Asfaltové plochy s fotokatalytickým efektem: společný výzkumný projekt firmy F. C. Nüdling a technické univerzity v Darmstadtu

Zatížení oxidem dusičitým (NO₂) v důsledku silniční dopravy zůstává i nadále ústředním problémem ochrany životního prostředí ve městech a ochrany zdraví obyvatel. Technická, právní a infrastrukturní opatření v posledních letech vedla jen k nepatrnému zlepšení kvality vzduchu ve městech. Zatížení oxidem dusičitým lze zřejmě zvládnout jen vzájemným propojením různých opatření. Jedním z navrhovaných opatření je pokládka asfaltových obrusných vrstev s fotokatalytickým efektem, které pomocí integrovaného fotokatalyzátoru oxidu titaničitého TiO₂ odbourávají oxidy dusíku.

Obrázek 1: Schéma procesu fotokatalýzy

V rámci výzkumného záměru bylo vyvinuto umělé kamenivo s fotokatalytickými vlastnostmi, určené pro posyp asfaltových obrusných vrstev. Vývoj technologie a výrobního procesu byly výsledkem spolupráce firmy F. C. Nüdling Betonelemente GmbH + Co KG ve Fuldě a Oddělení pro silniční stavitelství Institutu pro dopravu Technické univerzity v Darmstadtu. Výzkumný záměr byl podporován v rámci „Ústředního programu pro inovace pro malé a střední podniky“ (Zentrales Innovatiosprogramm Mittelstand – ZIM) Spolkového ministerstva hospodářství a energetiky (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – BMWi). Cílem projektu bylo vyrobit fotokatalyticky aktivní kamenivo, které splňuje požadavky norem na posypové kamenivo pro třídy nejvyššího dopravního zatížení. Mělo být zkoumáno, zda lze dosáhnout stabilního spojení mezi asfaltovou obrusnou vrstvou a posypem tímto kamenivem.

Tento článek představuje nové možnosti použití fotokatalytických materiálů k odbourání NO2 v silničním stavitelství a vysvětluje postupy při provedených výzkumech v laboratoři i při ověřování na zkušebních úsecích na vozovce.

Cíl projektu

Ve městech a aglomeracích se v důsledku intenzivního automobilového provozu vyskytují vysoké hodnoty vzdušných škodlivin. Kromě ozonu a prachových částic jsou to především zdraví škodlivé oxidy dusíku, v podstatě směs oxidu dusnatého (NO) a oxidu dusičitého (NO2). Zvláště oxid dusičitý je velmi jedovatý, má dráždivé účinky a poškozuje dýchací cesty.

„Nařízení o standardech o kvalitě vzduchu a mezních hodnotách“ (zvané rovněž 39. nařízení k provedení spolkového zákona o ochraně proti imisím (39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes – 39. BlmSchV) stanovuje mezní hodnoty pro zachování kvality vzduchu. Průměrná roční koncentrace NO₂ nesmí překročit 40 µg/m3; současně se však mohou vyskytovat hodinové koncentrace NO2 až 200 µg/m3, avšak jen maximálně osmnáctkrát v kalendářním roce. Dozor nad dodržováním těchto mezních hodnot provádí v Německu Spolkový úřad pro ochranu životního prostředí (Umweltbundesamt) a jednotlivé spolkové země na 514 měřicích stanicích (podle údajů Spolkového úřadu pro ochranu životního prostředí v roce 2016).
Dosud přijatá opatření spolkové vlády, měst a obcí pro snížení oxidů dusíku (např. chráněné zóny, emisní normy nebo podpora elektrických pohonů vozidel) nevedly k nezbytnému snížení zatížení oxidy dusíku. Také plánované zvýšení podílu vozidel poháněných elektromotory na 1 milion tento problém zcela nevyřeší.

Možnou alternativu představují tzv. fotokatalytické povrchy, které za použití oxidu titaničitého (TiO2) mohou zabezpečit dlouhodobé odbourávání oxidů dusíku na asfaltových vozovkách.
Na dopravních plochách tvoří stavební materiály s fotokatalytickým efektem (např. dlažební prvky) jen velmi malý podíl; zejména se používají na chodnících, náměstích nebo v pěších zónách. Položení dlažebních prvků na pozemních komunikacích vyšších tříd dopravního zatížení (dálnice, rychlostní silnice, hlavní pozemní komunikace) není z důvodů požadavků uvedených v platných technických předpisech možné. Pro větší používáni fotokatalytických materiálů, které mohou významně snížit zatížení životního prostředí oxidy dusíku, byl koncept fotokatalytických stavebních materiálů aplikován na povrchy asfaltových vozovek.

Proto byl iniciován výzkumný projekt „Zlepšení kvality vzduchu prostřednictvím vozovek z asfaltové směsi s fotokatalytickým efektem“. Na projektu se podíleli experti firmy F. C. Nüdling a Technické univerzity v Darmstadtu. Cílem projektu bylo vyvinout fotokatalyticky aktivní umělé kamenivo, které by splňovalo požadavky norem na kamenivo pro posyp obrusných vrstev asfaltových vozovek s velkým dopravním zatížením.

Teoretické podklady a vývoj výrobku

Fotokatalýza

Termín „fotokatalýza“ popisuje chemickou reakci, která za působení světla (především ultrafialového záření) za přítomnosti fotokatalyzátoru velmi urychluje odbourávání oxidů dusíku. Nejčastěji používaným fotokatalyzátorem je oxid titaničitý (TiO2), který se vyskytuje jako přírodní minerál ve své krystalické varietě zvané anatas. Upravený oxid titaničitý se používá při výrobě barev, papíru, textilií a kosmetických přípravků. Při působení UV záření se prostřednictvím fotokatalyzátoru uvolňují elektrony, které z přítomných molekul vody tvoří vysoce reaktivní radikály. Působením těchto radikálů oxidují oxidy dusíku na nitráty, které se ukládají na povrchu stavebního materiálu, a tím odnímají ze vzduchu oxidy dusíku. Rozpustné nitráty jsou odváděny z fotokatalyticky aktivních ploch buď srážkovou vodou za deště, nebo při čištění vozovek postřikem vodou.

Při chemické reakci se katalyzátor nespotřebovává a zůstává tak k dispozici pro přeměnu oxidů dusíku po celé období životnosti stavebních materiálů. Přitom je nutno zdůraznit, že v důsledku fotokatalýzy nedochází k žádné „problematice nitrátů“. Nitráty se ve formě roztoku dostávají buď do kanalizační sítě, kde jsou v čističkách přeměněny v neškodný molekulární dusík, nebo jsou odváděny do kulturní půdy, kde slouží jako hnojivo. Výpočty provedené ve Fraunhoferově institutu IME (F. C. Nüdling, Fraunhofer IME 2010) prokázaly, že dokonce i při celoplošném pokrytí všech dopravních ploch velkoměsta fotokatalytickými stavebními materiály není zapotřebí se obávat, že při úplné přeměně oxidů dusíku v nitráty ohrozí nezředěné nitráty podzemní nebo povrchovou vody překročením platných mezních hodnot. Ve většině případů zůstávaly koncentrace nitrátů výrazně pod těmito mezními hodnotami.

Vývoj fotokatalytických materiálů

V rámci výzkumného záměru požadovaného Německou spolkovou nadací pro životní prostředí (Deutsche Bundesstiftung Umwelt – DBU) byl ve spolupráci s Fraunhoferovým institutem pro molekulární biologii a aplikovanou ekologii ve Schmallenbergu vyvinut první fotokatalyticky aktivní dlažební prvek (F. C. Nüdling, Fraunhofer IME 2010). Jako fotokatalyzátor byla použita forma oxidu titaničitého, který za působení slunečního záření výrazně urychluje přeměnu škodlivých oxidů dusíku NO a NO2 na nitrát. Mineralizace oxidů dusíku na nitrát narušuje tzv. rovnováhu fotostacionárního stavu, při které se oxidy dusíku a ozon působením slunečního záření navzájem přeměňují, takže se rovnováha posouvá na stranu neškodného produktu reakce – nitrátu.
Aby bylo možno tento fotokatalyzátor ještě blíže umístit k vlastnímu zdroji emisí oxidů dusíku (NOx), tj. k silniční dopravě, byl koncept fotokatalytického povlaku chodníku v rámci realizovaného projektu přenesen na plochy pozemních komunikací s asfaltovými kryty. Takto mohly být plochy, které slouží přeměně oxidů dusíku, podstatně zvětšeny. Reálnou možností, jak snížit emise NO2 na asfaltových obrusných vrstvách, byl jejich posyp umělým kamenivem s fotokatalytickým efektem.

Výrobní proces kameniva pro posyp

Ve vlastní laboratoři firmy byly vyvinuty receptury pro vysokopevnostní betony, ve kterých byl obsažen fotokatalyzátor. S normalizovaným betonem nebylo možné stanovené požadavky splnit. Takto byl vyvinut ultra vysokopevnostní beton (Ultra High performance Concrete, Ultrahochfester beton), jehož pevnosti v tlaku jsou vyšší než 150 N/mm2. Jedná se přitom o optimalizovanou, velmi jemnozrnnou směs, která na základě své jemnozrnnosti využívá mezimolekulární síly, a tímto způsobem dosahuje vysokých pevností. Tato problematika je podrobně popsána v odborné literatuře, (např. v příspěvcích Sympozia o ultra vysokopevnostním betonu v roce 2008).
Velké kusy ultra vysokopevnostního betonu byly nejdříve vyráběny ručně. Teprve v následujících měsících byly vyvinuty formy, které umožnily výrobu v průmyslovém měřítku. Velké kusy betonu byly nejdříve vyráběny jako krychle, aby byl tak získán optimální výsledek. Aby výrobek dosáhl charakteristik přírodního kameniva, musel být mechanicky upraven drcením.
Následovalo třídění, aby byl konečný výrobek oddělen od hrubších a jemnozrnnějších částic. Jemnozrnnější materiál může být opětovně použit v procesu výroby dalších produktů, zatímco hrubší materiál se vrací do procesu drcení.

Vlastnosti nezbytné pro silniční stavitelství

Kamenivo, které se má používat v silničním stavitelství, musí splňovat stanovené požadavky. Vhodnost kameniva z předrceného ultra vysokopevnostního betonu pro jeho použití jako posypového materiálu byla zkoušena podle Technických dodacích podmínek pro kamenivo (Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau – TL Gestein-StB 04/07). Pro laboratorní zkoušky v oblasti silničního stavitelství bylo nejdříve vyrobeno hrubé kamenivo:

• 2/5: Tato frakce se používá k posypu;
• 8/16: Pro zkoušky pevnosti, odolnosti proti zvětrávání a přilnavosti.

Obě frakce se vždy dodávají ve dvou variantách: bez povlaku (z fotokatalyticky aktivního betonu) a s povlakem (fotokatalyticky aktivní beton s dodatečným fotokatalytickým povlakem). V tabulce 1 jsou shrnuty výsledky zkoušek podle požadavků předpisu TL Gestein-StB 04/07.

Tabulka 1: Zařazení výsledků do požadavků podle Technických dodacích podmínek pro kamenivo v silničním stavitelství (TL Gestein-StB 04/07)

Na obrázku 2 jsou znázorněny hodnoty přilnavosti v porovnání se stejným asfaltem a kamenivem běžně používaným pro asfaltové obrusné vrstvy vozovek. Celkově mohla být pro kamenivo z předrceného betonu bez fotokatalytického povlaku v porovnání s běžně používaným kamenivem konstatována lepší přilnavost, pro kamenivo s fotokatalytickým povlakem přibližně stejná. Zhutňovačem desek byly připraveny desky z asfaltové směsi pro zkoušku „Odolnost proti otěru hrubého kameniva“. Dále byla provedena zkouška protismykových vlastností kyvadlem podle TP Griff– Teil: Skid Resistance Tester – SRT). Byla přitom zkoušena různá desková zkušební tělesa (obrázek 3).

Obrázek 2: Výsledky zkoušky metodou rotující lahve

U všech variant kameniva z předrceného betonu byla zjištěna hodnota SRT minimálně 65 a výsledek byl tedy příznivější než u referenčního kameniva (žula s 61 jednotkami SRT). První výsledky výzkumu na Technické univerzitě v Darmstadtu ukazují, že toto kamenivo je vhodné pro použití na vozovkách pozemních komunikací s průměrným dopravním zatížením. Kromě zkoušek v laboratoři byly provedeny zkoušky protismykových vlastností a textury na malých zkušebních úsecích, zřízených v areálu firmy F. C. Nüdling a na zkušebním úseku na rychlostní silnici B 187 ve Wittenbergu. Celkově i zde se nacházely hodnoty nad 60 jednotkami SRT, takže požadavky na protismykové vlastnosti byly splněny. Postup při zkouškách na malých zkušebních úsecích a na zkušebním úseku na rychlostní silnici B 187 je popsán v dalším textu.

Obrázek 2: Výsledky zkoušky metodou rotující lahve

Zkoušky na malých zkušebních úsecích

Malý zkušební úsek „Straßencanyon“

Aby bylo možno formulovat závěry o množství oxidů dusíku, které může být odbouráno působením fotokatalytického materiálu, je možné v laboratoři podle normy ISO 221197-1:2016 Zkušební metoda pro stanovení schopnosti čištění vzduchu polovodičovými materiály pro fotokatalytickou reakci – Část 1: Odstraňování oxidu dusnatého za konstantních podmínek (proud vzduchu, UV záření, koncentrace NO) formulovat kvalitativní závěry o aktivitě zkoušených vzorků. Přenos z laboratoře na skutečné podmínky na vozovce je však často obtížný. Z tohoto důvodu zřídila firma F. C. Nüdling malý zkušební úsek „Straßencanyon“, který slouží jako model skutečné vozovky. Pomocí tohoto modelu může fotokatalyticky aktivní plocha při stejném zatížení škodlivinami, stejných povětrnostních podmínkách a stejné intenzitě UV záření být porovnávána s referenční plochou bez fotokatalytického povlaku.

Navrhovaný zkušební úsek se nachází v areálu firmy a má tyto vlastnosti:

• Rozměry: délka: dvakrát 50 m, šířka: 6 m, úsek je situován mezi dvěma stěnami o výšce 6 m.
• Použitá asfaltová směs pro obrusnou vrstvu: SMA 8.
• Použitý posyp: fotoktalyticky neaktivní: drcený znělec; fotokatalyticky aktivní: fotokatalyticky aktivní umělé kamenivo.
• Měřicí zařízení: kontinuální měření zatížení oxidy dusíku.

Obrázek 4: Posyp kamenivem na zkušebním úseku „Straßencanyon“; podrťovač je namontován na finišeru (listopad 2013)

Diference naměřených hodnot mezi oběma plochami popisuje efektivitu odbourávání oxidů dusíku. Znázornění výkonu při odbourávání oxidů dusíku sledované v řádu dní ukazuje, že v některých dnech nebylo zjištěno měřitelné odbourání, avšak v jiných dnech se dosáhlo snížení oxidů dusíku až 30 %, i přes provádění měření v zimě a na počátku jara, kdy je sluneční záření nižší.

Aby bylo možno formulovat závěry o protismykových vlastnostech ploch s posypem fotokatalytickým kamenivem, byly provedeny zkoušky kyvadlem a výtokoměrnou metodou podle Technických zkušebních předpisů pro měření protismykových vlastností v silničním stavitelství – Část: Měřicí metoda SRT (Technische Prüfvorschriften für Griffigkeitsmessungen im Straßenbau – Teil: Messverfahren Skid Resistance Tester – SRT; FGSV-Verlag, 2004/2010). Měření byla provedena v říjnu 2013 a v dubnu 2014. Kromě toho byly změřeny protismykové vlastnosti na posypu fonolitem (naměřená hodnota 68) a na posypu fotokatalyticky aktivním umělým kamenivem (naměřená hodnota 65).

Obrázek 5: Porovnání hodnot oxidu dusičitého na zkušebním úseku „Straßencanyon“ dne 8. 4. 2014; červeně jsou znázorněny koncentrace nad fotokatalyticky neaktivními plochami, modře nad plochami s fotokatalyticky aktivním posypem

Příjezd k závodu v Suhlu

Na příjezdu k závodu v Suhlu byly zkoumány vlastnosti umělého kameniva s fotokatalytickými účinky při dopravním zatížení. Aby bylo možno zkoušet zaklínění posypu na různých asfaltových směsích, byl pro asfaltovou obrusnou vrstvu použit asfaltový beton (AC) a asfaltový koberec mastixový (SMA). Podle Směrnic pro navrhování konstrukcí vozovek dopravních ploch“ (Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen – RStO 12) byla příjezdová komunikace k závodu v Suhlu zařazena do třídy dopravního zatížení Bk 10.
Porovnání prvního měření (listopad 2013) a druhého měření (duben 2014) ukázalo, že hodnoty SRT na příjezdové komunikaci výrazně poklesly. V listopadu 2013 činily 70, případně 65 jednotek SRT, zatímco v dubnu 2014 již pouze 47, případně 59 jednotek SRT. Pro zjištění případných ztrát kameniva v oblastech s různým dopravním zatížením (např. v ostrých zatáčkách, točkách a u vjezdů) zkušebního úseku v Haselsteinu bylo použito měřicí zařízení povrchových vlastností vozovky s velkou rozlišovací schopností z Technické univerzity v Darmstadtu.
Uvedené zařízení pro měření povrchových vlastností vozovky s velkou rozlišovací schopností s konečnou platností prokázalo, že kvůli ztrátě zrn kameniva z posypu způsobené silničním provozem, je nutná optimalizace receptury betonu (tvarový index a rozprostírání posypu). Tato nezbytná optimalizace bude předmětem pokračování výzkumného projektu.

Zkušební úsek „Wittenberg“

Dosud vybudované zkušební úseky byly v září 2015 doplněny referenčním úsekem na spolkové silnici B 187 ve Wittenbergu. Součástí projektu byl opravovaný úsek o celkové délce 1 kilometr, na kterém byl na ploše cca 1 500 m2 proveden posyp kamenivem s fotokatalytickým účinkem. Na zkušebním úseku byla položena obrusná vrstva z asfaltového betonu ACO 11 S (tloušťka vrstvy 4,0 cm až 5,0 cm, míra zhutnění 98 %, mezerovitost  5,5 % objemu). Posyp kamenivem byl dávkován na povrch asfaltové obrusné vrstvy v množství cca 2 kg/m2. Kamenivo bylo rozprostřeno na čerstvě položenou, ještě horkou asfaltovou směs, a následně ihned zaválcováno do obrusné vrstvy. Pro dosažení rovnoměrnosti posypu byl, podobně jako u předcházejících zkušebních úseků, použit podrťovač namontovaný na finišeru.

Analogicky s výzkumy prováděnými měřicími zařízeními byly zjišťovány protismykové vlastnosti povrchu vozovky pomocí kombinovaného měření a rovněž měřicí metodou LFCG (Grip-Tester). Pro závěr o spojení posypového kameniva s povrchem vozovky bylo zvolena metoda podle TP Gestein- StB, Část 6.1.1 Stanovení počtu vylomených zrn z povrchu asfaltové vozovky – Metoda počítání, vydání: 2012) (Bestimmung der Anzahl von Oberflächenkornausbrüchen aus einer Asphaltfahrbahnbefestigung – Auszählverfahren, Ausgabe 2012). Místa měření byla vyznačena tak, aby po době provozu cca 1 rok bylo možno provést porovnávací měření.

Při zkouškách provedených bezprostředně po pokládce se prokázalo splnění požadavků platných technických předpisů.

Literatura:

[1] Asphalt 2016, č. 4, str. 12