Vzhľadom na veľké množstvo recyklovaného materiálu z pneumatík sa tento materiál stáva na celom svete predmetom výskumu zameraného na možnosti využitia. Pri hľadaní možností využitia recyklovaného materiálu z pneumatík sa pozornosť v stavebníctve zameriava predovšetkým na využitie do asfaltových zmesí, ktoré sa aplikujú do rôznych konštrukčných vrstiev cestných vozoviek.
Pre to, aby sa mohla posúdiť vhodnosť využitia takéhoto materiálu, je potrebné poznať jeho základné vlastnosti, ako aj správanie sa pri výrobe asfaltových zmesí a pri aplikácii pri rôznych podmienkach zaťažovania vozovky. Preto je predmetom tohto článku overovanie recyklátu vzniknutého z mechanického drvenia opotrebovaných pneumatík a následného roztrieďovania. Po roztrieďovaní sa získava gumový granulát rôznej zrnitosti, vlákna pochádzajúce z kordu pneumatík a kúsky rozdrvenej oceľovej výstuže. Po drvení vzniká aj zmes gumy a vlákien, ktoré sme pre laboratórne účely nazvali „gumovlákna”.
Opotrebované pneumatiky
Na Slovensku platí zákaz ukladania opotrebovaných pneumatík na skládky od roku 2001. Pneumatiky možno použiť iba ako konštrukčný materiál skládky. Odhadovaný výskyt opotrebovaných pneumatík na Slovensku v roku 2010 je vo výške cca 28 000 t. Recyklačný fond uvádza, že kým v roku 2001 sa materiálovo zhodnotilo 3 100 t opotrebovaných pneumatík, v roku 2007 to bolo približne 16 500 t a odhad za rok 2009 bol 19 600 t. V súčasnosti je na Slovensku vybudovaná celková recyklačná kapacita na spracovanie 48 000 t pneumatík.
Opotrebované pneumatiky sa buď energeticky alebo materiálovo zhodnocujú, pretože Program odpadového hospodárstva (POH) SR ukladá povinnosť zhodnocovať opotrebované pneumatiky materiálovým spôsobom, čiže činnosťou R3 prílohy zákona 223/2001. Recyklačný fond viazaný týmto cieľom podporuje len takéto zhodnocovanie.
Z kvalitatívneho hľadiska sa spraco vateľskými postupmi z pneumatík získa recyklát, ktorý vždy bude mať viac alebo menej heterogénne zloženie, a tým aj rozličné vlastnosti. Miera využitia recyklátu bude preto významne ovplyvnená práve úrovňou jeho separácie a osobitného uskladňovania priamo na mieste spracovania.
Laboratórne overovanie použitia recyklátu
Stanovenie základných fyzikálnych vlastností a chemického zloženia odpadu je vždy prvoradé na posúdenie jeho vhodnosti na určité použitie. Nové európske normy a technické podmienky umožňujú použitie recyklátu za rovnakých podmienok ako sú stanovené pre prírodné materiály. Problém však je v tom, že pri niektorých vlastnostiach recyklátu je veľmi obtiažne splnenie kritérií stanovených pre prírodné kamenivo. Pritom však pri mnohých aplikáciách nejde o zásadný problém, ktorý by znižoval výslednú kvalitu stavby. Často možno tento materiál výhodne použiť do rôznych konštrukčných vrstiev vozoviek, kde svojimi vlastnosťami dokonca v niektorých parametroch predstihuje prírodné materiály.
V Cestnom vedeckovýskumnom laboratóriu Stavebnej fakulty STU sa v posledných rokoch overovalo značné množstvo rôzneho druhu odpadu za účelom získania informácií, ktoré by umožnili jeho využitie do rôznych vrstiev cestnej vozovky. Overovala sa napríklad možnosť využitia rôznych druhov betónu, zmesového odpadu z demolície stavieb, balvanov z koryta riek, výrubu z tunelov, kameniva z koľajového lôžka, trosky, vybúraného a odfrézovaného asfaltového materiálu, gumy z pneumatík a i. Overovali sme aj možnosť využitia rôznych „netradičných” odpadových materiálov. Predmetom tohto príspevku je zverejnenie výsledkov skúšok materiálu, ktorý sa vyskytuje ako odpad v relatívne značnom množstve – odpad z likvidácie pneumatík. Spomínaný odpadový materiál sme overovali s ohľadom na možnosť jeho využitia do asfaltových zmesí.
Overovanie vlastností „gumovlákna”
Recyklát z drvenia pneumatík obsahuje „čisté” granule gumy rôznej veľkosti, ďalej zmes gumy a vlákien, alebo len „čisté” vlákna. Keďže doteraz sme nezískali informácie, že by sa laboratórne overovali možnosti využitia takýchto vlákien, pristúpili sme aj k takýmto skúškam. V prvej fáze bolo potrebné získať informácie o vlastnostiach vlákien a ich prípadnej škodlivosti z hľadiska životného prostredia.
Guma z pneumatík je vulkanizovaný kaučuk, ktorým je polymérový materiál prírodného alebo syntetického pôvodu, vyznačujúci sa veľkou pružnosťou, teda schopnosťou výrazne sa deformovať účinkom vonkajšej sily a potom opäť zaujať pôvodný tvar – je to elastomér. Guma vzniká z kaučuku vulkanizáciou, čo je teplom alebo katalyzátorom podporovaná reakcia vulkanizačného činidla (napr. síry, sírnej zlúčeniny). Tá vedie k vzniku disulfidických mostíkov medzi makromolekulami gumy a k tvorbe riedkej trojrozmernej polymérnej siete. Čím dlhšie vulkanizácia prebieha, tým viac mostíkov vzniká a tým je výsledná guma tvrdšia [2]. Vulkanizáciou latexu sa zvyčajne získajú požadované vlastnosti kaučuku, napríklad pevnosť v ťahu, pružnosť, odolnosť proti rôznym vplyvom.
Na hodnotenie najvyššej prípustnej koncentrácie škodlivín boli vzorky vlákien (textil z kordu pneumatík) zaslané do „Inštitútu na testovanie a certifikáciu”. Výsledky skúšok sú uvedené v tabuľke 1. Z výsledkov skúšok vyplýva, že okrem hodnoty pre zinok sú všetky hodnoty stanovené pre škodlivosť z hľadiska ochrany životného prostredia nižšie ako stanovené limity. Ani prekročená hodnota pre zinok, vzhľadom na to, že ide o materiál uzatvorený v asfaltovej zmesi, nemôže ovplyvniť životné prostredie. Overovaný materiál možno jednoznačne označiť pri použití do asfaltových zmesí za zdravotne nezávadný.
| Meraná veličina | Jednotka | Výsledok merania | Údaje o neistote | Medzná hodnota |
| DOC | mg.l-1 | 39,1 | 2,1 | 40 |
| EOX | mg.l-1 | < 1,0 | - | 100 |
| Pb | mg.l-1 | < 0,020 | - | 0,04 |
| Cd | mg.l-1 | < 0,005 | - | 0,005 |
| Cr (celkový) | mg.l-1 | < 0,020 | - | 0,05 |
| Cr (šesťmocný) | mg.l-1 | < 0,003 | - | 0,008 |
| Hg | mg.l-1 | < 0,001 | - | 0,001 |
| Zn | mg.l-1 | 14,0 | 1,0 | 3,0 |
| Sn | mg.l-1 | < 0,020 | - | 0,05 |
| Vonkajšie vlastnosti | opis | vzorka po expozícii nezmenená | - | |
| Zápach | opis | neovplyvňuje | - | |
Aj z hľadiska stanovenia spalného tepla a výhrevnosti (zisťované v Ústave pre výskum a využitie palív) sú hodnoty pre horľavinu nižšie ako limitné hodnoty. Podľa vyhlásenia zhody s EN je vhodné tento výrobok používať prevažne v suchom prostredí z dôvodu čiastočnej nasiakavosti. Výrobok neovplyvňuje kvalitu životného prostredia, nemá žiadne nebezpečné vlastnosti a neohrozuje zdravie ľudí a zvierat.
Kamenné zmesi sa obaľujú asfaltom pri teplotách do 180 °C. Podľa [2] pri teplotách pod 177 °C neprichádza k žiadnym výrazným zmenám vlastností gumy. Preto možno gumu do asfaltovej zmesi (okrem liateho asfaltu) pridávať bez obavy na vznik oxidačného rozkladu gumy. Dôležitá je však chemická kompatibilita gumy s asfaltmi. Podobne je to aj s celulózovými alebo syntetickými vláknami.
Overovanie zrnitosti „gumovlákna”
Pri spracovávaní opotrebených pneumatík vzniká špecifický odpad z drvenia alebo drásania, ktorý obsahuje syntetické vlákna z telesa pneumatiky a gumové zrná rôznej veľkosti, často priľnuté na vláknach. V rámci overovania sme tento odpad nazvali „gumovlákna”.
Na začiatku overovania možností pridávania takéhoto materiálu do asfaltových zmesí. sme urobili sitový rozbor. Po mechanickom oddelení a preosiatí boli oddelené samotné vlákna (čiastočne ešte na nich zostali priľnuté malé čiastočky gumy) od gumových zŕn. Výsledky sitového rozboru sú uvedené v tabuľke 2. Materiál celkove obsahoval 46 % hm. syntetických vlákien a 54 % hm. čiastočiek gumy.
| Sito [mm] | Prepad sitom [%] |
| 8 | 100 |
| 4 | 96 |
| 2 | 52 |
| 1 | 30 |
| 5 | 21 |
| 0250 | 10 |
| 0125 | 2 |
| 0063 | 1 |
| Prepad | 1 |
Výsledky sitového rozboru umožňujú začlenenie gumového granulátu do asfaltovej zmesi, ako náhradu drobného prírodného kameniva. Doterajšie výskumy robené v CVVL potvrdili, že najvhodnejšia veľkosť z<0x0155>n drvenej gumy do asfaltových zmesí je do 1 mm. Takúto gumu možno považovať za modifikátor, ktorý v priebehu miešania zmesi reaguje s asfaltom a zlepšuje odolnosť zmesi proti únave a vytváraniu trvalých deformácií.
Overovanie možnosti použitia „gumovlákna” v asfaltovej zmesi
V našich podmienkach sa na asfaltové vrstvy používajú prevažne len dva typy asfaltových zmesí, a to asfaltový betón (AC) a asfaltový koberec mastixový (SMA). Preto sme pre tieto typy zmesí overovali možnosť využitia „gumovlákna”.
Asfaltový betón AC 11
Vzhľadom na predchádzajúce výsledky výskumu využitia gumy v horúcich asfaltových zmesiach robeného v CVVL a vzhľadom na zloženie odpadu, v ktorom je väčší podiel gumových zŕn rôznej veľkosti (54 %) ako vlákien, sme sa rozhodli overiť tento materiál v zmesi asfaltový betón (AC 11). Zisťovali sme zmeny vlastností zmesi pri rôznom dávkovaní „gumovlákna” a porovnávali sme ich s asfaltovou zmesou bez použitia recyklátu (zmes č. 1), ktorej zloženie je uvedené v tabuľke 3.
| Lokalita | Hornina | Frakcia [mm] | Dávkovanie [% hm.] |
| Rohožník | Melafýr | 8/16 | 18,0 |
| Rohožník | Melafýr | 4/8 | 13,0 |
| Trstín | Vápenec | 2/4 | 22,0 |
| Trstín | Vápenec | 0/2 | 37,8 |
| Žirany | Vápenec | kamenná múčka | 3,8 |
| Cestný asfalt 70/100 | 5,4 |
Pri skúškach sme overovali vplyv recyklátu na stabilitu a pretvorenie zmesi na Marshallových telieskach. Pri zmesiach č. 2 až 5 sme menili podiel pridávaného gumovlákna do základnej zmesi (č. 1) v rozsahu 0,3 až 1,1 % hm. základnej zmesi. Výsledky skúšok tohto porovnávania sú uvedené v tabuľke 4.
| Číslo zmesi | Dávkovanie gumovlákna [% hm.] | Stabilita SM [kN] | Pretvorenie PM [mm] | Miera tuhosti MT |
| 1 | 0,0 | 11,1 | 23 | 48 |
| 2 | 0,3 | 8,0 | 37 | 22 |
| 3 | 0,5 | 7,7 | 44 | 18 |
| 4 | 0,8 | 7,6 | 54 | 14 |
| 5 | 1,1 | 6,5 | 59 | 11 |
Dosiahnuté výsledky poukazujú na to, že s pribúdajúcim množstvom „gumovlákna” sa všetky sledované vlastnosti mierne zhoršujú. Toto porovnanie korešponduje s predchádzajúcim skúmaním možností použitia gumy v asfaltových zmesiach spracovaných za horúca, ktoré sa robili v CVVL v uplynulých rokoch. Predchádzajúce výskumy ukázali, že gumová drvina má schopnosť pozitívne ovplyvniť vlastnosti asfaltovej zmesi len do veľkosti zŕn gumy 1 mm. Vzhľadom na to, že podľa sitového rozboru je zŕn pod 1 mm len zhruba 1/3 a zrná väčšieho rozmeru nemali v predchádzajúcom výskume na vlastnosti asfaltovej zmesi priaznivý vplyv, nie je pre nás získaný výsledok prekvapením. Z uvedených výsledkov vyplýva, že pri použití odpadu – „gumovlákna” sa zhoršujú vlastnosti asfaltovej zmesi typu AC a jeho využitie sa nejaví ako vhodné. Jestvuje však možnosť upraviť tento odpad tak, že sa odstránia zrná gumy väčšie ako 1 mm. Preto sme urobili novú porovnávaciu sériu skúšok, pričom sme do základnej zmesi použili rovnaký rozsah dávkovania recyklátu, avšak s odstránením gumových zŕn nad 1 mm (zmesi č. 6 až 9) – tabuľka 5.
| Číslo zmesi | Dávkovanie gumovlákna [% hm.] | Stabilita SM [kN] | Pretvorenie PM [mm] | Miera tuhosti MT |
| 6 | 0,3 | 10,4 | 42 | 25 |
| 7 | 0,5 | 9,4 | 44 | 21 |
| 8 | 0,8 | 8,5 | 58 | 15 |
| 9 | 1,1 | 8,3 | 60 | 14 |
Výsledky skúšok v obidvoch prípadoch ukázali, že so zvyšujúcim sa obsahom vlákien sa zhoršuje pretvorenie, čo poukazuje na znižovanie odolnosti proti plastickým deformáciám. Toto pretvorenie však s ohľadom na vlastnosti gumy – elastoméru, nemusí byť trvalé. Na druhej strane odstránenie zŕn gumy nad 1 mm zlepšilo stabilitu zmesi, ktorá však v oboch prípadoch je nižšia ako pri základnej zmesi bez použitia recyklátu. Tieto výsledky v porovnaní s predchádzajúcimi výsledkami (bez použitia vlákien) poukazujú na to, že syntetické vlákna z kordu pneumatík v gumovom recykláte nemajú priaznivý vplyv na vlastnosti zmesi typu asfaltový betón.
Asfaltový koberec mastixový SMA
Podobne ako v predchádzajúcom prípade sme overovali možnosť využitia „gumovlákna” v zmesi typu asfaltový koberec mastixový (SMA) a možnosť nahradenia celulózových vlákien, ktoré sa do tejto zmesi musia používať, „gumovláknom”. Už v minulosti sa v CVVL, ale aj na ČVUT [1] overovali vlastnosti tejto zmesi s použitím odfrézovaného asfaltového materiálu, pričom sa potvrdila využiteľnosť odfrézovaného R-materiálu. Nahradenie celulózových vlákien iným materiálom sa zatiaľ podľa našich poznatkov neoverovalo, a preto sme do nášho programu zaradili aj overenie možnosti náhrady celulózových vlákien „gumovláknom”. Tento materiál sme do zmesi SMA pridávali v rôznom množstve. Zloženie základnej asfaltovej zmesi s pridaním 0,3 % hm. celulózových vlákien k zmesi (zmes č. 10) je v tabuľke 6.
| Lokalita | Hornina | Frakcia [mm] | Dávkovanie [% hm.] |
| Rohožník | Melafýr | 8/16 | 18 |
| Rohožník | Melafýr | 4/8 | 13 |
| Trstín | Vápenec | 2/4 | 22 |
| Trstín | Vápenec | 0/2 | 37 |
| Žirany | Vápenec | kamenná múčka | 4,1 |
| Cestný asfalt 70/100 | 5,9 | ||
| Arbocel | Celulózové vlákno | 0,3 |
Vzhľadom na vlastnosti recyklátu sme zvolili jeho rôzne dávkovanie uvedené v nasledujúcich tabuľkách 7 a 8, bez použitia celulózových vlákien. Ako porovnávaciu zmes sme použili zmes SMA s celulózovými vláknami Arbocel v dávkovaní 0,3 % hm. (zmes č. 10). Zisťovali sme zmeny vlastností zmesi vzhľadom na rôzne dávkovanie vlákien a porovnávali sme ich s vlastnosťami základnej zmesi s celulózovými vláknami (zmes č. 10). Skúškami sme overovali vplyv „gumovlákna” na stabilitu a pretvorenie na Marshallových telieskach pri rôznej veľkosti zŕn gumy. Výsledky tohto porovnávania sú uvedené v tabuľke 7. Pri zmesiach č. 11 až 13 sme menili podiel pridávaného gumovlákna do základnej zmesi v rozsahu 0,3 až 0,8 % hm. základnej zmesi.
| Číslo zmesi | Dávkovanie gumovlákna [% hm.] | Stabilita SM [kN] | Pretvorenie PM [mm] | Miera tuhosti MT |
| 10 | 0,3 % celulózové vl. | 9,3 | 33 | 28 |
| 11 | 0,3 % „gumovlákno“ | 7,9 | 48 | 17 |
| 12 | 0,5 % „gumovlákno“ | 7,6 | 50 | 15 |
| 13 | 0,8 % „gumovlákno“ | 7,3 | 70 | 10 |
Aj v prípade zmesi SMA sme urobili novú porovnávaciu sériu skúšok, pričom sme do základnej zmesi (bez celulózových vlákien) použili rovnaký rozsah dávkovania recyklátu, ako pri zmesiach 11 až 13, avšak s odstránením gumových zŕn nad 1 mm (zmesi č. 14 až 16). Ďalej sme nahradili polovičný podiel celulózových vlákien „gumovláknom" do 1 mm (zmes č. 17) a pri zmesi č. 18 sme nahradili v plnom rozsahu celulózové vlákna vláknami oddelenými z „gumovlákna" (bez gumy). Výsledky skúšok tohto porovnávania sú uvedené v tabuľke 8.
| Číslo zmesi | Dávkovanie gumovlákna [% hm.] | Stabilita SM [kN] | Pretvorenie PM [mm] | Miera tuhosti MT |
| 14 | 0,3 % „gumovlákno“ | 8,4 | 42 | 20 |
| 15 | 0,5 % „gumovlákno“ | 8,5 | 46 | 1á |
| 16 | 0,8 % „gumovlákno“ | 9,0 | 60 | 15 |
| 17 | 0,15 % celulózové vl. + 0,15 % „gumovlákno” | 39 | 70 | 22 |
| 18 | 0,3 % vlákna bez gumy | 9,2 | 40 | 23 |
V prípade použitia vlákien bez gumy sme dosiahli prakticky rovnaké hodnoty stability ako pri použití celulózy do asfaltovej zmesi. Čiastočne sa však zhoršilo pretvorenie, čo vyplýva z elastických vlastností drobných čiastočiek gumy priľnutých na vláknach a tiež z väčších zhlukov vlákien. So zvyšujúcim sa obsahom „gumovlákna" so zrnami gumy do 1 mm sa zvyšuje stabilita, avšak aj väčšou mierou sa zhoršuje pretvorenie. Pri nahradení 50 % celulózových vlákien „gumovláknom" sa dosiahli mierne horšie výsledky. Všetky takto získané výsledky však poukazujú na to, že je možnosť čiastočnej alebo úplnej náhrady celulózových vlákien vláknami z kordu pneumatík. Takéto zmesi by bolo možné bez obavy používať do krytov vozoviek. Výsledky získané v laboratóriu však môžu byť preukazné len v prípade, keď sa overia na pokusných úsekoch. K tomuto je však potrebné väčšie množstvo recyklovaných materiálov, než sme mali k dispozícii.
Na pripravených zmesiach s použitím gumy so zrnami do 1 mm (zmesi č. 14 až 18), zmesi so zrnami gumy do 8 mm (zmes č. 11) a na základnej zmesi (zmes č. 10) sme robili ďalšie skúšky vlastností pomocou prístroja Nottingham Asphalt Tester (NAT). Urobili sme skúšku modulu pružnosti zaťažovaním v priečnom ťahu (OZPT) pri piatich rôznych teplotách, pričom sa stanovovala aj vodorovná deformácia a zvislá sila. Z výsledkov stanovenia modulu pružnosti pri 20 °C a 60 °C sme vypočítali súčiniteľ teplotnej citlivosti, ako ich vzájomný pomer. Výsledky týchto meraní sú v tabuľkách 9 a 10.
| Číslo zmesi | Modul pružnosti ε [MPa] pri teplote skúšania | ||||
| -10 °C | 0 °C | 20 °C | 40 °C | 60 °C | |
| 10 | 35 180 | 21 312 | 4 198 | 489 | 165 |
| 11 | 28 040 | 17 202 | 2 629 | 214 | 76 |
| 14 | 25 957 | 19 947 | 3 178 | 354 | 114 |
| 15 | 28 898 | 23 322 | 3 528 | 387 | 134 |
| 16 | 32 495 | 23 589 | 3 716 | 372 | 138 |
| 17 | 33 210 | 21 760 | 3 830 | 396 | 140 |
| 18 | 30 446 | 21 186 | 3 439 | 311 | 127 |
Aj výsledky skúšok získané pomocou prístroja NAT preukázali podobný charakter ako pri skúškach Marshallovej stability. Pri použití gumy do 8 mm sa výrazne prejavili nepriaznivé vlastnosti väčších zŕn gumy, keď takéto zrná už nefungovali ako modifikátor a nespolupôsobili v dostatočnej miere s asfaltom. Prakticky pri všetkých sledovaných teplotách modul pružnosti narastal so zvyšujúcim sa obsahom „gumovlákna". Podobné výsledky sa dosiahli pri stanovovaní vodorovnej deformácie. Súčiniteľ teplotnej citlivosti poukazuje na to, že použitie syntetických vlákien neovplyvňuje nepriaznivo teplotnú citlivosť zmesí, okrem prípadu použita zmesi s väčšími zrnami gumy.
Uvedené výsledky však len v menšej miere zhoršujú vlastnosti zmesi typu SMA. V porovnaní s asfaltovým betónom (AC) sú tieto výsledky priaznivejšie a dávajú možnosť využitia tohto odpadového materiálu najmä v kombinácii s celulózovými vláknami. Zlepšenie vlastností zmesi však zrejme možno dosiahnuť úpravou odpadu („gumovlákien”) tým, že časť odpadu – syntetické vlákna sa „rozčešú” tak, aby sa nevytvárali väčšie zhluky a z druhej časti odpadu sa odstránia väčšie zrná gumy. Túto možnosť je však potrebné overiť tak v laboratóriu, ako aj v praxi na pokusnom úseku.
Záver
Rôzne skúšky vykonávané v laboratóriu na overenie možnosti využitia rôzneho druhu recyklátu z pneumatík poukázali na reálne možnosti jeho využitia. Vo väčšine prípadov sa však nezlepšujú vlastnosti asfaltových zmesí, avšak na druhej strane pri potrebe využitia odpadu do rôznych konštrukcií vozovky z dôvodu neukladania takéhoto materiálu na skládky sa preukázala možnosť využitia gumových materiálov aj do menej náročných asfaltových vrstiev.
Príspevok bol spracovaný v rámci riešenia grantového projektu VEGA číslo 1/0551/10.
Literatúra
[1] Mondschein, P.: Recyklace za horka v asfaltových směsích – aplikace ve směsích typu SMA. In: Zborník: Využití odpadních hmot a recyklátů ve stavebnictví, ČVUT Praha, 2011, s. 127.
[2] Mandula, J. a kol.: Analýza výsledkov vybraných skúšok gumového granulátu s cieľom jeho využitia v asfaltových vozovkách. In: Zborník: Q–2011 Výstavba, financovanie a spoplatnenie ciest a diaľnic, Žilina 2011, Stavebná fakulta ŽUŽ, s. 118–123.
