Доктор технических наук Киялбаев А.К.,
магистрант Бахтияр Ж., магистрант Бекбулатов
Н.А.
Казахская автомобильно-дорожная
академия им. Л.Б.Гончарова, Республика Казахстан
В процессе эксплуатации дороги асфальтобетонное покрытие постепенно утрачивает первоначальные свойства: снижается фрикционная способность, ухудшается ровность, появляются трещины, выбоины, наплывы, волна, просадки и колейность. Происходит старение битума вследствие сложных структурных и химических превращений под влиянием воздействия на материал различных факторов. На тонкий слой битума оказывают влияние кислород и температура воздуха, вода, состояние поверхности минерального материала. При этом скорость старения асфальтобетона зависит от его остаточной пористости.
По данным В. В. Михайлова и А. С. Колбановской к изменению состава свойств битума приводят следующие процессы /1/:
а) испарение масел, происходящее в поверхностном слое битума незначительной толщины и зависящее от содержания в нем легколетучих компонентов, вязкости и температуры;
б) оксиполимеризация и частичная полимеризация компонентов битума, главным образом на внешней поверхности вяжущего, подвергающегося непосредственному воздействию света и ультрафиолетовых лучей;
в) поликонденсация, происходящая под влиянием кислорода. Кислород воздуха вызывает нарушение структуры битума и приводит к увеличению его молекулярной массы. Битум от соприкосновения с воздухом окисляется, а под лучами солнца эти окислительные процессы протекают более энергично в результате нагревания покрытия и фотохимических реакций.
В своей работе Л. В. Билай /2/ показала, что старение битума сопровождается его структурными изменениями – основными из изменений химической природы битума. Поскольку асфальтобетон имеет коагуляционную структуру, в которой частицы разделены жидкой фазой, длительное приложение нагрузок, взаимное перемещение и трение частиц приводит к тому, что минеральная часть асфальтобетона подвергается дезинтеграции. Дезинтеграция минеральной части может произойти в результате наличия остаточной пористости асфальтобетона, так как вода, проникая в глубь асфальтобетона, может вызвать его разрушение. Основная роль при дезинтеграции скелетной части асфальтобетона принадлежит механическим нагрузкам.
Исследования ученых Киевского автомобильно-дорожного института показали, что дезинтеграция гранулометрического состава минеральной смеси приводит к изменению каркасности минерального остова, которая, в свою очередь, влияет на сдвигоустойчивость асфальтобетона, так как сдвиговые усилия воспринимаются главным образом минеральным каркасом. Гранулометрический состав изменяется за счет песчаных фракций.
Степень дезинтеграции минеральной части асфальтобетона зависит от структуры асфальтобетона и прочностных характеристик компонентов минеральной части. Наиболее интенсивно процесс дезинтеграции происходит в зоне фракций 1,0-0,6 мм, 0,6-0,25 мм и 0,15-0,071 мм. Контактные напряжения, возникающие в зоне этих фракций под воздействием транспортных нагрузок, превышают предел прочности материалов, что приводит к их разрушению /1/.
Б. И. Ладыгин установил, что в старом асфальтобетонном покрытии происходит уменьшение пластичности. Потеря необходимой пластичности создает изменения в асфальтобетоне, приводит к значительным растягивающим напряжениям и трещинообразованию. Таким образом, старение асфальтобетона состоит в основном в понижении деформативной способности. Анализ выполненных исследований дал возможность установить причины изменения свойств асфальтобетона во времени /4/:
а) свойства битума в составе асфальтобетона изменяются в процессе термоокислительной деструкции от воздействия погодно-климатических факторов; этот процесс интенсифицируется на границе контакта битума с каменным материалом;
б) под воздействием транспортных нагрузок происходит дезинтеграция минеральной части асфальтобетона, степень которой зависит от гранулометрического состава минеральной части и может иметь затухающий во времени характер в связи с увеличением числа контактов между частицами и уменьшением величины контактных напряжений;
в) процесс старения асфальтобетона происходит в три этапа: повышение всех прочностных показателей за счет образования коагуляционной структуры асфальтобетона; образование в битуме жесткой пространственной структуры – составляющей максимальной прочности; уменьшение количества масел в битуме и увеличение содержания асфальтенов.
В 2001 г. впервые в Казахстане при реконструкции автомобильной дороги «Астана – Петропавловск», была применена технология холодного ресайклинга, которая включает в себя переработку старых слоев дорожной одежды путем фрезерования на заданную глубину, измельчение и перемешивание до однородной массы старых слоев дорожного покрытия, введение в полученную массу вспененного битума и цементной суспензии и распределение полученного материала по ширине проезжей части автомобильной дороги с последующим уплотнением вибрационными катками и катками на пневмошинах. Эта технология позволяет одновременно исправить искаженный поперечный профиль проезжей части, что особенно актуально для казахстанских дорог.
Одним из путей регенерации асфальтобетона является его пластификация. В качестве пластификаторов битума можно принять госсиполовую смолу, моторную нефть, экстракты селективной очистки масляных фракций нефти, антраценовое масло, мазут, которые совмещаются с высокомолекулярными соединениями и придают им определенные физические свойства (пластичность и эластичность), а также уменьшают вязкость и хрупкость (табл. 1):
Введение пластификатора в асфальтобетон значительно улучшает его свойства. В таблице 2 сравниваются показатели исходного, старого и пластифицированного асфальтобетона. Способность асфальтобетона сопротивляться сдвигающим усилиям оценивается показателями сдвигоустойчивости при температуре 50°С, когда предельно допускаемое сдвигающее напряжение имеет минимальное значение.
Таблица 1. Свойства классификаторов
|
п/п |
Показатели |
Дистилляцион-ные экстракты |
Остаточные экстракты |
|
1 |
Химический состав
экстрактов: |
|
|
|
– парафинонафтеновые
углеводороды, % |
7-10 |
12-17 |
|
|
– ароматические
углеводороды, % |
85-90 |
75-85 |
|
|
– смолы, % |
5-7 |
5-8 |
|
|
2 |
Вязкость по стандартному
вискозиметру С5СО, оС |
5 |
13 |
|
3 |
Температура вспышки, °С |
>190 |
>200 |
|
4 |
Потеря в массе после 5 ч
нагрева при температуре 160°С, % |
0,13 |
0,44 |
Показатели сдвигоустойчивости старого асфальтобетона выше исходного. Введение пластификаторов несколько понижает эти свойства, но абсолютные значения сдвигающего напряжения при этом существенно не отличаются от аналогичного показателя исходного материала (табл. 3) /1/.
Для сохранения свойств асфальтобетона нужно в состав разогретой асфальтобетонной смеси добавить определенное количество минеральных материалов: песка, щебня и минерального порошка. Регенерацию асфальтобетона без разогрева можно проводить как в установке, так и на месте. При регенерации холодным способом в установке в старый асфальтобетон вводят те же новые компоненты, что и при регенерации на месте, однако качество перемешивания выше. За рубежом способ регенерации без разогрева на месте называется «Recycling in place».
Таблица 2. Сравнительные показатели различных составов асфальтобетона после введения пластификаторов
|
п/п |
Показатели |
Асфальтобетон |
Требова-ния |
|||
|
Исход-ный |
Ста-рый |
Регенерированный |
||||
|
Остаточ-ным экс-трактом |
Дистилля-ционным экстрактом |
|||||
|
1 |
Водонасыщение по объему, % |
2,50 |
1,90 |
1,32 |
1,36 |
1,5-3,5 |
|
2 |
Набухание по объему, % |
0,65 |
0,17 |
0 |
0 |
[0,50 |
|
3 |
Предел прочности при сжатии,
кгс/см2 и темп. °С: |
|
|
|
|
|
|
20 |
66 |
72 |
40 |
38 |
á24 |
|
|
50 |
22 |
22 |
11 |
11 |
á10 |
|
|
0 |
78 |
75 |
75 |
69 |
[120 |
|
|
4 |
Коэффициент водостойкости |
1,10 |
1,05 |
0,96 |
0,90 |
[
0,90 |
|
5 |
То
же при длительном водонасыщении |
0,90 |
089 |
0,84 |
0,88 |
á0,50 |
Таблица 3. Влияние пластификаторов на сопротивление асфальтобетона к сдвигу (кгс/см2)
|
п/п |
Асфальтобетон |
Вертикальные нагрузки, кгс/см2 |
|||
|
0 |
2 |
5 |
|||
|
1 |
Исходный |
1,35 |
3,35 |
6,05 |
|
|
2 |
Старый |
1,65 |
3,40 |
6,20 |
|
|
3 |
Регенерированный с
остаточным экстрактом |
1,30 |
3,05 |
5,75 |
|
|
4 |
Регенерированный с
дистилляционным экстрактом |
1,35 |
3,00 |
5,50 |
|
В зависимости от толщины монолитных слоев дорожной одежды размельчение или разлом материала производят на всю толщину (если она не менее 50 мм) или послойно (более 50 мм). После размельчения или разламывания материал собирают в валик и в него добавляют катионную масляную, реже битумную эмульсию типа рекламайта в количестве 1,5-3 л/м2. Если применен метод разлома, то через 0,5-1 м кусковой материал размельчают передвижной молотковой дробилкой за 2-3 прохода до максимального размера 50 мм. При проведении работ послойно вал из размельченного материала отодвигается, и те же самые операции производятся с нижележащими слоями. Если нижние несвязанные слои утратили несущую способность, их укрепляют цементом, известью, шлаковым вяжущим и (или) эмульсией или удаляют, заменяя новыми. Материал верхних слоев в обратном порядке возвращают из валиков в корыто, разравнивают и уплотняют. Сверху, как правило, укладывают слой износа или усиления, но через определенный срок необходимый для формирования регенерированного слоя.
Регенерацию старого материала осуществляют также путем добавления к нему 6-7% цемента. В этом случае устраивают температурные швы через 5,5-21,5 м. Считают, что регенерированный слой толщиной 2,5 см эквивалентен слою из нового асфальтобетона толщиной 10 см. Отмечено также уменьшение отраженных трещин в верхнем слое асфальтобетона на регенерированном слое по сравнению с эталонными участками. При данном способе регенерации перемещение размельченного материала с вяжущим осуществляют, в основном, автогрейдерами, реже машинами типа грунтосмесительной /3, 4/. В Казахстане значительная часть усовершенствованных дорожных покрытий построена с применением маловязких жидких дорожных битумов марки МГО 70/130 или их заменителей, в качестве которых применяли вяжущие нефтяные местные жидкие марки ВНМЖ 70/130, ВНМЖ 130/200, полученные окислением тяжелой Кара-Арнинской нефти, а также гудроны Уфимского, Омского, Шымкентского НПЗ. Перечисленные органические вяжущие применялись при устройстве дорожных покрытий из холодного асфальтобетона или холодных черных щебеночных смесей.
Литература:
1. Сюньи Г.К.,
Усманов К.Х, Файнберг Э.С. Регенированный дорожный асфальтобетон. – М.:
Транспорт, 1984. – 118 с.
2. Билай Л.Б. Об
изменении свойств асфальтобетона в процессе эксплуатации //Автодорожник
Украины. – Киев: 1969, №3. – с. 32-34
3. Асматулаев Б.А. Строительство дорожных одежд с повторным использованием материалов реконструируемых дорог. – Алматы: ТОО «Эверо», 199. – 212 с.
4. Киялбаев А.К.
Экологическая безопасность при эксплуатации автомобильных дорог и городских
улиц. – Алматы: НИЦ «Гылым», 2003. –
300 с.