BIOFOAM-AGE: Wpływ porowatości i chemii powierzchni kompozytów węglowo-organicznych na spienianie asfaltów i ich odporność na starzenie – podejście eksperymentalnoteoretyczne

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację działania naukowego
SONATA 21

Projekt realizowany w ramach konsorcjum: 

Lider: Politechnika Lubelska

Partner: Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk

Tytuł projektu: BIOFOAM-AGE: Wpływ porowatości i chemii powierzchni kompozytów węglowo-organicznych na spienianie asfaltów i ich odporność na starzenie – podejście eksperymentalnoteoretyczne

Tytuł w j. angielskim: BIOFOAM-AGE: The Influence of Porosity and Surface Chemistry of Carbon-Organic Composites on Asphalt Foaming and Aging Resistance – An Experimental and Theoretical Approach

Numer decyzji: UMO-2025/59/D/ST8/01858

Okres realizacji: 01.10.2026 – 30.09.2029 r.

Wartość przyznanych środków: 1 982 410,00 PLN

Wartość projektu: 1 982 410,00 PLN

Wartość przyznanych środków dla Politechniki Lubelskiej: 1 713 034,00 PLN

Wartość przyznanych środków dla Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera PAN: 269 376,00 PLN

Kierownik działania naukowego: dr Szymon Malinowski

Streszczenie: Mieszanki mineralno-asfaltowe stanowią większość nawierzchni drogowych w Polsce i na świecie. Obecnie są one wytwarzane głównie w technologii na gorąco (HMA), która wymaga podgrzewania kruszywa i asfaltu do wysokich temperatur, powodując znaczącą emisję CO₂ i innych gazów cieplarnianych. W związku z europejskimi regulacjami klimatycznymi oraz polityką redukcji emisji współczesna nauka i przemysł drogowy stoją przed wyzwaniem głębokiej dekarbonizacji procesu produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych. Jednym z najbardziej perspektywicznych kierunków jest rozwój technologii na ciepło (WMA), wykorzystującej proces spieniania asfaltu, umożliwiający wytwarzanie nawierzchni o zwiększonej trwałości. W odpowiedzi na te wyzwania projekt koncentruje się na projektowaniu i opracowaniu przyjaznych środowisku kompozytów węglowo-organicznych przeznaczonych do zastosowania w produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych. Główna hipoteza projektu zakłada, że opracowane kompozyty będą skutecznie spieniać lepiszcza asfaltowe, a jednocześnie ograniczać procesy ich starzenia, przyczyniając się do wytwarzania bardziej zrównoważonych i trwałych nawierzchni drogowych. Bazę kompozytów stanowić będzie biowęgiel, który zostanie poddany modyfikacji chemicznej z wykorzystaniem amin, silanów i polisacharydów. Zarówno biowęgiel, jak i otrzymane kompozyty węglowo-organiczne zostaną szczegółowo scharakteryzowane z wykorzystaniem licznych technik analitycznych, takich jak XRF, XRD, SEM, FTIR, XPS, DTA/TG, DSC, dyfrakcja laserowa oraz niskotemperaturowa adsorpcja/desorpcja N₂. Następnie kompozyty węglowo-organiczne zostaną wykorzystane w procesie spieniania asfaltu, a ich skuteczność zostanie oceniona na podstawie współczynnika ekspansji (ER) oraz okresu połowicznego rozpadu piany (t₁/₂). Zbadany zostanie również mechanizm uwalniania wody z powierzchni kompozytów z wykorzystaniem metody DSC. Otrzymane spienione asfalty zostaną następnie poddane ocenie pod względem właściwości fizykochemicznych, tj. penetracji, temperatury mięknienia i lepkości, właściwości termicznych z wykorzystaniem DSC oraz trwałości zmęczeniowej. Ponadto w ramach projektu zaprojektowane zostanie innowacyjne stanowisko badawcze umożliwiające analizę gazów emitowanych do atmosfery podczas produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych. Pozwoli ono na ilościową ocenę emisji CO₂ oraz innych szkodliwych gazów. Pomimo kluczowego znaczenia procesu spieniania w technologiach obniżających temperaturę produkcji mieszanek asfaltowych, jego fizykochemiczne podstawy nadal pozostają niedostatecznie poznane, szczególnie w przypadku zastosowania nowych rodzajów modyfikatorów. Obecnie brakuje modeli mechanistycznych łączących strukturę chemiczną kompozytów, parametry procesu spieniania oraz stabilność powstającej piany asfaltowej, co uniemożliwia racjonalne projektowanie dodatków o przewidywalnych właściwościach. Drugim kluczowym aspektem proponowanego projektu będzie analiza procesu starzenia asfaltu spienionego z wykorzystaniem kompozytów węglowo-organicznych. Badania obejmą mechanizmy starzenia krótkoterminowego i długoterminowego oraz wpływ czynników środowiskowych, takich jak promieniowanie UV, reaktywne formy tlenu (ROS, Reactive Oxygen Species) oraz wilgotność. W ramach projektu zaprojektowane i zbudowane zostanie również eksperymentalne stanowisko umożliwiające symulację wpływu czynników środowiskowych na właściwości asfaltu. Jego zastosowanie pozwoli na szczegółową ocenę mechanizmów oddziaływania tych czynników na asfalt spieniony z wykorzystaniem kompozytów węglowo-organicznych. Zarówno w literaturze, jak i w dostępnej obecnie infrastrukturze laboratoryjnej brakuje rozwiązania umożliwiającego prowadzenie tego typu kompleksowych badań, co podkreśla unikalny i przełomowy charakter proponowanych badań. Równolegle w projekcie wykorzystane zostaną symulacje dynamiki molekularnej (MD) w celu opracowania mechanizmu syntezy kompozytów węglowo-organicznych, procesu spieniania asfaltu z ich wykorzystaniem oraz mechanizmów starzenia spienionego asfaltu. Projekt ma charakter badań podstawowych i koncentruje się na identyfikacji fundamentalnych zjawisk oraz zależności, które dotychczas nie zostały opisane w literaturze. Uzyskane wyniki stworzą podstawę do opracowania nowych modeli teoretycznych opisujących mechanizmy spieniania i starzenia asfaltów spienionych z wykorzystaniem kompozytów węglowo-organicznych. Mogą one również przyczynić się do opracowania nowej generacji modyfikatorów o zmniejszonej podatności na procesy starzenia, co wpisuje się w globalne cele transformacji w kierunku zrównoważonych technologii drogowych oraz dekarbonizacji produkcji materiałów budowlanych. Projekt odpowiada na jedno z kluczowych wyzwań współczesnej nauki, jakim jest opracowanie przyjaznych środowisku materiałów i technologii umożliwiających ograniczenie emisji związanych z produkcją mieszanek mineralno-asfaltowych bez pogorszenia trwałości infrastruktury. Uzyskane wyniki mogą stanowić istotny krok w kierunku bardziej zrównoważonego budownictwa drogowego.

Projekt w 100% wpisuje się w zagadnienia badawcze dyscypliny Inżynieria Lądowa, Geodezja i Transport.