомобилното движение.

В най-общ вид, за да се използва „Фрезобит N“, са необходими елементарни действия, които всеки неспециализиран екип може да извърши. Техниката е в зависимост от исканото количество за производство в рамките на деня.

За материала „Фрезобит“ има издадено положително становище за приложение от Института по пътища и мостове.

Отчитайки всички споменати по-горе фактори, предлагаме:

  1. Да бъде променена нормативната база относно полимербитумите, а именно националното приложение на EN 14023:2010, дефинирано чрез ТС АПИ 2014 г., така че да се допусне да се използват полимербитуми, съдържащи рециклиран полиетилен ниска плътност (LDPE), като се адаптират изискванията.
  2. Да бъде възложено разработване на оптимална технология за влагане на рециклиран полиетилен съвместно със стабилизиращи модификатори - реакционни термоеластопласти.
  3. Да се експериментира и анализира възможността при ремонта на асфалтовите настилки да се използват полимермодифицирани студени асфалтови смеси с фрезован материал.

Нещо повече, подобряването на качеството на асфалтовите настилки с природосъобразни технологии освен в контекста на европейската Зелена сделка, води със себе си до икономия на средства и подобряване характеристиките на повърхностния асфалтов пласт. Освен това способства и за намаляване емисиите от СО2 (до 5%), което в общоевропейски мащаб означава, че подобряване на 30% от пътната мрежа до 2030 г. може да намали емисиите на СО2 с 14 млн. тона/г., или еквивалента на емисиите от 3 млн. автомобила [12].

Надяваме се на своевременна реакция от заинтересованите ведомства!

 


 

Литература

 

  1. EAPA Position Statement on the use of secondary materials, by-products and waste in asphalt mixtures, 2020.
  2. D.N. Little -Performance Assessment of Binder-Rich Polyethylene-Modified Asphalt Concrete Mixtures.(Novophalt®), Transportation Research Record, 1991.
  3. D.N. Little -Use of Waste Materials in Hot-Mix Asphalt, Enhancement of Asphalt Concrete Mixtures to Meet Structural Requirements through the Addition of Recycled Polyethylene, American Society for Testing and Materials, 1993.
  4. W.H. Daly, Z. Qui, and I. Negulescu - Preparation and Characterization of Asphalt-Modified Polyethylene Blends, Transportation Research Record, 1993.
  5. M. Lalib and A. Maher -Recycled Plastic Fibers for Asphalt Mixtures, Federal Highway Administration Report, FHWA 2000-04, 1999.
  6. F. Yin and R. Moraes Storage- Stability Testing of Asphalt Binders Containing Recycled Polyethylene Materials, Research Report Submitted to Plastics Industry Association, 2018.
  7. F. Yin, R. Moraes, M. Fortunatus, N. Tran, M.D. Elwardany, and J. Planche - Performance Evaluation and Chemical Characterization of Asphalt Binders and Mixtures Containing Recycled Polythylene”, Report Submitted to Plastics Industry Association, 2019.
  8. M.A. Dalhat, H.I. Wahha, and K. Al-Recycled Plastic Waste Asphalt Concrete via Mineral Aggregate Substitution and Binder Modification, Journal of Materials in Civil Engineering, 2019.
  9. Recycled plastics for performance graded asphalts, https://www.dow.com/documents/en-us/tech-art/914/914-331-01-recycled-plastics-for-performance-graded-asphalts.pdf, 2019.
  10. https://www.sars.gov.bg/.
  11. Технология за производство на студени асфалтови смеси с използване на фрезован материал и битумен модификатор ФРЕЗОБИТ https://pmostove.com/uploads/products/84/tehnologiya-za-izpolzvane-na-frezobit-r-pro.pdf.
  12. EAPA 2020, A European Green Deal, The asphalt industry’s contributions to climateneutrality and preservation of Europe’s natural environment.
  13. Колелиев, Р. – „Иновативен метод за използване на фрезования асфалт (rap) чрез високоякостни модификатори“ – в. „Строител”, бр. 16.06.2017 г.