CC BY
59
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 625.855.31/32
АНДРОНОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ, аспирант, atomic08@yandex. ru
Саратовский государственный технический университет,
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
ХОЛОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ВИБРОЛИТОГО РЕГЕНЕРИРОВАННОГО АСФАЛЬТА
Разработана холодная технология производства и применения вибролитого регенерированного асфальта. Проанализированы процессы структурообразования асфальта. Исследованы свойства асфальта и способы их улучшения. Полученный асфальт целесообразно применять для строительства и ремонта дорожных покрытий.
Ключевые слова: вибролитой асфальт, холодная регенерация асфальта.
ANDRONOV, SERGEY YURYEVICH, P.G.
atomic08@yandex. ru
Saratov State Technical University,
77Polyteknicheskaya st., Saratov, 410054, Russia
COLD TECHNOLOGY OF PRODUCTION AND USE OF THE RECLAIMED VIBRO-CAST ASPHALT
The cold technology of production and use of the reclaimed vibro-cast asphalt has been worked out. Processes of structurization of asphalt have been theoretically analysed. The characteristics of the asphalt and ways of their improvement have been investigated. This asphalt can be used reasonably for construction and repairing the covering.
Keywords, fibro-cast asphalt; cold reclaiming of asphalt.
Самым распространенным материалом для устройства усовершенствованных дорожных покрытий является асфальтобетон. Проблема повторного использования старого асфальтобетона возникла с момента появления первых асфальтобетонных покрытий и в настоящее время становится все более акту-
© С.Ю. Андронов, 2011
альной. Это вызвано тем, что по окончании срока службы в покрытии сохраняется до 90 % полезной массы асфальтобетона, пригодной для дальнейшего использования. Объем ежегодно снимаемого старого асфальтобетона в нашей стране исчисляется миллионами тонн и в ближайшее время будет расти в связи с увеличением количества ремонтных работ, которые требуют предварительного снятия слоя старого покрытия. Наиболее эффективным способом повторного использования старого асфальтобетона является регенерация.
В настоящее время регенерация осуществляется главным образом горячим способом, обладающим рядом существенных недостатков, в числе которых, повышенный расход энергии, загрязнение окружающей среды, необходимость специального оборудования и др. Альтернативой горячей регенерации является холодная, основанная, в частности, на применении битумных эмульсий. Недостатком способа, существенно удорожающим производство асфальта, является необходимость заблаговременного производства битумных эмульсий, приготавливаемых с использованием дорогостоящих поверхностноактивных эмульгаторов, и оборудования эмульсионных баз, нередко зарубежного производства.
В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) разработана холодная технология производства регенерированного асфальта с дисперсным битумом, исключающая необходимость применения битумных эмульсий [1]. Проблемой технологии является длительность уплотнения смесей катками (лёгкие, средние, тяжёлые) по мере испарения воды с увеличением уплотняющей нагрузки. В зависимости от погодных условий процесс уплотнения может продолжаться более суток, что вызывает большие организационные трудности и удорожает производство работ, т. к. катки длительное время простаивают до достижения слоем оптимальной влажности.
Разработана и запатентована [2] эффективная холодная технология виб-ролитого регенерированного асфальта с дисперсным битумом, исключающая необходимость применения битумных эмульсий, позволяющая устраивать покрытия без применения катков. Первичное уплотнение выполняется вибрацией, при распределении смеси в покрытии - асфальтоукладчиком. Окончательное уплотнение осуществляется движением транспорта в ходе эксплуатации покрытия. Отличительной особенностью предложенного способа регенерации является образование в процессе перемешивания в объёме асфальтовой смеси прямой медленнораспадающейся битумной эмульсии на твердом эмульгаторе, роль которого могут выполнять обычно применяемые минеральные порошки. В результате получается асфальт на битумной эмульсии без заблаговременного производства и применения эмульсии.
Технология имеет ряд значимых достоинств: энергосбережение, т. к. отпадает необходимость высушивания и нагрева минеральных составляющих, старого асфальтобетона, а также длительного уплотнения укаткой; ресурсосбережение, за счет исключения из технологической линии асфальтобетонного завода сушильного барабана, форсунки, топочного хозяйства, пылеулови-тельной установки, грохота, необходимости их обслуживания, снижения металлоемкости завода, а также за счёт отсутствия необходимости применения катков и др.; экологическая безопасность, т. к. благодаря холодному
и влажному приготовлению смесей исключается выброс в атмосферу пыли, канцерогенных углеводородов и др. Выполненные расчеты показали, что общий народнохозяйственный эффект (складывающийся из экономического, экологического и социального эффектов) применения холодного вибролитого регенерированного асфальта с добавкой 50 % старого асфальтобетона составляет около 63 % по сравнению с литыми асфальтами горячего приготовления.
Разрабатываемое под руководством Н. А. Горнаева в СГТУ научное направление «Технология холодных органоминеральных материалов с дисперсными органическими вяжущими» и исследования его учеников позволили теоретически обосновать процессы структурообразования в холодном вибролитом регенерированном асфальте с привлечением представлений физической химии с позиций термодинамики.
В процессе приготовления смеси, её формирования в асфальт образуются и исчезают границы раздела фаз, что сопровождается изменением поверхностной энергии системы. Имеют место сложные физико-химические явления: смачивание зёрен старого асфальтобетона и минеральных материалов водой, битумом, эмульгирование и стабилизация битума, формирование битумной плёнки, адгезия битума и др. При этом решающее значение имеют поверхностные энергии составляющих материалов, состояние окружающей среды (температура и влажность воздуха, солнечная инсоляция, скорость ветра и др.), определяющие направление, скорость и пределы протекания процессов структурообразования. Холодная вибролитая регенерированная смесь с дисперсным битумом является системой открытого типа, процессы структу-рообразования необратимы, в соответствии со вторым началом термодинамики происходят в направлении увеличения энтропии системы, уменьшения поверхностной энергии системы. Равновесию системы отвечает минимум её свободной поверхностной энергии:
Fпв Отг^тг + °тж*^тж + ^ж^ж^ (1)
где стг, стж, сжг - удельные свободные поверхностные энергии на границах раздела фаз (т - твердое тело, г - газ, ж - жидкость); ^тг, ^тж, ^жг - площади поверхностей раздела фаз.
Обязательной, незаменимой составляющей холодной вибролитой регенерированной асфальтовой смеси является вода, участвующая и определяющая характер всех процессов структурообразования. При смешении составляющих асфальтовой смеси с водой кинетическое смачивание происходит натеканием объемного слоя воды под действием гравитации и рабочего органа мешалки. Холодная вибролитая регенерированная асфальтовая смесь имеет объёмную гидрофобно-гидрофильную (дифильную) мозаичную структуру из гидрофильных частиц песка и минерального порошка и гидрофобных зерен старого асфальтобетона, что обусловливает различный характер смачивания водой твёрдых составляющих смеси. Абсолютно гидрофобный битум, покрывающий минеральные составляющие старого асфальтобетона, имеет гладкую поверхность, без пор. Поэтому при перемешивании под влиянием гравитации и при механическом воздействии рабочего органа мешалки легко происходит скатывание воды с гидрофобных поверхностей старого асфальтобетона и аккумулирование ее в минеральном порошке и части песка, образующих сус-
пензию необходимого состава и консистенции, способной эмульгировать битум. Явления взаимодействия гидрофобной части смеси с водой способствуют снижению минимально необходимого для диспергирования количества воды, времени смешения составляющих и ускорению формирования структуры асфальта в покрытии.
Смачивание и растекание воды по поверхности гидрофильных песка и минерального порошка определяется, помимо энергетических потенциалов и кристаллохимических особенностей, состоянием их поверхности. Шероховатость, пористость, различные виды «загрязнения» поверхности создают энергетические барьеры, сопротивление смачиванию, особенно в динамических условиях, в процессе перемешивания. Это обусловливает проявление кинетического гистерезиса смачивания, вызываемого сопротивлением, действующим на единицу длины линии смачивания. На смачивание гидрофильных составляющих оказывает влияние толщина водной пленки на их поверхности. При толщине 10-5-10-6 см образуется слой с ориентированной структурой (по академику Б.В. Дерягину), поверхностная энергия которого ниже, чем у свободной воды, что ухудшает смачиваемость [3]. При наличии пленки свободной воды смачивание резко улучшается.
Основополагающим фактором технологии холодного вибролитого регенерированного асфальта с дисперсным битумом является эмульгирование битума. Степень дисперсности битума оказывает существенное влияние на скорость формирования битумной пленки, ее толщину, сплошность и конечные свойства асфальта. Нефтяные битумы обладают способностью к прядомости, о чём свидетельствует методика определения одного из главных показателей свойств битумов - растяжимости (дуктильности). Из неё следует, что прядо-мость битума зависит от скорости деформирования, характера среды, температуры системы, марочной вязкости битума. В реальных условиях приготовления холодных вибролитых регенерированных асфальтовых смесей диспергирование горячего битума (140-160 °С) происходит в объёме увлажнённой холодной (~20 °С) смеси старого асфальтобетона и минеральных материалов. В результате теплообмена диспергирование происходит в интервале температур, когда битум находится в состоянии высоковязкой структурированной жидкости, способной к прядомости, вытягиванию в нити. Очевидно, что степень прядомости, характеризуемая длиной нити до момента разрыва, зависит от относительного содержания и свойств составляющих материалов асфальтовой смеси, конструкции и режимов работы мешалки. Все эти факторы определяют предельное значение толщин и длин битумных нитей в момент их распада на глобулы.
Стабилизация битумных глобул частицами твёрдого эмульгатора осуществляется в результате прилипания битума через граничный ориентированный слой воды, что соответствует минимуму поверхностной энергии системы. Причём стабилизация осуществляется одночастичным слоем эмульгатора. Непосредственный контакт невозможен в связи с проявлением избирательного смачивания в системе «вода - твердое - битум» (по академику П. А. Ребиндеру) и расклинивающего давления (по академику Б. В. Дерягину) [3, 4].
Важнейшим процессом формирования структуры холодного вибролито-го регенерированного асфальта является образование на твёрдых минеральных частицах сплошных битумных пленок из глобул диспергированного битума. Теоретически в холодной вибролитой регенерированной смеси по мере испарения из неё воды растекание битумных глобул может происходить в водной среде, по поверхности воды, по минеральной поверхности или по битумированной поверхности старого асфальтобетона. Энергетический анализ указанных схем показал, что формирование сплошной битумной плёнки в холодном вибролитом регенерированном асфальте с дисперсным битумом происходит преимущественно за счёт растекания битума по воде по мере высвобождения пор от воды. При этом кинетическое сопротивление равно нулю, т. к. растекается жидкость по жидкости. Смачивание твёрдых поверхностей происходит значительно медленнее. После испарения воды происходит образование бинарной системы «битум - твердое», обладающей меньшей суммарной поверхностной энергией.
Завершающей стадией формирования битумных плёнок является адгезия битума к составляющим асфальтовой смеси. В холодной вибролитой регенерированной смеси характер адгезии битума и её величина зависят от толщины водной плёнки на поверхности минеральных составляющих и её поверхностной энергии. При содержании в смеси свободной воды битум адгези-рует к свободной воде, что практически не влияет на связность системы. При испарении воды до формирования на поверхности минеральных материалов граничного слоя ориентированной воды энергия системы резко снижается (за счёт пониженной поверхностной энергии слоя ориентированной воды), связность системы возрастает за счёт прорыва водной плёнки и проявления непосредственного точечного контакта битума с твёрдым в местах остроугольных неровностей под действием виброуплотнения. Непосредственный контакт битума с твёрдым происходит во времени в результате испарения воды за счёт миграции поверхностно-активных составляющих битума к границе раздела и вытеснения воды. Происходит абсорбция битума в поры и микротрещины минеральных материалов. Система достигает максимальной прочности.
Заключительной технологической операцией устройства покрытия является уплотнение асфальтовой смеси, достижение максимальной плотности, определяющей все дорожно-эксплуатационные свойства покрытия. Наиболее благоприятный для уплотнения момент соответствует укладке смеси, когда водные плёнки имеют максимальную толщину, а битумные глобулы блокированы суспензией твёрдого эмульгатора и не проявляют клеящего действия, смесь обладает высокой подвижностью. На этой стадии эффективным является уплотнение вибрацией, поскольку происходит значительное уменьшение сопротивления смеси деформированию при минимальных энергозатратах. Вибрационное воздействие вызывает тиксотропное снижение структурной вязкости смеси, под действием вибрации происходит более плотная упаковка. Заполняя все поры смеси, вода, являясь практически несжимаемой, препятствует дальнейшему уплотнению, поэтому холодный вибролитой регенерированный асфальт обычно имеет остаточную пористость около 10-12 %. Окончательная плотность холодного вибролитого регенерированного асфальта за-
висит от неизменяемой плотности старого асфальтобетона. При виброуплотнении холодной литой регенерированной смеси, в состав которой входит старый асфальтобетон, происходит компактное расположение минеральных зёрен, более равномерное распределение пастовой части в объёме смеси, что практически полностью исключает дробимость слабых зёрен старого асфальтобетона в ходе первичного уплотнения асфальтоукладчиком и доуплотнения в процессе эксплуатации под действием транспортной нагрузки.
Уплотнению способствуют особенности взаимодействия воды с гидрофобными и гидрофильными составляющими смеси. Вода, попадая между двумя абсолютно гидрофобными поверхностями старого асфальтобетона, благодаря лапласовскому давлению выполняет роль подшипников качения (по Я.И. Френкелю), препятствует их контакту, облегчая взаимное перемещение [5]. По мере испарения воды за счёт песка и минерального порошка в смеси образуется большое количество заполненных водой тонких капилляров; возникающее при этом лапласовское давление, достигающее одной атмосферы при диаметре капилляра 1 мкм, способствует сближению минеральных зёрен. Вода за счёт капиллярных сил проявляет связующие свойства.
Экспериментальные исследования проводились главным образом на смесях с содержанием 50-60 % фрезерованного старого асфальтобетона типа В, 10-20 % известнякового или гранитного щебня и 10-20 % полученных из них искусственных песков, 16-18 % неактивированного известнякового минерального порошка марки МП-1 в пересчёте на частицы мельче 0,071 мм, 6-8 % нефтяного битума марки БНД 90/130, 6-9 % воды. Содержание зёрен щебёночной фракции в смесях составляло 40-50 % (тип Б) и 30-40 % (тип В). Смеси готовились в двухвальной лабораторной мешалке, сконструированной по типу серийно выпускаемых для асфальтобетонных заводов.
Для исследования свойств асфальта на лабораторной виброплощадке приготавливались стандартные цилиндрические образцы диаметром 50,5 и 71,4 мм. Образцы уплотнялись вибрированием под пригрузом при параметрах вибрационного процесса, соответствующих параметрам работы виброплиты асфальтоукладчика: удельное давление 0,03 МПа, частота колебаний 3000 об/мин, амплитуда 0,5 мм. Виброуплотнение образцов длилось 20 с, что соответствует скорости движения асфальтоукладчика 3 м/мин. Исследованиями установлено, что более длительное виброуплотнение нецелесообразно, т. к. дальнейшего увеличения плотности образцов практически не происходит из-за заполняющей все поры воды.
При подготовке к испытаниям образцы высушивались 12 ч при температуре 100 °С. Такая методика в определённой степени воспроизводит условия формирования асфальта в покрытии и позволяет получать образцы со свойствами, близкими к свойствам образцов, формировавшихся в естественных условиях. Образцы испытывались по принятой для горячего асфальтобетона методике (ГОСТ 12801-98*).
Исследование динамики изменения свойств (плотности и прочности) асфальта осуществлялось методом вдавливания конуса, разработанным П. А. Ребиндером [6]. Достоинством метода является возможность испытания асфальта на образцах и в покрытии, высокая скорость проведения испытаний
(менее 3 мин), простота конструкции и низкая стоимость прибора для определения глубины вдавливания конуса. Согласно этому методу плотность и предел прочности асфальта находят по заранее установленной в лаборатории корреляционной связи с предельным сопротивлением вдавливанию конуса, определяемым для конуса с углом при вершине 30° из выражения
P = 0,959 • F /Ь2, (2)
где Р - предельное сопротивление вдавливанию конуса, Па; F - нагрузка на конус, Н; Ь - глубина погружения конуса в асфальт, м.
Степень дисперсности битума в смеси оценивалась средним диаметром глобул и определялась на биологическом микроскопе с применением расчетного метода дисперсионного анализа И. А. Плотниковой. Диспергирование битума в холодной вибролитой регенерированной смеси происходит через вытягивание битума в нити длиной до 30 мм с последующим распадом на глобулы средним диаметром до 80 мкм. Установлено, что для обеспечения достаточной степени дисперсности битума и свойств холодного вибролитого регенерированного асфальта в составе смеси должно содержаться 16-18 % минеральных частиц мельче 0,071 мм (далее минерального порошка), 6-8 % вязкого нефтяного битума. Влажность смеси должна составлять 7 и 9 % при содержании минерального порошка 16 и 18 % соответственно. Максимальное содержание старого асфальтобетона не должно превышать 80 %, что необходимо для введения в смесь достаточного количества минерального порошка и образования прямой битумной эмульсии, обеспечивающей необходимую подвижность, удобоукла-дываемость, технологичность. В смесях с известняковым щебнем и искусственным песком степень дисперсности битума на 7-12 % выше, чем с гранитными. Степень дисперсности битума в смесях повышается с уменьшением вязкости битума и с уменьшением содержания зёрен щебёночной фракции.
Установлено, что свойства образцов холодного вибролитого регенерированного асфальта практически соответствуют свойствам асфальтовых образцов того же состава, уплотнявшихся прессованием по методике ГОСТ 12801-98*. Для количественного описания процесса уплотнения холодной вибролитой регенерированной смеси применялся метод математического планирования эксперимента. Параметром оптимизации был принят коэффициент уплотнения Ку (отношение плотности холодного вибролитого регенерированного асфальта к плотности горячего асфальта того же состава). В результате обработки экспериментальных данных выбраны следующие факторы с учетом их значимости: Х\ - влажность смеси (6-12 %), Х2 - содержание минерального порошка (16-20 %); Х3 - вязкость битума (100-260 дмм). С помощью компьютерной программы 8ТАТКТ1СА 6.0 был смоделирован трёхфакторный эксперимент, рассчитаны коэффициенты регрессии, получено полиномиальное выражение (3) и графическое описание (рис. 1, 2) влияния исследуемых факторов на коэффициент уплотнения.
Ку = 2,537532 + 0,161945Х1 - 0,268754Х2 + 0,000125Х3 -- 0,008997Х!2 + 0,007743Х22.
Рис. 1. Зависимость коэффициента уплотнения от содержания минерального порошка и влажности смеси при вязкости битума 180 дмм
Рис. 2. Зависимость коэффициента уплотнения от влажности смеси и вязкости битума при содержании минерального порошка 18 %
Из анализа коэффициентов полинома факторы по степени влияния на коэффициент уплотнения можно расположить в ряд: содержание минерального порошка, влажность смеси, вязкость битума. Коэффициент уплотнения достигает 0,95 при оптимальной влажности смеси 9 % и содержании минерального порошка 18 % (рис. 1). С уменьшением вязкости битума коэффициент уплотнения увеличивается (рис. 2).
По основным показателям холодные вибролитые регенерированные ас-фальты удовлетворяют требованиям ко второй марке горячего плотного асфальтобетона по ГОСТ 9128-97* для Н-У дорожно-климатических зон (ДКЗ) (табл. 1). Водонасыщение соответствует пористым асфальтобетонам, приближаясь к верхнему пределу показателя для горячего плотного асфальтобетона. Остаточная пористость на 1,5-4 % больше водонасыщения, что объясняется закрытой тонкопористой структурой асфальта.
Таблица 1
Основные физико-механические свойства холодного вибролитого регенерированного асфальта
Тип асфальта Объемная масса, г/см3 Водонасыщение, % по объему Остаточная пористость, % Набухание, % по объему Предел прочности на сжатие, МПа, при температуре Водостойкость Водостойкость при длительном водонасыщении Предельное сопротивление вдавливанию конуса при 20 °С, МПа
20 °С 50 °С
Асфальт с известняковой минеральной частью
Б 2,17 8,8 11,3 0,00 2,5 1,3 0,91 0,86 1,84
В 2,15 9,8 12,0 0,00 2,5 1,3 0,93 0,88 1,82
Асфальт с гранитной минеральной частью
Б 2,19 8,4 10,6 0,01 2,4 1,3 0,90 0,80 1,58
В 2,18 9,5 11,0 0,03 2,2 1,2 0,89 0,75 1,29
Разработан и запатентован [2] способ холодной регенерации асфальта с добавкой цемента. Замена части минерального порошка портландцементом способствует улучшению дорожно-технических свойств холодного виброли-того регенерировного асфальта и ускорению его структурообразования. В среднем на 30 % увеличиваются предельное сопротивление вдавливанию конуса и предел прочности на сжатие (при 20 и 50 °С) окончательно сформировавшегося асфальта. Водостойкость достигает 1,00, а водостойкость при длительном водонасыщении 1,20.
Разработан и запатентован [2] способ холодной регенерации с применением составленных дисперсных органических вяжущих, исключающий необходимость их заблаговременного приготовления горячим способом. Два органических вяжущих с рабочими температурами один за другим вводятся в увлажнённые составляющие асфальтовой смеси, перемешиваются. В объёме асфальтовой смеси получаются медленнораспадающиеся битумные эмульсии обоих органических вяжущих, стабилизированные минеральным порошком.
Исследования динамики формирования холодного вибролитого регенерированного асфальта на образцах и в покрытии по показателям предельного сопротивления вдавливанию конуса и предела прочности показали, что,
в сравнении с асфальтом, на вяжущем из нефтяного битума применение вяжущего из нефтяного битума с добавкой каменноугольного дёгтя Д-3 (20 % массы вяжущего) и из нефтяного битума с добавкой жидкой сланцевой смолы С-2 (5 % массы вяжущего) ускоряет структурообразование в 1,4 и 1,25 раза соответственно. Прочностные свойства асфальта на дёгтебитумном вяжущем и на вяжущем с добавкой сланцевой смолы отвечают требованиям к горячему плотному асфальтобетону II марки для 1-111 ДКЗ, водостойкость и водостойкость при длительном водонасыщении отвечают требованиям к I марке для 11-У ДКЗ.
Предложен способ устройства защитных слоёв дорожных покрытий термообработкой поверхности свежеуложенных холодных органоминеральных смесей с дисперсными органическими вяжущими. Разработана и запатентована установка для термической обработки дорожных покрытий [7]. Устройство защитных слоёв позволит открывать движение транспорта сразу после завершения работ, расширить строительный сезон, устраивать покрытия из холодных органоминеральных смесей с дисперсными органическими вяжущими во II ДКЗ. Установлена высокая эффективность термообработки открытым пламенем газовой горелки. С повышением температуры в верхнем слое асфальта происходит быстрое формирование сплошных битумных плёнок. Чтобы исключить выгорание битума, температура в защитном слое асфальта (на вязком битуме) не должна превышать 180 °С. Выгоранию вяжущего препятствует интенсивное испарение воды. Методом вдавливания конуса в лабораторных условиях на образцах и в покрытии установлено, что защитный слой имеет те же значения предельного сопротивления вдавливанию конуса, предела прочности на сжатие и плотность, что и окончательно сформировавшийся асфальт того же состава [8].
Исследования процесса термической обработки, выполненные в лабораторных условиях на образцах с применением метода математического планирования эксперимента, показали, что получению большей толщины защитного слоя способствует главным образом увеличение тепловой нагрузки, величина которой определяется из выражения
Т = Ргор • *обр / ^пов , (4)
где Т - тепловая нагрузка, кВт-с/см2; Ргор - мощность горелки, кВт; ^пов - площадь прогреваемой поверхности, см2; tобр - время термообработки, с.
При максимальной тепловой нагрузке 2,4 кВт-с/см2 (во избежание перегрева верхнего слоя асфальта свыше 180 °С) толщина защитного слоя из холодного вибролитого регенерированного асфальта составляет около 15 мм [8].
В июне 2009 года был осуществлён ямочный ремонт асфальтобетонных покрытий г. Саратова холодными вибролитыми регенерированными смесями на вязком нефтяном битуме (объекты № 1, № 4, № 5) с составленными органическими вяжущими из нефтяного битума и сланцевой смолы (объект № 2) и с добавкой портландцемента взамен части минерального порошка (объект № 3). Составы смесей приведены в табл. 2.
Для приготовления смесей использовались старый фрезерованный асфальтобетон с максимальным размером зёрен 20 мм, щебень известняковый марки М800 фракции 5-10 мм, высевки известняковые с модулем крупности
3,18, неактивированный известняковый минеральный порошок марки МП-1, дорожный портландцемент марки М500, битум нефтяной марки БНД 90/130, сланцевая смола марки С-2. Свойства полученных асфальтов приведены в табл. 3.
Таблица 2
Составы смесей
№ объекта Тип смеси Содержание щебёночной фракции Состав смеси, % по массе
Старый асфальтобетон Щебень - е п йы А Д нк ео « 8 с О с К - о п л ^ нок ь « й ао рр е и и Е Вода Портландцемент Общее количество органического вяжущего, % по массе Количество вяжущего, % от общего его количества
БНД 90/130 С-2
1 Б 44 50 10 22 18 9 - 7,0 100 -
2 В 36 40 20 22 18 9 - 8,0 95 5
3 Б 44 50 10 21 10 9 9 7,0 100 -
4 Б 44 50 10 22 18 9 - 7,0 100 -
5 В 36 40 20 22 18 9 - 8,0 100 -
Таблица 3
Основные физико-механические свойства асфальтов
№ объекта Объемная масса, г/см3 Водонасыщение, % по объему Набухание, % по объему Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре, °С Водостойкость Водостойкость при длительном водо-насыщении
20 50
1 2,17 9,0 0,01 2,5 1,3 0,91 0,85
2 2,15 9,8 0,01 2,3 1,2 0,93 0,88
3 2,17 8,9 0,00 2,9 1,8 1,00 1,19
4 2,17 8,8 0,00 2,5 1,3 0,91 0,86
5 2,15 9,8 0,01 2,4 1,3 0,93 0,88
Для ремонта использовались ямы и выбоины, оставшиеся после взятия вырубок на проезжей части автомобильных дорог. Для улучшения сцепления старого слоя покрытия с холодной вибролитой регенерированной смесью проводилась очистка ям и выбоин от пыли и грязи, края и дно смачивались водой (рис. 3, а). Подгрунтовка ремонтных карт битумом не производилась.
Рис. 3. Ремонт асфальтобетонного покрытия холодной вибролитой регенерированной смесью типа Б на объекте № 1:
а - ремонтируемая выбоина; б - виброуплотнение; в - поверхность свежеуло-женного участка; г - определение динамики формирования асфальта методом вдавливания конуса; д - отремонтированный участок после 16 месяцев эксплуатации
Смеси распределялись и уплотнялись послойно. Распределение смесей осуществлялось с помощью совка. Уплотнение смесей на объектах № 2, № 3 и № 5, где размер ремонтных карт составлял в среднем 0,25^0,35 м, произво-
дилось вручную металлической трамбовкой массой 5 кг. Для уплотнения смесей на объектах № 1 и № 4, где размер ремонтных карт составлял в среднем 0,7*0,5 м, применялась виброплита УР 1135А с удельным давлением 0,032 кг/см2 (рис. 3, б). Уплотнение продолжалось до появления на поверхности слоя воды. Толщина уложенного слоя асфальта в среднем составляла 4,0 см. Поверхность свежеуложенных участков (см. рис. 3, в) заглаживалась гладилкой. Для контроля ровности получаемого покрытия применялась деревянная рейка. На отремонтированных участках с помощью метода вдавливания конуса определялась динамика формирования асфальта (см. рис. 3, г).
На объектах № 1, № 2, № 3 движение транспорта открывалось сразу после завершения работ. На каждом из этих объектов интенсивность движения транспорта составляла до 3000 авт./сут.
Опыт ямочного ремонта холодными вибролитыми регенерированными смесями показал, что на автомобильных дорогах с интенсивностью движения от 3000 до 7000 авт./сут необходимо выдерживание отремонтированных участков перед открытием движения не менее 2 ч во избежание образования мелких раковин на поверхности отремонтированных участков из-за вырывания отдельных агрегатов несформировавшейся смеси при движении грузовых автомобилей.
Для открытия движения сразу после завершения работ на объектах № 4 и № 5 с интенсивностью движения от 3000 до 7000 авт./сут выполнялась термообработка поверхности свежеуложенного покрытия. Для термообработки применялась газовая эжекционная горелка ГВП-246 мощностью 1,0 кВт, подключенная шлангом через газовый счётчик и регулятор давления к баллону со сжиженным пропаном. На объекте № 4 при прогреве каждой точки свежеуло-женного покрытия в течение 60 с сформировался защитный слой толщиной 1,2 см. На объекте № 5 при прогреве каждой точки свежеуложенного покрытия в течение 80 с сформировался защитный слой толщиной 1,4 см. При этом удельный расход газа составил 0,1 и 0,12 м3/м2 соответственно, что в среднем на 50 % меньше в сравнении с наиболее часто применяемыми в настоящее время инфракрасными асфальторазогревателями [9]. Движение транспорта открывалось после остывания отремонтированных участков до температуры окружающего воздуха (через 20 мин). Установлено, что во избежание вырывания отдельных агрегатов защитного слоя при интенсивности движения от 3000 до 7000 авт./сут его толщина должна составлять не менее 1,2 см.
Все отремонтированные объекты в течение 16 месяцев находятся в хорошем состоянии, признаков разрушений не обнаружено (см. рис. 3, д). В пределах отремонтированных участков обеспечивается необходимая ровность.
Содержащаяся в смеси пластичная пастовая часть (вода, минеральный порошок и дисперсный битум) способствует формированию монолитного шва сопряжения со старым асфальтобетоном и нижним слоем покрытия, поэтому предварительная обработка битумом дна и стенок ремонтных карт не требуется. Учитывая простоту инструментов для укладки и несложную технологию, все работы могут выполняться одним человеком. Это позволяет осуществлять профилактический ремонт дефектов покрытия в начале их образования, что обычно не делается горячими асфальтобетонными смесями. Участки, отре-
монтированные холодным вибролитым регенерированным асфальтом, практически не отличаются по цвету от основной площади покрытия, что способствует эстетическому восприятию целой поверхности покрытия и позволяет рекомендовать данный материал для косметического ремонта асфальтовых покрытий на автомобильных дорогах, тротуарах, парковых дорожках, набережных, местах отдыха и др.
Выводы
Разработана эффективная холодная технология производства и применения вибролитого регенерированного асфальта с дисперсным битумом, исключающая необходимость применения битумных эмульсий, позволяющая устраивать покрытия без применения катков. Технология обладает рядом социально значимых достоинств: энергосбережение, ресурсосбережение, экологическая безопасность и др. Общий народнохозяйственный эффект применения холодного вибролитого регенерированного асфальта с добавкой 50 % старого асфальтобетона составляет около 63 % по сравнению с литыми асфальтами горячего приготовления.
Библиографический список
1. Горнаев, Н.А. Технология холодной регенерации асфальтобетона / Н.А. Горнаев,
B.Е. Никишин // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2005. - № 3. - С. 43-44.
2. Способ приготовления холодной органоминеральной смеси для дорожных покрытий: пат. 2351703 Рос. Федерация. / Н.А. Горнаев, В.Е. Никишин, С.М. Евтеева, С.Ю. Андронов, А.С. Пыжов ; заявл. 15.02.08 ; опубл. 10.04.09, Бюл. № 10. - 10 с.
3. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика / П. А. Ребиндер. - М. : Наука, 1979. - 384 с.
4. Дерягин, Б.В. О влиянии поверхностных сил на фазовые равновесия полимолекулярных слоёв и краевой угол смачивания / Б.В. Дерягин, А.М. Щербаков // Коллоидный журнал. - 1961. - № 1. - С. 65-69.
5. Гегузин, Я.А. Капля / Я.А. Гегузин. - М. : Наука, 1973. - 160 с.
6. Ребиндер, П.А. О методе погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких тел / П.А. Ребиндер, Н.А. Семененко // ДАН СССР. -1949. - Т. 64. - №. 6.
7. Установка для термической обработки дорожных покрытий: пат. 92025 Рос. Федерация / Н.А. Горнаев, С.Ю. Андронов, А.С. Пыжов, С.М. Евтеева ; заявл. 16.11.09 ; опубл. 10.03.10, Бюл. № 7. - 3 с.
8. Андронов, С.Ю. Устройство защитных слоёв дорожных покрытий термообработкой /
C. Ю. Андронов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2010. - № 3 (28). - С. 252-260.
9. Сюньи, Г.К. Регенерированный дорожный асфальтобетон / Г.К. Сюньи, К.Х. Усманов, Э.С. Файнберг. - М. : Транспорт, 1984. - 118 с.
