Udržateľné vozovky? Ide to vďaka recyklácii asfaltových vrstiev

Udržateľné vozovky by mali minimalizovať dosah na životné prostredie prostredníctvom zníženia spotreby energie, prírodných zdrojov a súvisiacich emisií pri súčasnom splnení všetkých výkonnostných podmienok a noriem. To v zásade znamená potrebu výrazného nárastu recyklovaných, obnovených a opätovne použitých materiálov.

Pri spracovaní článku sa vychádzalo z autorskej vedecko-edukačnej premisy, implicitne obsahujúcej všetky kredibilitné priority trvaloudržateľnej prípravy, výstavby a prevádzky vozoviek pozemných komunikácií.

Súčasti integrovanej dopravnej infraštruktúry (IDI) Slovenska vrátane ich vozoviek majú byť navrhnuté, postavené, spravované, udržiavané, recyklované, likvidované (dekomponované) za primeranú cenu, v primeranej kvalite, rešpektujúc relevantné požiadavky užívateľov, obyvateľov ich okolia a zásady trvalo udržateľného rozvoja s dôrazom na cirkulárnu ekonomiku počas celého životného cyklu.

Komplexná IDI Slovenska musí zabezpečiť multimodálnu, interoperabilnú a bezpečnú dopravu s čo najnižšou uhlíkovou stopou. Doprava musí byť zameraná na rozvoj a súdržnosť regiónov, cestovného ruchu, s maximálnou ekonomicky prijateľnou minimalizáciou hluku, znečistenia ovzdušia, vibrácií indukovaných dopravou a v konečnom dôsledku by mala prispievať k spokojnosti občanov [1]. Primeraná cena vozovky závisí prioritne od zvoleného optimalizačného kritéria. V prípade vozoviek sem patria kritériá:

• ekonomické:
• stavebné náklady,
• náklady na celý životný cyklus vozovky,
• architektonické,
• environmentálne,
• historické,
• prevádzkové a i. 

Optimalizácia je všeobecne opisovaná ako proces maximalizácie žiaducej kvantity, akou je zisk či životnosť konštrukčných prvkov, alebo proces minimalizácie nežiaducej kvantity, akou sú náklady či materiálové straty. V STN 73 6114 [2] je uvedené, že pre každý návrh vozovky je vhodné vykonať optimalizáciu vozovky z hľadiska:

• ceny,
• energetickej náročnosti a
• ekológie. 

Vymedzenie pojmu cirkulárna ekonomika v stavebníctve

Podľa štatistík EUROSTATU tvoril v roku 2020 stavebný odpad 38 % z celkového objemu odpadov (obr. 1). Stavebníctvo sa stalo jednou z kritických oblastí, kde je nevyhnutný prechod z doteraz lineárneho ekonomického modelu fungovania na model obehového hospodárstva – cirkulárnu ekonomiku. Existuje niekoľko jej definícií, pričom v [3] je uvedené, že cirkulárna ekonomika (tiež známa ako obehová ekonomika, cirkulárne hospodárstvo alebo obehové hospodárstvo) je ekonomický model uprednostňujúci opätovné využívanie a recyklovanie zdrojov.

Podľa Európskeho parlamentu je obehové hospodárstvo model produkcie a spotreby, v rámci ktorého sa veci bezhlavo nevyhadzujú, ale sa zdieľajú, požičiavajú, opätovne využívajú, opravujú a recyklujú dovtedy, pokiaľ sa to dá. Týmto spôsobom sa zvyšuje životnosť produktov a znižuje odpad.

Ak nejaký výrobok dosiahne koniec svojej životnosti, materiály, z ktorých bol vyrobený, sa použijú na výrobu nových vďaka recyklácii. Niektoré sa môžu používať znovu a znovu, čím sa vytvárajú ďalšie hodnoty. V porovnaní s tradičným, tzv. lineárnym hospodárstvom, kde funguje schéma „vezmi – urob – spotrebuj – odhoď“, sa obehová ekonomika opiera o veľké množstvo lacných a ľahko dostupných materiálov a energie.

Súčasťou tohto modelu sú aj opatrenia proti plánovanému opotrebovávaniu. Európsky parlament viackrát navrhoval ich zavedenie. Inštitút cirkulárnej ekonomiky v rámci [4] uvádza takúto definíciu, resp. vysvetlenie pojmu: Cirkulárna ekonomika, nazývaná aj obehové hospodárstvo, je ekonomický model založený na (opakovanom) vracaní materiálov, komponentov a produktov späť do výrobného procesu. Ich cirkulovaním sa tak radikálne minimalizuje odpad, spotreba energie inak potrebnej na výrobu nových vstupov a celkové náklady na výrobu.

Uzatvorenie materiálových tokov a maximálne efektívne využívanie zdrojov v technickom a biologickom cykle predstavuje kľúčový aspekt cirkulárnej ekonomiky, kde sa neustále transformujú výstupy výrobných procesov na vstupy. Hlavným cieľom obehového hospodárstva je dosiahnuť najvyššiu možnú využiteľnosť a hodnotu produktov a komponentov a súčasne minimalizovať negatívne vplyvy na životné prostredie.

Vďaka svojmu ekologickému, technickému a ekonomickému potenciálu sa obehové hospodárstvo stáva čoraz populárnejším a predstavuje reálnu alternatívu k tradičnej lineárnej ekonomike [1].

Cirkulárna ekonomika je aj nástrojom na dosiahnutie trvalej udržateľnosti dopravných stavieb (TUDS), v rámci ktorých sa v USA vzťahuje na každú fázu rozhodovania: plánovanie, návrh, realizácia projektov a infraštruktúry, každodenná prevádzka, údržba.

Neexistuje pritom žiadna federálna regulácia výslovne zameraná na udržateľnosť – je to proces spolupráce medzi vládou a priemyslom. Miyatake v 1996 uviedol, že jedným zo spôsobov, ako sa snažiť o dosiahnutie TUDS, je zmena z konvenčného lineárneho procesu na cyklický. V zásade to znamená výrazný nárast recyklovaných, obnovených a opätovne použitých materiálov, čo vedie k významnému zníženiu spotreby energie a zdrojov. Uvádza aj príklady z Japonska:

• použitie materiálov šetrných k životnému prostrediu vrátane recyklovaných,
• vývoj stavebného systému s nižšími emisiami CO₂ a s nižšou spotrebu energie,
• používanie strojov a zariadení šetrných k životnému prostrediu,
• minimalizovanie odpadu zo stavenísk,
• opätovné použitie/recyklácia zvyšného materiálu,
• minimalizovanie využívania preglejky z tropického dreva.

V dôsledku toho sa tam pri výstavbe ciest kládol väčší dôraz na  spotrebu energie, emisií a ochranu životného prostredia. To zahŕňa nielen zníženie spotreby energie a následných emisií, ale aj vývoj nových technológií s vyšším množstvom recyklovaných materiálov pre vozovky a vedľajšie produkty iných odvetví. Vylepšené technológie výstavby ciest, najmä trvalé a tichšie vozovky a materiály pre vozovky s nižšou emisiou, budú prínosom pre spoločnosť, hospodárstvo a životné prostredie a budú viesť k udržateľnejším spôsobom výstavby ciest. 

Definovanie a základné možnosti recyklácie R-materiálu

Podľa [5] je recyklácia proces opätovného využitia už predtým použitých materiálov a produktov, umožňujúca šetriť obnoviteľné aj neobnoviteľné zdroje a znižovať tak záťaž životného prostredia (využitie odpadu namiesto jeho uloženia na skládku). Predpokladom recyklácie asfaltových vrstiev vozoviek je zachovanie vlastností ich materiálových zložiek (kameniva a asfaltového spojiva), ale najmä schopnosti asfaltu ako spojiva obaliť a viazať kamenivo po opätovnom zahriatí.

Asfaltová zmes získaná frézovaním asfaltových vrstiev vozoviek, drvením vybúraných asfaltových vrstiev (vzájomným oddeľovaním a nie lámaním zŕn), zvyškov asfaltovej zmesi alebo z nepoužitých asfaltových zmesí sa podľa terminológie Európskej únie označuje ako R-materiál (angl. Reclaimed asphalt; v USA sa používa označenie RAP z angl. Reclaimed Asphalt Pavement).

Získavanie R-materiálu technológiou frézovania asfaltových vrstiev umožní zabezpečiť potrebnú homogenitu materiálu, v prípade frézovania obrusných vrstiev získať materiál obsahujúci vysokokvalitné kamenivo a spojivo (kamenivo s vysokou odolnosťou proti vyhladzovaniu, asfalt modifikovaný polymérom).

V súčasnosti je podľa vyhlášky MŽP SR č. 344/2022 Z. z. o stavebných odpadoch a odpadoch z demolácií [6] možné považovať odstránenú asfaltovú zmes získanú z odfrézovaných alebo iným spôsobom odstránených asfaltových vrstiev pozemných komunikácií, dopravných a iných plôch za vedľajší produkt, pričom základné možnosti jeho použitia sú uvedené na obr. 2.  V [7] sú k R-materiálu uvedené takéto definície: 

Asfaltový R-materiál

Ide o spracovaný asfaltový materiál získaný zo stavby (vozovky) a po odskúšaní, posúdení a zatriedení podľa normy STN EN 13108-8 použiteľný ako vstupný materiál pre asfaltovú zmes. Spracovanie môže zahŕňať jeden alebo viacej z uvedených spôsobov: frézovanie, drvenie, triedenie, zmiešavanie atď.). 

Zmesový R-materiál

Získava sa rozrušením materiálov z konštrukcií vozoviek stmelených rôznymi typmi spojiva spolu s nestmelenými vrstvami. Obsah asfaltom stmelených zŕn v zmesi sa pohybuje v intervale 20 až 80 %, obsah spojiva tvorí 0,7 až 4,0 % hmotnosti celej zmesi.

Neasfaltový R-materiál

Získava sa rozrušením materiálov z vrstiev vozoviek. Obsah asfaltom stmelených zŕn zmesi je menší ako 20 % hmotnosti, obsah asfaltu je menší ako 0,7 % hmotnosti. 

Možnosti zhodnocovania zmesového R-materiálu

Autori sa dlhodobo venujú výskumu možností zhodnocovania zmesových R-materiálov zo stavieb asfaltových vozoviek (ZRM). V roku 2017 realizovali položenie 10 cm ZRM v miestnej časti Dolného Hričova v Pekline. Pokladanie sa realizovalo počas letného dňa s teplotou 30 ºC, pohľady na jednotlivé časti miestnej cesty v rokoch 2017, 2020 a 2023 sú znázornené na obr. 3.  

Laboratórne určenie vlastností ZRM   

ZRM obsahoval 70 % asfaltovej zmesi, 10 % kameniva, 10 % betónu a 10 % zeminy. V laboratórnych podmienkach boli podľa STN 72 1016 stanovené hodnoty Kalifornského pomeru únosnosti CBR pre rôzne teploty zhutňovania zmesového R-materiálu (obr. 4). Na zhutnenie zmesi bola použitá zhutňovacia práca proctorovej skúšky (PS) a modifikovanej proctorovej skúšky (PM).

Cieľom bolo určiť možnosti zvýšenia únosnosti ZRM pri miernom zvýšení teploty, ktorú možno dosiahnuť v čase vysokých letných teplôt. Sledovalo sa teda, či bude možné vrstvu zo ZRM hutniť tak, aby bola schopná prenášať budúce zaťaženie určené pre kategóriu cesty. V ďalšom postupe sa sledoval vplyv vlhkosti na zhutniteľnosť zmesového R-materiálu. K materiálu ZMR sa pridávala voda v rozličnom podiele (3 až 10 %), premiešala sa a ponechala na odležanie. Prevlhčený materiál bol zhutnený prácou PS a PM a bola stanovená okamžitá hodnota Kalifornského pomeru únosnosti (IBI, obr. 5).

Zistené výsledky CBR a IBI sú uvedené v tab. 1. Narastajúce hodnoty CBR ukazujú pozitívny efekt zvyšujúcej sa teploty materiálu pri hutnení na 38 % (zhutnenie metódou PS) až 45 % (zhutnenie PM) pri teplote 70 °C. Naopak, zvyšujúca sa vlhkosť znižuje okamžitú únosnosť ZRM materiálu, stanovenú hodnotou IBI.

CBR				IBI
PS		PM		PM
Teplota (°C)	CBR((%)	Teplota (°C)	CBR (%)	Vlhkosť (%)	IBI (%)
40	6	40	4	3,2	28
50	13	50	11	3,5	27
55	16	60	22	5,5	15
60	24	65	32	7,0	14
70	38	70	45	10,5	3

Tab. 1 Výsledky skúšok CBR a IBI zmesového R-materiálu

Záver

Autori prezentujú návrh systémového prístupu (obr. 6) k zhodnocovaniu zmesových asfaltových R-materiálov (ZRM) zo stavieb v konštrukciách vozoviek s nízkym dopravným zaťažením. Do systémového prístupu implementovali svoje objektívne zistené výsledky výskumu a návrh považujú za príspevok v oblasti zvyšovania udržateľnosti vozoviek.

V oblasti definovania udržateľnej vozovky sa stotožňujú s Millerom a Bahiom [10] definujúcich udržateľnú vozovku ako vozovku, ktorá minimalizuje dosahy na životné prostredie prostredníctvom zníženia spotreby energie, prírodných zdrojov a súvisiacich emisií pri súčasnom splnení všetkých výkonnostných podmienok a noriem.

V rámci uvedeného odporúčajú autori pri návrhu rehabilitácie vozoviek s nízkym dopravným zaťažením používať objektívne zistené výsledky výskumu Katedry cestného a environmentálneho inžinierstva Stavebnej fakulty Žilinskej univerzity a počítať s návrhovými hodnotami modulov pružnosti na podloží a ZRM podľa tab. 2 a s indexmi mrazu podľa obr. 7.

Návrhový modul pružnosti podložia Ep  pre triedu dopravného zaťaženia (TDZ)		Hrúbka vrstvy z ZRM (mm)	Ekvivalentné moduly na povrchu ZRM (MPa)		Edef2 / Edef1	Rázový modul deformácie  Evd (MPa)
En,p (MPa)	TDZ		Ep	Edef,2
25	VI	150	35	30	2,5	25
		200	40	35		30
		250	45	40
30	V	150	45	40
		200	50	45
		250	55	50		35
35	IV	150	50	40		30
		200	55	45
		250	60	50		35
40		150	55	45
		200	60	50
		250	65	55		40
Evd – rázový modul deformácie zistený ľahkou dynamickou doskou podľa STN 73 6192 Edef2/Edef1 – statický modul deformácie vyhodnotený z druhého/prvého zaťažovacieho cyklu statickej zaťažovacej skúšky uskutočnenej podľa STN 73 6190

Tab. 2 Odporúčané návrhové hodnoty únosnosti podložia E_p,n a ekvivalentného modulu pružnosti E_p  na povrchu  ZRM

Článok vznikol vďaka podpore projektu VEGA č. 1/0448/25 Výskum udržateľných asfaltových technológií z hľadiska prevádzkovej spôsobilosti vozoviek a emisií CO₂.

TEXT A FOTO: prof. Dr. Ing. Martin Decký a doc. Ing. Eva Remišová, PhD., Katedra cestného a environmentálneho inžinierstva, Stavebná fakulta Žilinskej univerzity v Žiline, Ing. Marek Grenčík, vedúci oddelenia správy, prevádzky a údržby SSÚD 6 Martin

Článok bol uverejnený v časopise IS 3/2025.