В . Л В с ' ^ е и ь и о W 11 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В.А. Веренько НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для слушателей системы повышения квалификации по специальности «Автомобильные дороги» Минск УП «Технопринт» 2004 УДК 625.73-192(075.8) ББК 39.311 В31 Рецензенты: кафедра транспорта леса Белорусского государственного технологического университета; доктор технических наук Бусел А.В. Веренько В.А. В 31 Новые материалы в дорожном строительстве: Учеб. пособие / В.А. Веренько. — Мн.: УП «Технопринт», 2004. — 170 с. ISBN 985-464-634-3 В учебном пособии рассмотрены новые материалы и технологии, используемые при строительстве дорожных покрытий. В частности асфальтобетоны на модифицированных битумах, бетоны на органогидравлических вяжущих материалах, специальные асфальтобетоны и другие. Отражены вопросы оценки их технической и экономической эффективности. Учебное пособие предназначено для слушателей системы повышения квалификации по специальности «Автомобильные дороги» и будет полезно также студентам и аспирантам данного профиля. УДК 625.73-192(075.8) ББК 39.311 ISBN 985-464-634-3 © Веренько В.А., 2004 © Оформление УП «Технопринт», 2004 ВВЕДЕНИЕ Динамика развития автомобильного транспорта такова, что еже- годно наблюдается прирост интенсивности движения, увеличение нагрузок на ось и массы транспортных средств. Так, если в 80-е годы на дорогах Республики Беларусь доля транспортных средств с нагрузкой на ось более 10 т составляла около 5 ,0%, то в 90-е достигла 30%. Наг- рузки на ось автопоездов достигают 13—15 тонн, а количество осей 5 и более. Произошло существенное увеличение нагрузки на городские улицы и дороги. Грузоподъемность автобусов и троллейбусов достигла 30 -40 тонн, а интервал движения в часы пик в ряде микрорайонов Мин- ска, Гомеля, Витебска составляет менее 30 секунд. Такое положение приводит к быстрому разрушению материала покрытий и дорожных одежд в целом. Межремонтные сроки службы дорожных покрытий в городах составляют 2 - 3 года, за городом 4 - 6 лет, что требует больших капитальных затрат. Наиболее распространенным типом покрытия в Республике Бела- русь является асфальтобетон. Асфальтобетон обладает рядом досто- инств: возможность устройства тонких слоев, хорошая демпфирующая и ремонтоспособность , низкий уровень шума, технологичность . Однако, как и любой другой материал, асфальтобетон имеет свои поро- говые параметры надежности и долговечности. Например, максималь- ное сопротивление сдвигу при 50 "С составляет не более 0 ,3-0 ,4 МПа, в то время как нагрузка от транспортных средств на участках торможе- ния достигает 2,0 МПа. Циклическая долговечность составляет около 10® циклов, что соответствует 2 - 3 годам эксплуатации. Это приводит к преждевременному выходу покрытий из строя либо увеличению тол- щины и материалоёмкости дорожных одежд. Отказ от применения асфальтобетонных покрытий и замена цементобетоном невозможны по ряду причин. Во-первых, устройство цементобетонных покрытий тре- бует повышенных материальных затрат, поскольку толш;ина слоя в силу высокого соотношения модуля упругости и прочности на изгиб составляет 20-24 см. Цементобетон обладает низкой ремонтопригоднос- тью и долговечностью в условиях интенсивного воздействия химичес- ких реагентов, которые применяются в борьбе с гололедом, особенно в городских условиях. Сложившаяся ситуация привела к поиску путей получения новых материалов и технологий, позволяющих повысить надежность и долго- вечность покрытий, снизить материальные и трудовые затраты, обеспе- чит}, :»к(^логическую безопасность. в данном пособии рассматриваются в основном материалы, исполь- зуемые для устройства конструктивных слоев дорожной одежды (покрытий и оснований), которые разделены на четыре крупные группы: 1. Модифицированные дорожные битумы и бетоны на их основе; 2. Бетоны на композиционных — органо-гидравлических вяжу- щих (битумов и цементов); 3. Эмульсии и эмульсионно-минеральные смеси; 4. Специальные асфальтобетоны (дренирующие, противогололед- ные, литые, для устройства тонкослойных покрытий и т. д.)- Отдельной главой рассмотрены материалы для ремонта цементобе- тонных покрытий и железобетонных изделий. Учебное пособие предназначено для слушателей факультета повы- шения квалификации по специальности «Автомобильные дороги» и будет полезно также студентам и аспирантам данной специальности. 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ Применение новых материалов и технологий в дорожном строит- ельстве должно иметь под собой техническую и экономическую целесо- образность . Достигается это за счет п о в ы ш е н и я срока службы элемента, в котором данный материал используется, то есть повыше- ния надежности конструкции. Благодаря этому увеличиваются межре- монтные сроки и формируется экономический эффект. Однако проблема заключается в сложности определения уровней надежности эталона и нового материала. При оценке уровня надеж- ности необходимо учесть весь комплекс внешних воздействий, которые испытывает материал в дорожной конструкции. Конструкционные материалы дорожных одежд работают в слож- ных условиях. В летний период дорожное покрытие нагревается до тем- пературы 50-60 °С. Это ведет к снижению вязкости битумных связей и падению прочности. В результате от действия транспортной нагрузки могут появляться пластические деформации в виде волн, колей, гре- бенки и т. д. При охлаждении покрытия зимой до минус 20-30 °С возни- кают растягиваюш;ие температурные напряжения, которые могут превысить предел прочности и вызвать разрушения в виде продольных и поперечных треш;ин. Циклическое воздействие транспортной нагрузки, попеременное замораживание-оттаивание вызывают допол- нительное развитие повреждаемости в структуре материала и ускоряют его разрушение. На долговечность влияют также внутренние темпера- турные напряжения, вызванные несовпадением коэффициентов темпе- ратурного расширения, составляюп];их материал. Такое положение приводит к большой сложности оценки уровня надежности, поскольку в большинстве случаев повышение сопротивления материала одному из внешних воздействий ведет к снижению сопротивления другим. Так, рост вязкости битума увеличивает сдвигоустойчивость, но снижает тем- пературную треш;иностойкость. Поэтому необходимо учитывать одновременно влияние всех факто- ров внешнего воздействия, для чего должна быть разработана соотве- тствуюп];ая методика. Структуру материала дорожного покрытия (основания) можно счи- тать оптимальной, если она имеет максимальную надежность по всем факторам внешнего воздействия (критерии сдвиго- и треш;иностой- кости, морозостойкости, усталости). Поэтому необходимо разработать методику, учитывающую весь комплекс воздействий транспортной нагрузки и погодно-климатических факторов В основу методики поло- жена теория надежности, позволяющая оценить частные уровни надеж- ности по каждому критерию, и тем самым, предсказать долговечность и срок службы материала. Для практической реализации данных положений была разрабо- тана специальная методика, основанная на определении частных уров- ней надежности по вышеуказанным критериям. Сущность разработанной методики состоит в следующем. По каждому из критериев (сдвиго- и трещиностойкости, усталости, морозостойкости) вычисляют коэффициенты запаса: К, = Р П Р Г (1.1) где P f ' — фактические свойства материала, ответственные за появле- ние тех или иных деформаций; р_тр — требуемые свойства, при которых эти деформации отсутс- твуют в течение первого года службы. Для оценки коэффициента запаса из условия устойчивости к плас- тическим деформациям определяют угол внутреннего трения, коэффи- циент удельного сцепления и оценивают напряжения от расчетного автомобиля. В результате коэффициент запаса по условию сдвигоустой- чивости ( ^ i ) определяют как: п (1.2) (s^, -ks^ gj) где С и ф — коэффициент удельного сцепления и угол внутреннего тре- ния; сгр и сгс — растягивающие и сжимающие напряжения на контакте колеса с покрытием; п — параметр, учитывающий соотношение фактического и длитель- ного модулей релаксации; k — коэффициент, учитывающий несовпадение угла взаимоде- йствия растягивающих и сжимающих напряжений. Для определения сгр, сгсна ЭВМ производится расчет напряженного состояния конкретной дорожной одежды, выбирается расчетная точка с максимальным сГр и для нее находят значения сг^ и й. Для проведения сравнительных оценок можно принять сГр = 0,5 МПа, сгс = 1,0 МПа, /г = 0 ,4-0 ,45. Параметр п находят экспериментально либо принимают равным 0,7. Здесь следует особо подчеркнуть, что при пользовании формулой (1.2) учитываются не только реологические свойства материала (пара- метр п), но и особенности гранулометрии (угол внутреннего трения). Коэффициент запаса из условия температурной трещиностойкости находят из условия: (1.3) где Rc — максимальная прочность материала, реализуемая в широком диапазоне температур и времени нагружения; RQ — прочность при нуле градусов. Значение определяют по формуле: ^ ^ д > (1.4) l + l ,921g(^) где JRi и — прочность на растяжение при минус 15 ° (или О °С), со ско- ростью 3 и 10 мм/мин соответственно. (1.5) 2 , При получении формулы (1.3) был использован тезис, что матери- алы с одинаковой релаксационной способностью имеют и близкую тем- пературную трещиностойкость, что доказано в [1]. Коэффициент запаса из условия усталостной долговечности вычис- ляют как: (1.6) где Кс"^^ — требуемое значение максимальной прочности, зависящее от категории дороги. Коэффициент запаса по коррозионной стойкости определяют по условию: К. (1.7) ^тр где Кф и Kjn^ — фактический и требуемый коэффициенты морозостой- кости в агрессивной среде. Для условий РБ К т ^ составляет 0,7. Кроме вышеприведенных показателей в отдельных наиболее отве- тственных случаях может учитываться надежность по деструкции под действием погодно-климатических факторов во времени (старение). В этом случае определяют коэффициент К^, представляющий собой отно- шение фактической степени деструкции к допустимой. Учет данного фактора позволяет также предсказывать развитие деформаций во вре- мени. Однако, учитывая, что для определения степени деструкции тре- буются рентгенографические аппараты, в большинстве случаев достаточно вышеприведенных четырех критериев. По полученным коэффициентам запаса находят частные уровни надежности {Pi ,P2 , Рз> ^4)- Правильное определение уровней надежности и их взаимосвязи с коэффициентом запаса является важнейшим моментом. Чтобы использовать значение коэффициентов запаса при оценке надежности, необходимо установить их связь с уровнем надежности, поскольку в реальной ситуации неизбежен статистический разброс. Уровень надежности можно найти как вероятность того, что коэф- фициент запаса К будет меньше значения Ki, вычисленного по формуле (1.1). То есть: Ki P^\FkdK, (1.8) о где Fk — функция распределения коэффициента запаса. Таким образом, основным вопросом становится определение вида и характера функций распределения коэффициентов запаса по устойчи- вости материала покрытия различным видам деформаций. Установить связь коэффициентов запаса и уровня надежности можно экспериментально путем строительства опытных участков дорожных одежд (или покрытий с различными свойствами), обладаю- ш;их различными коэффициентами запаса с последующим долговремен- ным наблюдением за развитием деформаций и определением уровня надежности по формуле (1.8). Затем полученные данные подвергаются статистической обработке, в результате получают зависимости связи коэффициентов запаса и уровня надежности. С этой целью в 2000-2001 гг. были отобраны пробы материалов асфальтобетонных дорожных покрытий, проведены лабораторные испытания и вычислены коэффициенты запаса по вышеуказанным четырем критериям деформационной устойчивости. В общей слож- ности испытано около 60 образцов асфальтобетона. Полученные дан- ные были подвергнуты статистической обработке с целью установления вида кривой распределения. Характеристика полученных данных представлена в таблице 1.1. Таблица 1.1 Значения характеристик выборки. Коэффициент запаса из условия устойчивости Среднее значение Средне- квадратическое отклонение Асимметрия Эксцесс Медиана к пластическим деформациям (К1) 2 ,45 0 ,55 0 ,225 - 1 , 0 6 2 2 ,325 к температурным трещинам (К2) 0 ,89 0 ,22 0 ,49 - 0 , 5 0 6 0 ,86 к усталостным трещинам (КЗ) 1Д 0 ,13 - 0 , 4 8 3 0 ,036 1,12 к коррозии (К4) 1,2 0 ,07 - 1 , 4 8 0 ,99 1 ,25 Проверку гипотез распределения осуществляли по критерию х Пирсона. В результате было установлено: 1. Для коэффициента запаса по устойчивости к пластическим дефор- мациям (К1) при уровне значимости а = 0,05 приемлемой является гипо- теза о логнормальном распределении с функцией распределения: 0 , Х < 0 (1.9) где Ф = dt — большой функционал Лапласа. Параметр а составил 0,87; а — 0,219. Выборочное значение статис- 2 тики критерия х составило 0 ,393, критическое 3,84, что свидет- ельствует о хорошем совпадении теоретических и экспериментальных данных (х1б ^Хкр)- 2. Для коэффициентов запаса по условию температурной трещинос- тойкости также приемлемой оказалась гипотеза о логнормальном рас- пределении с параметрами а = - 0 , 1 3 9 , а = 0,235. Выборочное значение 2 статистики критерия х составило 0,696, критическое 3,84. 3. Для коэффициентов запаса по условию усталостной трещиностой- кости (КЗ) приемлемой оказалась гипотеза о нормальном распределе- нии с функцией: = (1.10) а и параметрами а = 1,09, а = 0,127. Выборочное значение статистики критерия X составило 1,41, критическое 3,84. 4. Для коэффициентов запаса по устойчивости к коррозии (К4) при- емлемой оказалась гипотеза об усеченном справа нормальном распреде- лении с функцией: , X СТ П р и э т о м с т е п е н ь у с е ч е н и я (т) с о с т а в и л а 0 , 8 8 , п а р а м е т р ы Xq = 1,323, а = 1,224, а = 0,084. Выборочное значение статистики кри- терия Y - составило 4,29, критическое 5,02. Имея характеристики кривых распределения, можно перейти к оценке уроня надежности как вероятности того, что реальный коэффи- циент запаса Ki будет меньше требуемого значения из условия деформа- ц и о н н о й у с т о й ч и в о с т и . П р и этом было п р и н я т о , ч т о требуемое значение соответствует модальному. В этом случае уровень надежности получали путем нахождения квантилей порядка Для определения уровней надежности по устойчивости к пластичес- ким деформациям {К1) и температурным трещинам {К2) использовали зависимость: (1-12) где Up ^ Ф \Р) — квантиль порядка Р стандартизированного нормаль- ного распределения. Для коэффициента запаса по устойчивости к усталостным трещи- нам (КЗ) квантиль распределения вычисляли по формуле: t , , ( j j )=a + aU , . (1.13) 10 Для коэффициента запаса по устойчивости к коррозии {К4) кван- тиль распределения получали как: + (1.14) где ихр = Ф'\х р) — квантиль порядка тр стандартизированного нор- мального распределения, В результате проведенных расчетов были получены зависимости уровней надежности от значений коэффициентов запаса, представлен- ные на рисунке 1.1. Анализ рисунка показывает, что в наибольшей сте- пени уровень надежности «чувствителен» к коэффициенту запаса из условия коррозионной стойкости и в наименьшей к коэффициенту из условия устойчивости к появлению пластических деформаций. То есть увеличение показателей физико-механических свойств асфальтобетона, направленное на повышение коррозионной стойкости, наиболее заметно проявится с точки зрения повышения долговечности в эксплуатации. 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 Коэффициент запаса Р и с . 1 . 1 . Зависимость уровня надежности от величины коэффициента запаса: 1 — из условия устойчивости к пластическим деформациям, 2 — температурным трещинам, 3 — усталостным трещинам, 4 — коррозии. 11 Поскольку для реального материала определяется N значений Kt, то необходимо для каждого из них вычислить Pi, а общий уровень над- ежности найти как произведение частных уровней: (1.15) Таким образом, определив значение Ро для эталона (например, асфальтобетона) и P o j для нового материала, можно определить продле- ние срока службы по условию: (1.16) где Ti — срок службы нового материала; I'd — срок службы эталона. Только в случае, если Ti больше То, применение нового материала технически целесообразно. Экономический эффект можно определить из условия: Э = -f^r,-t, - с , il + r,-t,) (1.17) 1=1 где Р р^ и Р gh — приведенные затраты на устройство покрытия из нового материала и эталона соответственно; Ci и С2 — стоимость строительства покрытия из нового материала и эталона; Го — коэффициент отдаленности для нового материала; — срок службы нового материала. Таким образом, применяя новый материал, необходимо прежде всего оценить его эффективность в с о о т в е т с т в и и с у с л о в и я м и (1.16—1.17). Учитывая определенную техническую сложность данного вопроса, рекомендуется за консультацией обращаться к специалистам БИТУ. 12 2. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ И АСФАЛЬТОБЕТОН НА ИХ ОСНОВЕ 2.1. Основные положения модификации дорожных битумов Модифицированные дорожные битумы — это битумы, содержащие различное количество добавок в виде полимеров (вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев). К полиме- рам относят пластмассы, каучуки, резины, смолы. Высокомолекуляр- ные полуфабрикаты, из которых получают полимеры, называются олигомерами. Модифицированные битумы отличаются рядом положи- тельных свойств (более широкий интервал пластичности, пониженная температура хрупкости, эластичность и т. д.). В таблице 2.1 представлены возможные модификаторы, выпускае- мые в странах СНГ, и укрупненные их характеристики. Как видно из данных таблицы, имеется достаточно большая гамма модификаторов, большинство из которых изучены мало, особенно с практической точки зрения. В целом имеющаяся обширная литература по модификации дорож- ных битумов полимерами позволяет выделить в мировой практике сле- дующие крупные блоки способов улучшения битумов [2-11]: 1. Битумы -ЬЭВА (этилен-винил-ацетат); 2. Битумы +СБС (стирол-бутадиен-стирол); 3. Резинобитумы; 4. Латексные битумы; 5. Полиолефиновые битумы; 6. Битумы -Нэпоксидные смолы; 7. Серо-битумы; Если проанализировать применение полимеров для модификации битумов в мировой практике, то здесь складывается следующая ситуация: СБС — 61% всего мирового потребления; Стирельф (СБ) — диблок стирола и бутадиена — 14% (применяют в основном во Франции). Применение данного полимера возможно при вводе в битум 5 - 1 0 % серы, что усложняет технологию и создает эколо- гические проблемы. EVA (этилвинилацетат) — 19% . Данный полимер единственный из всей гаммы полимеров способен как и СБС создавать пространственную сетку. Однако жесткость этой сетки много выше, что неблагоприятно проявляется на хрупкости полимербитумных вяжущих. 13 Наамрнование п шимерной добавки Изменение csoi пол ICTB вя кущ =^ 0 при введении 1меркой до'иавки Рекок эщ;уемое КОЛ' [чезтво полр мерной добавки к вя^хущему Технопогиче:кие осо5еннэсти ппи вве- дении дэбавки в битум и ее ciioiicrBa 1овышение TeMiepaTyjJHOH устой ?И'»С СТИ вяжущто Повышрнче МОРОЗОУС10Й- ч нвости беJона Повып ение адгзионных свойств вяжущего 5. НК (н1тураль- ный) импорт + 3 +3 +2 до 7-8 /.. Растворение удэвлетворительное. Температура 1 8 0 - 2 0 0 С. Воз MomHj ycKopeHvie через «ысляно или смоляные растворы. 6. СКИ (изопрене- вый), г. Ярос- лавль, 3 д СК +2 +2 + 1 до 7-8';^, Раствэрение удовчетворительное. Температура 1 8 0 - 2 0 0 С. Воз- можно ускарение через мазляно или смэляные растворы. 7. СКД (дивиниле- вый), Ефремов, з-д СК +2 +4 +1 до 8 % Растворенче происходит мед- ленно. Его в ос новномдобавляь :ТК другим каучукам для повышения \10розоустэйчиво1:ти а/бетонов. 8. СКМС (сти- рольный маслона- польенный) г. Тимертау, ПО "Карбид" +2 +1 + 2 до 5 % Растворение удовлетворитепьное Однако битумно полимерное вя^; ^^ щее обладает неудовпетвори- тел1.ными эксплуатационными свойствами. 9. СКН (нитэпль- ный), г. Тольяати ТПО "Синтез Кауч>к" +4 +1 + 3 до 5 % Растворяется удовлетворительно. Б^аучуки ;1обавляют для повыше ния адгезионных свойств вялсущих. Все каучуки представляют собой в основном монолитные куски массой от 25 до 40 кг, поэтому для измельчения необходимо специальное оборудование (пластинчатые ножи, хрануляторы). Введение почти всех каучуков можно осуществлять через их растворы в маслах или смолах, концентрированные растворы которых готовят также на спецоборудовании (резиносмесители, вальцы, шприцмашины). Таблица 2.1 Каталог полимерных добовок к битумным вяжущим Наименование пслимерной добавки Изменение cboi пол IC1B вяжущего при ввеаении дмвоьой добавки Рекомендуемоэ количество полимерной доэавки к вяжущему Технологические осоЗенно:ти пои Еве- дении доэавки в битум и ее с]Ю11СТ:}а Повыше чие темпера! у зной устоичив1>сти )шжуп1его Повышэние морозоустой- чиности бэтона Повын1ение ад13ИО|1ных свой:тв ВЯЖУЩЭГО КАУЧУКИ 1. СКТН (тиокол о- вый каучук), г. Казань, з-д СК + 2 -1-5 - 1 до 5 % Почти не растворяется в битуме, ввэдение требует больихих мнерго- заграт. Чазто вводнт в биг ум через смоляные растворы, когорие NPSFLBAPHTI^^BHO готовят в споцобо рудовании (вальцы, гранулягор). 2, СКЭПТ (этилен- пропилентиоколо - вый) тройной сополимер, г. Казань, з-д СК + 3 + 5 +1 3 - 7 % До 3 % растворяется в битуме. Свыше необходимо вводить анало гично СКТН. В ОСНОВНОЙ добав ляют к другилс каучук.ш для повышения морозоустойчивости. 3. БК бугилкгу- чук, г. Сумгаит, з-д СК, Химком- бинат + 3 + 4 + 1 до 5 % Введение в битум в основном через маслянокаучуковую стадию через шприцмашину (сложная техноло- гия). 4 . Л - 1 (хлоропре- новьш каучук), г. Ереван, НПО «Наирит» + 4 + 2 + 4 до 5 % Температура растворения не дол- жна превышать 14Г °С, т- к. иыде- ляе'^ся CL2, и идет обуглизание кау^[ука {дecтpyкцI'[^). Поэтому и рас'вэпение каучу]<л происходит медленно. В OCHOBHJM добавляют его к другим каучукам (полиме- р ш ) для повышенк1Я клейкости. Наименование поли- мерной добавки Изменение свойств вяжущего при введении полимерной добавки Рекомендуе мое количес ТВ о полиме^ш^й добавки к Вйжущему Текнологические особенности при введении добавки в битум и ее свойства Повышение темпегату]зной устойчивс сти вяжущего Повышение моэозоус- 'юйтавости бетона Повышение адгзионных свойств вяжущего 15. /^.тактический пол li пропилен, г. Атерал, ]^имзавод + 3 + 2 + 1 ДО 1 5 % Хорошо совмещается с битумом, придает атмосферостойко:ть вяжу- щему. 16. Хлорированный полипропилен, г. Москва, НПО "Спектр" + 4 + 3 + 3 до 5 % Растворение дэ 150 "С. Не освоен серийный выпуск продукта. 17. Полистирэп, г. Омск, Химзавод + 5 - 1 +1 ДО 1 0 % Растворенье до 190 °С (ра^лчгаегся сгирол). Нэсколько повышает агмэс- феростойкозть покрытия. 18. Ударопрочный полист]1рол (сополи- мер полистирола и СКД каучуком) -1-4 + 1 +1 до 1 0 % Растворение до 190 С (разлагается сгиоол). Атмос4:еростойкость покрытия хорошая. 19 Сополимер м е н (полистирола с акри- латами) + 5 +1 + 3 до 1 0 % Рг.створение до 19 Э 'С (разлагается стирол), Ь'ак те\1нературпповышаю- щая добавка, ^'^тгюсферосчсйкость ПС крытия хорошая. 20. Акрилать[ Б М К - 5 , г. Дзер- жинск, Нижегород- ская обл., ПО "Акрилат" + 5 + 1 + 4 ДО 5 % Хорошая структурирующая до;)8вка. Ограни'шнное применение из-за большой с юимости. Продолжение табл.2.1 Наименование поли- мерной Д]Обавки Изменение свой поли ств вяжущего мерной добав при введении ки Рекомендуе- мог количес- тво полимерной добавки к вяжущему Тек нологические особенности при ввеаении добавки в битум и ее свойства Повышени» темпера! урной устойчивости вяжуп1его Порышение м:розоус- юйчивости бетона Повышение адгэиэн:1ых свойств вялстщего ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ 10. Полиэтилен ПЭВД, г. Новопо- лоцк, ПО "Еоли- мир" . ПЭНД, Охгимский НПО " П л астпо л имер " +2 + 3 0 ,5 0 0 0 до 2 0 % до 5 % Вям^.ущие нолучаюг путем смегцения с полимером при 2 0 0 - 2 2 0 °С за 1 , 5 - 2 часа. Как самосюятельная дэбавка примэняегся редко, в основном идет вместе с адгезионными и пластчфи цирующими добавками. Добавка уве- личивает TdПЛOC•TOЙKOCTЬ. 11. Атактический полиэтилен (воск), г. Ноюполоцк, ПО "Поли мир" + 1 + 1 - 1 до 1 0 % Хоро1до растиоряется в бигуме при нь1Г1)еве. В основном применяеася как плacтиc)ици]Jyющaя дэбавка. 12. Хиориров.шный полиэтилен, г. Ivlcc- ква, НПО ' Спек гр" + 3 + 3 + 1 до 7 - 8 % Растворение до 150 С. Используется редко, т. к. не освоено серийное нро- изводсгво полимера. 13 Хлоре ул ьфиро - ванный полийтилен, г. Вол1 оград, ПО "Химпром" + 4 + 4 + 2 до 5 % Растворечие до 150 'С. Хорошая агмосферостойкость. 14. Полипропилен. Атерал Химзавод, г. Томск, Химзавод + 5 0 0 до 3 % Вяжушие получают путем смешения с по шмером при 2 0 0 - 2 2 0 С за 1 , 5 - 2 часа. Как самостоятельная добавка применяется редко, в основном идет вместе с адгезио]шьгми и плас тифи- ци{|уюши viH добавками. Добавка увеличивает а'?|досферостойкс(;ть. Наименование поли мерной добавки Изменение свой поли ств вяжущего мерной добав при введении ки Рекоиендуе мое коли lec ПВО поли мерной добавкЕ к вяжущему Технологические особенности при ввзден ш цобавки в битум и ее CBOiicTBa Повышение температурной устойчивости ВЯЖУ|ЦйГО Повышение моээьоус- ТОЙЧИЮС1И бегсни Повышзние адгзионных CBOftc'jB вяжущего 21. Полихлорвинил, сгюла Г[СХ, г. Ярс с- лавль, ПО "Лакок- раска" + 4 + 2 + 3 до 5 % Растворение др 1 5 0 - 1 6 0 °С (в].1деля ется CL). Повышает атмосферостой кость, износо(^тойкость вяжущего. 22. Сополимер А 1 5 (сополимер винил- хлорида с винилаце- татом), г. Кутаиси, ПО "Поливинилаце- тат + 3 - 1 + 1 до 5 % В основном идрт как добавка для уве- личения а дгезионных свойств. 23. Сополимер В Х В Д - 4 0 (винил- хлорида с винила- денхлорицом) + 3 + 3 + 3 до 5 % Ограниченно применяется из-за дефицитности. Высокая морозосаой ко:ть и ад1езия. СОПОЛИМЕР СТИРОЛА И ДИВИНИЛА (РЕЗИНОПОДОБНЫЕ ПЛАСТМАССЫ) 24. ДСТ-30, линей- ный. ДСТ-ЗОР ради- альный. Дивинил стирольный термоэ- ластопласт, г. Воро- неж, з-д СК ВНИИСК. "Кратон", фирма Шелл. + 3 + 4 + 4 + 3 0 0 до 7 % до 7 % Хорошо растворяется в бт:тумэ с выг'о- ким содержанием мальтеново!^ «асти Гемператуфа до 190 "С. Повышает len- лоустойчивость, эластичность. в основной массе пластмассы самостоятельно редко применяются, как правило, их комбини- руют между собой, с каучуками; со смолами, пластификаторами, активными наполнителями и т. д. Наименование полимерной добавки Изменение свойсч в вяжущего при введении полимерной добавки Рексменцуемое KOЛИ^ [eCГriO попи мерной добавки к вя» ущему Тсхнотогиче^кие особенности при введении доб 1ВКИ в битум и tjij свойства Повышение темперитурной устойчивости вяжущего Повышение морозоустой- чивости бетона Повышение адгзионных свойг в вяжуцего ОЛИГОМЕРЫ 25. Жидкий кауг[ук скл-ii^ г. Ярославль, з-л СК +4 +3 +2 до 10% Применяют только в вулканизирован- ном виде. Вулканизатор MgO; ЭД- 20 (со временем происходит твердение). Э(1)фектив.зн для холодных масгик. Имеет ВЫСОКУЮ стоимость. 26. Олигобу- тадиен +4 +3 +2 до 10% Применяют только в вуякантирован ном виде. Вулкннизатоп MgO, ЭД-20 (со временем происх эдит твердение). Примечание к таблице: Относительная эффективность добавок оценена по пятибалльной шкале. Положительный балл указывает на улуч1нение свойств, отрицательный — на ухудшение. Бетопласт (этилениропи len сополимер)—3% . Новофлет (полиэтилен; — 3% . Как показывает анализ таблицы 2.1 и вышеириведенные данные, имеется достаточно большое количество полимеров, улучшающих не только отдельпьге, но и практически все характеристики. В то же время, учитывая технологические сложности, стоимость, экологическую безопасность, удо- бство поставок и выпускаемые объемы, иа пррвом этапе нам а рекоменду1^тся использовать сополи- меры тииа стирол-бутациен-стирол ССБС). В о :^,eльныx. случаях стирсл-изопрен-стирол (СПС). СБС — это ли зейпын или разветвленные блочные сополимеры типа i^ - B - A . Наружные (конце- вые) блоки (А) полимерной и.епи являюася идентичными сегментами ПОЛЕ стирола, имеющими стек- лообразную термопластическую природу с темпрратурой пере>сода в стеклообразное состояние, значительно превышающей комнатную leMnepaTy^j^'. Каучуковый средний блок (В) является элас томернь: м и состоит или из пг либутадиена, или из полиизопреня , которые имеют температуру пере хода в с I еклообразное состояние много ниже комнатной температуры. Блочный сополимер А А А А А ВВВВВВВВВВВ А А А А А Статический сополимер ВВААА ВВВАВВАААА ВВАВВА Блочные сополимеры характеризуются тем, что в них содержатся две фазы, образующиеся в результате несовместимости полистироль- ных и каучуковых сегментов. Наличие таких двухфазных систем уста- новлено двумя р а з д е л ь н ы м и т о ч к а м и м а к с и м у м а п е р е х о д а в стеклообразное состояние. Истинное эластическое поведение может быть реализовано, если общее содержание полистирола находится ниже 40% . Полистирольная фаза в этом случае является дискретной и состоит из мелких агрегатов, так называемых «доменов». Эти полисти- рольные домены, включенные в непрерывную полибутадиеновую или полиизопреновую матрицу, мелко диспергированы и имеют очень малый размер (300 А г). Поскольку домены являются начальными или конечными пун- ктами сотен эластомерных цепей, то очевидно, что они играют роль, сравнимую с ролью серных поперечных связей в обычных вулканизи- рованных каучуках. В дополнение к этому они выполняют другую важную функцию, подобную высокоусиливающему наполнителю. В то время как доменные образования полистирольных сегментов приво- дят к высокой прочности, непрерывная каучуковая фаза полибутади- ена обеспечивает истинно каучукоподобное поведение с высокой эластичностью, низкий модуль и отличные низкотемпературные свойства (таблица 2.2). Вид и состав полимера Прочность на разрыв, кг/см2 Полибутадиен исходный не вулканизованный 3 - 5 Полибутадиен + сера вулканизованный 3 0 - 5 0 Полибутадиен + сера + сажа вулканизованный 150 -200 Термопластичный каучук не вулканизованный 3 0 0 - 3 5 0 Когда температура возрастает выше точки стеклообразного пере- хода полистирола, домены будут размягчаться. Так как концевые блоки оказываются нефиксированными в одном конкретном домене, материал показывает истинно термопластическую природу и течет под усилием сдвига при переработке в диапазоне температур 140-220 °С. Процесс полностью обратим, и после охлаждения домены восстанавли- ваются. На этом основано повторное использование полимеров. Путем изменения веса блоков и количества диблоков А - В , соеди- ненных в конечную молекулу, могут быть получены термопластичные 20 каучуки с заданными свойствами, пригодными для применения в определенных областях. Однако как по экономическим, так и по тех- ническим причинам предпочтительнее ограничить число выпускае- м ы х б а з о в ы х п о л и м е р о в и к о м п а у н д и р о в а т ь их с д р у г и м и ингредиентами, такими как полимеры, наполнители, пластифика- торы и смолы. Основной особенностью сополимеров по влиянию на битум явля- ется появление полистирольной сетки после растворения бутадиена (изопрена). Данная сетка повышает качество, эластичность и вязкость битума, что в комплексе способствует улучшающему эффекту. Сополимеры производятся двумя основными поставп];иками: фир- мой «Шелл» и Воронежским ОАО « Воронежсинтезкаучук». Продукты, производимые данными фирмами близки по техноло- гии, составу и свойствам. Их эффективность для модификации битумов представлена в табл. 2.3. Однако при выборе продукта следует учиты- вать следующее: 1. Содержание стирола не должно превышать 40% ; 2. Степень «сшивки» макрокапсул бутадиена должна быть макси- мальной (более 80%). Если данный показатель не выполняется, получить полистироль- ную сетку можно только при повышенном количестве полимера. Выявить данные показатели можно только в первоклассных хими- ческих лабораториях, поскольку методы рентгеновского анализа и ИК-спектроскопии не позволяют их оценить (имея различную молеку- лярную/массу полистирола, получаются идентичные спектры). Учитывая данную ситуацию, предпочтение следует отдавать надеж- ному поставщику, гарантирующему качество и полный технологичес- кий контроль на стадии производства. Таблица 2.3 Виды сополимеров и их выходные характеристики Наименова- ние продукта Производи- тель Адрес Краткая характеристика продукта Краток Д 1 1 0 1 CS Фирма ШЕЛЛ РО BOX 38000 1030 BN AMSTERDAM NETHERLANDS TEL. (31) 2 0 6 3 0 2 6 9 8 / М о с - ква (121069) Трубни- ковский пер., 30а, тел. ( 0 9 5 ) 2 5 8 6 9 0 0 Опудреные пористые гранулы с содержанием стирола 3 1 % могут использоваться как для модификации битумов, так и для производства эмульсий. Недостаток: повышенные энер- гозатраты при растворении. 21 Наименова- ние продукта Производи- тель Адрес Краткая характеристика продукта Кратон Д 1101 СМ Опудреный порошок. В своем составе содержит до 1 0 % пудры Si02. Продукт быстро раство- рим и особенно эффективен для модификации битумов при повышенном содержании поли- мера. В связи с повышенным содержанием Si02 возможны затруднения при приготовле- нии битумных модифицирован- ных эмульсий. Кратон Д TR 41135 ( T R 4 1 1 3 M ) Маслонаполненные полимеры (в гранулах и порошке). Содержат до 3 0 % высококачественных нафтеновых масел. Способны быстрее растворяться в битуме и одновременно улучшать реоло- гические свойства битумов. Однако применяемые масла имеют очень высокую стоимость (полимеры используются в обувной промышленности), что сводит на нет их преимуш,ество. д е т 3 0 - 0 1 (гранулы и порошок) Россия ОАО "Воронеж- синтезкау- чук" 394014 , г. Воронеж, Ленинский пр т, 2, тел 4 9 - 2 2 - 4 6 Выпускается в виде крошки и порошка (по желанию заказ- чика). По влиянию на битумы близок к Кратону Д. Однако в связи с большим молекуляр- ным весом стирола и меньшей степенью "сшивки" цепей бута- диена уступает по стабильности и эластичности. Учитывая приведенные данные на этапе освоения выпуска модифици- рованных вяжущих и эмульсий, можно рекомендовать Кратон Д 1101 CS. Следует иметь в виду, что сведений о влиянии полимеров на сво- йства а/бетонных смесей в условиях, близких к Белоруссии, мало. Боль- шинство исследователей отмечают повышение устойчивости при высоких температурах и сопротивление усталости. Что касается тре- щино- и морозостойкости, то сведения здесь довольно противоречивы. В то же время применение блок-сополимеров имеет и негативные тенденции. Прежде всего это относится к длительным процессам раство- рения диена и повышении технологической вязкости. Это в свою оче- редь требует увеличения температуры выпуска смеси. Негативным моментом является и снижение адгезии битума к гра- нитному ш;ебню(табл. 2.4). 22 Таблица 2.4. Степень адгезии битума Количество полимера, % Степень адгезии по Виалиту 0 77 3% дет 70 3 % Краток 80 . 5 % д е т 80 5 % Краток 81 Как видно из данных таблицы, адгезия возрастает незначительно, а иногда и снижается, особенно при небольшом количестве полимера. Дело в том, что при растворении бутадиена активные группы битума «оседают» на макромолекулах полимера и битум теряет свою активность. В последнее время на рынках СНГ появился новый модификатор, представляющий собой термопласт под торговой маркой «Элвалой АМ». Отличие данного продукта от традиционных термопластов состоит в про- текании реакции между асфальтенами битума и активными группами полимера. В результате возникает пространственная сетка, подобная сетке, создаваемой термоэластопластами. Это приводит к наличию у модифицированных битумов эластичности и повышенной когезионной прочности^^бличество вводимого полимера составляет 1 ,5-3% . В целом механизм действия полимера близок к действию EVA, но отмечается более высокая устойчивость против расслоения. Готовят модифицирован- ные битумы при температуре 180-190 °С в течение 20-30 минут. По данным В. А. Золотарева, отличительной особенностью полимера Элвалой AM является наличие эластичности и сохранение температуры хрупкости после старения. Стандартные показатели свойств битума изменяются аналогично показателям свойств под действием других тер- мопластов (например EVA): понижается пенетрация при 25 °С, растяжи- мость, растет температура размягчения и интервал пластичности. В то же время пенетрация при О °С практически не меняется. Асфальтобетон на основе битума с добавкой Элвалой AM обладает повышенной прочнос- тью при высокой температуре, водостойкостью и термостабильностью. Отмечается также некоторое улучшение технологических свойств. В то же время высокая стоимость Элвалой AM (около 5000 долла- ров за 1 тонну) не позволяет считать его наиболее приемлемым модифи- катором. 23 Таким образом, в настоящее время для модификации дорожных биту- мов используют в основном сополимеры типа стирол-бутадиен-стирол (СБС). Однако эффективность их применения в дорожном строительстве носит довольно противоречивый характер и требует дополнительно ана- лиза, особенно в условиях РБ. Кроме того следует учитывать, что стои- мость СБС достигает 4,5 тысячи долларов США за 1 тонну. Это приводит к увеличению стоимости 1 тонны битума в 2 - 3 раза. Поэтому необходимо иметь четкие доказательства увеличения надежности и долговечности асфальтобетона на модифицированных вяжущих. Актуален также вопрос разработки мероприятий по снижению расхода СБС в битуме, а также замены его местным (белорусским) сырьем. 2.2. Техническая эффективность применения модифицированных битумов для улучшения качества асфальтобетона В Республике Беларусь начиная с 1996 г. ведутся опытно-промыш- ленные работы по применению модифицированных вяжущих. Подоб- ные битумы использовались при строительстве дороги М - 1 и ряда улиц г. Минска. В качестве модификатора использовали сополимеры типа стирол-бутадиен стирол (СБС), поставляемые фирмой «Шелл» под тор- говой маркой Кратон- l lOlCS. При строительстве дороги М - 1 добавка СБС в битуме составляла 3% , при строительстве улиц — 5% . Наблюдения за построенными участками показали, что в ряде слу- чаев заметного эффекта от применения модифицированных битумов в асфальтобетоне не обнаруживается. Наблюдается наличие температур- ных трещин, коррозионных дефектов практически в том же объеме, как и у обычного асфальтобетона. Поскольку существенных технологи- ческих нарушений не было, возникла необходимость провести деталь- ный анализ модифицированных СБС битумов и асфальтобетонов. Были изготовлены модельные вяжущие с одинаковой пенетрацией и различным количеством полимера (таблица 2.5). Таблица 2.5 Физико-механические свойства модифицированных вяжущих Состав вя> кущего.% Физико-механические показ. атели вяжущ его Битум+ пластифи- катор Кратон (СБС) Пенетра- ция при 25 °С Темпер ат. размягч. по КиШ Эластич- ность при 25°.% Сцепление со щебнем приО°С,% Темпера- тура хруп- кости 100 0 70 48 12 0 - 1 7 97 3 71 54 15 12 - 2 0 95 5 70 63 26 8 5 - 3 5 24 Анализ данных таблицы свидетельствует о бесспорном влиянии полимера на свойства вяжущего, особенно при его содержании — 5% . На приведенных составах вяжущих были изготовлены образцы асфальтобетона следующего состава: щебень фракции 5 - 1 0 мм 45% 25% 25% 5% 5,7% Оценку качества асфальтобетона производили путем определения комплексного показателя — уровня надежности (PQ), отражающего устойчивость материала колееобразованию (PI), температурной трещи- ностойкости (Р2), усталостной долговечности (Р3) и морозостойкости (Р4). Основные подходы данной методики изложены в разделе 1. Резуль- таты представлены в таблице 2.6. Таблица 2.6. гранитныи отсев песок природный минеральный порошок битум (сверх 100%) Показатели надежности асфальтобетонных смесей на модифицированных битумах № № битумов по табл. 2.5 Частные уровни надежности Общий уровень надеж- ности Pi Р2 у Рз Р4 1 0 . 7 2 / 0 . 7 2 0 , 7 3 0 , 4 2 0 , 6 3 2 0 , 7 6 0 , 6 8 0 , 7 2 0 , 5 0 , 6 6 3 0 , 7 8 0 ,8 0 , 7 2 0 ,6 0 , 7 3 Анализ приведенных данных свидетельствует, что несмотря на зна- чительные отличия в свойствах вяжущих, заметных отличий в надеж- ности асфальтобетона не обнаружено. Такая ситуация потребовала обратить внимание на 2 аспекта при вводе полимера в битум: 1. Количественный; 2. Качественный. Количественный аспект отражает тот факт, что эффект от ввода моди- фикатора будет проявляться только при определенном его количестве. Бесспорно, что количество полимера должно быть таким, чтобы в объеме вяжущего возник стирольный каркас. То есть, домены стирола должны образовать между собой непрерывный мостик. Для репхения данной задачи целесообразно привлечь теорию перколяции [12] , 25 согласно которой объемная доля вещества для образования структуры должна составлять не менее 16%. Следовательно, объемная доля сти- рола в БПВ должна быть не менее 0,16 долей (16%). Выполнение данного условия для БПВ может быть достигнуто если: c , m - ^ k = c (2.1) Рп где ci — удельное количество стирола в объеме сополимера; т — массовая доля сополимера введенного в битум; Pji — плотность сополимера; Рст — плотность стирола; k — коэффициент, учитывающий увеличение объема сополимера в мальтеновой среде; с — пороговая концентрация, равная 0,16. Формула 2.1 позволяет вычислить минимальную массовую долю полимера, введенного в битум для образования перколяционного каркаса. По данным исследований фирмы Шелл, коэффициент k можно при- нять равным 9 [13]. Тогда для Кратона 1101 CS яг = ^ ^ = .0 ,049 =50/0(2.2), с,-Р,^ -к 0,31 0,18-9 Таким образом, минимальное количество вводимого полимера дол- жно составлять около 5% по массе. То есть, при таком объеме полимера можно говорить о создании структуры полимера в битуме и о его существенной модификации. Безусловно эффект от ввода полимера будет проявляться и при мень- ших количествах. Однако только при данном объеме существенно изме- няются все свойства в том числе и температурная трещиностойкость. Такое положение соответствует экспериментальным результатам [13]. В то же время количественный фактор не отвечает на вопрос недос- таточного эффекта от применения модифицированного битума в асфаль- тобетоне даже при содержании полимера 5% (табл. 2.6). Здесь уже существенную роль оказывает качественный фактор. Битумополимерные вяжущие на основе сополимеров (СБС) типа Кратона — это двухфазные системы, образованные средой битума и нерастворимым в ней стиролом. Поведение двухфазной системы на твердой подложке (в асфальтобе- тоне) будет иметь существенные отличия от поведения самого вяжу- 26 щего. Обусловлено это тем, что макромолекулы стирола, обладая более высокой энергией, будут адсорбироваться на твердой поверхности в пер- вую очередь. Адсорбированные макромолекулы претерпевают конформацию, что ведет к изменению подвижности. Чем выше энергия адсорбции, тем меньше длина петли и больше доля связанных сегментов. Следова- тельно, можно полагать, что на крупных частицах асфальтобетонных смесей молекулы стирола будут сохрй.нять достаточную гибкость и под- вижность. На мелких же частицах может произойти потеря молекуляр- ной подвижности, а следовательно, и потеря модифицируюш;его эффекта полимербитумного вяжущего. Таким образом, должна сущес- твовать минимальная толщина битумной пленки при которой заметен эффект модификации. Если толщина пленки, окажется меньше опти- мальной, эффект от модификации может исчезнуть. С целью проверки данных положений были изготовлены модельные смеси с известной толщиной пленки. В качестве вяжущего использо- вали обычный битум и битум с добавкой 5% Кратона (с пластифика- торами и без). Образцы испытывали на прочность в диапазоне температур плюс 50, минус 30 °С. Оценивали также значения индекса трещинообразования и сопро- тивления усталости по показателю предельной структурной прочности (см. раздел 1). Установлено^^ЕИ^ при высоких температурах эффект прироста про- чности за счет модификации заметен при любой толщине пленки. Однако при толщине менее 8 мкм он становится малозначимым. При смещении в область отрицательных температур эффект от модификации по прочности, усталости, трещиностойкости (чем выше индекс, тем больше вероятность появления трещин) заметен при тол- щине пленки более 10 мкм (рис. 2.1, 2.2). Характерно, что в области гшзких температур ввод СБС без пластификатора практически не дает ;)ффекта как по усталости, так и трещиностойкости (рис. 2.3). Следовательно, при подборе составов асфальтобетонов модифициро- ванных эластомерами битума, средняя толщина битумной пленки должна быть не ниже 10 мкм. На практике это требует увеличения содержания |цебня и снижения на 30-40% минерального порошка. Расход битума по сравнению с обычным асфальтобетоном следует увеличить на 10 -15%. Учитывая подобную ситуацию, были подобраны составы со средней тол- 1ЦИНОЙ битумной пленки белее 1 0 мкм, представленные в таблице 2.7. 27 Таблица 2.7 Состав и свойства асфальтобетона № состава Состав Показатели Rncn. МПа Rn, МПа R„, МПа К jjpj 1 (эталон) Щебень гранитный 5 - 1 0 мм 6 0 % Гран, отсев 10% Песок 2 8 % МП 2 % Битум 6 ,25% 1,3 1,37 4,25 0,53 2 То же Битум+3,5% СБС+ 4 % гудрона 1,4 1,38 4,65 0,86 3 То же БНД 6 0 / 9 0 + 5 % СБС + 10% гудрона 1,63 1,52 6,4 0,93 Примечание: R50 — прочность на сжатие при 50 °С; RQ — прочность на раскалывание при О °С и скорости деформации 3 мм/мин; Rc — предельная структурная (максимальная) прочность; Кмрз — коэффициент морозостойкости после 50 циклов. § й « о ^ 0 , 8 0 1 1 0,6 о 0 ,5 Э 0 , 4 \ ч к N ч V, N. 'N 1 ^ ~ - ш б 8 10 12 толщина пленки битума, мкм 14 обьиный битум модифицированный битум 16 Рис.2.1. Зависимость предельной структурной прочности от толщины битумной пленки 28 2,2 2 - G 1,8 - •ч & 1,6 Ь 1,4 1,2 - < • < ж и / f " N щ та 6 8 10 12 14 16 толщина битумной пленки мкм обычный битум модифицированный битум ( 5 % СБС + 1 0 % гудрона) Рис. 2.2. Зависимость предельной структурной прочности от толщины битумной пленки 6 8 10 12 14 толщина битумной пленки, мкм обычный битум битум + 5 % СБС (без пластификатора) Рис.2.3. Зависимость индекса трещинообразования от толщины битумной пленки 29 Оценка надежности асфальтобетона по предлагаемой методике дала следующ;ие результаты (табл. 2.8). Таблица 2.8 Значения уровней надежности № состава по табл. 2.7 Уровни надежности Итоговое значение Р1 Р2 РЗ Р4 1 0 , 5 5 0 , 5 0 , 5 5 0 , 5 5 0 ,54 2 0 . 7 0 . 5 5 0 . 7 0 . 9 7 0 , 7 1 3 0 ,9 0 , 9 2 0 , 9 7 0 ,98 0 ,94 Анализ таблицы 2.8 показывает, что при вводе 3,5% СБС эффект незначителен по температурной трещ;иностойкости. В целом срок службы при этом увеличится на 2 0 - 3 0 % . При проектировании опти- мальных составов из условия выполнения требований по толщ;ине битумной пленки (более 10 мкм) увеличение срока службы составит около 6 0 % . Таким образом, приведенный анализ показывает: 1. Появление эффекта от ввода полимеров типа СБС в битум не гарантирует повышение надежности и долговечности асфальтобетона; 2. Для повышения долговечности асфальтобетона количество вводи- мого в битум СБС (с пластификатором) должно составлять не менее 5% , а средняя толщ;ина битумной пленки должна составлять не менее 10 мкм. 3. На практике данное положение реализуется путем применения многощ;ебенистых бетонов с повышенным расходом битума и минималь- ным содержанием пылеватой фракции. 4. При сравнении эффективности ввода любых полимерных доба- вок в асфальтобетоне необходимо определять итоговый его уровень над- ежности на эквивязких вяжущ;их (одинаковой пенетрации). 2.3. Мероприятия по снижению расхода сополимеров в битуме Основным недостатком СБС является высокая стоимость (при 5%-ной добавке СБС стоимость битума увеличивается в 2 раза). Поэ- тому сокращ;ение расхода СБС или замена его на более дешевые модифи- каторы является актуальной задачей. Снизить расход сополимера без изменения количества модифицированного битума возможно двумя принципиальными путями: 1. Применение смесей полимеров, один из которых обладает доста- точно низкой стоимостью. 30 2. Применение сополимеров, способных образовывать простра- нственную сетку при меньшей концентрации за счет взаимодействия его активных групп с активными компонентами битума, или ввод в состав битума компонента, способного взаимодействовать со структурообразую- щей фазой сополимера, образу «зародыши» пространственной сетки. Рассмотрим как более простой и имеюш,ий перспективы реализа- ции условиях РБ первый путь. Сополимеры типа СБС в битуме одновременно выполняют две функ- ции — повышают температуру размягчения и снижают температуру хрупкости. Эффективно выполнить одну из этих функций могут и дру- гие полимеры, более доступные и менее дорогостояш;ие. В условиях РБ таким полимером является полиэтилен высокого давления, выпускае- мый Новополоцким заводом «Полимир». Применяя одновременно два полимера, мы получаем их смесь. Ь^ сли полимеры не взаимодействуют между собой, то свойства смесей описываются соотношением: Р = Р п ^ + Р,п„ (2.3) |"де Pi и Р2 — свойства отдельных полимеров; П1 и П2 — объемные доли каждого полимера в смеси. Температура х р у п к о с т и (по Фраасу ) СБС - 6 0 ° С , а полиэти- лена — -20°С. Даже по правилу смесей (отсутствует взаимодействие) для соотношения 1:1 мы получим температуру хрупкости около -40°С, что вполне достаточно для климатических условий Белоруссии. Вязкость же раствора полимеров СБС и ПЭ близка и составляет около 1-2 Па.с. Следовательно, с точки зрения технологической совместимости II влияния на температуру размягчения, они близки между собой. В то же время эффект от с^мещения различных полимеров на практике будет значительно выше, чем ожидаемый, исходя из пра- пила смесей. Дело в том, что системы полимер-полимер практически несовмес- тимы с термодинамической точки зрения, поэтому в растворах образу- <«'|'ся две фазы, взаимодействующ;ие друг с другом через межфазный переходный слой. Именно появление межфазных слоев приводит к осо- f ) i . i M свойствам в смесях полимеров. В работе [14] приведены результаты исследований релаксационных процессов в граничном слое на поверхности полимера. Для этого были измерены времена спин-решетчатой релаксации и у|'ла диэлектрических потерь в поверхностных слоях акрилатноэпок- 31 сидностирольной композиции (сополимер), а также эпоксидной смолы, нанесенной на сополимер стирола с метаметокрилатом (смесь). Оказа- лось, что композиция характеризуется большей подвижностью сегмен- тов, чем сополимер (процесс релаксации для композиции проявляется при 74 °С, а для сополимера при 130 °С). То есть в системах поли- мер-полимер гибкий полимер становится более жестким, в то время как более жесткий размягчается. Следовательно, смесь полимеров практически всегда будет иметь отклонения в свойствах от зависимости (2.3). Можно полагать, что за счет межфазного взаимодействия свойства смесей можно описывать сле- дующей формулой: (2.4) где т и к — показатели, отражающие влияние межфазных переход- ных зон. Таким образом, можно полагать, что используя полиэтилен и дру- гие полимеры, удастся получить битумные смеси с улучшенными сво- йствами. Экспериментальные исследования были выполнены на битумах раз- личных составов при разном содержании добавок полимеров. При этом битумы готовили таким образом, чтобы они имели одинаковую вяз- кость. Это позволило исключить ошибку, связанную с неучетом реоло- гических особенностей битумов. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.9. Таблица 2.9 Физико-механические свойства вяжущих Состав модифицированного вяжущего, % Физико-механические показатели модифицированного вяжущего Битум + пласти- фикатор Краток (СБС) Полиэти- лен высо- кого давления Пенетра- ция при 25 °С, градус Темпера- тура раз- мягчения по КИШ Эластич- ность при 25 "С, % Сцепление щебня при 0 °С. % 100 0 0 72 48 12 0 95 5 0 70 65 24 85 95 2 3 71 62 22 67 94 2 4 68 59 32 86 32 Анализ данных таблицы показывает, что вяжущие, содержащие .'{-4% полиэтилена высокого давления и 2% СБС, не уступают вяжу- щим, содержащим 5% СБС, и вполне пригодны для устройства повер- хностных обработок и мембран. В количественном плане соотношение СБС/полиэтилен целесооб- разно принять как 1/3. В этом случае при 5%-ном содержании смеси (чюйства вяжущего по температуре размягчения соответствуют стандар- там на модифицированные битумы (рис. 2.4). На приведенных составах вяжущих были изготовлены образцы исфальтобетона следующего состава: щебень фракции 5 -10мм 45% гранитный отсев 25% песок природный 25% минеральный порошок 5% битум (сверх 100%) 5,7% Оценку качества асфальтобетона производили путем определения комплексного показателя — уровня надежности (PQ) (СМ. раздел 1). Результаты исследований представлены в таблице 2.10. 0 2 4 6 8 10 12 количество сбс и полиэтилена, % Рис.2.4. Зависимость температуры размягчения битума от количества введенной смеси СБС+ полиэтилен (соотношение СБС/полиэтилен 1 /3) 33 Таблица 2.10 Показатели надежности асфальтобетонных смесей типа Б на модифицированных битумах Уровни надежности № №№ битума по табл.2.9 по устойчивости к пластическим деформациям fPl) по устойчи- вости к темпе- ратурным трещинам fP2) по устойчивости к усталостным деформациям по устойчи- вости к кор- розии (Р4) Итоговое значение 1 0 ,72 0 , 7 2 0 , 7 3 0 , 4 2 0 ,63 2 0 ,8 0 ,8 0 , 7 2 0 ,6 0 ,73 3 0 ,8 0 ,9 0 , 7 2 0 ,54 0 , 7 2 4 0 ,7 0 , 7 2 0 ,7 0 , 6 5 0 ,71 Как видно из данных таблицы, вяжущие на смесях полимеров не уступают вяжущим на СБС. Особенно важно отметить факт сохранения надежности по температурной трещиностойкости. Анализ данных таблицы 2.10 подтверждает положение о том, что модификация битума в составах смесей с пониженным содержанием щебня и большим количеством мелких фракций может не дать желае- мого эффекта. Эффект от модификации заметен у многощебенистых сме- сей при средней толщине битумной пленки более 10 мкм. В то же время уровень надежности асфальтобетонов на битумах, модифицированных смесью полимеров, не уступает битумам, модифицированным СБС. Таким образом, применение смесей различных полимеров при модификации дорожных битумов позволяет в ряде случаев более широко использовать продукцию местных химических предприятий и тем самым снизить стоимость вяжущего. 2.4. Стандарты и нормативные документы В РБ действует стандарт СТБ 1220-00 «Битумы модифицирован- ные дорожные». Модифицированные битумы в зависимости от назначения и глу- бины проникания иглы подразделяются на марки: - БМА 50/70, БМА 70/100, БМА 100/130 — для приготовления горячих асфальтобетонных смесей; - БМП 100/150, БМП 150/200 — для устройства поверхностных обработок; - БММ 130/150 — для устройства битумополимерных прослоек (мембран) по цементобетонным покрытиям; дорожным основаниям, укрепленным минеральным вяжущим; старым асфальтобетонным 34 покрытиям с сеткой температурных трещин; гравиино-эмульсионным основаниям и покрытиям перед устройством последующего конструк- тивного слоя или фрикционного слоя износа. Технические требования к модифицированным битумам представ- лены в таблице 2.11. Нормативные документы на асфальтобетонные смеси с использова- нием модифицированных битумов пока не разработаны. К асфальтобе- тонам предъявляются те же требования, что и к бетонам на обычных битумах. Такое положение, как уже отмечалось выше, не позволяет правильно подбирать составы смесей и максимально использовать на практике положительные качества мадифицированных битумов. Таблица 2.11 Наименование показателя Ноома для битумов м арок Метод испыта- ний БМА 50/70 БМА 70-100 БМА 100/130 БМП 100/150 БМП 150-200 БММ 130/150 1. Глубина про- никания иглы, 0,1 мм, при 25 °С 5 0 - 7 0 7 1 - 1 0 0 1 0 1 - 1 3 0 1 0 1 - 1 5 0 1 5 1 - 2 0 0 1 3 0 - 1 5 0 ГОСТ 11501 2. Температура размягчения по КиШ, °С, не ниже 55 52 50 55 51 60 ГОСТ 11506 3. Температура хрупкости по Фраасу, °С, не выше - 2 0 - 2 0 - 2 1 - 2 3 - 2 3 - 2 3 ГОСТ 11507 4. Растяжи- мость, см, не менее, при 0 °С 9 9 11 11 13 15 ГОСТ 11505 5. Эластичность, % , не менее, ПРИ 13 °С 55 50 50 50 50 85 П .7 .3 6. Сцепление с минеральным материалом В соответствии с контрольным образцом № 2 (покрытие не менее 3 / 4 поверхности минерального материала) ГОСТ 11508 (метод А) 7. Удерживаю- щая способность при ударе, °С: при максималь- ной отрицатель- ной температуре, не выше при максималь- ной положитель- ной температуре, не ниже - 2 0 - 2 0 - 2 0 - 2 0 + 70 - 2 0 + 70 - 2 0 П. 7.4 35 Наименование показателя Норма для битумов марок Метод БМА БМА БМА БМП . БМП БММ испыта- 50/70 70-100 100/130 100/150 150-200 130/150 ний 8. Показатели физико-хими- ческих свойств после прогрева ( 1 6 3 ° С / 3 0 0 мин) 8.1. Изменение ГОСТ температуры раз- к к я 7 7 7 11506 мягчения по о 0 О < t с допол- КиШ', °С, не более нением 8 .2 . Глубина про- по 7.5 никания иглы,% 60 60 60 60 60 60 ГОСТ от первоначаль- 11501 ной, не менее, с допол- при 25 °С нением 8 .3 . Эластич- по 7.5 ность ,%, не 50 50 50 50 50 60 по 7.5 менее, при 13 °С 36 3. ДОРОЖНЫЕ БЕТОНЫ НА ОРГАНО-ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ З.Т. Виды и классификация бетонов на органо-гидравлических вяжущих Бетон на органно-гидравлических вяжущих (ОГВ) — искусствен- ный строительный материал, сочетающий в своей структуре свойства 'гермодинамически несовместимых органических (битумов, дегтей) и гидравлических (цемент, гипс, зола и т. д.) вяжущих. Появление бето- нов на ОГВ в дорожном строительстве было связано с рядом причин: 1. Недостаточной надежностью и долговечностью традиционного мсфальтобетона на действие современных транспортных нагрузок; 2. Внедрением новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, требующих наличия в структуре материала воды (эмульсии, вспенен- ные битумы, влажные органо-минеральные смеси и т. д.); 3. Появлением новых технологий ремонта и реконструкции дорож- ных покрытий (метод Ресайклинга, холодного ремиксирования и др.)- Одними из первых исследований по совместному применению орга- нических и минеральных вяжущих явились работы В. М. Безрука и его Н1КОЛЫ [15, 16]. Органические вяжущие (в основном жидкие битумы) использовались для укрепления доведенных до оптимальной влаж- ности глинистых грунтов совместно с портландцементом. Причем, Н. М. Безрук не считает, что битумы и цементы являются антагонис- тами. Дело в том, что цемент активно поглощает воду и в то же время способствует выделению гидрооксида кальция, улучшающего взаимоде- йствие битума с грунтом [16]. Главным достоинством комплексно укрепленных грунтов является повышенная трещино- водо- и морозос- тойкость. В зависимости от соотношения вяжущих различной природы может формироваться коагуляционно-кристаллизационная, либо крис- таллизационно-коагуляционная структура. В 60-70 гг. вместо жидких битумов стали использовать анионоак- тивные эмульсии [17, 18]. Применение эмульсий упростило техноло- гию работ и раздвинуло рамки строительного сезона, вследствие низкой вязкости и хорошей удобоукладываемости смеси. Был построен ряд опытных участков с положительными результатами. Важными яви- лись некоторые эксперименты, доказывающие возможность образова- ния кристаллизационной связи цемента в присутствии эму^^гьсии. Материалы на основе эмульсий и цемента действительно обладали про- межуточными свойствами между смесями на основе битума и цемента. 37 Сдерживающим фактором для широкого применения метода ком- плексного укрепления грунтов явилось отсутствие надежной и высокоп- роизводительной техники. Выпускавшиеся в СССР грунтосмесительные машины ДС-162 и ДС-50Б не отвечали современным требованиям. Отсу- тствовали и серийные эмульсионные установки, а также качественные эмульгаторы. Несколько иная ситуация сложилась в США и странах Западной Европы. Там был разработан метод строительства и капитального ремонта дорог под названием «Микс-ин-плейс ресайклинг» [19]. Основ- ным механизмом при строительстве дорожных одежд данным методом является фреза BomaG МРН 120R с мош;ностью двигателя 236 кВт. Фреза позволяет дробить асфальтобетонное покрытие любого типа и сме- шивать продукты дробления с цементом и водой. В результате такой обработки получают новый материал с особой структурой и свойствами. Основой макро- и микроструктуры служит дробленый асфальтобетон, частицы которого объединяются друг с другом через прослойки цемента либо тонкий переходный межфазный слой. Метод нашел широкое приме- нение, в частности, при строительстве дороги Мюнхен-Карлсруэ [20]. На данной дороге было устроено основание из дробленого дегтебетона с добавкой 6,5% цемента. Толш;ина слоя составила 20 см. Прочность мате- риала в возрасте 28 суток составила 6,6 Н/мм . Однако, несмотря на широкое внедрение, отсутствуют научные данные по вопросам надеж- ности и долговечности такого материала, срокам службы, деформацион- ной устойчивости при низких температурах. В 80-е годы во Франции, а затем в центральной и восточной Европе, в том числе Белоруссии, получили широкое распространение заш;итные слои дорожных покрытий на основе катионактивных битумных эмуль- сий. Учитывая быстрый распад эмульсий и наличие воды в составе смеси, в минеральную часть добавляют 3 - 4 % цемента. Каково влияние цемента в этом случае на свойства смесей, также нет достаточно достовер- ных данных. Согласно одним источникам, он играет роль активатора процесса взаимодействия битума и каменного материала [21], в других случаях сообш;ается об особой структурообразуюп|;ей роли [22]. В настоя- ш;ее время французские фирмы «Colas» и «Screg» разработали новые, особо долговечные материалы на основе эмульсий и портландцемента [23,24], получившие название «Sfabicol». Благодаря высокой стабиль- ности и дисперсности эмульсии обеспечивается хорошее «взаимопрони- кание» цемента и битума, что ведет к особой микроструктуре материала с достаточной жесткостью и в то же время деформативностью и гибкос- 38 тью [23]. Отмечается отсутствие усадочных и температурных трещин после пяти лет эксплуатации. Французские фирмы считают, что данный материал является наиболее перспективным для будуп];его строит- ельствавсех магистралей. Учитывая сложность технологических процессов при приготовле- нии эмульсий, а также их достаточно высокую стоимость, в странах СНГ с. целью снижения энергозатрат и себестоимости строительства были раз- работаны так называемые влажные органно-минеральные смеси (ВОМС) [25]. Такие смеси получали путем смешения увлажненных мине- ральных материалов с горячим битумом. В процессе смешения наблюда- лось эмульгирование битума. Эмульгатором выступали частицы цемента или извести. Отмечается, что ввод цемента, наряду с улучше- нием эмульгирования, позволяет суш;ественно улучшить физико-меха- нические свойства вследствие взаимодействия продуктов гидратации с битумом и образования коагуляционно-кристаллизационной струк- туры. Ввод минеральных вяжущих в состав органо-минеральных сме- сей позволил в 80-е годы отказаться от окисления каменноугольных дегтей, что существенно улучшило экологическую обстановку. При этом в качестве гидравлического вяжущего использовались сланцевые золы [26]. Наряду со сланцевой золой достаточно эффективными оказа- лись комбинированные наполнители из сланцевых зол и гипсосодержа- щих отходов [13]. Кроме дегтезоломинеральных композиций для решения технологи- ческих проблем использовались влажные дегтешлаковые смеси (ВДШС) [27]. Готовят ВДШС следующим образом. Шлак, нагретый до 40-60 °С, перемешивают с активатором (известь, цемент) в течение 15 с, затем вво- дят деготь и перемешивают 30-45 с, на последнем этапе подают воду и добавки. Поскольку шлаки обладают замедленными сроками твердения, их активируют добавками цементной пыли, извести, содощелочного плава и др. Установлено, что в ВДШС формируется гораздо большее количество гелевых новообразований по сравнению со шлаковыми бето- нами. Это обусловлено влиянием активных компонентов каменноуголь- ного дегтя. В результате в поровом пространстве и на поверхности раздела фаз возникают новообразования типа фенолятов и крезолятов кальция, имеющих структурное сродство с гелевыми неорганическими новообразованиями гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. / Интересные результаты получены также при применении шлаков в качестве наполнителей в асфальтовом бетоне [28]. Установлено, чт'о даже при отсутствии воды в составе смеси на стадии приготовления. 39 шлаковые асфальтобетоны в процессе эксплуатации приобретают осо- бые свойства, вследствие проникания атмосферной воды и появления гидратных новообразований на поверхности частиц шлака. Подобные новообразования способствуют дополнительному структурообразова- нию асфальтобетона и повышению его долговечности. С целью максимального использования положительных свойств асфальто- и цементобетонов, упрощ;ения технологий получения компо- зиций, а также для более эффективного контроля их качества на стадии приготовления применяют способ раздельного смешения: асфальтовую и цементную составляющие готовят отдельно, а затем объединяют. Наибольшее распространение получил способ раздельного бетони- рования. Согласно данному способу, на асфальтосмесителях ш;ебень обрабатывают битумом. Полученную смесь укладывают в дорожное полотно и уплотняют. Затем на поверхности слоя распределяют цемен- тный раствор с добавками, повышаюш;ими его пластичность, деформа- тивность, и с помош;ью вибрации заполняют им поры и пустоты в слое черного щебня [29, 30]. Такое покрытие может подвергаться облегчен- ным транспортным нагрузкам уже на вторые сутки. Способ раздельного бетонирования исключает необходимость жес- ткой привязки моментов приготовления и укладки смеси, обеспечивает оптимальные условия твердения цементного раствора. В. М. Гоглидзе [31 ] предложил новые виды к о м п о з и т о в — бетоны, армированные жесткими элементами. Изготавливают их тремя способами: 1. Выгруженный на основание цементопесчаный раствор разравни- вают автогрейдером толщиной 2 - 3 см и катком, имеющим на вальце рифленую обойму соответствующей формы, создают на поверхности сет- чатую, гофрированную или другие формы рисунка. 2. Армирующие элементы наносят специальным прицепным устро- йством, имеющим бункер, дно которого представляет собой вращаю- щийся рифленый валец с пазами, в них набирается раствор из бункера и укладывается на основание при качении. В обоих случаях для совме- щения укладки армирующих элементов, а затем асфальтобетонной смеси нанесение цементопесчаного раствора на основание произво- дится отдельными захватками. 3. Армирующие элементы образуют распределительной трубкой с отверстиями требуемой формы, через которые поступает цементопесча- ный раствор под давлением от растворонасоса. Распределительную трубку длиной до 3 м монтируют между ходовой частью и распределите- 40 лем обычного асфальтоукладчика. Армирующие элементы наносят на основание до укладки асфальтобетонной смеси. По технологиям, разработанным В. М. Гоглидзе, построен ряд улиц и г. Тбилиси. Оригинальная технология получения бетонов на органно-минераль- пых вяжущих предложена Н. В. Горелышевым [32]. Согласно ей, час- тицы грунта обрабатываются, цементом и гранулируются. Затем гранулы покрывают тонким слоем жидкого битума. Такая технология позволяет наиболее полно обеспечить нужную толщину битумной пленки, а соответственно, и прочность фазового контакта. В результате приведенного анализа все виды материалов на основе композиционных органно-гидравлических вяжущих можно разделить 1га три основные группы; Первый вид бетонов на ОГВ представляют асфальтобетон и органо-минеральные смеси на наполнителях гидравлического действия. I [олучают подобные материалы путем замены минерального порошка и части песка гидравлическим вяжущим. Готовят смеси, как обычный псфальтобетон, но в процессе смешения или на стадии укладки подают иоду с целью активизации процессов гидратации. В качестве гидравли- ческого вяжущего используют цемент, цементную пыль, сланцевую иолу. Достаточно эффектны комбинированные наполнители, состоящие из смеси гипсосодержащих отходов и сланцевой золы или цемента. Готовят бетоны первого вида по трем технологиям; горячей, теплой п холодной. Горячая технология предполагает нагрев каменного материала и органического вяжущего до рабочей температуры, смешение, распре- деление смеси в дорожное полотно, ввод воды и уплотнение. Воду целе- (юобразно подавать в шнекораспределительное отделение асфальто- укладчика при температуре 60-80 °С в количестве 3 - 5 мас.% . Горячая технология применяется в случае использования органических вяжу- п|,их повышенной вязкости и высокомарочных гидравлических вяжу- \\щх (цемента), поскольку ввод воды на стадии смешения приводит к «•аапариванию» цемента, его мгновенному схватыванию и потерям (1месью технологических качеств. Теплая технология применяется при использовании маловязких органических вяжущих и малоактивных наполнителей (сланцевая ;и)ла). Каменные материалы нагревают до 60-120 °С, затем вводят орга- ническое вяжущее, нагретое до рабочей температуры, наполнитель и поду. Малая активность наполнителя исключает «запаривание», а низ- 41 кая вязкость органического вяжущего позволяет осуществить переме- шивание в присутствии воды. Особенно эффективна теплая технология для приготовления дегтезоломинеральных композитов. При холодной технологии минеральный материал естественной температуры увлажняют до 8 - 1 0 % , потом вводят гидравлический наполнитель и нагретое до рабочей температуры органическое вяжу- щее. Применение холодной технологии эффективно для комбинирован- н ы х наполнителей на о с н о в е в л а ж н ы х о т х о д о в п р о и з в о д с т в а (цитрогипса и сланцевой золы). Классическим видом холодной техноло- гии является применение битумных эмульсий. К бетонам первого вида относят также асфальтобетонные смеси на основе доменных шлаков и холодные дегтешлаковые смеси. Под действием воды на контактах шлаковых частиц образуются кристалли- зационные связи. Бетоны первого вида обладают технологической простотой, позво- ляют повышать прочность материала в 2 - 5 раз. Однако они не исполь- зуют полностью потенциал гидравлического наполнителя ввиду наличия гидрофобных пленок, препятствующих проникновению воды и гидратации, особенно в случае горячей технологии. Основной особен- ностью композитов отмеченной группы является то, что взаимоде- йствие, а следовательно, и эффект от применения различных вяжущих проявляется на уровне микроструктуры. Второй вид бетонов на ОГВ составляют материалы, получаемые способом раздельного смешения. В этом случае асфальтовую и цемен- тную составляющие готовят отдельно, затем объединяют. К данному виду относят асфальтобетоны с добавками цементного теста и цемен- тного молока. Цементное тесто подают в смеситель либо перемешивают с холодной асфальтобетонной смесью. Более широкое распространение нашли бетоны данной группы, получаемые способом раздельного бетонирования, когда по слою уплот- ненного черного щебня распределяют цементопесчаный раствор (метод «бетохальт») или специальный цементополимерный состав (метод «сольвиации» [33]), а затем с помощью виброуплотнения заполняют ими пустоты черного щебня. К бетонам, получаемым способом раздель- ного смешения, можно отнести цементобетоны с добавками черного щебня, обработанные цементным раствором частицы регенерирован- ного асфальтобетона, а также гранулированные грунты. Бетоны второго вида позволяют практически полностью использо- вать потенциал цемента, и по прочности они занимают промежуточное 42 М(!СТО между асфальто- и цементобетоном, однако их изготовление свя- iiniio с определенными технологическими сложностями как на стадии приготовления, так и укладки. При приготовлении необходимо нали- чие двух смесительных агрегатов, особых дозирующих устройств, при шюде цементного теста не исключена возможность «запаривания» смеси. Для укладки требуются специальные распределители и мощная миброуплотняющая техника. С точки зрения структуры, бетон второго кида — это перколированные системы, и их свойства определяются пре- жде всего характером расположения и количеством материалов различ- ной природы. Влияние минерального вяжущего у бетонов второй группы может проявляться на уровне микро- и мезоструктуры (асфаль- тобетоны с добавкой цементного теста, гранулированные грунты) либо па уровне мезо- и макроструктуры (дробленый асфальтобетон, обрабо- танный цементным тестом или раствором, смеси типа «бетохальт»). К третьему виду бетонов на ОГВ относят блочные бетоны, полу- маемые путем объединения в одно целое по технологии крупных агрега- тов асфальто- и цементобетона. Подобные материалы разработаны И. М. Гоглидзе ,(см. выше). Бетоны данного вида позволяют получить шлсокую продольную жесткость при сохранении практически полнос- тью высокой релаксационной способности покрытия. Влияние мине- рального вяжущего проявляется на уровне макроструктуры. Хотя приведенная классификация довольно условна, она все же позволяет объединить и сгруппировать по наиболее важным признакам нею огромную гамму бетонов на ОГВ. Приведенная классификация бетонов на ОГВ свидетельствует, что минеральное вяжущее в зависимости от технологии приготовления участвует в структурообразовании на уровне микро- мезо- или макрос- труктуры. 3.2. Современные представления о структуре бетонов на ОГВ Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показали [1, 33], что независимо от технологии приготовления бетона (даже при подаче воды после обработки минерального материала биту- мом) возникают условия для гидратации гидравлического вяжущего, с-вязанные с наличием агрегатов цемента очень малых размеров (от нескольких десятков до сотен мкм), покрытых пленкой органического ияжущего пониженной толщины и прочности. При попадании в смесь воды и механическом воздействии происхо- дит отрыв частиц битума от агрегатов цемента (поверхностная энергия 43 воды выше, чем битума). Взаимодействие частиц цемента с водой приво- дит к возникновению щелочной среды и дальнейшему эмульгированию органического вяжущего, что способствует углублению процесса гидра- тации. Подобный процесс можно усилить методами электронно-ион- ных технологий (ультразвуковое воздействие, электрогидравлический эффект и т. д.). Экспериментальные исследования рН смесей, кинетики сорбции паров воды, прочности систем « ц е м е н т - б и т у м - в о д а » различного состава, рентгеноструктурный и термографический анализы подтвер- дили наличие процессов гидратации при приготовлении бетонов на ОГВ. Степень гидратации цемента в структуре бетона на ОГВ дости- гает 5 0 - 1 0 0 % по сравнению со степенью гидратации цементного камня. Меньшая степень гидратации наблюдается при подаче воды после битума. Максимальная — при применении эмульсий, раздель- ном приготовлении асфальтовой и цементной составляющих (бетоны 2-й и 3-й групп). Процесс структурообразования бетонов на ОГВ заключается в появ- лении различного рода связей прогидратировавших агрегатов гидравли- ческого вяжущего между собой при наличии пленок органического вяжущего различной толщины. В ряде случаев возможно появление фазовых контактов между прогидратировавшими агрегатами цемента, вызванных взаимодействием продуктов гидратации. Эти контакты воз- никают в разрывах битумных пленок, а также и через битумные пленки небольшой толщины. Причинами их появления при наличии углеводо- родных пленок являются: внутрикристаллическое давление, перенос ионов вследствие диффузии, разрыв углеводородных пленок в резуль- тате контракции, частичная взаимная растворимость составляющих. Экспериментальные исследования прочности образцов после экстра- гирования битума, анализ прочности ненарушенной и разрушенной структур подтвердили возможность появления фазовых контактов при толщине пленок органического вяжущего в пределах 1 - 5 мкм. Однако, учитывая незначительную прочность фазовых контактов при наличии пленок органического вяжущего, они не являются главным структурооб- разующим фактором бетонов на ОГВ (особенно первой группы, когда гид- равлическое вяжущее проявляется на уровне микроструктуры) . Основным структурообразующим элементом бетонов на ОГВ является формирование межфазных переходных слоев кластерного типа. Пос- кольку гидравлические и органические вяжущие являются термодина- мически несовместимыми и не могут образовать устойчивой однофазной 44 системы, граница раздела фаз является размытой и контакты осуще- ствляются через межфазные переходные слои. На формирование меж- фазных слоев оказывают влияние как физические (прорастание кристаллов, адсорбция, разрушение ассоциатов битума, перенос ионов, образование двойных электронных слоев), так и химические (образова- ние связей типа Me + _OOCR, водородных - Н - 0 и др.) процессы. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана структурная модель бетонов на ОГВ, которая представлена прогидратировавшими в различной степени агрегатами цемента и рядом межфазных переходных слоев В зависимости от объемной доли цементной фазы, структурные агрегаты цемента могут взаимодействовать между собой через про- слойки битума, переходные слои либо непосредственно друг с другом, образуя фазовые контакты. Теоретические расчеты на ЭВМ для предложенной модели позво- лили сделать следуюш;ие выводы. С увеличением объемного содержа- ния цементной фазы число перколяционных контактов растет по степенной зависимости. За счет наличия переходных слоев перколяци- онные пороги структурообразования смещаются в сторону снижения. Повышение прочности и протяженности переходных слоев влияет ана- логично увеличению марки минерального вяжущего. Зависимость между маркой минерального вяжущего и прочностью композита близка к линейной. Увеличение марки (прочности) минераль- ного вяжущего целесообразно при его объемной доле более 50 -60%. Поэ- тому для ряда бетонов (особенно первой группы) можно использовать низкомарочные вяжущие, что имеет большое практическое значение. Таким образом, структурообразующая роль гидравлического вяжу- щего обусловлена образованием межфазных переходных слоев кластер- ного т и п а , о б л а д а ю щ и х о п р е д е л е н н о й э н е р г и е й с в я з и и способствующих повышению прочности и устойчивости системы. 3.3. Применение бетонов на ОГВ в Республике Беларусь Внедрение результатов исследований в практику дорожного строит- ельства РБ велось по 5-ти направлениям: 1. Использование дегте (гудроно) золоминеральных композиций. 2. Теплые асфальтобетонные смеси на комбинированных наполни- телях гидравлического действия. 3. Горячие асфальтобетонные смеси на наполнителях из портлан- дцемента с вводом воды на стадии укладки. 45 4. Влажные органно-минеральные смеси на комибинированных наполнителях гидравлического действия. 5. Эмульсионно-минеральные смеси и асфальтоцементные компо- зиты, получаемые способом раздельного бетонирования (гранулирован- ный асфальтобетон). Применение сланцевой золы по сравнению с цементом имеет следу- юш;ие преимуш;ества. Во-первых, она обладает замедленными сроками твердения, что исключает ее схватывание в момент приготовления и укладки смеси при повышенной температуре. Вместе с тем, после завер- шения процессов гидратации золобетоны обладают достаточно высокой прочностью. Во-вторых, зола содержит большое количество тонкодис- персных частиц, структурируюш;их деготь. И, в-третьих, золы дос- тупны и имеют низкую стоимость. В свою очередь каменноугольный деготь обладает высокими адгезионными свойствами при наличии влаги, что позволяет получать композиции с высокими технологичес- кими и эксплуатационными свойствами. Активное применение дегтезоломинеральных композиций (ДЗК) велось с 1985 по 1990 год, когда в республике широко использовались каменноугольные смолы. Использование ДЗК позволило решить ряд технологических, экономических и экологических проблем. В час- тности, отказавшись от окисления и выпаривания вяжуш;их, можно снизить температуру смесей (что особенно важно с экологической точки зрения), отказаться от применения привозного ш;ебня и т. д. Нижние слои дорожных покрытий из ДЗК были устроены на автодо- рогах: Лида-Геранены, Вороново-Гродно, Вильнюс-Полоцк, Новогру- док-Несвиж, Барановичи-Осиповичи, Минск-Нарочь и др. Смесь в дорожное полотно укладывали асфальтоукладчиком либо автогрейде- ром при температуре 40-100 °С. Благодаря наличию воды, она обладает высокой удобоукладываемостью и уплотняемостью. Избыточная вода выдавливается на поверхность слоя при уплотнении, заш;емленная вода связывается гидравлическими компонентами золы и не ухудшает качес- тво слоя. Уплотнение смеси гладковальцевыми катками эффективно при содержании ш;ебня не менее 40%. При меньшем содержании ввиду высо- кой пластичности смеси и низкого сопротивления сдвигу в начальной ста- дии уплотнения преимуш;ество имеют катки на пневмоходу. Более чем десятилетняя эксплуатация отдельных дорог не выявила негативных моментов поведения ДЗК. Отсутствуют пластические и хрупкие деформации. Особенно важным является подтверждение дли- тельной эксплуатацией в натурных условиях хорошей «совмести- мости» органно-минеральных вяжуш;их. 46 Теплая технология получения бетонов на ОГВ была реализована в условиях дорожно-строительного треста № 1. Данная технология нредно- лагает холодное смешение компонентов с последующим их подогревом /1,0 80-90 °С. Для этого был использован асфальтосмеситель специальной конструкции (рис. 3.1), обеспечивающий двухстадийное приготовление смеси. На первой стадии происходит предварительное смепхение холод- ных минеральных компонентов с разогретым до рабочей температуры •битумом. На этой стадии происходит гидратация цемента и диспергиро- пание битума на отдельные капли. Затем смесь подается в барабан специ- альной конструкции. В первом отсеке барабана-смесителя расположена (1)орсунка, и лопатки расположены таким образом, что материал нахо- /щтся между лопатками и стенками барабана. Материал обдувается про- дуктами сгорания и одновременно получает тепло от лопаток без непосредственного контакта с пламенем, что позволяет сохранить воду, и смесь на выходе имеет температуру не более 90 °С. Подобная технология имеет ряд преимуществ. Во-первых, в связи с предварительным холодным смепхением компонентов удается добиться максимальной степени гидратации цемента. Во-вторых, подогрев смеси с одновременным перемепхиванием обеспечивает xoponiee диспер- гирование битума за счет увеличения его поверхностной энергии. В июле-августе 1995 года на базе ДСУ-26 было осуществлено внед- рение предлагаемой технологии на объекте Апанасенки - Лужки - Гвоз- дово. Значения модуля упругости и предела прочности на изгиб бетона Рис. 3.1. Двухстадийная технология получения бетонов на ОГВ 47 на ОГВ оказались в 1 ,5-1 ,7 раза выше, чем асфальтобетона, что позво- лило снизить толщину дорожной одежды. В результате замены двухслойного покрытия из асфальтобетона однослойным из бетонов на ОГВ обш;ая толш;ина снизилась на 2 см., Характерно, что в составе бетона был использован комбинированный наполнитель (цемент и доломитовый порошок). Горячие асфальтобетонные смеси на наполнителях из портландце- мента с вводом воды на стадии укладки особенно эффективны для , городских улиц и дорог, для которых остро стоит вопрос обеспечения сдвигоустойчивости дорожных покрытий, особенно на участках тормо- жения (остановки, перекрестки). Например, на проспекте Рокоссов- ского в г. Минске, несмотря на соответствие материала покрытия ГОСТу 9128-84 и СТБ 1033-96, глубина колеи достигала 10-20 см. Состав смеси представлен в таблице 3.1. Таблица 3.1 ' Наименование компонента Количество, % Щебень фракции 5 - 1 5 35 Щебень фракции 5—10 20 Песок 15 Отсев 15 Цемент 15 Битум 4 ,7 Выпуск смесей и опытное строительство осуш;ествляли летом 1996 года. Смесь готовили на АБЗ «Волма» ДСУ № 5. Температура смеси на выпуске составляла 150 °С. Доставка на объ- ект осуш;ествлялась автосамосвалами через 30-40 минут. Температура смеси на объекте составляла 130-140 °С. Укладка смеси производилась асфальтоукладчиком с подачей воды посредством поливочно-моечной машины через трубу с отверстиями (рис. 3.2, 3.3). Регулировка расхода воды осуш;ествлялась с помош;ью предвари- тельно оттарированного крана. Расход воды составил 3 - 4 % . Уплотне- ние у л о ж е н н о й с м е с и о суш;ествлялось п н е в м а т и ч е с к и м и и гладковальцевыми катками. Характерно, что избыточная вода выдав- ливалась на поверхность покрытия и не препятствовала образованию структурных связей битума. Текстура готового покрытия приведена на рис. 3.4. 48 ШШ: t Рис. 3.2. Укладка смеси с подачей воды Рис.3.3. Механизм подачи воды в смесь 49 Таблица 3.3 Свойства бетонов на ОГВ Вид смеси Показателе R50, МПа R0, МПа R20, МПа W , % Н,% Без добавок воды 1,2 8 ,3 3 ,6 2 ,0 0 С добавкой воды в возрасте 7 суток 2,0 8 ,6 4 ,8 1,5 0 ТисЛЛ. Твкехтра / ~ - Тк . . Г- ^ i Рис.3.5. Покрытие из бетона на ОГВ по пр. Машерова (левая сторона) 50 Эксплуатация участков в течение жаркого лета и холодной зимы 1 996/1997 года показала их хорошее состояние. В июне 1997 года подо- бным способом было устроено покрытие на перекрестке проспекта Машерова в г. Минске (рис. 3.5, 3.6). Обш;ая плош;адь покрытия составила 285 м" 'В июле-августе 1997 года температура покрытия достигала 55-60 °С. Однако пластические деформа- ции не появились. При приготовлении бетонов горячим и теплым спосо- бами степень гидратации цемента зависит от и н т е н с и в н о с т и «авг^ Рис. 3.6. Покрытие из бетона но ОГВ по пр. Машерова (правая сторона) 100 § и 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Удельная мощность, Вт/кг граница обтсти существующих смесителей Рис. 3.7. Зависимость степени гидратации от удельной мощности смешения 51 перемешивания, т. е. от удельной мощности смесительных устройств. На рис. 3.7 представлена зависимость степени гидратации бетонов на ОГВ от удельной мощности перемешивания в лабораторных условиях. Учитывая, что удельная мощность существующих асфальтосмеси- телей типа Тельтомат , ДС 1 1 7 - 2 Е и др. находится в пределах 30 -40 Вт 1кг, то степень гидратации может достигать не более 50-70% . Для повышения степени гидратации до 80 -90% необходимо увеличить удельную мощность в 2 - 3 раза. Следовательно, перспективной задачей получения качественных бетонов на ОГВ является повышение удель- ной мощности смесительных устройств. Наличие воды в смесях бетонов на ОГВ приводит к определенным особенностям их реологического поведения. Вода является естествен- ной «смазкой» и снижает вязкость смеси. На эту особенность воды ука- зывали Лысихина и Ястребова [34] и предлагали вводить воду в асфальто- и дегтебетонные смеси для улучшения их уплотняемости. Исследования вязких свойств смесей бетонов на ОГВ, получаемых по теплой технологии, показали, что ввод воды ведет к снижению вяз- кости, причем это наиболее заметно при В /Ц = 0,5. Дальнейшее увели- чение количества воды мало проявляется на свойствах смеси, а в отдельных случаях может привести и к ухудшению удобоукладывае- мости. Обусловлено это тем, что наилучшее растекание битума по влаж- ной поверхности наблюдается при толщине водной пленки, равной слою адсорбированной воды. Поэтому оптимальное содержание воды колеблется в пределах 8 - 1 2 % от массы минеральной части [25]. Смеси бетонов на ОГВ имеют значительно более высокую подвиж- ность и удобоукладываемость. Если оптимальную температуру укладки асфальтобетонной смеси принять 110-130 °С, то такую же удобоукладыва- емость будут иметь бетоны на ОГВ при 60-80 °С. Этот факт является очень важным моментом и свидетельствует, что укладывать и уплотнять смеси на ОГВ можно при температурах значительно более низких по сравнению с асфальтобетонами и в то же время обеспечить те же технологические параметры при одновременном сохранении воды. Учитывая данную ситуа- цию, ввод воды при горячей технологии также следует производить при температуре ниже 100 °С, что предотвратит интенсивное испарение. Укладку смесей бетонов на ОГВ в дорожной одежде производят теми же механизмами, что и асфальтобетон. При этом следует учитывать наличие воды в смеси, что требует увеличения толщины укладываемого слоя по сравнению с асфальтобетоном на 20 -30%. Ввиду более высокой подвижности смеси при уплотнении предпочтение следует отдавать кат- 52 кам на пневмоходу. Для горячих смесей виброуплотнение полезно, и воз- действие вибрации можно осуществлять сразу после укладки. Это способствует более интенсивному прониканию воды к непрореагировав- шим зернам цемента. Теплые, холодные смеси желательно подвергать виброуплотнению после начала схватывания цемента, что позволит добиться интенсивного распада эмульсии или дисперсного битума после начала формирования структуры цементного камня. Учитывая большие запасы на предприятиях республики гипсосо- держащих отходов (отход полировки стекла, цитрогипс, фосфогипс), была разработана технология их применения путем комбинации со слан- цевой золой или цементом. В результате получали комбинированные наполнители. Для приготовления смесей на подобных наполнителях была разработана особая технология. Дело в том, что комбинированные влажные наполнители нельзя подать по линии минерального порошка ввиду их зависания в емкостях и дозаторах, а также через сушильный барабан в связи с пылимостью и резким падением производительности. Решение данной проблемы возможно при применении шнековых перегружателей (тип МС-353М), которые позволяют получить качес- твенную смесь различных наполнителей и подать их непосредственно в смеситель, минуя сушильный барабан и дозаторы. При проведении опыт- ных работ комбинированный наполнитель готовили путем смешения отхода полировки стекла и сланцевой золы в соотношении 4:1 и добав- кой воды до 5 0 % . Смешение осуществляли в МС-353М, а затем получен- ную пульпу подавали в смеситель. В своем составе смесь содержала 91% ПГС, 4% отхода полировки стекла и сланцевой золы, 5% воды и 4% дегтя ( 100%). Физико-механические показатели приведены в табл. 3.3. Таблица 3.4 Физико-механические показатели смеси на комбинированных наполнителях Показатель Значение Предел прочности на сжатие при 20 С в возрасте 1 суток, МПа 1,32 То же, в возрасте 28 суток 2,31 Предел прочности на сжатие при 20 С в возрасте 1 суток, МПа 0,87 Водонасыщение, % 8,2 Набухание, % 0,7 Предел прочности после длительного водонасыщения, МПа 1,4 Смеси готовили и укладывали по холодной технологии. Опыт строи- тельства и последующая эксплуатация д о р о ж н ы х п о к р ы т и й под- 53 т в е р д и л и э ф ф е к т и в н о с т ь данной т е х н о л о г и и . По р е з у л ь т а т а м исследований изданы соответствующие рекомендации [36]. Холодная технология позволяет добиться максимальной гидрата- ции гидравлического вяжущего, максимальной экономии энергозат- рат и ресурсов. Холодная технология приготовления битумов на основе эмульсий была реализована при строительстве дороги М - 1 «Беларусь» КМ 33 -48 .2 . Верхний слой основания дорожной одежды был выполнен из смеси дробленого асфальтобетона (старого покрытия) битумной эмуль- сии ( 2 , 5 % ) и цемента (3%) . В РБ внедрение данной технологии осуществлено ПРСО Мин- скоб л дорстрой, Витебскоблдорстрой и др. Применение подобного мате- риала п о з в о л и л о с н и з и т ь с т о и м о с т ь с т р о и т е л ь с т в а и п о л у ч и т ь существенный эффект. Более подробно данная технология и опыт при- менения изложены в разделе 4.3.4. Видимо, следует в перспективе вернуться к покрытиям, устраивае- мым способом раздельного бетонирования. Подобные покрытия имеют высокую прочность и гибкость. Не требуют для устройства мощных механизированых комплексов (достаточно виброраспределителя) (рис. 3.8), имеют хороший декоративный вид (можно в состав раствора вво- дить пигменты) (рис. 3.9). Необходимо только оптимизировать состав и технологические свойства заполняющего пустоты раствора. В этом плане следует проанализировать полимерцементные растворы, возмож- ность использования расширяющихся цементов и т. д. Бетоны, получен- ные данным способом, могут найти применение на автозаправках, аэродромах, стоянках и т. д. В целом для широкого внедрения в условиях РБ можно на перспек- тиву рекомендовать следующие материалы и технологии: 1. Бетоны на ОГВ, полученные горячим способом с вводом воды на стадии укладки. Подобные бетоны не требуют нового оборудования. Однако их применение возможно только для локальных небольших объ- ектов (отдельные, наиболее напряженные перекрестки, остановки общественного транспорта и др.). 2. Бетоны на основе эмульсий и портландцемента, обладающие наи- более высокой надежностью и долговечностью. Их применение воз- можно как на городских, так и загородных автомагистралях. Для их широкого внедрения следует расширить сеть асфальтобетонных заво- дов, работающих по холодной технологии. 3. Бетоны, получаемые путем обработки старого дробленого асфаль- тобетона битумной эмульсией и цементом. В этом случае необходимо 54 ШттШшттыш'^ МШГШШИМ Wmanmrntrnp^ " ш к Рис. 3.8. Виброраспределитель для устройства покрытия по способу раздельного бетонирования Рис. 3.9. Вид покрытия, устроенного по способу раздельного бетонирования 55 разработать отечественную машину холодного фрезерования и пере- движной смеситель достаточно высокой производительности. 3.4. Стандарты и нормативные документы В РБ вышел стандарт (СТБ) 1415-2003 «Дорожные бетоны на органо-гидравлических вяжуш;их для автомобильных дорог и улиц». В соответствии с данным стандартом смеси для бетонов на ОГВ делятся на три группы: 1. Смеси, состояш;ие из ш;ебня (гравия), песка (природного и иску- сственного), гидравлического вяжуш;его, органического вяжущего и воды. Данные смеси могут также содержать определенное количество минерального порошка (до 50% от массы цемента). 2. Смеси, состояш;ие из пдебня (гравия), песка (природного и иску- сственного), портландцемента (сланцевой золы, шлакопортландце- мента) и битумной эмульсии. 3. Смеси, состояш;ие из старого дробленного асфальтобетона (в даль- нейшем асфальтобетонный гранулят), битумной эмульсии, портландце- мента. Смеси третьей группы могут содержать также определенное количество ш;ебня и песка из отсева дробления. В зависимости от обш;его уровня надежности, назначаемого по срокам службы до капитального ремонта, бетоны на ОГВ делятся на три марки: I — обилий уровень надежности > 0,9 (срок службы 15-18 лет); II — обилий уровень 0 ,75-0 ,9 (срок службы 10-12 лет); III — обилий уровень 0 ,6-0 ,75 (срок службы 8 - 1 0 лет). К бетонам предъявляются следуюш;ие технические требования (табл. 3.4). Методика определения указанных в таблице показателей представлена в СТБ. Поскольку многие подходы данного СТБ для специ- алистов являются новыми, за консультациями на первом этапе следует обраш;аться в БНТУ. Таблица 3.4 Технические требования к бетонам на ОГВ Наименование показателя • Требования к бетонам, применяемым для устройства Покры- тий Покрытий в зоне остановок и перекрестков городских улиц Нижних слоев покрытий Нижних слоев в зоне остановок и перекрестков городских улиц Метод определе- ния 1. Водонасыщение, % по объему, не более 0 , 5 - 7 , 0 * 0 , 5 - 7 , 0 * 0 , 5 - 1 0 0 , 5 - 1 0 СТБ 1115 2. Набухание, % ; по объему, не более 1,0 1,0 1,0 1,0 СТБ 1115 56 Наименование показателя Требования к бетонам, применяемым для устройства Покры- тий Покрытий в зоне остановок и перекрестков городских улиц Нижних слоев покрытий Нижних слоев в зоне остановок и перекрестков городских улиц Метод определе- ния И. Индекс сопротив- ления пластическим деформациям (Ип), не менее 1,0 1,0 1 ,0 1,0 Прило-жение В 4. Индекс темпера- турной трещинос- тойкости (Ит), не менее 0 ,6 0 ,6 0 ,5 0 ,5 Прило-жение Г 5. МаксимЕШьная структурная про- чность (Re, МПа), не менее 2,2 2 ,5 1,8 1,8 Прило-жение Г 6. Прочность на сжа- тие при температуре плюс 50 "С. МПа, не менее в возрасте 1 сутки (1 группа) 14 суток (2 и 3 группы) 28 суток 0 ,5 0 ,9 1,0 0 ,7 1,2 1,4 0 ,3 0 ,6 0 ,8 0 ,5 1,0 1,2 СТБ 1115 7. Коэффициент морозостойкости в агрессивной среде, не менее 0 ,7 0 ,7 0 ,6 0 ,6 Прило-жение Д ^Примечание: В случае устройства защитного слоя не ранее чем через 6 месяцев максимально допустимый уровень водонасыщения дол- жен составлять не более 4% . Важным моментом данного СТБ является тот факт, что впервые предложено на стадии подбора состава оценивать расчетные характе- ристики материала, используемые при конструировании дорожных одежд. Это позволяет свести'к минимуму «нестыковки» на стадии про- екта и строительства. В качестве расчетных характеристик для проектирования дорожной одежды используют прочность на растяжение при изгибе при темпера- туре 273 °К и модули упругости при температурах 273 и 283 °К. Расчет- ные х а р а к т е р и с т и к и о п р е д е л я ю т по у п р о щ е н н о й м е т о д и к е , представленной ниже: 1. Изготавливают 12 образцов — цилиндров по СТБ 1115 и выдер- живают 28 суток в нормально влажностных условиях. 57 2. Определяют прочность образцов (по три образца) на растяжение по образующей по СТБ 1115 п. 6.10 при температуре 273 °К и 283 °К. 3. Определяют значение предельной структурной прочности (R^) по данным испытаний и расчетов по формуле 3.1: l + l ,921g(^) Щ R j и R2 — прочность на растяжение при 258 °К, со скоростью 3 и 10 мм/мин соответственно, определяемая по СТБ 1115-98 п. 6.10 и рассчитанная по СТБ 1115-98 п. 6.10.4 (3.2) 2 4. Вычисляют прочность материала при расчетной скорости дефор- мации и напряженном состоянии изгиба для температуры 273 и 283 гра- дусов (Ей) с точностью до первого десятичного знака (МПа): Ru^ 0,431+i? / i?c 5. Вычисляют значение максимального модуля упругости (Ее) с точ- ностью до первого десятичного знака: Ес=1,2(10ВД'®. (3.4) 6. Вычисляют значения модулей упругости при расчетных темпера- турах (273 и 283 градусов) (Е) с точностью до целого знака: ' ^ (3.5) Ее Ее где т — параметр, учитывающим структуру материала и принимаемый равным — 0,8 для бетонов первой группы и 1,0 для остальных. Пользоваться данной методикой следует на предпроектной стадии. Расчетные характеристики определяют в аттестованных лабораториях по заданию заказчика или проектной организации. 58 4. БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 4.1. Общие понятия об эмульсиях Эмульсия — дисперсная система, в которой одна из жидкостей рас- пределена в виде мелких капель в другой жидкости. В битумных эмуль- сиях капельки битума, полученные диспергированием горячего битума в специальных устройствах (коллоидных мельницах, гомогенизато- рах), распределены в воде, содержащей поверхностно-активное веш;ес- тво (ПАВ) — эмульгатор. В зависимости от вида дисперсионной фазы и дисперсионной среды различают два вида эмульсий: прямые эмульсии, т. е. эмульсии типа ;<масло в воде», образованные углеводородной жидкостью (битумом), диспергированной в воде (дисперсная фаза — битум); обратные эмуль- сии, т. е. эмульсии типа «вода в масле», которые состоят из воды, дис- пергированной в углеводородной жидкости. Эти две фазы разделяются заш;итной пленкой эмульгатора, моле- кулы которого покрывают поверхность частиц. Аполярная часть этих молекул (углеводородная цепочка) обращена в углеводородную фазу (или масляную фазу), их полярная часть погружена в воду и образует, ионизируясь, электрические заряды на поверхности частиц (рис. 4.1). Предполагается, что частица вяжущего будет вести себя как кон- денсатор, образованный двумя концентрическими заряженными сфе- рами. На деле это лишь весьма приближенная гипотеза, так как электрические заряды верхнего слоя распределяются по сфере неравно- мерно, образуя рассеянный слой, плотность которого экспоненциально уменьшаете^ Когда две заряженные частицы находятся рядом, происходит оттал- кивание, вызванное электростатическим явлением, и притяжение, молекула ПАВ капля битума Рис.4.1. Схема взаимодействия ПАВ и битумной капли 59 вызванное силами Ван дер Ваальса. В результате отталкивающая роль эмульгатора будет проявляться только до некоторого минимального расстояния, ниже которого произойдет слипание частиц. Поэтому существует некоторая критическая концентрация битума в эмульсии. Эмульгатор — одна их основных составляющих эмульсий. Роль эмульгатора не сводится только к образованию вокруг частиц диспер- сной фазы защитных пленок. Эмульгаторы, адсорбируясь на повер- хности раздела жидкостей, понижают поверхностное натяжение и тем самым облегчают процесс эмульгирования. Эмульгаторы должны быть совместимы и с органической, и с вод- ной фазами той системы, которая должна быть эмульгирована. Они характеризуются тем, что в составе их молекул должны содержаться полярная, растворимая в воде (гидрофильная) часть и неполярная, нерастворимая в воде (гидрофобная) часть. Эмульгаторы должны быть поверхностно-активными, т. е. обладать свойством мигрировать или перемещаться к поверхности раздела, которая может представлять собой границу между двумя жидкостями, жидкостью и газом, жидкос- тью и твердым телом. В битумно-водных эмульсиях эмульгатор перемещается к повер- хностям раздела между битумом и водой. Гидрофобная часть молекулы эмульгатора сохраняет взаимодействие с поверхностью частиц битума, придавая им ионные заряды. Гидрофильная часть молекулы эмульга- тора располагается в водной фазе (см. рис. 4.1). Существует три наиболее общих классификационных группировки эмульгаторов битума: катионные, анионные и нейтральные (не облада- ющие ионным зарядом). В связи с тем, что нейтральные или неионизи- рующие эмульгаторы (т. е. эмульгаторы, которые поверхностно активны, но не ионизируют в растворе) имеют весьма ограниченное при- менение в эмульсиях битума, далее мы рассмотрим влияние только катионных и анионных эмульгаторов. Данный вопрос подробно рас- смотрен в ряде литературных'источников [17, 36, 37, 38 и др.]. Установлено, что при введении в воду ионных эмульгаторов они ионизируют и перемещаются к поверхности битумных капель, которые со всех сторон окружены водной фазой. Пленка, которая образуется в результате объединения на поверхности битумной частицы гидрофоб- ных частей молекул эмульгатора, придает битумным каплям электри- ческий заряд. Знак этого заряда определяется зарядом гидрофобной или углеродистой части молекулы эмульгатора. Если отрицательно заряженные ионы (анионы) эмульгатора обладают гидрофобностью, то 60 битумные капельки будут нести отрицательный заряд, а эмульсия назы- |»ается «анионной». Если катионы или положительно заряженные ионы эмульгатора гидрофобны, то битумные частицы несут положи- тельный заряд, а эмульсия относится к типу «катионных». Типичным анионным эмульгатором является натриевая соль олеи- новой кислоты, химическая формула которой имеет следуюш;ий вид: При ионизации натриевой соли олеиновой кислоты гидрофобная углеводородная группа становится частью отрицательно заряженного иона-аниона. Длинные цепочки отрицательно заряженных и гидрофоб- пых углеводородных групп придают битумным каплям в эмульсии отрицательный электрический заряд. Типичным катионным эмульгатором является соль Duomeen Т соля- ной кислоты, формула которой имеет вид: 1 ++ — " C H 3 ( C H 2 ) i 7 - N - ( C H 2 ) 3 - N H 1 2 С1 Когда соль Duomeen Т ионизирует, гидрофобная часть ее молекулы образует часть положительно заряженного иона-катиона. Длинные цепочки положительно заряженных гидрофобных углеводородных I'pynn покрывают поверхность битумных капель, придавая им положи- тельный заряд. Для того чтобы происходила ионизация эмульгатора и его перевод в соль, дисперсионная среда должна иметь определенный уровень Ph, то есть являться кислой либо ш;елочной. Поэтому при приготовлении анионных эмульсий в воду добавляют ш;елочь, и наоборот, при приго- товлении катионных эмульсий — кислоту (в основном соляную). Однако в целом и анионная, и катионная — эмульсии электрически нейтральны, так как каждая битумная частица, обладаюш;ая зарядом того или иного знака, окружена эквивалентным числом ионов с заря- дом противоположного знака, которые находятся в водной фазе. Знак и величина заряда, который приобретают битумные частицы в эмульсии, играют очень большое значение при рассмотрении техничес- ких свойств битумных эмульсий. Характеристики электрического заряда, а также интенсивность поверхностной активности эмульгатора определяют собой поведение битумных капель эмульсии при ее контакте 61 с различными типами дорожных материалов. Выбор типа эмульсии зави- сит от ее назначения и заряда поверхности минерального материала. Для основных пород (известняк, доломит) лучше использовать анионные эмульсии, для кислых пород (гранит, кварц) — катионные. При таком подборе эмульсий их распад происходит достаточно быс- тро за счет химического взаимодействия поверхности минерального материала и частиц битума. В целом, как уже отмечалось, анионные эмульсии применяются для покрытия основных заполнителей, и их распад зависит от испаре- ния воды и адсорбции влаги заполнителем. Холодная влажная погода будет задерживать испарение воды из эмульсии, а в связи с этим и рас- пад эмульсии. Любое количество воды, по той или иной причине оказав- шееся на дорожном полотне, или внезапный дождь тоже будут замедлять или полностью приостанавливать уже начавшийся распад. Это, естественно, приводит к ухудшению качества дорожных работ. Кроме того, даже в том случае, когда процесс расслоения анионной эмульсии внешне протекает весьма успешно, битумное покрытие сохра- няет чувствительность к воздействию влажной погоды. Катионные эмульсии, в отличие от анионных, распадаются, главным образом, не за счет испарения воды. Битум покрывает заполнитель в основном в связи с сильным ионным притяжением полярных зарядов между положительно заряженными битумными частицами и отрица- тельно заряженными частицами заполнителя, причем отрицательный заряд характерен для подавляюш;его большинства дорожных материалов. В связи с тем, что распад катионных эмульсий не зависит от испарения влаги, они могут использоваться как с влажными и охлажденными запол- нителями и дорожными покрытиями, так и с теплыми сухими материа- лами. Эти эмульсии могут быть использованы и при высокой влажности, и при холодной погоде, если температура не падает ниже 5 °С. Когда катионные эмульсии используются для устройства поверхнос- тной обработки, они могут быть быстро введены в эксплуатацию. Кроме того, значительно уменьшается опасность того, что внезапный дождь смоет еш;е не затвердевшее покрытие, так как битум очень быстро распре- деляется на поверхности заполнителя и прочно сцепляется с ней. 4.2. Технология получения и свойства эмульсий Битумные э м у л ь с и и , используемые для д о р о ж н о г о строит- ельства, — это прямые эмульсии, в которых дисперсной фазой явля- ется чистый битум или разжиженный. Готовят битумные эмульсии на специальной установке, обш;ий вид которой показан на рис. 4.2. 62 Рис. 4.2. Общий вид установки для получения эмульсий Установка включает емкости для хранения составляющих, доза- торы, коллоидную мельницу и емкости для готовой продукции. Качество эмульсии зависит от гранулометрии капель битума, его количества, вида и количества эмульгатора, количества кислоты или ш;елочи (анионная эмульсия), служаш;их для превраш;ения эмульгатора в соль. Данные факторы и предопределяют физико-химические сво- йства эмульсии: рН, проводимость, знак заряда, интенсивность электро- статического отталкивания, а также технологические свойства: устойчивость, скорость распада, коалисценцию и вязкость. Унифицированных составов эмульсий не суш;ествует. Для каждого вида битума и технологии применения разрабатывается свой состав. Вместе с тем, следует учитывать определенный ряд обш;их правил [38]: 1) количество кислоты (катионпая эмульсия) или основания (ани- онная), добавляемых в водную фазу, должно быть рассчитано таким образом, чтобы количество эмульгатора, присутствуюш;его в ионизиро- ванном виде, было достаточным для создания заш;итного слоя и в то же время количество эмульгатора не должно превышать уровня, при кото- ром образуется двойной электрический слой; 2) концентрация битума не должна превышать определенный порог за которым теряются технологические свойства. Этот порог составляет примерно 65% битума для анионных эмульсий, 70% битума для катионных эмульсий. 63 Эмульсия образуется при одновременном введении в мельницу битума и водной фазы. Температура битума выбирается так, чтобы получить вязкость порядка 200 сантипуаз, обычно она составляет: 140 °С для битумов 130/220, 150 °С для битумов 90/130. Чтобы ограничить пенообразование, температура водной фазы рас- считывается таким образом, чтобы температура эмульсии на выходе из коллоидной мельницы не была выпхе 95 °С. Основным технологическим свойством эмульсии является ее устойчивость. Битумная эмульсия является неустойчивой системой. Считается, что абсолютно устойчивая по отнопхению к каменным материалам эмульсия не будет представлять никакого интереса для дорожного строительства. Различают устойчивость двух видов: - устойчивость при хранении, которая должна быть как можно Bbinie; - устойчивость по отнопхению к минеральным материалам, вер- хние и нижние границы которой обуславливаются технологией приме- нения, в этом случае предпочитают говорить о скорости распада. Анализируя устойчивость при хранении различают три процесса: отстаивание, образование агрегатов и коагуляцию. Отстаивание может выражаться либо в осадкообразовании, либо в расслаивании: - осадкообразование — неоднородность содержания воды по слою эмульсии (содержание воды уменьпхается в нижней части); - расслаивание — обратный процесс. Отстаивание можно замедлить путем: - увеличения дисперсности битума эмульсии (уменьпхения размера капель битума); - уменьпхения разницы плотности между дисперсной фазой и дис- персионной средой. Битумные эмульсии легко соблюдают это условие, поскольку плотность битума составляет примерно 1,02, иначе обстоит дело с дегтевыми эмульсиями, их плотность близка к 1,25; - увеличения вязкости дисперсионной среды. Образование агрегатов— это первая стадия коагуляции. Частицы слипаются, но не теряют свою индивидуальность. Это явление обратимо. Сращивание — это вторая стадия коагуляции. Слипп1иеся частицы соединяются, образуя более крупную частицу. Это явление необратимо. 64 Последние два явления не отделимы друг от друга, наиболее мед- лонное явление определяет скорость распада. Можно затормозить распад, увеличив содержание эмульгатора и оптимально приблизившись к рН устойчивости, величина которой меняется в зависимости от природы вяжущих и эмульгатора [40]. Для пнионной эмульсии недостаточно высокий рН заставляет отступить ионизацию, мыло RCOO стремится превратиться в RCOOH, электричес- кое отталкивание уменьшается, и эмульсия становится неустойчивой. (Аналогичное явление происходит и в катионных эмульсиях, если рН не является достаточно низким.) Ионная сила среды сильно воздействует на устойчивость эмульсии, и излишек сильного электролита может вызвать неустойчивость. Слиш- ком большие излишки ш;елочи в анионной эмульсии, кислоты в катион- иой эмульсии, избыток солей могут вызвать распад. Например, битумы, кислотность которых была изменена добавкой сильных органических кислот, могут образовать неустойчивые эмуль- сии при обычных условиях изготовления катионных эмульсий, так как значительная часть этих кислот мигрирует в водную фазу. Отстаивание эмульсии можно определить путем измерения содер- жания воды на разных уровнях в пробирке, содержаш;ей эмульсию. Качество эмульсии и ее эксплуатационная надежность во многом зависят от качества и вида применяемых эмульгаторов. На мировом рынке наибольшее распространение получили эмульгаторы француз- ской фирмы СЕКА. В настояш;ее время в работах Н А Н Беларуси изучены колло- идно-химические свойства водных растворов эмульгаторов Dinoram и Polyram. Тензиометрическими и вискозиметрическими методами опре- делены их критические концентрации мицеллообразования и струк- турно-реологические характеристики. Установлено: - поверхностная активность эмульгатора на основе алкилпропилен- диамина (Dinoram) выше, чем алкилпропиленполиамина (Polyram). Критическая концентрация мицеллообразования составляет 0,0041 и 0 ,0082% соответственно, поэтому при эмульгировании битума концен- трации эмульгатора Dinoram и его расход должны быть ниже; - вязкость водных растворов эмульгатора Dinoram при оптималь- ных расходах в ы ш е , чем эмульгатора алкилпропиленполиамина Polyram, поэтому эмульгатор Dinoram предпочтительнее использовать 65 для приготовления вязких и полувязких эмульсий, а эмульгатор Polyram — для эмульсий, вязкость которых невелика; - для получения быстро- и среднераспадающихся битумных эмуль- сий необходимо использовать эмульгатор Dinoram. Активность эмульга- тора марки Dinoram S выше, чем эмульгатора марки Dinoram SL. Однако использование эмульгатора Dinoram SL предпочтительнее, чем Dinoram S, поскольку последний выпускается в пастообразном виде и требует разогрева перед употреблением; - для получения медленно распадающихся битумных эмульсий необходимо использовать эмульгатор марки Polyram SL. На основе проведенных исследований разработаны рецептуры битумных эмульсий с использованием эмульгаторов Dinoram и Dinoram и Polyram и окисленного битума для различных видов дорожно-строительных работ [39]. Очень важным свойством битумной эмульсии является скорость ее распада на поверхности минерального материала, что и определяет в значительной степени возможность использования данной эмульсии в той или иной технологии. Распад катионных эмульсий при соприкосновении с заполнителем происходит сразу же в результате реакции битума с поверхностью каменного материала, причем вода быстро вытесняется с поверхности минерального материала и удаляется. Когда битумная эмульсия входит в контакт с каменным материалом, то в результате взаимодействия активных групп минерального материала с эмульгатором, присутствую- ш;им в эмульсии, происходит быстрое уменьшение концентрации эмуль- гатора в зоне контакта, в результате чего устойчивость эмульсии нарушается и начинается выделение битума. Для получения битумных эмульсий исходный битум должен обла- дать определенными физико-химическими свойствами. Это необхо- димо с целью адаптации эмульсии к требованиям применяемой технологии, к особенностям дорожного движения и климатическим условиям. Поэтому для получения битумных эмульсий используют как чистый битум, так и разжиженный или модифицированный. Так, для приготовления эмульсий для поверхностных обработок используется битум, который должен обладать специфическими сво- йствами — иметь высокие адгезионные и когезионные характеристики, Это необходимо для того, чтобы щебень успешно сопротивлялся отрыву под действием транспортной нагрузки и прочно взаимодействовал с битумной пленкой, а битумная пленка не отрывалась от верхнего слоя 66 /1,орожного покрытия и не разрушалась под действием механических нагрузок. Для улучшения смачиваемости поверхности ш;ебня битумом достаточно пластифицировать битум разжижителем, но это в свою оче- редь может привести к утрате когезии вяжущего, отрыву и выбросу щебня. Таким образом, между когезионными и адгезионными сво- йствами битумного вяжущего должен достигаться компромисс: битум должен быть достаточно жидким, чтобы битумная пленка полностью покрывала щебень, и достаточно прочным, чтобы вяжущее обеспечивало сопротивление динамическим нагрузкам при движении транспорта. Для улучшения смачиваемости щебня, используемого для поверхнос- тной обработки, ИОНХ НАН Беларуси предложено пластифицировать битум разжижителями на основе нефтепродуктов в количестве 3 - 5 % . Для повышения когезии в вяжущем (прочности битума на разрыв) необхо- димо использовать модифицированные полимеры битума, или вводить латекс в битумную эмульсию. С целью усиления взаимодействия битума с минеральными материалами предложены различные адгезионные добавки. Институтом «Дорстройтехника» разработан комплекс чистых, пластифицированных, модифицированных эмульсий с применением SBS, SIS полимерных и пластомерных модификаторов, широко используемых сегодня в нашей республике, в России, на Украине. 4.3. Применение битумных эмульсий в дорожном строительстве В дорожном строительстве битумные эмульсии находят достаточно широкое применение. Можно выделить следуюш;ие основные направле- ния применения битумных эмульсий: 1. Подгрунтовка и устройство поверхностных обработок; 2. Устройство тонкослойных покрытий из литых холодных смесей (метод Слари-Сил); 3. Холодные органно-минеральные смеси и асфальтобетоны; 4. Получение бетонов на органо-гидравлических вяжущих (см. разд. 3). Остановимся несколько подробнее на отмеченных вопросах. 4.3.1. Применение битумных эмульсий для подгрунтовки и устройства поверхностных обработок Подгрунтовка является важной технологической операцией, пред- шествующей устройству асфальтобетоннного покрытия или поверхнос- тной обработки и обеспечивающая надежное сцепление между слоями. Подгрунтовка осуществляется жидкими битумами или эмульсией. Важ- 67 ное преимущество эмульсии состоит в ее пониженной вязкости. Это обеспечивает ее равномерное распределение по старому покрытию и эко- номию битума в пределах 20 -30% . Некоторые опасения вызывает при- менение катионных эмульсий в качестве грунтуюш;его материала на цементобетонных покрытиях. Полагают, что наличие соляной кислоты вызовет разрушение цементного камня и потерю адгезии. С научной точки зрения данный вопрос до конца не прояснен. Однако, как показы- вает практика, супцественного негативного влияния эмульсия на цемен- тобетон не оказывает . П о - в и д и м о м у , это связано с небольшим содержанием кислоты в составе эмульсии. Поверхностные обработки дорожных покрытий автомобильных дорог обш;его пользования устраиваются с целью: - восстановления сцепных свойств между колесом автомобиля и дорожным покрытием; - восстановления водонепроницаемости дорожного покрытия в течение периода его эксплуатации; - создания профилактического слоя износа в период эксплуата- ции покрытия. Поверхностные обработки следует выполнять в сухую погоду при среднесуточной температуре воздуха не ниже плюс 10 °С. В зависимости от транспортной нагрузки и состояния дорожного покрытия используются поверхностные обработки следуюпцих струк- тур и типов: - одиночная поверхностная обработка (вяжуш;ее/ш;ебень — В/Щ) ; - двойная поверхностная обработка ( В / Щ / В / Щ ) ; - зубчатая поверхностная обработка (одиночная с двойной рос- сыпью пцебня, В / Щ / Щ ) ; - поверхностная обработка типа «бутерброд» ( Щ / В / Щ ) . Расход эмульсии и пцебня зависит от типа обработки, концентра- ции эмульсии и размера пцебня [40] (таблица 4.1). Таблица 4.1 Нормы расхода щебня и эмульсии при устройстве одиночной поверхностной обработки Фракция щебня, мм 2 Расход эмульсии, кг/м 2 Расход щебня, кг/м Концентрация эмульсии 65% Концентрация эмульсии 70% ъ/ъ 1 , 1 0 0 1 ,000 7 , 0 - 9 , 0 5 / 1 0 1 , 7 0 0 1 , 6 0 0 1 1 , 5 - 1 3 , 5 1 0 / 1 5 2 , 0 0 0 1 , 9 0 0 1 5 , 0 - 2 0 , 0 68 Устройство поверхностной обработки производят комплектом машин, включающим: - автогудронатор; - навесной, прицепной или самоходный щебнераспре делите ль; - самоходные комбинированные или пневматические катки. Наиболее высокого качества можно добиться путем использования специальных комбайнов французской фирмы «Секмайер», позволя- ющих одновременно вести распределение эмульсии, щебня и укатку укладываемого слоя поверхностной обработки (рис, 4.3). Для уплотнения поверхностных обработок используют пневмошин- 1[ые или комбинированные катки с давлением в шинах 7 - 8 кг/см . Количество проходов по одному следу принимается в диапазоне от 3 до 5. Скорость уплотнения для первых трех проходов — 3 км/час, для следующих — 10 км/час. Уплотнение следует начинать в момент начала распада эмульсии, определяемый визуально по изменению цвета эмульсии от коричневого к черному. Одиночные поверхностные обработки с двойной россыпью уплотня- ются послойно после нанесения каждого слоя щебня. Двойные поверхностные обработки уплотняются только после нане- сения щебня второго слоя. Поверхностная обработка типа «бутерброд» уплотняется сразу после нанесения щебня второго слоя. n. ' ^^ ~ Рис. 4.3. Устройство поверхностной обработки комплектом "Секмайер" 69 Качество у строенной п о в е р х н о с т н о й обработки зависит от погодно-климатических условий ее формирования, транспортной нагрузки, скорости движения транспорта и своевременных мер эксплу- атируюш;ей организации по созданию нормальных условий ее формиро- вания. При этом должны быть обеспечены следуюш;ие условия: - После окончательного уплотнения поверхностной обработки через 1 час слой поверхностной обработки открывается для движения. Скорость движения в течение 7 суток ограничивается 40 км/час. - Появившийся на поверхности излишний ш;ебень должен регу- лярно убираться механическими плетками для предотвраш;ения разру- шения формируюш;ейся структуры поверхностной обработки. - Окончательное формирование завершается в течение первых шести недель от момента устройства поверхностной обработки при тем- пературе покрытия в полдень не ниже плюс 10 °С. Если в период формирования поверхностной обработки темпера- тура поверхности покрытия достигает более плюс 35 °С и возникает опасность отрыва ш;ебня от покрытия, по поверхности устроенной поверхностной обработки должен быть распределен мелкий ш;ебень: 2 - 4 , 3 - 5 мм для предотвраш;ения налипания вяжуш;его на колеса транс- портных средств и срыва слоя поверхностной обработки. Норма рас- хода ш;ебня назначается в пределах 2 ,0-4 ,0 кг /м покрытия. 4.3.2. Устройство тонкослойных покрытий из литых холодных смесей (метод Слари-Сил) Холодные литые асфальтобетонные смеси представляют собой смесь ш;ебня, дробленого песка, цемента, воды, регулятора скорости распада и битумной или битумополимерной катионной эмульсии. Наибольшее распространение литые холодные смеси получили для устройства слоев износа асфальтобетонных покрытий толш;иной 10-15 мм (метод Слари-Сил). Для устройства подобных слоев используются специализирован- ные комбайны, представляюш;ие собой одновременно асфальтобетон- ный завод и асфальтоукладчик, смонтированные на шасси трех- четырехосного грузовика или двух- трехосном полуприцепе. В Европе наибольшее распространение получили комбайны немец- ких фирм «Brening» или «ОАТ» (рис. 4.4). В стандартный комплект оборудования для производства и укладки литого холодного асфальтобетона должны входить следуюш;ие узлы и агрегаты: - емкость для готовой минеральной части; 70 ' t " f - • Рис. 4.4.Устройство эмульсионно-минерального слоя комбайном фирмы "ОАТ" - емкость для эмульсии; - емкость для водной фазы; - емкость для регулятора скорости распада; - емкость для цемента; - автономный двигатель для бесступенчатого гидропривода всех нижеперечисленных систем: - дозатор минеральных материалов; - дозатор эмульсии; - дозатор водной фазы; - дозатор регулятора скорости распада; - гидровибратор минеральной части; - гидропривод смесителя; - дозатор цемента; - гидропривод распределителя; - блок управления с программируемыми контроллерами для управ- ления пропорциональным совместным или сепаратным приводом, позволяющий производить пропорциональное или сепаратное дозирова- ние минеральных материалов, эмульсии, водной фазы, регулятора ско- рости распада, цемента; - ящичный распределить с полосой укладки 2,0-3 ,0 метра, осна- щенный системой гидропривода для: - реверсивного и сепаратного вращения п е р е м е ш и в а ю щ и х устройств; - изменения частоты вращения, подъема-опускания. 71 Необходимость применения подобных технологических комплек- сов обусловлена применением быстрораспадающихся катионных эмуль- сий, обеспечивающих быстрое формирование слоя и возможность открытия движения через 20-60 минут. Холодные литые асфальтобетонные смеси применяются также для ремонта выбоин и ликвидации колей в полосе наката асфальтобетон- ных покрытий путем их заполнения литой смесью. По зерновому составу минеральной части литые холодные асфальто- бетонные смеси подразделяются на два типа в соответствии с требовани- ями, изложенными таблице 4.2. Таблица 4.2 Зерновой состав холодных литых смесей Размеры, мм Тип I Содержание частиц мельче дан- ного размера,% по массе Тип II Содержание частиц мельче дан- ного размера, % по массе Точность дозирова- ния, % по массе 10 100 100 5 9 0 - 1 0 0 7 0 - 9 0 ± 5 % 2 ,5 6 5 - 9 0 4 5 - 7 0 ± 5 % 1 ,25 4 5 - 7 0 2 8 - 5 0 ± 5 % 0 , 6 3 3 0 - 5 0 1 9 - 3 4 ± 5 % 0 , 3 1 5 1 8 - 3 0 1 2 - 2 5 ± 4 % 0 .14 1 0 - 2 1 7 - 1 8 ± 3 % 0 ,071 5 - 1 0 5 - 1 0 ± 2 % Литые холодные асфальтобетонные смеси с минеральной частью типа 1 рекомендуется использовать для устройства слоев износа на покрытиях автомобильных дорог III-V категорий. То же с минеральной частью типа II — для устройства слоев износа на автомобильных дорогах I и II категорий, а также для всех случаев ликвидации колеи на асфальтобетонных покрытиях. При применении модифицированных эмульсий в качестве модифика- торов могут использоваться дивинил стирол ьные, стирол-бутадиен-сти- рольные блок-сополимеры или пластомеры типа этиленвинилацетатов и этиленметилакрилатов по техническим условиям заводов-изготовителей. Содержание модификатора в остаточном вяжущем модифицирован- ной эмульсии должно быть в пределах 2 ,5 -5 ,0% по массе битума. В качестве регулятора скорости распада литой холодной асфальто- бетонной смеси должны применяться хлористые или уксуснокислые соли моноаминов, полиаминов, амидоаминов или четвертичные соли аммония по техническим условиям заводов-изготовителей. 72 Количество вводимого регулятора скорости распада относительно массы вводимой модифицированной эмульсии должно лежать в преде- лах 0 - 2 % по массе эмульсии. Количество регулятора скорости распада корректируется в полевых условиях, непосредственно в момент произво- дства работ. Количество регулятора скорости распада зависит от темпера- туры покрытия, температуры эмульсии и минеральных материалов, 1[аличия или отсутствия ветра и назначается окончательно на месте руко- иодителем работ. 4.3.3. Холодные органно-минеральные смеси и асфальтобетоны На основе эмульсий могут быть получены холодные смеси, анало- гичные классическому холодному асфальтобетону, используемые для ремонта и строительства дорожных покрытий, особенно в неблагоприят- ный период года. Холодные смеси можно разделить на две основные группы [40]: 1. Гравийно-эмульсионные смеси; 2. Холодные складируемые асфальтобетонные смеси. Гравийно-эмульсионная смесь (ГЭС) представляет собой смесь мине- рального материала определенного зернового состава и катионной битумной эмульсии, полученную путем их смешения в стационарной или мобильной установке. В необходимых случаях в смесь может вво- диться вода, стабилизатор, цемент. В зависимости от вида используемого песка гравийно-эмульсион- ные смеси подразделяются на следующие типы: - ГЭС-1 — при использовании песка из отсевов дробления; - ГЭС-2 — при использовании природного песка. Основное назначение ГЭС — устройство покрытий дорог IV -V категорий. Для производства гравийно-эмульсионных смесей используются двухвальные и одновальные лопастные смесители периодического или непрерывного действия, оснащенные системой дозирования минераль- ных материалов, эмульсии, воды и цемента. Гравийно-эмульсионные смеси могут укладываться сразу после приготовления или храниться в штабелях высотой не более 2 метров на складах до 4 месяцев с момента производства. ГЭС укладывают толщиной от 60 до 250 мм, при толщине слоя до 100 мм — в один слой, более 100 мм — в несколько последовательных слоев. 73 Зерновой (гранулометрический) состав минеральной части приве- ден в таблице 4.3. Таблица 4.3 Гранулометрический состав смеси Конструктив- ный слой Максималь- ная круп- ность зерен щебня (гра- вия), мм Содержание, % по массе Марка по дробимости (прочность), не менее Зерен крупнее 5 мм, не более Зерен мельче 0,63 мм, не менее Зерен мельче 0,071 мм, не менее Покрытие 20 20 15 10 65 50 35 35 24 38 50 50 8 10 12 12 , 800 400 300 200 Основание 40 70 12 Не нормиру- 800 40 55 20 ется 400 20 35 30 4 300 15 35 30 4 200 В зависимости от интенсивности движения на участке дороги, по уло- женному и уплотненному гравийно-эмульсионному слою обязательно устройство кольматационного слоя, поверхностной обработки или слоя горячего плотного асфальтобетона в соответствии с таблицей 4.4. Таблица 4.4 Интенсивность движения грузовых автомо- билей общей массой с грузом >5 т по одной полосе, авт/сут Вид защитного слоя до 20 2 0 - 5 0 5 0 - 1 5 0 1 5 0 - 3 0 0 более 300 Кольматационный слой Одиночная поверхностная обработка Поверхностная обработка В / Щ / Щ Двойная поверхностная обработка Плотный горячий асфальтобетон Технология немедленной укладки предусматривает использова- ние специального смесителя-асфальтоукладчика, который совмещает в движении по основанию функции смесителя и укладчика смеси. Минеральная часть подается в движении в приемный бункер, эмуль- сия в расходную емкость. Смеситель-асфальтоукладчик осуществляет в одну технологичес- кую операцию дозирование-укладку и уплотнение гравийно-эмульсион- ной смеси с производительностью 250-300 тонн/час. Ширина полосы укладки 2 ,0-4 ,5 метра. Толщина слоя, укладывае- мого за один проход, — от 20 до 200 мм. 74 Технология немедленной укладки позволяет использовать эмульсии на вязких нефтебитумах марок БНД (БН) 60 /90 , БНД (БН) 90/130, БД 60/90, БД 90/130 и обеспечивает получение высокопрочного покрытия с механическими характеристиками, равнозначными горячему асфальто- бетону, и не требующего длительного формирования под движением. Технология с предварительным хранением гравийно-эмульсион- ной смеси на складе в отдельные операции производство и укладку смеси, с возможностью хранения готовой гравийно-эмульсионной смеси на складе сроком до 4 месяцев. После распределения гравийно-эмульсионной смеси автогрейдером или асфальтоукладчиком по уложенному слою допускается пропуск построечного или транзитного автотранспорта. Уплотнение гравийно-эмульсионных смесей производится по схеме ;<от кромки - к середине покрытия». При уплотнении гравийно-эмульсионных смесей толш;иной слоя в плотном теле до 100 мм рекомендуется использовать катки на пневмати- ческих шинах при внутреннем давлении в пневматике 5 - 7 кг / см . При уплотнении гравийно-эмульсионных смесей толш;иной слоя в плотном теле более 100 мм следует использовать пневматические катки для первичного уплотнения, вибрационные или комбинированные катки для последуюш;его уплотнения. Скорость движения катков при уплотнении: пневматические и ком- бинированные — 5 - 6 км/час; вибрационные — 2 - 3 км/час. Количество проходов катков по одному следу устанавливается про- бной укаткой и должно быть не менее 20 — для вибрационных, 30 — для пневматических. После укладки и уплотнения верхнего слоя из гравийно-эмульсион- ной смеси на его поверхность следует немедленно наносить кольматаци- онный заш;итный слой. Кольматационный слой устраивается в целях заш;иты верхнего слоя, устранения сцепления покрытия в контактной зоне с колесом дви- жуш;егося транспорта, обеспечения гидроизоляции гравийно-эмульси- онного слоя и пароотделения влаги. Холодные складируемые асфальтобетонные смеси предназначены для круглогодичного ямочного ремонта асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог H I - V категорий при температуре воздуха не ниже минус 5 °С. Холодные складируемые асфальтобетонные смеси представляют собой смесь ш;ебня, песка из отсевов дробления и катионной битумной 75 эмульсии, взятых в определенном соотношении, приготовленных в установке и укладываемых в конструктивный слой дорожной одежды в холодном состоянии. Холодные складируемые асфальтобетонные смеси могут упако- вываться в герметичную тару или храниться на складе в открытых штабелях. Срок хранения холодных складируемых асфальтобетонных смесей в герметичной таре до 6 месяцев, в штабелях — до 3 месяцев. По гранулометрическому составу минеральной части холодные складируемые асфальтобетонные смеси подразделяются на мелкозер- нистые с наибольшим размером зерен 5 или 6 мм и среднезернистые с наибольшим размером зерен 10-12 мм или 15-16 мм в зависимости от используемого производителем ш;ебня размера сит. Гранулометрический состав минеральной части этих смесей дол- жен соответствовать требованиям таблицы 4.5. Таблица 4.5 Гранулометрический состав смеси Размеры, мм Количество частиц мельче данного размера, % по масс Минеральная часть, 0 - 5 мм Минеральная часть, 0 - 1 0 мм Минеральная часть, 0 - 1 5 мм 15 9 5 - 1 0 0 10 9 5 - 1 0 0 4 5 - 7 0 5 9 5 - 1 0 0 2 5 - 5 0 2 0 - 7 0 2 ,5 5 - 2 5 5 - 2 5 5 - 2 5 1 .25 5 - 1 5 5 - 1 5 5 - 1 5 0 , 6 3 4 - 1 0 4 - 1 0 4 - 1 0 0 , 3 1 5 3 - 6 3 - 6 3 - 6 0 ,14 2 - 5 2 - 5 2 - 5 0 , 0 7 1 0 - 4 0 - 4 0 - 4 Для производства холодных складируемых асфальтобетонных сме- сей используются катионные битумные эмульсии на чистом пластифи- цированном битуме со средней скоростью распада, соответствующей требованиям СТБ 1245-00 для марок ЭБК-С-60, ЭБК-С-65. Ориентировочное содержание остаточного вяжущего в холодных складируемых асфальтобетонных смесях назначается в пределах: - для смесей 0 - 1 5 мм — 4 ,5 -5 ,5% ; - для смесей 0 - 1 0 мм — 5 ,0 -5 ,5% ; - для смесей 0 - 5 мм — 5 ,5 -6 ,0% . 76 4.3.4. Получение бетонов на органо-гидравлических вяжущих Вопросы классификации, структурообразования и технологии получения бетонов на ОГВ подробно рассмотрены в разделе 3. Здесь остановимся только на некоторых аспектах технологии получения бето- нов на ОГВ путем обработки фрезерованного асфальтобетона битумной эмульсией и цементом. По аналогии с [40] подобные смеси будем имено- вать как холодные регенерированные асфальтобетонные смеси. Холод- ные регенерированные асфальтобетонные смеси приготавливаются в стационарных или мобильных установках, специальных смесите- лях-укладчиках и укладываются в конструктивные слои дорожной одежды в холодном состоянии. Возможны две принципиальные техно- логические схемы: 1. Смесь готовят в стационарных или передвижных смесителях с последующей доставкой на объект, укладкой и уплотнением (ремикс в установке); 2. Смесь готовят на месте с помощью специальных фрез-смесителей с последующим ее распределением по покрытию и уплотнением (ремикс на месте). В первом случае асфальтобетонный гранулят для производства холодных регенерированных асфальтобетонных смесей приготавли- вают путем прямого фрезерования существующего покрытия «холод- ными» фрезами с последующей отгрохоткой фракции крупнее 40 мм или переработкой асфальтобетонного лома на стационарных или мобильных базах, оснащенных дробильно-сортировочным оборудова- нием с дробилками ударного или центробежно-ударного действия. В последнем случае максимальная крупность асфальтобетонного гранулята принимается равной 20 мм. При прямом фрезеровании покрытий «холодными» фрезами реко- мендуется использовать фрезы, ротор которых имеет направление вра- щения «сверху вниз» к фрезеруемому покрытию. При фрезеровании такими типами фрез асфальтобетонный гранулят имеет однородный гранулометрический состав, малое содержание пылеватых частиц, полное отсутствие гранул размером более 40 мм и может быть использо- ван в производстве холодных регенерированных асфальтобетонных сме- сей непосредственно без последующей п р о г р о х о т к и . Примером подобных механизмов являются фрезы фирмы «Wirtgen» (рис. 4. 5). Покрытия и основания из холодного регенерированного асфальтобе- тона следует укладывать при температуре воздуха не ниже плюс 5 °С. Допустимо производить укладку при моросящем дожде. Осенью следует 77 Рис.4. 5. Общий вид фрезы фирмы "Wirtgen" заканчивать укладку холодной регенерированной смеси не позднее 2 - 3 недель до наступления устойчивых отрицательных температур. Уложенная холодная регенерированная асфальтобетонная смесь может уплотняться немедленно или с отнесением периода начала уплот- нения до 4 часов, если есть возможность позволить избыточной воде испаряться из уложенной смеси. Технические средства уплотнения и схема их работ выбираются в зависимости от толщины уложенного материала в расчете на плотное тело. Группа катков для уплотнения холодного регенерированного асфальтобетона должна состоять из виброкатка с возмущающей силой 30-50 кН, частотой 40-50 Гц, амплитудой 0 ,4-0 ,8 мм или комбиниро- ванного катка массой 7 ,0 -12 ,0 тонн с регулируемым давлением в шинах в пределах 2 ,0-8 ,0 кг/см . При уплотнении слоев холодного регенерированного асфальтобе- тона толщиной до 80 мм схема работы уплотняющих средств должна быть следующей: - пневмоколесный каток впереди — 8 - 1 2 проходов; - виброкаток или комбинированный каток сзади — 4 - 6 проходов. При уплотнении слоев холодного регенерированного асфальтобе- тона толщиной до 120 мм в один слой схема уплотнения меняется на обратную: - виброкаток или комбинированный каток впереди — 4 - 6 проходов; - пневмоколесный каток сзади — 8 - 1 2 проходов. Количество проходов катков по одному следу устанавливается про- бной укаткой и должна быть не ниже указанных значений. 78 It 0,0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 Cem/Emul Cem+Emul,% Рис. 4.6. Зависимость индекса температурной трещиностойкости от количес- тва битумной эмульсии и цемента и соотношения цемент-эмульсия По завершении уплотнения холодного регенерированного асфальто- бетона движение транзитного и построечного транспорта по нему откры- вается незамедлительно. Устройство последующих слоев по уплотненному холодному регене- рированному асфальтобетону осуществляется не ранее 2 - 3 недель с целью полного испарения воды и формирования материала. В РБ устройство покрытий из данного материала было осуще- ствлено в 2000 году на дороге Новый Двор-Шершуны-Среднее. Состав применяемой смеси был следующим: катионная битумная эмульсия — 3%, портландцемент марки 400 — 5%, вода — 2%, асфальтобетонный грану л ят — 90% . Данный состав был выбран с точки зрения обеспечения оптималь- ной трещиностойкости. Как видно из данных рис. 4.6 оптимальной тре- щиностойкостью обладают материалы с содержанием эмульсии 3 % . При этом количество цемента может колебаться от 3 до 8% . Такое положение обусловлено тем, что цемент увеличивает межфаз- ное взаимодействие и повышает долговременную прочность. С точки зрения экономических соображений был принят состав с содержанием 3% эмульсии и 5% цемента. Смеси готовили на стационарном бетоносмесителе СБ 50 по холод- ной технологии. Укладка производилась самоходным асфальтоукладчи- ком, уплотнение пневмо- и гладковальцевыми катками. 79 Общий вид дороги и т е к с т у р а п о к р ы т и я представлены на рис. 4.7 и 4.8. После формирования покрытия были проведены испытания обш;его модуля упругости дорожной одежды с помош;ью установки динамичес- кого нагружения «Динатест» (рис. 4.9). Анализ полученных данных показал, что полученный бетон не усту- пает горячему асфальтобетону по прочности в дорожной одежде. При второй технологической схеме выполняют следуюш;ие опера- ции: 1. Распределение по покрытию цемента в количестве 3 - 8 % от массы покрытия с помош;ью специальных механизмов; 2. Фрезерование покрытия с подачей битумной эмульсии или вспе- ненного битума увлажнением (подача вяжуш;его на фрезу) в количестве 5 - 7 % , перемешивание и подачу смеси на покрытие; 3. Распределение полученной смеси по ширине покрытия автогрей- дером и уплотнение. Здесь основным является второй пункт. Выполнение всех операций данного пункта производят с помош;ью специальных машин—комбай- нов фирмы «Wirtgen» (рис. 4.10). Характерно, что данные технологические комплексы позволяют вместо эмульсий использовать и их разновидность — вспененные битумы. В этом случае синхронно с фрезой движется автогудронатор (см. рис. 4.10), соединенный с вспениваюш;ей камерой, где происходит контакт горячего битума и воды. Естественно, стоимость работ суш;ес- твенно снижается. Рис.4.7. Общий вид дороги Новый Двор-Шершуны-Среднее 80 Рис.4.8. Текстура дорожного покрытия из бетона на ОГВ Рис. 4.9. Оценка прочности дорожной одежды с покрытием из бетона на ОГВ Рис. 4 . 1 0 . Технологический комплекс для приготовления бетонов на ОГВ на месте 81 Подобные машины обладают высокой производительностью (до мет- ров в минуту) и позволяют получить достаточно качественные смеси. Их использование целесообразно для проведения ремонтов дорог невы- соких категорий при больших расстояниях до стационарных дорожных баз. Недостатком данной технологии является высокая стоимость (рас- ход горючего до 200 л в час, вес машины 37 тонн) и невозможность обес- печить стабильное качество (свойства старого покрытия могут сильно отличаться по длине). В РБ данная технология пока не апробирована. Сама конструкция дорожной одежды и толш;ины слоев должны назначаться по расчету в зависимости от состава и интенсивности дви- жения, а также расчетных характеристик бетона. Для внедрения предлагаются три конструкции дорожных одежд: 1. Дорожное покрытие из асфальтогранулобетона на композицион- ном вяжуш;ем толш;иной 4 - 8 см (по расчету с учетом нижеизложенной методики) с одиночной поверхностной обработкой. Данный вид конструкции применяют, если коэффициент морозостойкости бетона выше 0,8 и индекс температурной трещиностойкости выше 0,6. 2. Дорожное покрытие из асфальтогранулобетона на композицион- ном вяжущем толщиной 4 - 8 см с двойной поверхностной обработкой. Дан- ный вид конструкции применяют, если коэффициент морозостойкости бетона составляет 0 ,6-0 ,8 и индекс температурной треш;иностойкости 0,4-0,6. При сохранении устойчивости к пластическим деформациям. 3. Дорожное покрытие из асфальтогранулобетона на композицион- ном вяжущем толш;иной 4 - 8 см с устройством слоя асфальтобетона тол- щ и н о й 3 - 5 см . Д а н н ы й вид к о н с т р у к ц и и п р и м е н я ю т , если коэффициент морозостойкости бетона ниже 0,6 и индекс температур- ной трещиностойкости 0 ,3 -0 ,4 . Выбор конструкции производят путем оценки свойств материала на стадии подбора состава и проекта. В 2000 году силами ПРСО Минскоблдорстрой при научном сопровож- дении БГЕ[А было устроено около 4,7 км дорожных покрытий из подо- бных смесей на ряде объектов Минской области. В результате было сэкономлено 72 тонны мазута, 266 тонн битума, 1826 м" щебня, 9292 кВт-ч. электроэнергии. Экономический эффект составил около 61 тыс. у. е. 4.4. Стандарты и нормативные документы На битумные эмульсии в РБ разработан стандарт СТБ 1245-00 «Эмульсии битумные катионные». 82 в зависимости от скорости распада, содержания остаточного вяжу- щего и вида исходного вяжущего катионные битумные эмульсии под- разделяются на марки: - ЭБК-Б-60 (ЭБКМ-Б-60) — эмульсия битумная катионная быстро- распадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 58,0 до 62,0% ; - ЭБК-Б-65 (ЭБКМ-Б-65) — эмульсия битумная катионная быстро- распадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 63,0 до 67,0% ; - ЭБК-Б-70 (ЭБКМ-Б-70) — эмульсия битумная катионная быстро- распадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 68,0 до 72,0% ; - ЭБК-С-60 (ЭБКМ-С-60) — эмульсия битумная катионная средне- распадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 58,0 до 62,0% ; - ЭБК-С-65 (ЭБКМ-С-65) — эмульсия битумная катионная средне- распадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 63,0 до 67,0% ; - ЭБК-С-70 (ЭБКМ-С-70) — эмульсия битумная катионная средне- распадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 68,0 до 72,0% ; - ЭБК-М-55 (ЭБКМ-М-55) — эмульсия битумная катионная медлен- нораспадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 53,0 до 57,0%; - ЭБК-М-60 (ЭБКМ-М-60) — эмульсия битумная катионная медлен- нораспадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 58,0 до 62,0%; - Э Б К - М - 6 5 ( Э Б К М - М - 6 5 ) — эмульсия битумная катионная медленнораспадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 63,0 до 6 7 , 0 % ; - Э Б К - М - 7 0 ( Э Б К М - М - 7 0 ) — эмульсия битумная катионная медленнораспадающаяся с содержанием остаточного вяжущего от 68,0 до 72 ,0%. В зависимости от марки эмульсии применяют: - быстрораспадающиеся — для устройства поверхностных обрабо- ток, подгрунтовки: - среднераспадающиеся — для приготовления эмульсионно-мине- ральных смесей для ямочного ремонта, устройства поверхностных обработок; - медленнораспадающиеся — для приготовления складируемых эмульсионно-минеральных и гравийно-эмульсионных смесей, бетонов на ОГВ, устройства слоев износа из холодного литого асфальтобетона, обеспыливания. Технические требования к битумным эмульсиям представлены в таблице 4.6. При выполнении технологических операций следует руководство- ваться РД 0219.1.09.-99. 83 Таблица 4.6 Норма для эмульсии марки Наимено- вание показа- теля о ю со ? 1 l o i ? 1 rn М rn И ю ГП flH о 9 1 rn W in in f 1 rn M о § ? 1 Ю Ю CO ? 1 rn M rn pq 1. Внегц- ний вид Однородная жидкость темно-коричневого (черного) цвета 2. Содер жание вяжу- щего с 5 8 , 0 - 6 2 , 0 6 3 , 0 - 6 7 , 0 6 8 , 0 - 7 2 , 0 5 8 , 0 - 6 2 , 0 6 3 , 0 - 6 7 , 0 6 8 , 0 - 7 2 , 0 5 3 , 0 - 5 7 , 0 5 8 , 0 - 6 2 , 0 6 3 , 0 - 6 7 , 0 6 8 , 0 - 7 2 , 0 эмульга- тором 3. Одно родность по остатку на сите 063, не более, X. 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 4. Услов ная вяз кость по вискози- neipy Энглера (ВУ^. при 25 С, Е, не более 7 12 — 7 12 — 3 7 12 — Норма для эмульсии марки ю ю со ? 1 rn М ю ю со ? 1 , 1 О^ ю ? 1 rn М m ю Ю со ^ \ и рз Рм го о Наи лено- вание показа- теля ю § ? 1 i f rn К со 1 rn М _ о о со ^ 1 ш о со со 1 rn Рм m о Р 1 m к со 5. Услов на я вяз- KOCTI. по вискози- метру СТВ |диа- мегра отверстия 4 IV м) при °с. не 6ojiee, с при 40 °С, не более, с 12 15 30 12 15 30 8 12 15 30 6. Коэф- с]:'ициент 8 0 - 2 2 0 8 0 - 2 2 0 8 0 - 2 2 0 2 2 0 - 2 6 0 2 2 0 - 2 6 0 2 2 0 - 2 6 0 не менее 260 не менее 260 не менее 260 не менее 260 распада 7. Устой- ЧИВОСТ!. при хра- 1 нении по 1 остатку на сйте 063, не более,'/'} через 7 сугок 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 0 ,25 — — через 28 — — — — — — 0 ,25 0 ,25 0 ,2 Г) 0 ,25 суток 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОНЫ 5.1. Литые асфальтобетонные смеси и асфальтобетон Основное отличие литой асфальтобетонной смеси состоит в повы- шенном содержании битума (до 12%) и минерального порошка (до 25%). Благодаря этому смесь имеет повышенную технологическую под вижность и не требует уплотнения. Для повышения устойчивости к пластическим деформациям литые асфальтобетоны готовят на битумах повышенной вязкости (пенетрация 15-40 °П). В РБ используют менее вязкие битумы (40-130 °П), однако в качестве наполнителя используется старый фрезерованный асфальтобе- тон, компенсирующий снижение вязкости битума. В связи с тем, что в литых смесях используются битумы повышен ной вязкости, а также с целью обеспечения требуемой технологической подвижности литые смеси готовят при повышенной температуре (180-220 °С). Смеси можно готовить в обычных асфальтосмесительных установках, однако время перемешивания должно быть увеличено на 25-50% по сравнению с традиционной горячей смесью. Фирма «Вибау>> (Германия) для приготовления литых смесей выпускает специальные смесители, отличающиеся вертикальным расположением валов. Литая смесь имеет пониженную вязкость и легко расслаивается Кроме того возникает проблема сохранения высокой рабочей темпера туры при доставке на объект. Поэтому литые смеси доставляются к месту производства работ в специальных автосмесителях — термосах (рис. 5.1). J К - Рис. 5.1. Оборудпиание для доставки и распределения литой смеси 86 Литые асфальтобетонные смеси и асфальтобетоны имеют ряд досто- инств, к которым можно отнести: 1. В связи с повышенной подвижностью смеси отсутствует необхо- димость уплотнения. Достаточно распределить смесь и после ее остыва- ния можно открывать движение транспорта. 2. При проведении ремонтных работ нет необходимости произво- дить подгрунтовку карты. Укладку смеси можно осуществлять при тем- пературах минус 15-20 °С. 3. Водонасыщение асфальтобетона близко к нулю, что обеспечивает его высокую долговечность. В то же время литой асфальтобетон имеет и ряд недостатков, сдер- живающих его применение, основными из которых являются: 1. Технологические сложности, обусловленные необходимостью поддержания высокой рабочей температуры и предотвращения рас- слаивания. 2. Повышенная скользкость и низкая устойчивость к пластическим деформациям. 3. Необходимость удаления литого асфальтобетона при укладке нового слоя асфальтобетонного покрытия. Данные недостатки привели к тому, что литой асфальтобетон используется в основном для проведения текущего ремонта асфальто- и цементобетонных покрытий. С целью частичного устранения отмеченных недостатков и расши- рения использования литых смесей важно правильно подобрать состав смеси. Здесь следует руководствоваться принципом оптимального соче- тания прочности и деформативности. При подборах состава важно опре- делить оптимальное соотношение битум-минеральный порошок. Для этого целесообразно использовать методики, разработанные в БИТУ и позволяющие на основе минимума экспериментов установить оптималь- ную зону соотношения компонент (рис. 5.2). В последнее время с целью ускорения технологического цикла и повышения качества бетона предлагаются некоторые новые составы и технологии. К одной из них можно отнести вибролитые смеси [41]. С этой целью разработан специальный метод проектирования опти- мальной рецептуры смеси, учитывающей конкретные характеристики (свойства) исходных материалов, условия строительства и эксплуата- ции; технологию ее приготовления, транспортирования и укладки. Сос- тав смеси следующий: Наибольший размер частиц наполнителя, мм — 20 87 Function • 0,0-0,2 0,2-0,4 0,4-0,6 И 0,6-0,8 " 0 , 8 - 1 , 0 1,0-1,2 1,2-1,4 Рис. 5.2. Зависимость прочности литого асфальтобетона от вязкости битума и количества минерального порошка Содержание,% от массы: частиц крупнее 5 мм — 5 0 - 5 5 асфальтовяжущего вещества (Б+Мч) — 2 0 - 2 5 Фазовый состав асфальтовяжущего вещества (Б/Мч) — 0 ,4 -0 ,55 Асфальтовяжущее вещество (Б+Мч) — смесь битума (Б) и мелкодис- персных минеральных частиц мельче 0,071 мм (Мч). Фазовый состав асфальтовяжущего вещества (Б/Мч) — отношение количества битума к количеству минеральных частиц мельче 0,071 мм. По консистенции вибролитая смесь представляет собой вязко-плас- тичную массу, к о т о р у ю м о ж н о выпускать практически на любой асфальтосмесительной установке периодического действия, перевозить в кузове автомобиля-самосвала, не опасаясь расслоения, укладывать и уплотнять рабочими органами обычного асфальтоукладчика. Смесь насыщена зернистым наполнителем, который покрыт относи- т е л ь н о т о л с т ы м с л о е м а с ф а л ь т о в о г о в я ж у щ е г о в е щ е с т в а . Под действием виброплиты (вибротрамбующего бруса) асфальтоукладчика зерна быстро занимают упорядоченное положение в подвижной среде концентрированного асфальтового раствора. Происходит сближение частиц, перераспределение и выравнивание молекулярного силового поля с переходом структуры в состояние кинетического равновесия. При этом слой покрытия становится настолько плотным, что в доуплот- нении не нуждается. Поэтому при строительстве покрытий из виброли- т ы х смесей дополнительно уплотнять слой катками не нужно . С понижением температуры смеси с 200 °С до температуры воздуха покрытие затвердевает и приобретает свойства сдвигоустойчивого и гиб- кого монолита, по которому может быть сразу открыто движение [42]. Практика показала, что наилучшие условия доставки вибролитой смеси обеспечивают машины грузоподъемностью не менее Ю т е кузо- вом, имеюш;им задний борт, обогрев выхлопными газами, тент, подъем- ное у с т р о й с т в о , обеспечиваюш;ее постепенное увеличение угла с фиксацией кузова в любом рабочем положении, устройство, встряхива- юш;ее кузов для освобождения его от налипшей смеси. Вибролитую смесь изготавливают в соответствии со специальным технологическим регламентом, учитываюш;им специфику конкретного производства [42]. Температура смеси должна быть в пределах 190-200 "С при темпе- ратуре воздуха выше +10 °С и не ниже 220 °С при температуре воздуха от +10 °С до +5 °С. Хранить смесь в обычном накопительном бункере без обогрева нельзя, так как при остывании она теряет подвижность. С завода вибролитую смесь транспортируют при температуре воз- духа выше +10 °С и расположении места укладки в 4 0 - 6 0 мин езды от асфальтобетонного завода в тентованных кузовах автомобилей-самосва- лов. При температуре воздуха от +10 °С до +5 °С и значительном отдале- нии объекта от АБЗ смесь перевозят в термосах-миксерах. Битум должен иметь следуюш;ие свойства: глубина проникания иглы при +25 "С — 4 0 - 9 0 температура размягчения по методу КиШ, °С, не менее - 5 1 температура вспышки, °С, не ниже - 2 4 0 У с т р о й с т в о п о к р ы т и я производят а с ф а л ь т о у к л а д ч и к о м . Про- цесс устройства покрытия завершают распределением и втапливанием черного ш;ебня. Его расход составляет 5 - 6 кг/м^. Щебень распределяют в одну ш;ебенку, которую после остывания покрытия до 50 °С втапли- вают легким катком. Невтопившийся ш;ебень сметают с поверхности. Для ускорения ввода покрытия в эксплуатацию может быть реко- мендовано искусственное орошение поверхности холодной водой при помош;и поливочно-моечной машины. Разновидностью литых асфальтобетонных смесей являются холод- ные литые смеси, применение которых было рассмотрено в разделе 4. В РБ разработан стандарт СТБ 1257 -00 «Смеси битумоминераль- ные горячие литые и литой асфальт». В зависимости от жесткости смеси (по показателю вдавливания штампа) делятся на жесткие (глубина вдавливания штампа 1 - 5 м м ) , полужесткие ( 6 - 9 мм) и текучие (10-20мм) . 89 к бетонам предъявляют следующие требования: 1. Водонасыщение 1 -2 ,5% (большие значения для жестких смесей). 2. Набухание 0 , 5 - 0 , 7 % . 3. Предел прочности на сжатие при 50 °С 0 ,5 -1 ,0 МПа (большие зна- чения для жестких смесей). 4. Глубина вдавливания штампа 1 - 2 0 мм (большие значения для текучих смесей). В стандарте регламентированы также требования к зерновому составу смесей, качеству и количеству вяжупцего. Приведена область применения различных смесей и бетонов. Литые смеси могут использоваться не только для ремонтных работ, но и для устройства высококачественных слоев износа со сро- ком службы боле 20 лет (см. раздел 5.8) 5.2. Асфальтобетоны для устройства тонкослойных покрытий К тонкослойным покрытиям автомобильных дорог относят слои покрытия толпциной 2 - 3 см, устраиваемые из горячего асфальтобетона по традиционной технологии. Основное отличие смесей для тонкослой- ных покрытий от традиционных заключается в повышенном содержа- нии щебня, вязкого битума и специальных (в основном волокнистых и полимерных) добавок. Как показывает опыт ряда зарубежных стран (Франция, Италия, Германия, Дания и др.), при ремонте покрытий улиц и дорог целесооб- разно устройство тонких асфальтобетонных покрытий. Эти покрытия устраиваются с применением традиционных материалов: фракциониро- ванный природный щебень, дробленый песок или отсев при произво- дстве щебня (песок из отсева дробления), минеральный порошок и вяжущее. Ввод в состав вяжущего при приготовлении асфальтобетонных смесей специальных модифицирующих добавок позволяет в значи- тельной степени улучшить такие характеристики асфальтобетона, как коррозионная устойчивость, адгезия к старому покрытию, коэф- фициент сцепления колеса автомобиля с покрытием, что спосо- бствует повышению степени надежности и долговечности покрытия. При этом повышается производительность укладочной техники. Модифицирующие добавки значительно повышают физико-химичес- кие свойства используемых битумов (адгезионные и когезионные характеристики), снижают степень старения благодаря наличию в них поверхностно-активных веществ, пластифицирующих добавок и 90 адгезионных присадок, антистарителей. Образование колейности снижается вследствие незначительного приращения толщины дорож- ного п о к р ы т и я . Сравнительная с т о и м о с т ь т а к и х п о к р ы т и й в 1 ,2 -2 ,0 раза ниже традиционно устраиваемых, а долговечность (бла- годаря модификации органических вяжущих) позволяет приблизить к нормативной. Наиболее предпочтительными асфальтобетонами для условий РБ являются материалы FIBRACCOTM, ACODHIT (Франция) и состав асфальтобетонной смеси, применяемый для устройства тонкого защит- ного слоя, используемый фирмой Тодини (Италия). Тонкие асфальтобетонные слои из материала FIBRACCOTM имеют толщину 2 - 3 см, величину фракций минерального материала 0-10мм, пенетрацию применяемого битума 60/70. В состав смеси вводят специ- альные тонкодисперсные наполнители (фибры), а в состав битума поли- меры типа термоэластопластов (Кратон). Минеральная часть включает: песок фракции 0/2мм, 0/4мм, щебень фракции 2/6,3 мм, 4/6,3 мм, 6,3/10 мм, минеральный порошок. Тонкомолотые волокнистые наполнители имеют длину до 1 мм, диа- метр 45 мк, удельную поверхность более 6000 см"/гр. Состав асфальтобетонной смеси (пределы содержания компонентов) Размер сит (мм) % прохода через сито 10 89-100 6 44-63 4 28-40 2 18-28 0,08 8 -12 Битум 50/70 6 , 3 - 7 % Органические волокна 0 ,3 -0 ,4% Органические вяжущие характеризуются следующими показа- телями: 2 плотность 1,0-1,1 г /см пенетрация (глубина проникания иглы) при 25 °С 50/70 индекс пенетрации 1,5 + 0,4 температура размягчения 45-51 "С температура хрупкости (по Фрасу) - 1 4 — - 6 °С Оптимальный состав асфальтобетонной смеси и интервал измене- ния (допустимый) представлены в таблице 5.1. 91 Таблица 5.1 Состав асфальтобетонной смеси Состав асфальтобетонной смеси ("оптимальный") Интервал допустимого содержания компонента Наименование компонента Содержание Щебень фракций 6 / 1 0 5 4 % 4 4 - 6 4 % 4 / 6 i a % 4 - 2 3 % Песок фракций 2 / 4 1 0 % 2 5 - 3 5 % 0 / 2 1 6 % Минеральный порошок 7 % 4 - 7 % Органические волокна 0 . 3 % 0 . 3 % Битум 6 , 6 % 6 , 3 - 7 , 0 % Получаемый материал обладает высокой эластичностью, износос- тойкостью, достаточной прочностью, водостойкостью. Тонкие слои из материала ACCODHIT устраиваются толщиной до 2 см. Для их приготовления используется щебень фракции 0/10 с пред- почтительным содержанием зерен 2/6гмм, битум с пенетрацией 50/70, тонкодисперсные органические волокна 0 , 3 - 0 , 4 % . Состав и свойства п р и м е н я е м ы х в я ж у щ и х м а т е р и а л о в а н а л о г и ч н ы м а т е р и а л у FIBRACCOTM, гранулометрический состав минеральной части и содер- жание вяжущего назначаются с учетом укладываемого слоя. В РБ подобные смеси впервые применены в опытном порядке осенью 1995 г. на 209 км автомагистрали Брест-Москва. Толщина слоя составляла 2 - 3 см. Следует отметить, что тонкие слои устраивались на цементобетон- ном покрытии, вследствие чего на участке появились определенные поперечные трещины над швами между бетонными плитами. Другие виды деформации покрытия не обнаружены. Уложенный слой асфаль- тобетона близок к составу FIBRACCOTM (см. таблицу 5.2). В результате исследований был определен следующий состав асфальтобетонной смеси для устройства защитного слоя: Щебень 6 ,3 -Юмм - 6 , 8 % Щебень 2 -6 ,3 мм - 12 % Песок дробленный 0 ,08-2 - 15% Минеральный порошок - 5% Битум - 5 , 9 % Фибры - 0 , 5 % 92 Таблица 5.2 Состав асфальтобетона Размеры сиг, мм 6 , 3 - 1 0 2 , 0 - 6 , 3 0 , 0 8 - 2 0 ,08 Бигум% Фибры, % Водонасыще-ние, % Плотно§ть, г/см Процеитнсе содержание 42 28 18 ,7 11,3 6 ,0 0 ,3 2,5 2,4 Таблица 5.3 Физико-механические свойства асф пльтобетонов для устройства тонкого защитного слоя по существующем/ цеменюбетонном/ покрытию (а/д Ml/ЕЗО) Содержание компонентов, % Трещинос гойкость Сдвиг о- у 'ТОЙ- 41 д^сть F сж-2 KiC/CM Щеб=нь ФР 6,3/Ш мм ЦГеЗень 2/6,3мм ! Отсев дробления фр.0/2мм Мине ральный порошок Волокнис- тая добавки Виа Т )П-66 Битум Прочность на растя «<ени^ ROp, »гс/см О гЕ оси- теЛьная остаточ- ная деформа- ция Энергия разруш Wpo,^ кгс/см Индекс трещи- ностойк., I=Wpo/W доп. 60 15 22 3 0 ,45 13-50 E 1 S S 0 П 2 3 = 6 2 IVM, 6 , 1 5 % 41 ,2 0 ,009 0 ,38 1 ,52 20 ,1 60 15 22 3 0 ;45 В - 8 5 E - 1 S S 0 П 2 5 = 7 7 мм, 6 , 1 5 % 47 ,9 0 ,013 0 ,64 2 ,56 18,3 Содержание компонентов, % Трещиностойкость Сдвигчт- устой- чивость, р50 сж'2 кгс/см Щебень ФР 6,3/10 мм Шебень фр. 2/6,3мм Отсев дроблечия (^ р.О 2мм Мине ра тьный ПО|,ОШОК Волокнис- тал добаька Вии- топ-66 Битум Прочность на р|астяжени^ ROp, к re/см Относи- тельная остаточ- ная дефорпа ция Энергия р^зруш ^Vpo, 2 к "С см Индекс трещи- ностойь ., I=Wpo/W Д 0 1 . 60 15 22 3 0 ,45 БН'Т 6 0 / 9 0 П2 . :=82 мм, 6 , 1 5 % 19,7 0 ,015 0 ,29 1,16 11 ,7 54 23 16 7 0 ,45 В - 6 0 E3S0 П25=62 мм, 6 , 6 % 31,2 0 ,019 0 ,58 2 ,32 11,0 54 23 16 7 0 ,45 В -вО ESS 0 П 2 5 = 6 2 мм, 6 , 0 % 42 ,9 0 ,014 0 ,61 2 ,44 15,6 72 — 15 13 0 ,45 В - 6 0 E 3 S 0 1125=62 мм, 6 , 8 % 32 ,8 0 ,013 0 ,41 1,64 8 ,9 72 — 15 13 0 ,45 В - 6 0 ESSO 1125=62 мм, '5,2% 39 ,5 0 ,011 0 ,44 1 ,76 17 ,7 в мировой практ аке разработан и ряд других видов и составов асфальтобетонных смесей для устройства тонкослойн])1х покрытий. В лаборатории «Viafrance» (Франция) ведутся исследования над составом асфальтобетонных смесей Microvia (Е и R) с использованием каменного материала 0 /6 для устройства очень тонких слоев покрытий дорог с хорошими поверхностными характеристи- ками. Microvia Е является высококачественной асфальтобетонной смесью, предназначенной для ремонта деформированных покрытий или покрытий дорог, имеющих усадочные трещины. Смесь Microvia Е может быть приготовлена с использованием обыч- ных или модифицированных битумов по традиционной технологии. Смесь укладывают слоем толщиной 15-25 мм. Вяжущее с эластомерными добавками, вводимое в смесь Microvia Е, имеет такие физико-химические характеристики: глубина проника- ния иглы при 25 °С, 0,1 мм - 130-170; температура размягчения по кольцу и шару - 6 0 °С; температура хрупкости по Фраасу — - 2 0 ; интер- вал пластичности — 80 °С. Для приготовления смеси Microvia Е используют каменный материал и песок различного гранулометрического состава, обычно применяемый при приготовлении асфальтобетонных смесей для верхнего или нижнего слоев покрытий. Наиболее часто для смеси Microvia Е используют камен- ный материал 0/6 с прерывистым гранулометрическим составом (исклю- чены зерна фракции 2/4) и известняковый минеральный порошок. Смесь Microvia Е была применена на участке Париж-Лион автома- гистрали А6 с интенсивностью движения 4000 авт/сут (21% грузовых автомобилей). Смесь распределяли на асфальтобетонное покрытие, под- верженное трещинообразованию. При этом часть трещин пере^ уклад- кой смеси была заделана. Смесь укладывали из расчета 40 кг /м . Смесь Microvia R (индекс R указывает на присутствие в смеси резины) является высококачественной «жесткой» асфальтобетонной смесью 0/6, предназначенной для строительства верхних слоев дорож- ных покрытий. Слой, уложенный из смеси Microvia R, характеризу- ется высокой прочностью, устойчивостью к колееобразованию, слабой чувствительностью к воздействию температур, сопротивлением усталос- тным явлениям. Характеристики смеси Microvia R определяются сво- йствами специального в я ж у щ е г о ( б и т у м + д о б а в к а ) и подбором гранулометрического состава каменного материала. Способ приготовления Microvia R состоит в добавлении в смесь нефтеполимерной смолы, частично растворимой в битуме. Используют также заполнитель, щебень и песок, применяемый для обычных асфальтобетонных смесей, с прерывистым гранулометрическим соста- вом 0/6 (исключены зерна фракции 2/4). Смесь Microvia R была уложена на участке департаментской дороги CD51 на слой из грунта, обработанного битумом. Интенсивность движе- 95 ния на этом участке составила 7,5 тыс. авт/сут (12% грузовых автомоби- лей). Расход смеси составил 50 кг /м . Следует отметить, что физико-механические свойства смеси позво- ляют использовать ее при устройстве герметизации на искусственных сооружениях: в качестве выравнивающего слоя перед укладкой герме- тизации при проведении ремонта дорожной одежды; в качестве времен- ного покрытия после укладки герметизирующего слоя (если дорожное покрытие не может быть уложено сразу). Тонкослойные покрытия в условиях РБ имеют большую перспек- тиву, особенно в городских условиях. Однако для их широкого исполь- зования необходимо решить ряд проблем: 1. Наладить выпуск качественных минеральных наполнителей фракции 1 - 1 0 мм; 2. Наладить выпуск вяжущего пенетрацией 50/70 и гранулирован- ных волокнистых добавок; 3. Обеспечить строительные организации необходимой укладочной техникой. Для устройства тонкослойных покрытий необходимо также обес- печить высокую ровность основания, что требует решения определен- ных организационно-технических задач (своевременное проведение ремонтов). К разновидности тонкослойных покрытий можно отнести также технологию «Новачип» [40]. Асфальтобетонные покрытия по технологии «Новачип» представ- ляют собой тонкослойные покрытия из горячих асфальтобетонных сме- сей толщиной 1 0 - 1 5 мм, укладываемых на слои проклеивания и герметизации из катионной модифицированной эмульсии, наносимой непосредственно перед укладкой асфальтобетонной смеси. Тонкослойные покрытия применяются в качестве фрикционных слоев, слоев гидроизоляции и износа на асфальтобетонных и цементобе- тонных покрытиях, а также для устранения колейности асфальтобетон- ных покрытий глубиной до 25 мм. Для производства специальной асфальтобетонной смеси тонкослой- ных покрытий магистральных автомобильных дорог должны приме- няться асфальтосмесительные установки п е р и о д и ч е с к о г о или непрерывного действия, пригодные для производства смесей асфальто- бетонных по СТБ 1033. Специализированное оборудование по укладке тонкослойных покрытий Novachip компании SCREG Route - SIR (Франция) представ- 96 ляет собой накопитель-укладчик непрерывного действия, на специаль- ном автомобильном шасси. Novachip-комбайн обеспечивает в единой технологической опера- ции приемку и хранение в термобункере емкостью 10 тонн специальной горячей асфальтобетонной смеси, приемку и хранение в термобункере емкостью 8 тонн битумополимерной эмульсии, укладку и распределе- ние смеси с помощью системы распределительных шнеков, вибробруса и темпера с изменяемой шириной укладки в пределах 2 ,7-4 ,5 метра; нанесение слоя проклеивания-гидроизоляции с полосой распределения в пределах 2,7-4,5 метра. Комбинация горячей и холодной эмульсионной технологий в еди- ном технологическом процессе позволяет укладывать указанные покрытия толш;иной 10-15 мм, что недостижимо при укладке горячих асфальтобетонов по традиционной технологии. 'Зерновой (гранулометрический) состав минеральной части указан- ных специальных асфальтобетонных смесей должен соответствовать требованиям, приведенным в таблице 5.4. Содержание модифицированного битума относительно массы сухой минеральной части должно составлять 5± 0,1% по массе. Таблица 5.4 Гранулометрический состав смеси Типы минеральной части Размеры сит, мм 0/6 0/10 0/12 массовая доля. % зерен минерального материала, мельче, мм 20 — — 100 15 100 9 0 - 1 0 0 10 100 7 5 - 1 0 0 7 0 - 9 0 5 4 0 - 6 0 2 4 - 3 7 2 4 - 4 0 2,5 2 0 - 2 4 2 1 - 2 8 2 1 - 2 8 1,25 1 5 - 2 0 1 5 - 2 3 1 6 - 2 6 0,63 1 0 - 1 5 1 2 - 1 8 1 7 - 2 0 0,315 8 - 1 2 8 - 1 4 8 - 1 6 0,14 7 - 1 0 5 - 1 0 5 - 1 0 0,071 5 - 7 4 - 7 4 - 7 Структура покрытия по типу «Новачип» представлена рисунке 5.3. 97 Рис.5.3. Структура покрытия по типу «Новачип»: 1 — нижний слой покрытия; 2 — битумополимерная эмульсия; 3 — горячий черный щебень; 4 — щебе- ночно-мастичный асфальтобетон При отсутствии специализированного оборудования для устро- йства Novachip допускается укладка тонкослойных покрытий типа «Новачип» комбинацией механизмов, состояш;ей из специального авто- гудронатора с мгновенной остановкой и стартом выдачи эмульсии и автоматическим контролем расхода и самоходным или прицепным рас- пределителем ш;ебня с ячейковым дозатором, асфальукладчика. В этом случае применение ш;ебнераспределителя необходимо для создания тех- нологического слоя, обеспечиваюш;его сохранность эмульсионного слоя проклеивания при движении асфальтоукладчика. Временной разрыв между нанесением эмульсии, ш;ебня и асфальтобетонной смеси должен составлять не более пяти секунд. При укладке тонкослойных асфальтобетонных покрытий магис- тральных автомобильных дорог для создания слоя проклеивания дол- ж н а п р и м е н я т ь с я м о д и ф и ц и р о в а н н а я к а т и о н н а я э м у л ь с и я , соответствуюш;ая марке Э Б К - М - 6 5 по СТБ 1245-00 с содержанием полимера 3% по массе остаточного битума. Условная вязкость эмуль- сии должна быть не ниже 10 °Е при плюс 25 °С. Стандарты на асфальтобетоны для тонкослойных покрытий в РБ пока не разработаны. Однако по составу и структуре данные асфаль- тобетоны близки к щебнемастичным (см. раздел 5.4), поэтому про- блема может быть решена за счет объединения работ по данным направлениям. 5.3. Асфальтобетоны с противогололедным эффектом К противогололедным асфальтобетонам относят асфальтобетоны, содержаш;ие в своем составе веш;ества, способные снижать температуру замерзания воды и тем самым предотвраш;ать или уменьшать зимнюю скользкость. В качестве противогололедных добавок в основном исполь- зуются хлориды (хлористый кальций, хлористый натрий), покрытые специальной гидрофобной оболочкой, замедляюш;ей процесс их раство- 98 рения. Под воздействием колес автомобиля данная пленка разрушается и на поверхности покрытия практически постоянно присутствует анти- гололедный реагент. Одной из таких добавок, присутствующих на рынке СНГ, является «Грикол». Грикол — смесь хлоридов, обработанных гидрофобизатором (силиконом) с размером частиц до 0,1 мм (80% — 0,07 мм). Поставля- ется фирмой «Грикол-Лимитед»в виде сыпучего порошка серого цвета с насыпной плотностью 1000 г/л. Поставка осуш;ествляется в полиэти- леновых пакетах или насыпным способом. Приготовление асфальтобетонной смеси с наполнителем Грикол и укладка в дорожное покрытие осуш;ествляются по традиционной тех- нологии, Грикол вводится в количестве до 7% от массы смеси. Име- ю т с я положительные отзывы о применении данной добавки в Финляндии, Швеции, Испании. За счет применения Грикола удается обеспечить отсутствие снежно-ледяного покрова. На рис. 5.4 показано сравнительное состояние покрытия в зимний период с наличием и отсутствием Грикола. —mmmmmmi mm Шттт тмт, шМ Рис. 5.4. Вид покрытия с противогололедным эффектом При применении Грикола в РБ следует иметь в виду, что антиголо- ледный эффект сохраняется около 50-ти циклов. Уровень надежности асфальтобетона с добавкой Грикола ниже, чем у традиционного асфаль- тобетона. Поэтому асфальтобетоны с противогололедным эффектом целесообразно использовать в качестве тонкослойных покрытий (срок службы которых 1 - 2 года) на наиболее опасных участках (мостах, раз- вязках и т. д.). 99 5.4. Асфальтобетоны на твердых и многослойных битумах. Щебнемастичные асфальтобетоны Как было отмечено в итоговых документах конгресса по модифи- цированным и специальным битумам в Риме [42], одним из перспек- тивных направлений повышения надежности и долговечности авфальтобетона является применение твердых и многослойных (multigrade) битумов, К твердым относят битумы с пенетрацией 10-40 градусов. В отличие от вязких, твердые битумы имеют повышенную адгезию и когезию, тепло- и водостойкость. Недостатком является повышенная хрупкость. С целью максимального использования положительных свойств твердых битумов и ликвидации отрицательных используется специальная прерывистая гра- нулометрия с минимальным содержанием фракции мельче 0,14 мм. Рас- ход битума повышен по сравнению с оптимальным на 15-25%. Многослойные битумы по своим свойствам занимают промежуточ- ное положение между обычными и модифицированными полимерами битумами. Получают подобные битумы по специальной патентованной технологии на заводах фирмы «Шелл». Установлено, что асфальтобе- тоны на данных битумах также обладают повышенной надежностью и долговечностью. Исследований по применению твердых и многослойных битумов в условиях РБ практически не проводилось. Поэтому говорить об их эффективности можно только в сослагательном наклонении. В этом плане более перспективно применение битумов повышенной вязкости в структуре щебеночно-мастичных асфальтобетонов (см. ниже). С увеличением вязкости битума (температуры размягчения) рас- тет надежность асфальтобетона по устойчивости к пластическим деформациям. В целом за счет увеличения вязкости битума можно решить проблемы пластических деформаций и обеспечить надежность в пределах 9 0 - 9 5 % . Однако увеличение вязкости битума отрицательно сказывается на треш;иностойкости, а в некоторой степени и на коррозионной стойкости. Однако здесь следует обратить внимание на один важный момент: с рос- том толш;ины битумной пленки растет и устойчивость по данным показате- лям. При температуре размягчения 60-70 °С толш;ина битумной пленки, для которой Р2 и Р4 находятся в пределах 0,9, составляет 8 - 1 0 мкм. Таким образом, при применении битумов повышенной вязкости гранулометрия асфальтобетона должна быть такой, чтобы обеспечить толш;ину пленки битума около 8 - 1 0 мкм. 100 Решается это путем применения асфальтобетонов специальной грану- лометрии — так называемых щебеночно-мастичных асфальтобетонов. Щебеночно-мастичные асфальтобетоны (ЩМА) содержат в своем составе до 80% дробленых частиц фракции более 2 мм. Пустоты запол- няют битумом повышенной вязкости. Для обеспечения требуемых тех- нологических свойств дополнительно вводят структурируюш;ие добавки (волокна, природные асфальты и т. д.). Структура ЩМА по сравнению с плотным асфальтобетоном характеризуется более плот- ной структурой ш;ебеночного каркаса и меньшим содержанием песча- ной составляюш;ей (рис. 5.5). а) б) Рис.5.5. Структура асфальтобетона: а) обычного; б) щебеночно-мастичного Бесспорно, что для широкого применения подобных асфальтобето- нов, как и асфальтобетонов на модифицированных битумах, прежде всего, необходимо решить проблему получения качественных мине- ральных материалов (ш;ебня, искусственного песка). В противном слу- чае, как уже отмечалось выше, эффект может быть утерян. Щебеночно-мастичный асфальтобетон, благодаря своему специфи- ческому составу, обладает большим сроком службы по сравнению с асфальтобетоном типа А , так как содержит больший процент асфальто- вяжуш;его, в котором соотношение битум-минеральный порошок зна- чительно выше. Содержание большей доли битума возможно из-за того, что состав асфальтобетона предполагает большое содержание гру- бых фракций (ш;ебень), которое в свою очередь обеспечивает достаточ- ную сдвигоустойчивость покрытия в летний период даже на дорогах с движением автотранспортных средств с большой нагрузкой на ось. Можно сказать, что п];ебеночно-мастичный асфальтобетон взял на себя 101 преимущества как литого асфальта (повышенная температурная и уста- лостная трещ;иностойкость, коррозионная стойкость) и асфальтобетона (повышенные прочностные показатели, транспортировка и укладка). Наличие стабилизирующ;их добавок (органические или минеральные волокна) предполагает предотвращ;ение стока битума с минеральных частиц во время транспортировки и укладки в покрытие. Волокнистые добавки в состав смесей вводят или в гранулирован- ном виде (рис. 5.6), либо в пакетах определенной массы. Гранулирован- ные добавки поступают под торговой маркой «Виатоп» и могут дозироваться автоматически. В отношении добавок в пакетах эта про- блема (автоматизированного дозирования) не решена. Рис. 5.6. Гранулированная волокнистая добавка "Виатоп" Республика Беларусь имеет сущ;ественные климатические отличия от стран Западной Европы и даже Скандинавии. Эти отличия состоят в достаточно высокой летней температуре покрытий (до 70 °С) и низкой зимней (до - 3 0 °С). В то же время наблюдается до 200 циклов заморажи- вания-оттаивания. Поэтому РБ следует отнести к зоне риска с точки зре- ния э к с п л у а т а ц и о н н о й надежности д о р о ж н о г о п о к р ы т и я . Эта особенность не позволяет механически перенести подходы к проектиро- ванию составов смесей и оптимизации их структуры, применяемые в странах Западной Европы, в условия РБ. С целью обоснования составов и структуры ЩМА в условиях республики были выполнены исследова- ния надежности и долговечности щ;ебеночно-мастичного асфальтобе- тона по методике раздела 1. 102 Сравнение выполняли на основе коэффициентов запаса и уровней надежности по устойчивости к пластическим, хрупким, усталостным и коррозионным разрушениям. В качестве аналога были приняты наибо- лее распространенные в условиях РБ асфальтобетоны типа А по СТБ 1033-96. Было установлено, что асфальтобетон типа А более чувствителен к изменению вязкости битума по сравнению со ЩМА. Если при более низ- кой вязкости битума он имеет высокие показатели коэффициента запаса из условия сдвигоустойчивости, то по мере повышения вязкости прояв- ляется явная тенденция к снижению, в то время как у ш,ебеночно-мастич- ного спад данных значений не так велик и уже после достижения 70-80 "П ЩМА имеет преимуш;ество в отношение данного показателя. В пользу щебеночно-мастичного асфальтобетона говорит его специ- фический состав, в котором угол внутреннего трения (tg9), который зна- чительно выше в силу того, что ЩМА в своем составе содержит большое количество ш;ебня и большую долю самой крупной фракции, а из-за этого прочность ш;ебеночного каркаса обеспечивается за счет большого количества межзерновых связей, что играет более важную роль в обес- печении достаточного уровня сдвигоустойчивости, в то время как у асфальтобетона типа А эту роль на себя берет в основном внутреннее сцепление (с), которое в свою очередь в основном зависти от вязкости битума. Поэтому в составе ЩМА может содержатся большее количес- тво битума и можно в значительной степени варьировать его вязкостью без снижения устойчивости асфальтобетона к колееобразованию, а для асфальтобетона типа А данные изменения приведут к значительному снижению данного вида прочности. На участках перегона (нормативные условия) покрытия из ЩМА будут иметь достаточный уровень надежности из условия сдвигоустой- чивости даже при применении менее вязких битумов, а для асфальтобе- тонов типа А падение прочности может наступить для составов, содержаш;их битум вязкостью более 90-100 °П. При ненормативных условиях (участки разгона и торможения) покрытие как из щебе- ночно-мастичного, так и из асфальтобетона типа А может иметь дефекты в виде наплывов и гребенки, однако при применении в составе Щ М А битума вязкостью 60 -90 °П возникновение данных дефектов маловероятно, в то время как для мелкозернистого плотного асфальто- бетона даже при такой вязкости битума дефекты могут иметь место. В отношении температурной треш;иностойкости следует отметить, что практически при любой вязкости в пределах 4 0 - 1 2 0 °П щебе- 103 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 42 75 Вязкость битума, град, пенетрации 120 Рис. 5.7. Коэффициент запаса прочности из условия температурной трещиностойкости щебеночно-мастичного асфальтобетона ночно-мастичный асфальтобетон имеет значительный уровень надеж- ности (рис, 5.7). Так, например, при вязкости битума 42 °П он имеет значение 0,96, а при 120 °П — 0,98. Такие высокие показатели данный вид асфальтобетона имеет в силу того, что толщина битумной пленки на минеральных материалах в несколько раз больше, чем в обычном асфальтобетоне, поэтому даже при применении более вязкого битума не повлечет за собой снижения деформационной способности асфальтобетона при зимнем охлаждении. Что касается асфальтобетона типа А, то для того, чтобы он имел подо- бный уровень надежности из условия температурной треш;иностой- кости , применяемый битум должен иметь вязкость выше 80 °П. Вероятность появления усталостных трещин практически одинакова для двух видов асфальтобетона. Однако ЩМА имеет некоторое преиму- щество в силу того, что имеет более высокую плотность, большее коли- чество битума и жесткость его ниже, чем асфальтобетона типа А. При этом видно, что для двух видов асфальтобетона минимальные значения уровня надежности из условия усталостной долговечности имеют составы с применением битумов вязкостью 60-90 °П, а максимальное значение уровня надежности приходится на составы, в которых содер- жатся битумы либо с малой вязкостью, либо с достаточно высокой. ЩМА имеет уровень надежности из условия коррозионной стой- кости, значительно превышающий данный для асфальтобетона типа А, при этом практически при любой вязкости, в силу большой плотности и значительного количества вяжущего, щебеночно-мастичный асфальто- 104 - РобщЩМА (нормах, усл.) РобщЩМА (не нормах, усл.) 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 Р общ 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 42 РобщхипА (нормах, усл.) РобщхипА (не юрмах. усл.) п — i 1 75 Вязкосхь бихума 120 Рис.5.8. Общий уровень надежносхи щебеночно-масхичного асфальхобехона и асфальхобехона хипа А бетон имеет довольно высокие коэффициенты запаса прочности. Сле- дует также заметить, что для асфальтобетона типа А , в отличие от ЩМА, вязкость битума в более высокой степени влияет на его коррози- онную устойчивость и некий оптимум приходится на 60-80 °П. Анализируя данные рис. 5.8, можно отметить, что общий уровень надежности, который в свою очередь определяется как произведение частных уровней (сдвигоустойчивость, температурная трещиностой- кость, усталостная долговечность, коррозионная стойкость), у ЩМА достаточно высок, и при нормативных условиях данный показатель практически не зависит от вязкости применяемого битума, однако при ненормативных условиях (участки разгона, торможения, места остано- вок общественного транспорта) данный уровень значительно падает, особенно при вязкости битума 80 °П. Поэтому исходя из вышесказан- ного можно порекомендовать в таких условиях применять битум вяз- костью 60-90 °П, а применение более вязкого битума нецелесообразно с точки зрения удобообрабатываемости и возможности достаточного уплотнения в покрытии. При применении менее вязких битумов наблю- дается значительный спад при ненормативных условиях и некоторый спад при нормативных. Для вязкости битума 60-90 °П практически все частные уровни надежности имеют высокие значения. Наименьшим является уровень надежности из условия усталостной долговечности, однако его показатель также достаточно высок (ж 0,8). 105 в отношении применения целлюлозного волокна необходимо заме- тить, что его введение не приводит к возрастанию прочностных характе- ристик асфальтобетона в целом, однако неоценима его роль как стабилизатора битума в толстых слоях на частицах минерального мате- риала, что играет немаловажную роль во время транспортировки и укладки смеси в покрытие. Таким образом, ЩМА обеспечивают: - Высокую сопротивляемость пластическим деформациям; - Износоустойчивость; - Устойчивость к образованию температурных трещин; - Поверхность имеет грубую текстуру (достаточно высокий коэффи- циент сцепления). Опытная апробация применения ЩМА была выполнена в 2001 году на дороге М-1 . Старое покрытие имело большое количество дефектов в виде темпе- ратурных трещин и коррозии (рис. 5.9). Поэтому перед устройством слоя асфальтобетона была устроена тре- щинопрерывающая прослойка из щебня, пропитанного эмульсией (рис. 5.10). Асфальтобетонная смесь имела следующий состав: Щебень фр, 1 0 - 2 0 M M — 46% Щебень фр. 5-IOMM — 2 6 % Гранитный отсев — 9% ; Рис. 5.9. Общий вид старого покрытия 106 Рис.5.10. Трещинопрерывающая мембрана Природный песок — 8% ; МП — 11%; Битум 90/130 — 6,4% (сверх 100% по массе); Целлюлозное волокно «Ekovata» — 0,3% (сверх 100% по массе). Укладку смеси производили укладчиком по традиционной схеме. Для уплотнения использовали катки на пневмошинах и гладковальце- вые. Текстура готового покрытия представлена на рис. 5.11. Рис. 5.11. Текстура щебеночно-мастичного асфальтобетона 107 При работе с ЩМА надо иметь в виду ряд особенностей его реологи- ческого поведения в период приготовления, укладки и эксплуатации. В структуре асфальтобетонов подобного типа мезоструктура (мастика) существенно уступает по прочности при высоких температурах струк- туре обычных асфальтобетонов. Поэтому необходимо тщательно соблюдать точность дозирования компонентов. В 2002 году ЩМА нашли боле широкое распространение. В частности па второй очереди МКАД, Si В Г» Минске (проспект Машерова). В РБ разработаны ТУ 190055552.272-2001 «Смеси асфальтобетон- ные щебеночно-мастичные и асфальтобетон». Согласно ТУ в зависи- мости от крупности применяемого щебня смеси подразделяются на следующие типы: ЩМСц-10 (размер фракции до 10 мм), ЩМСц-15 (размер фракции до 15 мм) и ЩМСц-20 (размер фракции до 20 мм). К смесям и асфальтобетону предъявляют следующие требования: Наименование показателей Значение 1. Пористость минерального остова, % по объему 1 5 - 2 2 2. Водонасыщение, % по объему 1 - 3 3. Набухание, % по объему, не более 1,0 4. Предел прочности на сжатие при температуре 50 °С, МПа, не менее 1,0 5. Предел прочности при сдвиге при температуре 50 °С, МПа, не менее 2,0 6. Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении, не менее 0,75 7. Коэффициент стекания вяжущего, % по массе, не более 0,15 3 8. Средняя плотность, г /см 2 , 4 - 2 , 5 Применение ЩМА особенно эффективно для устройства тонких слоев износа в сочетании с восокопрочным несущим слоем, а также в сочетании с технологией «Компактасфальт» см. раздел 5.8. Технология работ со щебнемастичным асфальтобетоном имеет ряд особенностей и нюансов. В частности, температура смеси повышается на 10—15 °С по сравнению с горячим уплотняемым асфальтобетоном, не рекомендуется использовать пневмокатки, а в отдельных случаях и вибрационные. Для придания высоких эксплуатационных свойств (шероховатости и светоотражающей способности) в Германии по повер- хности слоя распределяют мелкий кварцитовый щебень. В этом случае 108 окончательное уплотнение ведет нневмокатком. Учитывая особые механизмы подбора составов и технологии производства работ при применении ЩМА желательно обращаться за научным сопровожде- нием в компетентные научные организации. 5.5. Дренирующий асфальтобетон Дренирующий асфальтобетон — разновидность асфальтобетона, обладающего системой открытых пор в количестве 15-25% . Благодаря этому вода, попадающая на покрытие, не застаивается на его повер- хности и по системе пор уходит в глубь слоя и отводится па обочину. Такая ситуация позволяет избежать эффекта акваплапировапия, что существенно повышает удобство и безопасность движения. На рис. 5.12 показано поведение воды па поверхности дренирующего (слева) и обыч- ного (справа) асфальтобетонов. Как видно из данных рисунка, па обычном асфальтобетонном покрытии вода растекается по его поверхности. На дренирующем покрытии вода па поверхности практически не остается и уходит по порам вглубь. Гранулометрический состав дренирующего асфальтобетона подби- рают таким образом, чтобы обеспечить остаточную открытую пористость 15 -25%. Практически подобные асфальтобетоны не содержат фракции мельче 1 мм, то есть состоят целиком из щебня фракций 10-14 мм (40-60%) , 6 ,3-10 мм (20-40%) , 4 -6 ,3 мм (10 -30%) и 2 -4мм (10-20%) . Рис. 5.12. Поведение воды на дренирующем (слева) и обычном (справа) покрытии 109 Учитывая подобную гранулометрию, очень важное значение приоб- ретает выбор битума. Битум должен иметь повышенные когезионные сво- йства, обладать хорошей эластичностью. Обычно используют битумы повышенной вязкости (50-70 °П) или модифицированные битумы. К сожалению, несмотря на свои достоинства с точки зрения потре- бительских свойств, дренируюш;ие асфальтобетоны в условиях РБ прак- тически не Р1меют перспектив. Обусловлено это высокой их пористостью, что, несмотря на приме- нение высококачественных битумов, приводит к недостаточной долго- вечности в условиях избыточного увлажнения (предельное число циклов замораживания-оттаивания не более 150). Однако главной сдер- живаюш;ей причиной является применение противогололедных матери- алов в виде песко-соляных смесей. Подобные материалы забивают поры в дренируюш;ем асфальтобетоне и выводят его из строя. Применение дренируюш;его асфальтобетона возможно при пере- ходе на химический способ борьбы с гололедом (применение чистых солей), а также организацией мойки колес автомобилей при въезде на трассу с дренируюш;им покрытием. Однако и в этом случае поры через 2 - 3 года забиваются продуктами износа и для восстановления их работы необходима промывка пор водой под давлением с помош;ью спе- циальных дорогостояш;их машин, что суш;ественно повышает эксплуа- тационные затраты. 5.6. Цветной асфальтобетон Цветной асфальтобетон относится к асфальтобетонам условно, поскольку он не содержит основного компонента классического асфальтобетона — битума. Вместо битума в качестве вяжуш;его исполь- зуются различные синтетические смолы, имеюш;ие светлый цвет (эпок- сидные, нефтеполимерные, инденкумароновые и т. д.). В Белоруссии использовали отходы производства — ДМТ (ик) [43]. К сожалению, данные продукты оказались очень токсичными и широкого распрос- транения не получили. Все вышеотмеченные полимерные смолы очень хрупки и они обяза- тельно должны пластифицироваться, в основном осветленными мас- лами. Однако и в этом случае треш;иностойкость бетонов недостаточна, и их долговечность ниже обычного асфальтобетона. В состав цветного асфальтобетона обязательно вводятся пигменты для придания соответствуюш;его цвета, что резко повышает их стоимость. В настояш;ее время в Западной Европе разработано специальное полимерное вяжуш;ее, по свойствам близкое битумам [42]. Характерно, 110 что данное вяжущее не требует ввода пигмента и приобретает красный цвет при нагреве до рабочей температуры. Используют цветные асфальтобетоны в основном как декоратив- ный материал, а также для отделения различных по функциям транс- портных потоков (велодорожек). В последнее время для нанесения на покрытия различных рисун- ков, выделения велодорожек, переходов используют специальные поли- мерные покрытия (в основном на основе полиуретанов), наносимые методом набрызга или наклеивания (рис. 5.13). Рис. 5.13. Полимерное покрытие, нанесенное методом наклеивания По-видимому в будущем подобные покрытия полностью вытеснят цветной асфальтобетон. 5.7. Асфальтобетоны дискретной структуры Сопротивление усталостному разрушению и прочность при изгибе определяются уровнем дефектности структуры и степенью концентра- ции напряжений. Поэтому данные характеристики асимптотически возрастают с увеличением количества вяжущего в отличие от предела прочности на сжатие. Предельная структурная прочность, а следова- тельно, и сопротивление усталостному разрушению также асимптоти- чески растут с увеличением количества вяжущего. Таким образом, при разработке мероприятий по экономии расхода органических вяжущих основное внимание необходимо уделять сохранению в структуре доста- точного количества центров, способных воспринимать значительные динамические нагрузки без разрешения. Одним из таких мероприятий может являться создание дискретной структуры материала. 111 Асфальтобетоны дискретной структуры — разновидность компо- зитов, состоящих из обогащенной вяжущим матрицы и минеральных частиц с пониженной толщиной пленки вяжущего либо его отсу- тствием вообще. Можно предложить три технологических приема получения мате- риалов дискретной структуры. 1. Органическим вяжущим обрабатывают 7 0 - 9 0 % общей массы минеральных частиц, затем подают оставшиеся 10 -30% частиц и вод- ный раствор ПАВ. В результате наличия водного раствора ПАВ вто- рично подаваемые частицы не покрываются вяжущим в процессе смешения. Однако при транспортировке и укладке вода испаряется и при уплотнении за счет наличия ПАВ частицы прочно сцепляются с остальной массой конгломерата. 2. Органическим вяжущим обрабатывают 7 0 - 9 8 % общей массы минеральных частиц при температуре 120-160 °С, затем подают остав- шиеся частицы естественной температуры и влажности. В этом случае роль «барьера», препятствующего прилипанию вяжущего в процессе смешения, выполняют пониженная температура и пленка влаги на поверхности вторично подаваемых частиц. 3. Минеральный материал обрабатывают 40-70% общей массы орга- нического вяжущего, затем подают водный раствор ПАВ и оставшиеся 30 -50% вяжущего. Такой способ позволяет получить частицы с пони- женной толщиной пленки вяжущего за счет концентрации органичес- кого вяжущего на частицах, обработанных первой порцией вяжущего. В качестве ПАВ предлагается использовать ингибитор отложения солей ИОМС-1, представляющий собой 25-30%-ный водный раствор органи- ческих фосфонатов нитриотриметил, метилиминодиметилфосфоновых кислот с небольшой примесью неорганических фосфатов. Данная техно- логия может увеличить механические характеристики на 10 -30%. На проведение материалов дискретной структуры будут сказы- ваться одновременно два процесса: упрочнение за счет обогащения вяжущим определенного объема материала и разупрочнение за счет появления неоднородностей и снижения эффективной площади сече- ния материала. При оптимальном сочетании указанных факторов кон- гломераты с дискретной структурой будут иметь улучшенные свойства. Зависимость свойств (динамического модуля упругости, предела прочности на растяжение при изгибе) асфальтобетонов от количества вяжущего можно представить в виде К(Е) = Ко(Ео)Х^Л (5.1) 112 где X — количество вяжущего, % ; А и В — коэффициенты, равные соотве- тственно 1,5-4,0 и 0,01-0,06; Ro(Eo) — свойства материала при Х=1. Создание дискретной структуры материала будет целесообразно, если выполняется условие: ( 1 - К ) (5.2) \1-Tlj где п — количество необработанных вяжущих частиц, доли единицы; К — коэффициент, учитывающий сцепление необработанных вяжу- щим частиц с остальной массой конгломерата. Если К=п, то сцепление отсутствует, если К=0 — сцепление мак- симальное. Теоретические расчеты показали, что оптимальное количество необ- работанных вяжущим частиц составляет 5 - 2 0 % в зависимости от коли- чества вяжущего. Такое положение соответствует и выводам теории перколяции, поскольку перколяционные «мостики» из необработанных частиц могут возникать при объемной их концентрации не менее 17% . В результате экспериментальных исследований было установлено, что за счет регулирования толщины пленки вяжущего удается повы- сить прочность на сжатие и изгиб, особенно при высоких скоростях деформирования. Это позволяет сократить расход вяжущего из условия равнопрочности на 1 0 - 3 0 % . За счет обогащения вяжущим части кон- гломерата снижается водонасыщение и происходит увеличение пред- ельной деформации. Оптимальное количество необработанных частиц зависит от вяз- кости вяжущего и его количества. С увеличением вязкости вяжущего оптимум структуры смещается в сторону большего количества необра- ботанных частиц. При сравнении теоретических значений и экспериментальных дан- ных установлено, что величина коэффициента К в уравнении (5.2) составляет 0 ,1 -0 ,7 п, т. е. сцепление необработанных частиц с осталь- ной массой конгломерата больше нуля, но меньше сцепления обработан- ных вяжущим частиц. Такое положение может привести к падению водо- и морозостойкости. Для оценки водо- и морозостойкости исследовали прочностные сво- йства дегтебетонов однородной и дискретной структуры, содержащих различное количество необработанных вяжущим частиц. Образцы были подвергнуты 15 циклам замораживания и оттаивания с длитель- ной выдержкой их после каждого цикла в воде. Общая продолжитель- на ность выдержки составила 20 с у т о к . Установлено , что бетоны дискретной структуры не уступают по морозостойкости обычным. Повышение морозостойкости объясняется более высокой плотнос- тью и прочностью основной массы конгломерата, что компенсирует сла- бое сцепление необработанных частиц. Материалы дискретной структуры обладают также достаточным сопротивлением износу , что гарантирует их у с т о й ч и в о с т ь под действием построечного транспорта до устройства покрытия. Дискретная структура рекомендуется для пористых битумопесча- ных смесей, применяемых в нижних слоях покрытий и основаниях. Битумопесчаные смеси, получаемые обычным способом, требуют повы- шенного расхода битума и имеют невысокие физико-механические показатели. За счет создания дискретной структуры при том же рас- ходе битума расчетные характеристики удается повысить на 2 0 - 3 0 % . В качестве материалов, подаваемых на второй ступени смешения, можно использовать влажные отходы производства (асбоцементные, гипсосодержап];ие и др.). Создание дискретной структуры целесообразно при использовании комбинированных вяжущих, например, битумов и дегтей, некондици- онных вяжуш;их из отходов производства. Так, если дегтем обработать крупную фракцию, а битумом — мелкую, удается повысить прочность материала и снизить расход вяжущего. Готовят данные материалы сле- дующим образом. Щебень обрабатывают дегтем при 110-120 °С и пере- мешивают 10-15 с, затем подают песок, минеральный порошок, битум и производят окончательное перемешивание. Такая технология позво- ляет улучшить деформативность материала, снизить токсичность [44]. Обработка менее вязким вяжущим крупной фракции целесооб- разна также с точки зрения снижения температурных внутриструктур- ных напряжений. Таким образом, применение бетонов дискретной структуры позво- ляет широко использовать местные пески и песчано-гравийные смеси, добиться экономии вяжущего. Подобные бетоны целесообразно исполь- зовать на дорогах местного значения с защитным слоем. 5.8. Высокопрочные асфальтобетоны с защитным слоем (НАС) Как уже отмечалось в разделе 1, дорожные покрытия работают в сложных условиях при одновременном воздействии транспортной нагрузки и погодно-климатических факторов. Поэтому структурные пара- метры асфальтобетона находятся в диалектическом противоречии с точки 114 зрения их влияния на надежность и долговечность асфальтобетона. Нап- ример, повышая прочность асфальтобетона на действие транспортных нагрузок, мы снижаем его устойчивость к погодно-климатическим факто- рам. На рис 5.14 представлена зависимость общего уровня надежности асфальтобетона от содержания щебня и вязкости битума. Как видно из данных рисунка, асфальтобетоны с повышенным содержанием щебня имеют достаточно низкий уровень надежности (в пределах 50%), при этом оптимальная вязкость битума составляет около 90 °П. Подобные асфальто- бетоны недостаточно устойчивы к повышенным транспортным нагрузкам и имеют невысокую прочность. Такое положение обусловлено падением надежности асфальтобетона на действие погодно-климатических факто- Function • i 0,3-0,4 0,4-0,5 Й®^ 0,5-0,6 • i 0,6-0,7 Ш 0,7-0,8 Ш 0,8-0,9 0,9-1,0 о рц 110 Реп 130 Рис. 5.14. Зависимость общего уровня надежности асфальтобетона от содержа- ния щебня и вязкости битума Р о 0,1-0,2 0,2-0,3 • 0,3-0,4 ш 0,4-0,5 Ш 0,5-0,6 0,6-0,7 ш 0,7-0,8 0,8-0,9 • 0,9-1,0 40 60 SCHEBEN, % BITUM, % Рис.5.15. Зависимость уровня надежности асфальтобетона по коррозионной стойкости от содержания щебня и битума 115 ров с повышением содержания щебня. Как видно из данных рисунка 5.15, с ростом содержания основных структурообразующих компонент (щебня и отсева) коррозионная стойкость асфальтобетона неуклонно снижается. В то же время многощебенистые асфальтобетоны устойчивы к плас- тическим деформациям и температурным трещинам. Отсюда возникает конструкционная проблема — сохранение устойчивости асфальтобетона на действие погодно-климатических факторов. Если каким-либо спосо- бом обеспечить достаточный уровень надежности по коррозионной стой- кости, наблюдается совершенно иная картина зависимости общего уровня надежности от структурообразующих компонент (рис. 5.16). S Рч Рис. 5.16. Зависимость общего уровня надежности от содержания щебня и вяз- кости битума (без учета коррозионной стойкости) Преимущество начинают иметь асфальтобетоны на битумах повы- шенной вязкости с содержанием щебня 50 -60%. Это позволяет полу- чить асфальтобетоны повышенной прочности и деформационной устойчивости с высокими расчетными характеристиками, модулем упругости и прочностью на изгиб. Защита от коррозии осуществляется конструктивными мерами — путем устройства качественных защитных слоев износа не позже чем через месяц после устройства покрытия. В качестве слоев износа реко- мендуется использовать: 1. Литые асфальтобетоны с втапливанием щебня; 2. Тонкослойные покрытия из горячих смесей и щебнемастичных асфальтобетонов (см. раздел 5.2, 5.4); 3. Двойные поверхностные обработки; 4. Одиночные поверхностные обработки на модифицированных битумах; 116 5. Слои из литых эмульсионно-минеральных смесей (Слари-Сил). Подобные асфальтобетонные смеси нашли отражение в ТУ РБ 100649721.001/2000 «Смеси асфальтобетонные повышенной деформа- ционной устойчивости и асфальтобетон для покрытий городских улиц» под маркой А1. В качестве заш;итных слоев рекомендуется использо- вать тип смеси A3. Составы смесей представлены в таблице 5.5. При подборе составов подобных смесей необходимо стремиться к минимизации расхода битума с максимальным увеличением плотности смеси и содержания п];ебня, минимизации пыли. Таблица 5.5 Составы смесей повышенной деформационной устойчивости Н а и м е н о в а - н и е и т и п с м е с и М а с с о в а я л ОЛЯ, % , з е р е н м и н е р а л ь н о г о м а т е р и а л а м е л ь ч е , м м С о д е р - ж а н и е б и т у м а в % о т м а с с ы м и н е - р а л ь н о й ч а с т и о см г-| о 1-4 ю ечГ см 1—1 со со о гН СО о" те 1-1 о" тН t- О о" • A3 — — 90-100 30-50 20-37 14-25 9-18 6-14 4-10 4-6 5,2-7,0 А2 95-100 78-100 60-100 35-50 24-38 17-28 12-20 9-15 6-11 4-10 4,5-6,5 А1 97-100 65-59 47-42 23-30 20-30 20-30 19-27 17-23 16-20 4-14 4,5-6,5 Для приготовления смесей используют вязкие битумы с пенетра- цией 6 0 - 8 0 градусов. Подобные смеси прошли апробацию на ряде улиц г. Минска и показали свою эффективность. При устройстве дорожных покрытий по предлагаемой схеме можно использовать и технологию «Компактасфальта», разработанную фир- мой «Кирхнер» (Германия). Суш;ность данной т е х н о л о г и и з а к л ю ч а е т с я в одновременной укладке высокопрочного асфальтобетона и слоя износа. Это обеспечи- вает качественное сцепление слоев, отказ от подгрунтовки, эффектив- ное уплотнение с двукратным уменьшением затрат на него. Одновременное устройство слоев из различных по составу и сво- йствам материалов осуш;ествляют с помош;ью специальных асфальтоук- ладчиков (рис. 5.17), состояш;их из следуюш;их элементов (рис. 5.18). Преимуш;ества технологии «Компактасфальта» сдерживается пока высокой стоимостью укладочного комплекса (около 800 тыс. евро). 117 Рис.5.17. Механизированный комплекс для устройства покрытий по техноло- гии "Компактасфальт" Рис. 5.18. Схема механизмов устройства покрытий по технологии "Компактас- фальт": 1 - механизм, обеспечивающий раздельный прием и подачу смесей для устройства несущего слоя и слоя износа; 2 - бункер для приема и хранения смеси несущего слоя; 3 - то же для слоя износа; 4 - механизм распределения и уплотнения смеси несущего слоя; 5 - то же слоя износа. В тоже время наиболее целесообразным в условиях РБ следует при- знать устройство покрытий из литых смесей с втапливанием щебня. Германская фирма GFB уже в течение нескольких лет использует литые смеси для устройства дорожных покрытий. Срок службы подо- бных покрытий достигает 20 лет. Литые смеси готовят на высокопроиз- водительных асфальтобетонных заводах и доставляются на трассу в котлах емкостью до 20 м^(рис. 5.19). В покрытие смесь укладывают спе- циальными укладчиками с одновременным распределением мелкого 118 Рис. 5.19. Котлы для доставки литых смесей Рис. 5.20. Специальный укладчик литых смесей с распределением мелкого щебня щебня, обеспечивающего шероховатость (рис. 5.20). Щебень прикаты- вают средним катком до получения качественной микрошероховатой структуры (рис. 5.21). Литые смеси для устройства слоев износа отлича- ются повышенным содержанием щебня и наличием добавок (тринидад- ского асфальта). Применение литых смесей в РБ позволит наконец решить проблему низкой долговечности дорожных покрытий. 119 Рис. 5.21. Прикатка мелкого щебня на свежеуложенном покрытии из литой смеси Следует отметить, что при устройстве тонких слоев износа поверх жесткого несущего слоя происходит перераспределение напряжения и деформаций в слоях покрытия. В результате уровень напряжения в слое износа толщиной 2 ,5 -3 см ниже, чем в случае применения тради- ционных покрытий на 30 -40% (рис. 5.22). При этом максимальный уровень напряжения наблюдается в несущем слое. Такое положение позволяет применить в структуре защитных слоев менее жесткую мат- рицу вяжущего (повышенный расход битума), обеспечивающую высо- кую степень гидроизоляции. ^ to Ю Гч) iT; СП (-J го S S Й й S шт Рис. 5,22. Распределение максимальных касательных напряжений т max по толщине (в Па): а) покрытие со слоем износа; б) обычное двухслойное покрытие. 120 Таким образом, в РБ разработаны новые эффективные составы и конструкция дорожного покрытия, обеспечивающие уровень надеж- ности в пределах 95—98%. Данное покрытие было устроено на автостраде М - 1 в июле 2002 году. Через две недели была устроена поверхностная обработка. Несмотря на высокие летние температуры деформации покрытия отсутствуют. 5.9. Холодные асфальтобетоны для ямочного ремонта в зимний период Одним из путей снижения энергозатрат в дорожном строительстве является применение холодных асфальтобетонов для текущего ремонта. Холодные асфальтобетоны можно готовить на одной базе, а применять по всей территории области или республики. Продлевается ремонтный сезон до температуры 0...-5 °С. Сокращается энерго- и меха- новооруженность ремонтных бригад. Однако в странах СНГ холодные асфальтобетоны практически не применялись с 50-х годов. Утерян опыт работы с ними. Практически отсутствуют требования к материалу и технологии его приготовления. В последние годы в странах Западной Европы, США, Канаде появились высокотехнологичные и качествен- ные холодные асфальтобетоны. Поэтому актуальность применения подобных материалов возросла. Классический холодный асфальтобетон является разновидностью асфальтобетона приготавливаемого в горячем состоянии, но укладывае- мого в холодном виде (при температуре не ниже 5 °С). В СССР подобные асфальтобетоны начали применять в 50-х годах. Для их приготовления использовали средне- и медленногустеющие битумы марок СГ 70/130 или МГ 70/130 по ГОСТ 11955-82. Получали подобные битумы в основном путем разжижения вязких битумов дизельным топливом, керосином или маслами. Для предотвращения быстрого слеживания готовой смеси содержание битума составляло на 20% меньше оптималь- ного, а для повышения прочности готовой смеси вводили повышенное количество минерального порошка (на 15 -20% больше оптимального). Все это в результате позволило получать смеси, способные хра- ниться до 6 месяцев в штабелях высотой не более 1,5 м. Холодной смесь укладывалась в покрытие и формировалась (уплотнялась) движу- щимся транспортом в течение 1 - 1 „5 месяца. Низкая плотность подо- бных бетонов и малый расход битума приводили к недостаточной долговечности, особенно в зонах избыточного увлажнения (Беларусь). 121 Не было возможности применять данные смеси в осенне-зимний период (температура ниже плюс 5 °С). Все это привело практически к отказу от холодного асфальтобетона. Ускорить сроки формирования холодного асфальтобетона и повы- сить его качество можно путем замены медленногустеющих битумов быстрогустеющими. Впервые холодный асфальтобетон на быстрогусте- ющих битумах был получен в США. В качестве разжижителя битума был использован газолин в количестве 0 ,2 -1 ,5% от общей массы смеси. Расход битума составлял 4 , 5 - 7 % . Минеральный материал содержал 0 , 5 - 1 % гашеной извести. Смесь формировалась в течение нескольких суток. В то же время подобные асфальтобетоны также не нашли широ- кого распространения ввиду небольшого срока их хранения в штабеле, поскольку растворитель быстро испарялся и асфальтобетон терял техно- логическую подвижность. Данная проблема довольно оригинальным способом была решена в 90-е годы. Холодная асфальтобетонная смесь на легколетучих раствори- телях затаривалась в полиэтиленовые либо бумажные мешки. Это давало возможность длительного хранения смеси и упрош;ало доставку к потребителю. Недостатком смесей на быстрогустеюш;их битумах явля- ется применение дорогих растворителей, которые, испаряясь, теря- ются безвозвратно. Необходимо применять битумы, которые при небольшой потере растворителей приобретали достаточную когезию. Однако до сих пор в мировой практике данная проблема не решена. В настояш;ее время стали применять холодные асфальтобетоны на битумных эмульсиях. Наибольшее распространение такие бетоны нашли во Франции, Германии, Польше. Так, французские фирмы «Скрэт» и «Колас» для приготовления холодных асфальтобетонных смесей используют эмульсии катионного типа. Для повышения качес- тва бетона эмульсии готовят на разжиженном легкими растворителями битуме, кроме того, в состав эмульсии входят 2 - 3 % латекса натураль- ного каучука. С целью повышения срока хранения готовая смесь также затаривается в полиэтиленовые мешки. Запатентована холодная смесь на битумных эмульсиях анионного или катионного типа, содержаш;ая минеральный заполнитель крупностью 0 - 1 4 мм непрерывной грануло- метрии, синтетические волокна (0 ,05 -0 ,5%) и добавки, регулируюш;ие сроки формирования (цемент или водные растворы аминов). В Польше для снижения температуры замерзания воды в состав эмульсии вводят хлористый кальций. В результате эмульсионная смесь используется и для зимнего ямочного ремонта. 122 в Германии выпуском холодного асфальтобетона занимается фирма « R o m e x » . Фирма разработала э м у л ь с и ю под названием «Repaspha-ltkoncentrat». Для приготовления асфальтобетонной смеси используются минеральные материалы прерывистой гранулометрии следующ;его состава: щебень фракции 2 - 5 мм — 65% ; дробленный песок фракции 0 ,2 -2 мм — 24% ; тонко дисперсный наполнитель — остальное. Расход концентрата составляет 65 кг на одну тонну смеси. Стои- мость концентрата 1470 ДМ за тонну. Концентрат представляет собой водную эмульсию, содержащую битум, качественное ПАВ, разжижитель и полимер. Важную роль играет гранулометрический состав. Приведенный выше грансостав выполняет две функции: 1. Предотвращает пластические деформации при практически нуле- вой когезии вяжущего. 2. Вследствие отсутствия тонкодисперсных частиц предотвраща- ется распад эмульсии на стадии смешения и хранения. Несмотря на широкое применение холодных асфальтобетонов на битумных эмульсиях в ряде западных стран, к их применению в усло- виях Беларуси, особенно для ведения осенне-зимних ремонтов, следует относиться с осторожностью. Холодный асфальтобетон на битумных эмульсиях может сформироваться только после испарения воды, поскольку при ямочном ремонте другого пути отвода нет. Замерзшая вода будет разрушать структуру асфальтобетона, в результате его долго- вечность, несмотря на высокую стоимость, может оказаться низкой. Для разработки эффективных составов холодного асфальтобетона необходимо решить определенные теоретические задачи. Каким же образом устранить недостатки, присущие холодным асфальтобетонам на разжиженных битумах или эмульсиях? Возможны два пути: 1. Создание двухслойной оболочки на минеральных частицах. 2. Формирование структуры битума при небольшом количестве уда- ляемого растворителя. Первый путь наиболее выгоден с экономической и технологической точек зрения. В то же время асфальтобетон будет иметь более низкое качество и более длинные сроки формирования. Однако для дорожного строительства (особенно на дорогах П - I V категорий) он может ока- заться наиболее приемлемым. 123 Если минеральный материал обработать битумом (желательно с улучшающими и адгезионными добавками), на частицах возникает тонкий слой, обладающий высокой адгезией и прочностью после уплотнения. Вязкость такого слоя должна находится в пределах уплотняемости и составлять при О — минус 10 °С 10-100 Па с. То есть в 10, раз выше, чем при обычной обработке. Такую вязкость обеспечивают битумы с пенетрацией выше 150 °П. При вводе добавки пенетрация может быть снижена вследствие увеличения уплотняемости. Толщина слоя первичной обработки должна быть определена экспе- риментально. Данный первичный слой защитит минеральный материал от дос- тупа воды и после уплотнения создаст прочный каркас. То есть исчез- нут отмеченные выше недостатки. Для обеспечения технологической подвижности и неслеживае- мости смеси, частицы должны покрываться вторым слоем вяжущего. Вяжущее второго слоя должно быть по возможности термодинами- чески несовместимым с первым на стадии смешения и хранения бетона и совмещаться после формирования структуры. Таким требованиям отвечают водные эмульсии легких растворите- лей и битума. Наличие воды будет способствовать предотвращению сли- пания готовой смеси. Легкие же растворители будут пластифицировать поверхностный слой и в то же время, испаряясь, будут быстро формиро- вать структуру асфальтобетона. Вязкость эмульсии при 0 - 1 0 °С должна быть 2 - 4 Па с. Второй способ получения качественного асфальтобетона может быть реализован путем использования битумо-мастичного вяжущего, разжиженного спектром растворителей. Причем количество полимера и содержание асфальтенов должно обеспечить формирование струк- туры при удалении 5 - 1 0 % низкокипящего растворителя. Сам же рас- творитель должен быть составлен из расчета получения конечной вязкости 2 - 4 Па с. Отдельный вопрос — гранулометрический состав и плотность холодного асфальтобетона. Применяемые в Западной Европе холодные асфальтобетоны прак- тически полностью состоят из щебня фракций 2 - 5 мм (причина этого указана была выше). Остаточная пористость около 10%. Такой состав уменьшает расход вяжущего и ускоряет формирование структуры всле- дствие возможности быстрого испарения воды или растворителя. 124 Следует иметь в виду, что увеличение пористости на 1% увеличи- вает скорость формирования структуры на 2 0 - 3 0 % . Показатель слежи- ваемости у щебеночных смесей в 3 - 4 раза ниже, чем у плотных. Поэтому оптимальный гранулометрический состав может быть следующим: щебень 2 - 5 мм — 66% ; песок 0 ,14-2 мм — 21,5%; минеральный порошок — 3,5% . Применительно к условиям Беларуси можно рекомендовать щебе- ночный бетон следующего состава: щебень 5 - 1 0 мм — 5 0 - 7 7 % ; щебень 2 - 5 мм — 15-30% ; песок 0 ,14-2 мм — 5 - 1 5 % ; порошок — 3 - 5 % . Подобные составы рациональны для бетонов на основе качествен- ных битумов и добавок (второй способ получения асфальтобетонов). Первые опытные работы в условиях РБ были проведены на объек- тах Витебского и Гродненского облдорстроев (Лепель, Скидель). Затем на более современной базе в условиях Брестского облдорстроя (Барано- вичи) была создана установка по получению холодных асфальтобетон- ных смесей с использованием эффекта двойного слоя. Смесь вначале готовилась по горячей технологии, затем при температуре 60 -80 °С обрабатывалась растворителями. Однако создаваемый по такой схеме двойной слой является недолговечным и теряет свои свойства через Рис. 5.23. Технологический комплекс получения холодных смесей по инъекционно-струйной технологии. 125 несколько суток. Поэтому качество смеси оказалось недостаточным. Для широкого внедрения в РБ холодных ремонтных смесей требуется решить проблему качества минеральных материалов и разработать конструкцию смесителей, позволяюш;их обеспечить получение качес- твенного двойного слоя. В настояп1;ее время определенную конкуренцию холодному асфаль- тобетону, храняш;емуся в таре, при проведении ремонтных работ состав- ляют струйно-инъекционные технологии. В соответствии с данной технологией приготовление ремонтного материала и его распределение осуш;ествляется непосредственно на месте производства работ с помощью специальных механизмов (рис. 5.23). Основным вяжуш;им материалом является битумная эмульсия, но можно применить и жид- кий битум. Все технологические операции (продувка дефектного места, заполнение его ш;ебнем, обработанным вяжуш;им, присыпка) выполня- ются последовательно на месте работ. Такая технология позволяет решить ряд проблем, отмеченных выше. 126 6. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ 6.1. Битумо-полимерные (эластомерные) герметики и материалы на их основе В разделе 2 были рассмотрены вопросы применения в дорожном строительстве битумов, модифицированных различными полимер- ными соединениями. При этом содержание полимера не превышало 5 - 6 % . Если количество модификатора достигнет 7 - 1 2 % , получается совершенно новая система вяжуш;его, обладаюш;ая развитой структур- ной сеткой полимера и физико-механическими свойствами, близкими к самому полимеру. В то же время подобные системы обладают и сво- йствами битума (переход в жидкое состояние при высоких температу- рах, клеюш;ая способность и др.). На практике битумные системы, содержаш;ие повышенное количество полимеров, называют масти- ками или герметиками. В дорожном строительстве мастики приме- няют для устройства и ремонта деформационных швов дорожных покрытий и мостов, устройства треш;инопрерывающих прослоек, гид- роизоляции и т. д. При ремонте и герметизации швов в цементобетонном покрытии применяются следуюш;ие материалы: грунтовка, битумо-полимерная мастика, наполнители. Битумо-полимерная мастика представляет собой битум, наполнен- ный полимером, минеральными дисперсиями, а также различными добавками. В зависимости от температуры применения различают горячие и холодные мастики. Холодные мастики удобны при производстве работ и являются наи- более долговечными (срок службы достигает 20 лет). В качестве полиме- ров для получения данного вида мастик используют в основном полисульфидные и силиконовые каучуки, полиуретаны, кремнийорга- нические соединения. Несмотря на высокие технические показатели холодные мастики имеют высокую стоимость, превышаюш;ую свойства горячих мастик в несколько раз. Поэтому их применение очень ограничено. Основное распространение получили горячие мастики, имеюш;ие рабочую температуру 180-220 °С. Для их приготовления используют в основном стирол-бутадиен-стирольные сополимеры типа СБС, дробле- ную резину, полиолефины, каучуки и др. То есть большинство полиме- 127 ров, применяемых для получения модифицированных дорожных битумов (см. раздел 1). Срок службы горячих мастик 5 - 1 0 лет. Большинство горячих мастик, применяемых в РБ, готовят на основе сополимера СБС, количество которого достигает 1 1 - 1 2 % . С целью снижения стоимости часть СБС может быть заменена дробленой резиновой крошкой, получаемой при переработке старых автомобиль- ных шин. Ее количество может достигать 5 - 7 % . Однако для растворе- ния и набухания резиновой крошки в битуме недостаточно активных' ароматических компонент. Поэтому при ее применении вводят специ- альные пластификаторы — сланцевое или антраценовое масло, кани- фоль, талловый пек и др. Горячие мастики также содержат в составе различные минеральные порошки (доломитовые, известняковые), соли жирных кислот и другие структурируюш;ие добавки. Данные добавки позволяют, с одной стороны, изменить свойства исходного битума, с другой — создать структуру готового продукта. Как уже отмечалось, битумо-полимерная мастика содержит до 12% термоэластопластов, что приводит к снижению адгезии с бетонной поверхностью. Для обеспечения адгезии мастики применяется грунто- вочный состав (праймер) , который представляет собой раствор битумно-эластомерной мастики в летучем растворителе. Растворители должны применяться на ароматической основе (в основном это сольвенты). Для грунтовки могут использоваться и составы на основе эпоксидных смол. Данные грунтовки наиболее эффективны. При герметизации разделанных швов и треш;ин шириной более 20 мм кроме мастики используют наполнители. Обычно используют черный ш;ебень фракции 3 - 5 мм. Чернение щебня производится в установке битумом БНД 60 /90 или БНД 90/130 . Количество вяжу- ш;его в процессе чернения щебня — 0 , 8 - 1 % от массы минерального ' материала. Работы по герметизации швов и треш;ин включают: - разделку швов и треш;ин распиливанием на глубину не менее 30 мм; - продувку швов и треш;ин сжатым воздухом с целью удаления обломков материала и грязи; - подгрунтовку боковых стенок и дна разделанного шва и треш;ины; - технологическую паузу с целью высыхания подгрунтовки; - герметизацию шва и треш;ины; - после затвердевания герметика и по окончании каждого рабо- чего дня — полную очистку покрытия дороги с тш;ательным удале- нием мусора. 128 Разделку швов и трещин выполняют фрезой на ширину 6 мм при ширине шва или трещин менее 6 мм и на глубину не менее 30 мм. Во всех других случаях ширина разделки выполняется до обнажения све- жего бетона на стенках трещины по всей ее длине. Скалывание бетона стенок шва или треш;ины не допускается. После разделки швов и тре- щин фрезой производится скалывание ненужного бетона с помощью перфоратора с последующей продуЁкой сжатым воздухом с целью уда- ления обломков и остатков бетона и грязи. Подгрунтовка стенок и дна разделанных швов и трещин произво- дится по сухой и чистой поверхности бетона с помощью специальных раз- брызгивающих механизмов и приспособлений, обеспечивающих равномерное распределение грунтовочного материала с расходом 0,2-0,25 л/м или кистью, в зависимости от вязкости грунтовки. После выполнения работ по подгрунтовке бетонной поверхности дна и стенок разделанных швов и трещин следует технологический перерыв в течение 1 часа для высыхания праймера, после чего производится герметизация. Заполнение трещин и швов герметиком производится при темпера- туре поверхности бетонного покрытия не ниже +5 °С. Герметик нано- сится из специального распределительного котла, оснащенного мешалкой и термостатической системой управления, обеспечивающей нагрев с помощью масляной рубашки (рис. 6.1). Время содержания одной партии герметика при рабочей температуре не более 8 часов. Рис. 6.1. Заполнение шва герметиком 129 При заполнении швов мастикой важно иметь в виду, что объем мас- тики в шве следует ограничивать. Обусловлено это тем, что коэффици- енты температурного расширения мастики и бетона отличаются примерно на порядок, и при большом объеме мастики могут возник- нуть большие температурные напряжения в зимний период, способству- юпдие адгезионному отрыву. Применение мастик позволяет суш;ественно улучшить качество деформационных швов мостов. Типовые конструкции деформационных швов на мостах предусмат- ривают в основном применение материалов, обладаюпдих различными физическими и механическими характеристиками. В процессе эксплуа- тации разнородные материалы деформационных швов недолговечны и интенсивно разрушаются. При этом нарушается герметичность швов, возникают неровности, которые при постоянном динамическом возде- йствии транспортных нагрузок приводят к интенсивному разрушению конструкции мостового полотна и последуюп];ему разрушению несу- пдих элементов моста. Ремонт типовых конструкций деформационных швов для пролетных строений с перемепдениями до 50 мм практически всегда требует замены отдельных конструктивных элементов (металли- ческие уголки обрамления, металлические пластины перекрытия шва, ремонт разрушения покрытия у кромок и т. п.). Наиболее надежными и долговечными для мостовых сооружений при перемеш;ении пролетных строений с амплитудой до ±25 мм являются закрытые швы, в которых перемеп|;ения обеспечиваются деформацией материала, перекрываюпдего шов. При этом конструкция подвижна во всех направлениях: продольном, поперечном и вертикальном. В зарубежной практике строительства и ремонта мостовых перехо- дов наибольшее распространение получили закрытые деформационные швы «Thorma-joint» фирмы «PRISMO» (Англия), «Joint Betaf lex» фирмы «В. Т. Р. S.» (Франция), «ОАТ-Villajoint» (Германия). Конструкция деформационных швов в обп];ем случае представлена на рис. 6.2 и включает: уплотнитель зазора между пролетными строени- ями — 1; герметизируюш;ий материал — 2; металлическую пластину для перекрытия зазора между пролетными строениями — 3; фракцио- нированный п];ебень (15-20 мм), пропитанный битумно-полимерным герметиком — 4; смесь фракционированного п];ебня ( 5 - 1 0 мм) с битумно-полимерным герметиком — 5; обработку поверхности дробле- ным песком фракции (2 -5 мм) — 6. Деформационные швы закрытого типа имеют оптимальную ширину 500 мм и глубину 100 мм. Ограничения в размерах швов 130 П о к р ы т и е П р о л е т н о е с т р о е н и е Рис. 6.2. Типовая конструкция деформационного шва обусловлены возможностью накопления при эксплуатации в летний период пластических деформаций под действием транспортной нагрузки. Оптимальным отношением ширины закрытых швов к их глу- бине является соотношение от 5:1 до 7:1. Минимальная глубина закры- тых швов при этом должна составлять не менее 70 мм. Основными преимуществами закрытых деформационных швов являются: - полная водонепроницаемость; - гибкость по всем направлениям и отсутствие необходимости при- менять сложную механическую систему из разнородных материалов; - возможность обеспечивать горизонтальные перемещения до 50 мм и вертикальные до 3 мм; - высокая ровность и бесшумность; - ремонтопригодность и возможность повторного использования материалов; - простота и быстрота устройства, возможность ввода в эксплуата- цию непосредственно после устройства. Н е м е ц к и м федеральным в е д о м с т в о м по д о р о ж н о м у делу в 2001 году был произведен анализ состояния 724 закрытых деформаци- онных швов, устроенных в соответствии с «Дополнительными техничес- кими условиями договора и директив по устройству покрытий мостов и других инженерных сооружений из бетона» (ZTV-BEL-FU), со сроком службы не менее 4 лет. Результаты анализа показали, что 59% швов не имели дефектов, 12% швов имели дефекты, не затрагивающие основ- ную их функцию, т. е. это были дефекты, связанные с пластическими 131 деформациями материала заполнения. Около 2 0 % швов имели дефекты, нарушающие функцию шва, к которым были отнесены тре- щины и отрыв материала заполнения от стенок шва. Информация о типах дефектов у 9% швов отсутствует. Опыт устройства деформационных швов закрытого типа и последу- ющие наблюдения за их состоянием в процессе эксплуатации в различ- ных климатических зонах РФ и стран СНГ показал, что наиболее часто встречающимся дефектом на швах закрытого типа является образова- ние трещин и отрыв материала заполнения шва от стенок. Пластичес- кие деформации наблюдались только на одном шве глубиной 25 см, устроенном на городском путепроводе через три года эксплуатации. В общем случае надежность и деформационная устойчивость шва определяются следующими факторами: - климатическим районом эксплуатации (расчетная скорость охлаждения, перепад температур); - длиной мостовых балок; - шириной и глубиной деформационного шва; - реологическими свойствами мастики и асфальтобетонного покрытия; - конструктивными особенностями шва. При оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) шва важнейшим условием является объективный учет реологических свойств заполнителя шва. С этой целью были получены зависимости модуля релаксации атериала заполнителя от температуры (Т), ско- рости деформации (F) и времени (^): Ep=f(T,V,t). (6.1) Скорость деформации затем увязывалась с длиной балки, скорос- тью ее охлаждения и шириной шва. Расчеты НДС выполняли методом конечных элементов путем замены модуля упругости расчетным значением модуля релаксации. Для оценки коэффициента запаса из условия устойчивости к пласти- ческим деформациям определяют угол внутреннего трения, коэффициент удельного сцепления и оценивают напряжения от расчетного автомобиля. В результате проведенных расчетов удалось подобрать оптималь- ные параметры свойств материала заполнителя шва. Расчеты конструкции закрытых деформационных швов методом конечных элементов позволили определить уровень напряженного состо- яния в различных точках шва при его деформации (рис. 6.3, 6.4, 6.5). 132 — . » . " ' *J Г'-А . 'trj Щ " f Рис.6.3. Изолинии напряжений в ЭДШ с нарушенным сцеплением по плоской металлической пластине я - Ш Рис. 6.4. Изолинии напряжений в ЭДШ: при криволинейной металлической пластине и нарушенном сцеплении материала заполнения - 1; при плоской металлической пластине и ненарушенном сцеплении - 2 . При этом установлено, что уровень напряженного состояния можно изме- нять, используя кроме материаловедческих также технологические и конструктивные реп1ения, такие как: - предотвращение сцепления материала заполнения шва с металли- ческой пластиной перекрытия зазора между пролетными строениями путем устройства прослойки из антиадгезива; - придание криволинейного профиля металлической пластине пере- крытия зазора между пролетными строениями с нарушенным сцепле- нием материала заполнения по пластине. 133 При отсутствии сцепления материала заполнения шва с металли- ческой пластиной (рис. 6.3) величина напряжений, возникающих на контакте с покрытием, снижается в среднем на 10-15% по сравнению с вариантом, когда сцепление обеспечено (рис. 6.4 поз. 2). Использование металлической пластины перекрытия зазора между пролетными строениями с криволинейным профилем и нарушенным сцеплением материала заполнения шва по пластине позволяет снизить напряжения на контакте с покрытием в среднем на 30 -35% (рис. 6.4, рис. 6.5 поз. 1) по сравнению с плоской металлической пластиной и наличием сцепления. На 15-20% снижаются напряжения на контакте с покрытием в случае криволинейного профиля пластины и нарушен- ного сцепления по пластине по сравнению с вариантом использования плоской пластины с нарушенным сцеплением (рис. 6.5). Рис. 6.5. Изолинии напряжений в ЭДШ: с криволинейной металлической пластиной и нарушенным сцеплением по пластине — 1; с плоской металлической пластиной и нарушенным сцеплением по пластине — 2. Таким образом, использование пластин перекрытия зазора с криво- линейным профилем поверхности и нарушенным сцеплением матери- ала заполнения шва по поверхности пластин позволяет исключить образование трещин на сопряжении покрытия моста с материалом шва. При использовании полимерного клея в качестве грунтовки стенок покрытия достигается величина сцепления на контакте, превышаю- щая прочность материала шва на растяжение в 1,2 раза. Большое влияние на деформативность, прочность и сдвигоустойчи- вость материала заполнения швов оказывают исходные материалы, используемые для их устройства. Изучение реологических характерис- 134 тик композиций, состоящих из смеси щебня и битумно-полимерного герметика, изготовленных способом пропитки, показали, что свойства их в наибольшей степени зависят от свойств битумно-полимерного гер- метика и его содержания в композиции. Испытания композиций на основе битумно-полимерных герметиков « Н о в о м а с т - 9 0 Ш » по ТУ 5 7 7 5 - 0 0 1 - 1 8 8 9 3 8 4 3 - 9 9 , имеющих предельное относительное удлине- ние при температуре - 2 0 °С 107% и 170% и щебня фракции 15 -20мм показали, что предельная относительная деформация композиции уве- личилась в 2,2 раза, но при этом сдвигоустойчивость снизилась в 1,2 раза (табл. 6.1). Таблица 6.1 Наименование показателей Значение для композиции на битумно-полимерном герметике с предельным относительным удлине- нием 107% 190% Время релаксации, с 90 67 Прочность на растяжение при —20 °С,МПа 1,8 1 ,72 Предельная относительная деформация, % 8 17,6 Модуль упругости, МПа 100 79 Сдвигоустойчивость, Дж 3,4 4 ,2 Снижение сдвигоустойчивости материала заполнения швов при ширине их более 40 см может привести к образованию пластических деформаций. Как показали результаты наблюдений, наиболее подвер- жены пластическим деформациям эластичные деформационные швы большой толщины (более 150 мм), швы, расположенные в зонах интен- сивного торможения автотранспорта, и швы шириной более 75 см. Дисперсное армирование материала заполнения шва базальтовой или стекловолокнистой фиброй позволяет повысить прочность на растяжение при изгибе в 1,5 раза. Величина предельной деформации при этом практи- чески не изменяется. Оптимальная дозировка фибры для объемного арми- р о в а н и я материала з а п о л н е н и я ш в а с о с т а в л я е т 0 , 3 % по массе . Сдвигоустойчивость дисперсно армированной композиции битумно-поли- мерного герметика и фракционированного щебня возрастает в 1,2 раза. Таким образом, разработаны эффективные составы материалов заполнителей деформационных швов, учитывающие район строит- ельства и конструкцию моста на основе отечественных материалов и технологий, не уступающие зарубежным аналогам. 135 Применяют мастики также для устройства различных трещинопре- рывающих систем, о чем будет изложено ниже (раздел 6.3). На б и т у м о - п о л и м е р н ы е мастики разработан стандарт СТБ 1092-97 «Мастика герметизирующая битумно-эластомерная. Техни- ческие условия». Мастика в зависимости от назначения, дорожно-климатических зон и температуры размягчения подразделяется на марки: Т - 6 5 — для заполнения трещин (Т) в асфальто- и цементобетонных п о к р ы т и я х автомобильных дорог и аэродромов для различных дорожно-климатических зон; Ш - 7 5 — для заполнения температурных продольных и поперечных швов (Ш) в покрытиях автомобильных дорог и аэродромов, а также птвов сопряжения между цементобетонным покрытием и асфальтобетоном обочины автомобильной дороги для 1, 2 дорожно-климатических зон за исключением мест с расчетной температурой покрытия минус 45 °С; Ш - 9 0 — для заполнения температурных продольных и попереч- ных швов (Ш) в покрытиях автомобильных дорог и аэродромов, а также швов сопряжений между цементобетонным покрытием и асфаль- тобетоном обочины автомобильной дороги для 3, 4 дорожно-климати- ческих зон; Ш - 1 0 0 — для заполнения температурных продольных и попереч- ных швов (Ш) в покрытиях автомобильных дорог и аэродромов, а также швов сопряжений между цементобетонным покрытием и асфальтобето- ном обочины автомобильной дороги для 5 дорожно-климатических зон; Г - 9 0 — для гидроизоляции мостов, путепроводов для различных дорожно-климатических зон и гидроизоляции фундаментов и цоколей зданий и сооружений. К свойствам мастик предъявляют следующие технические требова- ния (таблица 6.2). Таблица 6.2 Наименование показателя Норма для марки Т - 6 5 Ш - 7 5 Ш - 9 0 Ш - 1 0 0 Г - 9 0 1. Температура размягчения по КиШ, °С, не ниже 65 75 90 100 90 2. Предел прочности при растяжении, МПа, не более 0,09 0 ,09 0 ,11 0 ,11 0 ,11 3. Прочность сцепления с основанием, МПа, не менее 0 ,13 0 ,13 0 ,13 0 ,13 0 ,13 136 Наименование показателя Норма для марки Т - 6 5 Ш - 7 5 Ш - 9 0 Ш - 1 0 0 Г - 9 0 4. Относительное удлинение при макси- мальной нагрузке при температуре 20 °С,% , не менее — 45 45 • 45 — 5. Относительное удлинение при растя- жении в момент разрыва, % , не менее при 20 °С при минус 20 °С 100 30 450 120 450 100 300 50 300 50 6. Упругость, % , не менее 35 45 50 50 40 7. Упругость после искусственного ста- рения, % , не менее 30 40 45 45 35 8. Сопротивление текучести, мм, при температуре 60 °С при температуре 70 °С при температуре 80 °С — 0 - 3 0 - 3 0 - 3 0 - 1 9. Водопоглощение, % , не более 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 10. Стойкость к циклическим дефор- мациям при температуре минус 20 °С, количество циклов/относительное удлинение, % , не менее — 3 / 5 0 3 / 5 0 3 / 2 5 — 11. Пенетрация при 25 °С, не более 50 90 70 70 50 6.2. Материалы для ремонта цементо- и железобетона Проблема ремонта цементобетонных покрытий состоит в слож- ности обеспечения «приживаемости» старого и нового цементобетона. Поэтому проблема ремонта цементобетонных покрытий является акту- альной. Предлагаются различные инженерно-технические решения. Например, в центре транспортных исследований Техасского универ- ситета рассматриваются основные направления по применению тонких цементобетонных покрытий для ремонта старых дорожных участков с учетом следующих факторов: повышения качества строительства, умень- шения толш;ины покрытия, увеличения срока службы, снижения стои- м о с т и , у л у ч ш е н и я п о в е р х н о с т и ц е м е н т о б е т о н н о г о п о к р ы т и я , совмеп1;ения старого и нового бетона, совершенствования дорожных машин и механизмов, изучения влияния водно-теплового режима и погодно-климатических условий на долговечность покрытий. Перспективными материалами для ремонта покрытий магистралей являются: бетон нормальной прочности, высокопрочный бетон, поли- 137 мерцементный бетон, бетоны с различными добавками, фибробетон, непрерывно армированный цементо- и полимербетон. Сущность технологии по устройству тонкослойных покрытий заключается в необходимости приклеить на существующую структуру покрытия слой тонкого бетона (4 -6 см), который увеличивает несущую способность плиты, улучшает характеристики поверхности (ровность, однородность), но не изменяет характер взаимодействия между пли- тами. Одна из главных сложностей метода — обеспечить надежное сцеп- ление между старым и новым покрытием, которому будут мешать сдвигающие напряжения, появляющиеся на границе раздела, вызван- ные температурными градиентами во время твердения бетона. Поэтому важно найти механизм, позволяющий уменьшить эффект «температурного градиента». Чтобы ограничить этот эффект, нужно найти простую по применению систему, изолирующую твердеющий бетон. С этой целью в Парижской лаборатории аэропортов пять материа- лов подверглись тестированию по двум критериям: изолирующая спо- собность и отражательная (тепла) способность. Это такие материалы, как геомембрана, геотекстиль, не прошитый полиэстером, металлизи- рованный полиэтилен (толщиной 50 микрон), металлизированный полиэтилен на песчаной подушке толщиной 3 см, металлизированный полиэтилен на подушке из полиэстера толщиной 3 см. Исследования заключались в оценке температурного градиента в существующих плитах толщиной 30 см. Температурные датчики поме- щались на глубине 2 и 25 см. В результате проведенных исследований было установлено, что гео- мембраны не дают нужного эффекта. Все остальные материалы эффек- тивны, но металлизированный полиэтилен представляет наилучший компромисс между ценой-эффективностью-легкостью использования. Это решение и было использовано на экспериментальном участке. Конструкция покрытия была принята следующей: бетон толщиной 22 см, с размером плиты 5?5 м на неукрепленном основании. Слой уси- ления имел толщину 5 см. Особой сложностью отличается технология ремонта сколов выбоин и других достаточно мелких дефектов, когда применить различные про- слойки и эффективные укладочные машины затруднительно. Когда речь идет о ремонте разрушенной конструкции, необходимо использовать высококачественный ремонтный раствор или бетон, чтобы исключить разрушение нового материала от тех же факторов, от которых был разрушен старый. С другой стороны, в большинстве слу- 138 чаев рабочие условия для производства ремонтных работ гораздо слож- нее, чем условия производства самих строительных работ: вот почему очень важно, чтобы ремонтный материал был легко укладываемым. Необходимо, чтобы материал легко либо подавался через насос, либо заливался в форму: он должен обладать высокой текучестью в течение довольно продолжительного периода времени. В то же время важно иметь низкое содержание воды затворенйя. Следовательно, бетонный раствор для ремонта старых разрупгенных конструкций должен иметь низкое водоцементное соотнопхение и наряду с этим обладать отличной удобоукладываемостью. Эти два противоречивых требования соблюда- ются, если использовать смеси с низким водоцементным cooTHonie- нием, но обладающие удобоукладываемостью благодаря добавке суперпластификаторов. Однако и в этом случае не гарантируется полный успех ремонта из-за неизбежной усадки смеси. Понижение водоцементного O T H o n i e - ния снижает усадку, но не исключает ее полностью. В то время как в старой разрупхенной бетонной конструкции уже произоп1ла усадка, новый ремонтный раствор или бетон также подвергается усадке: после- довательное дифференциальное движение между новым и старым мате- риалами будет являться главной причиной разрыва двух материалов. Следовательно, при сцеплении ремонтного материала со старой конструкцией предпочтение следует отдавать такому базовому сво- йству, как компенсация усадки. В целом бетонный раствор для ремонта должен отвечать следую- ш;им требованиям: - высокой текучестью для быстрой и полной заливки дефектных мест при ремонте разрупхенных конструкций; - низким водоцементным отнопхением, чтобы обеспечить наилучп1ие химические, физические и механические характеристики: непроницае- мость, прочность, сцепление со сталью и бетоном, долговечность и т. д.; - компенсация усадки раствора, т. е. исключение отслоения от ста- рого материала; - стабильность качества. В этом плане интересны материалы, разработанные фирмой MAC (Италия) под названием ЭМАКО. ЭМАКО — это специфическая группа продуктов, с помош;ью кото- рых раствор можно сделать компенсируюш;им усадку и реопластич- ным, т. е. обладаюш;им высокой текучестью при механическом воздействии (перемеп1ивании) и вязким в стадии покоя. Все продукты 139 ЭМАКО упакованы в 30-тикилограммовые влагостойкие пакеты, удоб- ные для хранения и транспортировки благодаря их небольшому весу. Для дорожной отрасли можно рекомендовать следующие типы смесей. ЭМАСО S88 тиксотропный тип — готовый к применению сухой про- дукт. При замесе с водой он образует реопластичный, текучий и не рас- слаивающийся раствор. ЭМАСО S88 относится к компенсирующим усадку, непроницаемым материалам, обеспечивающим высокую про- чность и отличное сцепление со сталью и бетоном. Стоек к агрессивной среде. Имеются два типа этого материала — С и D, которые отличаются сроками схватывания. ЭМАСО SFR — готовый к применению продукт, содержащий галь- ванизированные стальные волокна. При замесе с водой образует реоп- л а с т и ч н ы й — т е к у ч и й и н е р а с с л а и в а ю щ и й с я — т и к с о т р о п н ы й , компенсирующий усадку раствор, обладающий высоким сцеплением со сталью и бетоном, а также высокой прочностью даже в агрессивном окружении. За исключением стальных волокон в продукте не содер- жатся ни реактивные металлические порошки, ни хлориды. ЭМАСО SFR обладает повышенной стойкостью к динамическим нагрузкам, вяз- костью разрушения и высокой прочностью на изгиб. ЭМАСО 100 — двухкомпонентная система, которая состоит из сухого продукта (компонент А ) и жидкого (компонент В). При смеши- вании с водой образует т и к с о т р о п н ы й , к о м п е н с и р у ю щ и й усадку , непроницаемый раствор, обладающий высокой стойкостью к агрессив- ному окружению, а также высоким сцеплением со сталью и бетоном. Особенностью материала ЭМАСО 100, в отличие от других продуктов серии ЭМАСО, является его способность к объемному расширению для компенсации усадки даже при отсутствии влажностного выдержива- ния раствора. При выполнении больших объемов ремонтных работ, связанных с заменой отдельных плит покрытия или их фрагментов, восстановле- нием несущих конструкций, работающих в условиях воздействия агрес- сивной среды, цементации полостей, каналов с преднапряженной арматурой, герметизации стыков и заделки усадочных трещин, крепле- ния анкеров, а также для получения быстротвердеющих реопластич- ных бетонов с к о м п е н с и р о в а н н о й усадкой ш и р о к о используется пластифицированный расширяющийся портландцемент «Макфлоу». Цемент «Макфлоу» производится на основе портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, расширяю- щ е й с я добавки и х и м и ч е с к и х д о б а в о к , р е г у л и р у ю щ и х свойства 140 цемента. В зависимости от прочности на сжатие и скорости твердения цемент «Макфлоу» подразделяется на классы: 42,5; 42,5Б; 52,5; 52,5Б; 62,5; 62,5Б. В отличие от обычных бетонных смесей на стандартном портландце- менте, бетонные смеси на цементе «Макфлоу» обеспечивают: - высокую текучесть и отсутствие сегрегации смеси при низком водоцементном отношении; - высокую раннюю и конечную прочность бетона; - получение бетона, не обладающего усадкой в пластичном и затвер- девшем состоянии; - высокую морозостойкость и водонепроницаемость бетона. Для ремонта транспортных сооружений в сжатые сроки и с мини- мальным перерывом в их эксплуатации (до 2 - х - З - х часов) наиболее эффективными являются ремонтные материалы на основе искусствен- ных смол. Основными недостатками бетонов на основе искусственных смол являются большая усадка в процессе твердения, величина кото- рой при неправильном подборе состава может достигать 8 - 1 2 % и боль- шая величина температурных деформаций в процессе последуюш;ей эксплуатации, которая в 2 - 3 , 5 раза превышает температурную дефор- мацию цементобетона. Различные физические свойства бетонов на основе минеральных вяжупдих и бетонов на основе искусственных смол не позволяют широко использовать последние для выполнения ремон- тных работ. Но для выполнения работ в небольших объемах и в корот- кие сроки материалы на основе искусственных смол являются более предпочтительными. Одними из наиболее приемлемых и апробированных на практике являются материалы на основе метакрилатных смол, выпускаемые под торговой маркой «Силикал». Материалы «Силикал» относятся к двух- компонентным реактивным смолам, не содержаш;им растворителей, а следовательно, и имеюш;им минимальную усадку в процессе твердения. Для обеспечения прочного сцепления бетона на основе искусственной смолы с ремонтируемыми поверхностями всегда предпочтительно использовать грунтовочные составы, обладаюш;ие малой вязкостью и большой проникаюш;ей способностью. В качестве наполнителя для получения бетона на основе искусствен- ной смолы «Силикал» используется сухой фракционированный кварце- вый песок , к о т о р ы й содержит в своем составе порошкообразный отвердитель — пероксид бензоила. Предварительно подготовленная смесь минерального наполнителя и отвердителя, в которую на месте 141 производства работ вводится только строго дозированное количество смолы, позволяет получать бетоны для ремонта стабильного качества с минимальной усадкой в процессе твердения и коэффициентом линей- ного температурного расширения 2,5x10 " град. . Благодаря несущественному влиянию температуры на вязкость метакрилатной смолы и большой экзотермии в процессе полимериза- ции материал «Силикал» можно использовать для выполнения ремон- тных работ при отрицательных температурах до минус 10 °С. Бетоны на основе искусственной смолы «Силикал» укладываются минимальной толш;иной 6 мм, максимальная толш;ина укладки не огра- ничивается, но при укладке толш,иной более 25 мм в состав бетонной смеси вводится дополнительно сухой фракционированный гравий. Для ремонта мест неглубокого шелушения бетонных поверхностей используются материалы на основе модифицированных эпоксидных смол. Одним из материалов, хорошо зарекомендовавшим себя при работе в климатических условиях II и III дорожно-климатических зон СНГ, является «Конкретин». Основным преимуществом эпоксидных смол «Конкретин» по срав- нению с известными эпоксидными смолами Э Д - 1 0 , Э Д - 1 6 , Э Д - 2 0 , выпускаемыми отечественной промышленностью, является малая начальная вязкость , отсутствие растворителей в составе, низкий модуль упругости в затвердевшем состоянии и большое предельное относительное удлинение. Для повышения сцепления эпоксидной смолы «Конкретин» с бетон- ным покрытием используется маловязкая, не содержаш;ая раствори- теля смола «Конкретин IHS-BV» . Минимальная прочность сцепления грунтовочного состава с бетонной основой превышает 1,5 МПа. Расход смолы для грунтовки в зависимости от пористости бетонной повер- хности составляет 300 -500 г / м . При глубоких повреждениях для выравнивания поверхности бетона используется эпоксидная смола «Конкретин GMH» в смеси с фракционированным кварцевым песком. Одновременно смола «Кон- кретин GMH» может использоваться для устройства слоев покрытия толш;иной до 3 мм. Для укрепления поверхности бетона и предотвращения процессов развития шелушения используют различные пропиточные составы. Пропиточные у к р е п л я ю щ и е составы м о ж н о разделить на две группы. К первой группе относятся составы, обеспечивающие паропро- ницаемость бетона, ко второй составы, после обработки которыми 142 поверхность бетона теряет паропроницаемость из-за образования тон- кой пленки. Как отмечается в [45], наибольшее распространение нашли два состава: Олис и Микродур. Применение состава Олис позволяет [45]: - придать бетону водоотталкивающие свойства, защищая его при этом от воды и препятствуя фильтрации влаги; - увеличить морозоустойчивость бетона; - обеспечить препятствие проникновению в бетон солей, хлоридов, сульфатов, фосфатов, масел, растворителей и образует твердое пыленеп- роницаемое покрытие; - увеличив твердость поверхности покрытия. Р а с х о д со става для з а щ и т ы п о в е р х н о с т и бетона с о с т а в л я е т 0 , 1 5 - 0 , 4 л/м^ в зависимости от состояния бетона. Обработка поверхности производится кистью, валиком или распы- лителем обычно в три слоя с контролем за образованием кристаллов на поверхности бетона после нанесения каждого слоя. Срок службы защитного покрытия при отсутствии механичес- кого воздействия на бетонную поверхность (истирание) не ограни- чен, т. е. равен сроку службы бетона, так как продукты химического взаимодействия фторсиликата магния или цинка со свободной извес- тью и щелочными гидратами становятся неотъемлемой частью бетон- ной матрицы. Состав Олис представляет собой раствор фторсиликата магния или цинка в воде. При нанесении на поверхность бетона он образует плотное твердое покрытие. Это минеральное армирование образует плотную поверхность, которая в значительной степени снижает адсор- бцию воды, масел, смазок, солей, хлоридов и фосфатов бетоном. Для укрепления бетона могут применяться и другие составы, кото- рые в настоящее время в большом количестве находятся на отечествен- ном рынке. Для решения вопроса о пригодности того или иного состава (помимо экономических соображений) необходимо, чтобы составы обес- печивали водонепроницаемость с одновременным сохранением паропро- н и ц а е м о с т и . В т о р о е т р е б о в а н и е — о б е с п е ч е н и е н а д л е ж а щ е г о коэффициента сцепления на влажном покрытии. Третье — устойчи- вость во времени: свойства обработанной поверхности должны сохра- няться, как минимум, не менее одного года. Особыми свойствами обладает пропиточный состав на основе цемента «Микродур». 143 Материалы типа «Микродур» являются особо тонкодисперсными цементами, предназначенными для приготовления суспензий. После перемешивания с водой с помощью высокооборотного смесителя суспен- зия приобретает очень высокую пенетрационную способность. Это позволяет применять ее для уплотнения, упрочнения и восстановления качества бетонных и железобетонных конструкций. Применяют следу- ющие виды материала: - «Микродур Р» — изготавливаемый из портландцементного клинкера; - «Микродур R» — изготавливаемый с повышенным содержанием тонкомолотого доменного шлака, что обуславливает его повышенную сульфатостойкость. Материалы типа «Микродур» рекомендуется применять в случаях, когда требуется укрепить бетон. Технология работ примерно такова: - подготовка поверхности бетонной плиты: очистка, увлажнение; - приготовление водной суспензии «Микродура» с водоцемен- тным отношением 0 ,5 -0 ,7 с добавкой суперпластификатора (19% от массы цемента). - приготовление суспензии должно производиться в емкости с помощью высокооборотного (3000...7000 об /мин) миксера в течение 1...3 минут. - нанесение и втирание суспензии «Микродура» на обрабатываемую поверхность с помощью щеток до прекращения впитывания в бетон. - уход за поверхностью бетона — обычными средствами. В то же время следует отметить, что применение материалов на основе гидравлических вяжущих для ремонта цементобетонных покры- тий в условиях РБ не нашло широкого применения. Связано это с их высокой стоимостью и требованиями жесткого соблюдения техноло- гии. Поэтому усиление в основном производят путем укладки одного или нескольких слоев асфальтобетона, а ремонт сколов и выбоин произ- водят литым асфальтобетоном. Железобетонные строительные конструкции (мостов, путепрово- дов) в процессе эксплуатации теряют свои свойства и требуют опреде- ленного вида ремонта. Обусловлено это процессами коррозии бетона и арматуры, изменением уровня нагрузок, изменением климатических условий и т. д. В качестве ремонтных мероприятий обычно используют: - Нанесение дополнительного слоя бетона или пневмобетона с дополнительной арматурой. 144 - Выполнение мероприятий по защите арматуры. - Внешнее предварительное напряжение. - Дополнительный монтаж опор или, соответственно, балок-под- хватов. - Наклеивание арматуры из стали. В последнее время в качестве альтернативы данным мероприя- тиям используют волоконные композитные материалы. Ведущие пози- ции в этом направлении занимает швейцарская фирма S&P Clever Reinforcement Company, располагающая заводами в Швице (Швейца- рия) и Айзенштадте (Австрия). В волоконном композитном материале исходные волокна укладыва- ются в полимерную матрицу и в качестве усиливающего элемента при- крепляются к уже существующей строительной конструкции. Для увеличения несущей способности применяют предварительно изготов- ленные волоконные композитные материалы (S&P CFK-ламели). Пос- кольку предварительно изготовленные ламели не могут использоваться в качестве обматывающей арматуры или арматуры, работающей на ска- лывание (сдвиг), то фирма «S&P Reinforcement» предлагает соответству- ющую ткань и вставные элементы, состоящие из самых различных волокон, для ручного ламинирования на строительной площадке. Виды волоконных композитных материалов Вид материала Направление волокон Расположение волокон Область применения S&P С-полотна вставные элементы в одном направле- нии вытянутое повышение жесткости S&P G-полотна ткань в двух направлениях волнообразное повышение пластичности S&P CFK-ламель ламинат в одном направлении вытянутое . (частично предвари- тельно напряженное) повышение жесткости В С-полотне S&P, а также в предварительно изготовленной CFK-ламели S&P волокна располагаются в вытянутом состоянии. Соотве- тствующим образом, эти продукты являются подходящими для приема растягивающего усилия при минимальном относительном удлинении. Вставные уложенные элементы, а также ламели применяются с тенден- цией к повышению жесткости конструкционных строительных элементов. Наиболее распространенными видами волокон являются: стекло- и углеродные волокна. Они имеют высокий Е-модуль; минимальный коэф- 145 фициент термического расширения (примерно в 50 раз меньше, чем у стали); отличные усталостные характеристики; устойчивость против всех возможных химических воздействий; устойчивость к коррозии. CFK-ламинаты получают методом ленточной вытяжки. Углерод- ные волокна непрерывно окунаются в эпоксидную смолу и отвержда- ются под термическим воздействием. Максимально возможная наполненность волокном, обусловленная технологией процесса, состав- ляет около 70% . Исходя из свойств волокон и матрицы, можно теорети- ч е с к и м п у т е м о п р е д е л и т ь к о н с т а н т ы у п р у г о с т и для с л у ч а я однонаправленного (унидирекционального) слоя (CFK-ламели). Пос- кольку Е-модулем, а также пределом прочности при растяжении мат- рицы для расчетов ламината можно пренебречь, то Е-модуль, а также предел прочности при растяжении ламината составляют приблизи- тельно 70% от соответствуюш;их значений для углеродных волокон. S&P CFK-ламели производятся по новой технологии изготовления. Для изготовления 8&Р-гибридов используются различные углеродные волокна с различным Е-модулем и различным пределом прочности при растяжении. В нормальном случае изменение Е-модуля гибридного ламината имеет нелинейную зависимость. Высокомодульные углерод- ные волокна с низким значением относительного удлинения при раз- рыве р а з р у ш а ю т с я р а н ь ш е , чем н и з к о м о д у л ь н ы е в о л о к н а . В 8&Р-гибриде, напротив, углеродные волокна с более высоким значе- нием относительного удлинения подвергаются предварительному напряжению в процессе изготовления. Это приводит к появлению линейной зависимости изменения модуля упругости Е в 8&Р-ламинате. Благодаря технологии гибридизации имеется возможность использова- ния недорогих углеродных волокон с низким Е-модулем. Дополнительная внешняя S&P CFK-ламель с помощью клея S&P Ероху Resin 220 прикрепляется достаточно прочно против возможного сдвига в зоне растяжения конструкционного строительного элемента, к которому прикладывается напряжение изгиба. Благодаря такого рода операции получают железобетонный конструкционный элемент с у п р у г о - п л а с т и ч н о й ( ж е л е з о б е т о н ) и и д е а л ь н о у п р у г о й (S&P CFK-ламель) затяжкой (подбалкой). С помощью опытов с композит- ными материалами были сформулированы подходы для расчета несу- щей способности такого соединения и длины анкерных креплений. Ламинаты приклеивают к поверхности конструкции в зоне растя- жения. Для приклеивания используют специальные клеи (S&P Resin 50/55, S&P Resin 50/55 EUW). 146 6.3. Материалы для устройства трещинопрерывающих прослоек На вновь устраиваемых покрытиях возможно копирование дефек- тов нижних слоев и оснований (отраженные дефекты). Это относится в основном к температурным отраженным трещинам. Отраженные трещины (ОТ) — продольные и поперечные трещины в дорожном покрытии, возникающие в местах наличия трещин в нижних слоях или основании. ОТ возникают при устройстве асфальто- бетонного покрытия на цементобетонном основании, имеющем дефор- мационные швы, а также при укладке новых слоев асфальтобетона на старое покрытие с наличием трещин (средний и капитальный ремонты). Причиной появления ОТ является концентрация напряже- ний в районе трещины, возникающих от температурных деформаций при охлаждении слоя. В общем случае вероятность появления отраженных трещин опреде- ляется следующими факторами: ha,N где L — расстояние между трещинами; AT — перепад температуры в слое с трещинами в расчетный период; Еа,Ео — модули релаксации нового слоя покрытия и слоя с трещи- нами соответственно; ha,ho — толщины нового слоя и слоя с трещинами соответственно; С — прочность сцепления нового покрытия и слоя с трещинами; N — параметр, учитывающий ширину раскрытия трещины и ее форму. Чем выше значения параметров числителя формулы (6.2), тем выше вероятность появления отраженных трещин и наоборот, чем выше знаменатель, тем меньше вероятность появления трещин. Анализ 6.2 позволяет наметить основные пути борьбы с отражен- ными трещинами: увеличение толщины покрытия, устройство трещи- нопрерывающих слоев и трещинопрерывающих мембран, разделение слоев с наличием трещин на отдельные фрагменты (размером до 1 м), снижение толщины слоя с трещинами (путем фрезерования). Трещинопрерывающий слой — слой из зернистого или обработан- ный небольшим количеством битума (до 3 % ) специальной смеси (смесь различных фракций щебня), укладываемый между покрытием с нали- чием трещин и новым покрытием с целью предотвращения появления 147 отраженных трещин. Благодаря зернистости и низкой прочности на растяжение, вследствие появления и ветвления трещин, подобный слой активно гасит концентрации напряжений в районе трещин. Тол- щина слоя 4 - 1 5 см. Трещинопрерывающая мембрана — тонкий слой (до 3 см), уклады- ваемый между покрытием с наличием трещин и новым покрытием, с целью предотвращения появления отраженных трещин. Трещинопрерывающая мембрана должна иметь высокие деформа- ционные характеристики, благодаря которым напряжение интен- сивно релаксируют и не передаются на новое покрытие. Существует несколько методов устройства мембран. Одним из путей решения проблемы отраженных трещин путем устройства мембран является использование геосинтетиков, которые за рубежом применяются уже более 30 лет. В настоящее время существует большой ряд торговых марок и фирм, производящих подобные материалы. Геосинтетики производятся в Гер- мании, Польше, Венгрии и др. В РБ данный вид продукции выпускает Полоцкий завод «Стекловолокно». Однако качество продукции данного завода требует совершенствования. Геосинтетики, произведенные компа- нией HUESKER Synthetic GmbH & Co. (Германия), хорошо зарекомендо- вали себя во всем мире и п о з в о л я ю т р е ш а т ь м н о г и е п р о б л е м ы строительства и эксплуатации транспортных магистралей: в том числе: - предотвращают образование трещин в дорожном покрытии; - повышают несущую способность грунтов при строительстве дорог; - способствуют укреплению насыпей и откосов при строительстве на слабых грунтах. Использование гибкой армирующей сетки HaTelit позволяет задер- жать, а в некоторых случаях и предотвратить появление отраясенных трещин в асфальтобетонных покрытиях. Сетки HaTelit производятся фирмой HUESKER Synthetic GmbH & Co. из волокон полиэстера, соединенных между собой с образованием крупных ячеек. Полиэстер имеет механические характеристики и модуль упругости, близкие к аналогичным характеристикам асфальто- бетона. Для лучшего сцепления с асфальтобетоном сетки покрывают битумом, что улучшает способность воспринимать и перераспределять растягивающие напряжения. В настоящее время фирма выпускает несколько стандартных типов с е т о к , из к о т о р ы х наибольшее распространение получили сетки HaTelit 40 /17 и HaTelit С40/17. Сетка HaTelit С40/17 имеет с одной сто- 148 роны прикрепленное легкое нетканое полотно, которое облегчает укладку и обеспечивает беспрепятственную связь между слоями асфаль- тобетонного покрытия. Обычно асфальтобетонные покрытия характеризуются невысоким показателем прочности при растяжении. Армирующие сетки HaTelit увеличивают прочность при растяжении, воспринимают значительную часть горизонтальных растягивающих напряжений и равномерно рас- пределяют ее на больпхую площадь. Сетки имеют следующие характеристики: масса, 1м. кв. г. 330. Предельная прочность при растяжении, кН/м продольная — 50, поперечная — 50. Удлинение при разрыве, % про- дольная — 12/поперечная — 14. Прочность при 3%-ном удлинении, % продольная — 12/поперечная — 12. Геосетки HaTelit широко используются при строительстве автодо- рог, взлетно-посадочных полос, гидротехнических сооружений и др. В России геосетки HaTelit применялись при реконструкции МКАД, аэрод- ромов Внуково, Домодедово (Москва) и др. При ремонте дорожного полотна возможно армирование как по всей площади, так и локально по предполагаемым источникам трещин, например, по П1вам плит, лежащих в основании покрытия, и по сопря- жению старого и нового полотна. Вместо геосеток могут использоваться георешетки. Георепхетки Fortrac представляют специально сотканные структуры из высокомо- дульных полиэстерных волокон, покрытых дополнительным защит- ным слоем поливинилхлорида . Материалы обладают в ы с о к о й химической и биологической стойкостью, а ПВХ-покрытие предохра- няет их от УФ-излучения и механических повреждений. Геореп1етки эффективны также при строительстве дорог на слабых грунтах или укрепительных работах. Находит применение также геотекстиль Stabilenka (продукция фирмы HUESKER Synthetic GmbH & Co.). Он эффективен также при проведении земляных работ с армированием грунта при небольпхих допустимых деформациях. Геотекстиль Stabilenka представляет собой ткань из полиэстера в про- дольном направлении (основа) и полиамида или полиэстера в попереч- ном направлении. Материал обладает высокой прочностью при растяжении, выдерживает высокие растягивающие нагрузки при незна- чительном относительном удлинении и эффективен при необходимости армирования грунта при небольпхих допустимых деформациях. Сущес- 149 твует девять стандартных типов материала с различными значениями прочности при растяжении до 1000 кН/м в продольном направлении. Геотекстиль Stabilenka можно укладывать между грунтом и запол- нителем насыпи. При этом несущая способность грунта значительно повышается и достигается необходимая прочность при сдвиге. В гидро- техническом строительстве при сооружении дамб, волнорезов и приста- ней г е о т е к с т и л ь S t a b i l e n k a м о ж е т быть и с п о л ь з о в а н в виде армирующих матов. В США также применяют прослойки из нетканых синтетических материалов для замедления процесса образования трещин на несколько лет. Нетканый материал употребляется как закрывающий поверхностный слой, при этом количество трещин существенно сокра- щается по сравнению с традиционным покрытием дороги. В целом, на настоящий момент можно констатировать, что про- слойки из синтетических материалов дают эффект для упрочнения и осушения земляного полотна, укрепления откосов и других видов зем- ляных работ. Прослойки в этом случае укладываются в толще или на поверхности земляного полотна с обеспечением необходимого натяже- ния и стыковки (рис. 6.6). Более сложным и спорным является вопрос применения прослоек для повышения несущей способности дорожной одежды. Технология производства работ при устройстве трещинопрерываю- щих прослоек из геосинтетиков в несущих слоях дорожной одежды Рис. 6.6. Применение синтетических материалов для упрочнения земляного полотна 150 заключается в следующем: очистка и ремонт старого покрытия дорож-2 НОЙ одежды; подгрунтовка вяжущим VB 60/90 с расходом 1 - 2 кг /м ; укладка геотекстильной прокладки с решетчатой или грубопористой структурой без соединения внахлест; пропитка текстильной прокладки вяжущим VB 60/90 с расходом от 1 до 1,5/м ; устройство покрытия. Для обеспечения качественного натяжения применяют специальные укладочные механизмы (рис. 6.7). Укладку асфальтобетонной смеси ведут по традиционной техно- логии (рис. 6.8). Рис. 6.7. Механизм натяжения синтетического материала Рис. 6.8. Укладка слоя асфальтобетона поверх слои из синтетического материала 151 в целом проблема повышения надежности и долговечности асфальтобетонных покрытий за счет применения прослоек геотек- стиля до настоящего времени не имеет четкого научного обоснования. Можно ожидать, что применение геосинтетиков позволит: 1. Уменьшить вероятность появления дефектов старого покрытия (в основном треш;ин) на новом покрытии. 2. Снизить толш;ину вновь устраиваемого дорожного покрытия (или повысить прочность дорожной одежды) за счет высоких деформа- ционных показателей прослойки. Если треш;инопрерываюш;ий эффеккт в ряде случаев подтвержден практикой, то вопрос повышения несуш;ей способности еш;е требует доказательств. Дело в том, что на контакте асфальтобетона и про- слойки наблюдается концентрация напряжений, и эффект может быть достигнут, если прочность клеевого слоя превысит прочность асфальтобетона, что сложно обеспечить на практике. Важно также правильно выбрать свойства прослойки. В силу вышеуказанных особе- ностей не всегда преимуш;ество будут иметь жесткие высокомодуль- ные прослойки. В опытном порядке использовались прослойки из геосинтетиков на дороге М - 1 [46]. Использовались стеклосетки отечественного произво- дства (Полоцкого завода «Стекловолокно») и сетки фирмы «Heusker». Наблюдения показали, что применение сеток снижает количество отра- женных треш;ин, однако не исключает их. Кроме геотекстиля применяют в качестве мембран различные про- слойки из обработанных вяжуш;им зернистых материалов. Например, слой Sami's из прорезиненного материала с битумом, нанесенным набрызгом, был уложен на дороге в штате Юта и сохранял свои сво- йства в течение 3 - 4 лет. Треш;ины на покрытии дороги отсутствовали, однако образовалось большое количество колей. В качестве треш;инопрерываюш;их слоев используют слои из специ- альной асфальтобетонной смеси. Такой слой укладывается на старое дорожное покрытие с треш;и- нами, проникает в них и предотвраш;ает их расширение. Эта смесь с о д е р ж и т каменный материал с м а к с и м а л ь н ы м размером зерен 6,25 мм. Подстилаюш;ие слои служат 5 лет и более. Применение треш;инопрерываюш;их слоев из зернистых материа- лов с теоретической точки зрения достаточно эффективно. Однако они суш;ественно снижают сцепление между слоями, что может привести к различным деформациям, в основном пластического характера. Поэ- 152 тому при их устройстве очень важно минимизировать толщину слоя, необработанного вяжущим. Неплохие результаты в эксплуатации показали дискретные трещи- нопрерывающие мембраны из щебеночно-мастичной смеси, выполняе- мые фирмой «Ирмаст». В соответствии с данной технологий в районе трещины производится выборка асфальтобетона глубиной 1,5-2 см с последующим заполнением мастично-минеральной смесью (рис, 6.9). Подобные мембраны работают по аналогии с деформационными швами мостов (см. раздел 6.1) и обеспечивают неплохие эксплуатационные показатели (рис. 6.10). Рис. 6.9. Технология устройства трещинопрерывающей прослойки Рис. 6.10. Вид покрытия с заделанными отраженными трещинами после 2-х лет эксплуатации 153 7. АСФАЛЬТОБЕТОНЫ С АДГЕЗИОННЫМИ И СТРУКТУРИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ Под адгезионными и структурирующими добавками понимают вещества, вводимые в битум или асфальтобетонные смеси в небольших количествах (не более 5% от массы вяжущего) и обеспечивающие опре- деленные изменения технологических, физико-механических и эксплу- атационных свойств. Большая гамма добавок была изучена в разделе 2. Поэтому мы здесь остановимся в основном на применении поверхностно-активных веществ (ПАВ), природного асфальта, волоконных наполнителей и компаундированных битумов. Определения и механизм влияния ПАВ изложен в разделе 4. Здесь мы рассмотрим только влияние данных добавок на свойства асфальтобетона. Па рынке имеется большая гамма п о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы х веществ, используемых для улучшения свойств асфальтобетонов и биту- мов. Здесь следует выделить продукцию фирм СЕСА, BASF, ICSO'n дру- г и х . Наиболее р а с п р о с т р а н е н н ы е т о р г о в ы е м а р к и : « С е к а б а з » , «Полирам», «Терафлюкс», «Бутонал», «Терамин», «Диамин», «Аско», «ОЛБ» и ряд других. Во всех случаях ПАВ представлены в основном полиаминами, отличающимися количеством активных групп и длиной органической цепи (видом жиров, используемых при производстве ПАВ). Па рынке РБ наиболее часто используются продукты российского производства («Амдор», «БП-3» , «Дорад», Удом, Азол 1000М и др.). Характерное отличие Российских добавок состоит в том, что они содер- жат в своем составе, кроме соединений аминов, жирные кислоты, явля- ющиеся анионным ПАВ. С одной стороны это расширяет диапазон применения добавок, переводит их в жидкое состояние. С другой сто- роны при высоких температурах могут происходить непредвиденные реакции разнородных по активности веществ. Механизм влияния ПАВ связан, в основном, с улучшением адгези- онной способности битума к кислым (катионные ПАВ) или основным (анионные ПАВ) породам за счет химического взаимодействия актив- ных групп ПАВ с поверхностью горной породы. Однако при практическом применении данных добавок необхо- димо иметь в виду возможность появления негативных эффектов, к которым можно отнести: 1. При вводе в битум ПАВ взаимодействуют с 154 основными струтурообразующими элементами битума (асфальтенами, карбенами, асфальтогеновыми кислотами), разрушая тем самым его структуру, снижая вязкость и когезионную прочность. 2. ПАВ, адсорби- руясь на поверхности минералов, при их ошибочной дозировке могут снизить угол внутреннего трения минерального каркаса. Поэтому при работе с ПАВ очень важно осуществлять точный подбор их количества и строжайше соблюдать дозирование на произ- водстве. Эффект от ввода ПАВ может быть утерян также при наличии загрязнения поверхности минеральной части пылеватыми и глинис- тыми частицами. В этом случае добавка ПАВ обеспечит хорошее сцепле- ние с пылеватой прослойкой, но не с минеральной частью, и эффекта в показателях морозостойкости можно не достичь. Таким образом, применение ПАВ требует высокой культуры произ- водства и эффективного научного сопровождения. возможный комплекс данных проблем рассмотрим на примере при- менения добавки Азол 1000М. Для анализа влияния добавки «Азол 1000» были изготовлены две серии образцов асфальтобетона с наличием добавок и без. Результаты исследований, выполненные по методике раздела 1, представлены в таблице. Стандартные показатели № состава Наименование показателя Средняя плот- ность, г/см Набухание, % Водонасыще-ние, % Предел про- чности на сжа- тие при 500С, МПа 1 2 , 4 8 0 ,01 0 , 8 8 1 2 2 , 4 8 0 , 0 9 0 , 4 8 1 ,03 3 2 , 4 9 0 0 , 5 3 1 ,05 4 2 , 4 9 0 ,10 0 ,21 1 ,10 Примечание: 1 — без добавки; 2 — с добавкой 0,5% от массы битума; 3 — с добавкой 1,0% от массы битума; 4 — с добавкой 1,5% от массы битума. 155 Нестандартные показатели по методике раздела 1 Состав Коэффициенты запаса из условия Уровни надежности из условия Общий уровень надежн ости Сдвиго- устой- чивости Темпера- турной трещи- ностой- кости Уста- лостной долго- веч- ности Корро- зион- ной стой- кости Сдвиго- устой- чивости Темпе- ратур- ной трещи- ностой- кости Уста- лостной долго- веч- ности Коррози- онной стойкости Без добавки 1,28 1,26 1,07 1Д 0,91 0,89 0,65 0,94 0,84 С добав- кой 1,0% от битума 1,18 1,44 1,08 1,2 0,81 0,95 0,66 0,98 0,84 Состав Наименование показателя Внутреннее сцепление, МПа Тангенс угла внут- реннего трения Предельная струк- турная прочность, МПа Без добавки 0 ,208 0 ,898 3 ,75 С добавкой 1 , 0 % отбитума 0 ,203 0 ,881 3 ,77 Полученные результаты четко подтверждают высказанные ранее положения. Ввод добавки за счет разрушения структурного каркаса битума позволил снизить его вязкость и тем самым повысить плотность асфальтобетона. Это привело к некоторому росту показателей коррозион- ной стойкости. В то же время ввод добавки мало влияют на свойства мате- риала, отвечающие за надежность материала по силовым факторам (сдвигоустойчивость, температурная и усталостная трещиностойкость). Таким образом, принимая решение о вводе ПАВ, следует выпол- нить тщ;ательный анализ технологической базы и расчет их эффектив- ности по методике раздела 1. В странах Западной Европы для улучшения свойств битума и асфальтобетона используют добавки природных битумов. Данные добавки поступают на рынок в дробленом расфасованном состоянии (рис. 7.1) из Венесуэлы (Бермудское месторождение) или Тринидада (озеро Тринидад). Природные битумы богаты асфальтогено- выми кислотами, активными химическими соединениями и высоковяз- к о й м а л ь т е н о й ч а с т ь ю . К р о м е т о г о , они с о д е р ж а т р а з л и ч н ы е тонкодисперсные минеральные частицы. Все это повышает адгезию битумов, их температурную устойчивость и устойчивость к старению. Вводят данные добавки аналогично волокнам по отдельной технологи- 156 Рис. 7.1. Природный битум озера Тринидад ческой линии в полиэтиленовых пакетах. Данных об эффективности их использования в РБ пока нет. Хотя в странах западной Европы (осо- бенно Германии) они используются довольно широко. Учитывая доста- точно невысокую стоимость (около 800 Евро/т) , добавки природных битумов могут составить определенную конкуренцию другим. В качестве структурирующих добавок могут использоваться раз- личные порошкообразные и волоконные наполнители, выполняюш;ие роль дискретной арматуры. Эффективной структурирующей добавкой может служить портландцемент. Мелкодисперсная фракция в асфальтобетоне занимает более 80% удельной поверхности. Поэтому от ее качества во многом зависит надеж- ность асфальтобетона. В настоящее время в составе асфальтобетонных смесей используются гранитные отсевы и доломитовые минеральные порошки. Для изучения влияния соотношения этих компонентов на коррозионную стойкость были исследованы уровни надежности по данному показателю. Установлено, что ввод пылеватых фракций может привести к сниже- нию коррозионной стойкости. Особенно резкое падение наблюдается при содержании минерального порошка 4 - 5 % и отсева 1 0 - 2 0 % , что соотве- тствует как раз наиболее распространенным составам в РБ (рис. 7.2). 157 Р4 • 0,0-0,1 0,1-0,2 -С 0,2-0,3 • 0,3-0,4 0,4-0,5 ЕГ 0,5-0,6 " 20 30 OTSEV, % MP, % Рис. 7.2. Зависимость уровня надежности асфальтобетона по коррозионной стойкости от соотношения минеральный порошок-отсев Обусловлено это агрегированием пылеватых частиц. При увеличе- нии количества минерального порошка выше оптимального предела в системе минеральный порошок-вяжуш;ее появляется воздушная фаза, увеличивается пористость, битума не хватает для обволакивания мине- ральных зерен, появляются контакты по твердой поверхности. Все это приводит к резкому снижению коррозионной стойкости. Наличие частиц доломита, имеюш;их знак « + » и гранита — знак « - » приводит к усилению агрегированию пылеватых частиц. С целью ликвидации этих негативных явлений было решено заме- нить доломитовый М11неральный порошок, цементом. Исследования показали, что ввод цемента увеличивает коррозион- ную стойкость независимо от количества отсева (рис. 7.3). Обусловлено это процессами гидратации цемента, которые приво- дят к омоноличиванцю флоккул и прорастанию кристаллов в битумные пленки, что ведет к росту адгезии. Таким образом, путем замены доло- ]у[Итового порошка цементом можно добиться суп];ественного увеличе- н и я уровня надежно(;ти по коррозионной стойкости. На практике в состав смеси целесообразно вводить 3 - 5 % цемента. Волоконная дискретная арматура по происхождению делится на: органическую и минеральную (неорганическую). К органической относят волокна целлюлозы, а также различные синтетически (полипропиленовые, полиамидные, полиэстеровые и др.) золокна. 158 Function 2 0'96 Ш 0,56-0,64 0,64-0,72 Ш 0,72-0,8 I B 0,8-0,88 Ш 0,88-0,96 Ш 0,96-1,04 Ш 1,04-1,12 П 1,12-1,2 ; 1,2-1,28 otsev Рис. 7.3. Зависимость уровня надежности асфальтобетона по коррозионной стойкости от содержания отсева и цемента К неорганической — стекловолокно, углеродные волокна, базальто- вые и диабазовые волокна, металлическое волокно. В настоящее время для дисперсного армирования асфальтобетона используют в основном органические волокна, цементобетона — мине- ральные. Однако возможно применение и комбинации волокон. Напри- мер, в Швеции в состав щебнемастичного асфальтобетона вводят комбинацию волокон целлюлозы и диабазовых волокон. Дискретная арматура в составе асфальтобетонных смесей может выполнять две функции: технологическую и структурирующую (упроч- няющую). Технологическая функция заключается в предотвращении расслаивания смесей, обогащенных битумом (щебнемастичные асфаль- тобетоны). Данный вопрос был рассмотрен в разделе 5.4. Для технологи- ческих целей используют в основном короткие целлюлозные волокна, соизмеримые с размером битумной пленки. К таким добавкам можно отнести «Виатоп», «Эковату» и др. Для упрочнения структуры бетона важно правильно подобрать раз- меры волокон и их прочность. Для волокнистых композитов справедливо соотношение: где 1с — критическая длина волокна, d f — диаметр волокна, Cf — напря- жение в волокне, Xyfi — некоторое эффективное напряжение в мат- 159 рице на границе включения, отражающие упругопластические свойства матрицы и отчасти прочность связи компонентов. Максимальный эффект упрочнения будет наблюдаться, если воло- конная система будет воспринимать максимальное напряжение. Как видно из соотношения (7.1), величина напряжения в волокне будет тем больше, чем больше его длина, меньше диаметр и меньше напряжение в матрице. Применительно к асфальтобетону эффект воло- конного упрочнения будет снижаться с уменьшением длины волокна, ростом его вязкости и понижением температуры. Размеры волокон зависят от их вида и технологии получения. Ц е л л ю л о з н ы е в о л о к н а и м е ю т д л и н у 0 , 9 - 1 , 1 м м . Д и а м е т р 0 ,02 -0 ,04 мм. Соотношение длина-диаметр — 2 2 - 5 5 . М и н е р а л ь н ы е в о л о к н а и м е ю т д л и н у 0 , 2 - 2 м м . Д и а м е т р 0 ,003-0 ,005 мм. Соотношение длина-диаметр — 40 -660 . Наибольшую длину имеют синтетические волокна (1 ,5 -40мм) . Как видно из приведенных данных, ожидать эффекта упрочнения от целлюлозных волокон маловероятно (особенно при низких температу- рах). В этом плане предпочтение имеют минеральные волокна или смесь. Битум является основным компонентом асфальтобетонных сме- сей, и его свойства во многом определяют надежность и долговечность дорожных покрытий, в РЕ в основном применяют окисленные битумы Новополоцкого и Мозырского НПЗ из западносибирских нефтей. Подоб- ные битумы недостаточно устойчивы к старению и обладают недостаточ- ной адгезией. В мировой практике альтернативой окисленным битумам служат битумы, получаемые из венесуэльских нефтей, имеюш;их повышенное содержание высокоактивных смол. С целью выяснения возможностей применения подобных битумов в РЕ нами были выполнены дополни- тельные исследования. Результаты испытаний битумов представлены в таблицах 7.1, 7.2. Анализ полученных данных показывает: 1. Еитумы концерна «Nynas» уступают новополоцким битумам по показателям температуры размягчения и температуры хрупкости и не соответствуют по данным показателям действуюш;ему в РЕ стандарту (СТЕ 1062-97) ; 2. Еитумы концерна «Nynas» превосходят новополоцкие битумы по показателям устойчивости к старению и сцеплению с каменным материалом. Здесь, в свою очередь, уже новополоцкие битумы не соотве- тствуют стандарту (показатель старения). 160 Таким образом, складывается противоречивая ситуация, когда в одном случае имеют лучшие показатели битумы Новополоцкого НПЗ, в другом — концерна «Nynas». В связи с этим было решено произвести компаундирование окислен- ных новополоцких битумов и битумов концерна «Nynas». В таблице 7.3 представлены данные оценки уровня надежности асфальтобетонов на различных видах битумов. Анализ показывает, что компаундированные битумы позволяют получить асфальтобетоны в дос- таточной степени долговечности. Таким образом, для получения качественных битумов предлага- ется в битумы новополоцкого НПЗ вводить 30-50% битума концерна «Nynas» марки В 85. Таблица 7.1 Результаты испытания битума шведского производства концерна «NYNAS» NAPHTENICS с терминала дочерней фирмы ' завода-изготовителя эстонской фирмы «NYBIT» в г. Таллинне Наименование показателей Полученный результат Норма по СТБ 1062-97 для марки Марка В 120 Марка В 85 Марка В 55 Марка 90 /130 Марка 6 0 / 9 0 1. Глубина проника- ния иглы 0,1 мм: при 25 °С при 0 °С 114 77 63 9 0 - 1 3 0 6 1 - 9 0 2. Температура раз- мягчения по КиШ, °С 42 45 50 не ниже 43 не ниже 47 3. Растяжимость, см при 2 °С при 0 °С >100 8,2 >100 3,7 95 3,3 не менее 65 4 не менее 55 3,5 4. Температура хруп- кости, °С до прогрева после прогрева - 1 8 - 1 7 - 1 2 - 1 2 - 8 - 8 не выше - 1 7 не выше - 1 5 5. Температура вспышки, °С >250 >250 >250 >235 >240 6. Содержание пара- фина, % 0,9 • 1,0 1,1 <3 <3 7. Коэффициент сцеп- ления битума с гранит- ным щебнем при 20 °С 1,0 1,0 0,9 не менее 0,7 не менее 0,7 161 Наименование показателей Полученный результат Норма по СТБ 1062-97 для марки Марка В 120 Марка В 85 Марка В 55 Марка 9 0 / 1 3 0 Марка 6 0 / 9 0 8. Показатели физико- химических свойств после прогрева (+16 °С/300 мин) а) потеря в массе, % б) изменение глубины проникания иглы при 2 % в) изменение темпера- туры размягчения по кольцу и шару, °С 0,1 27 3 ,0 0 ,17 23 2,0 0 ,11 20 3 ,0 0 ,5 40 5 0 ,5 40 5 9. Содержание асфаль- генов 18 19 21 1 9 - 2 1 1 9 - 2 1 Таблица 7.2 Результаты испытания битума Новополоцкого НПЗ Наименование показателей Полученный результат Норма) 1062-97д яо СТБ ля марки БНД 9 0 / 1 3 0 БНД 6 0 / 9 0 БНД 6 0 / 9 0 БНД 9 0 / 1 3 0 БНД 6 0 / 9 0 1. Глубина проника- ния иглы 0,1 мм: при 25 °С при 0 °С 117 76 60 9 0 - 1 3 0 6 1 - 9 0 2. Температура раз- мягчения по КиШ, °С 45 49 53 не ниже 43 не ниже 47 3. Растяжимость, см при 25 °С при 0 °С 100 6 ,7 86 6 ,0 67 5,5 не менее 65 4 не менее 55 3 ,5 4. Температура хруп- кости, °С цо прогрева после прогрева - 2 2 - 1 8 - 1 9 - 1 7 - 1 6 - 1 3 не выше - 1 7 не выше - 1 5 5. Температура вспышки, °С 250 > 2 5 0 > 2 5 0 > 2 3 5 > 2 4 0 6. Содержание пара- фина, % 1,7 2,3 2 ,9 < 3 < 3 7. Коэффициент сцеп- ления битума с гранит- ным ш;ебнем при 20 °С 1,0 0,8 0 ,6 не менее 0 ,7 не менее 0 ,7 162 Наименование показателей Полученный результат Норма по СТБ 1062-97 для марки БНД 9 0 / 1 3 0 БНД 6 0 / 9 0 БНД 6 0 / 9 0 БНД 9 0 / 1 3 0 БНД 6 0 / 9 0 8. Показатели физико- химических свойств после прогрева (+16 °С/300 мин) а) потеря в массе, % б) изменение глубины проникания иглы при 2 °С, % 0 ,7 41 0,6 35 0 ,5 30 0,5 40 0 ,5 40 в) изменение темпера- туры размягчения по кольцу и шару, °С 6 6 5 5 5 9. Содержание асфаль- тенов 21 24 26 1 9 - 2 1 1 9 - 2 1 Таблица 7.3 Результаты сравнительных исследований битумов Вид битума Коэффициенты запаса из условия Уровни надежности из условия Общий уровень надежн ости Сдвиго- устой- чивости Темпе- ратур- ной трещи- ностой- кости Уста- лостной долго- веч- ности Корро- зионной стой- кости Сдвиго- устой- чивости Темпе- ратур- ной трещи- ностой- кости Уста- лостной долго- веч- ности Корро- зионной стой- кости БНД 9 0 / 1 3 0 1,67 1 ,35 1 ,27 1 ,20 0 ,88 0 ,9 0 ,90 0 ,84 0 ,87 В 85 (швед- ский) 1,63 0 ,87 1 ,28 1 ,25 0 ,87 0 ,52 0 ,91 0 ,88 0 ,79 БНД 90 /130 70% + В85 - 3 0 % 2,47 1 ,40 1 ,57 1,36 0 ,98 0 ,94 0 ,97 0 ,93 0 ,95 163 ЛИТЕРАТУРА I. Веренько В. А. Дорожные композитные материалы. Структура и механические свойства. — Мн.: Наука и техника, 1993. — 246 с. 3. S. Н. Carpenter and Т. VanDam. Mix Designs: Initial Mix Designs on Modi f ied and Unmodi f ied Asphalt Cements. Shell Development Company, Houston, Tex., June 1985. 4. S. F. Brown and K. E. Cooper. A Fundamental Study of the Stress-Strain Characteristics of a Bituminous Material. Proc., Association of Asphalt Paving Technologies, Vol.49,1980. 5. J. H. Collins and W. J. Mikols. Block Copolymer Modification of Asphalt for Surface Dressing Applications. Presented at 60th Meeting of the Association of Asphalt Pavement Technologists, Feb. 1985. 6. B. J. Dempsey, J. Ingersoll, T. C. Johnson, and M. Y. Shahin. Asphalt Concrete for Cold Regions: A Comparative Study and Analysis of Mixtures Containing Soft and Hard Grades of Asphalt Cement. CRREL Report 80-5 . U. S. Army Corps of Engineers, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, N. H., Jan.1980. 7. B. R. Rauhut, J. C. O'Quin, and W. R. Hudson. Sensitivity Analysis of FHWA Structural Model VESYS II, Vol. 1: Preparatory and Related Studies . Report F H W A - R D - 7 6 - 2 3 . F H W A , U. S. Department of Transportation, March 1976. 8. H. J. N. A. Bolk. The Creep Test. SCW Record 5. Study Centre for Road Construction, Amhem. The Netherlands, 1981. 9. G. W. Maupin. Simple Procedure for Fatigue Characterization of B i t u m i n o u s C o n c r e t e . R e p o r t F H W A - R D - 7 6 - 1 0 2 . F H W A , U. S. Department of Transportation, June 1976. 10. R. P. Lottman. NCHRP Report 192: Predicting Moisture-Indused Damage to A s p h a l t C o n c r e t e . T R B , Nat iona l Research C o u n c i l , Washington, D. C.,1978. I I , Грудников И. Б., Фрязинов В. В. Нефтепереработка и нефтехи- мия, 1971. — № 8. — С.8-9. 12. Радовский Б. С. Вероятностно-геометрический подход к струк- туре и оценке физико-механических свойств материалов дорожной конструкции . В сб. «Актуальные вопросы механики дорожных одежд». — М., 1992. — С. 4 -36 . 13. Vonk W., Valkering С. Extension of the service temperature range of road binders with SBS thermoplastic elastomers. Proceedings of the 1996 ARRB ROADS 96 conference, Christchurh, September 1996. 164 14. Липатов. С. Физико-химические основы наполнения полиме- ров. — М.: Химия, 1990. — 260 с. 15. Безрук В. М. Дорожные одежды из укрепленных грунтов. — М.: Высшая школа, 1969. — 330 с. 16. Цветков В. С. Исследование свойств цементогрунтов и разра- ботка способов повышения их морозостойкости в конструкциях дорож- ных одежд: Автореф. дис.... канд. техн. наук: 05.23.14 / Московск. автом. дорож. ин-т. — М., 1989. — 21 с. 17. Плотникова И. А. Особенности формирования слоев из плот- ных минеральных смесей, обработанных эмульсиями / / Исследование битумных эмульсий для строительства автомобильных дорог / Труды СоюздорНИИ. — Вып. 40. — 1970. — С. 48-56 . 18. Иерасулимская М. Ф. Опыт применения битумных эмульсий для укрепления грунтов / / Материалы к V Всесоюзному совещанию по закреп- лению и уплотнению грунтов. — М.: Изд. МГУ, 1968. — С. 421-424. 19. Пат. 2606801 Франция, MKH^(end)E01C 23/00, 19/10. Procede pour r6generer a froid les couches superieures des chaussees et lients pour la mise en ceuvre de a procede / Rene Chambord, Jacgus Gaultier, Chaignon Francois: Colas - № 880520; Заявлено 18 .11 .86 ; Опубл. 20.05.88, Бюл. № 81 / / Изобретения за рубежом. — 1989. — Вып. 81. — № 1. — С. 22. 20. Hydraulisch verfestigte Tragschichten unter ver wendung von pech haltigen straben auf bruch / Helge Feil, Kraus Graf / / Strabe Autobahn. — 1995. — № 6. — s. 344-346. 21. Карамышева В. Н. Строительство слоев дорожных покрытий из влажных органоминеральных смесей: Автореф, дис.... канд. техн. наук: 05.23,14 / Московск. авт.-дор. ин-т. — М., 1989. — 18 с. 22. Иванов А. Ф. Технология, структурообразование и свойства асфальтобетона с дисперсным битумом: Дис.... канд. техн. наук: 05.23.05 / Саратовский политех, ин-т, — Саратов, 1986. — 175 с, 23. Stabicol: un materiau composite pour les routes de demain / Godard Erir / / Rev. gen. routes et aerodz, — 1991, № 691. — s. 6 -63 , 24. Ze liant stabicol en Fure-et-Loir / Penna Sylvain, Morlof Yves / / Rw. gen routes et aerodr. — 1991. № 689, — s. 79-80, 25. Веренько В. A., Концевой В. A. Устройство слоев из дегте-золоми- неральных смесей / /Автомобильные дороги. — 1988. — № 1. — С. 5 -6 . 26. Бачурин А. Н. Влажные дегтешлаковые смеси, активированные ш;елочами для дорожного строительства: Автореф, дис,,,, канд, техн. наук: 05.23,05 / Харьков, автом,-дор, ин-т, — Харьков, 1989, — 25 с. 165 27. Самодуров С. И. Дорожный шлаковый асфальтовый бетон: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.05 / Всес. заочн. инж.-стр. ин-т. — Воронеж, 1982. — 386 с. 28. Innovations francaises en mati?re d'emulsions de bitume / / Rev. gen. routes et aerodr. — 1989. — 63, № 644. — P. 25-32. 29. Batons compactes graves hydrauliques nautes performances / Bense Piezze, Colombier Georges, Conan Joel , Morlaf X^es, Renie Emmanuel / / Rev. gen. routes et aerodz. — 1988. — № 654. — s. 1 -12 . 30. Гоглидзе В. М. Полужесткие композиционные дорожные покры- тия. — Тбилиси: Мецнеереба, 1988. — 63 с. 31. Горелышев Н. В., Медведев Н. В. Основание дорожных одежд из гранулированных укрепленных грунтов / / Пути совершенствования технологии производства и повышение качества дорожно-строитель- ных материалов. — М.: МАДИ, 1987. — С. 4 - 9 . 32. Cauwelauert F. V., Petit V. Powrgnoi des Structures routiers semi-rigi-des a fordabion en beton maigre / / Texn. rout. — 1990. Vol. 25. — № 1. — P. 1 -20 . 33. Веренъко В. A. Чичко A. H. Принципы структурообразования бетонов на органно-минеральных вяжущих //Строительство и архитек- тура. — 1997. — № 1. — С. 36-40. 34. Лысихина А. И. Дорожные покрытия и основания с примене- нием битумов и дегтей. — М.: Автотрансиздат, 1962. — 360 с. 35. Веренъко В. А. Рекомендации по применению органо-минераль- ных смесей на наполнителях гидравлического действия. — Минск, 1991. — 14 с. — (Препринт / трест Облдорстрой). 36. Кучма М. И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве. — М.: Транспорт, 1980. — 181 с. 37. Lombardi В. Un procede revolutionnaire pour des emulsions de nouvelle generation. Revue Generale des routes et aerodromes, № 720, pp. 50-51,1994. 38. Дорожные эмульсии. Энциклопедия в HI томах. Сб. статей, под ред. И. П. Петухова. ЕАРЕ, Минск. 39. ТУ РБ 14559998.124-97. Эмульсия битумная катионная (опыт- ная партия); 40. РД 0219.1.09-99. Дорожные технологии на основе катионных битумных эмульсий. 41. Мелик-Вагдасаров М. С. и др. Устройство асфальтобетонных п о к р ы т и й методом в и б р о л и т ь я . Наука и техника в д о р о ж н о й отрасли. — 1977. — № 3. — С. 9 -11 . 166 42. Emploi des Hants bitumineux modifies, des bitumes speciaux et des bitumes avec additifs en techniques routieres. Seminare international, Rome, 17/19 luin, 1988. 43. Ставицкий В. Д. Дорожные термопластичные бетоны. — Мн.: Полымя, 1971. — 142 с. 44. Безродный В. А., Золотарев В. А , Веренъко В. А. Способ приго- товления асфальтобетонной смеси. Ав . св. СССР, № 1127899, С 08 95/00. 45. Виноградов А. П. и др. Продление эксплуатационного ресурса покрытий автомобильных дорог и аэродромов. — М.: «Ирмаст-Хол- динг», 2001. — 170 с. 46. Яромко В. Н. Новая технология ремонта цементобетонных покрытий. — Мн.: НПО «Белавтодорпрогресс», 1999. — 76 с. 167 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ 5 2. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ И АСФАЛЬТОБЕТОН НА ИХ ОСНОВЕ 13 2.1. Основные положения модификации дорожных битумов 13 2.2. Техничсекая эффективность применения модифицированных битумов для улучшения качества асфальтобетона 24 2.3. Мероприятия по снижению расхода сополимеров в битуме . 30 2.4. Стандарты и нормативные документы 34 3. ДОРОЖНЫЕ БЕТОНЫ НА ОРГАНО-ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ 37 3.1. Виды и классификация бетонов на органо-гидравлических вяжущих 37 3.2. Современные представления о структуре бетонов на ОГВ . . 43 3.3. Применение бетонов на ОГВ в Республике Беларусь 45 3.4. Стандарты и нормативные документы 56 4. БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ 59 4.1. Общие понятия об эмульсиях 59 4.2. Технология получения и свойства эмульсий 62 4.3. Применение битумных эмульсий в дорожном строительстве 67 4.3.1. Применение битумных эмульсий для подгрунтовки и устройства поверхностных обработок 67 4.3.2. Устройство тонкослойных покрытий из литых холодных смесей (метод Слари-Сил) 70 4.3.3. Холодные органно-минеральные смеси и асфальтобетоны 73 168 4.3.4. Получение бетонов на органо-гидравли^кп их вяжущих ~ 7 4.4. Стандарты и нормативные документы 82 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОНЫ. . 8в 5.1. Литые асфальтобетонные смеси и асфальтобетон 86 5.2. Асфальтобетоны для устройства тонкослойных покрытий о 90 5.3. Асфальтобетоны с противогололедным эффектом 98 5.4. Асфальтобетоны на твердых и многослойных битумах. Щебнемастичные асфальтобетоны 100 5.5. Дренирующий асфальтобетон 109 5.6. Цветной асфальтобетон 110 5.7. Асфальтобетоны дискретной структуры 111 5.8. Высокопрочные асфальтобетоны с защитным слоем (НАС) 114 5.9. Холодные асфальтобетоны для ямочного ремонта в зимний период 121 6. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕМОНТА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ 127 6.1. Битумо-полимерные (эластомерные) герметики и материалы на их основе 127 6.2. Материалы для ремонта цементо-и железобетона . . . . 137 6.3. Материалы для устройства трещинопрерывающих прослоек 147 7. АСФАЛЬТОБЕТОНЫ С АДГЕЗИОННЫМИ И СТРУКТУРИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ 154 ЛИТЕРАТУРА 164 169 Учебное издание ВЕРЕНЬКО Владимир Адольфович НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие Ответственный за выпуск Л./7. Аношко Корректор Т.Н. Луневич Технический редактор Л.Я. Нефедов Сдано в набор 12.03.04. Подписано в печать 24.07.04. Формат 60х84'/|^. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 9,8. Уч.-изд. л. 9,1. Тираж 500 экз. Заказ 107. Издательство УП «Технопринт», лицензия № 02330/0056932 от 30.04.04. Отпечатано на УП «Технопринт», лицензия №02330/0133109 аг 30.04.04. 220027, Минск, пр-т Ф. Скорины, 65, корп. 14, оф. 205. Тел/факс 231-86-93