CC BY
142
УДК 625. 855. 3
ВЫСОКОМОДУЛЬНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОНЫ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
В.А. Веренько, профессор, д.т.н., А.А. Афанасенко, м.н.с., Центр научных исследований и испытаний дорожно-строительных и гидроизоляционных материалов, БНТУ, г. Минск, Беларусь
Аннотация. К высокомодульным асфальтобетонам с повышенным содержанием вяжущего относится литой асфальтобетон, благодаря своим отличительным особенностям данный материал находит все большее применение в странах Европы и Северной Америки. В статье рассмотрены предпосылки к применению литого асфальтобетона в условиях Республики Беларусь.
Ключевые слова: литой асфальт, уровень надежности, асфальтовяжущее вещество, пенетрация, полимеры.
Введение
Все больше в странах Западной Европы в качестве материала для устройства верхнего слоя дорожного покрытия используется литой асфальтобетон. Это обусловлено рядом положительных свойств, присущих данному виду дорожно-строительного материала и отличающих его от обычно применяемых горячих асфальтобетонов. Покрытие, устраиваемое из литого асфальтобетона, способно при остывании достигать максимальной плотности без образования пор (остаточная пористость практически равна нулю) и благодаря высокой подвижности литой смеси отпадает необходимость в уплотнении укладываемого слоя (лишь в некоторых случаях требуется легкое уплотнение). Кроме того, покрытие из литых смесей обладает повышенной износостойкостью, коррозионной устойчивостью и значительно большей долговечностью (срок службы покрытий из литого асфальтобетона может достигать 20 лет), а также оно устойчиво к длительному воздействию воды и противогололедных реагентов.
Опыт применения литого асфальтобетона
Наиболее широкое распространение покрытия из литого асфальтобетона нашли в Германии, где в последние годы создано современное высокопроизводительное оборудование для приготовления, транспортирования и укладки литых смесей. Сроки службы покрытий из литых смесей достигают 24 лет, а для всех других разновидностей асфальтобетона обычно не более 15 лет.
В связи с применением битума повышенной вязкости, а также с целью обеспечения требуемой технологической подвижности литые смеси готовят при повышенной температуре (180 - 220 °С). Литая асфальтобетонная смесь может готовиться в обычных смесителях, при этом режим перемешивания включает «сухое» перемешивание минеральных компонентов и их смешивание с битумом. Время приготовления литых смесей несколько выше (на 25-50 %), чем при приготовлении традиционных горячих смесей. В странах Западной Европы наряду с обычными смесителями применяются и высокопроизводительные специальные установки. Так, например, фирма <^Шаи» выпускает для приготовления литой асфальтобетонной смеси специальные смесители, отличающиеся конструкцией мешалки, которая представляет собой емкость с вертикально расположенным валом.
Литая асфальтобетонная смесь при выпуске имеет температуру около 200 °С и повышенное содержание битума, что приводит к понижению вязкости и по своей консистенции смесь приближается к суспензии, в которой неравномерно оседают минеральные частицы, при этом смесь быстро теряет однородность. Поэтому для предупреждения процесса расслаивания и сохранения однородности, а также для сохранения высокой рабочей температуры необходимо непрерывное перемешивание смеси с одновременным ее подогревом во время транспортирования. Обычно литая смесь доставляется на объект в специализированных транспортных средствах с мешалками и оборудованием для подогрева (так называемых «кохерах») вместимостью до 20 м3.
Перед началом работ для предотвращения растекания по краям укладываемой полосы устанавливаются упорные брусья (при снижении температуры уложенного слоя до 60 оС упорные брусья удаляются) или предварительно перед устройством покрытия по краям проезжей части устраивается технологическая полоса шириной 30 - 40 см.
Доставленная к месту производства работ литая асфальтобетонная смесь укладывается в покрытие специальными укладчиками, к которым можно отнести модели Германской фирмы «Vögele». Распределение литой смеси производится с одновременным распределением мелкого щебня, обеспечивающего шероховатость покрытия. Щебень прикатывают средним катком до получения качественной микрошероховатой структуры.
формации в виде волн, колей, гребенки и т. д. При охлаждении покрытия зимой до минус 20 -30 °С возникают растягивающие температурные напряжения, которые могут превысить предел прочности и вызвать разрушения в виде продольных и поперечных трещин. 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 температурную трещиностойкость (это в значительной степени, как ни на одном другом материале, проявляется на покрытиях из литой асфальтобетонной смеси), поэтому за основу испытаний приняты определения частных уровней надежности по критерию сдвиго- и трещиностойкости.
Литой асфальтобетон для условий Республики Беларусь
Отличительной особенностью литого асфальтобетона является повышенное содержание вяжущего вещества, что может привести к появлению пластических деформаций при высоких летних температурах. Как отмечал Л.Б. Гезенцвей [1], объем асфальтовяжущего вещества (битум + минеральный порошок) в литом асфальтобетоне значительно больше, чем в других видах асфальтобетона, его сдвигоустойчивость в большей степени определяется структурно-механическими свойствами, в частности, вязкостью этой системы, которая, в свою очередь, зависит от вязкости битума и степени его структурирования минеральным порошком. Этим обусловлено применение в литом асфальтобетоне более вязких битумов и большего количества минерального порошка.
С целью определения оптимальной вязкости битума в условиях Республики Беларусь при использовании его в литой асфальтобетонной смеси были проведены экспериментальные исследования. Был рассмотрен ряд смесей, отличающихся друг от друга зерновым составом и количеством вяжущего, остановимся более подробно на двух из них. Первая смесь (структура образующей фракцией 5 - 10 мм) содержит щебень 5 - 10 - 60 %, щебень 2,5-5 - 15 %, отсев - 10 %, МП - 15 %, битум - 9,5 %; вторая смесь (структура образующей фракцией 2,5 - 5 мм) содержит щебень 2,5 -5 - 20 %, отсев - 55 %, МП - 25 %, битум -12,5 %. За основной параметр работоспособности покрытия принят уровень надежности [2, 3].
Следует отметить, что конструкционные материалы дорожных одежд работают в сложных условиях. В летний период дорожное покрытие нагревается до температуры 50 - 60 °С. Это ведет к снижению вязкости битумных связей и падению прочности. В результате от действия транспортной нагрузки могут появляться пластические де-
По каждому из критериев (сдвиго- и трещино-стойкости) определяются коэффициенты запаса по формуле
K, = рф/ P1
(1)
где Рф - фактические свойства материала, ответственные за появление тех или иных деформаций; Ртр - требуемые свойства, при которых эти деформации отсутствуют в течение первого года службы.
Для оценки коэффициента запаса по условию сдвигоустойчивости (К) используется формула
Ki =
(Стр - Ii -Стс • tg<p)
(2)
где с и ф - коэффициент удельного сцепления и угол внутреннего трения; стр и стс - растягивающие и сжимающие напряжения на контакте колеса с покрытием; п - параметр, учитывающий соотношение фактического и длительного модулей релаксации; k - коэффициент, учитывающий несовпадение угла взаимодействия растягивающих и сжимающих напряжений.
Здесь следует особо подчеркнуть, что при использовании формулы (2) учитываются не только реологические свойства материала (параметр п), но и особенности гранулометрии (угол внутреннего трения).
Коэффициент запаса из условия температурной трещиностойкости подсчитывается по формуле
K2 =-
0,5 • R
R
(3)
где Rc - максимальная прочность материала, реализуемая в широком диапазоне температур и
c
n
времен нагружения; Я0 - прочность при нуле градусов.
По полученным коэффициентам запаса определяются частные уровни надежности по критериям устойчивости к пластическим деформациям и температурным трещинам (Р1 и Р2), для чего используется зависимость, представленная на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость уровня надежности от величины коэффициента запаса: 1 - из условия устойчивости к пластическим деформациям; 2 - из условия устойчивости к температурным трещинам
По результатам испытаний были построены графики зависимости уровней надежности от глубины проникания иглы при температуре 25 °С (рис. 2).
Вязкость битума, в градусах пенетрации
а
о£ 0.1
ео.; I 0.«
ДОСТАВ 1
/
/
А
\COCTAB 2
/
/
Вязкость битума, в градусах пенетрации б
Рис. 2. Зависимость уровня надежности от глубины проникания иглы при 25 °С: а - по критерию сдвигоустойчивости; б - по критерию трещиностойкости
Из приведенных выше зависимостей видно, что трещиностойкость литых асфальтобетонов, как
первого, так и второго, практически не зависит от зернового состава и количества вяжущего, эти различия становятся ощутимыми только при применении битумов с вязкостью от 35 градусов пенетрации и ниже. На сдвигоустойчивость литых асфальтобетонов значительно влияют такие факторы, как состав смеси и количество вяжущего. При увеличении количества битума, а также при уменьшении содержания щебня резко падает устойчивость смеси к образованию пластических деформаций, даже при применении вяжущего со значительной вязкостью.
Для выбора оптимальной вязкости вяжущего вещества определяется общий уровень надежности, учитывающий сдвигоустойчивость и температурную трещиностойкость литого асфальтобетона, которые наиболее важны для условий Республики Беларусь. Общий уровень надежности определяется по формуле
Ро = .
(4)
По результатам вычислений была получена зависимость общего уровня надежности от вязкости применяемого в литом асфальтобетоне битума (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость общего уровня надежности от вязкости битума
Анализируя полученные данные (рис. 3), можно отметить, что состав 1 не может быть использован в качестве верхнего слоя покрытия, так как общий уровень надежности меньше допускаемого значения, равного 0,9. Оптимальной вязкостью битума при применении состава 2 является вязкость в незначительных пределах от 35 до 55 градусов пенетрации, и она может быть рекомендована для приготовления литой асфальтобетонной смеси, однако следует уделить особое внимание правильному подбору состава.
Битум является основным компонентом литых асфальтобетонных смесей, и его свойства во многом определяют надежность и долговечность дорожных покрытий, как указывалось выше, увеличение количества вяжущего в асфальтобетоне приводит к возрастанию вероятности возникновения пластических деформаций, эту вероятность можно уменьшить путем применения битумов
большей вязкости, однако увеличение вязкости приводит к усилению образования трещин (вследствие более высокого коэффициента объемного температурного расширения). Одним из наиболее перспективных путей повышения термостабильности битума является введение в его состав добавок полимеров, улучшающих структурно-механические свойства материала. Модифицированные битумы отличаются рядом положительных свойств (более широкий интервал пластичности, пониженная температура хрупкости, эластичность и т.д.). В настоящее время для модификации дорожных битумов используют в основном сополимеры типа стирол - бутадиен -стирол (СБС). Основной особенностью сополимеров по влиянию на битум является появление полистирольной сетки после растворения бутадиена (изопрена). Данная сетка повышает качество, эластичность и вязкость битума, что в комплексе создает улучшающий эффект. Однако эффективность применения сополимеров типа СБС в дорожном строительстве носит довольно противоречивый характер и требует дополнительного анализа, особенно в условиях Республики Беларусь. Кроме того, следует учитывать, что стоимость СБС достигает 4,5 тысяч долларов США за 1 тонну. Это приводит к увеличению стоимости 1 тонны битума в 3 - 4 раза. Актуальным также является вопрос разработки мероприятий по снижению расхода СБС в битуме, а также замены его местным (белорусским) сырьем.
о /
я 0.41______
£ 0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 Количество добавки, в % от минеральной части
Рис. 4. Зависимость уровней надежности от количества вводимого полимера
В последнее время на рынке Республики Беларусь появилось много новых полимерных добавок. Особый интерес представляет полимер Duroflex®, отличительной осебенностью которого является то, что полимер вводится не в вяжущее вещество, а на стадии горячего смешивания минеральных материалов. Оценка качества литого асфальтобетона производится путем определения комплексного показателя - общего уровня
надежности (Ро), отражающего устойчивость литого асфальтобетона колееобразованию (Рх), температурной трещиностойкости (Р2). При этом данная оценка производилась на литом асфальтобетоне с различным содержанием полимера следующего состава: щебень 5-10 - 60 %, щебень 2,5-5 -
15 %, отсев - 10 %, МП - 15 %, битум - 8,0 %.
По полученным данным была построена зависимость уровня надежности материала покрытия от количества вводимой добавки (рис. 4).
Анализ приведенной зависимости свидетельствует о том, что количественное увеличение содержания в литой смеси полимерной добавки ведет к увеличению устойчивости при высоких температурах и трещиностойкости литого асфальтобетона. Однако применение полимера эффективно (с точки зения прочностной долговечности) при введении его в количестве 2,2 %.
Выводы
По своим показателям и характеристикам литой асфальтобетон является уникальным материалом. Однако для его широкого применения в условиях Республики Беларусь требуется глубокий научный анализ. Необходимо уделить особое внимание правильному подбору состава, параметрам оптимального количества и вязкости применяемого вяжущего вещества, правильному выбору и оптимальному количеству вводимой в смесь полимерной добавки, обеспечивающей достижение наиболее термостабильной системы (минеральный материал - асфальтовяжущее вещество).
Литература
1. Гезенцвей Л.Б. и др. Дорожный асфальт. - М.:
Транспорт, 1976. - 336 с.
2. Веренько В.А. Надежность дорожных одежд.
Учебное пособие. - Мн.: БГПА, 2002. -120 с.
3. Веренько В.А. Новые материалы в дорожном
строительстве. Учебное пособие. - Мн.: УП «Технопринт», 2004. - 170 с.
Рецензент: В.А. Золотарёв, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 2 августа 2006 г.
