Холодный ресайклинг: зарубежный опыт к. т. н. – МАДИ(ГТУ) (стр. 4 )

Иногда при производстве битума в его состав вводятся пеногасители. В этом случае для получения необходимых показателей по вспениванию необходимо либо внести повышенное количество пенообразователя, либо подобрать пеногенератор, обеспечивающий получение вспененного битума с соответствующими показателями.

При ресайклинге с цементом в качестве неорганического вяжущего расход цемента определяется с учетом набора необходимых прочностных показателей слоя в проектном возрасте с минимальным количеством усадочных трещин. Для побора оптимального расхода цемента изготавливается не менее трех серий образцов на материале, который будет подвергнут ресайклингу. Образцы должны быть уплотнены с минимально допустимым по техническим требованиям коэффициентом уплотнения [21] при оптимальной влажности и испытаны на сжатие в возрасте 7 суток.

После подбора предварительного расхода цемента, необходимо изготовить еще три серии образцов с плотностью, соответствующей предварительно выбранной и с плотностями ± 2 % от нее. Это позволит определить более точно количество цемента, минимально необходимое для обеспечения прочностных показателей слоя с учетом возможных отклонений по влажности или по числу проходов катков при уплотнении. Для объектов, требующих более 1 дня работы или основных несущих слоев желательно также определить предел прочности при сжатии и при расколе в возрасте 28 и 90 суток.

Для ресайклинга, при условии одинаковой марки или касса, тип цемента менее важен, чем его содержание и полученная после уплотнения пористость материала. В основном выбор цемента при прочих равных условиях зависит от его стоимости и удобства доставки, однако при выборе цемента обычно используют рекомендации, приведенные ниже.

Если доступен широкий диапазон цементов по прочности, предпочтительнее использовать цементы, например среднего класса 32,5 Европейского Стандарта EN 197: Part 1. Расход таких цементов обычно составляет 3-6,5 % по массе сухого материала, что позволяет обеспечить однородность смеси.

Цементы средних классов по прочности по сравнению высокими классами позволяют несколько увеличить время от момента затворения до завершения уплотнения слоя, будут обладать несколько пониженной теплотой гидратации и меньшей усадкой, что снизит число усадочных трещин. Цементы более высокого класса по прочности (например, класса 42,5 по EN 197: Part 1) желательно использовать в особых случаях, например, при работах в условиях пониженных температур.

Кроме того, следует понимать, что применение высококлассных цементов в количестве 2-2,5 % от массы сухого материала при равной прочности образцов не позволит обеспечить однородность перемешивания и сократит сроки от момента затворения до завершения уплотнения. Необходимость уплотнения при оптимальной влажности приведет к повышению водоцементного отношения, что снизит эффективность применения высококлассных цементов. В случае нецелесообразности по транспортным соображениям применения цементов средних классов, для увеличения доли вяжущего к высококлассному цементу допускается добавлять молотый доменный шлак, основные золы уноса, смешанные гидравлические вяжущие согласно требованиям ASTM, стандарт С595.

В дополнение к вышеупомянутым преимуществам, введение шлака позволяет увеличить время от момента затворения до завершения уплотнения и повысит стойкость готового материала к воздействию агрессивных сред, например, противогололедных реагентов.

Следует учитывать, что европейская классификация цементов по EN 197 не совпадает со стандартом ASTM С 150 (США) и с российской. По американским нормам «настоящий» портландцемент не должен иметь в составе гидравлических добавок, что соответствует только европейскому цементу типа CEM I или российскому ПЦ Д0.

Для холодного ресайклинга кроме цемента применяются и другие минеральные вяжущие вещества, традиционные для работ по стабилизации и укреплению грунтов. Эти вяжущие называют «специальными дорожными вяжущими», номенклатура и типы этих материалов приведены в европейском стандарте CEN ENV 13282. Они, как правило, имеют более грубый помол, в результате чего период обрабатываемости слоя может быть увеличен до 10 часов. Эти материалы выпускаются под различными фирменными названиями во Франции [22], Германии и Австрии [23].

7. особенности Проектирования состава

7.1. Общие положения

Ввиду отсутствия общей теории холодного ресайклинга, подход к проектированию составов базируется на зависимостях и характеристиках, полученных эмпирическим путем, и требует определенной квалификации сотрудников лаборатории.

Такой подход определяется тем, что лабораторные смеси и методы их испытаний недостаточно точно моделируют явления, которые происходят в реальном материале на месте производства работ.

В настоящее время существует несколько методы проектирования состава смеси для холодного ресайклинга, однако все они имеют общие принципы:

1. Определение свойств обрабатываемых материалов, в особенности:

- однородность;

- гранулометрический состав материала для определения необходимости введения улучшающих гранулометрический состав добавок;

- пластичность мелких частиц (при стабилизации каменного, щебеночно-песчаного или гравийно-песчаного материала), для определения необходимости введения извести или цемента в случае необходимости;

- качество каменного материала, предназначенного к обработке, чтобы определить, подходит ли материал для новых дорожных условий;

- содержание и качество старого битумного вяжущего для определения возможности и целесообразности восстановления его свойств.

2. Выбор типа и марки нового вяжущего вещества.

3. Определение адгезии вяжущего к обрабатываемому материалу.

4. Определение оптимальной влажности для назначения коэффициента уплотнения материала.

5. Исследование покрытия, чтобы определить начальную влажность, для определения необходимости дополнительного увлажнения (при применении эмульсий).

6. Определение прочностных и других механических свойств при условии применения в виде вяжущего только битумной эмульсии, или битумной эмульсии и восстановленного старого битума, цемента или комплексного вяжущего.

Исследования исходных материалов не отличаются от традиционных для битумоминеральных горячих смесей и в данном обзоре не рассматриваются, хотя методы испытаний, как признается всеми, разработанные для горячих асфальтобетонных смесей, абсолютно неинформативны. Специальных методов испытаний, разработанных исключительно для материалов ресайклинга, на сегодня не имеется.

В 2003 г. PIARC были разработаны новые рекомендации по холодному ресайклингу [1], включившие наиболее удачные решения.

Гранулометрический состав смеси должен соответствовать требованиям для нижних слоев асфальтобетонных покрытий, поэтому может возникать необходимость введения новых каменных материалов в количестве до 15 % по массе смеси. Для приготовления эмульсии используют дорожные битумы марок 50/70 или 70/100 согласно стандарту EN 12591. Рекомендованное содержание битума в эмульсии -% по массе. Значение рН <3, время истечения <12 сек при 20°C (DIN 52023-1). Вспененный битум также изготавливается из дорожного битума тех же марок.

Смеси с содержанием вяжущего вещества 4 - 5 % по массе для эмульсии или 3 - 5 % для вспененного битума включают 1,5-2 % гидравлического вяжущего вещества (цемента) и должны соответствовать следующим требованиям:

- эффективная адгезия вяжущего к каменному материалу;

- закрытая пористость % по объему;

- стабильность по Маршаллу > 2 кН при 60 °C или > 10 кН при 25 °C;

- соответствие экологическим требованиям.

Экстракт из адсорбента проверяется на содержание полициклических углеводородов и фенола: углеводородов не должно быть более 0,03 мг/л, фенола – 0,03 мг/л.

В случае холодного ресайклинга с эмульсией или вспененным битумом для восстановления покрытия, обработанная толщина должна составлять минимум 5 см и максимум 12 см, чтобы обеспечить однородность и достаточный уровень уплотнения по толщине слоя.

В случае холодной ресайклинга несвязанного нижнего слоя обработка ведется: для эмульсии – на толщинусм, для вспененного битума – насм, при увеличении толщины слоя ресайклированный материал в нижней части практически не будет набирать прочность.

7.2. Характеристики упругости и жесткости слоев дорожных одежд

Оценка механических характеристик слоев, укрепленных битумной эмульсией или иным вяжущим необходима в тех случаях, когда одной из целей выполняемого холодного ресайклинга является увеличение несущей способности существующих дорожных покрытий с низкой интенсивностью движения (приблизительно 50 тяжелых грузовиков в сутки).

Нежесткие дорожные покрытия с нижним слоем из холодной битумоминеральной смеси обычно разрушаются из-за накоплений остаточных деформаций основания или несвязанных нижних слоев. Если содержание вяжущего вещества недостаточно, то вторичный материал будет вести себя как рыхлый материал с несколько более высоким модулем жесткости (в европейских странах и в США при расчетах дорожных одежд от показателей упругости перешли к показателям жесткости). Если содержание вяжущего вещества будет достаточно высоко, то вторичный материал покажет некоторое сцепление, но его несущая способность будет в любом случае ниже, чем для горячих асфальтобетонных смесей даже близких составов.

Из-за низких характеристик разрушение обработанного по методу холодного ресайклинга материала начинается с быстроразвивающихся микротрещин. Используя механистический метод проектирования дорожного покрытия с эластичным многослойным типом модели, критерием будет ограничение значений вертикальной деформации εZ на уровне основания при стандартной нагрузке на ось.

Такой метод требует знания значений модуля Юнга для вторичного материала и других слоев дорожного покрытия. Однако материалы, обработанные битумной эмульсией, имеют механические свойства, которые изменяются со временем и зависят от влажности и адгезии битума. На сегодняшний день не существует метода моделирования этих изменений в лаборатории и, следовательно, метода прогноза модуля Юнга в период после введения участка в эксплуатацию.

Низкая прочность материала в раннем возрасте редко позволяет отобрать керны для определения жесткости в лабораторных условиях. В этом случае существует два косвенных, менее точных метода оценки значения модуля Юнга, основанные на традиционной многослойной упругой модели дорожного покрытия:

- анализ значения прогиба;

- корреляция жесткости с другими характеристиками, получаемыми при лабораторных испытаниях.

Так, в табл. 7 даны соотношения прочности и жесткости, используемые во Франции для прочных известняков [15]. В Испании значение модуля Юнга 4000 МПа при 20 °C рассматривают как достаточное для ресайклированных битумоминеральных смесей.

Таблица 7.

Пример корреляции между результатами испытаний на сжатие и оценки

модуля Юнга для материалов, ресайклированных с битумной эмульсией,

для слоев дорожных одежд (Франция)

Результаты испытаний по методике Duriez	Ориентировочное значение модуля Юнга, (МПа)
Несвязанный каменный материал, стабилизированный эмульсией:
R в возрасте 14 суток между 1,5 и 2,2 МПа, при r/R> 0,55	1500
R в возрасте 14 суток между 2,2 и 3,0 МПа, при r/R> 0,55	2500
Вторичный материал с эмульсией, включает% регенерированного битумсодержащего материала:
R в возрасте 14 суток ниже 4 МПа, при r/R> 0,65	2000
R в возрасте 14 суток выше 4 МПа, при r/R> 0,65	3000
Вторичный материал с эмульсией, включает более чем 90 % регенерированного битумсодержащего материала:
R в возрасте 14 суток выше 4 МПа, при r/R> 0,70	4000

Механические свойства материалов, обработанных на месте вспененным битумом, меняются в течение нескольких месяцев после окончания работ. Измерения, сделанные в Австралии [24] привели к назначению для материала, обработанного вспененным битумом, следующих значений модуля Юнга:

- 1МПа в первый год эксплуатации;

- до 5000 МПа в определенных случаях при долговременной (после нескольких лет) эксплуатации.

Эти значения кореллируют с другими данными, например:

- 2МПа для холодного ресайклинга битумного материала, смешанного с фракционированным заполнителем [25];

- 2500 МПа в Великобритании как целевое значение, проверяемое анализом величины прогиба на восстановленных и обработанных вяжущим нежестких дорожных покрытиях [4].

Южноафриканская методика проектирования смеси со вспененным битумом задает условие для материалов с относительно низким содержанием вяжущего вещества, так как в разных условиях требуются различные методики моделирования свойств слоев дорожных одежд.

Для вспененных битумов и подобранной смеси каменных материалов при содержании битума менее <2 % с добавкой цемента ≤ 1 %, модуль Юнга назначается аналогичным необработанному слою. Значения жесткости могут удвоиться от Mr = 600 МПа до 1200 МПа с увеличением состояния полного напряжения (σ1 + σ2 + σ3) от 100 кПа до 900 кПа для тщательно подобранного по гранулометрическому составу каменного материала с угловатыми зернами, близкими по форме к кубовидной. Это абсолютное увеличение жесткости меньше для песчаных материалов, например Mr от 100 до 600 МПа при той же самой величине напряжения.

Учитывая незначительные прочности обработок цементом в раннем возрасте, контрольные сроки для определения модуля упругости назначаются в различных странах «по мере возможности». Например, во Франции требуется, чтобы через 1 год после холодного ресайклинга с применением цемента значения модуля упругости находились между 11000 и 20000 МПа [15], как показано в табл. 8.

Таблица 8.

Значения модуля упругости в возрасте 1 года при укреплении слоев дорожных одежд цементом

Характеристики материалов и оборудования	Модуль упругости E (МПа)
Каменные материалы высокого качества с однородным грансоставом	Высокопроизводительные специализированные машины для распределения вяжущего вещества и ресайклеры	20 000
Другие случаи	16 000
Каменные материалы хорошего качества с однородным грансоставом	Традиционная дорожная техника	16 000
Другие случаи	11 000

7.3. Исходные параметры для проектирования дорожного покрытия

Во многих странах, проектирование дорожных одежд выполняется по эмпирическим диаграммам.

В США [26] используют метод проектирования, основанный на «структурных номерах» SN. Значения коэффициента слоя SN, применимые для ресайклированных материалов, получены по результатам испытаний различных участков дорожных покрытий:

- для материалов, обработанных битумной эмульсией, значения SN составляют 0,17 – 0,41 со средней величиной 0,29;

- для материалов, обработанных вспененным битумом, значения SN составляют 0,20 – 0,42 со средней величиной 0,31.

Установлено, что материалы с SN от 0,30 до 0,35 могут использоваться для холодного ресайклинга, более 0,44 для горячих битумоминеральных смесей, что дает для ресайклированного слоя снижение SN на 21-32 %.

По каталогам дорожных покрытий Министерства Общественных работ Испании [14], коэффициент эквивалентности между минеральными смесями, обработанными битумной эмульсией и горячими асфальтобетонными смесями – 0,75 (1 см холодного ресайклинга соответствует 0,75 см горячей асфальтобетонной смеси). Это сопоставимо с решениями, принятыми в США. Однако эти коэффициенты эквивалентности, вероятно, следует применять только для ресайклинга верхних слоев дорожных одежд.

Институт Асфальта [26] предлагает диаграммы для проектирования дорожных покрытий, восстановленных методом холодного ресайклинга. Полная толщина ресайклированного слоя и слоя износа определяется по суммарному проходу грузовых машин с эквивалентной нагрузкой на ось 80 кН (дороги низших категорий) и несущей способности основания.

Выделены два класса смесей: тип А - для смесей, произведенных на заводе или специализированным оборудованием для холодного ресайклинга дорожных покрытий, тип B для песчаных смесей или смесей, полученных при помощи оборудования, применяемого для стабилизации грунтов и грейдеров (традиционная дорожная техника).

Объединенная толщина ресайклированного холодным методом основания и верхнего слоя дорожной одежды определяется по диаграммам. Толщина ресайклированного слоя определяется путем вычитания из суммарной толщины рекомендуемой толщины слоя покрытия из горячей смеси. Если под ресайклированным слоем сохраняется часть старого несвязанного слоя, толщина слоя ресайклинга может быть изменена до коэффициента эквивалентности 0,2, если показатель пластичности для фракции менее 0,075 мм не превышает 6; и до 0,1, если показатель пластичности выше 6.

Для проектирования по многослойной модели необходимо определить по слоям значения модуля Юнга и отношение Пуассона. Для отношения Пуассона, которое никогда не определяется на практике, можно выбрать значение приблизительно 0,35. Часто критерием проектирования выбирается предельная величина вертикальной упругой деформации εZ на уровне основания. Например, во Франции, критерий проектирования для дорог с низкой транспортной нагрузкой определяется по формуле:

εz lim = 1200 N-0,222 ,

где N – проектируемое число проходов стандартных осей с нагрузкой на ось 130 кН.

7.4. Механические свойства слоя из вторичного материала

В случае применения новых материалов, инженер-дорожник имеет возможность выбрать исходные компоненты и подобрать состав смеси таким образом, чтобы получить заранее заданные механические свойства, определяемые стандартами и техническими требованиями контракта. В случае холодного ресайклинга, материалы ресайклируемого слоя в значительной степени определяют механические свойства нового слоя дорожной одежды по завершении работ.

Необходимо подчеркнуть, что со временем механические свойства холодного вторичного материала в дорожном покрытии, будут все больше отличаться от значений, определенных в лаборатории при подборе составов.