Recykling na zimno in-situ (CIR) to metoda rehabilitacji nawierzchni, w której istniejące warstwy asfaltu są frezowane, mieszane ze środkami recyklingowymi (emulsją lub asfaltem spienionym), a czasem z kruszywem dziewiczym, w temperaturze otoczenia, a następnie ponownie układane i zagęszczane — wszystko na miejscu, bez użycia ciepła. Obejmuje proces CIR, zestaw maszyn, projektowanie mieszanki, wkład konstrukcyjny, wymagania dotyczące warstwy ścieralnej i inspekcję.
{{
Recykling na zimno in-situ (CIR) to technika rehabilitacji nawierzchni zdefiniowana przez Federal Highway Administration (FHWA) oraz Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA) jako metoda, w której istniejące materiały nawierzchni asfaltowej są ponownie wykorzystywane na miejscu bez użycia ciepła. Proces obejmuje frezowanie części istniejącej nawierzchni asfaltowej — zazwyczaj od 50 do 125 mm (2 do 5 cali) — kruszenie i przesiewanie frezowanego materiału w celu wytworzenia materiału RAP (Reclaimed Asphalt Pavement), mieszanie RAP z bitumicznym środkiem recyklingowym i opcjonalnymi dodatkami, a następnie układanie i zagęszczanie mieszanki poddanej recyklingowi — wszystko w ciągłej operacji na jezdni. CIR ponownie wykorzystuje 100 procent wytworzonego RAP w trakcie procesu, co czyni go jedną z najbardziej materiałowo efektywnych dostępnych metod rehabilitacji.
CIR jest klasyfikowany jako metoda recyklingu częściowej głębokości zgodnie z wytycznymi ARRA. Odróżnia to go od pełnej głębokości recyklingu (FDR), który obejmuje zarówno związane warstwy asfaltu, jak i leżące poniżej niezwiązane materiały podbudowy lub podłoża. Typowa głębokość zabiegu CIR wynosi od 75 do 100 mm (3 do 4 cali), przy czym możliwe są głębokości tak płytkie jak 50 mm (2 cale), jeśli podłoże jest wystarczająco nośne, oraz do 125 mm (5 cali), jeśli można osiągnąć odpowiednie zagęszczenie. Warstwa CIR poddana recyklingowi pełni funkcję stabilizowanej podbudowy, która musi zostać pokryta warstwą ścieralną — taką jak nakładka z mieszanki mineralno-asfaltowej na gorąco (HMA), uszczelnienie grysowe lub mikrowarstwa — aby zapewnić odporną na zużycie powierzchnię jezdną.
Korzyści środowiskowe i ekonomiczne CIR są znaczące. W porównaniu z konwencjonalną metodą frezowania i wypełniania, CIR zmniejsza emisję gazów cieplarnianych (GHG) z budowy nawet o 90 procent, eliminuje konieczność transportu RAP poza miejsce budowy i importu kruszywa dziewiczego, zmniejsza zużycie energii poprzez eliminację suszenia kruszywa i produkcji mieszanki HMA na gorąco oraz zapewnia oszczędności kosztów projektu rzędu 20 do 50 procent. Proces ten zachowuje również istniejącą geometrię drogi, utrzymuje prześwity mostów i odsłonięcia krawężników oraz zazwyczaj umożliwia wznowienie ruchu w ciągu godziny od zagęszczenia. Te cechy sprawiają, że CIR jest coraz częściej preferowaną strategią rehabilitacji dla agencji drogowych zarządzających starzejącymi się sieciami asfaltowymi przy ograniczonych budżetach.
{{
Proces CIR jest realizowany przez zestaw specjalistycznego sprzętu, którego konfiguracja waha się od maszyn jednoagregatowych do zestawów wieloagregatowych. Wybór konfiguracji sprzętu zależy od skali projektu, wymagań produkcyjnych, potrzeb w zakresie przetwarzania RAP oraz ograniczeń geometrycznych. Cztery podstawowe konfiguracje sprzętu uznane przez Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA) to: zestaw jednoagregatowy, zestaw dwuagregatowy, zestaw wieloagregatowy oraz konfiguracja z pojedynczą maszyną/reclaimerem.
W konfiguracji jednoagregatowej pojedyncza samodzielna maszyna wykonuje frezowanie, wtrysk środka recyklingowego, mieszanie i układanie w jednym przejeździe. Maszyna zawiera głowicę frezującą (obrotowy bęben z zębami z węglików spiekanych), która frezuje istniejącą nawierzchnię do określonej głębokości i spadku poprzecznego. RAP wytworzony przez głowicę frezującą jest przetwarzany w komorze maszyny, gdzie jest kruszony i sortowany za pomocą wewnętrznych prętów łamiących i sit. Środek recyklingowy (asfalt emulgowany lub spieniony) jest wtryskiwany bezpośrednio do komory mieszania z szybkością regulowaną objętościowo w oparciu o szerokość i głębokość frezowania oraz prędkość posuwu jednostki. Wymieszany materiał jest składany na jezdnię przez płytę rozkładającą, która zapewnia wstępne profilowanie i wstępne zagęszczenie, tworząc jednolitą warstwę gotową do zagęszczenia walcami. Zestaw jednoagregatowy oferuje prostotę i mniejszą mobilizację sprzętu, ale zapewnia mniejszą kontrolę nad uziarnieniem RAP i dozowaniem środka recyklingowego w porównaniu z konfiguracjami wieloagregatowymi.
Zestaw dwuagregatowy oddziela funkcję frezowania od funkcji mieszania i układania. Frezarka pełnojezdniowa (milling machine) usuwa istniejącą nawierzchnię asfaltową do określonej głębokości, wytwarzając RAP, który jest transportowany przenośnikiem do samochodów lub bezpośrednio do drugiej jednostki. Drugą jednostką jest rozkładarka z mieszalnikiem, która zawiera mieszalnik typu pugmill, układ wtrysku środka recyklingowego i płytę rozkładającą. RAP jest podawany do leja zasypowego rozkładarki, gdzie jest ważony na wadze taśmowej, co umożliwia precyzyjne dozowanie wagowe środka recyklingowego — znacząca zaleta w zakresie kontroli jakości w porównaniu z dozowaniem objętościowym stosowanym w zestawach jednoagregatowych. Środek recyklingowy i dodatki są mieszane z RAP w mieszalniku, a mieszanina jest wyładowywana do wału układanego lub bezpośrednio na płytę rozkładającą do ułożenia. Konfiguracja dwuagregatowa zapewnia większą kontrolę nad proporcjami mieszanki i jest preferowana w większych projektach wymagających stałej jakości produkcji.
Najbardziej wyrafinowaną konfiguracją jest zestaw wieloagregatowy, który dodaje dedykowaną jednostkę krusząco-sortującą między frezarką a rozkładarką z mieszalnikiem. W tej konfiguracji frezarka frezuje nawierzchnię, RAP jest transportowany do oddzielnej jednostki krusząco-sortującej, która kontroluje maksymalną wielkość cząstek i wytwarza materiał o odpowiednim uziarnieniu, a następnie przesortowany RAP jest przekazywany do rozkładarki z mieszalnikiem w celu dodania środka recyklingowego i ułożenia. Zestaw wieloagregatowy zapewnia doskonałą kontrolę uziarnienia i jest zalecany, gdy istniejąca nawierzchnia zawiera duże kruszywo lub gdy projekt mieszanki określa ścisłe wymagania dotyczące uziarnienia. Niektóre zestawy wieloagregatowe obejmują również układ odbioru wału, w którym frezarka wyładowuje RAP do wału na poboczu, a oddzielna maszyna odbierająca wyposażona w podnośnik wału podaje RAP do jednostki krusząco-sortującej, a ostatecznie do rozkładarki z mieszalnikiem.
Niezależnie od konfiguracji zestawu CIR, zagęszczanie jest wykonywane przy użyciu tych samych typów walców, co w przypadku budowy HMA. Standardowa sekwencja walcowania zazwyczaj obejmuje: (1) ciężki walec ogumiony (co najmniej 25 ton) do wstępnego rozdrobnienia i ugniatania, które przemieszcza cząstki RAP; (2) wibracyjny walec stalowy do zagęszczania pośredniego w celu osiągnięcia gęstości; oraz (3) wykończeniowy walec ogumiony do uszczelnienia powierzchni i wygładzenia śladów po walcach. Docelowa gęstość zagęszczenia wynosi zazwyczaj 96 do 98 procent maksymalnej gęstości suchej określonej zmodyfikowaną próbą Proctora (ASTM D1557 / AASHTO T 180). Schematy walcowania muszą zostać ustalone podczas próbnego odcinka kontrolnego i zweryfikowane podczas produkcji. Prawidłowe zagęszczenie jest najbardziej krytycznym czynnikiem wpływającym na wydajność CIR, ponieważ niewystarczająca gęstość prowadzi do przedwczesnego wybruzowania, uszkodzeń wilgociowych i awarii konstrukcyjnej.
Wybór środka recyklingowego ma kluczowe znaczenie dla projektowania mieszanki CIR i jej wydajności. W CIR stosuje się dwa podstawowe bitumiczne środki recyklingowe: asfalt emulgowany i asfalt spieniony. Dodatki chemiczne, takie jak cement portlandzki, wapno hydratyzowane lub popiół lotny, są często stosowane w połączeniu z każdym ze środków w celu przyspieszenia wczesnego przyrostu wytrzymałości, zwiększenia odporności na wilgoć i poprawy właściwości wiązania.
Asfalt emulgowany składa się z mikroskopijnych kropelek lepiszcza asfaltowego zawieszonych w wodzie z emulgatorem (zazwyczaj surfaktanty kationowe lub anionowe). Emulsja jest cieczą w temperaturze otoczenia, co umożliwia mieszanie z zimnym, wilgotnym RAP bez konieczności użycia ciepła. Po ułożeniu i zagęszczeniu emulsja rozpada się — woda oddziela się od kropelek asfaltu — a woda odparowuje w okresie wiązania, pozostawiając lepiszcze asfaltowe poddane recyklingowi pokrywające cząstki kruszywa. Typowe gatunki emulsji stosowane w CIR to CMS-2 (kationowa średniowarstwa), CSS-1 (kationowa wolnorozpadowa) i HFMS-2 (high-float średniowarstwowa). Wybór gatunku emulsji zależy od właściwości RAP, temperatury otoczenia, wilgotności i wymagań harmonogramu projektu. Dawkowanie emulsji zazwyczaj waha się od 1,5 do 3,5 procent lepiszcza resztkowego w stosunku do masy RAP, określonego poprzez projekt mieszanki. CIR na bazie emulsji wymaga okresu wiązania od 3 do 7 dni (w zależności od warunków pogodowych) przed nałożeniem warstwy ścieralnej.
Asfalt spieniony (zwany również asfaltem ekspandowanym) jest wytwarzany przez wtryskiwanie niewielkiej ilości zimnej wody (zazwyczaj 2–3% masy lepiszcza) i sprężonego powietrza do gorącego lepiszcza asfaltowego (160–180°C) wewnątrz specjalnie zaprojektowanej komory ekspansji. Woda natychmiast odparowuje w parę wodną, powodując spienienie i ekspansję asfaltu do około 15 do 20 razy jego pierwotnej objętości. Spieniony asfalt ma dramatycznie obniżoną lepkość, co umożliwia skuteczne otoczenie zimnych, wilgotnych cząstek RAP. Po wymieszaniu i zagęszczeniu pianka zapada się w miarę stygnięcia lepiszcza, powracając do swojego pierwotnego stanu lepkiego. CIR z asfaltem spienionym oferuje kilka zalet: (1) może być stosowany z wilgotnym RAP bez suszenia; (2) zapewnia dobre otoczenie nawet przy wysokiej zawartości pyłów w RAP; (3) mieszanka może zostać oddana do ruchu wcześniej (często w ciągu 1–2 godzin); oraz (4) eliminuje konieczność odparowania wody w celu wiązania. Asfalt spieniony jest zazwyczaj aplikowany w ilości 2,0 do 3,5 procent lepiszcza resztkowego w stosunku do masy RAP. Charakterystyki spieniania są określane ilościowo za pomocą wskaźnika ekspansji i okresu połowicznego rozpadu, mierzonych zgodnie z wytycznymi AASHTO PP 94.
Dodatki aktywne są kluczowymi składnikami wielu projektów mieszanek CIR, szczególnie gdy wymagana jest lepsza wczesna wytrzymałość lub odporność na wilgoć. Cement portlandzki jest najczęściej stosowanym dodatkiem, w dawkach 1,0 do 2,0 procent masy RAP. Dodatek cementu pełni kilka funkcji: zapewnia początkową sztywność i wczesną wytrzymałość poprzez hydratację, działa jako wypełniacz poprawiający zawartość frakcji drobnych w mieszance oraz poprawia przyczepność między środkiem recyklingowym a cząstkami RAP. Wapno hydratyzowane jest stosowane w podobnych dawkach w celu poprawy odporności na wilgoć i zmniejszenia podatności na odrywanie w RAP zawierającym kruszywa wrażliwe na wilgoć. Popiół lotny i mielony granulowany żużel wielkopiecowy (GGBFS) są sporadycznie stosowane jako dodatkowe materiały cementujące. Rodzaj i dawka dodatku są określane podczas projektowania mieszanki w oparciu o docelowe wymagania dotyczące wczesnej wytrzymałości i badania wrażliwości na wilgoć.
| Środek recyklingowy | Dawkowanie (% asfaltu resztkowego) | Czas wiązania | Zalety | Kluczowe normy |
|---|---|---|---|---|
| Asfalt emulgowany (CMS-2, CSS-1, HFMS-2) | 1,5 – 3,5% | 3–7 dni | Sprawdzona historia; doskonałe otoczenie; szeroka dostępność gatunków | AASHTO PP 86-17; ARRA CR201 |
| Asfalt spieniony | 2,0 – 3,5% | 1–2 godziny | Szybkie wiązanie; tolerancja na wilgotny RAP; szybkie oddanie do ruchu | AASHTO PP 94; ARRA CR202 |
| Cement portlandzki (dodatek) | 1,0 – 2,0% (masy RAP) | N/D (stosowany z emulsją lub spienionym) | Wczesna wytrzymałość; odporność na wilgoć; poprawiona sztywność | ASTM C150; AASHTO M85 |
Formalne projektowanie mieszanki jest niezbędne dla CIR w celu zapewnienia niezawodnej wydajności. W przeciwieństwie do projektowania mieszanek HMA (Superpave lub Marshall), projektowanie mieszanki CIR musi uwzględniać unikalne cechy mieszanek na zimno: efekty czasowo-temperaturowe wynikające z obecności wody, wolniejsze tempo zmiękczania lepiszcza oraz zmiany właściwości mieszanki wraz z wiązaniem. Standardowe procedury projektowania mieszanek CIR są publikowane przez ARRA jako CR201 (CIR z asfaltem emulgowanym) i CR202 (CIR z asfaltem spienionym) oraz przez AASHTO jako PP 86-17 (emulgowany) i PP 94 (spieniony). Proces projektowania mieszanki obejmuje następujące kolejne etapy:
Reprezentatywne próbki istniejącej nawierzchni muszą być pobrane z wielu lokalizacji na całej długości projektu. Minimalne pobieranie próbek zazwyczaj wymaga pięciu do sześciu próbek na projekt lub jednej próbki na milę pasa dla większych projektów. Próbki rdzeniowe są pobierane przez całą grubość asfaltu, a otwory po rdzeniach są wykorzystywane do oceny wytrzymałości podłoża za pomocą dynamicznego penetrometru stożkowego (DCP) lub inspekcji wizualnej. Próbki RAP są uzyskiwane przez kruszenie rdzeni w laboratoryjnej kruszarce szczękowej w celu odtworzenia rozkładu wielkości cząstek wytwarzanego przez proces frezowania CIR. RAP jest badany pod kątem: (1) zawartości lepiszcza asfaltowego (AASHTO T 164); (2) uziarnienia kruszywa po ekstrakcji (AASHTO T 27); (3) właściwości zestarzałego lepiszcza, w tym penetracji w 25°C (AASHTO T 49) i lepkości absolutnej w 60°C (AASHTO T 202); oraz (4) wilgotności RAP.
Właściwości zestarzałego lepiszcza asfaltowego kierują wyborem rodzaju i gatunku środka recyklingowego. Lepiszcze, które znacznie stwardniało (penetracja poniżej 20 dmm lub lepkość powyżej 50 000 puazów) może wymagać miększego środka recyklingowego lub wyższego dawkowania w celu przywrócenia konsystencji lepiszcza do docelowego zakresu. Celem recyklingu w CIR nie jest koniecznie przywrócenie lepiszcza do jego pierwotnej penetracji, ale osiągnięcie wystarczającego zmiękczenia lepiszcza, aby wytworzyć urabialną mieszankę nadającą się do zagęszczenia, która rozwija odpowiednią wytrzymałość w procesie wiązania.
Próbne mieszanki są przygotowywane z różnymi zawartościami środka recyklingowego (zazwyczaj 1,0% do 4,0% w przyrostach co 0,5%) i dawkami dodatków. RAP jest mieszany z wcześniej określoną wilgotnością wstępną (w przypadku stosowania emulsji) lub z asfaltem spienionym przy określonych parametrach spieniania. Mieszanka jest zagęszczana za pomocą młota Marshalla (50 uderzeń na stronę) lub zagęszczarki giracyjnej Superpave (30 giracji) w celu wytworzenia próbek badawczych. Zagęszczanie wykonuje się bezpośrednio po wymieszaniu w przypadku asfaltu spienionego i po krótkim okresie wiązania w przypadku mieszanek z emulsją.
W przypadku CIR na bazie emulsji próbki poddawane są przyspieszonemu wiązaniu w celu symulacji warunków wiązania w terenie. Standardowy protokół wiązania obejmuje suszenie w piecu w temperaturze 60°C (140°F) przez 48 godzin w celu usunięcia wilgoci, a następnie schłodzenie do temperatury pokojowej przed badaniem. W przypadku CIR z asfaltem spienionym można zastosować krótszy okres wiązania (zazwyczaj 24 godziny w 40°C).
Utwardzone próbki są badane pod kątem: (1) pośredniej wytrzymałości na rozciąganie (ITS) — miary odporności na pękanie rozciągające, zazwyczaj przeprowadzane na suchych i kondycjonowanych (kondycjonowanych wilgocią) próbkach w celu oceny wrażliwości na wilgoć; (2) wskaźnika zachowanej wytrzymałości na rozciąganie — stosunku ITS kondycjonowanego do suchego, który zazwyczaj musi przekraczać 0,70 (70%) dla akceptowalnej odporności na wilgoć; (3) modułu sprężystości (Mr) — miary nośności stosowanej do wprowadzania danych do projektowania konstrukcyjnego; oraz (4) gęstości suchej — weryfikowanej w celu zapewnienia osiągalności docelowego zagęszczenia. Optymalna zawartość środka recyklingowego jest wybierana w oparciu o maksymalną ITS, odpowiednią zawartość pustek powietrznych i akceptowalną odporność na wilgoć.
CIR jest projektowany jako stabilizowana podbudowa w przekroju konstrukcyjnym nawierzchni. Wkład konstrukcyjny warstwy CIR jest określany ilościowo poprzez współczynnik konstrukcyjny warstwy (współczynnik a) w Przewodniku Projektowania Nawierzchni AASHTO z 1993 r. lub poprzez moduły warstwy w ramach AASHTOWare Pavement ME Design.
Współczynnik konstrukcyjny warstwy dla mieszanek CIR zazwyczaj waha się od 0,25 do 0,44, przy czym wiele agencji drogowych stosuje wartości między 0,30 a 0,35 do rutynowego projektowania. Wkład liczby konstrukcyjnej (SN) warstwy CIR oblicza się jako:
SN_CIR = a_CIR × D_CIR
Gdzie D_CIR to grubość warstwy CIR w calach. Dla 4-calowej warstwy CIR ze współczynnikiem 0,35, wkład SN wynosi 1,40 — co odpowiada około 4,7 cala podbudowy z kruszywa niezwiązanego o współczynniku 0,30. Najnowsze badania Virginia Department of Transportation (VDOT) na odcinkach testowych na Interstate 81 wykazały, że CIR z optymalizowanymi projektami mieszanek może osiągać współczynniki konstrukcyjne warstwy rzędu 0,36 do 0,44, znacząco wyższe niż tradycyjnie przyjmowane wartości. Te wyższe wartości odzwierciedlają ulepszone projekty mieszanek, lepszą kontrolę zagęszczenia oraz stosowanie dodatków aktywnych, takich jak cement.
Gdy CIR jest stosowany jako część strategii rehabilitacji obejmującej nakładkę HMA, grubość nakładki jest określana poprzez konwencjonalne projektowanie konstrukcyjne nawierzchni. Nośność istniejącej nawierzchni jest oceniana za pomocą badań ugięć FWD, badań DCP lub rdzeniowania w celu określenia grubości warstw i właściwości materiałów. Wymagana grubość nakładki jest obliczana jako różnica między wymaganą liczbą konstrukcyjną (SN_req) dla przyszłego ruchu a istniejącą liczbą konstrukcyjną (SN_existing) powiększoną o wkład warstwy CIR (SN_CIR). Całkowita liczba konstrukcyjna po rehabilitacji CIR wynosi:
SN_total = SN_existing_base + SN_CIR + SN_overlay
W ramach AASHTOWare Pavement ME Design, mieszanki CIR są charakteryzowane przez ich moduł dynamiczny (|E|)* i moduł sprężystości (Mr). Projekt NCHRP 9-51 (Material Properties of Cold In-Place Recycled and Full-Depth Reclamation Asphalt Concrete for Pavement Design) opracował właściwości mechanistyczne dla mieszanek CIR, ustalając, że materiały CIR mają wartości modułu dynamicznego około 50 procent niższe niż typowe HMA, ale wykazują zachowanie podobne do mieszanek podbudowy HMA. Zakończenie NCHRP 9-51 zapewnia wytyczne dotyczące włączania warstw CIR do analizy Pavement ME Design, umożliwiając dokładniejsze prognozowanie wydajności nawierzchni rehabilitowanych metodą CIR.
Chociaż CIR był tradycyjnie ograniczony do dróg o niskim i średnim natężeniu ruchu, nowoczesny CIR był z powodzeniem stosowany w zastosowaniach o dużym natężeniu ruchu, w tym na autostradach międzystanowych. Projekt VDOT na Interstate 81 wykazał, że CIR z nakładką HMA przenosi ponad 10 milionów ESAL (prawy pas) z doskonałą wydajnością — głębokość kolein 0,1 cala i IRI 44 cale na milę po 5 latach i 10 milionach ESAL. Na NCAT Test Track sekcje CIR i CCPR otrzymały ponad 15 milionów ESAL z głębokością kolein około 0,3 cala i bez spękań konstrukcyjnych. Kluczowe wymagania dla CIR przy dużym natężeniu ruchu to: (1) prawidłowe projektowanie konstrukcyjne uwzględniające wkład warstwy CIR; (2) odpowiednia grubość nakładki HMA; (3) stosowanie dodatków aktywnych (cementu) dla wczesnej wytrzymałości; oraz (4) rygorystyczna kontrola jakości podczas budowy.
Warstwa CIR nie jest ostateczną warstwą ścieralną. Musi być pokryta warstwą ścieralną, która zapewnia odporność na zużycie, wodoszczelność, odporność na poślizg i gładką powierzchnię jezdną. Wybór warstwy ścieralnej zależy od natężenia ruchu, wymagań konstrukcyjnych, budżetu i celów projektu. Trzy główne opcje warstwy ścieralnej to nakładka HMA, uszczelnienie grysowe i mikrowarstwa.
Najczęściej stosowaną warstwą ścieralną na CIR jest nakładka HMA, zazwyczaj o grubości od 1,5 do 4,0 cali (38–100 mm). Nakładka HMA zapewnia wkład konstrukcyjny, gęstą wodoszczelną powierzchnię, wysoką odporność na poślizg i doskonałą jakość jazdy. W przypadku dróg o dużym natężeniu ruchu minimalna grubość nakładki HMA wynosi zazwyczaj 2,0 do 3,0 cali. Warstwa sczepna (emulsja CSS-1h w ilości 0,05–0,15 gal/yd² lepiszcza resztkowego) jest nakładana na utwardzoną powierzchnię CIR przed ułożeniem HMA w celu zapewnienia przyczepności między warstwami. Nakładka HMA na CIR może być wykonana przy użyciu standardowego sprzętu do produkcji i układania HMA. Połączony system CIR + HMA zapewnia trwałe, długowieczne rozwiązanie rehabilitacji nawierzchni.
W przypadku dróg o niskim natężeniu ruchu pojedyncze lub podwójne uszczelnienie grysowe stanowi ekonomiczną warstwę ścieralną na CIR. Uszczelnienie grysowe polega na nałożeniu emulsji asfaltowej (zazwyczaj RS-2 lub CRS-2 w ilości 0,30–0,50 gal/yd²), która jest natychmiast pokrywana czystym, jednofrakcyjnym grysem (nominalna wielkość 3/8 cala lub 1/2 cala), a następnie walcowana walcami ogumionymi w celu wtopienia grysów. Uszczelnienie grysowe zapewnia wodoszczelną powierzchnię, poprawia odporność na poślizg i uszczelnia warstwę CIR przed wnikaniem wilgoci. Podwójne uszczelnienia grysowe (dwie warstwy emulsji i kruszywa) zapewniają większą trwałość i są odpowiednie dla nieco wyższych natężeń ruchu. Uszczelnienia grysowe na CIR wymagają odpowiedniego utwardzenia warstwy CIR (minimum 3–7 dni w przypadku CIR na bazie emulsji) i starannego wykonania w celu osiągnięcia odpowiedniego wtopienia i utrzymania grysów.
Mikrowarstwa to modyfikowany polimerem system zawiesiny uszczelniającej, który może być nakładany na CIR w grubościach od 3/8 do 3/4 cala (10–19 mm). Mikrowarstwa zapewnia gęstą, odporną na poślizg, wodoszczelną warstwę ścieralną, która przeciwdziała wybruzowaniu powierzchni, przywraca tarcie i wydłuża żywotność nawierzchni. Jest nakładana przy użyciu specjalistycznych rozkładarek do mikrowarstw o ciągłym cyklu pracy, które mieszają asfalt emulgowany, kruszywo modyfikowane polimerem, cement, wodę i dodatki, a następnie rozprowadzają mieszankę cienką warstwą. Mikrowarstwa na CIR jest odpowiednia dla dróg o natężeniu ruchu do średniego i wymaga pełnego utwardzenia CIR przed aplikacją.
Wybór warstwy ścieralnej jest determinowany przez: (1) natężenie ruchu — nakładka HMA dla dużego ruchu, uszczelnienie grysowe lub mikrowarstwa dla małego do średniego ruchu; (2) wymagania konstrukcyjne — nakładka HMA, gdy potrzebna jest dodatkowa nośność; (3) budżet projektu — uszczelnienie grysowe najtańsze, mikrowarstwa umiarkowana, nakładka HMA najdroższa; (4) wymagania dotyczące jakości jazdy — nakładka HMA zapewnia najgładszą powierzchnię; (5) harmonogram budowy — uszczelnienie grysowe i mikrowarstwa mogą być ułożone szybko, podczas gdy nakładka HMA wymaga produkcji mieszanki na gorąco; oraz (6) klimat — uszczelnienia grysowe sprawdzają się najlepiej w suchym klimacie o umiarkowanych temperaturach, podczas gdy nakładki HMA sprawdzają się we wszystkich klimatach.
Zrozumienie różnic między CIR, recyklingiem na gorąco in-situ (HIR) i pełną głębokością recyklingu (FDR) jest niezbędne do wyboru odpowiedniej strategii rehabilitacji. Każda z metod traktuje inne warstwy nawierzchni i jest odpowiednia dla różnych mechanizmów uszkodzeń.
CIR obejmuje 2 do 5 cali (50–125 mm) tylko związanych warstw asfaltu. HIR obejmuje górne 0,75 do 2 cali (19–50 mm) powierzchni asfaltu. FDR obejmuje 6 do 12+ cali (150–300+ mm), w tym warstwy asfaltowe, podbudowę z kruszywa i warstwy podłoża. Głębokość zabiegu określa, które uszkodzenia mogą być rozwiązane: CIR może wyeliminować spękania i uszkodzenia w obrębie głębokości warstwy asfaltu, HIR rozwiązuje problemy uszkodzeń powierzchniowych, a FDR może rozwiązać problemy konstrukcyjne w podbudowie i podłożu.
CIR działa w całości na zimno — żadne ciepło nie jest przykładane do materiału nawierzchni. HIR wykorzystuje ciepło do zmiękczenia istniejącej powierzchni asfaltu przed spulchnieniem i odmłodzeniem — zazwyczaj za pomocą zestawu promiennikowych grzejników propanowych lub nagrzewnicy gorącym powietrzem, które podnoszą temperaturę powierzchni nawierzchni do 120–150°C. FDR może być wykonywany na zimno (z emulsją asfaltową lub asfaltem spienionym jako środkiem recyklingowym) lub ze stabilizatorami chemicznymi (cement, wapno), które nie wymagają ciepła. Brak ciepła w CIR czyni go najbardziej energooszczędną i najmniej emisyjną opcją.
CIR wykorzystuje asfalt emulgowany lub asfalt spieniony do odmłodzenia zestarzałego lepiszcza i zapewnienia wiązania dla mieszanki poddanej recyklingowi. Warstwa CIR pełni funkcję stabilizowanej podbudowy. HIR wykorzystuje środek odmładzający (lekki olej lub dodatek na bazie emulsji), który przywraca konsystencję zestarzałego lepiszcza, wytwarzając warstwę ścieralną, która może być natychmiast używana jako ostateczna powierzchnia. FDR wykorzystuje cement, wapno, emulsję asfaltową lub asfalt spieniony — wybór zależy od docelowych właściwości materiału — w celu utworzenia stabilizowanej podbudowy. Warstwa FDR jest zawsze pokrywana warstwą ścieralną.
CIR zawsze wymaga warstwy ścieralnej (nakładki HMA, uszczelnienia grysowego lub mikrowarstwy). HIR zazwyczaj nie wymaga warstwy ścieralnej — materiał poddany recyklingowi jest ostateczną warstwą ścieralną, choć może otrzymać zamgławianie lub cienkie zabezpieczenie powierzchniowe. FDR zawsze wymaga warstwy ścieralnej, zazwyczaj nakładki HMA o grubości 2–4 cali.
| Parametr | Recykling na zimno in-situ (CIR) | Recykling na gorąco in-situ (HIR) | Pełna głębokość recyklingu (FDR) |
|---|---|---|---|
| Głębokość zabiegu | 2–5 cali (50–125 mm) | 0,75–2 cali (19–50 mm) | 6–12+ cali (150–300+ mm) |
| Wymagane ciepło | Nie (temperatura otoczenia) | Tak (120–150°C nagrzewanie powierzchni) | Nie |
| Środek recyklingowy | Emulgowany lub spieniony asfalt (+ cement/wapno) | Środek odmładzający (na bazie oleju) | Cement, wapno, emulsja asfaltowa lub asfalt spieniony |
| Funkcja warstwy | Stabilizowana podbudowa | Warstwa ścieralna (ostateczna powierzchnia) | Stabilizowana podbudowa |
| Wymagana warstwa ścieralna | Tak (HMA, uszczelnienie grysowe, mikrowarstwa) | Zazwyczaj nie | Tak (nakładka HMA) |
| Typowa przydatność ruchowa | Niski do wysokiego (do 10M+ ESAL) | Niski do średniego | Niski do średniego |
| Oszczędności vs frezowanie i wypełnianie | 20–50% | 15–30% | 25–50% |
Wydajność nawierzchni rehabilitowanych metodą CIR jest dobrze udokumentowana w długoterminowych badaniach prowadzonych przez agencje drogowe i instytucje badawcze. Przy prawidłowym zaprojektowaniu, wykonaniu i połączeniu z odpowiednią warstwą ścieralną, nawierzchnie CIR wykazują żywotność od 15 do 25 lat przed koniecznością poważnej rehabilitacji, przy czym czynnikiem ograniczającym jest często żywotność warstwy ścieralnej, a nie samej warstwy CIR.
CIR jest bardzo skuteczny w łagodzeniu uszkodzeń niezwiązanych z obciążeniem w obrębie głębokości zabiegu. Spękania podłużne, spękania poprzeczne (termiczne), spękania siatkowe, wybruzowanie, utlenianie i niewielkie koleiny (w obrębie warstwy asfaltu) są eliminowane przez proces CIR, ponieważ cała spękana warstwa jest frezowana, odmładzana i ponownie zagęszczana jako nowa monolityczna warstwa. Proces CIR eliminuje również przenoszenie spękań ze starej powierzchni nawierzchni — ponieważ płaszczyzna spękania jest naruszona, a lepiszcze jest odmłodzone, spękania penetrujące z warstw leżących poniżej potrzebują znacznie więcej czasu, aby propagować przez warstwę CIR. Długoterminowe oceny przeprowadzone przez University of Wyoming i Colorado DOT wykazały, że CIR znacząco zmniejsza częstotliwość spękań poprzecznych w porównaniu z niepoddanymi zabiegowi sekcjami kontrolnymi, z redukcją liczby spękań o 60–90% w 10-letnim okresie monitorowania.
CIR zapewnia mierzalną poprawę konstrukcyjną nawierzchni. Badania FWD przed i po budowie CIR zazwyczaj wykazują 30–50% redukcję ugięcia powierzchni, co wskazuje na zwiększoną nośność. Ta poprawa konstrukcyjna umożliwia zmniejszenie grubości nakładki HMA w porównaniu z frezowaniem i wypełnianiem lub wydłuża żywotność nawierzchni w połączeniu z tą samą grubością nakładki. Długoterminowa wydajność konstrukcyjna CIR zależy od kontynuacji wiązania (mieszanki na bazie emulsji zyskują wytrzymałość przez 6–12 miesięcy w miarę rozpraszania resztkowej wilgoci), dogęszczania ruchem (dalsze zagęszczanie pod ruchem poprawia gęstość) oraz integralności warstwy ścieralnej w zapobieganiu wnikaniu wilgoci.
Kluczowe czynniki wpływające na wydajność CIR obejmują: (1) stan istniejącej nawierzchni — CIR działa najlepiej na nawierzchniach z solidnymi podbudowami i dobrym drenażem; (2) jakość projektu mieszanki — właściwy dobór i dawkowanie środka recyklingowego mają kluczowe znaczenie; (3) zagęszczenie — osiągnięcie docelowej gęstości jest najważniejszym czynnikiem budowlanym; (4) wiązanie — odpowiedni czas wiązania przed ułożeniem warstwy ścieralnej zapobiega uwięzieniu wilgoci i utracie przyczepności; (5) jakość warstwy ścieralnej — warstwa ścieralna chroni warstwę CIR przed wodą, ścieraniem przez ruch i degradacją środowiskową; (6) drenaż — niewystarczający drenaż jest najczęstszą przyczyną przedwczesnej awarii CIR; oraz (7) ruch — warstwy CIR nadal dogęszczają się pod ruchem, przy czym zawartość pustek powietrznych zazwyczaj spada z 12–15% po budowie do 8–10% po roku użytkowania.
Przy optymalnych parametrach wydajności — solidnym podłożu, odpowiednim projekcie grubości, prawidłowym projekcie mieszanki, doskonałej jakości wykonania, odpowiednim wiązaniu i odpowiedniej warstwie ścieralnej — wiele agencji zgłasza żywotność CIR na 20–25 lat przed koniecznością poważnej rehabilitacji przekroju konstrukcyjnego. Średnia wydajność (dobre warunki z niewielkimi kompromisami w niektórych czynnikach) zazwyczaj daje 12–18 lat żywotności. Wydajność doraźna (warunki marginalne, minimalna grubość nakładki lub niedociągnięcia wykonawcze) może zapewnić tylko 5–10 lat przed koniecznością rehabilitacji. Koszt cyklu życia rehabilitacji CIR zazwyczaj zapewnia oszczędności wartości bieżącej netto rzędu 30–50% w porównaniu z konwencjonalną odbudową w 30-letnim okresie analizy.
Inspekcja zapewnienia jakości budowy CIR wymaga specjalistycznej wiedzy na temat procesów recyklingu na zimno. Inspektor odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu, że operacja CIR jest zgodna z dokumentacją umowną i wytwarza trwałą, jednolitą i odpowiednio nośną warstwę nawierzchni. Asphalt Recycling and Reclaiming Association (ARRA) opublikowała Basic Asphalt Recycling Manual (BARM) oraz wytyczne dotyczące najlepszych praktyk, które służą jako podstawowe źródła referencyjne dla inspekcji CIR.
Przed rozpoczęciem produkcji CIR inspektor musi zweryfikować: (1) zgodność z projektem mieszanki — zatwierdzony projekt mieszanki jest dostępny, a przepisany rodzaj, gatunek i dawkowanie środka recyklingowego są prawidłowe; (2) kalibrację sprzętu — systemy dozowania środka recyklingowego, wagi taśmowe i podajniki dodatków zostały skalibrowane w ciągu 72 godzin przed produkcją; (3) odcinek próbny — odcinek testowy (zazwyczaj 500–1000 stóp) został wykonany i oceniony pod kątem zagęszczenia, równości i wyglądu; (4) przygotowanie powierzchni — istniejąca nawierzchnia została oczyszczona z zanieczyszczeń, roślinności i materiałów nieodpowiednich; (5) ocenę podłoża — słabe obszary zidentyfikowane przez badania FWD lub DCP zostały rozwiązane poprzez poprawę podłoża lub głębszy zabieg; oraz (6) organizację ruchu — tymczasowe plany organizacji ruchu są wdrożone zgodnie z wymogami bezpieczeństwa.
Podczas produkcji CIR inspektor monitoruje: (1) głębokość frezowania — weryfikowaną przez sprawdzenie sterowania głębokością bębna frezującego i pomiar głębokości frezowania w odstępach co 500 stóp za pomocą głębokościomierza lub sondy; (2) uziarnienie RAP — ocenę wizualną plus okresową analizę sitową w celu potwierdzenia maksymalnej wielkości cząstek (zazwyczaj 1,5–2,0 cala) i braku materiału ponadwymiarowego; (3) dawkowanie środka recyklingowego — weryfikowane przez pomiary cysterną lub odczyty przepływomierza co najmniej trzy razy na zmianę; (4) dawkowanie dodatków — weryfikowane przez odczyty wagi taśmowej lub obliczenia szybkości rozsypywania dla cementu lub wapna aplikowanego przed zestawem maszyn; (5) wilgotność — całkowita wilgotność ułożonej mieszanki (w tym woda z emulsji, woda do nawilżania wstępnego i wilgotność RAP) powinna mieścić się w docelowym zakresie ustalonym w projekcie mieszanki; (6) otoczenie — obserwacja wizualna, że co najmniej 50% cząstek RAP jest pokrytych środkiem recyklingowym; (7) wygląd warstwy — jednolity kolor i tekstura bez segregacji, rozrywania ani śladów po walcach; (8) zagęszczenie — badanie jądrowym miernikiem gęstości w odstępach co 500 stóp w celu weryfikacji, czy gęstość spełnia specyfikację (zazwyczaj 96–98% zmodyfikowanej maksymalnej gęstości suchej Proctora); oraz (9) równość — mierzona łatą 10-stopową, zazwyczaj wymagająca odchyleń mniejszych niż 3/16 cala.
Po ułożeniu CIR i w okresie wiązania inspektor weryfikuje: (1) wiązanie — warstwa CIR jest chroniona przed ruchem do czasu uzyskania wystarczającej wytrzymałości (zazwyczaj 1–24 godziny w zależności od rodzaju środka recyklingowego i pogody); (2) zamgławianie — jeśli określone, aplikowane równomiernie w celu zapobieżenia wybruzowaniu powierzchni podczas wiązania; (3) ponowne walcowanie — w przypadku CIR na bazie emulsji, ponowne walcowanie walcami ogumionymi, gdy temperatura nawierzchni przekracza 27°C (80°F), w celu zmniejszenia zawartości pustek powietrznych; (4) próbki rdzeniowe — pobierane po wystarczającym wiązaniu w celu weryfikacji grubości i określenia gęstości; (5) stan powierzchni — ocena wizualna pod kątem wybruzowania, spękań lub uszkodzeń wilgociowych przed ułożeniem warstwy ścieralnej; oraz (6) warstwę sczepną — weryfikacja jednolitego dawkowania i pokrycia przed nakładką HMA.
Kryteria odbioru zazwyczaj obejmują: (1) zagęszczenie — średnia gęstość 96–98% maksymalnej gęstości suchej, przy czym żadne pojedyncze badanie nie może być poniżej 94%; (2) grubość — średnia grubość CIR w granicach ±0,25 cala od projektu, przy czym żaden pojedynczy rdzeń nie może być więcej niż 0,5 cala poniżej projektu; (3) równość — średni wskaźnik profilu (PI) w granicach specyfikacji (zazwyczaj ≤ 5 cali na milę dla dróg wyższej kategorii); (4) zawartość środka recyklingowego — w granicach ±0,3% od docelowej receptury mieszanki; (5) wilgotność — w dopuszczalnym zakresie określonym w projekcie mieszanki; oraz (6) wygląd wizualny — brak segregacji, wybruzowania lub wad powierzchniowych.
Zastosowanie CIR do nawierzchni lotniskowych to rozwijająca się praktyka oferująca znaczący potencjał w zakresie oszczędności kosztów i zrównoważonego rozwoju. Podczas gdy CIR jest dobrze ugruntowany dla nawierzchni drogowych, jego przyjęcie dla nawierzchni lotniskowych było ograniczone z powodu braku specyfikacji FAA i znormalizowanych metod projektowania konstrukcyjnego dla warstw poddanych recyklingowi w nawierzchniach lotniskowych.
Obecne okólniki doradcze FAA zawierają minimalne wytyczne dotyczące recyklingu in-situ: AC 150/5320-6F (Airport Pavement Design and Evaluation) zawiera krótką wzmiankę o FDR, ale nie wspomina o CIR. AC 150/5370-10H (Airport Pavement Construction) zawiera pozycję P-207 dla FDR, ale nie oferuje specyfikacji CIR. Zgłoszono Problem Statement ACRP (21-506, “Expanding in-place cold recycling for flexible airfield pavement”) w celu opracowania kompleksowych wytycznych dotyczących stosowania CIR i FDR w rehabilitacji nawierzchni lotniskowych, obejmujących narzędzia decyzyjne, specyfikacje materiałowe, metody projektowania konstrukcyjnego i procesy QA. FAA obecnie nie uwzględnia CIR w standardowej procedurze projektowej FAARFIELD.
Pomimo luk regulacyjnych, kilka lotnisk z powodzeniem zastosowało CIR do rehabilitacji nawierzchni. Droga startowa 16/34 na lotnisku McKinnon St. Simons Island (Georgia) została zmodernizowana przy użyciu technik recyklingu in-situ. Lotnisko Spruce Creek (Floryda) również wykorzystało CIR. Na arenie międzynarodowej lotniska takie jak Port lotniczy Frankfurt (Niemcy), Port lotniczy Treviso (Włochy) i Port lotniczy Penticton (Kanada) wdrożyły recykling na zimno dla nawierzchni lotniskowych. Projekty te wykazały, że CIR może zapewnić akceptowalne podparcie konstrukcyjne dla obciążeń samolotów, jednocześnie redukując koszty rehabilitacji o 25–40% w porównaniu z konwencjonalną odbudową poprzez frezowanie i nakładanie.
Zastosowanie CIR do nawierzchni lotniskowych wymaga uwzględnienia kilku czynników odróżniających je od zastosowań drogowych: (1) wymagania konstrukcyjne — obciążenia samolotów są znacznie wyższe niż obciążenia samochodów ciężarowych na drogach, wymagając grubszych warstw CIR (zazwyczaj 4–5 cali) i/lub wyższych współczynników konstrukcyjnych warstwy; (2) trwałość mieszanki — nawierzchnie lotniskowe wymagają większej odporności na wycieki paliwa, płyny hydrauliczne i środki odladzające, co może wymagać modyfikowanych polimerem środków recyklingowych lub specjalistycznych dodatków; (3) wymagania dotyczące tarcia — warstwa ścieralna CIR musi zapewniać odpowiednie tarcie dla hamowania samolotów, wymagając rowkowania lub odpowiedniego doboru kruszywa; (4) zapobieganie FOD — warstwa CIR i warstwa ścieralna muszą być wysoce odporne na wybruzowanie, aby zapobiec powstawaniu ciał obcych (Foreign Object Debris), które mogą uszkodzić silniki odrzutowe; (5) ograniczenia operacyjne — zamknięcia lotnisk dla budowy CIR są krytyczne czasowo, wymagając szybkiej budowy i szybkowiążących środków recyklingowych; oraz (6) kontrola jakości — tolerancje gęstości i równości są bardziej rygorystyczne dla nawierzchni lotniskowych.
Wdrożenie CIR dla nawierzchni lotniskowych wymaga: (1) opracowania specyfikacji FAA dla materiałów i budowy CIR; (2) współczynników konstrukcyjnych warstwy i modułów dla mieszanek CIR pod obciążeniem samolotów; (3) włączenia warstw CIR do oprogramowania projektowego FAARFIELD; (4) wytycznych dotyczących wyboru warstwy ścieralnej dla zastosowań lotniskowych (nakładka HMA, warstwa cierna P-401); (5) protokołów zapewnienia jakości specyficznych dla CIR na lotniskach; oraz (6) projektów demonstracyjnych na lotniskach o różnej wielkości i natężeniu ruchu. Proponowane badania ACRP ustanowiłyby podstawy techniczne dla przyjęcia CIR przez FAA w okólnikach doradczych, umożliwiając lotniskom wykorzystanie ekonomicznych i środowiskowych korzyści recyklingu na zimno w rehabilitacji nawierzchni lotniskowych.
Recykling na zimno in-situ stanowi sprawdzoną, opłacalną i zrównoważoną środowiskowo metodę rehabilitacji nawierzchni, która ponownie wykorzystuje istniejące materiały nawierzchni na miejscu bez użycia ciepła. Przy prawidłowym zaprojektowaniu poprzez formalne procedury projektowania mieszanek (ARRA CR201/CR202 lub AASHTO PP 86-17/PP 94), wykonaniu przy użyciu odpowiednich zestawów maszyn i protokołów zagęszczania oraz zabezpieczeniu odpowiednimi warstwami ścieralnymi (nakładka HMA, uszczelnienie grysowe lub mikrowarstwa), CIR zapewnia żywotność 15–25 lat przy oszczędnościach kosztów rzędu 20–50% i redukcji emisji gazów cieplarnianych nawet o 90% w porównaniu z konwencjonalną odbudową. Rosnące przyjęcie CIR przez agencje drogowe do zastosowań o dużym natężeniu ruchu oraz rosnące zainteresowanie ze strony sektora lotniczego podkreślają znaczenie tej metody jako podstawowej strategii rehabilitacji nawierzchni w XXI wieku.
Wykorzystaj recykling na zimno in-situ do opłacalnej i zrównoważonej rehabilitacji nawierzchni. Nasi eksperci mogą pomóc w ocenie wykonalności CIR, projektowaniu mieszanek, specyfikacji robót i inspekcji nawierzchni rehabilitowanych metodą CIR w celu zapewnienia długoterminowej wydajności.
Recykling na gorąco in situ (HIR) polega na podgrzaniu, spulchnieniu i ponownym wymieszaniu istniejącej nawierzchni asfaltowej na miejscu (czasami z dodatkiem ś...
Zrównoważone nawierzchnie minimalizują wpływ na środowisko dzięki materiałom z recyklingu (RAP, RAS, kruszywo z betonu z recyklingu, popiół lotny, żużel), techn...
Frezowanie na zimno, zwane również frezowaniem asfaltu, to mechaniczne usuwanie warstw nawierzchni do określonej głębokości i profilu za pomocą wirującego bębna...
