Z drogami jest trochę jak z butami noszonymi codziennie przez kilka sezonów. Na początku wszystko działa: podeszwa jest sprężysta, materiał trzyma formę, nic nie pęka. Potem przychodzi czas, wilgoć, słońce, mróz, nacisk i tysiące kroków. Materiał sztywnieje, traci dawną elastyczność, aż w końcu zaczyna się rozpadać. Z nawierzchnią jest podobnie. Choć wydaje nam się czymś twardym i niezmiennym, ona też się starzeje. I właśnie to starzenie jest jednym z najważniejszych problemów nowoczesnego drogownictwa.
Proces starzenia asfaltu
Naukowcy z Lublina przypominają, że asfalt drogowy z czasem twardnieje i staje się bardziej podatny na pękanie, bo zachodzą w nim procesy związane z wysoką temperaturą i kontaktem z tlenem. Z tego powodu szukają dodatków, które mogłyby ten proces spowolnić i wydłużyć życie nawierzchni. W artkule opublikowanym w czasopiśmie naukowym „Fuel” opisują pomysł zarazem prosty i nowoczesny. Sprawdzili, czy do asfaltu da się dodać materiał zbudowany z bardzo małych włókien (politiofen), które można wmieszać do masy bitumicznej jak mikroskopijny wzmacniacz. Badacze chcieli zobaczyć, czy taki dodatek nie tylko zmieni właściwości świeżego materiału, ale przede wszystkim czy pomoże mu lepiej znosić starzenie podczas produkcji i późniejszego użytkowania drogi. Badając próbki z dodatkiem 1 proc., 3 proc. i 5 proc. tych włókien sprawdzali, jak zachowują się one po sztucznie przyspieszonym starzeniu, czyli w warunkach mających naśladować produkcję mieszanki asfaltowej i wieloletnią pracę nawierzchni.
Poszukiwanie rozwiązań
Naukowcy - poza składem chemicznym i zachowaniem powierzchni - kontrolowali także przyczepność do kruszywa, a nawet to, jak materiał wygląda w bardzo małej skali, pod mikroskopem sił atomowych. Innymi słowy chcieli zobaczyć nie tylko to, czy materiał działa lepiej - ale też dlaczego działa lepiej. Dodatek włókien okazał się zwiększać lepkość asfaltu, czyli sprawiać, że materiał stawał się bardziej zwarty i mniej skłonny do płynięcia w wysokiej temperaturze. Przy jednym procencie dodatku lepkość rosła o około 6 proc., a przy pięciu procentach - prawie o jedną czwartą. Jednocześnie zmiany innych podstawowych cech nie były gwałtowne, co jest dobrą wiadomością, bo chodziło nie o to, by zrobić z asfaltu nawierzchnię twardą jak beton, tylko by dać mu większą odporność na zużycie.
Wpływ dodatku włókien na właściwości asfaltu
Naukowcy tłumaczą te wyniki w dość obrazowy sposób. Użyte włókna politiofenowe nie tworzą w asfalcie jednej wielkiej, sztywnej sieci. Raczej wzmacniają go miejscowo, jakby w środku pojawiły się maleńkie rusztowania, które porządkują materiał i utrudniają jego rozpad. Dzięki temu asfalt staje się bardziej odporny, ale nie traci całkowicie swoich użytkowych cech. Badacze pokazali też, że modyfikacja zachodzi głównie przez oddziaływania fizyczne, a nie przez przebudowę całej chemii materiału. Mówiąc prościej: dodatek pomaga asfaltowi, ale nie tworzy z niego nowego materiału. Takie rozwiązanie może być przyjazne środowisku i nie powinno utrudniać recyklingu mieszanek asfaltowych.
Najważniejsze są jednak wyniki dotyczące starzenia. Zastosowanie włókien obniża wskaźniki starzenia o około 12-13 proc., a dodatkowo hamuje utlenianie atomów węgla i siarki podczas użytkowania nawierzchni. To właśnie z powodu tego procesu asfalt z wiekiem sztywnieje i traci dawną odporność. Po sztucznym starzeniu asfalt z dodatkiem włókien zachowuje się lepiej niż próbka bez dodatku: mniejsze są niekorzystne zmiany lepkości i temperatury mięknienia, a część wskaźników chemicznych wyraźnie wskazuje na wolniejsze zużywanie się materiału.
W obrazie mikroskopowym powierzchni asfaltu po dodaniu włókien zniknęły charakterystyczne faliste struktury, a powierzchnia stała się gładsza. Taki wynik sugeruje, że materiał rzeczywiście układa się inaczej niż zwykły asfalt i że dodatek wpływa na jego budowę już w bardzo małej skali. W efekcie materiał starzeje się w sposób bardziej kontrolowany.
Korzyści praktyczne i środowiskowe
Jeśli nawierzchnia starzeje się wolniej, to droga może dłużej zachować dobrą jakość. To oznacza mniej remontów, mniej utrudnień, mniejsze koszty i mniejsze zużycie surowców. Badacze zrobili nawet prostą analizę środowiskową i pokazali, że choć sam dodatek nieco zwiększa emisje na etapie produkcji, to dłuższa trwałość nawierzchni może obniżyć obciążenie środowiska w przeliczeniu na rok użytkowania.
