Valmisid ligniinil põhineva asfaltkatte rakendusuuringud

Tallinna Tehnikaülikooli teadlased Karli Kontson ja Kristjan Lill teedeehituse ja geodeesia uurimisrühmast tutvustasid märtsi alguses Viimsi vallavalitsusele rakendusuuringut, mis koostati Viimsi valla poolt avaliku sektori innomeetmesse esitatud projekti “Kohalikust toormest ligniini baasil jätkusuutlike süsinikuneutraalsete asfaltteekatendite väljatöötamine ja rakendamine Viimsi valla näitel” raames. 

Innovatsioon teedeehituses

Viimsi vald on koostöös Riigikantseleiga algatanud ambitsioonika projekti, mille eesmärk on vähendada kasvuhoonegaaside heitkoguseid ja leida lahendusi kohalikul toormel põhineva ligniiniga jätkusuutlike süsinikuneutraalsete sõiduteede asfaltteekatendite väljatöötamiseks. Projekt keskendub bituumeni osalisele asendamisele biogeenset päritolu ligniiniga. Projekti esimene etapp on rakendusuuringute koostamine ning teine etapp on seotud ehitustöödega. Tallinna Tehnikaülikooli esindaja Karli Kontson tutvustas, et projekti strateegiliseks eesmärgiks oli süsinikuneutraalse asfaldisegu väljatöötamine ning selle katsetamine kinnitamaks selle omaduste sobivust, vastupidavust ja kasutatavust meie kliimas. 

Kolm rakendusuuringut

Projekti raames viidi läbi Eesti tingimustesse optimaalse ligniini sisaldusega asfaldi retsepti rakendusuuring, mis jaotub kolmeks eraldi osaks:

• „Asfaltsegude CO₂-jalajälje arvutusmetoodika väljatöötamine“,
• „Eesti tingimustesse optimaalse ligniini sisaldusega asfaltsegude väljatöötamine“ ning vastavad katsed,
• „Viimsi katselõigu asfaltsegude retseptidele, tootmisele, transpordile ja paigaldamisele nõuete koostamine“.

Rakendusuuringute tulemused annavad tervikliku pildi ligniini potentsiaalist asfaltsegudes ja pakuvad praktilisi lahendusi selle rakendamiseks Eesti teedeehituses. 

Uuringu I osa: Asfaltsegude CO2-jalajälje arvutusmetoodika väljatöötamine

Asfaltsegu CO₂ jalajäljest annab tootmine umbes 50%, täitematerjalid 25% ja bituumen 25%. Kõnealune osa pakub ülevaadet, kuidas hinnata asfaltsegude keskkonnamõju ja kuidas ligniini kasutamine võib aidata saavutada süsinikneutraalseid teekattelahendusi. 

Asfaltsegude tootmine on ressursi- ja energiamahukas protsess, mis emiteerib keskkonda umbes 30-50 kg CO₂ ekvivalenti ühe tonni toodetud asfaltsegu kohta. Ühe ruutmeetri ühekihilise asfaltkatte rajamiseks kulub olenevalt kihi paksusest 0,1-0,15 tonni asfaltsegu. Üks suurimaid keskkonnajalajälje tekitajaid on bituumen – nafta rafineerimisest saadav sideaine, mis võib vaatamata väikesele osakaalule asfaltsegu koostises moodustada ca 50% lähtematerjalide emissioonidest ja 25% asfaltsegude koguemissioonidest tehase väravas. Uuringu I osa eesmärk oli välja töötada metoodika, kuidas arvutada asfaltsegude süsiniku jalajälge.

Keskkonnamõju hindamine

Uuringu I osas toodud keskkonnamõju hindamine põhineb elutsükli analüüsil (Life Cycle Analysis – LCA), mis on rahvusvaheliselt tunnustatud meetod toodete keskkonnamõju hindamiseks. Asfaltsegude puhul kasutati nn hällist väravani (cradle to gate) lähenemist, mis arvestab lähtematerjalide tootmist ning nende transporti tehasesse ja asfaltsegu tootmisprotsessi. Arvutustes keskenduti globaalse soojenemise potentsiaalile (GWP), mida mõõdetakse CO₂ ekvivalentides.
Ligniini kasutamine asfaltsegudes pakub märkimisväärset keskkonnakasu eelkõige järgnevaid aspekte arvestades:

1. ligniin on biogeenset päritolu materjal, mis seob oma elutsükli jooksul süsinikku, 
2. analüüsitud toote Lignova Crude ligniini GWP on -1968 kg CO₂ ekv/tonn, mis tähendab, et see on süsinikku siduv materjal,
3. ligniini saab kasutada osaliselt bituumeni asendajana, vähendades fossiilse päritoluga (mitte taastuvate) materjalide kasutust.

Täiendavad meetmed süsinikneutraalsuse saavutamiseks

Uuringu I osa tõi välja ka erinevaid potentsiaalseid meetmeid süsinikneutraalsuse saavutamiseks, kuid ei andnud veel konkreetseid soovitusi nende rakendamise osas. Nendeks meetmeteks on näiteks bioõli kasutamine, sooja asfaltsegu tehnoloogia (WMA), ringlusse võetava asfaldi kasutamine ning biokütuste kasutamine tootmisprotsessis. 

Uuringu II osa: Eesti tingimustesse optimaalse ligniini sisaldusega asfaltsegude väljatöötamine

Uuringu teine osa  keskendus nii ligniini omaduste uurimisele kui ka ligniini sisalduse mõju uurimisele asfaltsegude omadustele. „Siin oli mahukam osa laboritööl, kus kokku valmistati ja katsetati laboratoorselt 49 erinevat asfaltsegu retsepti,“ illustreeris Kontson tööde mahtu. Segamine ja katsetamine teostati AS Teede Tehnokeskus labori poolt. Uuriti ligniini sisalduse mõju asfaldi omadustele, ligniini lisamise järjekorra mõju lõppomadustele, erinevaid bituumeni marke, lisandite mõju ja seejuures kontrolliti erinevaid füüsikalisi omadusi.

Ligniini doseerimine ja asfaldi tootmine

Laboratoorselt väljatöötatud retseptide paikapidavust kontrolliti ka reaalsetes tingimustes Tariston AS-i Harkus asuvas asfalditehases. Uuringus analüüsiti nelja erinevat võimalust ligniini doseerimiseks:

1. Käsitsi doseerimine otse segistisse
2. Doseerimine lisandite doseerimisliiniga
3. Doseerimine ringlusse võetud asfaldi doseerimisliiniga
4. Doseerimine asfaldi koostises kasutatava filleri doseerimisliiniga

Katsetootmisel jäi valik ringlusse võetud asfaldi doseerimisliini kasuks, kuid täheldati, et see meetod on tundlik ilmastikuoludele (sademed, tuul). Tulevikus oleks optimaalsem ligniini eelnev granuleerimine või pakendamine väiksemateks kogusteks (5-10 kg). Katsetootmisel selgus, et ligniiniga asfaltsegud on tundlikud kõrgetele tootmistemperatuuridele. Uuringuga antakse soovitus jääda tootmistemperatuuridega alla 165°C. Temperatuuridel üle 180ºC võib ligniin laguneda, mis omakorda mõjutab negatiivselt ka asfaltsegu omadusi. SMA ja AC8 surf segudega oli katsetootmisel rohkem seadistamist.

Asfaldiretseptid ja nende CO2 jalajälg

Uuringu käigus töötati välja neli erinevat tüüpi asfaltsegu: SMA 12, AC 16 surf, AC 8 surf ja AC 16 base. Kõik väljatöötatud segud vastavad Eestis kehtivatele nõuetele ja sobivad Viimsisse rajatavatel katselõikudel kasutamiseks. 

Katsete tulemused näitasid, et segude poorsused ja veepüsivused jäävad nõutud piiridesse. Sõltuvalt asfaltsegust on sideaine maksimaalne asendusmäär ligniiniga vahemikus 20%-30%. Katsetootmine viidi läbi Tariston AS-i asfalditehases.

Uuringus väljatöötatud retseptidega on saavutatud asfaltsegude süsinikneutraalsus. Kui tootmisel kasutada lisaks fossiilse maagaasi asemel biometaani (biogaasi), oleks asfaltsegude süsinikjalajälg asfalditehase väravas saavutada ligikaudu määraga -10 kg CO₂-ekvivalenti ühe toodetud tonni kohta. 

Katsed kinnitasid eesmärgi saavutamist

„Uuringu koosseisus valminud aruande juures on esitatud 40% asendusmääraga bituumeni ja ligniini segu jäikust iseloomustavad katsete tulemused, mis näitavad, et isegi sellise kõrge ligniini sisalduse juures jäi jäikust kontrollima bituumen. Kuigi 40% ligniini lisamine muutis bituumeni veidi jäigemaks, oli see muutus märkimisväärselt väike, arvestades ligniini suurt osakaalu,“ tõi Kontson välja. 

Kuigi laboratoorselt katsetati asfaltsegusid, milles bituumen oli ka kuni 40% ulatuses asendatud ligniiniga, leiti, et sedavõrd kõrgete sisalduste juures hakkab kasvama risk, et asfaltsegud ei osutu ekspluatatsioonis vastupidavaks. Sõltuvalt retseptist jäi lõplik ligniini kasutusmäär vahemikku 24% kuni 28% sideainest.

Labori katsete tulemusel nähtus, et ligniinita ja ligniiniga bituumeni vananemise võrdlemisel ei omanud ligniin mõju bituumenile. 

Eraldi pöörati ka tähelepanu libedusetõrjel kasutatava soola mõju ligniiniga valmistatud asfaltsegudele. Selleks teostati ligniinita ja ligniiniga asfaltsegudest valmistatud proovikehadega 14 külmumis-sulamistsüklit ning hinnati selle tulemusel proovikeha pinnalt eralduva materjali osakaalu. Ka siin ei avaldanud ligniin negatiivselt mõju. Täiendavalt võrreldi tavatingimustes ja 14 päeva soolvees hoiustatud proovikehade lõhestus-tõmbetugevusi. Ka see ei toonud esile ligniini negatiivset mõju asfaltsegule.

Viimsi peatänav kui teenäitaja

Kristjan Lill tõi kokkuvõttes välja, et ligniini kasutamine bituumeni osalise asendajana on tehniliselt teostatav ja keskkonnasäästlik lahendus, ka on ligniiniga asfaltsegude omadused  võrreldavad tavaliste asfaltsegudega, kuid nende keskkonnajalajälg on oluliselt väiksem. „Projektiga püstitatud eesmärgid, töötada välja süsinikuneutraalne asfaldisegu, saavutati,“ võttis Lill kokku. 

Viimsi valla keskuses asuva Randvere tee rekonstrueerimisprojekt, kus osa peatänavast saab ligniinil põhineva asfaltkatte (lõigul Ravi tee kuni Heki tee), on kindlasti oluline samm keskkonnasõbralikuma infrastruktuuri suunas. See projekt aitab demonstreerida innovaatilise ja keskkonnasõbraliku tehnoloogia praktilist rakendust ning seeläbi vähendada teedeehituse süsinikujalajälge. Samuti luuakse seeläbi reaalse liiklusega pilootala, et saada teadmisi ja seiretulemusi tulevasteks projektideks. 

Ehitusele järgneb 5 aastat seiret

Viimsi vald on alustanud ehitustööde riigihankega, mille järgi peaksid peatänava ehitustööd valmima sügiseks. Rakendusuuringu III osa sisaldabki soovitusi katselõigu asfaldi tootmisele ja paigaldamisele. Väga oluline on järgida vastava juhise suuniseid ja käitlemisnõudeid.

Kuna tegemist on katselõiguga, siis sisaldab ehitushange põhjalikumat kvaliteeditagamise programmi ning pärast ehitust monitooritakse minimaalselt viis aastat tee seisundit. Selliselt on võimalik anda hinnang, kuidas uuringus väljatöötatud segud toimivad reaalses keskkonnas. Monitooringu raames teostatakse teekatte seisundimõõtmisi, kus muu hulgas hinnatakse pragude teket, roobaste arengut jms.

Pärast katselõigu valmimist koondab Tallinna Tehnikaülikooli meeskond kõik teadmised kokku ning koostab ligniiniga asfaltsegude valmistamise kohta juhendmaterjali. Samuti esitletakse uuringus saadud tulemusi erinevatel avalikel üritustel.

Süsinikuneutraalne asfalt toetab Eesti liikumist kliimaneutraalsuse aga ka puhtama elukeskkonna suunas. Projekti viiakse ellu Euroopa Liidu kaasrahastusel. 

Rakendusuuringud ja nende lisad: 

Osa I: Asfaltsegude CO2-jalajälje arvutusmetoodika
Osa II: Eesti tingimustesse optimaalse ligniini sisaldusega asfaldi retsepti rakendusuuring

• Retseptid
• SMA 12 tehasesegu 
• AC 16 surf tehasesegu
• AC 8 surf tehasesegu
• AC 16 base tehasesegu

Osa III: Nõuded Viimsi katselõigu segude tootmisele, transpordile ja paigaldamisele

Foto: Asfalteerimistööd. Alar Mik

Alar Mik
abivallavanem