CC BY
186
УДК 625.878.72
Хафизов Э.Р. - кандидат технических наук, доцент
E-mail: hafizov@kgasu.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Семенов Д.Ю. - геодезист
E-mail: dima18.07.93@mail.ru
Производственно-торговая компания «ВСК-2000»
Адрес организации: 420005, г. Казань, ул. Южно-Промышленная, д. 9
Повышение качества дорожных покрытий путем введения в щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь добавок резиновой крошки
Аннотация
Постановка задачи. Целью работы явилось исследование влияния добавок резиновой крошки на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона.
Результаты. Проведен сравнительный анализ физико-механических свойств традиционного щебеночно-мастичного асфальтобетона и щебеночно-мастичного асфальтобетона модифицированного резиновой крошкой из утилизированных шин «КМА» Колтек.
Выводы. Проведенное исследование показало, что введение резиновой крошки в щебеночно-мастичный асфальтобетон позволяет повысить показатели предела прочности на сжатие при 20 и 50°С, предела прочности на растяжение при расколе при 0 °С, сцепления при сдвиге, усталостной прочности и водостойкости, снизить показатель водонасыщения. Выявлено, что оптимальное содержание добавки резиновой крошки в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона составляет 1 %. Повышения качества и увеличения сроков службы дорожных покрытий автомобильной дороги можно добиться за счет введения на этапе приготовления в состав щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси модифицирующей добавки - резиновой крошки.
Ключевые слова: автомобильная дорога, щебеночно-мастичный асфальтобетон, резиновая крошка, прочность, модификатор.
Для эффективного функционирования и роста экономики государства необходимо развитие торговли, сельского хозяйства, отраслей промышленности и др. Для этого необходимы качественные и долговечные автомобильные дороги, соответствующие действующим транспортно-эксплуатационным показателям, что способствует увеличению товарооборота как внутри страны, так и за ее пределами. В связи с развитием этих сфер в России возрастает интенсивность движения, и увеличиваются нагрузки на дорожное покрытие. Основными дефектами образующимися в процессе эксплуатации автомобильных дорог являются проломы, трещины, шелушение, выбоины, колейность.
Еще одной проблемой является утилизация мусора, в частности резиновых автомобильных покрышек. С ростом числа автомобилей эта проблема так же становится очень актуальной. Покрышки не подвергаются биологическому разложению, поэтому их утилизация заключается в основном в захоронении и сжигании. При этом ухудшается экологическая обстановка. Наиболее предпочтительна переработка изношенных шин с дальнейшим использованием вторичного сырья [1]. Это позволит улучшить экологическую обстановку и исключит утрату больших территорий под захоронение резиновых отходов.
Применение резиновой крошки в качестве добавки в асфальтобетонную смесь решает сразу две проблемы - повышение качества покрытий и утилизация изношенных шин. Со строительством завода компанией «Колтек Кама» в г. Нижнекамске, основной специализацией которой является, сбор, переработка шин, изготовление резиносодержащего модификатора для дорожных покрытий решение вопроса утилизации отработанных шин является очень актуальным.
В России и за рубежом для устройства верхних слоев дорожных покрытий широко используются многощебенистые асфальтобетоны, в частности щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Исследования показывают, что при испытаниях различных гранулометрических составов асфальтобетонов, многощебенистые асфальтобетоны превосходят по показателям физико-механических свойства асфальтобетонов других типов [2].
В данной статье рассмотрены результаты влияния добавок резиновой крошки в щебеночно-мастичный асфальтобетон марки ЩМА 15.
Существует два способа использования резиновой крошки при приготовлении асфальтобетонной смеси. Первый способ заключается в использовании резино-битумных вяжущих - «мокрый» способ. Этот способ наиболее затратный, он требует специального оборудования для модификации битума резиновой крошкой, который затем вводится в асфальтосмесительную установку. Приготовление резино-битумных вяжущих осуществляется в реакционных котлах при температурах от 190 °С до 226 °С в течение 45 минут. Второй способ заключается во введении резиновой крошки непосредственно во время приготовления асфальтобетонной смеси в смеситель - «сухой» способ. Он менее затратный, так как в качестве дополнительного оборудования требуется только дозатор, который может обеспечить точность дозирования ± 5 %. Резиновая крошка вводится в не нагретом состоянии к минеральным материалам, в процессе перемешивания нагревается, далее подается битум и асфальтобетонная смесь перемешивается. Кроме того, если ранее производился щебеночно-мастичный асфальтобетон, то модернизация асфальтосмесительной установки не требуется, так как при введении резиновой крошки, за счет модификации битума, отпадает необходимость в использовании стабилизирующей добавки и ее дозирование может осуществляться тем же оборудованием.
В статье рассматривается приготовление асфальтобетонной смеси по второму способу. При введении добавок резиновой крошки в щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь происходит модификация битума на этапе ее приготовления за счет растворения части резиновой крошки и воздействия химических компонентов. Частицы мелкодисперсной резиновой крошки не растворившиеся в вяжущем работают в асфальтобетоне, как эластичные центры, которые снимают внутренние напряжения и уменьшают пластические деформации. За счет образования трёхмерного микрокаркаса повышается прочность асфальтобетона и снижается его чувствительность к температурным воздействиям. Объемная сетчатая структура резиновых частиц повышает стойкость к циклическим деформациям в широком диапазоне эксплуатационных температур, усталостную прочность асфальтобетона и уменьшает остаточные деформации покрытия, предотвращая образование микротрещин [3, 4, 5].
Для определения влияния добавок резиновой крошки на физико-механические свойства ЩМА, были изготовлены образцы ЩМА на битуме марки БНД 60/90 с содержанием резиновой крошки от 0,5 до 1,5 % (табл. 1). В качестве добавки был взят комплексный модификатор асфальтобетона «КМА» компании Колтек Кама - СТО 17423242-006-2007 «Комплексный модификатор асфальтобетон «КМА» Колтек. Технические условия». Основным его компонентом является мелкодисперсный резиновый порошок из утилизированных автомобильных шин. Так же в его состав входят: ускоритель набухания резины в битуме, сшивающий агент, гелеобразующая адгезионная добавка, для предотвращения отслоения битумной плёнки с поверхности минеральных материалов асфальтобетона, пластификатор, антиоксидант, минеральный наполнитель.
Испытания проводились на стандартных цилиндрических образцах ЩМА высотой 71,4 ± 1,5 мм по ГОСТ 12801-98. Определялись следующие физико-механические показатели: предел прочности при сжатии при 20 и 50 °С, предел прочности на растяжение при расколе при 0 °С, водонасыщение, водостойкость, сцепление при сдвиге (табл. 2), показатель усталостной прочности (табл. 3). Эффективность резиновой крошки в зависимости от ее содержания в составе щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, определялась путем сравнения показателей физико-механических свойств образцов приготовленных из смеси с модификатором и образцов из традиционных щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. Также проверялось соответствие физико-механических показателей требованиям ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия».
Таблица 1
Составы щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей
Компоненты ЩМА Состав № 1 Состав № 2 Состав № 3 Состав № 4
Щебень М 1200, фр. 10-15 мм 48 % 48 % 48 % 48 %
Щебень М 1200, фр. 5-10 мм 20 % 20 % 20 % 20 %
Песок из отсевов дробления 0-5 мм 20 % 20 % 20 % 20 %
Активированный минеральный порошок марки МП-1 12 % 12 % 12 % 12 %
Стабилизирующая добавка «Viatop 66» (целлюлозная) 0,45 % 0 % 0 % 0 %
Модификатор «КМА» Колтек 0 % 0,5 % 1,0 % 1,5 %
Битум БНД 60/90 6 % 6 % 6 % 6 %
Таблица 2
Показатели физико-механических свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона с различным содержанием резиновой крошки
Содержание резиновой крошки, % Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности на растяжение при расколе, МПа Водонасыщение Водостойкость Сцепление при сдвиге
При 20 °С При 50 °С
0 2,8 1,1 3,6 2,8 0,86 0,23
0,5 3,3 1,4 4,1 2,4 0,90 0,28
1,0 3,6 1,7 4,4 2,2 0,93 0,34
1,5 3,8 1,8 4,4 2,1 0,94 0,36
Требование по ГОСТ 310152002 не менее 2,2 не менее 0,65 2,5-6,0 1,0-4,0 не менее 0,85 не менее 0,18
Из анализа графика на рис. 1 видно, что введение в состав щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси модификатора «КМА» Колтек в количестве 0,5 % от массы минеральной части взамен стабилизирующей добавки «УМор 66» позволяет увеличить показатель предела прочности на сжатие асфальтобетона при 50 °С на 21 %, при увеличении содержания модификатора до 1,0 % данный показатель увеличивается на 35 %, далее при увеличении содержания модификатора до 1,5 % предел прочности на сжатие возрастает незначительно - увеличение составляет 38 %.
Из графика (рис. 2) видно, что введение в состав ЩМА модификатора «КМА» Колтек в количестве 1,0 % от массы минеральной части однозначно положительно влияет на повышение предела прочности на растяжении при расколе. Увеличение предела прочности составляет 18 %, при дальнейшем увеличении содержания резиновой крошки данный показатель не изменяется. Частицы резиновой крошки, входящие в структуру ЩМА служат центрами торможения и развития трещин, поэтому при прочих равных условиях ЩМА с модификатором будет более трещиностойким при пониженных температурах по сравнению с традиционным ЩМА.
Введение резиновой крошки, также положительно сказывается и на показателе водонасыщения ЩМА. Так, например, введение 0,5 % добавки в смесь приводит к снижению данного показателя на 14 %, а введение 1 % добавки до 21 %. Следовательно, структура ЩМА с добавкой модификатора обладает большим количеством замкнутых пор в объеме, что приводит к снижению показателя водонасыщения и повышению водостойкости (табл. 2).
Рис. 1. Зависимость показателя предел прочности при сжатии при температуре 50 °С щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА 15 от содержания резинового крошки
Рис. 2. Зависимость показателя предела прочности на растяжение при расколе щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА 15 от содержания резинового крошки
Рис. 3. Зависимость показателя водонасыщения щебеночно-мастичного асфальтобетона
Из графика (рис. 4) видно, что введение в состав щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА 15 модификатора «КМА» Колтек, в количестве 0,5% от массы минеральной части взамен стабилизирующей добавки У1а1ор 66 позволяет повысить показатель сцепления при сдвиге асфальтобетона на 18 %, при увеличении содержание модификатора до 1,0 % этот показатель увеличивается на 32 %, а при увеличении до 1,5 % коэффициент сцепления при сдвиге асфальтобетона увеличивается незначительно - до 36 %. Согласно ГОСТ 31015-2002 значение сцепления при сдвиге по схеме Маршалла для ЩМА марки 15 должно быть не менее 0,18, следовательно ЩМА с применением резиновой крошки будет более сдигоустойчивым, что положительно скажется при его эксплуатации в жаркий летний период.
М
Л 0,5 1 1,-г
Овдоржше piJIIHteit ^ИШШ И
Рис. 4. Зависимость сцепления при сдвиге щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА 15
от содержания резинового крошки
Для получения результатов влияния резиновой крошки на показатель усталостной прочности образцов ЩМА проводилось испытание, сущность которого заключается в определении числа циклов нагружения образца до его разрушения при заданном напряжении. Для проведения испытания была использована пневматическая система компании Cooper Research Technology CRT-SA4PT-BB с использованием программного обеспечения BEAM-FLEX фирмы Cooper Research Technology.
На установке образец подвергается циклической нагрузке равной 50 % от значения предела прочности при сжатии при 20 °С, направленной попеременно вверх-вниз. Чем большее количество циклов нагружения до потери 50 % прочности выдерживает образец из асфальтобетонной смеси, тем более долговечным он считается.
Результаты определения максимального количества циклов, которое выдержал образец до разрушения с различным содержанием резиновой крошки по методу 4-х точечного изгиба представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты определения усталостной прочности образцов ЩМА
Содержание резиновой крошки, % Количество циклов нагружения до разрушения при нагрузке равной 50 % от значения предела прочности при сжатии при 20 °С
0 12412
0,5 14405
1,0 15175
1,5 14293
Введение в состав ЩМА резиновой крошки в количестве 0,5 % от массы минеральной части позволило повысить показатель усталостной прочности на 16 %, при увеличении содержания крошки до 1,0 % данный показатель повысился на 22 %, а при увеличении содержания крошки до 1,5 % показатель усталостной прочности повышается на 15 % по сравнению с исходным составом на стабилизирующей добавке У!а1;ор 66.
На основе проведенных исследований можно заключить, что оптимальным содержанием добавки резиновой крошки в щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь является 1 %, так как дальнейшее увеличение содержания модификатора до 1,5 % не приносит значительного улучшения свойств. Введение резиновой крошки в процессе приготовления в состав щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси, однозначно положительно влияет на физико-механические свойства ЩМА.
Проведенные технико-экономические расчеты показали, что, несмотря на увеличение стоимости работ, по устройству верхних слоев покрытий из ЩМА с резиновой крошкой (3551644 руб. на 1 км), взамен ЩМА без добавления резиновой крошки и укладкой по традиционной технологии (2577537 руб. на 1 км) экономическая эффективность составит 744251 руб. на 1 км дороги шириной покрытия 7 м, то есть приблизительно 20 % при повышении межремонтного срока службы с 3-х до 5-и лет.
Таким образом, резиновая крошка улучшая физико-механические свойства ЩМА, повышает качество дорожных покрытий, а также способствует повышению их сроков службы и долговечности, тем самым уменьшая затраты на содержание и ремонт автомобильной дороги и улучшает экологическую обстановку. Кроме того, введение резиновой крошки в состав ЩМА повысит коэффициент сцепления автомобильных шин с покрытием дороги, и что немаловажно снизит уровень шума, позволит сократить расходы на устройство шумопоглощающих барьеров.
Однако для внедрения модификатора «КМА» Колтек в масштабное использование при устройстве верхних слоев покрытий необходимы исследования путем строительства опытных участков и мониторинга их состояния. Также дополнительно необходимо провести исследования на старение резино-битумного вяжущего и стойкости к колееобразованию ЩМА в соответствии с современными нормативными требованиями. При получении положительных результатов будет решен ряд вопросов по улучшению качества покрытий автомобильных дорог и утилизации изношенных шин транспортных средств.
Список библиографических ссылок
1. Нефедов Б. К. Новая технология производства качественных резинобитумных связующих для асфальтобетонных дорожных покрытий // Экология и промышленность России. 2008. № 5. С. 8-12.
2. Хафизов Э. Р., Вдовин Е. А., Ильина О. Н., Фомин А. Ю. Исследования физико-механических свойств многощебенистых асфальтобетонов на основе полимерно-битумных вяжущих // Известия КГАСУ. 2016. № 1 (35). С. 211-215.
3. Руденский А. В., Смирнов Н. В. Для всех климатических зон. Композиционные резинобитумные материалы широкого применения // Дороги России XXI века. 2002. № 3. С. 86-88.
4. Беляев П. С., Маликов О. Г., Забавников М. В., Соколов А. Р. Повышение качества нефтяных битумов путем модификации продуктами переработки изношенных автомобильных шин // Вестник ТГТУ. 2003. № 1 (Т. 9). С. 63-69.
5. Духовный Г. С., Сачкова А. В. Эффективность применения резинобитумного вяжущего при устройстве асфальтобетонных покрытий // Научный ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2014. № 2 (34). С. 19-23.
6. Мардиросова И. В. Плотная вибролитая асфальтобетонная смесь для строительства и ремонта автомобильных дорог с использованием резиновой крошки // Известия Ростовского ГСУ. 2012. № 8. С. 231-24.
7. Волынцев П. А. Преимущества асфальтобетонных покрытий с резиновой крошкой // Молодой ученый. 2016. № 17 (121). С. 38-40.
8. Nuha Salim Mashaan, Asim Hassan Ali, Mohamed Rehan Karim, Mahrez Abdelaziz. A Review on Using Crumb Rubber in Reinforcement of Asphalt Pavemen // The Scientific World Journal. Malaysia. 2014. Article ID 214612. 21 p.
9. Norhidayah Abdul Hassan, Gordon D. Airey, Ramadhansyah Putra Jaya, Nordiana Mashros. A Review of Crumb Rubber Modification in Dry Mixed Rubberised Asphalt Mixtures // Jurnal Teknologi. 2014. P. 127-134.
10. Wang H., You Z., Mills-Beale J., Hao P. Laboratory evaluation on high temperature viscosity and low temperature stiffness of asphalt binder with high percent scrap tire rubber // Construction and Building Materials. 2012. № 26 (1). P. 583-590.
Khafizov E.R. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: hafizov@kgasu.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1 Semenov D.Yu. - surveyor E-mail: dima18.07.93@mail.ru Production trading company «VSK-2000»
The organization address: 420005, Russia, Kazan, Juzhno-Promyshlennaja st., 9
Improvement of quality of road surfacing by introduction to macadam-mastic bituminous concrete mixture of rubber crumb additives
Problem statement. The purpose of work was the research of influence of additives of rubber crumb on properties of stone mastic asphalt.
Results. Comparative analysis of physicomechanical properties of the traditional stone mastic asphalt and stone mastic asphalt modified by rubber crumb from the utilized tires of «KMA» Koltek is carried out.
Conclusions. The conducted research has shown that introduction of rubber crumb to stone mastic asphalt allows to raise ultimate strength indicators on compression at 20 and 50 °C, ultimate strength on stretching at split at 0 °C, couplings at shift, fatigue resistance and water resistance, to lower water saturation indicator. It is revealed that the optimum content of additive of rubber crumb as a part of stone mastic asphalt makes 1 %. Improvement of quality and increase in life cycles of road surfacing of the highway can achieve due to introduction at preparation stage to structure of crushed-stone and mastic road concrete mix of the modifying additive - rubber crumb.
Keywords: highway, stone mastic asphalt, rubber crumb, durability, modifier.
References
1. Nefedov B. K. New production technique qualitative rubber-bituminous binding for asphalt concrete road surfacings // Ekologija i promyshlennost' Rossii. 2008. № 5. P. 812.
2. Khafizov E. R., Vdovin E. A., Ilina O. N., Fomin A. Y. Research of physicomechanical properties of crushed stone asphalt concrete with the use of polymeric and bituminous knitting // Izvestiya KGASU. 2016. № 1 (35). P. 211-215.
3. Rudensky A. V., Smirnov N. V. For all climatic zones. Compositional rubber-bituminous materials of broad application // Dorogi Rossii XXI veka. 2002. № 3. P. 86-88.
4. Belyaev P. S., Malikov O. G., Zabavnikov M.V., Sokolov A. R. Improvement of quality of oil bitumens by modification by products of processing of worn-out car tires // Vestnik TGTU. 2003. № 1 (Vol. 9). P. 63-69.
5. Duhovnyj G. S., Sachkova A. V. Efficiency of application of rubber-bituminous knitting at the device of asphalt concrete coverings // Nauchnyj vestnik VGASU. Stroitel'stvo i arhitektura. 2014. № 2 (34). P. 19-23.
6. Mardirosova I. V. Dense vibrocast road concrete mix for construction and repair of motor-roads with use of rubber crumb // Izvestija RGSU. 2012. № 8. P. 231-24.
7. Volyntsev P. A. Advantages of asphalt concrete coverings with rubber crumb // Molodoj uchenyj. 2016. № 17 (121). P. 38-40.
8. Nuha Salim Mashaan, Asim Hassan Ali, Mohamed Rehan Karim, Mahrez Abdelaziz. A Review on Using Crumb Rubber in Reinforcement of Asphalt Pavemen // The Scientific World Journal. Malaysia. 2014. Article ID 214612. 21 p.
9. Norhidayah Abdul Hassan, Gordon D. Airey, Ramadhansyah Putra Jaya, Nordiana Mashros. A Review of Crumb Rubber Modification in Dry Mixed Rubberised Asphalt Mixtures // Jurnal Teknologi. 2014. P. 127-134.
10. Wang H., You Z., Mills-Beale J., Hao P. Laboratory evaluation on high temperature viscosity and low temperature stiffness of asphalt binder with high percent scrap tire rubber // Construction and Building Materials. 2012. № 26 (1). P. 583-590.
