Проблема повышения долговечности асфальтобетонных покрытий, несомненно, обладает актуальностью в настоящее время, как в России, так и за рубежом. Более того, в связи с развитием сети автомобильных дорог важность этой проблемы возрастает с каждым годом. Асфальтобетон – самый распространённый материал в дорожном строительстве. За период с 2006 по 2015 г., по данным Росстата, объем производства асфальтобетонных смесей в России увеличился на 54 % и достиг почти 40 млн т в год. Несмотря на многочисленные преимущества данного материала, в последнее время очень актуальна проблема повышения его качества. В условиях современного скоростного интенсивного движения с каждым днём увеличивается масса транспортных средств и их количество, в то время как нормативная документация остаётся без изменений. Под влиянием жёсткого климата Западной Сибири (широкий спектр изменения температур в течение всего года, значительное количество осадков, суточные перепады температур) наблюдается ускоренное разрушение, интенсивное старение и уменьшение срока службы покрытий, что при учёте объёма производства приводит к огромным затратам. Несомненно, возникает также проблема безопасности движения. В связи с этим остро встаёт вопрос повышения качества материалов для устройства дорожных покрытий. Одним из способов решения этой проблемы является применение щебеночно-мастичных асфальтобетонов с различными стабилизирующими добавками, улучшающими свойства асфальтобетона и покрытия в целом.
В настоящее время в нашей стране накоплен большой опыт в сфере модификации асфальтобетона. Следует особо отметить исследования учёных, таких как П.А. Ребиндер, И.М. Руденская, Н.Б. Урьев, А.С. Колбановская, которые занимались разработкой различных способов модификации битума, в том числе добавок, влияющих на сцепление битума с каменными материалами из кислых и основных пород. Такие ученые, как М.И. Волков, И.В. Королёв, А.М. Богуславский, Н.В. Горелышев, внесли значительный вклад в развитие теории структурообразования асфальтобетона. Огромное значение имеют работы И.М. Борща, Л.Б. Гезенцвея, И.М. Кучмы, Г.К. Сюньи, которые занимались разработкой технологических приемов дисперсного армирования асфальтобетонных смесей, предусматривающих введение в рабочую зону асфальтосмесительной установки полимерного материала не в виде волокон, как это осуществлялось ранее, а в виде расплава или раствора, что существенно повысило адгезию нефтяного битума к поверхности армирующих полимеров. Среди заграничных работ стоит выделить труды, написанные в США, где изучением асфальтобетона занимаются крупные организации и ассоциации.
Тем не менее значительная часть указанных разработок осталась на стадии лабораторных исследований и не получила внедрения в производственную деятельность.
Целью данной работы является исследование проблемы долговечности асфальтобетонного покрытия и определение путей и методов ее решения в настоящее время.
С каждым годом увеличивается интенсивность движения и средняя величина нагрузки на ось грузовых автомобилей. В таких условиях вполне очевидна необходимость улучшения физико-механических свойств асфальтобетона. Как в России, так и за рубежом всё большую популярность набирает щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). ЩМА является разновидностью асфальтобетона, который отличается повышенной каркасностью. По сравнению со смесями, приготовленными по ГОСТ 9128-2013, ЩМА имеет повышенное содержание битума (5,5–7,5 %), которое препятствует проникновению влаги, за счёт чего повышается водо-, морозостойкость, трещиностойкость, повышается устойчивость к старению материала и щебня (70–90 %), что позволяет образовать прочный скелет, который в конечном итоге определяет высокую сдвигоустойчивость покрытия. Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) был разработан в 1966 году в Германии и начиная с 1970 года стал широко применяться в дорожном строительстве, получив название «Splittmastixasphalt» (SMA) [8–9].
В России первые опытные участки с покрытиями из ЩМА появились в 2000 году на дорогах М-4 «Дон», М-1 «Беларусь». В 2001 году эксперимент был продолжен на дорогах МКАД – Кашира, МКАД – Железнодорожный – Ликино, в г. Ханты-Мансийске, на мосту через реку Обь в г. Новосибирске, на стоянке воздушных судов в аэропорту Домодедово. Основные объемы дорожного строительства за 2002 год приведены в табл. 1. В это же время строятся опытные участки в Белоруссии, Украине и других странах СНГ.
Таблица 1
Объемы строительства дорожных покрытий из ЩМА в 2002 году
|
Наименование автодороги |
Участок, км |
Площадь покрытия, м2 |
Строительная организация |
|
МКАД-Кашира (М-4) |
72–105 |
474000 |
ОАО «Центродорстрой» |
|
Обход г. Коломны |
104–107 |
24000 |
|
|
Носовихинское шоссе |
9–16 |
75000 |
ГП «Ногинский Автодор» |
|
Москва – Санкт-Петербург |
47–62, 72–85 |
354000 236000 |
ЗАО «АДС» |
|
Волоколамское шоссе |
25–30 |
80000 |
ООО «Автодор-ККБ Звенигород» |
|
Москва – Минск (М-1) |
187–198 |
68000 |
ЗАО «Труд» |
|
Москва – Минск (М-1) |
320–327 |
114000 |
ОАО «Смоленскдорстрой» |
|
Щелковское шоссе |
27–32 |
35000 |
УГП ДРСУ № 9 |
|
г. Хабаровск, ул. Комсомольская |
– |
650 |
Управление дорог и благоустройства |
|
г. Южно-Сахалинск, ул. Ленина |
– |
600 |
МУП СДРСУ |
ЩМА изготавливается на обычных асфальтобетонных заводах, оборудованных смесителями принудительного перемешивания, путем смешения в нагретом состоянии щебня, песка из отсевов дробления, минерального порошка, битума или полимерно-битумного вяжущего. Однако повышенное содержание органического вяжущего может привести к его стеканию с поверхности зёрен щебня при высоких температурах приготовления, а затем хранения и укладки смеси. Для решения этой проблемы в состав ЩМА обязательно вводят стабилизирующие добавки. Как показала практика, от качества стабилизирующей добавки зависит качество ШМА. Их структурирующее действие позволяет гомогенизировать смесь, предотвращая сегрегацию и стекание (отслоение) битумного вяжущего при высоких температурах. Основная задача таких добавок – увеличение толщины битумных плёнок, обеспечение присутствия свободного битума [2]. Процесс приготовления технологичен, экономичен и не требует каких-либо специальных дорогостоящих дополнительных устройств. Необходимо только обеспечить дозирующее устройство для ввода добавки в щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь. В процессе приготовления щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси важно как можно более точно выдерживать соотношение компонентов, установленное при подборе состава в лаборатории. Погрешность дозирования компонентов не должна превышать: для щебня ±2 %, для минерального порошка и битума ±1,5 %, для добавки волокон ±2,5 % от массы соответствующего компонента [1].
Стабилизирующую добавку вводят, как правило, в минеральную часть смеси перед объединением ее с битумом. Добавка помогает исключить отслоение и стекание вяжущего при хранении и транспортировании горячей смеси, а также улучшает однородность и физико-механические свойства ЩМА [4].
За годы своего использования ЩМА продемонстрировал прекрасные эксплуатационные качества, и в 1984 году был введен первый национальный стандарт Германии на его спецификацию и применение [2]. В России нормативным документом на ЩМА является ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия», разработчиком которого является ФГУП «СоюздорНИИ». Как было сказано выше, ЩМА не может изготавливаться без стабилизирующих добавок. В качестве стабилизирующей добавки применяют целлюлозное волокно или специальные гранулы на его основе, которые должны соответствовать требованиям технической документации предприятия-изготовителя.
Целлюлозное волокно должно иметь ленточную структуру нитей длиной от 0,1 мм до 2,0 мм. Волокно должно быть однородным и не содержать пучков, скоплений нераздробленного материала и посторонних включений. По физико-механическим свойствам целлюлозное волокно должно соответствовать значениям, указанным в табл. 2 [1].
Допускается применять другие стабилизирующие добавки, включая полимерные или иные волокна с круглым или удлиненным поперечным сечением нитей длиной от 0,1 мм до 10,0 мм, способные сорбировать (удерживать) битум при технологических температурах, не оказывая отрицательного воздействия на вяжущее и смеси [4].
Таблица 2
Нормативные значения для целлюлозных волокон
|
Наименование показателя |
Значение показателя |
|
Влажность, % по массе, не более |
8,0 |
|
Термостойкость при температуре 220 °С по изменению массы при прогреве, %, не более |
7,0 |
|
Содержание волокон длиной от 0,1 мм до 2,0 мм, %, не менее |
80 |
На сегодняшний день известно большое количество стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона. В настоящее время на российском рынке зарекомендовали себя следующие стабилизирующие добавки, характеристики которых приведены в табл. 3 [4].
На рисунке представлены различные виды таких добавок, а также совершенно новые, пока что не получившие широкого распространения, стабилизирующие добавки, такие как «FORTA», «OUPONT», «Армидон», различные виды резиновой крошки, синтетические волокна, фиброволокна.
Примечательно то, что все представленные в табл. 3 добавки в основном состоят из целлюлозных волокон. Именно целлюлозное волокно удерживает на своей поверхности битум, а не впитывает его. За счёт чего старение происходит медленнее, а соответственно, срок службы покрытия увеличивается.
Авторским коллективом [7] разработана новая стабилизирующая добавка на целлюлозной основе – «Армидон» с добавлением ПАВ. Это инновационный продукт, который в настоящее время проходит проверку и ряд испытаний как в лабораторных, так и производственных условиях. Уже на этом этапе можно сказать, что данная добавка показывает отличные результаты по удерживающей способности органического вяжущего, что позволяет снизить процентное содержание битума в смеси, а также улучшить прочность материла.
Таблица 3
Общая характеристика стабилизаторов ЩМАС
|
Производитель |
Торговая марка |
Описание стабилизатора |
|
ООО «Фирма ГБЦ» |
СД-1, СД-Супер |
Волокна сульфатной целлюлозы (85 %), органические связки (15 %) |
|
ЗАО Фирма «Эмка» |
Гасцел |
2 разновидности – гранулированное или негранулированное целлюлозное волокно |
|
ООО «Хризотоп» |
Хризотоп |
Гранулы из асбестового волокна |
|
Interchimica SRL |
ITERFIBRA |
Цилиндрические гранулы 6–8 мм из мелковолокнистой целлюлозы |
|
«Antrocelas», UAB |
Antrocel-G |
Волокнистая масса, полученная из макулатуры и отходов |
|
CFF Gmbh & co kg |
Topcel |
Масса длинно- и мелковолокнистая. Содержание целлюлозы – 80 ± 5 %. |
|
J. Rettenmeier& Sohne GMBH & Co. (JRS Gmbh & Co.) |
Viatop 66, Viatop Premium |
Viatop 66 – цилиндрические гранулы 2–10 мм из мелковолокнистой целлюлозы (66 %), агломерированной дорожным битумом (34 %). Viatop Preminum – цилиндрические гранулы 4–8 мм (90 %), агломерированные дорожным битумом (10 %). |
Стабилизирующие добавки для ЩМА
Вывод
Приведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что щебеночно-мастичный асфальтобетон в настоящее время является очень перспективным материалом в дорожном строительстве. Об этом свидетельствует массовое применение ЩМА в большинстве стран, в том числе и России. Благодаря своей уникальной структуре, во многих регионах нашей страны ЩМА был признан одним из лучших видов дорожного покрытия благодаря устойчивым показателям ровности, шероховатости и сцепления в процессе его эксплуатации. Учитывая ранее выполненные нами исследования, а также оригинальную научную разработку, предлагаемую авторским коллективом [7], необходимо решить следующие задачи:
– разработать стабилизирующую добавку для щебеночно-мастичного асфальтобетона, которая будет отвечать требованиям ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия», а также обеспечит повышение удерживающей способности и, следовательно, повышение долговечности покрытия;
– осуществить подбор таких компонентных материалов, которые с учётом предварительного технико-экономического обоснования не приведут к удорожанию строительства и будут конкурентоспособны.