Восстановление асфальтобетонных покрытий методом холодного ресайклинга и добавками химических веществ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691. 168: 666. 964. 3

В. С. Прокопец, С. Ф. Филатов, Т. Л. Иванова, М. В. Тарасова, Л. В. Поморова

Восстановление асфальтобетонных покрытий методом холодного ресайклинга и добавками химических веществ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) 644080, г. Омск, пр. Мира, 5

Исследовано влияние вводимых в смесь химических добавок и технологических и климатических факторов на конечные свойства дорожного покрытия из регенерированного асфальтобетона.

Ключевые слова: асфальтобетон, дорожные покрытия, химические добавки

Традиционный ремонт асфальтобетонных покрытий проводится путем их выравнивания асфальтобетонной смесью и устройством дополнительного слоя усиления. В результате материал старых слоев частично становится балластом и источником появления отраженных трещин в новом покрытии.

Современный способ ремонта — это способ холодной регенерации асфальтобетонов.

Технология холодной регенерации заключается в измельчении материала старого асфальтобетонного покрытия посредством холодного фрезерования, перемешивания смеси на дороге (с добавлением или без добавления химических добавок), распределения смеси в виде слоя и уплотнении.

Способ холодной регенерации дорожной одежды получил существенное развитие в 70—80-х годах в США. Затем, начиная с 80-х годов, технология холодной регенерации получила свое развитие в Европе.

Отечественный опыт по технологии холодной регенерации невелик.

Технологические особенности холодной регенерации у нас в стране изложены в работах Г. С. Бахраха, выполненных в РосДорНИИ 1. Измельченный асфальтобетон назван асфальтобетонным гранулятом (АГ), а его смесь с добавлением (или без добавления) регенерирующих добавок образуют в уплотненном виде разновидность бетона — ас-фальтогранулобетон (АГБ).

Анализ опыта холодной регенерации у нас в стране и за рубежом показал, что наибольшее распространение получили комплексные регенерирующие добавки с использованием цемента и битумной эмульсии, а также жидкого битума.

К основным недостаткам применения цемента можно отнести следующие: появление температурных и усадочных трещин; более низкую морозостойкость; отсутствие механизма залечивания; короткий период обработки смеси (2—3 ч); запрещение движения транспорта по регенерированному слою до 2 сут.

При использовании жидких битумов движение может быть открыто сразу после уплотнения слоя. Основные недостатки покрытия на основе жидких битумов: невысокая прочность материала; зависимость от температуры, пластичность.

Проведенные ранее исследования по разработке технологии холодной регенерации асфальтобетонов на дороге не учитывают использование регенерирующих добавок на основе медленнотвердеющих минеральных вяжущих и вязкого битума, разжиженного легкими углеводородными разжижителями, как раздельно, так и применение их в комплексе.

Не изучено комплексное влияние погодных и технологических факторов на свойства конструктивных слоев с применением таких регенерирующих добавок.

Композиционный материал, в частности, АГБ, применяемый для устройства конструктивных слоев дорожной одежды, должен обладать достаточно высокой прочностью, водо-и морозостойкостью, устойчивостью против образования трещин и пластических деформаций, то есть высокой деформативной способностью. Такой материал может быть получен на основе комплексного вяжущего, состоящего из медленнотвердеющего минерального вяжущего (МТМВ) и органического вяжущего. Довольно высокие прочностные и деформатив-ные свойства материала из МТМВ объясняются образованием при медленном твердении гелевидных гидросиликатов кальция. Гелевид-ные гидросиликаты кальция после полного их уплотнения не уступают по прочностным показателям кристаллогидратным новообразованиям, по деформативным же свойствам даже

превосходят, так как имеют в отличие от крис-

2

таллогидратов волокнистую структуру 2.

Дата поступления 16.05.06

Органическое вяжущее, в частности, разжиженный битум, повышает водо- и морозостойкость, залечивает микротрещины, возникающие в минеральном камне.

К медленно твердеющим минеральным вяжущим относятся доменные и фосфорные гранулированные шлаки, белитосодержащие шламы (бокситовые и нефелиновые), малоактивные золы теплоэлектростанций.

В асфальтогранулобетонных смесях, перемешиваемых и уплотняемых в холодном состоянии, целесообразно применение битумов, разжиженных сравнительно легкими углеводородными разжижителями (керосином), которые обеспечивают относительно высокую скорость загустевания вяжущего.

Благодаря низкой вязкости разжиженного битума на 1 стадии, он обволакивает тонкой пленкой гранулы и зерна, а также частично пластифицирует старый битум в асфальтогра-нуляте за счет диффузии легких углеводородов в пленки старого битума. В результате размягчается внешняя оболочка старой битумной пленки, снижая ее вязкость. Такая смесь способна длительное время после перемешивания оставаться в рыхлом состоянии.

Часть разжижителя, введенного в битум, будет расходоваться на пластификацию старого битума и фильтрацию в поры минеральных зерен. Эти процессы приведут к повышению скорости загустевания разжиженного битума, ускорению процессов формирования коагуля-ционной структуры асфальтогранулобетона и повышению прочности коагуляционных битумных связей.

Длительность сохранения тиксотропной коагуляционной структуры медленнотвердею-щего вяжущего, а также низкая начальная прочность коагуляционных битумных связей позволит увеличить время на укладку смеси до уплотнения, увеличить длину технологической захватки и улучшить качество уплотнения смеси.

Для проверки выдвинутых теоретических предпосылок технологии холодной регенерации асфальтобетонных покрытий проведены экспериментальные исследования.

В исследованиях использовался асфальтовый гранулят, реально полученный из ма- те-риала старой дорожной одежды путем фрезерования ресайклером фирмы Wiгtgen на автомобильных дорогах Омск — Тюмень и Омск — Муромцево, где содержание битума колебалось от 3.8 до 5.1 %

В качестве регенерирующих добавок использовался гранулированный шлак Кузнецкого

металлургического комбината и золы уноса ТЭЦ г. Омска, из которых готовились медленнотвер-деющие минеральные вяжущие, М 100.

Активизаторами для них служили цемент и известь.

Для гидролиза и гидратации минеральных вяжущих, а также повышения степени уплотнения вводилась вода. Для восстановления свойств старого асфальтобетона вводили битум БНД 90/130, разжиженный керосином в количестве 12% от массы АГ.

Между прочностью АГБ на сжатие при температуре 0 оС и прочностью на растяжение при расколе существует соотношение И0сж/И0р, которое можно рассматривать в качестве косвенной характеристики его упругих свойств. Чем ниже это соотношение, тем более деформа-тивен материал. Составы АГБ смесей (табл. 1) и прочностные показатели асфальто-гранулобе-тонов Тип К и Тип М приведены в табл. 2.

Таблица 1 Показатель деформативности АГБ

Компоненты Номера смесей и содержание компонентов, %

Тип К Тип М

I II III IV

Асфальтовый гранулят (АГ) 100 100 100 100

Шлаковое вяжущее (ШВ) от массы АГ 5 5

Цемент (Ц) от массы АГ 5 5

Битум разжиженный Бр от массы АГ 1.5

Вспененный битум Бв от массы АГ 3

Вода от массы ШВ или Ц 40 40 40 40

Из результатов испытаний видно, что АГБ на шлаковом вяжущем более дефор-мативны, чем АГБ с цементом.

В производственных условиях длительность технологического процесса от приготовления смесей до их укладки и уплотнения колеблется в значительных пределах по времени. За этот промежуток времени асфальтогранулобетон-ные смеси претерпевают изменения, связанные с протекающей гидратацией и гидролизом минерального вяжущего, а также физико-химическими процессами, протекающими при взаимодействии старого битума и каменного материала с разжиженным битумом.

Влияние времени выдерживания смесей (табл. 3) от приготовления до уплотнения на конечную прочность АГБ показаны на рис. 1—3. Так, например, для состава смеси

№1 тип К оптимальное время выдерживания составляет 3 часа, состава №2 тип Б — 4 часа. При этом прочности АГБ возрастают на 30—40 %, Установлены также допустимые периоды обработки ЛГБ — смесей.

Установлена необходимость учета в технологическом процессе погодных факторов (рис. 4—6).

Увеличение температуры воздуха с 20 °С до 30 "С вызывает сокращение оптимального и допустимого времени уплотнения в среднем на 1—2 ч.

Для проверки результатов экспериментальных исследований и практической отра-

ботки технологии производства работ в период с 2001 по 2003 годы осуществлены опытные работы по ремонту асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах Тюмень — Омск и Омск — Муромцево общей протяжен ностью 8 км и 200 м.

Ведущей машиной при производстве ра бот является ресайклер \¥И 2500 фирмы \Virtgen, производительность машин — 3640 м^ фрезерования покрытия в смену. В состав специализированного звена также входили: автогрейдер, два катка, установка \А'*К 400, автобитумовоз и автомобиль — цистерна с водой.

Таблица 2

Прочностные показатели АГБ

Показатель Номер состава и вид вяжущего

Тип К Тип М

I ШВ + Б„ II Ц + Б„ Ш ШВ (V Ц

Предел прочности при сжатии при температуре 0 "С, И(ж , МПа 13.2 16.8 10.8 16.1

Предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С, , МПа 5.0 5.5 4.8 5.55

Условный показатель жесткости (деформптилногти) материала к„/к 2.64 3.05 2.25 2.9

Составы асфальтогранулобетонных смесей Тип К, Б и М

Таблица 3

Компоненты смеси Тип смеси с содержанием компонентов, %

Тип К Тип Б Тип М

Асфальтовый трануляг (АГ) 100 100 100

Шлаковое вяжущее (ШВ) от массы АГ 5 5

Битум разжиженный Бр от массы АГ 1.5 1.5

Вода от массы ШВ или Ц 40 4 40

В г/см5

2,32 2,30 2,28 2,26 2,24 2,22 2,20

— с.ж

МПа

3,2

2,8 2,4 2,0 !,6 1.2 0,8

/ ^ I N

\ 2

Соста! смеси № 1

1 ип К 1 1

X

час

Рис. 1. Влияние времени (Т) выдерживания смеси от ее приготовления до уплотнения на плотность (р) и предел прочности образцов при сжатии (Кг;):): 1 — плотность образцов; 2 — предел прочности при сжатии

Башкирский химический журнал. 2006. Том 13. 5

63

2,32

2,30

2,28

2,26 2,24

МПа 1,8

1,6

1,2

0,8 0,4

\ 2

Сое та в смеси Na Б 2

I

час

Рис. 2. Влияние времени (Т) выдерживания смеси от ее приготовления до уплотнения на плотность (р) и предел прочности образцов при сжатии (1 — плотность образцов; 2 — предел прочности при сжатии

С _

г/см МПа

2,35

2,30

2,25

2,20 2,15

2,4

- 2,0

1,6

1,2 0,8

\1

г Cocí \ 1 в смеси № 3

Тип М 1 1

I

час

Рис. 3. Влияние времени (Т) выдерживания смеси от ее приготовления до уплотнения па плотность (р) и предел прочности образцов при сжатии (): 1 — плотность образцов; 2 — предел прочности при сжатии

Нсж

МПа

2.4

2.0

1.6

1.2 0.8

20 °С

30 °С '

Cocí ав смеси №1 К L J

Тип J L

]

I

час

Рис. 4. Влияние времени (Т) выдерживания смеси при температурах воздуха 20 "С и 30 "С от ее приготовле пия до уплотнения на предел прочности образцов при сжатии (

64

Башкирский химический журнал. 200б. Том 13.

Есж МПа

2.4

2.0

1.6

1.2

30 оС

20 оС

Состав смеси №3 Тип М

0.8

I

час

Рис. 5. Влияние времени (Т) выдерживания смеси при температурах воздуха 20 оС и 30 оС от ее приготовления до уплотнения на плотность (р) и предел прочности образцов при сжатии (Ксж)

_сж:

МПа

2.0

1.6

1.2

0.8

Состав смеси №2 Тип Б

0.4

1

2

3

4

5

I

час

Рис. 6. Влияние времени (Т) выдерживания смеси при температурах воздуха 20 оС и 30 оС от ее приготовления до уплотнения на предел прочности образцов при сжатии (Исж)

Свойства образцов, изготовленных из производственных смесей и испытания вырубок из покрытия показали, что они соответ-свуют требованиям ГОСТ 9128-97 и «Методическим рекомендациям», разработанным в РОСДОРНИИ.

Проведены испытания дорожной одежды на прочность методом статически обратимого прогиба с помощью прогибомера МАДИ-ЦНИЛ на дороге Омск — Муромцево.

Анализ прочности дорожной одежды до и после ремонта показал, что средний коэффициент изменения прочности состовляет на первом участке — 1.4, на втором — 2.0 и на третьем — 1.8.

Экономические расчеты показали, что по сравнению с традиционной технологией, предлагаемая технология дает снижение сметной стоимости на 1.2 млн руб.

Литература

1. Бахрах Г. С. Влияние структуры асфальто-гранулобетона на его свойства.— М.: 2001.— 60 с. — (Автомоб. Дороги: Информ. сб. / Информавтодор; Вып. 3).

2. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур.— М.: Наука, 1966.

1

2

3

4

5