CC BY
0Е.О. Алексеева, начальник отдела, e-mail: elaleks81@narod.ru ФКУ «Упрдор "Южный Байкал"» Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru М.Е. Заяханов, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
г. Улан-Удэ
УДК 691.168
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ГРАНУЛИРОВАННОМ РЕЗИНОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ
В статье рассмотрена возможность получения многощебенистой асфальтобетонной смеси с использованием гранулированного резинобитумного вяжущего и ее применения для устройства верхних слоев дорожных покрытий автомобильных дорог Республики Бурятия. Приведены результаты экспериментальных исследований по оптимизации состава асфальтобетонной смеси, определению зависимости свойств асфальтобетона, эксплуатируемого в I дорожно-климатической зоне, от количества органического и резинобитумного вяжущего. Доказана возможность получения качественного асфальтобетона без принципиальных изменений технологии приготовления и устройства асфальтобетонной смеси с использованием добавки из резиновой крошки.
Ключевые слова: битум, гранулированноерезинобитумное вяжущее, асфальтобетонная смесь, асфальтобетон, дорожное покрытие, дорожно-климатическая зона.
E.O. Alekseeva L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
M.E. Zayakhanov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
HIGHWAY DESIGN WITH THE USE OF ASPHALT CONCRETE ON A GRANULATED RUBBER-BITUMEN BINDER
The article considers the possibility of obtaining a multi-crushed asphalt-concrete mixture using a granulated rubber-bitumen binder and its applications for the construction of upper layers of road surfaces in the Republic ofBuryatia. The results of experimental studies on optimizing the composition of the asphalt concrete mixture were obtained. The properties of asphalt concrete, exploited in 1 road-climatic zone, from the amount of organic and rubber bitumen binder are determined. The possibility of obtaining high-quality asphalt concrete without fundamental changes in its preparation and installation technology with the use of an additive made from rubber crumbs is proved in the paper.
Key words: bitumen, granulated rubber bitumen binder, asphalt-concrete mixture, asphalt concrete, road pavement, road-climatic zone.
Введение
В условиях все возрастающей интенсивности движения и нагрузок на ось автомобиля на первый план выходит задача применения современных технологий и материалов, продлевающих эксплуатационные свойства конструктивных слоев дорожной одежды и автомобильной дороги в целом. Чтобы противостоять высоким нагрузкам, верхние слои покрытий автомобильных дорог должны обладать такими характеристиками, как прочность, износостойкость, выдерживать нагрузки от знакопеременных температур, низкие отрицательные температуры воздуха зимой, а также противостоять сдвигающим напряжениям при высоких температурах в летний период.
Основным компонентом асфальтобетонной смеси является битумное вяжущее, от которого в значительной мере зависят качественные характеристики конечного материала - асфальтобетона. Благодаря органическому вяжущему минеральные зерна в асфальтобетонных
57
смесях образуют прочный каркас, способный противостоять механическим усилиям и действию различных факторов. Так, в разных климатических условиях выбираются разные марки и типы вяжущего в зависимости от температуры нагрева покрытия в наиболее жаркий (летний) период года и температуры воздуха в наиболее холодный период. На территории Республики Бурятия, относящейся к I дорожно-климатической зоне, согласно СНиП 2.05.02-85* [1] при строительстве и ремонте дорожных покрытий и оснований традиционно применялись битумы нефтяные дорожные БНД 90/130 (ГОСТ 22245-90). Со вступлением в силу ГОСТ 331332014 в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий и оснований, а также в качестве основы для производства модифицированных битумов и битумных эмульсий будут применяться вязкие дорожные нефтяные битумы марки БДН 100/130. При этом вопрос о модификации битумного вяжущего является актуальным, несмотря на новые характеристики вяжущего БНД 100/130.
Анализ литературных источников показал, что наибольший интерес вызывают работы, связанные с модификацией битума полимерами с получением полимерно-битумных вяжущих. Главным фактором, сдерживающим наращивание объемов использования полимерно-битумных материалов, является высокая стоимость полимеров. Введение в битум 2,2-3,5% термоэ-ластопластов или 1-1,5% термополимеров повышает стоимость вяжущих в 1,5-2,5 раза, кроме того, они не придают битуму ряд необходимых свойств, таких как эластичность, высокая теплостойкость, увеличение пластичности и деформативности при низких температурах и т.д.
Перспективно применение для модификации битума техногенных отходов, таких как резиновая крошка, получаемая из старых автопокрышек и других резинотехнических изделий. Основной задачей модификации битумов резиновой крошкой является улучшение их физико-химических свойств. При этом особое внимание уделяется расширению интервала пластичности, адгезионных и когезионных характеристик резинобитумных вяжущих [2]. Эффект модификации битума при введении резиновой крошки обусловлен влиянием различных факторов. В качестве факторов выступают состав дисперсионной среды, температура термомеханического процесса совмещения, размер, удельная поверхность частиц и химический состав резиновой крошки, конструкция и скорость вращения смесителя, время термомеханического процесса, рецептура и др. [3].
Цель исследований
Несмотря на то что известен опыт использования резиновой крошки в составе асфальтобетонных смесей, практически нет исследований применения этой добавки для производства асфальтобетона, эксплуатируемого в I дорожно-климатической зоне.
ФКУ «Управление федеральных автомобильных дорог "Южный Байкал"» Федерального дорожного агентства совместно с ВСГУТУ провело комплекс исследований и опытно-промышленную апробацию по применению резинобитумного вяжущего (РБВ) для устройства верхнего слоя асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги.
Материалы и методы исследований
Авторами были проведены исследования влияния резинобитумного вяжущего VitaRubix на свойства асфальтобетонной многощебенистой смеси типа А марки 1. Подбор смеси осуществлялся в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-2013, ГОСТ 12801-98 и рекомендацией по приготовлению и применению горячих асфальтобетонных смесей с использованием гранулированного резинобитумного вяжущего ДМД 02190.2.069-2013 [4].
Добавка VitaRubix представляет собой высококонцентрированный резиномодифициро-ванный битум с содержанием резины до 55% в виде отдельных гранул с размером 0-20 мм и насыпной плотностью 800 кг/м3, приготовленный горячим способом в специальной установке. В процессе приготовления добавки в результате длительного воздействия повышенной температуры происходит полное растворение резины в битуме. Сырьем для производства вяжущего
используется резиновый порошок с размерами частиц не более 0,8 мм, полученный при утилизации изношенных шин или вулканизованных отходов резинотехнических изделий.
Исходя из теоретического и практического опыта, введение резиновой крошки в асфальтобетонные смеси осуществляется двумя способами - «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе введения крошки в асфальтобетонную смесь сначала готовят резинобитумное вяжущее, а затем вводят вяжущее в асфальтобетонную смесь. Основными недостатками такого способа являются расслоение смеси в процессе транспортировки и риск засорения трубопроводов асфальтобетонного завода. При введении «сухим» способом схема приготовления асфальтобетонных смесей практически не меняется: резиновую крошку вводят на стадии перемешивания минеральной части, затем добавляется органическое вяжущее, после чего смешивание продолжается. За этот период резиновые частицы распадаются в горячем битуме на микроблоки, поверхность которых во время перевозки и укладки дополнительно набухает и разрыхляется с одновременным образованием химических связей между резиновыми кластерами и молекулами битума. Таким образом, в асфальтобетонной смеси образуется структурированное на микро- и наноуровне резинобитумное вяжущее, не проявляющее тенденции к расслаиванию и обладающее высокими адгезионными свойствами [5]. Добавка VitaRubix вводилась в асфальтобетонную смесь «сухим» способом.
Для получения модифицированного асфальтобетона использовался битум нефтяной дорожный вязкий БНД 90/130 производства АО «Ангарская нефтехимическая компания», характеристики которого представлены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики битума нефтяного дорожного
Требования
Наименование показателя ГОСТ 22245-90, письма ОБ ГОСТ 33133-2014 (для марки БНД 100/130) Фактические значения
Глубина проникания иглы, 0,1 мм:
- при 25°С 91-130 105,0
- при 0 °С не менее 28 28,6
Температура размягчения по кольцу
и шару, °С не ниже 43 45,0
Растяжимость, см: не менее
- при 25°С 65 100,0
- при 0 °С 4,0 4,3
Температура хрупкости, °С не выше -17 - 24,0
Температура вспышки, °С не ниже 230 288,0
Изменение температуры размягчения не более 3,9
после прогрева, °С 5
Индекс пенетрации от -1,0 до +1,0 - 0,64
Изменение массы образца после ста-
рения, % не более 0,7 для марки БНД 100/130 0,5
Изменение температуры размягчения
после старения, °С не более 7 для марки БНД 100/130 5
Результаты исследований
В лабораторных условиях были приготовлены смеси четырех составов с разным содержанием битума, добавки VitaRubix, минерального заполнителя для получения традиционного мелкозернистого асфальтобетона типа А марки 1 (табл. 2, 3).
Таблица 2
Подбор состава асфальтобетонной смеси
Состав №1 Состав №2
Состав Состав
Наименование материала минеральной части Наименование материала минеральной части
смеси сверх 100% смеси сверх 100%
Щебень 5-10 23,92 Щебень 5-10 23,92
Щебень 10-20 34,33 Щебень 10-20 34,33
Песок отсевов дробления 35,75 Песок отсевов дробления 35,75
Минеральный порошок 6,00 Минеральный порошок 6,00
Битум 90/130 5,50 Битум 90/130 5,00
Таблица 3
Подбор состава асфальтобетонной смеси с применением гранулированного резинобитумного вяжущего
Состав №3 Состав №4
Состав Состав
Наименование материала минеральной части смеси сверх 100% Наименование материала минеральной части смеси сверх 100%
Щебень 5-10 23,92 Щебень 5-10 23,92
Щебень 10-20 34,33 Щебень 10-20 34,33
Песок отсевов дробления 35,75 Песок отсевов дробления 35,75
Минеральный порошок 6,00 Минеральный порошок 6,00
Битум 90/130 5,00 Битум 90/130 4,90
Добавка - гранулированное резино-битумное вяжущее 0,6 Добавка - гранулированное резинобитумное вяжущее 0,5
Для равномерного распределения гранулированного резинобитумного вяжущего в асфальтобетонной смеси в испытательной лаборатории применялся лабораторный смеситель. Дозирование добавки производилось в разогретый до рабочей температуры минеральный материал, время перемешивания с которым составляло 15 с.
Результаты испытаний традиционного асфальтобетона и асфальтобетона с гранулированным резинобитумным вяжущим приведены в таблице 4.
Таблица 4
Результаты испытаний традиционного асфальтобетона и асфальтобетона с гранулированным резинобитумным вяжущим
Наименование показателей Состав №1 БНД 90/130 5,5% Состав №2 БНД 90/130 5,0% Состав №3 с РБВ 0,6% БНД 90/130 5% Состав №4 с РБВ 0,5% БНД 90/130 4,9%
Предел прочности при сжатии при 50 °С, МПа 1,3 1,1 2,2 2,1
Предел прочности при сжатии при 20 °С, МПа 3,8 3,8 5,8 5,7
Предел прочности при сжатии при 0 °С, МПа 7,0 7,1 8,7 8,7
Продолжение таблицы 4
Водостойкость 0,96 0,96 0,96 0,96
Сдвигоустойчивость: - по коэффициенту внутреннего трения, не менее; - по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С, МПа 0,94 0,40 0,93 0,38 0,96 0,48 0,93 0,45
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин, МПа 4,9 5,0 3,76 4,26
Водонасыщение по объему, % 3,30 3,50 2,20 2,60
Средняя плотность, г/см3 2,34 2,34 2,36 2,36
Анализ полученных результатов показал, что все серии образцов соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2013. При этом введение резинобитумного вяжущего, обусловливающее изменение структуры вяжущего, приводит к изменению физико-механических свойств асфальтобетона: образцы на основе резинобитума характеризуются повышенными по сравнению с исходным асфальтобетоном прочностными характеристиками при различных температурах.
Увеличение содержания РБВ до оптимума -0,5-0,6% сопровождается эффектом прироста прочности при 50°С на 91 и 100% соответственно. При снижении температуры испытания до 20°С прирост прочности в зоне оптимума составляет 50-53%. Морозостойкость асфальтобетона на гранулированном резинобитумном вяжущем выше по сравнению с традиционным асфальтобетоном в среднем на 3-5%.
В работе [6] высказано предположение о том, что модифицирующий эффект в битуме достигается за счет высвобождаемого из резиновой крошки каучука. При этом существует оптимальное время процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, при котором количество высвободившегося каучука, с учетом параллельно протекающего процесса его деструкции, имеет экстремум. В этом случае резинобитумные вяжущие должны обладать наилучшими физико-химическими характеристиками.
Температурный интервал, в котором асфальтобетон остается в упруго-пластичном состоянии, можно охарактеризовать коэффициентом температурной чувствительности, рассчитываемым как отношение прочности при 50°С к прочности при 0°С. Сопротивление асфальтобетона нагрузкам при высоких температурах характеризуется коэффициентом теплостойкости, который рассчитывается как отношение прочности при 50°С к прочности при 20°С (рис. 1, 2). _
Коэффициент Кт.ч. R50°C/R0°C
0,18 0,15 _н
Состав №1 Состав №2 Состав №3 Состав №4
Рисунок 1 - Изменение коэффициента температурной чувствительности при изменении состава асфальтобетонной смеси
0,4 0,2
0
Коэффициент теплостойкости Кт R50/R20
0,28
Состав №1 Состав №2 Состав №3 Состав №4
0,37
0,36
0,34
0,37 0,29 0,21 0,13 0,05 -0,03
Рисунок 2 - Изменение коэффициента теплостойкости при изменении состава асфальтобетонной смеси
Введение РБВ повышает коэффициент температурной чувствительности асфальтобетона. При введении 0,5-0,6 % РБВ коэффициент увеличивается в 1,60-1,66 раза по сравнению с бездобавочным составом. Это связано с уменьшением количества битума в объемном состоянии, более полным переводом его в структурированное состояние, в результате асфальтобетон будет оставаться в упруго-пластичном состоянии в большем диапазоне температур, меньше подвергаться трещинообразованию, выдержит большее количество знакопеременных колебаний температуры воздуха.
Введение РБВ улучшает коэффициент теплостойкости асфальтобетона. При введении РБВ в количестве 0,5-0,6% коэффициент теплостойкости увеличился в 1,28-1,32 раза, что уменьшит риск возникновения пластических деформаций, возникающих в летний период эксплуатации дорожного покрытия.
Апробация технологии получения модифицированного асфальтобетона с применением резинобитумных вяжущих в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Дорстройсервис», г. Улан-Удэ, Республики Бурятия. Разработанный модифицированный асфальтобетон использовался для устройства верхнего слоя покрытия на ПК 3+00 - ПК 4+00 при реконструкции автомобильной дороги Р-258 «Байкал» Иркутск - Улан-Удэ - Чита км 464+550 - км 470+590, Республика Бурятия. Коллективу кафедры ПСМИ ВСГУТУ совместно с ФКУ «Упрдор "Южный Байкал"» и лабораторией ООО «Дорстройсервис» предстоит провести мониторинг состояния участка автомобильной дороги с целью доказательства эффективности применения резинобитумного вяжущего для устройства покрытий автомобильных дорог в I дорожно-климатической зоне.
Заключение
1. Выявлено, что использование гранулированного резинобитумного вяжущего в количестве 0,5-0,6% от массы битума является оптимальным содержанием в асфальтобетонной смеси и ведет к улучшению свойств асфальтобетонных горячих смесей по ряду показателей по сравнению с аналогичными составами без добавки.
2. Использование резиновой крошки в составе асфальтобетона является эффективным направлением в решении задач ресурсосбережения, так как позволяет не только продлить сроки службы дорожных асфальтобетонных покрытий наряду с улучшением экологической ситуации, но и решить задачу использования техногенных отходов - изношенных автомобильных шин.
Библиография
1. СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» // Дата введения 01.01.1987. - Приложение 1.
2. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. et al. Effects of mixture design variables on rubber- bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P.97-103.
3. Шабаев С.Н. Параметр оптимизации процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом // Вестник ВСГУТУ. - 2017. - № 3 (66). - С. 28-32.
4. Рекомендации по приготовлению и применению горячих асфальтобетонных смесей с использованием гранулированного резинобитумного вяжущего. - Минск: Изд-во БелдорНИИ, 2013.
5. Анализ эффективности применения ГРБВ «VitaRubix» для улучшения физико-механических показателей асфальтобетонных смесей: отчет по НИР. - Уфа, 2015.
6. Шабаев С.Н., Иванов С.А. Исследование влияния технологического режима получения композиционных резинобитумных вяжущих на их свойства // Приволжский научный журнал. - 2016. - № 3. - С. 53-62.
Bibliography
1. Set of rules and regulations 2.05.02-85 «Highways»// Date of introduction 01.01.1987. - Supplement 1.
2. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. et al. Effects of mixture design variables on rubber- bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P.97-103.
3. Shabaev S.N. An optimization parameter of the combining process of rubber crumb with oil bitumen // Bulletin of ESSUTM. - 2017. - N 3 (66). - P. 28-32.
4. Recommendations for the preparation and use of hot asphalt-concrete mixtures using a granulated rubber-bitumen binder. - Minsk: Beldor Research Institute, 2013.
5. Analysis of the effectiveness of the application of "VitaRubix" to improve the physical and mechanical properties of asphalt mixtures: report on research. - Ufa, 2015.
6. Shabaev S.N., Ivanov S.A. Investigation of the influence of the technological mode of obtaining composite rubber-bitumen binders on their properties // Privolzhskiy Scientific Journal. - 2016. - N 3. - P. 53-62.
