בטון אספלט

ממוזער| מכונה הפורסת בטון אספלט, מוזנת ממשאית עפר
בטון אספלט (באנגלית: Asphalt concrete) הוא חומר מרוכב הנפוץ לציפוי כבישים, חניונים, שדות תעופה וסכרים. התערובת היא חומר מרוכב ממינרל באמצעות ביטומן (הנקרא לעיתים גם אספלט, זפת או פיץ'), ומונח בשכבות תוך דחיסה. שמות נוספים לחומר בצפון אמריקה הם בלאקטופ (Blacktop) או פייבמנט (Pavement), ואילו בבריטניה ובאירלנד מכונה גם בתור טארמאק או ביטומן מקאדם. בטון אספלט משמש בענף סלילת הדרכים מאז המאה ה-19.

במונחי הנדסה באנגלית אמריקאית, הביטויים "בטון אספלט", "תערובת אספלט ביטומנית" או "תערובת ביטומן" משמשים במסמכים מקצועיים. הסימון AC יכול להתייחס ל-Asphalt Concrete (בטון אספלט), אך גם ל-Asphalt Content (תכולת אספלט) או ל-Asphalt Cement (מלט אספלט).

 היסטוריה 
ממוזער| מריחת זפת על כביש בלונדון במהלך מלחמת העולם הראשונה
האספלט הטבעי (ביוונית עתיקה: ἄσφαλτος; בתרגום חופשי אספלטוס) היה מוכר ונמצא בשימוש עוד מהעת העתיקה, באזורים כמו מסופוטמיה, פניקיה, מצרים העתיקה, בבל, יוון, קרתגו ורומא העתיקה. נעשה בו שימוש לאיטום מרחצאות במקדשים, מאגרים, אקוודוקטים, מנהרות וחפירים, וכן כטיט לבנייה, לאיטום כלי שיט ולריצוף דרכים.

דרך התהלוכות של המלך הבבלי נבופלאסר (בערך 625 לפנה"ס), שעברה מצפון לארמונו דרך חומת העיר, תוארה כמרוצפת לבנים שרופות ואספלט.

החל מ-1824 נעשה שימוש באספלט טבעי על גבי אבנים, בצרפת, לסלילת דרכים. בשנת 1829 שימש אספלט טבעי מאזור סייסל בצרפת, מעורב ב-7% אגרגט, ליצירת שכבת "מאסטיק אספלט" על מדרכה בגשר מוראן שבעיר ליון. הטכניקה התפשטה לפריז (1835), לונדון (1836) ופילדלפיה (1838).

בשנת 1834 קיבלה החברה הלונדונית John Henry Cassell & Company פטנט בריטי על שיטה לריצוף כבישים בזפת ומקדם, שכונתה "אבן לבה לריצוף ואיטום". החברה נסללה את דרך הגישה לגשר ווקסהול ודרך במילוול, לונדון.

בשנת 1837 קיבל ריצ'רד טאפן קלרידג' פטנט בריטי דומה, כשהשתמש באספלט סייסל כחומר מרוכב. ב-1838 ייסד את חברת Claridge's Patent Asphalte Company.

בשנות ה-40 של המאה ה-19 כוסו דרכי חצץ בטבילה באספלט טבעי, כולל קטע בן של 3.2 ק"מ מנוטינגהאם להנטינגדון.

ב-1852 נסלל קטע כביש מפריז לפרפיניאן בצרפת, עם אספלט סלע טבעי מ-Val-de-Travers שבשווייץ.

ב-1869 נסללה מחדש רחוב ת'רדנידל בלונדון באותו חומר.

ב-1870 פיתח הכימאי הבלגי-אמריקאי אדוארד דה סמדט שיטה לריצוף דרכים באמצעות אספלט טבעי מחומם מעורב עם חול (ביחס 1:5), מגולגל ומוקשה על ידי תערובת אספלט עם שמן פטרוליום. הוא רשם שני פטנטים בארצות הברית לשיטה ולחומר.

בשנת 1902 פיתח אדגר פרנל הולי תהליך תעשייתי ליצירת תערובת סינתטית של זפת מזוקקת, שרף וחצץ, תוך ערבוב במערבל מחומם בקיטור. הוא רשם פטנט בריטי על התהליך, שכלל גם הפצה דרך מערכת חימום ויישום לשכבת דרך. לאחר מכן ייסד את חברת "Tar Macadam (Purnell Hooley's Patent) Syndicate Limited" , ומכאן נטבע המונח טארמאק (Tarmac) – הלחם של המילים Tar (זפת) ו-Macadam (סוג חצץ לריצוף).

 מאפייני ביצוע כביש 
ממוזער|275x275 פיקסלים| מסלול הסעה בנמל תעופה, אחד השימושים בבטון אספלט
סוגים שונים של אספלט בטון מציגים מאפייני ביצוע שונים בכבישים, מבחינת עמידות פני השטח, שחיקת צמיגים, יעילות בלימה ורעש כביש. באופן עקרוני, קביעת המאפיינים הדרושים של האספלט צריכה לקחת בחשבון את נפח התנועה בכל קטגוריית רכב, ואת הדרישות הביצועיות של שכבת החיכוך. לרוב, הצמיגות של האספלט מאפשרת לו לייצר מבנה קמור במרכז הדרך, המאפשר ניקוז מים לשוליים. עם זאת, תכונה זו אינה ייחודית לאספלט, שכן גם בטון ניתן ליציקה בצורות קמורות. הסיבה המרכזית לשימוש הנפוץ באספלט בטון היא עלותו הנמוכה יחסית. בטון משמש בעיקר בכבישים בין-מדינתיים, שבהם תחזוקה היא קריטית.

אספלט בטון מייצר פחות רעש כביש מאשר פני שטח מצמנט פורטלנד, והוא בדרך כלל שקט יותר מאיטום בזנט.John Shadely, Acoustical analysis of the New Jersey Turnpike widening project between Raritan and East Brunswick, Bolt Beranek and Newman, 1973 מאחר שרעש הצמיגים נוצר מהמרת אנרגיה קינטית לגלי קול, ככל שמהירות הרכב גבוהה יותר, כך גם עוצמת הרעש גדלה. כבר בתחילת שנות ה-70 עלתה ההבנה שיש לקחת בחשבון שיקולים אקוסטיים בתכנון כבישים, כולל סוג המשטח.

ביחס לביצועים מבניים, התנהגות האספלט מושפעת ממגוון גורמים, כולל סוג החומר, העומס ותנאי הסביבה. בנוסף, הביצועים של פני הדרך משתנים עם הזמן. לכן, התנהגות האספלט בטווח הארוך שונה מהתנהגותו בטווח הקצר. LTPP הוא מיזם מחקר של מינהל הכבישים הפדרלי, המתמקד במיוחד בהתנהגות אספלט בטווח הארוך.

 שחיקה ושיקום 
ממוזער|275x275 פיקסלים| אספלט שניזוק כתוצאה מגלי כפור
שחיקת אספלט עלולה לכלול סדקים דמויי עור תנין, בורות, התרוממות, התפוררות פני השטח, דליפה של חומרי איטום, היווצרות שקעים לאורכן של מסילות צמיגים, דחיפות פני השטח, התקלפות ושקיעת מפלס. באזורים קרים, קיפאון קרקע עלול לגרום לסדקים כבר בחורף אחד. איטום זמני בביטומן עשוי להאט את ההידרדרות, אך רק דחיסה נאותה וניקוז טוב יועילו בטווח הארוך.

הסיבות לשחיקת אספלט נופלות לרוב לאחת משלוש קטגוריות: איכות בנייה, תנאים סביבתיים ועומסי תנועה. נזקים נגרמים לרוב משילוב של שלושת הגורמים.

איכות הבנייה חיונית לאורך חיי הכביש, כולל ביצוע תעלות תשתית לאחר סלילה. היעדר דחיסה מספקת, במיוחד לאורך המפרקים, עשוי לקצר את אורך חיי האספלט ב-30% עד 40%. יש המעריכים כי חפירת תעלות שירות בכבישים קיימים מקצרת את חיי הכביש ב-50%, בעיקר בשל היעדר דחיסה מספקת ואיטום לקוי.

תנאים סביבתיים כוללים חום וקור קיצוניים, מים מתחת לפני השטח, וקיפאון קרקע. טמפרטורות גבוהות מרככות את הקושר הביטומני, מה שמוביל לשקעים. במקביל, חשיפה לחום ולשמש גורמת לחמצון האספלט, שהופך לנוקשה ונוטה להיסדק. טמפרטורות נמוכות מקטינות את נפח האספלט וגורמות לסדקים נוספים.

טמפרטורות גבוהות מרככות את חומר ההדבקה של האספלט, ומאפשרות לעומסי צמיגים כבדים לעוות את המסעה וליצור חריצים. באופן פרדוקסלי, חום גבוה ואור שמש חזק גורמים גם הם לאספלט להתחמצן, להפוך נוקשה ופחות גמיש, מה שמוביל להיווצרות סדקים. טמפרטורות קרות עלולות לגרום לסדקים כאשר האספלט מתכווץ. אספלט קר גם פחות עמיד ופגיע יותר לסדקים.

מים הכלואים בתת-הבסיס מרככים אותו, ובחורף הם קופאים ומתפשטים, יוצרים ומרחיבים סדקים. בעת הפשרת הקרקע באביב, נוצר מצב בו מים נלכדים בין הכביש לבין קרקע קפואה, והתוצאה – היווצרות בורות. התופעה נפוצה יותר בקרקעות בוציות או חרסית מאשר בקרקעות חוליות או חצציות. מדינות רבות מגבילות את משקל המשאיות בעונות ההפשרה כדי למנוע נזקים.

הנזק שציר רכב גורם עולה בחזקה רביעית של המשקל, כלומר הכפלת המשקל גורמת לנזק פי 16. נסיעה איטית יותר מגבירה את משך העומס על פני השטח, ומובילה לעיוותים, שקעים וסדקים עקב התעייפות. סיבות נוספות לשחיקה כוללות חום ממקורות חיצוניים כמו שריפות כלי רכב, או פעולת ממיסים מתאונות חומרים כימיים.

 מניעה ותיקון שחיקה 
ממוזער| מכונת איטום מבצעת ריצוף אספלט
אורך חיי כביש ניתן להארכה באמצעות תכנון, בנייה ותחזוקה נכונים. בתכנון מודדים את עומס התנועה, תוך שימת דגש על מספר וסוגי המשאיות, ובוחנים את הקרקע התת-כבישית. בהתאם לכך נקבעת עובי השכבות. לעיתים נעשה שימוש ברשת גאוגרפית לחיזוק התשתית. ניקוז מים, לרבות תעלות וניקוז תת-קרקעי, קריטי למניעת היחלשות הקרקע התומכת.

איטום אספלט שומר על חדירת מים וחומרים כימיים מזיקים. ניקוי תעלות וניקוזים מאריך את חיי הדרך בעלות נמוכה. סתימת סדקים קטנים מונעת התפשטות הסדקים ומחדירת מים.

בכבישים פגועים יותר, ניתן לבצע טיפול שטח כגון ציפוי אבן גרוסה עם ביטומן. כאשר מספר הסדקים עולה, נדרשים תיקונים מקיפים יותר: שכבת אספלט דקה, שכבות מרובות, קילוף פני השטח והנחה מחדש, מיחזור במקום, או חידוש מלא.

תחזוקה מונעת זולה בהרבה מתיקון מלא לאחר נזק, ולכן רשויות רבות מקדמות תחזוקה של כבישים טובים במקום השקעה מיידית בכבישים פגועים. בטווח הארוך, גישה זו משתלמת יותר. רשויות שמרוכזות רק בתיקון הדרכים הגרועות מוצאות את עצמן בסוף עם מערכת דרכים כולה במצב ירוד.

רשויות מסוימות משתמשות במערכת ניהול כבישים לצורך קביעת עדיפויות תחזוקה.

 מיחזור 
שמאל|ממוזער|275x275 פיקסלים| גושי אספלט ממוחזר (RAP) שנאספו לצורך מיחזור
בטון אספלט הוא חומר בר-מיחזור, וניתן להשיבו ולעשות בו שימוש חוזר הן באתר העבודה והן במפעלי אספלט. הרכיב הנפוץ ביותר למיחזור באספלט הוא אספלט ממוחזר (RAP – Reclaimed Asphalt Pavement). בארצות הברית, שיעור המיחזור של RAP גבוה מזה של כל חומר אחר. גם רעפי גגות רבים מכילים אספלט, וניתן לשלבם בתערובות אספלט ממוחזר (RAS – Reclaimed Asphalt Shingles). מחקרים הראו כי ניתן להחליף עד 100% מהאגרגטים ומהחומר המקשר בתערובת באמצעות RAP ו-RAS, אך בפועל שיעור זה נמוך יותר עקב מגבלות רגולטוריות ושיקולי ביצועים. בשנת 2019, ממוצע תכולת ה-RAP בתערובות אספלט חדשות בארצות הברית עמד על 21.1%, ותכולת ה-RAS על 0.2%.

 שיטות מיחזור 
רכיבי אספלט ממוחזרים עשויים להיאסף ולהישלח למפעלי אספלט לעיבוד ולשילוב בתערובות חדשות, או לעבור תהליך מיחזור מלא באתר עצמו. מיחזור באתר נעשה לרוב בכבישים ומשתמש ב-RAP, ואילו במפעלים ניתן להשתמש גם ב-RAP וגם ב-RAS. בשנת 2019, כ-97 מיליון טון RAP ו-1.1 מיליון טון RAS התקבלו במפעלי אספלט בארצות הברית.

בדרך כלל מתקבל RAP לאחר טחינה באתר, אך ניתן גם להסיר קטעים שלמים של אספלט ולרסקם במפעל. הגושים הממוחזרים נשמרים בערמות במפעלי האספלט עד לשילובם בתערובות חדשות. לפני השימוש, נדרשים לעיתים ייבוש וריסוק נוסף של חומר שאוחסן ונצמד.

RAS עשוי להגיע כמוצר פסולת ישירות ממפעלי רעפים (פסולת יצרן), או כפסולת לאחר שימוש (פסולת צרכן). תהליך העיבוד כולל גריסה, סינון והפרדת חלקיקים מתכתיים כגון מסמרים. לאחר מכן החומר מיובש, וניתן לחלץ ממנו את קלסר האספלט.

שיטות מיחזור באתר מאפשרות חידוש כבישים קיימים על ידי שימוש חוזר בחומר הקיים, ערבובו והנחתו מחדש במקום. טכניקות אלו כוללות ריסוק, מיחזור חם באתר, מיחזור קר באתר, ושיקום לעומק מלא.

 ביצועים 
במהלך חיי השירות של אספלט הבטון, החומר המקשר באספלט, המהווה כ-5–6% מהרכב האספלט הממוצע, מתקשה ומאבד מגמישותו באופן טבעי. תהליך ההזדקנות של החומר המקשר נגרם בעיקר כתוצאה מחמצון, אידוי, תפליט והתקשחות פיזיקלית. בשל כך, תערובות אספלט המכילות RAP ו-RAS נוטות להציג ירידה בעיבודיות ורגישות מוגברת לסדקים מעייפות. ניתן למנוע תופעות אלו על ידי קביעת שיעור מדויק ונכון של הרכיבים הממוחזרים בתוך התערובת. גם אמצעים נכונים לאחסון וטיפול, כגון מניעת חשיפה של ערימות RAP ללחות או לשמש ישירה, חשובים לצורך שמירה על איכות החומרים. עם זאת, לתהליך ההזדקנות של הומר המקשר יש גם יתרונות מסוימים – לדוגמה, העלאת העמידות לעיוותים קבועים (rutting) באספלטים המכילים RAP ו-RAS.

אחת הגישות לאיזון בין ביצועי תערובות ממוחזרות היא שילוב של RAP ו-RAS עם אגרגטים ומקשר אספלט בתוליים. גישה זו יעילה בעיקר כאשר אחוז הרכיבים הממוחזרים נמוך, והיא נוטה להיות יעילה יותר כאשר נעשה שימוש במקשר בתולי רך. מחקר משנת 2020 הראה כי הוספת 5% RAS לתערובת עם מקשר רך בדרגה נמוכה העלתה משמעותית את עמידות התערובת לעיוותים תוך שמירה על עמידות מספקת בפני סדקים מעייפות.

כאשר אחוז התכולה הממוחזרת גבוה, הוספת מקשר בתולי אינה מספקת, ויש צורך בשימוש בחומרי חידוש. חומרים אלו מחזירים למקשר הממוחזר את התכונות הפיזיקליות והכימיות המקוריות שלו. לפי שיטות ערבוב קונבנציונליות, סף ה-RAP שמעליו נדרש חומר חידוש הוא כ-50%. עם זאת, מחקרים הראו כי בשימוש במינון מיטבי של חומרי חידוש ניתן להגיע לתערובות המכילות 100% חומרים ממוחזרים שעומדות בדרישות הביצועים של אספלט בטון רגיל.

 חומרים ממוחזרים נוספים בבטון אספלט 
מעבר ל-RAP ו-RAS, מגוון של חומרי פסולת נוספים יכולים לשמש תחליף לאגרגטים בתוליים או לפעול כחומרי חידוש. גומי גרוס, שמקורו בצמיגים ממוחזרים, הוכח כמשפר את עמידות העייפות והחוזק הכפיפי של תערובות אספלט המכילות RAP. במדינת קליפורניה, תקנות מחייבות את מחלקת התחבורה לשלב גומי גרוס בחומרי ריצוף אספלט. חומרים ממוחזרים נוספים, הכוללים סיגים מתעשיית הפלדה, סיגי תנור גבוה וסיבי צלולוז, נכללים בתערובות אספלט ברחבי ארצות הברית.

מחקרים נוספים בוחנים אפשרויות חדשות לשילוב פסולת בתערובות אספלט. מחקר שנערך בשנת 2020 במלבורן, אוסטרליה, הציע שיטות שונות לשילוב חומרי פסולת בבטון אספלט. בין השיטות: שימוש בפלסטיק (בעיקר פוליאתילן בצפיפות גבוהה) כחלק מהקלסר, ושימוש בזכוכית, לבנים, חרס ופסולת מחצבות שיש כתחליף לאגרגטים מסורתיים.

חומרים מחיים עשויים גם הם להיות מיוצרים מחומרי פסולת, כגון שמן מנועים משומש, שמן צמחי משומש ושומן צמחי משומש.

 קישורים חיצוניים 

 הערות שוליים 

קטגוריה:מדרכות
קטגוריה:בטון
קטגוריה:חומרי בניין