CC BY
139СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНОВ
УДК 625.855.3
С.Н. Попов1, О.Н. Буренина1, Л.А. Николаева1, В.Е. Копылов2
Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, 677891 г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
2 Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова, 677980, г. Якутск, ул. Белинского, 58
ДОРОЖНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТХОДОВ УГОЛЬНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация. Важным условием работоспособности асфальтобетонных покрытий для регионов с холодным климатом, к которым относится Республика Саха (Якутия), являются высокая устойчивость к воздействию низких температур (до -60 оС), суточных и сезонных температурных циклов, максимальное сопротивление усталостным разрушениям. Применение в качестве модификаторов дорожных битумов модифицирующих добавок различной природы позволит улучшить комплекс эксплуатационных свойств асфальтобетонов, увеличить срок эксплуатации, а также расширить интервал температур укладки дорожного полотна, что немаловажно в условиях регионов с суровым резко-континентальным климатом.
В работе рассматривается влияние на физико-механические свойства асфальтобетона связующего вещества, модифицированного добавкой диспергированного и активированного угля. Приведены сведения мониторинговых исследований за техническим состоянием сооруженных опытных участков, результаты исследований позволят оценить долговечность модифицированных асфальтобетонов и подготовить проекты нормативно-технических документов.
Ключевые слова: дорожное полотно, дорожная конструкция, асфальтобетон, механо-активация, битум, активированный уголь, асфальтобетонное покрытие, эксплуатационные свойства, опытно-промышленный участок, мониторинг автодороги.
S.N. Popov1, O.N. Burenina1, L.A. Nikolaeva1, V.E. Kopylov2
1 Institute of Oil and Gas Problems of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 677891 Yakutsk, Oktyabrskaya, 1 2M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, 677980 Yakutsk, Belinsky, 58
ROAD ASPHALT CONCRETE WITH APPLICATION OF WASTE OF THE COAL INDUSTRY
Abstract. An important condition for performance of asphalt concrete coatings for cold climates to which the Republic of Sakha (Yakutia) , is a high resistance to low temperatures (up to -60 °C), daily and seasonal temperature cycles, the maximum resistance and fatigue strength . Use as modifiers of road bitumen modifiers of different nature will improve the performance properties of asphalt concrete, increase the service life, and also to expand the temperature range laying the roadbed, which is important in regions with severe conditions is sharply continental climate.
The paper examines the impact on the physical and mechanical properties of asphalt binder modified by the addition of activated carbon and dispersed. Provides information monitoring studies of the technical condition of the structure of test sites, research will evaluate the durability of modified asphalt and prepare draft regulatory technical documents.
Keywords: roadbed, road design, asphalt concrete, mechanoactivation, bitumen, absorbent carbon, asphalt concrete covering, operational properties, trial site, highway monitoring.
Важнейшим составляющим асфальтобетона является связующее, от качества которого зависят не только технические и эксплуатационные характеристики дорожного полотна, но и стоимость его устройства. В настоящее время для укладки асфальтобетонных покрытий используются высокомарочные дорожные битумы, которые хоть и отвечают требованиям ГОСТ, но эксплуатационные характеристики и долговечность дорожного покрытия из них в северных условиях остаются крайне невысокими. Одним из существенных недостатков производимых битумов является их низкая адгезия к поверхности связываемых материалов, приводящая, в свою очередь, к сокращению срока службы конструкций. Анализ опыта применения модификаторов для улучшения качества битумов показал, что для повышения реологических и физико-механических характеристик битумов и асфальтобетонов обычно используют различные виды полимеров, синтетические каучуки, резиновую крошку, катионные и анионные поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые значительно увеличивают стоимость и без того дорогостоящих битумов [1-3].
Анализ долговечности дорожных покрытий в Республике Саха (Якутия) показывает, что:
- качество дорожных покрытий не отвечает эксплуатационным требованиям применения в экстремальных климатических условиях;
- улучшение технических свойств дорожных покрытий, создание новых материалов и технологий может обеспечить не только повышение долговечности дорожных покрытий, но и снизить затраты на их строительство и эксплуатацию.
В связи с этим появляется острая необходимость применять при проектировании объектов новые технические решения и технологии, которые направлены на снижение затрат на проведение строительных и ремонтно-восстановительных работ, увеличение сроков эксплуатации.
Целью работы является разработка рецептур и технологии производства асфальтобетонов с повышенной надежностью и долговечностью за счет применения связующих материалов, модифицированных добавками, полученными из местного минерального сырья.
Одной из основных задач при получении связующего вещества для асфальтобетонов является обеспечение прочной связи на границе «щебень-связующее», что возможно при наличии достаточного взаимодействия между ними. В связи с этим для реализации адгезионного взаимодействия между связующим и щебнем в работе использовали следующие технологические приемы:
- введение дополнительно в битум активных добавок, способных обеспечить адгезию между связующим и щебнем;
- использование механической активации наполнителей в центробежно-эллип-тической шаровой мельнице С-100 для усиления их структурной активности.
Применение предварительной механохимической активации позволяет значительно увеличить степень дисперсности наполнителей, что способствует накоплению энергии на границе раздела, которая тратится на взаимодействие и приводит к увеличению адсорбционных свойств и химической активности наполнителей.
Технология изготовления асфальтобетонов из модифицированных вяжущих не отличается от принятой на асфальтобетонных заводах (АБЗ), однако возможно снижение температуры приготовления смеси до 120 °С, и при этом свойства разработанных модифицированных асфальтобетонов не уступают традиционным, а при направленном выборе технологических режимов и оптимальных рецептур возможно и их улучшение.
Технология получения связующей композиции заключалась в механоактива-ции предварительно высушенных при 110 °С и измельченных органо-минеральных наполнителей на промышленной центробежно-эллиптической шаровой мельнице «Активатор С-100» и последующем соединении с предварительно нагретым при 120 °С битумом в количестве от 5 до 20 мас. %. В качестве модификатора битума выбран природный сорбент - бурый уголь.
Основные физико-механические характеристики модифицированных нефтяных связующих испытывались в соответствии с ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». Результаты исследования по изменению показателей дорожного битума, модифицированного активированным углем, показали, что температура размягчения по кольцу и шару модифицированного активированным углем вяжущего увеличивается по сравнению с температурой размягчения исходного битума в 1,3 раза. Исследование температуры хрупкости битума показало, что применение активированного угля повышает температуру хрупкости на 2 °С. Также наблюдается незначительное увеличение температуры вспышки битума, позволяющее сделать
процесс производства асфальтобетона более безопасным. При добавлении понижается температура хрупкости, что, возможно, положительно повлияет на эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий в зимнее время года.
Результаты исследования основных физико-механических свойств модифицированных асфальтобетонов, представленные в табл. 1, свидетельствуют, что введение в битум наполнителей приводит к значительному улучшению технических характеристик разработанных асфальтобетонов. Водопоглощение образцов асфальтобетонов с модифицированным связующим в 2,1-2,4 раза ниже, чем в исходных образцах, значение модуля упругости асфальтобетонов с модифицированным связующим увеличивается до 1,7 раз, плотность образцов уменьшается, но не значительно. Остаточная пористость образцов асфальтобетонов с исходным битумом равна 13,5 %, тогда как с модифицированным связующим - всего 7,1-12,8 %. Испытания на морозостойкость показали, что потеря прочности после 50 циклов замораживания и оттаивания исходных образцов асфальтобетонов составляет 27,4 %, что на 11,0-37,6 % больше потери прочности при сжатии образцов асфальтобетонов, содержащих модифицированное связующее. Таким образом, показано, что модификация битума активированными добавками угля позволяет улучшить свойства асфальтобетона на его основе.
Таблица 1
Основные технические характеристики асфальтобетонов
Наименование смеси Р , г/ см3 , г/см3 , % ^ % о МПа сж Е , МПа т' ЛК , % сж
0°С 20°С 50°С
Щебень 93 мас. % +битум 7 мас. % 2,3 2,1 13,5 0,9 13,6 776,7 4,5 290,4 2,0 163,2 27,4
Щебень 93 мас. % + битум 7мас. % + акт. бурый уголь (10 мас. % от массы с.к.) 2,1 2,0 9,0 0,4 15,7 660,6 4,6 164,6 2,8 128,2 15,9
ГОСТ 9128-2009 - - - - 9,0 2,5 10 -
Примечание: рт - средняя плотность; средняя плотность минеральной части; остаточная пористость; W - водонасыщение; осж - прочность при сжатии; ЛКсж - потеря прочности при сжатии после 50 циклов замораживания - оттаивания.
По результатам исследований в июне 2012 г. в опытно-промышленном порядке сооружен экспериментальный участок асфальтобетонного покрытия на 28 км региональной трассы «Умнас» следующей рецептуры: щебень 93 мас. % + битум (БНД 90/130) 7 мас. % +акт. уголь (10 мас. % от с.к.).
Асфальтобетонные смеси подготовлены в промышленных условиях на АБЗ ООО «Сахаавтодор» в соответствии с ГОСТ 9128-2009.
При устройстве дорожных одежд качество работ контролируют в процессе всего цикла строительства. Контроль качества готового покрытия включает в себя проверку ровности, коэффициента уплотнения, толщины слоев, прочности сцепления слоев, соответствия свойств асфальтобетона технической документации, шероховатости поверхности.
Известно, что процессы разрушения асфальтобетона в дорожном покрытии под многократным воздействием автотранспорта определяются явлениями усталости, т.е. постепенного снижения прочности материала во времени. Важнейшим вопросом при выборе пути повышения долговечности асфальтобетона в покрытии является учет закономерностей процессов развития деформаций в условиях непрерывно изменяющихся эксплуатационных факторов. Асфальтобетон в покрытии работает в сложном напряженном состоянии. Поэтому при оценке усталостной долговечности следует рассматривать те воздействия, которые имеют место в процессе работы асфальтобетона, и при этом в режиме, наиболее близком к реальным эксплуатационным условиям [4-5].
Принятый в качестве нормативного на территории Российской Федерации метод расчета нежестких дорожных одежд регламентирован ОДН 218.046-01. Основные требования к методике проектирования содержатся в СНиП 2.05.02-85. Общая толщина дорожной одежды и толщины отдельных слоев в соответствии с требованиями этих документов должно обеспечивать прочность, морозостойкость и осушение всей конструкции.
Проведены исследования прочности участка асфальтобетонной дороги, проложенной по Покровскому тр., 28 км методами неразрушающего контроля в соответствии с ОДН 218.1.052-2002 через 2 и 12 месяцев эксплуатации. Состав асфальтобетонной смеси дороги: щебень 93 мас. % + битум 7 мас. % + акт. бурый уголь (10 мас. % от с.к.). Определены показатели величины упругого прогиба на установке ДИНА-3М, плотности на приборе ПА-МГ4, коэффициента сцепления на приборе ИКСп .
Анализ величин упругих прогибов и рассчитанных значений модулей упругости участка дороги показывает, что среднее значение модуля упругости асфальтобетона с модифицированным связующим равно 2236,97 МПа, что больше значения модуля упругости асфальтобетона с исходным связующим на 23,3 % соответственно. Средняя прочность дорожной одежды на участке с модифицированным асфальтобетоном через 1 год эксплуатации на 9,9 % превышает среднюю прочность дорожной одежды на участке с немодифицированным асфальтобетоном. Таким образом, участок дороги асфальтобетона с модифицированным связующим удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу.
Далее были проведены исследования плотности асфальтобетона с помощью плотномера ПА-МГ4. Контроль покрытия проводится в двух диапазонах: на глубине до 25 мм и на глубине до 150 мм. Из приводимых данных видно, что плотность модифицированного асфальтобетона несколько снижается, но существенного различия в уплотняемости модифицированных асфальтобетонов от исходных не замечается.
Таблица 2
Основные технические свойства асфальтобетонного покрытия
Показатели Асфальтобетон традиционный Асфальтобетон, модифицированный активированным углем
2 мес. 12 мес. 2 мес. 12 мес.
эксплуатации (сентябрь 2012 г.) эксплуатации (июль 2013 г.) эксплуатации (сентябрь 2012 г.) эксплуатации (июль 2013 г.)
Средняя плотность, кг/м3 2242,3 *2400 2224,6 *2400 2023,0 *2000 2098,0 *2000
Среднее значение модуля упругости, МПа 1715,5 *2400 1127,1 *550 2237,0 *1400 1251,2 *380
Коэффициент сцепления с дорогой 0,3 **0,3 02 **0,3 03 **0,3 03 **0,3
Примечание: * в знаменателе - требования ОДН 218.046-1 «Проектирование нежестких дорожных одежд», ** в знаменателе - требования ГОСТ Р 50597-93.
Экспериментальные исследования по определению коэффициента сцепления показали, что величина коэффициента сцепления асфальтобетонного покрытия модифицированных асфальтобетонных покрытий не уступает показателям сцепления с поверхностью покрытия из традиционного асфальтобетона. Данное обстоятельство дает нам сделать вывод о том, что разрушение на покрытиях под действием автотранспорта будет низкое.
Визуальный осмотр опытно-промышленного участка показал, что покрытие в процессе эксплуатации сохранило высокие показатели ровности, шероховатости, наблюдается отсутствие трещин, выбоин и шелушений.
Контрольные испытания технических свойств модифицированного асфальтобетонного покрытия, проведенные после 2 и 12 месяцев эксплуатации, показали (табл. 2) значительный запас прочности дорожного полотна в 1,6 и 3,3 раза соответственно. Показатели средней плотности покрытия сохраняются на достаточном уровне, наблюдается увеличение коэффициента сцепления с дорогой после 12 месяцев эксплуатации на 13 %. Следует отметить, что свойства традиционного асфальтобетона не соответствуют требованиям отраслевых норм по всем определенным показателям.
За техническим состоянием опытных участков проводятся мониторинговые наблюдения. Результаты мониторинговых исследований позволят оценить долговечность модифицированных асфальтобетонов и подготовить проекты нормативно-технических документов.
Литература
1. Соломенцев, А.Б. Классификация и номенклатура модифицирующих добавок для битумов // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2008. - № 1. -С. 14-16.
2. Гохман, Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, по-лимерасфальтобетон. - М. : ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2008. - 117 с.
3. Нордберг, И.С. Термостойкая адгезионная добавка Wetfix® АР47 // Вопросы асфальтобетона. - 2011. - № 82. - С. 17-18.
4. Буренина, О.Н., Николаева, Л.А., Копылов, В.Е. Разработка модифицированных асфальтобетонных смесей для строительства автомобильных дорог в условиях Севера // Дороги и мосты. - 2013. - Т. 1. - № 29. - С. 205-211.
5. Зубков, А.Ф., Однолько, В.Г. Технология строительства асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. - М. : Машиностроение, 2009. - 224 с.
6. Садило, М.В., Садило, Р.М. Автомобильные дороги: строительство и эксплуатация. Ростов н/Д. : Феникс, 2011. - 367 с.
References
1. Solomencev, A.B. Klassifikacija i nomenklatura modificirujushhih dobavok dlja bitumov // Nauka i tehnika v dorozhnoj otrasli. - 2008. - № 1. - S. 14-16.
2. Gohman, L.M. Bitumy, polimerno-bitumnye vjazhushhie, asfal'tobeton, polimerasfal'tobeton. - M. : ZAO «JeKON-INFORM», 2008. - 117 s.
3. Nordberg, I.S. Termostojkaja adgezionnaja dobavka Wetfix® AR47 // Voprosy asfal'tobetona. - 2011. - № 82. - S. 17-18.
4. Burenina, O.N., Nikolaeva, L.A., Kopylov, V.E. Razrabotka modificirovannyh asfal'tobetonnyh smesej dlja stroitel'stva avtomobil'nyh dorog v uslovijah Severa // Dorogi i mosty. - 2013. - T. 1. - № 29. - S. 205-211.
5. Zubkov, A.F., Odnol'ko V.G. Tehnologija stroitel'stva asfal'tobetonnyh pokrytij avtomobil'nyh dorog. - M. : Mashinostroenie, 2009. - 224 s.
6. Sadilo, M.V., Sadilo, R.M. Avtomobil'nye dorogi: stroitel'stvo i jekspluatacija. -Rostov n/D. : Feniks, 2011. - 367 s.
