Опыт применения асфальтобетонов на основе вяжущего битрэк и их характерные особенности

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ НА ОСНОВЕ ВЯЖУЩЕГО БИТРЭК И ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ.

– НПГ «ИНФОТЕХ»

– ЛИЦ Управления «Мосавтодор»

– Центр управления городских дорог МО.

Первые работы по применению в составе асфальтобетонов для дорожных покрытий битумнорезиновых композиционных вяжущих нового типа (сокращено БИТРЭК) начались в 1997 году. В течение нескольких лет технология и материалы БИТРЭК дорабатывались, проводились исследования и испытания, в том числе и уложенных опытных участков автомобильных дорог в различных регионах России. В этой деятельности принимали участие специалисты Федеральной дорожной службы, Российской Академии Наук, Управления «Мосавтодор», РосдорНИИ, НИИМосстрой, а также сотрудники многих подрядных дорожно-строительных организаций. Наибольшие объемы работ выполнены на объектах крупнейшей в Московской области дорожно-строительной организации . С начала 2002 года, в основном в городах Московской области, в Зеленограде, на объектах ТДК Псковской области, Дирекции ТДФ Тверской области, Оренбурга и Северной Осетии проводились практические работы по применению асфальтобетонов на новом вяжущем, построены опытные участки покрытий автодорог.

Основные результаты проведенных по данной теме работ опубликованы в журналах «Химическая техника» и «Дороги России XXI века». Научные основы процессов, используемых в разработанной технологии, опубликованы в журнале «Успехи химии», а технология и состав материалов БИТРЭК запатентованы.

Материалы БИТРЭК и асфальты на их основе применялись на различных федеральных и региональных объектах мостового и дорожного строительства. Они зарекомендовали себя как перспективные и высокотехнологичные материалы, с большим сроком службы и высокой устойчивостью к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды.

В 2003 году на широкомасштабный эксперимент по строительству и ремонту покрытий с помощью новых материалов вышли московские дорожники. Из нескольких новых технологий, проверенных на улицах Москвы, реальные успехи показали всего две. В начале 2004 года принято постановление Московского Правительства , в котором с целью устранения колейности и увеличения межремонтных сроков покрытий улиц и магистралей города предусмотрено применение вяжущих БИТРЭК и щебнемастичных составов асфальтобетонов. Причем, как показали наши исследования, щебнемастичные асфальтобетоны на основе вяжущих БИТРЭК показывают выдающиеся результаты по долговечности и эксплуатационным характеристикам.

Что же такое новые вяжущие материалы?

С помощью разработок российских ученых в области полимерной химии была решена задача химического соединения мелких частиц резины, в основном шинной, и высокомолекулярных компонентов окисленных дорожных нефтяных битумов. В результате проведения специфических полимеризационных процессов в смеси битума и мелкодисперсной резиновой крошки был получен материал, в котором исправлены как химические, так и физико-механические свойства битумов.

В обычном битумном котле проходит целый ряд химических процессов и в итоге получается достаточно эластичный, с широким рабочим температурным диапазоном, высоколипкий, т. е. с высокой адгезией, битум­ный клей, который к тому же по сравнению с обычными нефтяными битумами существенно медленнее и по другому закону стареет. Как раз именно эти самые свойства дорожных вяжущих и необходимы для создания качественных и долговечных асфальтобетонных покрытий дорог. В правильном сочетании полезных свойств двух различных компонентов (в основном, конечно частиц резины) и состоит идея новых вяжущих, предназначенных для повышения характеристик асфальтобетона.

В отличие от битумов, новые материалы неоднородны по фазовому и химическому составу и по своей природе относятся к классу композиционных материалов. Однако этот факт, не только не снижает их высоких характеристик, как вяжущих для асфальтобетонов, но и придает им совершенно новые, недостижимые для обычных битумов возможности.

На основе битуморезинового компози­ционного вяжущего материала были разработаны новые составы асфальтобетонов и технологии их применения. Помимо обычных стандартных уплотняемых смесей, подобраны и испытаны литые, вибролитые, щебнемастичные, многощебенистые смеси с применением нового вяжущего. Все эти виды асфальтов были опробованы на различных объектах дорожного строительства. Следует подчеркнуть, что изготовливались эти материалы из не самых лучших компонентов, а из имеющихся в данный момент минеральных составляющих, дорожных битумов невысокого качества и отходов резины.

При работе с ними, а также при эксплуатации покрытий были отмечены некоторые особенности и эффекты поведения таких асфальтобетонов, напрямую связанные с химическими и структурными свойствами примененного вяжущего.

1. Асфальтобетонные смеси отличаются технологичностью укладки и легкостью последующего уплотнения. Требуется меньшее количество проходов катка, возможность применения вибропривода катка сразу же после укладчика без разрушения и растрескивания слоя. Возможны повышенные скорости уплотнения.

Это связано с тем, что асфальтобетонные смеси на битумнорезиновом вяжущем имеют лучшую пластичность, чем обычные. Набухшая резина выступает подобно полимерным противозадирным и пленкообразующим присадкам в минеральные масла. Таким образом снижается трение частей минеральных компонентов друг о друга при уплотнении. Однако при эксплуатационных температурах сопротивление сдвиговым деформациям существенно выше, чем в асфальтобетонах на обычном битуме.

Объяснение этого эффекта и его косвенное подтверждение можно получить из сравнения параметров одноосного сжатия и сжатия по схеме Маршалла при определении сдвигоустойчивости асфальтобетона. При коэффициенте внутреннего трения находящемся в пределах нормативных требований, сцепление при сдвиге в 2 и более раза выше нормы в асфальтобетонах на вяжущем БИТРЭК.

2. Как следует из полученных данных (см. табл.1.), в течение определенного времени происходит некоторое, вполне статистически заметное улучшение характеристик асфальтобетонов в покрытиях. По нашей оценке этот период времени для разных типов составов может быть в интервале 2-3 года. Т. е. тот эффект, который ранее для асфальтов с введенной резиновой крошкой был известен, как разуплотнение при эксплуатации, и который происходил в течение первых 6 месяцев после укладки, в данном случае отсутствует. Наоборот, некоторое время идет процесс постепенного самоуплотнения асфальтобетона.

Табл.1.

МЕСТО УКЛАДКИ	ТВЕРЬ	ЗЕЛЕНОГРАД
НАИМЕНОВАНИЕ ИСПЫТАНИЙ	Фактические показатели асфальтобетона МБ3	Фактические показатели асфальтобетона МБ2	Фактические показатели асфальтобетона МБ1
на битуме БНД	на БИТРЭК 2002г.	на БИТРЭК 2003г.	на битуме БНД	на БИТРЭК 2002г.	на БИТРЭК 2003г.	на битуме БНД	на БИТРЭК 2002г.	На БИТРЭК 2003г.
Предел прочности при сжатии, МПа, при 50°С	1,00	1,35	1,4	1,30	2,10	2,00	1,25	1,55	1,70
Предел прочности при сжатии, МПа, при 20°С	3,70	4,10	4,30	4,40	5,35	5,10	3,90	6,06	6,10
Предел прочности при сжатии, МПа, при 0°С	10,3	8,30	8,30	10,20	9,20	7,10	11,60	9,30	8,80
Коэффициент водостойкости	0,92	1,00	0,96	0,90	0,97	0,98	0,93	0,97	0,97
Средняя плотность асфальтобетонной смеси	2,41	2,38	2,39	2,42	2,39	2,41	2,41	2,41	2,40
Коэффициент уплотнения	0,99	0,99	1,0

Строгое доказательство этого факта основано на известном поведении сшитых полимеров в растворителях при изменении температуры. Причем такой эффект возможен только в том случае, когда сила сцепления частиц резиновой крошки с поверхностью частиц минеральных компонентов асфальтобетона (адгезия), выше возникающих при внутреннем сжатии нагрузок.

3. С этим же связано явление автоматического регулирования деформативных свойств асфальтов в зависимости от температуры. Резиновая крошка в составе асфальтобетона является неким хранилищем-депо жидких фракций битума. И в зависимости от температуры внешней среды может или отдавать их в объем асфальтобетонной структуры, или вновь поглощать. При повышенных температурах растворимость увеличивается, жидкие фракции поглощаются – деформативность асфальтобетона уменьшается, а при понижении температуры обратный процесс – выход жидких масляных и парафино-нафтеновых фракций в структуру асфальта, т. е. его деформативность растет. Этот процесс отражается и в нелинейной S-образной логарифмической зависимости вязкости вяжущих БИТРЭК от температуры, в отличии от обычных битумов, имеющих линейную зависимость. Это явление очень полезено для расширения климатических зон применения новых асфальтов.

4. Пониженная пористость или водонасыщение, которые даже выходят иногда за нижние пределы нормативных значений, при том что механические свойства асфальтобетонов – очень хорошие. Для обычных битумов и однородных вяжущих это невозможно. Однако, это явление также очень положительно и свидетельствует о существенной доле закрытой пористости в структуре асфальтобетона. Так проявляется влияние набухших частиц резины, что ведет к повышению сопротивления воздействию воды.

5. И, наконец, самое главное. Резиновая крошка, которая составляет 7-10% по массе в составе вяжущего, выступает в роли макрочастиц полимерного компонента, который выполняет функцию полимерного дисперсно-эластичного армирования структуры асфальтобетона. Это, вместе с очень высокой адгезией вяжущего, приводит к значительному возрастанию усталостной прочности и долговечности асфальтобетона.

Анализ полученных данных показывает, что асфальтобетон на вяжущем БИТРЭК, содержащим до 10% резиновой крошки способен выдержать количество нагружений никак не меньше, чем асфальтобетон на модифицированном СБС полимерами битуме, а литой и щебнемастичный асфальтобетон на битумнорезиновом вяжущем выдерживает в среднем в 2 раза больше нагружений, чем на ПБВ и в 7-8 раз больше, чем на дорожном битуме.

С другой стороны, частицы резиновой крошки по своему характеру являются элементами структуры асфальта, демпфирующими внутренние нагрузки, а также центрами торможения и остановки распространения всех видов трещин. Отсюда вероятна пониженная склонность таких асфальтов к образованию как температурных, так и отраженных трещин, что и показал опыт наблюдений за уложенными покрытиями.

Теперь, что касается асфальтобетонов литого типа не требующих уплотнения.

Их применение в настоящее время сдерживается недостатками имеющихся дорожных битумов:

- низкая сдвигоустойчивость при повышенных температурах, практически не устранимая никакими подборами минерального состава, приводит к колееобразованию в процессе эксплуатации покрытий;

- недостаточная деформативность при низкой температуре приводит к снижению долговечности покрытий из-за образования трещин;

- плохое сцепление колеса с поверхностью литого покрытия приводит к необходимости дополнительных, сложных в исполнении, шероховатых поверхностных обработок, не отличающихся долговечностью.

Применение вяжущего БИТРЭК в состоянии устранить все перечисленные недостатки литых асфальтобетонных смесей для ручной и механизированной технологии укладки, влияющие на безопасность движения и долговечность покрытий.

Контроль качества уложенных участков дорог с применением асфальтобетона литого типа на вяжущем БИТРЭК для механизированной технологии укладки выявил хорошее сцепление шины с покрытием. Коэффициент сцепления через 2-3 дня после устройства покрытия составил в среднем 0,4, а через 4-5 недель – 0,5-0,65 при нормативной величине для уплотняемых асфальтобетонов – 0,3. Это связано с изменением характера трения шины автомобиля и покрытия дороги на трение резины по резине, поскольку в составе вяжущего набухшая резина составляет до 40-50% по объему.

Финская комиссия по асфальтобетонным покрытиям (РАNК) рекомендует иметь сдвигоустойчивость покрытий по диапазону значений вдавливания штампа для автомагистралей в интервале 1 – 1,5 мм исходя из следующих соображений:

если вдавливание штампа больше предельно допустимого значения, то возрастает опасность образования сдвиговых деформаций; если вдавливание штампа меньше предельно допустимого значения, то возрастает опасность образования трещин в холодный сезон.

Деформационные свойства вяжущего БИТРЭК превосходят деформационные свойства обычного битума, особенно при низких температурах. Это позволяет уменьшить нижний предел глубины вдавливания штампа до 0,3 – 0,5 мм с целью повышения сдвигоустойчивости асфальтобетона литого типа до уровня уплотняемых.

Укладка такой смеси производится стандартными асфальтоукладчиками с последующим выравниванием и выглаживание поверхности легким катком с гладкими вальцами. Температура приготовления смеси в диапазоне 210 – 220°С, температура доуплотнения и выравнивания не ниже 180°С. Наблюдается очень хорошее сцепление с выравнивающим слоем покрытия без какой-либо дополнительной подгрунтовки.

В соответствии с проведенными тестами межремонтный срок эксплуатации новых покрытий в условиях очень высоких городских транспортных и техногенных воздействий оценивается сроком не менее 10-15 лет.

Опыт устройства покрытий из асфальтобетонов на вяжущем БИТРЭК позволяет сделать следующие выводы.

Применение нового вяжущего при производстве асфальтобетона приводит к возрастанию межремонтного срока службы покрытий. Такие асфальтобетоны устойчивы к колееобразованию, менее подвержены накоплению остаточных деформаций и разрушений. В настоящее время насчитывается большое количество дорог и улиц значительной протяженности с интенсивностью движения более 10 тысяч авт./сут., доля таких дорог ежегодно увеличивается. Применение асфальтобетонов на обычном битуме на высокоинтенсивных дорогах и улицах приводит к колееобразованию, высокому темпу накопления остаточных деформаций и разрушений, и соответственно, низкому сроку службы. Целесообразно на таких дорогах и улицах применять асфальтобетоны на битумнорезиновом композиционном вяжущем.

Асфальтобетоны на битумнорезиновом композиционном вяжущем, особенно вибролитые, являются материалами с потенциально очень большим межремонтным сроком. Они сочетают близкую к нулю пористость (высокая сопротивляемость техногенным и климатическим воздействиям) с высокой прочностью при 50°С (высокая сопротивляемость пластическим и сдвиговым деформациям, устойчивость к колееобразованию). Имеют высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, что позволяет отказаться от дополнительных поверхностных обработок.

Весь имеющийся опыт показывает, что при значительном росте транспортных нагрузок и интенсивности автомобильного движения наблюдается исчерпание возможностей асфальтобетонов, использующих в качестве вяжущих нефтяные битумы. По заключению ведущих специалистов дорожной отрасли, материалы БИТРЭК – это практически единственная на сегодняшний день возможность эффективно решить проблему долговечности и качества российских дорог, одновременно с решением проблемы масштабной утилизации изношенных шин.