Технология получения высокопрочных резинированных асфальтобетонов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 625.861

Р.М. ЧЕРСКОВ, канд. техн. наук, заместитель начальника отдела лабораторного контроля и сопровождения строительства, К.А. ДЬЯКОВ, канд. техн. наук, заместитель начальника испытательной лаборатории, ОАО «Тоннельный отряд № 44»; Е.В. ЗИНЧЕНКО, инженер, Федеральное государственное учреждение дирекция строительства дорог «Черноморье» (г. Сочи, Краснодарский край)

Технология получения высокопрочных резинированных асфальтобетонов

Конструкция дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием на основаниях из цементобетона характеризуется высокой несущей способностью и комфортабельными условиями движения, обусловленными сочетанием преимуществ конструкций жесткого и нежесткого типов. Поэтому, получившая широкое распространение с 50-х гг. прошлого века, она применяется практически во всех развитых странах для дорог высоких технических категорий.

При имеющихся преимуществах устройство жесткого слоя в основании за счет повышения распределяющей способности позволяет избавиться от проблемы накопления остаточных деформаций в несвязных слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна. Основным недостатком таких конструкций является практически неизбежное образование отраженных трещин на покрытии. В связи с этим возникает необходимость в дополнительных мероприятиях по обеспечению трещиностойкости асфальтобетона, основными из которых являются:

— армирование асфальтобетона (георешетками, металлической сеткой и т. д.);

— увеличение толщины пакета асфальтобетонных слоев;

— повышение деформативности асфальтобетона;

— устройство различного рода прокладок над швами

бетонного основания.

Повышение деформативности асфальтобетона имеет ряд преимуществ, среди которых можно отметить:

1. Возможность сокращения толщины пакета асфальтобетонных слоев. Поскольку цементобетонный слой достаточной толщины обеспечивает высокую и малозависимую от влажности грунта земляного полотна несущую способность дорожной конструкции, необходимость устройства толстого пакета асфальтобетонных слоев оправданна только с точки зрения борьбы с отраженными трещинами.

2. Уменьшение времени строительства за счет устройства более тонких слоев.

3. Сокращение абсолютной величины пластических деформаций, накапливаемых в слоях асфальтобетона, связанное со снижением толщины асфальтобетонного пакета.

Необходимо обратить особое внимание на опыт США, где во многих штатах основным направлением борьбы с образованием отраженных трещин стало повышение деформативности асфальтобетона за счет введения дробленой резины. В результате проведения лабораторных экспериментов и обследования опытных участков установлены следующие преимущества использования резинированных асфальтобетонов:

1. Повышенная устойчивость к колееобразованию, что связано с более высокой вязкостью резино-битумного вяжущего и использованием прерывистой гранулометрии с высоким содержанием щебня.

2. Повышенная стойкость к образованию температурных, отраженных и усталостных трещин, что связано с более толстыми пленками вяжущего.

3. Повышенные фрикционные свойства поверхности.

4. Снижение шума, что особенно важно в городских условиях или в случае, если вблизи дороги находится жилая застройка.

5. Придание покрытию демпфирующих свойств, которые проявляются в поглощении асфальтобетонным слоем динамических воздействий, пагубно влияющих на нижележащие слои.

6. Сбережение энергетических и природных ресурсов за счет использования резины из изношенных автомобильных шин, накопление которых представляет серьезную экологическую угрозу.

В результате сравнения сухого, когда добавка вводится непосредственно в асфальтосмеситель, и мокрого, когда добавка подается в битум, способов введения дробленой резины предпочтение отдано мокрому способу как более надежному и дающему стабильный положительный эффект. Но в то же время отмечается и ряд недостатков, основными из которых являются:

1. Высокая стоимость, обусловленная необходимостью приобретения дорогостоящего оборудования, сложностью технологии производства резинобитумно-го вяжущего и большими энергозатратами.

2. Поскольку резинобитумное вяжущее имеет повышенную вязкость при высоких значениях температуры, достаточного уплотнения асфальтобетонного слоя возможно достичь только при строгом соблюдении температурных режимов для каждой технологической операции.

3. Необходимость четкой увязки производства рези-нобитумного вяжущего и асфальтобетонной смеси для поддержания выпуска смеси заданного уровня.

Что касается вредных выделений при производстве и укладке резинированных асфальтобетонных смесей, то проведенные в США исследования показали, что количество и состав выделений (газообразных веществ и микрочастиц) остаются практически такими же, как у традиционных асфальтобетонных смесей.

Исследовательские и опытно-производственные работы по применению в асфальтобетоне резины, в основном полученной в результате переработки изношенных шин, проводили и в нашей стране (А.И. Лысихина, Г.К. Сюньи, А.В. Руденский и др.).

В результате проведенных исследований было отмечено, что при перемешивании битума с резиной в течение 2—3 ч при 160—180оС резина претерпевает существенные изменения свойств, сопровождающиеся потерей эластичности.

Исследования Б.М. Слепой [1], основанные на введении резинового порошка (частицы менее 1 мм) в количестве 2—3% непосредственно в минеральный материал до его объединения с битумом, показали, что в этом случае

14

октябрь 2011

iA ®

резина не подвергается деструкции и в наибольшей степени сохраняет эластические свойства. Вводимый таким образом резиновый порошок создает в асфальтобетоне развитую систему центров эластичности, способствующую существенному улучшению его структурно-механических свойств. Также было установлено, что резиновый порошок оказывает на битум более выраженное в сравнении с обычно применяемым известняковым минеральным порошком структурирующее действие, которое отражается в упрочнении асфальтобетона, особенно при высокой эксплуатационной температуре. Но наиболее характерным свойством резинированных асфальтобетонов является их повышенная эластичность в широком интервале температуры, которая обеспечивает асфальтобетону высокую деформативность при низких значениях эксплуатационной температуры.

Сделанные выводы также подтверждаются акустическими исследованиями, которые показали повышенные характеристики усталостной долговечности, демпфирующей способности (что особенно важно там, где возникают значительные динамические воздействия, — для дорожных покрытий на мостах, в трамвайных путях и т. д.) и шумопоглощающих свойств резинированных асфальтобетонов.

Применение резинового порошка в силу особенностей его взаимодействия с битумом позволяет изменить поровую структуру, а также коррозионные свойства асфальтобетонов (на порядок понижается коэффициент фильтрации и на 20—30% увеличивается коэффициент морозостойкости).

Исследования, проведенные в нашей стране, еще раз показали целесообразность применения резинированных асфальтобетонов. Построенные в различных климатических районах страны участки дорожных покрытий с применением резинового порошка имели высокие эксплуатационные показатели.

На основе проведенных исследовательских и опытных работ Союздорнии разработаны «Методические рекомендации по строительству асфальтобетонных покрытий с применением дробленой резины» [2] и «Методические рекомендации по применению асфальтобетонных смесей с полимерными отходами промышленности» [3], а также включен пункт в «Пособие по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов (к СНиП 3.06.03—85 и СНиП 3.06.06—88)». Однако опыт строительства и обследование участков, устроенных с применением рези-нированных асфальтобетонных смесей, выявили и ряд негативных моментов, которые послужили отказом в США от сухого способа и затормозили применение таких смесей в нашей стране. Было замечено, что ничем не связанная резиновая крошка выкрашивалась из покрытий, а из-за использования традиционных плотных смесей с непрерывным гранулометрическим составом возникали случаи разуплотнения асфальтобетона, поскольку сжатые при уплотнении резиновые частицы создавали внутреннее давление после снятия уплотняющей нагрузки.

В конце 90-х гг. прошлого века уже в России вновь возобновляется интерес к применению дробленой резины в асфальтобетонах. Появляются готовые резино-битумные вяжущие с различной концентрацией резины «БИТРЭК» и «БРИТ», в которых резиновые частицы стабилизированы в битуме различными химическими реагентами. Но если в США более дорогой и проблематичный мокрый способ получения резинированных асфальтобетонов оправдал себя за счет продления срока службы дорожных покрытий, то для российских дорожников начальная стоимость и максимальное использование имеющегося оборудования являются определяющими факторами при выборе материалов и использова-

ние готового резинобитумного вяжущего на данный момент весьма проблематично. Поэтому в последнее время стало все больше появляться исследований, направленных на совершенствование сухого процесса введения дробленой резины в асфальтобетонные смеси за счет повышения дисперсности резины и обработки ее поверхности химическими веществами — активаторами девулканизации. Результатом этих исследований стала разработка модифицирующих добавок УНИРЭМ и КМА, представляющих собой высокодисперсный резиновый порошок с развитой поверхностью, обработанной химическими реагентами, которые вводятся непосредственно в асфальтосмеситель. Однако при простоте технологии введения этих добавок они не решают основную проблему высокой стоимости резинирован-ного асфальтобетона.

Таким образом, на данном этапе развития дорожной отрасли в России для успешного развития технологии резинированных асфальтобетонов помимо обеспечения повышенных качественных характеристик необходимо значительное снижение их стоимости.

Анализ результатов зарубежных и отечественных исследований позволил выделить ряд условий для обеспечения высокого качества таких асфальтобетонных смесей:

1. Соблюдение температурно-временных режимов взаимодействия битума с резиной: время реагирования дробленой резины (размер частиц до 0,63 мм) с битумом при 170—200оС не менее 45 мин и не более 3 ч.

2. Использование прерывистой гранулометрии, позволяющей обеспечить размещение толстых пленок резинобитумного вяжущего в межзерновом пространстве минерального скелета. В результате многочисленных исследований и наблюдения за опытными участками было установлено, что применение резинированных асфальтобетонных смесей с непрерывным гранулометрическим составом, характерным в нашей стране для традиционных плотных смесей по ГОСТ 9128, неэффективно из-за слишком мелких пор, не способных разместить набухшие резиновые частички, которые будучи сжаты при уплотнении после снятия нагрузки, вызывают разуплотнение материала. Наиболее эффективно применение резиновой крошки в смесях каркасной структуры с прерывистым гранулометрическим составом (щебеночно-мастичные, вибролитые асфальтобетонные смеси). Толстые пленки резинобитумного вяжущего с набухшими резиновыми частицами свободно размещаются в межкаркасных пустотах высокощебенистых смесей при их уплотнении.

3. Использование различных полимерных добавок (каучуков или термопластичных полимеров), стабилизирующих частицы резины в битуме.

4. Размер дробленой резины должен быть менее 0,63 мм.

Основываясь на этих принципах, в результате проведения многочисленных экспериментов авторами статьи были разработаны резинированные щебеночно-мастич-ные и вибролитые асфальтобетонные смеси, получаемые сухим способом. Особенность этих смесей в структуре и свойствах связующего вещества.

Как известно, минеральный порошок является важнейшим структурирующим компонентом асфальтобетона, на долю которого приходится до 90—95% суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетона. Основное назначение минерального порошка как наполнителя битума состоит в том, чтобы переводить объемный битум в пленочное состояние, тем самым повышая его вязкость и прочность. Вместе с битумом минеральный порошок образует структурированную дисперсную систему, которая и выполняет роль вяжущего материала в асфальтобетоне [4]. Основываясь на этом, П.В. Сахаров предлагал проектировать асфальтобетон по предварительно подобранному составу

24

Рис. 1. Физико-механические свойства различных вяжущих веществ

асфальтового вяжущего вещества. Количественное соотношение битума и минерального порошка в асфальтовом вяжущем подбирали экспериментально в зависимости от показателя пластической деформации (методом водоупорности) и от предела прочности при растяжении образцов-восьмерок. Учитывали также и термоустойчивость асфальтового вяжущего вещества сопоставлением показателей прочности при 30, 15 и 0оС. На основании экспериментальных данных было рекомендовано придерживаться величин отношения битума к минеральному порошку по массе (Б/МП) в пределах 0,5—0,2. Но если при таких соотношениях составы обычных асфальтобетонных смесей характеризовались повышенным содержанием минерального порошка, то для щебеночно-мастичных и вибролитых смесей такие соотношения являются оптимальными и подход П.В. Сахарова может быть весьма эффективным при проектировании этих асфальтобетонных смесей.

Учитывая тот факт, что дробленая резина в сравнении с известняковым минеральным порошком оказывает на битум более выраженное структурирующее действие, авторы статьи пошли по пути замены асфальтового вяжущего вещества на полимерно-резинобитумное, в котором набухшая резиновая крошка создает центры эластичности, связанные прочным полимерно-битумным вяжущим. Предполагалось, что термопластичный полимер позволит значительно увеличить теплостойкость вяжущего, а резиновая крошка, набухшая в битумных маслах, повысит его деформативность при низких значениях температуры и/или высоких скоростях деформирования.

В качестве дробленой резины использовали резиновую крошку с размером частиц до 0,63 мм, получаемую путем дробления изношенных шин, а в качестве полимерной добавки по результатам исследований был выбран полиолефиновый модификатор из вторичного сырья. Исследованию влияния этого класса полимеров на свойства битума и асфальтобетона, а также технологии их совмещения с битумом посвящен ряд работ [5, 6], в которых обосновывается возможность их применения в качестве модификатора битумов и отмечается положительное влияние на сдвигоустойчивость асфальтобетона.

Для обоснования эффективности замены в асфальтобетонных смесях асфальтового вяжущего на поли-мерно-резинобитумное вяжущее были приготовлены следующие составы:

№ 1. Асфальтовое вяжущее (33,3% битума и 66,7% минерального порошка), характерное для традиционных щебеночно-мастичных и вибролитых асфальтобетонов.

№ 2. Асфальтовое вяжущее на основе полимерно-битумного вяжущего (ПБВ), состоящего из 3% SBS и 97% битума (33,3% ПБВ и 66,7% минерального порошка).

№ 3. Резинобитумное вяжущее (15% дробленой резины и 85% битума), характерное для смесей, применяемых в США.

№ 4. Полимерно-резинобитумное вяжущее (5% полиэтилена, 15% дробленой резины и 80% битума), характерное для разработанных смесей.

При этом использовали следующие материалы: битум БНД 60/90, активированный минеральный порошок, дробленую резину с размером частиц до 0,63 мм, гранулированный вторичный линейный полиэтилен высокого давления, стирол-бутадиен-стирольный тер-моэластопласт SBS в виде порошка фирмы «Кратон».

В дальнейшем эти составы подвергали стандартным испытаниям для дорожных битумов. Определение температуры размягчения для полимерно-резинобитумного вяжущего проводили в растворе поваренной соли, имеющем повышенную температуру кипения.

Результаты проведенных испытаний (рис. 1) показали, что резинобитумное вяжущее, не уступая по высокотемпературным свойствам, значительно превосходит асфальтовые вяжущие, даже приготовленные с использованием полимерно-битумного вяжущего на основе SBS, по низкотемпературным свойствам и способности к эластичным деформациям: более чем в 2 раза снижается температура хрупкости; в 3,3 раза повышается дуктиль-ность при 0оС; в 1,7 раза увеличивается эластичность. Дополнительное введение в резинобитумное вяжущее полиолефинового модификатора из вторичного сырья позволяет значительно повысить его высокотемпературные свойства без существенного снижения низкотемпературных свойств: по сравнению с асфальтовым вяжущим на основе ПБВ полимерно-резинобитумное вяжущее имеет в 1,36 раза большую температуру размягчения, но при этом температура хрупкости ниже в 2,25 раза, дук-тильность при 0оС больше в 2,08 раза, а эластичность выше в 1,8 раза. Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что с помощью введения различного количества полиолефинового модификатора возможно регулировать высокотемпературные свойства материала в зависимости от климатических условий района строительства.

научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~J\ilj■\i>\Z 16 октябрь 2011 ы ®

Рис. 2. Физико-механические свойства щебеночно-мастичных асфальтобетонов

Преимущества полимерно-резинобитумного вяжущего вытекают из особенностей его структуры. Известняковый минеральный порошок в связи с его пористой структурой обладает высокой абсорбционной способностью, что выражается в избирательном поглощении наиболее легких составляющих битума, масел и сходных с ними по структуре смол. Таким образом, битум в асфальтобетонной смеси становится более жестким и подверженным низкотемпературному трещинообразованию. Полимерно-резиновая составляющая в отличие от минерального порошка иначе действует на свойства битума. Хотя мальтеновые составляющие также частично поглощаются полимерными компонентами, при этом происходит пластификация последних, и повышение жесткости битума сопровождается улучшением деформативности эластичных центров, образуемых резиновыми частицами и полимерными глобулами.

Таким образом, исследования вяжущих подтвердили теоретические предпосылки высокой эффективности замены асфальтового вяжущего на полимерно-резино-битумное. В дальнейшем решался вопрос оптимизации гранулометрического состава резинированных асфальтобетонов и способа их получения.

Как уже отмечалось, в западных странах для получения резинированных асфальтобетонных смесей наиболее эффективным признан мокрый процесс, т. е. предварительное получение резинобитумного вяжущего с последующей его подачей в асфальтосмеситель, а с точки зрения оптимизации структуры резинированного асфальтобетона наилучшим образом себя зарекомендовали прерывистый и открытый гранулометрические составы. Учитывая опыт этих стран в исследованиях, основной упор также сделан на смеси с прерывистой гранулометрией — щебеночно-мастичные и вибролитые, которые обеспечивают свободное размещение набухших резиновых частиц в межзерновых пустотах. Что касается получения смесей, то по перечисленным выше причинам основным направлением стало усовершенствование сухого процесса, при котором дробленая резина подается непосредственно в асфальтосмеситель.

В ходе проведения поисковых работ была разработана технология получения резинированных асфальтобетонных смесей, которая предусматривает подачу полимера и резиновой крошки в асфальтосмеситель и практически не требует переоборудования производства. Необходима лишь установка дозаторов для полимера и дробленой резины, а при дозировании последней через систему подачи минерального порошка, потребность в котором для резинированных асфальтобетонов отпадает, только для полимера. При этом необходимо учесть, что в связи с интенсивным развитием в нашей стране щебеночно-мастичных асфальтобетонов большинство заводов уже переоборудовано и может использоваться для производства разработанных резинированных смесей.

Для сравнительной оценки свойств традиционных и разработанных смесей были приготовлены следующие составы, %.

1. Щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь

ЩМА 15 по ГОСТ 31015:

Щебень фр. 10-15 - 52

Щебень фр. 5-10 - 20

Песок из отсевов дробления - 18

Минеральный порошок - 13

Битум БНД 60/90 - 6,1 Стабилизирующая добавка ^а^р 66 - 0,45

2. Резинированная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь РЩМА 15:

Щебень фр. 10-15 - 58

Щебень фр. 5-10 - 19

Песок из отсевов дробления - 23

Битум БНД 60/90 - 6,5

Дробленая резина - 1,6

Полиолефиновый модификатор - 0,6

3. Вибролитая асфальтобетонная смесь (II тип) по ТУ 5718-002-04000633-2006:

Щебень фр. 5-20 - 45

Песок из отсевов дробления - 25

Природный песок - 13

Минеральный порошок - 17

Битум БНД 40/60 - 7,5

1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

I

I

7,01

ВЛА (тип II)

РВА 20

ВЛА (тип II)

РВА 20

ВЛА (тип II)

РВА 20

,7 ,6 1,5 ,4 1,3 ,2 ,1 4

ВЛА (тип II)

РВА 20

ВЛА (тип II)

РВА 20

-в--е-

0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

ВЛА (тип II) РВА 20

Рис. 3. Физико-механические свойства вибролитых асфальтобетонов

4. Вибролитая резинированная асфальтобетонная смесь РВАС 15:

Щебень фр. 5-20 - 68

Песок из отсевов дробления - 23

Природный песок - 9

Битум БНД 60/90 - 9,13

Дробленая резина - 1,43

Полиолефиновый модификатор - 0,44 Результаты экспериментальных исследований свойств, полученных по разработанной технологии щебеночно-мастичных и вибролитых асфальтобетонов, показали значительное превосходство этих материалов по сравнению с традиционными. Хотя стандартные методы определения прочностных характеристик асфальтобетонов малопригодны для оценки их поведения в слоях дорожных одежд, при определенных условиях и они бывают информативны. Так, например, основываясь на пределе прочности при сжатии при 50оС, по которому оценивается поведение асфальтобетона при высокой летней температуре, асфальтобетон типа В является более теплостойким материалом, чем асфальтобетон типа А, хотя практика показывает обратное. Причина здесь кроется в том, что этот показатель характеризует когезионную прочность растворной части и не учитывает сопротивления пластическим деформациям щебеночного каркаса. С другой стороны, при сравнении асфальтобетонов с близкой структурой каменного остова этот показатель может дать информацию для оценки высокотемпературных свойств асфальтобетонов. Таким образом, если традиционные прочностные показатели и требуют совершенствования для адекватной оценки поведения материала в слоях дорожной конструкции, они пока остаются единственными стандартизированными характеристиками для производственников, и мы также будем ими пользоваться.

Сравнение производили со смесями, имеющими схожие показатели остаточной пористости и водонасы-щения, которые для ЩМА смесей находились в пределах 3-2,5% соответственно, а для вибролитых смесей — 0,5-0,25%.

Итак, из данных, представленных на рис. 2 и 3, видно, что разработанные резинированные смеси имеют повышенные значения прочности при 50оС и теплостойкости, что говорит об их высокой деформационной устойчивости (сдвигоустойчивости) при повышенных значениях летней температуры и деформативности (трещиностойкости) при низкой зимней. За счет высокой адгезии резинобитумного вяжущего значительно повышается коррозионная стойкость смесей.

Необходимо отметить, что разработанный материал, как и любой новый продукт, после доказательства его эфффективности в ходе проведения лабораторных исследований требует производственной апробации с построением опытных участков и контролем за их состоянием в течение нескольких лет.

Ключевые слова: резинированный асфальтобетон, ре-зинобитумные вяжущие, трещинопрерывающие слои, долговечность асфальтобетонных покрытий.

Список литературы

1. Слепая Б.М. Исследование влияния резинового порошка на свойства дорожного асфальтобетона. М.: Союздорнии, 1972. 17 с.

2. Методические рекомендации по строительству асфальтобетонных покрытий с применением дробленой резины. М.: Союздорнии, 1985.

3. Методические рекомендации по применению асфальтобетонных смесей с полимерными отходами промышленности. М.: Союздорнии, 1986.

4. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуславский А.М., Королев И.В. Дорожный асфальтобетон. М.: Транспорт, 1985. 350 с.

5. Бонченко Г.А. Асфальтобетон. Сдвигоустойчивость и технология модифицирования полимером. М.: Машиностроение, 1994. 176 с.

6. Кирюхин Г.Н. Проектирование состава асфальтобетона и методы его испытаний // Автомоб. дороги и мосты: Обзорн. информ. / М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», вып. 6. 2005. 96 с.

4

3

4

2

2

0

0

научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~ J\ilг\i>\Z 18 октябрь 2011 ы ®