НОВЫЙ АСФАЛЬТ ДЛЯ РОССИЙСКИХ ДОРОГ
ОПЫТ УСТРОЙСТВА НА ГОРОДСКИХ ДОРОГАХ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
ПОКРЫТИЙ ИЗ ЛИТОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА МАШИННОЙ УКЛАДКИ
НА РЕЗИНОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ БИТРЭК
()
(Лабораторно–исследовательский Центр Управления «Мосавтодор»)
(НПГ «Инфотех» – «Информация и технологии»)
(Центр управления городских дорог Московской области)
В последнее время в ремонте и строительстве автодорог стала очевидна перспективность литьевого метода укладки дорожных покрытий. Несмотря на все преимущества его распространение сдерживается недостатками имеющихся асфальтобетонных материалов, которые в свою очередь определяются применением для их изготовления обычных или модифицированных полимерами дорожных битумов.
· Низкая сдвигоустойчивость литого асфальтобетона при повышенных температурах, практически не устранимая никакими подборами минерального состава, приводит к повышенному колееобразованию в процессе эксплуатации покрытий.
· Недостаточная деформативность при низкой температуре приводит к снижению долговечности покрытий из-за образования трещин.
· Ускоренное растрескивание прилегающих участков старых покрытий приводит к необходимости затрат на дополнительный ремонт до истечения нормативного срока службы. К тем же последствиям приводит и плохое сцепление с прилегающими участками, обусловленное низкой адгезией примененного вяжущего.
· Плохое сцепление колеса автомобиля с поверхностью литого покрытия приводит к необходимости дополнительных, сложных в исполнении шероховатых поверхностных обработок не отличающихся долговечностью.
Использование в качестве вяжущего для литых смесей композиционных резинобитумных материалов нового поколения привело к созданию асфальтобетонного материала с уникальными характеристиками, пригодного для машинной укладки с помощью широко распространенной дорожной техники. Все вышеперечисленные недостатки литых и вибролитых асфальтобетонных смесей, влияющие на безопасность движения и долговечность покрытий, фактически устранены. Расчет по ресурсному методу показывает, что применение в покрытиях дорог с высокими транспортными нагрузками новых литых асфальтобетонов машинной укладки дает экономию средств не менее чем в два раза, по сравнению с традиционными уплотняемыми асфальтобетонами.
Понимая значение улучшения качества и долговечности покрытий автодорог, с целью повышения их экономичности, руководство Центра управления городских дорог Московской области по рекомендации ЛИЦ Управления «Мосавтодор» приняло решение провести опытно-промышленные работы по капитальному ремонту самых напряженных в транспортном отношении участков городских улиц с помощью новых материалов.
1. Адреса проведения работ, описание составов, технологии приготовления и укладки асфальтобетона.
Работы производились производственными подразделениями -ремстрой» в сезоне 2002 года на ул. Ленина г. Орехово-Зуево (исполнитель работ Орехово -Зуевский ПДСК) и на ул. Фрунзе пос. Луговая (исполнитель работ Химкинский ПДСК).
При подборе составов асфальтобетонов учитывались рекомендации 2000 года финской совещательной комиссии по покрытиям РАNК, результаты исследований свойств резинобитумного вяжущего, результаты испытаний реально имеющихся у организаций исполнителей дорожно-строительных материалов. Составы приведены в табл. 1.
В качестве вяжущего применялись битумнорезиновые экологически чистые композиционные материалы (БИТРЭК), получаемые по технологии химического модифицирования обычных окисленных битумов с помощью мелкодисперсной (< 0,5 мм) резиновой крошки.
В материалах БИТРЭК частицы резины соединяются с компонентами битума достаточно прочными, но подвижными химическими связями. Резина не разлагается и не растворяется, а проявляет свои высокие эксплуатационные качества в составе композиционного материала. Введение в окисленные битумы некоторых потерянных в процессе нефтепереработки компонентов и химическая реставрация повреждений молекулярной и коллоидной структуры позволяет придать им свойства подобные природным с их высочайшей устойчивостью к старению. Происходит это при создании в объеме битума и на поверхности частиц резиновой крошки условий для радикальной полимеризации в режиме «живых» цепей. Введенные в молекулярную структуру адгезионноактивные группы обеспечивают стабильность всей гетерогенной системы, высокую и долговременную адгезию материала. Этим материалы БИТРЭК принципиально отличаются как от известных резинобитумных смесей, так и от вяжущих, полученных путем растворения полимеров или каучуков в битуме.
Практически вне зависимости от качества исходного битума, за счет своей структуры вяжущее устойчиво к воздействию высоких технологических температур (до 230°С). Имеет достаточно высокую деформативность и эластичность, что влияет на устойчивость композиционных материалов, каковым является асфальтобетон, к разрушению под действием циклических нагрузок.
Таблица 1
СОСТАВ ЛИТОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА МАШИННОЙ УКЛАДКИ
НА РЕЗИНОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ
Резинобитумное вяжущее
7,7% - 8,2% от массы минерального материала
Резинобитумный композиционный материал БИТРЭК, содержащий 15% резиновой крошки, разбавлялся битумом с пенетрацией 40/60 или 60/90 в сочетании 2:1.
Пенетрация полученного резинобитумного вяжущего в диапазоне 35 – 60, содержание резиновой крошки 10%
Минеральный порошок
19 – 23%
Песок
26 – 38%
Щебень магматических пород фракции 5 – 20
39 – 41%
(возможен подбор состава с содержанием щебня до 50 – 55%)
Отсев дробления осадочных пород фракции 2 – 4
0 – 15%
Укладка производилась стандартными асфальтоукладчиками с последующим доуплотнением и выравниванием поверхности легким катком с гладкими вальцами. В отдельных случаях для доуплотнения использовался каток с пневматическими вальцами. Температура приготовления смеси должна быть в диапазоне 210 – 220°С, температура доуплотнения не ниже 180°С.
Наблюдалось очень хорошее сцепление с выравнивающим слоем покрытия без какой-либо дополнительной подгрунтовки. При укладке на насыщенное водой покрытие сцепление слоев нарушалось за счет образующейся паровой подушки, что следует учитывать в технологическом регламенте укладки. Невозможность выхода пара обусловлена нулевой пористостью литой смеси.
2. Результаты измерения коэффициента сцепления.
Одной из причин, достаточно резко ограничивающей применение литых асфальтобетонов, является низкий коэффициент сцепления поверхности покрытия с колесом автомобиля. Для решения этой проблемы обычно используют различные по материалам и технологиям обработки поверхности литого асфальтобетона щебнем или другими материалами.
Однако срок службы этих обработок меньше срока службы обычного уплотняемого асфальтобетона, в то время как стоимость литого асфальтобетона, вследствие его состава, превышает стоимость обычного уплотняемого асфальтобетона. Применение литого асфальтобетона будет экономически целесообразно только за счет большего, по сравнению с уплотняемым асфальтобетоном, срока возникновения потребности в очередном ремонте. Для этого необходимо (в ряду других параметров) обеспечить требуемый коэффициент сцепления на поверхности литого асфальтобетона и избавиться от необходимости устройства каких–либо обработок его поверхности.
Измерение коэффициента сцепления проводилось прибором ПКРС-2У (шина с рисунком протектора) через 2 – 3 дня и через 4 – 5 недель после устройства покрытия. Результаты измерений показывают, что на участках, выполненных организациями исполнителями с соблюдением рецепта состава литого асфальтобетона машинной укладки на резинобитумном вяжущем БИТРЭК, коэффициенты сцепления находятся в диапазоне:
· 0,35 – 0,45 через 2 – 3 дня,
· 0,45 – 0,65 через 4 – 5 недель.
Полученные коэффициенты сцепления не ниже, чем у мелкозернистых уплотняемых асфальтобетонов, и способны обеспечить необходимый уровень безопасности движения.
3. Результаты испытаний свойств асфальтобетона в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон».
Результаты испытаний свойств асфальтобетона, отобранного на участках, выполненных организациями исполнителями с соблюдением рецепта состава литого асфальтобетона машинной укладки на резинобитумном вяжущем, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование показателя
Значение показателя
Водонасыщение,%
0,0 – 0,1
Предел прочности при сжатии, МПа
при +50°С
при 0°С
1,2 – 1,6
8,0 – 10,0
Водостойкость
1,0
Средняя плотность, г/см3
2,39 – 2,40
Глубина вдавливания штампа, мм
0,3 – 0,8
РАNК рекомендует диапазон значений вдавливания штампа для автомагистралей в диапазоне 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 резинобитумного 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.
Анализ стандартных свойств показывает, что изготовленный литой асфальтобетон машинной укладки на резинобитумном вяжущем БИТРЭК по водонасыщению и водостойкости близок к литым асфальтобетонам, а по прочности при +50°С и по соотношению прочностей при +50°С и 0°С превосходит нормативные требования к уплотняемым щебеночным асфальтобетонам.
4. Результаты испытаний асфальтобетона на усталость.
Исследования проводилось на универсальном аппарате для испытаний асфальтобетона на усталость UТМ 021. Аппарат предназначен для испытаний асфальтобетонных балочек размером 40 х 5 х 6 (см) многократным изгибом. Балочки отбирались алмазным инструментом с участков укладки асфальтобетона, приготовленного в соответствии с рецептом и уложенного в соответствии с нормативными требованиями. Результаты испытаний приведены в таблице 3. Испытания проводились с нагрузкой 0,6 МПа, время приложения нагрузки 0,1 сек, периодичность приложения нагрузки 0,2 сек. При испытаниях определялось суммарное количество циклов нагружения до падения начального модуля упругости в 2 раза.
Таблица 3
РЕЗУЛЬТАТЫ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
НА ЩЕБНЯХ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД И РАЗЛИЧНЫХ ВЯЖУЩИХ
Наименование асфальтобетона на щебнях магматических пород, примененное вяжущее
Начальный модуль упругости при 20°С, МПа
Диапазон суммарного количество циклов нагружения до падения начального модуля упругости в 2 раза,
тыс. циклов
Уплотняемый щебеночный типа Б на битуме Московского нефтеперерабатывающего завода
2800
30 – 60
Уплотняемый щебеночный типа Б на битуме Московского нефтеперерабатывающего завода, модифицированном 2% ДСТ
2400
60 – 90
Литой машинной укладки на резино-битумном вяжущем БИТРЭК
(10% резиновой крошки)
2900
140 – 170
Анализ таблицы 3 показывает, что литой асфальтобетон на резинобитумном вяжущем БИТРЭК, содержащем 10% резиновой крошки, способен выдержать количество нагружений в среднем в 2 раза большее, чем асфальтобетон на модифицированном ДСТ битуме, и в 3,5 раза большее, чем асфальтобетон на битуме МНПЗ.
5. Результаты контроля качества уложенного асфальтобетона.
Приемочный контроль качества выявил заметную долю отступлений от регламента при опытном устройстве литого асфальтобетона на резинобитумном вяжущем. В соответствии с рецептом и требованиями нормативной документации выпущен и уложен далеко не весь фактический объем асфальтобетона. Анализ появления такого рода нарушений показывает следующие основные причины:
· технологически литой асфальтобетон на резинобитумном вяжущем несколько сложнее, чем уплотняемый на обычном битуме, производственный персонал не готов без переподготовки работать с таким видом асфальтобетона;
· необходимость работать с вяжущим, ведущим себя по другим, чем битум, правилам (более высокие, чем обычно температуры, большая вязкость);
· неприспособленность типового битумного хозяйства к приемке и хранению резинобитумного вяжущего.
Поэтому представляется целесообразным создание в 2003 году в Московской области специализированного предприятия по выпуску асфальтобетонов на резинобитумном вяжущем БИТРЭК для городских дорожников Московской области.
6. Технико–экономическое обоснование применимости литого асфальтобетона машинной укладки на резинобитумном вяжущем.
Таблица 4
СРАВНЕНИЕ СТОИМОСТИ ВЫПУСКА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Наименование работ и затрат
на приготовление
1 тонны смеси
Для уплотняемого асфальтобетона тип Б марки 2, руб.
Для литого машинной укладки на резинобитумном вяжущем, руб.
Соотношение литого к уплотняемому, %
Заработная плата производственного персонала
55,7
77,4
139
Машины и механизмы
139,1
204,2
147
Материалы
501,6
942,0
188
Асфальтобетонные смеси на 01.07.2002 г. без учета НДС
733,4
1275,0
174
Результаты лабораторных исследований показывают, что применение литого асфальтобетона машинной укладки на резинобитумном вяжущем должно привести к возрастанию межремонтного срока до 15 – 18 лет с 6 – 9 лет реально наблюдаемого срока службы покрытий городских дорог и улиц.
Использование методики сравнения разновременных затрат при годовой ставке кредита 23% и годовой инфляции 13% показывает, что применение обычного уплотняемого асфальтобетона типа Б марки 2 будет соответствовать приведенным на момент ремонта затратам в 142% при возникновении потребности в ремонте уплотняемого асфальта через 9 лет и в 188% при возникновении потребности в ремонте уплотняемого асфальта через 6 лет. Другими словами, применение литого асфальтобетона машинной укладки на резинобитумном вяжущем при стоимости приведенной в таблице 4 целесообразно в тех случаях, когда ожидаемый срок службы уплотняемого асфальтобетона тип Б 7 лет и менее, т. е. для городских дорог и улиц с интенсивностью движения более 1,5 – 2 тыс. автомобилей в сутки. Следует отметить, что зачастую в нынешних условиях, реальные сроки службы покрытий городских дорог ниже нормативных.
Можно ожидать, что при массовом производстве вяжущего БИТРЭК стоимость 1 тонны литого асфальта на его основе составит около 150% от стоимости уплотняемого асфальта типа Б. Соответственно, применение литого асфальтобетона будет целесообразно и при нормативном сроке службы уплотняемого асфальтобетона 9 лет и менее, т. е. на городских улицах и дорогах с интенсивностью движения более 1 тыс. автомобилей в сутки.
7. Общие выводы и предложения.
Опыт устройства покрытий из литого асфальтобетона машинной укладки на резинобитумном вяжущем приводит к двум основным выводам.
Во-первых, литой асфальтобетон на резинобитумном вяжущем БИТРЭК является материалом с потенциально очень большим межремонтным сроком. Этот материал сочетает 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). Имеет высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, что позволяет отказаться от дополнительных поверхностных обработок. Этот материал по испытаниям на усталость превосходит уплотняемые щебеночные асфальтобетоны на полимернобитумном вяжущем и значительно превосходит уплотняемые щебеночные асфальтобетоны на обычном дорожном битуме. В том случае, если опытные участки в течение предстоящих зимних периодов подтвердят теоретические предпосылки и не покроются низкотемпературными трещинами, можно ожидать, что они прослужат до фактической потребности в ремонте от 16 лет и более. Такой срок более чем в 2 раза превышает фактический срок возникновения потребности в ремонтах на городских дорогах и улицах в настоящее время.
Во-вторых, производство литых асфальтобетонов на резинобитумном вяжущем на АБЗ с неприспособленным битумным хозяйством затруднительно. Такое производство требует доведения оборудования асфальтобетонных заводов и битумных хозяйств организаций исполнителей до полного соответствия штатным техническим требованиям, некоторого их дооснащения, а также переобучения производственного персонала.
Внедрение литых асфальтобетонов на резинобитумном вяжущем позволит не только значительно повысить фактические сроки до появления потребности в ремонтах городских дорог и улиц, особенно с высокоинтенсивным, грузонапряженным движением и движением городского транспорта, но и утилизировать резиновую крошку, что обеспечит экологически и экономически правильный рециклинг изношенных автомобильных шин.
