CC BY
89
УДК 625.06:625.85
ТРЕБОВАНИЯ К ДОРОЖНЫМ ОРГАНИЧЕСКИМ ВЯЖУЩИМ МАТЕРИАЛАМ И СМЕСЯМ НА ИХ ОСНОВЕ
Л.М. Гохман, к.т.н., СоюздорНИИ
Аннотация. Предложена система требований к основным эксплуатационным показателям свойств битумных вяжущих материалов. Показана взаимосвязь между температурой хрупкости полимербитумных вяжущих и полимерасфальтобетонов. Даны рекомендации по повышению адгезионных свойств полимербитумов.
Ключевые слова: органическое вяжущее, эксплуатационные показатели, полимерас-фальтобетон, водонасыщение, ПАВ.
Введение
При соблюдении требуемых капитальности дорожной одежды и водоотвода одна из главных причин преждевременного разрушения асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах, мостах и аэродромах (средний срок службы -6 лет) - применение в качестве органических вяжущих материалов битумов (ГОСТ 22245), которые не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним условиями эксплуатации покрытий на территории России по следующим критериям: температурной трещиностойкости, эластичности, теплостойкости, клеющей способности.
В целях обеспечения возможности применения новых органических вяжущих при существующей технологии их применения необходимо, чтобы они по своим технологическим свойствам - текучести при принятых температурных режимах перемешивания с минеральными материалами, однородности, способности к смачиванию и обволакиванию поверхности минеральных материалов, вязкости в процессе укладки и уплотнения смесей, по токсичности и пожароопасности, - не ухудшали бы условия производства работ, техники безопасности, охраны окружающей среды по сравнению с применением дорожных битумов по ГОСТ 22245-90.
Дорожные битумы по ГОСТ 22245-90, получаемые в России окислением или компаундированием, выше по качеству зарубежных, изготавливаемых, как правило, методами вакуумной дистилляции (остаточные), в части деформативности при низких и отрицательных температурах, но усту -пают в части устойчивости к старению. При этом ни отечественные, ни зарубежные битумы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним условиями эксплуатации дорожных, мостовых, аэродромных покрытий в России.
Требования к дорожным органическим вяжущим материалам и смесям на их основе
Условия эксплуатации покрытий дорог, мостов и аэродромов, а именно климатические условия России, и условия движения автомобилей вызывают следующие минимальные требования к основным эксплуатационным показателям свойств органических вяжущих материалов (ОВМ) для покрытий в целях обеспечения сроков службы покрытий, равных срокам службы дорожной одежды или близких к ним:
- температура хрупкости по Фраасу должна быть равна или ниже температуры наиболее холодных суток (СНиП 23.01.99 «Строительная климатология») района эксплуатации покрытия с обеспеченностью 0,98 для дорог I и II категорий движения, мостов и аэродромов и 0,92 - для дорог более низких категорий;
- температура размягчения по методу «Кольцо и Шар» должна быть не ниже расчетной температуры сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий, определенной по формуле Я.Н. Ковалева, учитывающей радиационный и тепловой баланс на их поверхности при отсутствии ветра и температуру воздуха наиболее теплого месяца (СНиП 23.0l.99) района эксплуатации покрытия. ОВМ, применяемые для дорог I и II категорий, мостов и аэродромов, по нормам на температуру размягчения должны быть на 2 оС выше;
- эластичность, определяемая в соответствии с методикой, опубликованной в ГОСТ Р 520562003, должна быть не менее (80 - 85) % в зависимости от консистенции ОВМ при 25 оС и не менее (70 - 75) % при 0 оС; для покрытий на объектах I и II категорий движения нормы на этот показатель рекомендуется повысить на 5 %;
- адгезия к поверхности минеральных материалов, оцениваемая по показателю сцепления в соответствии с [1] (метод А), должна удовлетворять требованию - «выдерживает по контрольному образцу № 2», как для эталонного мрамора, относящегося к материалам основных пород (в частности
минеральный порошок), так и для щебня и песка, представляющих собой, как правило, материалы кислых пород;
- устойчивость к старению, оцениваемая по изменению показателя температуры размягчения после прогрева, должна быть не ниже требований, регламентированных для битумов марок БНД по ГОСТ 22245.
Применение ПБВ по ГОСТ Р 52056, отвечающее перечисленным выше четырем критериям, позволит исключить температурные и усталостные трещины, сдвиги (волны, колеи, наплывы), выкрашивания, шелушения, выбоины на покрытиях дорог, мостов, аэродромов в течение всего срока их службы, в 2-3 раза увеличить сроки их службы по сравнению с применением битумов. При этом, например, для г. Москвы и области температура хрупкости ПБВ должна быть не выше минус 36 оС, а размягчения не ниже 60 оС, а для Харькова соответственно - минус 31 оС и 62 оС.
Однако это возможно только в том случае, если будут обеспечены требуемые капитальность дорожной одежды и водоотвод, исключено образование отраженных трещин (устроена трещино-прерывающая прослойка - подгрунтовка), обеспечена требуемая безопасность движения (устроена поверхностная обработка, возобновляемая по мере снижения коэффициента сцепления колеса с покрытием ниже нормативного).
Особенности структуры и свойств ПБВ определяют особенности полимерасфальтобетонов на их основе и комплекс требований к ним.
В частности, температуру трещиностойкости по-лимерасфальтобетона предлагается определять при изгибе плиточки размером 2,5 х 5 х 0,4 см, приготовленной из определенной фракции поли-мерасфальтобетонной смеси при постепенном (периодическом) понижении температуры испытания до образования трещины на одной из шести испытываемых плиточек.
Сдвигоустойчивость предлагается оценивать методом вдавливания штампа при 50 оС под давлением 10,5 кгс/см2 в образец d = h = 7 см без формы.
Долговременную прочность предлагается определять как показатель эластичности полимерасфальтобетона, который определяется при 50 оС и устанавливает число циклов до разрушения образца под действием нагрузки, равной 0,5 от разрушающей в течение 1 минуты со скоростью нагружения
3 ± 0,5 мм/мин с отдыхом в течение 5 мин.
Указанные показатели предполагается нормировать в ГОСТ Р на полимерасфальтобетон.
Полимерасфальтобетон на основе ПБВ отличается повышенными деформативностью при отрицательных температурах и упругостью при положительных (модуль упругости при
минус 20 оС в 3 - 6 раз меньше, а при 40 оС - в 1,5 - 2,0 раза больше, чем асфальтобетона на битуме марок БНД); повышенной устойчивостью к многократным динамическим воздействиям (количество циклов до разрушения образца-балочки на ПБВ в условиях многократного изгиба при постоянной амплитуде деформации в десятки раз выше, чем асфальтобетонного образца на битуме при одинаковом содержании вяжущего). Температура трещиностойкости
полимерасфальтобетона в зависимости от температуры хрупкости ПБВ может изменяться от минус 15 оС до минус 55 оС.
Показатель эластичности полимерасфальтобетона при 50 оС более чем в 2 раза выше, чем для асфальтобетона, также как и показатель сдвигоустойчивости, определяемый методом «вдавливание штампа».
Высокая сдвигоустойчивость и долговременная прочность полимерасфальтобетона позволяет снизить нормативные требования к пределам прочности на одноосное сжатие при 50 оС на 10 % и при 20 оС - на 20 % по сравнению с аналогичными показателями для асфальтобетона.
Важно отметить, что высокая сдвигоустойчивость полимерасфальтобетона достигается при меньшем по сравнению с асфальтобетоном показателе водонасыщения, что обусловливает и более высокую водо- и морозостойкость полимерасфальтобетона. При этом
водонасыщение кернов из покрытия в 1,5 - 2 раза ниже, чем у переформованных образцов, что свидетельствует о высокой уплотняемости полимерасфальтобетонных смесей и о наличии большого объема замкнутых пор в полимерасфальтобетоне.
Покрытия из полимерасфальтобетонных смесей на основе ПБВ обладают повышенным сцеплением с колесом автомобиля за счет высоких гистерезисных потерь.
Рекомендуемые региональные нормы на величину температуры трещиностойкости полимерасфаль-тобетонов всех типов предлагается принимать не выше температуры наружного воздуха наиболее холодных суток (см. СНиП 23.01.99) района эксплуатации покрытия, которые равны региональным нормам на температуру хрупкости ПБВ по Фраасу (см. табл. 2).
При этом принята во внимание и учтена неоднородность всех применяемых минеральных материалов по гранулометрическому составу, свойствам их поверхности и поровой структуре.
Взаимосвязь между температурой хрупкости ПБВ и битумов по Фраасу (X) и температурой трещиностойкости полимерасфальтобетона и асфальтобетона (У) на основе данных вяжущих описывается следующей корреляционной зависимостью:
7 = 0,886 X + 0,355, (1)
R2 = 0,831 - коэффициент парной корреляции.
Взаимосвязь между температурой хрупкости ПБВ и температурой трещиностойкости полимерасфальто-бетона описывается следующей зависимостью:
7 = 0,8696 X"-0,0818 R2 = 0,8085. (2)
Взаимосвязь между температурой хрупкости битумов по Фраасу и температурой трещиностойкости асфальтобетона описывается следующей зависимостью:
7 = 0,8646 X + 0,0355 R2 = 0,8288. (3)
Водонасыщение образцов полимерасфальтобетона из смесей должно находиться в пределах 0,5 - 12,5 %
и быть близким к нижнему пределу при устройстве покрытий на мостах, кроме водонасыщения образцов полимерасфальтобетона типа А.
Водонасыщение образцов полимерасфальтобето-на из смесей типа А должно находиться в пределах 1,0 - 3,0 % (табл. 1).
Таблица 1 Водонасыщение высокоплотных и плотных полимерасфальтобетонов
Пористость минеральной части высокоплотных и плотных полимерасфальтобетонов из горячих смесей должна быть не более: высокоплотных 16 %; плотных типов: А и Б - 19 %, В, Г и Д - 22 %.
Несмотря на то, что полимерасфальтобетоны характеризуются большим объемом замкнутых пор и обеспечивают требуемый, нормативный показатель длительной водостойкости, рекомендуется для повышения водо- и морозостойкости покрытий, обеспечения максимально возможного срока службы покрытий применять ПБВ, обладающие хорошей адгезией к поверхности минеральных материалов как основных, так и кислых пород. Для этого необходимо либо вводить ПАВ двойного действия в ПБВ, либо использовать для его
приготовления блоксополимеры типа СБС, содержащие в своем составе такие ПАВ. Предлагаемые ПАВ - малеинизированные низкомолекулярные полимеры, являющиеся продуктом присоединения малеинового ангидрида к низкомолекулярным полибутадиену или полиизопрену или к их смесям с побочными продуктами производства подсолнечных масел, наиболее глубоко исследованный и опробованный на практике ма-леинизированный низкомолекулярный полибутадиен (МНПБ) или «Техпрогресс-1».
По своему воздействию на ОВМ и смеси на их основе МНПБ аналогичен другим ПАВ двойного действия, но характеризуется рядом преимуществ. МНПБ не обладает резким специфическим неприятным запахом; практически не имеет резкого неприятного запаха даже при нагреве. Добавка МНПБ обладает высокой пожаробезопасно-стью: ее температура вспышки не ниже 200 оС.
Выводы
Предлагаемые к применению ПАВ нового класса с активными малеиновыми группами в связи с высокой реакционной способностью малеинового ангидрида, по-видимому, могут образовывать наряду с физическими и химические связи ОВМ с поверхностью минеральных материалов.
СоюздорНИИ подготовлены рекомендации по применению ПБВ на основе СБС, где отражены требования к комплексу стандартных показателей свойств ПБВ, в том числе региональные, требования к смесям на их основе, в том числе к показателям вдавливания штампа, температуре трещи-ностойкости, эластичности, гранулометрическим составом с учетом марки ПБВ и типа смеси. Кроме того, в рекомендациях предлагается использовать наряду с известными марками блоксополи-меров типа СБС - Епргепе 701 и Епргепе 611, а также ПАВ нового класса двойного действия с активными малеиновыми группами.
Литература
1. ГОСТ 11508-74. Битумы нефтяные. Методы определения сцепления битума с мрамором и песком. - Введ.04.02.74. - М: Изд-во стандартов, 1974. - 6 с.
Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 19 сентября 2006 г.
Вид и тип асфальтобетонов Значение показателя в процентах по объему для
образцов, отформованных из смесей Вырубок и кернов готового покрытия, не более
Высокоплотные От 0,5 до 1,5 1,5
Плотные типов: А Б, В и Г Д От 10 до 3,0 От 1,0 до 2,5 От 1,0 до 2,05 2,5 2,0 2,0
