Opracowanie nowatorskiej technologii aktywacji materiałów z recyklingu nawierzchni asfaltowych do produkcji trwałych mieszanek mineralno-asfaltowych

Tytuł projektu: Opracowanie nowatorskiej technologii aktywacji materiałów z recyklingu nawierzchni asfaltowych do produkcji trwałych mieszanek mineralno-asfaltowych

Tytuł w j. angielskim: Development of an innovative technology for activating recycled asphalt pavement materials for the production of durable asphalt mixtures

Numer projektu: FENG.02.03-IP.05-0027/25

Nazwa konkursu: TEAM NET

Nazwa priorytetu: Priorytet 2: Środowisko sprzyjające innowacjom

W ramach grupy podmiotów: Politechnika Lubelska (Lider), Politechnika Gdańska (Partner) Politechnika Poznańska (Partner)

Okres realizacji: 01.10.2026 - 30.09.2029

Wartość projektu: 11 521 368,09 PLN

Wartość przyznanych środków dla Politechniki Lubelskiej: 3 349 570,57 PLN

Główny Wykonawca (Lider Zespołu Nr 1): prof. dr hab. inż. Wojciech Franus

Słowa kluczowe: asfalt, destrukt asfaltowy, recykling, zeolit, biopolimery

Streszczenie: Projekt dotyczy zwiększenia efektywności wykorzystania materiałów z recyklingu zniszczonych nawierzchni drogowych i jednocześnie obniżenia zużycia nowych surowców oraz obniżenia śladu węglowego produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) do budowy dróg. Stawiana jest teza badawcza, że poprawa efektywności recyklingu będzie możliwa dzięki chemicznej aktywacji zestarzonego lepiszcza zawartego w granulacie asfaltowym, który wg obecnie stosowanych technologii i przepisów prawa może być wykorzystany w produkcji nowych MMA tylko w niewielkim stopniu lub nie kwalifikuje się wcale do recyklingu. Kierunkiem podjętych badań będzie opracowanie nowatorskiej w skali świata technologii obejmującej jednoczesne obniżenie temperatury produkcji MMA poprzez spienianie asfaltu zeolitami oraz zastosowanie nowoopracowanych środków do regeneracji. Wyzwaniem technologicznym będzie uzyskanie wysokiego wskaźnika zastąpienia lepiszcza BR>40% przy stosowaniu granulatów asfaltowych o niskiej jakości z jednoczesnym utrzymaniem właściwości funkcjonalnych MMA. Aby przywrócić pierwotne właściwości asfaltu zawartego w granulacie planowane jest opracowanie nowych dodatków regenerujących do produkcji których wykorzystane będą tłuszcze roślinne aktywowane prepolimerami. Ponieważ w pierwotnej postaci są one trudno kompatybilne z matrycą asfaltową, zostanie przeprowadzony cykl modyfikacji i sieciowania ich struktury chemicznej. Do oceny stopnia wymieszania lepiszcza i aktywacji starego asfaltu wykorzystana i udoskonalona zostanie metoda badania zapraw asfaltowych. Zaplanowane badania zostaną zakończone testowaniem w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych wielu wariantów MMA wytworzonych z dużą ilością granulatu asfaltowego o różnych właściwościach z zastosowaniem komponentów opracowanych w projekcie. Efektem realizacji projektu będzie opracowanie ekologicznej technologii produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych, która będzie gotowa do wdrożenia przez firmy wykonawcze z branży budowy dróg.

Etapy, które będą realizowane w ramach projektu:

1. Opracowanie metody aktywacji chemicznej lepiszczy asfaltowych niskiej jakości pozyskanych z wyeksploatowanych nawierzchni drogowych.

Celem realizowanego etapu jest opracowanie skutecznej metody, która pozwoli na uzyskanie takich właściwości asfaltu zawartego w granulacie asfaltowym o niskiej jakości, aby umożliwić jego zastosowanie do produkcji mieszkanek mineralno-asfaltowych (MMA). Zespół Politechniki Poznańskiej (PP) opracuje sposób modyfikacji odpadowych tłuszczy roślinnych oraz olei za pomocą prepolimerów izocyjanianowych i poliuretanowych. Politechnika Lubelska (PL) przeprowadzi cykl symulacji starzenia krótkoterminowego (RTFOT) i długoterminowego (PAV) komercyjnie dostępnych asfaltów drogowych. Równolegle, zespół Politechniki Gdańskiej (PG) przeprowadzi serię badań dotyczących jakości pozyskanych i wyselekcjonowanych granulatów asfaltowych o niskiej jakości oraz przeprowadzi cykl ekstrakcji w celu pozyskania materiału do zaplanowanych prac B+R. Następnie zestarzone w PL i wyekstrahowane w PG lepiszcza będą poddane procesowi regeneracji dodatkami opracowanymi przez zespół PP. Wszystkie uzyskane w ten sposób próbki asfaltów (referencyjny, zestarzony laboratoryjnie, pozyskany z granulatu oraz zregenerowany) będą zbadane przez zespół PG pod kątem właściwości fizycznych, tj.: penetracja, temp. mięknienia, temp. łamliwości Fraass’a oraz lepkość dynamiczna. Natomiast zespół PL zbada te materiały pod kątem składu grupowego (TLC-FID), właściwości strukturalnych metodami spektroskopowymi. Dodatkowo, zespół PL opracuje nowatorską metodę pomiaru naprężeń badanych asfaltów za pomocą czujników światłowodowych, co pozwoli na precyzyjną ocenę zjawiska spękania niskotemperaturowego, a zespół PG przeprowadzi badania właściwości niskotemperaturowych w urządzeniach BBR oraz DSR.

2. Opracowanie sposobu modyfikacji asfaltu o właściwościach przeciwstarzeniowych.

Celem realizowanego etapu jest opracowanie metody modyfikacji typowych asfaltów drogowych stosowanych w produkcji MMA. W tym celu zespół PP opracuje uzasadnioną ekonomicznie metodę sieciowania chemicznego polimerów odpadowych z wykorzystaniem nadtlenkowych (nadtlenki organiczne) i silanowych (np.winylosilany) środków sieciujących. W obszarze biopolimerów zespół PP zmodyfikuje struktury ligniny i jej pochodnych z wykorzystaniem m.in. H2O2, która pozwoli na przeprowadzenie biopolimerów z formy stałej w formę hydrożelu. Jednocześnie zespół dokona syntezy nowatorskich inhibitorów starzenia w postaci połączeń hybrydowych monotlenki: lignina i jej pochodne oraz układy tlenkowe: lignina i jej pochodne. Zespół PP będzie odpowiedzialny wykonanie urządzenia do modyfikacji asfaltów z uwzględnieniem opracowanego w projekcie procesu sieciowania. Zespół PL opracuje metody modyfikacji komercyjnie dostępnych asfaltów drogowych modyfikatorami przygotowanymi przez zespół PP. Zespół PL sprawdzi także mieszalność uzyskanych wcześniej modyfikowanych asfaltów z asfaltami zestarzonymi. Następnie zespół PL przeprowadzi analizę składu grupowego (TLC-FID), struktury chemicznej (FT-IR,SIMS-TOF) oraz właściwości lepkosprężystych w reometrze dynamicznego ścinania (DSR) dla asfaltu bazowego, modyfikowanego oraz ich mieszanin. Dla wszystkich analizowanych kombinacji próbek zespół PL przeprowadzi również badania właściwości niskotemperaturowych wykorzystując czujniki światłowodowe. Zespół PG wykona ocenę właściwości fizycznych i reologicznych oraz właściwości niskotemperaturowe w urządzeniu BBR oraz DSR dla asfaltu bazowego, modyfikowanego oraz ich mieszanin.

3. Walidacja opracowanej technologii w skali laboratoryjnej oraz przemysłowej wraz z budową odcinka doświadczalnego i analizą środowiskowo-ekonomiczną.

Celem realizacji etapu 3 jest ocena w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych MMA wytworzonych z dużą ilością granulatu asfaltowego o niskiej jakości przy zastosowaniu komponentów opracowanych w projekcie. Zespół PL opracuje metodę obniżenia temp. produkcji MMA poprzez spienienie asfaltu zeolitami aktywowanymi środkami powierzchniowo-czynnymi. Badania te będą przeprowadzone z zastosowaniem asfaltu komercyjnego oraz modyfikowanego w projekcie (etap 2) i obejmą: analizę właściwości fizycznych, reologicznych i strukturalnych, napięcie powierzchniowe metodą kropli posadowionej. Zespół PG będzie odpowiedzialny za opracowanie składu MMA ze zwiększoną ilością granulatu asfaltowego niskiej jakości: do warstwy wiążącej i do podbudowy. Mieszanki zostaną wytworzone zarówno w technologii na gorąco, jak i w obniżonej temperaturze. Następnie wykonane zostaną analizy naprężeń termicznych wykorzystujące autorski model krzywej wiodącej opracowany przez PG oraz parametry reologiczne badanych MMA. Dla wybranych kombinacji granulatów asfaltowych, dodatków i MMA przeprowadzone zostaną rozszerzone badania stopnia aktywacji starego lepiszcza. Zespół PP przeprowadzi analizy środowiskowe i ekonomiczne. W etapie 3 przeprowadzone zostaną testy opracowanej technologii w warunkach przemysłowych na wytwórni mas bitumicznych, gdzie sprawdzone będzie także działanie prototypu urządzenia modyfikującego asfalt (opracowanego w etapie 2). W ramach tego działania wytworzone będą 2 rodzaje MMA (warstwa wiążąca i podbudowy) z dużą zawartością granulatu asfaltowego niskiej jakości i dodatkami opracowanymi w projekcie.

Grupy docelowe:

Bezpośrednimi odbiorcami wyników Projektu będą firmy produkujące mieszanki mineralno-asfaltowe (MMA) kluczowe dla krajowego rynku drogowego.

Cel projektu:

Celem projektu jest komercjalizacja innowacyjnej technologii produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA), umożliwiającej maksymalne wykorzystanie granulatu asfaltowego o niskiej jakości uniemożlwiającej jego stosowanie w recyklingu MMA wg obecnych przepisów i jednoczesne obniżenie temperatury produkcji bez strat trwałości nawierzchni. Na wykonalność zakładanych celów projektu wskazują posiadane wyniki wstępnych badań. Zastosowanie procesu spieniania asfaltu zeolitami pozwala na obniżenie temperatury wytwarzania MMA z granulatem o około 15°C, a jednocześnie ogranicza starzenie technologiczne lepiszcza, co ma szczególne znaczenie w technologii recyklingu na gorąco, w której temperatury technologiczne są wyższe niż typowo ze względu na konieczność aktywacji i mieszania starego lepiszcza zawartego w granulacie. Efekt obniżenia temperatur technologicznych może być dodatkowo wzmacniany przez zastosowanie biopolimerów, takich jak chitozan czy alginian sodu, sieciowanych „in situ” w matrycy asfaltowej, które skutecznie redukują podatność materiału na degradację oksydacyjną. Równolegle przeprowadzone badania regeneracji zestarzałych lepiszczy przy użyciu odpadowych olejów oraz imidazolin potwierdziły możliwość przywracania im pierwotnych właściwości, co w pełni koresponduje z założeniami projektu. Te wstępne wyniki, w połączeniu z doświadczeniem zespołu w projektowaniu i syntezie materiałów kompozytowych na bazie biopolimerów, tworzą solidne podstawy dla opracowania technologii pozwalającej na aktywację i ponowne wykorzystanie destruktu asfaltowego o niskiej jakości. Dotychczasowe osiągnięcia badawcze oraz doświadczenia w obszarze komercjalizacji wyników prac B+R jednoznacznie wskazują, że posiadane rezultaty są w pełni adekwatne do zakresu i celu projektu. Dzięki temu możliwe będzie opracowanie i wdrożenie rozwiązania, które połączy korzyści środowiskowe, ekonomiczne i technologiczne, a tym samym zapewni skuteczną i terminową realizację założonych zadań.

Rezultat projektu:

Rezultatem projektu będzie opracowana w ramach projektu innowacyjna technologia produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych umożliwiająca zastosowanie dużych ilości granulatu asfaltowego o słabej jakości z jednoczesnym obniżeniem temperatur ich wytwarzania. Istotą tej technologii będzie zastosowanie zaprojektowanych w projekcie dodatków regenerujących właściwości zestarzonego asfaltu znajdującego się w granulacie o niskiej jakości. Efektem realizacji projektu będzie opracowanie min. 6 zgłoszeń patentowych. Rezultatem będzie wprowadzenie na rynek innowacyjnej technologii zwiększającej wykorzystanie materiałów odpadowych w drogownictwie, obniżającej koszty i energochłonność procesu oraz wydłużającej cykl życia nawierzchni drogowych.