Politechnika Białostocka uzyskała patent na nowe nawierzchnie z warstwą z betonu geopolimerowego. Są bardziej wytrzymałe, odporne na wahania temperatur, obniżają koszty napraw, pozostawiają mniejszy ślad węglowy, a nawet zużycie energii elektrycznej.
Politechnika Białostocka ma patent na „Sposób wykonania asfaltowej nawierzchni drogowej z warstwą z betonu geopolimerowego”. Tylko od decyzji budowniczych dróg zależy, kiedy będziemy jeździć po drogach, które będą wymagały rzadszych napraw, a z uwagi na jasny kolor nawierzchni spowodują obniżenie kosztów zużycia energii do oświetlania jezdni. Zespołem wynalazców kierował prof. dr hab. inż. Michał Bołtryk, Kierownik Katedry Budownictwa i Kształtowania Krajobrazu na Wydziale Budownictwa i Nauk o Środowisku Politechniki Białostockiej, a przy tym także Dziekan tego wydziału.
Nawierzchnia z betonu geopolimerowego
Wynalazcy z Politechniki Białostockiej zaproponowali zastosowanie nawierzchni wykonanej z betonu geopolimerowego. To twarde, odporne mechanicznie ciała stałe przypominające naturalny kamień lub beton. Warstwa ścieralna wykonana z betonu geopolimerowego cechuje się wielokrotnie wyższą wytrzymałością niż asfaltowe warstwy ścieralne, zapewnia nie gorsze właściwości użytkowe wpływające na bezpieczeństwo ruchu drogowego.
– Beton geopolimerowy jest materiałem stosunkowo nowym, gdzie wykorzystuje się odpady typu popioły lotne, żużle wielkopiecowe bogate w glinokrzemiany – wyjaśnia prof. Bołtryk. – Na glinokrzemiany oddziałujemy alkaliami typu szkło wodne i wodorotlenek sodu. W wyniku reakcji polimeryzacji powstaje geopolimer, którego właściwości są niewspółmiernie lepsze w odniesieniu do betonu asfaltowego. Przykładowo wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie geopolimeru jest 8 do 10 razy większa aniżeli betonu asfaltowego. Jest więc materiałem o wiele trwalszym, odpornym zarówno na obciążenia, jak i na warunki agresji środowiska. Ponadto geopolimer ma taką strukturę porów, która na przykład podczas opadów deszczu potrafi szybko odprowadzić wodę na pobocze drogi. Stąd jest to przyszłość nawierzchni z betonu asfaltowego z tą właśnie warstwą geopolimerową – dodaje.
Badania
Najważniejszym tematem badań była optymalizacja sposobu połączenia warstwy z betonu geopolimerowego z warstwą wiążącą z betonu asfaltowego.
– Od dłuższego czasu zajmujemy się zjawiskiem adhezji pomiędzy dwoma kompozytami. Ustaliliśmy, że dzięki odpowiednio dobranym składnikom zarówno betonu asfaltowego, jak i betonu geopolimerowego wprowadzając wgłębienia w warstwie wiążącej przy pomocy półwałków o odpowiednim promieniu mamy bardzo trwałe połączenie pomiędzy warstwą wiążącą z betonu asfaltowego a warstwą geopolimerową. Warstwa ścieralna pracuje bowiem nie tylko na obciążenie pionowe od kół pojazdów, ale również na ścinanie pomiędzy dwiema górnymi warstwami nawierzchni – mówi prof. Bołtryk.
W badaniach pod kierunkiem profesora Bołtryka uczestniczył zespół składający się z doktoranta i dwóch dyplomantów, którzy są współautorami patentu.
– Chcąc zapewnić jak najlepszą sczepność międzywarstwową zastosowaliśmy rozwinięcie łączonych powierzchni poprzez użycie na zwykłym bębnie walca drogowego półwałków. Zagęszczając warstwę wiążącą walec będzie w tym samym czasie pozostawiał wgłębienia w kształcie tych półwałków, zapewniając zwiększoną powierzchnię sczepności międzywarstwowej – wyjaśnia dr inż. Krzysztof Granatyr, adiunkt w Katedrze Budownictwa i Kształtowania Krajobrazu.
Korzystnie wgłębienie jest odciskiem półwałka, którego promień jest większy od maksymalnej średnicy ziarna kruszywa grubego zastosowanego w betonie geopolimerowym warstwy ochronno-ścieralnej, przy czym jest nie mniejszy niż 20 mm.
Patent
Badacze z Politechniki Białostockiej nie tylko opatentowali sposób zwiększenia powierzchni łączonych kompozytów, ale też praktyczne wykorzystanie temperatury do wzmocnienia łączenia. Jak to możliwe?
– Nawierzchnie asfaltowe bazują właśnie na termoplastycznym lepiszczu asfaltowym – przypomina prof. Bołtryk. – Wiązanie lepiszcza asfaltowego z kruszywem w mieszankach mineralno-asfaltowych odbywa się w temperaturach rzędu 150-180 stopni. Dopiero przy takich temperaturach mieszanka mineralno-asfaltowa jest dobrze urabialna. Daje się transportować, układać i zagęszczać. Mając na względzie wysoką temperaturę tej warstwy wiążącej, wykorzystaliśmy jej energię cieplną do przyspieszenia reakcji polimeryzacji i hartowania warstwy geopolimerowej. Po prostu po ułożeniu górnej warstwy geopolimerowej i jej zagęszczeniu przykrywamy ją matą termoizolacyjną i proces polimeryzacji przyspiesza – zaznacza.
Nad zgłoszeniem patentowym pracował zespół w składzie:
- prof. dr hab. inż. Michał Bołtryk
- dr inż. Krzysztof Granatyr
- mgr inż. Jakub Pruszyński
- mgr inż. Paweł Szeligowski
Dzięki ich pracy Politechnika Białostocka posiada patent nr Pat.248185 na Sposób wykonania asfaltowej nawierzchni drogowej z warstwą z betonu geopolimerowego.
Badacze z Politechniki nie ustają w poszukiwaniu nowych materiałów drogowych. – Pracujemy nad nawierzchnią betonową, która nie będzie wymagać dylatacji. Jeżeli uda się nam opracować taki materiał hybrydowy, który zminimalizuje skurcz plastyczny i autogeniczny betonu, wówczas mam nadzieję, że to też będzie bardzo interesujące rozwiązanie dla drogownictwa – zdradza prof. Bołtryk.
Dlaczego beton geopolimerowy jest lepszy?
Warstwy konstrukcyjne nawierzchni drogowych, tj. warstwa ścieralna, wiążąca i podbudowa, zazwyczaj wykonywane są z mieszanek mineralno-asfaltowych. Nawierzchnie asfaltowe pomimo takich zalet jak: podatność nawierzchni w czasie chwilowego ich przeciążenia, dobra przyczepność kół pojazdów, czy też możliwość szybkiego remontu i zajęcia tylko jednego pasa ruchu do wzmocnienia, posiadają wiele wad.
To:
- wrażliwość na wysokie i niskie temperatury,
- ciemna barwa wymagająca zużycia dużej ilości energii do oświetlenia,
- większy koszt budowy – w porównaniu do nawierzchni betonowych,
- duży koszt eksploatacji i napraw.
Najbardziej newralgiczną warstwą w konstrukcji nawierzchni asfaltowych, jest warstwa ścieralna, będąca w bezpośrednim kontakcie z kołami pojazdów. Jest narażona na agresję środowiska oraz na zmiany temperatury, w wyniku czego powstaje koleinowanie, a także mechaniczne uszkodzenia, szczególnie w okresie zimowo-wiosennym.
Źródło: Politechnika Białostocka, fot. Iryna MIkhno/Politechnika Białostocka
