Холодный ресайклинг: зарубежный опыт к. т. н. – МАДИ(ГТУ) (стр. 1 )

ХОЛОДНЫЙ РЕСАЙКЛИНГ: ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ

к. т.н. Г. И. ЕВГЕНЬЕВ – МАДИ(ГТУ)

ВВЕДЕНИЕ

В нашей стране значительная часть дорожной сети относится к автомобильным дорогам местного значения и дорогам 3-й и менее технических категорий с невысокой интенсивностью движения, которые играют важную структурообразующую роль. С каждым годом, по мере увеличения транспортной нагрузки, требуется все больше средств для поддержания их в нормативном состоянии.

Во всем мире, в том числе и в нашей стране, для этих целей все шире применяется технология «холодного ресайклинга», позволяющая в ряде случаев резко снизить затраты на производство ремонтных работ. В настоящем обзоре, с учетом ограничений по объему, рассмотрены некоторые вопросы и проблемы технологии холодного ресайклинга в ряде зарубежных стран.

Автор выражает благодарность за консультации по технологии холодного ресайклинга, советы и помощь в производстве работ в ряде регионов нашей страны Департаменту транспорта штата Миннесота (G. Begelman); Дирекции общественных работ графства Гудхью, шт. Миннесота (G. Isakson); специалистам компании «Roadtec Engineering».

1. Методы ресайклинга дорог

При рассмотрении зарубежных технологий, методов расчета дорожных одежд, контроля качества и др., мы при переводе невольно воспринимаем устоявшиеся за рубежом термины как полностью соответствующие отечественным. В качестве примера следует напомнить, что под покрытием в США и ряде других стран подразумевается действительно несущий нагрузку слой покрытия, а не верхние тонкие слои из песчаного или мелкозернистого асфальтобетона, относящиеся по зарубежным классификациям к слоям износа или защитным слоям и не учитывающимся в расчетах дорожных одежд. Разницу в терминологии требуется в обязательном порядке учитывать при рассмотрении зарубежного опыта.

В то же время следует согласиться с тем, что в случае закупки импортной технологии или оборудования, мы ожидаем результатов, близких к получаемым в стране-производителе. Для корректного сопоставления результатов, до накопления собственного опыта, желательно использовать отечественные исходные материалы, методы расчета и контроля, максимально приближенные к прототипу или прямо перенимать эти материалы и методы. В противном случае, не получив ожидаемых результатов, мы рискуем дискредитировать вполне перспективные решения.

Рассматривая вопросы ресайклинга, не стоит забывать, что это – англоязычное название широкого спектра методов и технологий восстановления несущей способности слоев дорожных одежд (и не только) с максимально возможным использованием материалов самого восстанавливаемого слоя. После укладки и уплотнения во всех случаях считается обязательным устройство слоя износа или защитного слоя.

Согласно определениям Всемирной дорожной ассоциации (PIARC) и Федеральной дорожной администрации США (FHWA) [1, 2], целью ресайклинга является исправление дефектов конструктивных слоев дорожных одежд, таких как колейность, трещинообразование, окисление битума и вызванное этим ускоренное разрушение слоя.

Иначе говоря, дефектными считаются любые слои дорожных одежд и другие конструктивные слои, характеристики которых в настоящий момент не соответствуют требованиям обеспечения безопасности движения и сохранности дороги.

Методы ресайклинга можно разделить на следующие:

Холодный ресайклинг на месте (Cold, In-Place Recycling). Именно этот метод рассматривается в настоящем обзоре. Обычно при холодном ресайклинге слой дорожной одежды разрыхляется фрезой на глубину до 50 см. Фрезерованный материал на месте производства работ увлажняется, в него вводятся улучшающие гранулометрический состав дополнительные фракции и вяжущее, после чего материал снова перемешивается, распределяется и уплотняется. По уплотненному слою обычно устраивается слой износа толщиной от 2,5 до 7,5 см, обычно, для дорог с низкой интенсивностью движения слой износа представлен поверхностной обработкой типа Chip Seal.

Для производства работ по этому методу может использоваться своеобразный «поезд», т. е. несколько машин и механизмов на самостоятельных шасси. Обычно в такой «поезд» состоит из холодной фрезы (в англоязычных странах – «холодный планировщик», cold planning machine), дробильно-сортировочной машины и обычного распределяющего и уплотняющего оборудования (рис. 1).

Рисунок 1. Типичный «поезд» для холодного ресайклинга: впереди - поливомоечная машина (вода для вспенивания битума), за ней – битумовоз, затем – ресайклер Wirtgen 2500, сзади видны пневмокаток и автогрейдер.

Такой «поезд» обычно работает только по одной полосе движения, что, в случае производства ремонтных работ, позволяет не перекрывать движение транспорта по ремонтному участку. Только в Калифорнии в год методом холодного ресайклинга восстанавливается примерно по 20-25 объектов суммарной протяженностью до 500 км. По данным, представленным ARRA [3], экономия средств составляет от 20 до 40 % по сравнению с традиционной технологией.

Рассматривая технологии холодного ресайклинга, следует помнить, что существуют и альтернативные методы, перечисленные ниже.

Горячий ресайклинг (Hot Recycling). Традиционная технология переработки удаленного асфальтобетона с введением дополнительного каменного материала и битума. Переработка может выполняться на любом асфальтобетонном заводе, имеющем дополнительное оборудование для измельчения крупных агрегированных частиц. Применяется в случаях, когда старое покрытие можно использовать в нижних слоях.

Горячий ресайклинг на месте (Hot, In-Place Recycling). Асфальтобетон размягчается нагреванием инфракрасными горелками, затем снимается или разрыхляется на глубину от 20 до 45 мм. Новая горячая смесь или дополнительные компоненты вводятся в процессе нагрева и измельчения старого материала за один проход машины.

Горячее восстановление «Ремиксинг» (Hot mix - Remixing). Дорожное покрытие прогревается на глубину 20 – 50 мм, после чего нагретый асфальтобетон удаляется на всю глубину прогрева. После этого восстанавливаемый материал на месте смешивается в заданной пропорции с новыми каменными материалами и битумом, укладывается и уплотняется.

Горячее восстановление «Рипэйв» (Hot mix - Repave). Метод аналогичен «Ремиксингу», но в данном случае восстанавливаемый слой используется только как нижний слой покрытия или верхний слой основания.

Горячее восстановление с обработкой нижележащих слоев (Hot mix - Heater Scarification). Метод применяется при условии стабильности и достаточной несущей способности основания. Старое покрытие нагревается, удаляется и служит основой для приготовления новой асфальтобетонной смеси. В это время обрабатывается нижележащий слой, с которого было снято покрытие (выравнивание, заделка дефектов). После этого укладывается вновь приготовленная асфальтобетонная смесь, после уплотнения на поверхность слоя наносится поверхностная обработка.

Восстановление покрытия на всю глубину (Full Depth Reclamation). С ремонтного участка удаляется весь асфальтобетон. Верхний слой основания разрыхляется и укрепляется за счет введения вяжущего или каменных материалов и часть основания. Весь снятый асфальтобетон без разделения по слоям измельчается, нагревается, производится улучшение его характеристик за счет введения новых материалов и битума. После приготовления новая смесь укладывается в проектный слой дорожной одежды.

2. Преимущества и недостатки холодного ресайклинга

По сравнению с традиционными методами восстановления покрытия, холодный ресайклинг слоев дорожной одежды на месте с использованием нижних битумоминеральных имеет ряд преимуществ и позволяет:

- в значительной мере отказаться от закупки новых материалов за счет повторного использования всех или части материалов на месте, снизив расходы на их добычу, закупку, переработку, перевозку;

- сократить затраты за счет отказа от перевозок, хранения и т. д. фрезерованных материалов, приготовления смесей на стационарных установках;

- сократить потребности в перевозке материалов при производстве работ, что приводит к снижению повреждения смежных полос движения в зоне производства работ, экономии топлива и расходных материалов;

- снизить сроки ограничения движения транспорта.

С технической точки зрения, холодный ресайклинг позволяет:

- обработать в случае необходимости участок за один проход;

- частично исправить поперечное сечение дорожного покрытия и дефекты продольного профиля типа коротких волн;

- частично снизить неоднородность материалов на участке производства работ;

- укрепить верхние слабые слои земляного полотна на глубину до 0,5 м непосредственно в ходе выполнения работ, в то время как традиционные методики требуют дополнительных материалов и земляных работ;

- открывать проезжую часть для движения в ночное время (если это допустимо по условиям обеспечения безопасности движения и сохранности слоев).

В Германии, с учетом ужесточения природоохранного законодательства, ресайклинг стал рядовой обязательной операцией, что позволило избежать потребности в расширении полигонов для захоронения отходов и повторно использовать практически все вышедшие из эксплуатации дорожные одежды.

Недостатки в использовании холодного ресайклинга:

Холодный ресайклинг и вообще фрезерование не рекомендуется выполнять при:

- несоответствующих характеристиках материалов слоя, например, при наличии крупнообломочного скального материала, каменных плит или блоков, которые не могут быть предварительно раздроблены;

- высоком содержании глинистых материалов;

- значительной неоднородности материалов на участке;

- наличии в городских условиях смотровых люков и водосливных решеток на проезжей части;

- слишком низкой несущей способности основания, которое не может выдержать нагрузку от работающей техники;

- присутствии геотекстильного материала в слоях, предназначенных для переработки.

Кроме того, к недостаткам относятся следующие:

- нестабильность свойств материалов и параметров конструкции, которые гораздо выше, чем при ремонте по традиционным технологиям;

- обработанные эмульсией смеси приходится выдерживать перед уплотнением вплоть до завершения распада эмульсии. При введении в смесь портландцемента уплотнение можно начинать почти сразу же, завершать - не позднее паспортного окончания сроков схватывания;

- существенно влияние погодных условий. Обычно работы производятся при температуре от 10 до 16 °C, но в течение не менее суток после уплотнения температура должна быть не ниже нуля, чтобы избежать замерзания находящейся в смеси воды. Кроме того, не разрешается работать во время дождя или при сильном тумане. При введении в смесь портландцемента температура в течение суток должна быть не ниже 4 °C.

- высокие требования к механическим характеристикам слоев в проектной документации. Характеристики модуля упругости и усталостной прочности после ресайклинга ниже чем те, которые могут быть получены при использовании горячих битумоминеральных смесей;

- при работе с битумной эмульсией следует учитывать ограничения по толщине обрабатываемого слоя;

- ресайклинг необработанных ранее вяжущими покрытий ограничивается относительно сухими участками местности, особенно при повышенном содержании глинистых частиц;

- холодный ресайклинг на месте требует более длительного времени и значимых затрат по сравнению с возможностью простого перекрытия требующего ремонта слоя дополнительным слоем износа.

Холодный ресайклинг на месте требует использования специализированных машин и оборудования, достаточно дорогостоящих и мощных и практически непригодных для других дорожных работ. Чтобы получить экономически выгодные результаты, желательно, чтобы участок для ресайклинга имел максимальную площадь или мог быть объединен с подобными участками поблизости. Так, в Великобритании, минимально экономически целесообразным участком для ресайклинга считается 3000 м2 [4].

3. История технологии холодного ресайклинга

Холодный ресайклинг на месте или в стационарной установке можно разделить условно на две вида – с применением органических вяжущих и с применением цемента (извести, шлаков, зол).

В качестве органического вяжущего для холодного ресайклинга могут использоваться битумные эмульсии, вспененный и жидкий битумы.

Использование битумной эмульсии для восстановления дорог (именно дорог – покрытий, оснований, земляного полотна) - давно известная технология. Она стала широко применяться в середине 20 века в США в связи с тем, что дороги, построенные в период «великой депрессии» исчерпали свою несущую способность и требовали восстановления. Кроме того, развитие грузовых автомобильных перевозок, в значительной степени потеснивших железнодорожный транспорт, потребовало усиления существующих дорожных одежд во всех странах мира.

Битумная эмульсия в промышленных масштабах использовалась при ресайклинге, начиная с 1940-х гг. в США [5, 6].

В Великобритании, под названием «Retread», в 1950-х гг. появилась первая технология холодного ресайклинга именно в нашем понимании этого термина [7], затем эстафету переняла Франция (рис. 2, [8]).

Первые работы по ресайклингу заключались в фрагментации старого дорожного покрытия или его удалении при помощи автогрейдеров, оборудованных рыхлительными насадками. Эмульсия распылялась на фрагментированное дорожное покрытие, смешивание выполнялось механизмом, оборудованным лемехами, в случае необходимости несение эмульсии повторялось после каждого прохода грейдера. Получавшийся материал повторно уплотнялся катком.

Рисунок 2. технологии холодного ресайклинга: а) 1963 г., машина для «Retread», Великобритания; б) 1985 г., Франция, работа специализированной фрезы; в) 1986 г., общий вид ресайклера, Франция.

Начало действительно широкого распространения технологии ресайклинга следует отнести к первому нефтяному кризису 1970-х гг. Кроме значительного спада в традиционных энергоемких областях, этот кризис спровоцировал разработку и внедрение новых, энергосберегающих технологий. Однако до сих пор, в основном из-за относительно высокой стоимости оборудования и консервативности дорожных ведомств, методика используется не так широко, как она заслуживает. Следует отметить, что консерватизм государственных органов - не чисто отечественное явление, история полна примерами и для других стран. «Умеренный консерватизм – нормальное свойство любой системы как стремление сохранения своей привычной среды обитания, не позволяющий растрачивать накопленные ресурсы ради зачастую ненужных или несвоевременных усовершенствований, однако он должен быть «управляемым» и принимать действительно необходимые инновации» [2].

Процесс «Retread» фактически заложил основы концепции современного оборудования для холодного ресайклинга.

Процесс «Retread» применялся на дорогах с низкой интенсивностью движения и заключался в рыхлении дорожного покрытия на глубину приблизительно 75 мм с дроблением агрегированных комков перед повторным формированием дорожного профиля. Битумная эмульсия распылялась по поверхности, после чего материал бороновался, чтобы смешать и распределить эмульсию; смешивание повторялось два или три раза перед уплотнением статическим гладковальцевым катком и устройством слоя износа. Это была очень простая процедура, однако, выполненная должным образом, давала приемлемые результаты.

Появление в 1960-х гг. специальных машин, имевших горизонтальные барабанные фрезы для измельчения дорожного покрытия с возможностью инжекции эмульсии в камере смешения, позволило получать более однородные смеси и получать лучшее распределение эмульсии. Разравнивание и планирование выполнялись автогрейдером. Такие системы постепенно превратились в комплексные машины, специально предназначенные для холодного ресайклинга дорожных покрытий на большую глубину.

К середине 1970-х были разработаны новые фрезерующие машины и насадки, специально предназначенные для дорожных покрытий, характеризующиеся большой мощностью и лучшим контролем глубины фрезерования.

Сегодня холодный ресайклинг на месте может быть выполнен несколькими способами:

- при помощи различных механизмов, каждый из которых выполняет одну или две элементарные задачи, эти машины составляют своеобразный «поезд» ресайклирующего оборудования, вплоть до операций уплотнения;

- при помощи узкоспециализированных комплексов, которые выполняют все задачи - от фрезерования до укладки переработанного материала «за один проход» (как правило, такие машины более тяжелые);

- комбинированными методами.

Идея использовать вспененный битум для производства холодных асфальтобетонных или битумоминеральных смесей формально может быть приписана L.Csanyi из Университета штата Айова (1956) [6]. Технология производства вспененного битума с инжекцией воды при низком давлении была доработана в 1960-х. Промышленное применение относится к 1970-м (Австралия, Великобритания и Франция).

Параллельно с этим в 1980-х г. г. в Скандинавии был разработан процесс вспенивания битума при высоком давлении. Распространение этого метода относится к началу 1990-х. К этому времени первые патенты на производство вспененного битума под низким давлением вошли в общественное пользование. Применение вспененного битума для холодного ресайклинга распространено в Южной Африке, Бразилии, США, Скандинавии и в Австралии.

Принятая большинством производителей оборудования схема вспенивания битума представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема получения вспененного битума путём впрыскивания в расширительную камеру нагретого до 180°С битума, воды и воздуха:1 - вспененный битум; 2 - вспенивающее сопло; 3 - расширительная камера; 4 - подача воздуха;5 - устройство запирания и импульсной чистки сопел; 6 - подача горячего битума; 7 - подача воды.

Как указано выше, полученный опыт холодного ресайклинга с битумной эмульсией намного старше, чем со вспененным битумом.

Некоторые страны (например, Франция) для различных дорожных работ широко используют битумные эмульсии. Как естественное следствие, в этих странах битумная эмульсия рассматривается как основное вяжущее для холодного ресайклинга.

Другие страны (Германия, Скандинавия, др.), которые не имели этого опыта, но нуждались в увеличении несущей способности нежестких дорожных одежд и дорог с нежесткими покрытиями, обратили внимание на вспененный битум, который, при разработке технологии практически «с нуля» оказался легче в производстве и применении. Эти различия в подходах отражены в требованиях к проектированию составов и к долговечности материалов, обработанных вспененным битумом по сравнению с материалами, обработанными эмульсией.

Применение цемента в технологии холодного ресайклинга получило новый импульс с середины 1980-х гг. Это было обусловлено рядом факторов:

- получение новых видов цемента и других неорганических вяжущих;

- совершенствование знаний о строительно-технических свойствах цементов, обработанных им материалах и рабочих характеристиках соответствующих слоев [9];

- использование нового, более мощного оборудования, с большей глубиной фрезерования, способного к обеспечению лучшего качества конечного продукта [10];

- увеличение внимания к экологическим факторам, особенно с учетом истощения запасов качественных каменных материалов и сложностью закладки новых крупных карьеров.

В настоящее время цемент как вяжущее для холодного ресайклинга с успехом применяется в ряде стран – США [10], Австралии [11], Германии [12], Южная Африка [13], Испании [14] и Франции [15]. За последние 5 лет холодный ресайклинг с применением цемента использован для восстановления около 2 млн. м2 дорожных покрытий.

4. ХОЛОДНЫЙ РЕСАЙКЛИНГ С БИТУМНОЙ ЭМУЛЬСИЕЙ ИЛИ ВСПЕНЕННЫМ БИТУМОМ в стационарной установке

Холодная ресайклинг материалов дорожного покрытия с применением битумной эмульсии, вспененного битума или минерального вяжущего (цемента) может быть не только выполнен на месте при помощи дорогостоящей узкоспециализированной техники, но и в стационарной смесительной установке. Выбор оптимального технического решения зависит от логистики и экономических факторов. Ресайклинг на стационарной установке предпочтительнее, когда фрезерованный материал может быть использован, но по различным технологическим соображениям (устройство дренажных слоев, уширение насыпи, прокладка и ремонт коммунникаций и др.) должен быть полностью удален с участка производства работ. Кроме того, холодный ресайклинг в стационарной установке применяется для повторного использования материалов от нескольких участков, тогда как холодный ресайклинг на месте экономически целесообразен при использовании материалов непосредственно на конкретном участке.

Ресайклинг в стационарной установке позволяет обеспечить большую степень однородности материала, фактически используя технологии приготовления холодных асфальтобетонных смесей.

Несмотря на различия по способу ресайклинга, требования к материалам, методам проектирования состава смеси и условиям укладки в значительной степени сходны. Требования к технологии строительства и оборудованию приведены в Руководстве по экономическому анализу жизненного цикла при устройстве покрытий [16].

Холодный ресайклинг в стационарных установках широко применяется в Швеции, где ежегодно по данной технологии обрабатываются около 600000 тонн старых асфальтобетонных покрытий [17].

На стационарных установках могут использоваться как смесители непрерывного действия, так и периодического. Общая особенность таких заводов – высокая степень мобильности, поэтому технология подходит как для локальных работ, так и для постоянного нахождения в определенном регионе, в этом случае, безусловно, холодный ресайклинг на стационарной установке предпочтительнее для восстановления слоев асфальтобетона.

По этой технологии старый асфальтобетон измельчается до фракции менее 16 мм для дорожных покрытий и 22 мм для оснований. Фрезерная крошка обычно разделяется на две фракции 0-8 и 8-16 или 8-22 мм.