Matalalämpöasfaltin raaka-aineiden ja valmistustekniikan vaikutus asfalttipäällysteen ominaisuuksiin
Koistinen, Aki (2021)
Koistinen, Aki
2021
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-11-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110298023
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110298023
Tiivistelmä
Työn tavoitteena oli selvittää matalalämpöasfaltin (WMA) pääasialliset valmistustekniikat ja arvioida niiden soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin, jotta asfaltin kierrätettävyys ja pitkäaikaiskestävyys pysyisivät hyvällä tasolla. Työssä käsiteltiin asfaltin raaka-aineita ja asfalttimassan valmistamista sekä esitettiin asfaltin valmistuksen laatuvaatimukset ja arvioitiin niiden vaikutuksia päällysteeseen. Työ tehtiin kirjallisuusselvityksenä ja teemahaastatteluna, jonka avulla kartoitettiin WMA:n käytön nykytilannetta ja suomalaisten asfalttiasiantuntijoiden kokemuksia WMA:sta.
WMA:n käyttö on lisääntynyt viime vuosina muissa Pohjoismaissa sekä Yhdysvalloissa, mutta Suomessa sen käyttö on ollut vähäistä. Osaamisen, kokemuksen sekä ympäristötietoisuuden lisääntyessä ja hankintojen päästökriteerien yleistyessä WMA-määrät kasvanevat tulevaisuudessa.
Matalalämpöasfaltin valmistustekniikat voidaan jakaa karkeasti kahteen osaan: vaahdotustekniikkaan ja lisäainetekniikoihin. Vaahdotustekniikassa on kyse bitumin sekaan lisättävästä vedestä ja lisäainetekniikassa massaan lisättävästä kemiallisesta tai orgaanisesta lisäaineesta tuotteen bitumin modifioimiseksi. Bitumin vaahdotus voidaan toteuttaa kahdella eri tavalla, joko vesipohjaisella prosessilla tai vettä sisältävillä lisäaineilla. Vesipohjainen prosessi on niin Suomessa kuin maailmanlaajuisestikin yleisin WMA-valmistustekniikka tällä hetkellä.
WMA:n energiankulutus ja päästöt ovat kirjallisuustutkimuksen perusteella pienemmät kuin kuuma-asfaltilla (HMA:lla). CO2-päästöt vähenevät noin 10 %, kun valmistuslämpötilaa lasketaan 20 °C:lla. Energiakulutus laskee samassa suhteessa kuin sekoituslämpötilakin alenee. Alentuneen energiankulutuksen avulla voidaan kompensoida WMA:n käytön kasvaneita kustannuksia, jotka johtuvat laiteinvestoinneista asfalttiasemille ja lisäaineiden hankinnasta.
Kaikille WMA-tekniikoille yhteistä on sideaineen vanhenemisen hidastuminen verrattuna HMA:han. Kirjallisuusselvityksen perusteella havaittiin, että orgaaniset lisäaineet jäykistävät sideainetta käyttölämpötiloissa. Vedenkestävyyden osalta oli havaittavissa, että vaahdotustekniikka oli altis kosteusvaurioille, mutta tartukkeen lisääminen on osoittautunut toimivaksi keinoksi välttää purkautumisriskit. Selvityksen mukaan kemialliset lisäaineet paransivat asfaltin veden- ja pakkasenkestävyyttä, joten ne voisivat soveltua Suomen olosuhteisiin orgaanisia lisäaineita paremmin. WMA:n kierrätettävyyden osalta lisäainetekniikat saattavat vaikuttaa uusiokäyttöön, mutta lisäainepitoisuuden ollessa pieni, uudelleenkäytön yhteydessä ei pitäisi esiintyä ongelmia.
Haastattelujen perusteella WMA-kohteet ovat onnistuneet hyvin Suomessa eikä takuuaikaisia korjauksia ole tarvinnut tehdä päällysteen laadusta johtuen. Tutkimuksen perusteella asfalttirouheen käyttö matalalämpöasfaltissa onnistuu samalla tavalla kuin kuuma-asfaltissakin, vaikkakin valmistuslämpötilojen alennus aiheutti haasteita riittävään sekoittumiseen osassa kirjallisuudessa raportoiduissa koekohteissa. Asfaltti- ja bitumikaterouheen lisääminen WMA-massoihin paransi deformaatiokestävyyttä ja lisäsi jäykkyyttä.
Päällysteen pitkäaikaiskestävyyttä voidaan hallita raaka-ainevalinnoilla ja huolellisella valmistuksen suunnittelulla ja toteutuksella. Massasuunnittelu on syytä toteuttaa vastaavien HMA-massojen avulla, sillä bitumin vaahdottaminen laboratorio-olosuhteissa ei vastaa asemalla tehtyä massaa. Riittävä sekoittuminen ja tiivistyminen onnistuttiin toteuttamaan elvyttimillä ja asfalttirouheen esilämmityksellä, jotta vanha sideaine aktivoituu uusiokäytön yhteydessä. Tämän lisäksi valmistus- ja levityslämpötilojen hallinta, raaka-aineiden ominaisuuksien sekä optimisideainepitoisuuden määrittäminen ovat onnistuneen lopputuotteen kannalta tärkeitä tekijöitä.
Kirjallisuusselvityksen perusteella ei löytynyt tutkittua tietoa WMA-päällysteiden kierrätettävyydestä, joten kierrätettävyydestä olisi syytä ohjelmoida erillinen koekohdetutkimus erityisesti lisäainetekniikoiden osalta. Tämän lisäksi WMA:n tekemistä alhaisissa lämpötiloissa olisi syytä tutkia.
WMA:n käyttö on lisääntynyt viime vuosina muissa Pohjoismaissa sekä Yhdysvalloissa, mutta Suomessa sen käyttö on ollut vähäistä. Osaamisen, kokemuksen sekä ympäristötietoisuuden lisääntyessä ja hankintojen päästökriteerien yleistyessä WMA-määrät kasvanevat tulevaisuudessa.
Matalalämpöasfaltin valmistustekniikat voidaan jakaa karkeasti kahteen osaan: vaahdotustekniikkaan ja lisäainetekniikoihin. Vaahdotustekniikassa on kyse bitumin sekaan lisättävästä vedestä ja lisäainetekniikassa massaan lisättävästä kemiallisesta tai orgaanisesta lisäaineesta tuotteen bitumin modifioimiseksi. Bitumin vaahdotus voidaan toteuttaa kahdella eri tavalla, joko vesipohjaisella prosessilla tai vettä sisältävillä lisäaineilla. Vesipohjainen prosessi on niin Suomessa kuin maailmanlaajuisestikin yleisin WMA-valmistustekniikka tällä hetkellä.
WMA:n energiankulutus ja päästöt ovat kirjallisuustutkimuksen perusteella pienemmät kuin kuuma-asfaltilla (HMA:lla). CO2-päästöt vähenevät noin 10 %, kun valmistuslämpötilaa lasketaan 20 °C:lla. Energiakulutus laskee samassa suhteessa kuin sekoituslämpötilakin alenee. Alentuneen energiankulutuksen avulla voidaan kompensoida WMA:n käytön kasvaneita kustannuksia, jotka johtuvat laiteinvestoinneista asfalttiasemille ja lisäaineiden hankinnasta.
Kaikille WMA-tekniikoille yhteistä on sideaineen vanhenemisen hidastuminen verrattuna HMA:han. Kirjallisuusselvityksen perusteella havaittiin, että orgaaniset lisäaineet jäykistävät sideainetta käyttölämpötiloissa. Vedenkestävyyden osalta oli havaittavissa, että vaahdotustekniikka oli altis kosteusvaurioille, mutta tartukkeen lisääminen on osoittautunut toimivaksi keinoksi välttää purkautumisriskit. Selvityksen mukaan kemialliset lisäaineet paransivat asfaltin veden- ja pakkasenkestävyyttä, joten ne voisivat soveltua Suomen olosuhteisiin orgaanisia lisäaineita paremmin. WMA:n kierrätettävyyden osalta lisäainetekniikat saattavat vaikuttaa uusiokäyttöön, mutta lisäainepitoisuuden ollessa pieni, uudelleenkäytön yhteydessä ei pitäisi esiintyä ongelmia.
Haastattelujen perusteella WMA-kohteet ovat onnistuneet hyvin Suomessa eikä takuuaikaisia korjauksia ole tarvinnut tehdä päällysteen laadusta johtuen. Tutkimuksen perusteella asfalttirouheen käyttö matalalämpöasfaltissa onnistuu samalla tavalla kuin kuuma-asfaltissakin, vaikkakin valmistuslämpötilojen alennus aiheutti haasteita riittävään sekoittumiseen osassa kirjallisuudessa raportoiduissa koekohteissa. Asfaltti- ja bitumikaterouheen lisääminen WMA-massoihin paransi deformaatiokestävyyttä ja lisäsi jäykkyyttä.
Päällysteen pitkäaikaiskestävyyttä voidaan hallita raaka-ainevalinnoilla ja huolellisella valmistuksen suunnittelulla ja toteutuksella. Massasuunnittelu on syytä toteuttaa vastaavien HMA-massojen avulla, sillä bitumin vaahdottaminen laboratorio-olosuhteissa ei vastaa asemalla tehtyä massaa. Riittävä sekoittuminen ja tiivistyminen onnistuttiin toteuttamaan elvyttimillä ja asfalttirouheen esilämmityksellä, jotta vanha sideaine aktivoituu uusiokäytön yhteydessä. Tämän lisäksi valmistus- ja levityslämpötilojen hallinta, raaka-aineiden ominaisuuksien sekä optimisideainepitoisuuden määrittäminen ovat onnistuneen lopputuotteen kannalta tärkeitä tekijöitä.
Kirjallisuusselvityksen perusteella ei löytynyt tutkittua tietoa WMA-päällysteiden kierrätettävyydestä, joten kierrätettävyydestä olisi syytä ohjelmoida erillinen koekohdetutkimus erityisesti lisäainetekniikoiden osalta. Tämän lisäksi WMA:n tekemistä alhaisissa lämpötiloissa olisi syytä tutkia.