Основное отличие щебёночно-мастичного асфальта (ЩМА) от обычного асфальта заключается в его жесткой каркасной структуре, которая обеспечивает передачу нагрузки с поверхности в нижележащие слои через непосредственно контактирующие друг с другом отдельные крупные частицы каменного материала. Тем самым достигается существенное снижение деформаций келейности покрытия. ЩМА представляет самостоятельную разновидность асфальта, обеспечивающую в отличие от других типов смесей одновременно водонепроницаемость, сдвигоустойчивость и шероховатость верхнего слоя покрытия [1].
Этот материал был разработан в 1960-х гг. в Германии и в настоящее время нашел широкое применение во многих странах при устройстве верхних слоев дорожных покрытий. Зарубежные стандарты предусматривают более 10 марок горячих смесей ЩМА – в зависимости от максимальной крупности применяемого щебня. В России существует ГОСТ 31015-2002 [2], где регламентированы смеси ЩМА-10, ЩМА-15 и ЩМА-20, которые приготавливаются на основе щебня крупностью до 10, 15 и 20 мм. Данные смеси предназначены для устройства верхних слоев дорожных покрытий.
Схема приготовления композиционной холодной щебёночно-мастичной смеси с дисперсным битумом, 1–3 – последовательность операций
Процесс приготовления и укладки ЩМА смесей практически аналогичен традиционным горячим асфальтовым смесям по ГОСТ 9128-2009 [3]. Спецификой смеси ЩМА является, в частности, более высокая, по сравнению с обычными асфальтовыми смесями, требуемая температура на выходе из смесителя – до 180 °С [1]. Это связано, с одной стороны, с изменением реологических свойств по температурной чувствительности, а с другой – тем, что смесь укладывается, как правило, более тонкими слоями (3–5 см) в сравнении с обычными асфальтовыми смесями, поэтому склонна к быстрому охлаждению.
Температурный режим приготовления ЩМА смесей, так же как и традиционных горячих асфальтовых смесей, требует больших затрат остродефицитной тепловой и электрической энергии, неизбежно сопровождается выбросом в атмосферу большого количества минеральной пыли, окислов азота, серы, углерода, канцерогенных углеводородов, наносящих ущерб окружающей среде, вызывающих профессиональные заболевания рабочих (астма, бронхит и др.). Известно также, что в горячих асфальтовых смесях на стадии их приготовления вяжущее уже стареет на 50–70 %, что соответствует 7–10 летнему сроку эксплуатации покрытия [4].
Одним из условий получения щёбёночно-мастичной смеси является наличие в ней повышенного количества битума (в пределах 6,0–8,5 %). Удорожает стоимость ЩМА необходимость применения специальных стабилизирующих добавок, предотвращающих стекание излишков вяжущего в ходе транспортирования и укладки. Добавки-стабилизаторы представляют собой гранулированные целлюлозные волокна с битумным покрытием. Более 90 % стабилизаторов для ЩМА производится в Германии. Кроме того, для введения гранул стабилизатора в смеситель асфальтобетонного завода (АБЗ) требуется дополнительное оборудование [8].
Альтернативой горячим асфальтовым смесям являются смеси на битумных эмульсиях. Необходимость заблаговременного производства битумных эмульсий, приготавливаемых с использованием дорогостоящих поверхностно-активных эмульгаторов и оборудования эмульсионных баз, нередко зарубежного производства, существенно удорожает производство асфальтов.
Предлагаемая технология композиционного холодного ЩМА с дисперсным битумом является дальнейшим развитием разработанной в СГТУ под руководством профессора Н.А. Горнаева и запатентованной [5] эффективной холодной технологии производства и применения асфальта с дисперсным битумом.
На рисунке представлена принципиальная технологическая схема приготовления щебёночно-мастичной асфальтовой смеси с дисперсным битумом. Минеральные составляющие естественной температуры и влажности подаются в мешалку. Одновременно вводится дополнительное количество воды, затем подаётся битум с рабочей температурой 140–150 °С и перемешивание продолжается до полного диспергирования битума на глобулы размером обычно до 100 мкм. Готовая смесь практически холодная.
Отличительной особенностью предлагаемой холодной технологии композиционного ЩМА с дисперсным битумом является образование в процессе перемешивания в объёме асфальтовой смеси прямой медленнораспадающейся битумной эмульсии на твердом эмульгаторе, роль которого могут выполнять обычно применяемые минеральные порошки. В результате получается асфальт на битумной эмульсии, без заблаговременного производства и применения эмульсии. Для создания каркаса устойчивого к сдвиговым деформациям от транспортной нагрузки в состав композиционных холодных щебёночно-мастичных смесей с дисперсным битумом вводится 70–80 % щебня с улучшенной (кубовидной) формой зерен и 15–30 % искусственного песка из отсевов дробления. Для снижения пористости слоя покрытия в состав композиционного холодного ЩМА с дисперсным битумом вводится 10–12 % известнякового минерального порошка и не менее 6,5 % вязкого нефтяного битума.
Предлагаемая технология имеет ряд значимых достоинств: энергосбережение, так как отпадает необходимость высушивания и нагрева минеральных составляющих; ресурсосбережение, за счет исключения из технологической линии асфальтобетонного завода сушильного барабана, форсунки, топочного хозяйства, пылеуловительной установки, грохота, необходимости их обслуживания, снижения металлоемкости завода; экологическая безопасность, так как, благодаря холодному и влажному приготовлению смесей, исключается выброс в атмосферу пыли, канцерогенных углеводородов и др.
При производстве холодной композиционной щебёночно-мастичной асфальтовой смеси не требуется добавка гранул стабилизатора и дополнительного оборудования для его введения в смеситель АБЗ.
Разрабатываемое под руководством Н.А. Горнаева в СГТУ научное направление «Технология холодных органоминеральных материалов с дисперсными органическими вяжущими» и разработки его учеников позволили теоретически обосновать процессы структурообразования в холодном композиционном ЩМА с дисперсным битумом с привлечением представлений физической химии с позиции термодинамики. Формирование структуры асфальта начинается в момент объединения всех составляющих, а заканчивается в покрытии, в ходе его эксплуатации. Холодная композиционная щебёночно-мастичная асфальтовая смесь представляет собой гетерогенную необратимую систему открытого типа, протекающие в ней процессы происходят в направлении уменьшения суммарной избыточной поверхностной энергии, достижения устойчивого равновесия. Скорость протекания этих процессов обуславливается составом, свойствами, температурами исходных материалов, погодными условиями. Важнейшими стадиями процессов структурообразования являются: смачивание водой минеральных составляющих, диспергирование и стабилизация битума; формирование битумной плёнки; адгезия битума; уплотнение.
В холодной композиционной щебёночно-мастичной смеси с дисперсным битумом исключительно важное значение имеет вода. Являясь обязательной, незаменимой составляющей, она участвует и определяет характер взаимодействий на всех этапах процессов структурообразования и свойств асфальта. Введение в минеральную смесь дополнительной воды лиофилизирует систему и создаёт благоприятные условия для диспергирования вязкого нефтяного битума.
Диспергирование вязкого битума осуществляется в объёме увлажнённой смеси через образование битумных нитей длиной до нескольких десятков миллиметров и их последующий распад на глобулы по достижении критической для данных условий толщины (температуры, содержания минерального порошка, воды и др.). Стабилизация битумных глобул осуществляется через остаточный (ориентированный) слой воды по Б.В. Дерягину [6].
Формирование битумных плёнок на поверхности минеральных частиц происходит в результате смачивания битумом воды, а затем по мере её испарения и твёрдых поверхностей. Битумные плёнки формируются тем быстрее, чем выше степень дисперсности битума и ниже его вязкость. Адгезия битума происходит через остаточный слой воды с последующей диффузией ПАВ битума (главным образом анионактивных) на границу раздела.
Уплотнение зависит от содержания воды. В первый момент увлажнённая смесь легко уплотняется за счёт повышенного содержания воды. Однако вода, заполняя все поры смеси и являясь практически несжимаемой, препятствует уплотнению, поэтому холодный композиционный ЩМА имеет остаточную пористость 8–10 % и согласно ГОСТ 9128-2009 [3] относится к пористым. Уплотнению способствуют особенности взаимодействия воды с гидрофильными составляющими смеси. По мере испарения воды за счёт песка и минерального порошка в смеси образуется большое количество заполненных водой тонких капилляров, возникающее при этом лаплассовское давление стремится сблизить минеральные зёрна. Вода за счёт капиллярных сил проявляет как бы связующие свойства, что позволяет открывать движение транспорта по покрытиям из холодных композиционных органоминеральных смесей сразу после завершения работ.
Экспериментальные исследования проводились на холодных композиционных щебёночно-мастичных смесях с наибольшей крупностью щебня 10, 15 и 20 мм. Для приготовления смесей применялся нефтяной битум марки БНД 90/130, известняковый минеральный порошок марки МП-1, гранитный щебень марки 1200 и полученный из него искусственный песок. Компонентные и зерновые составы холодных композиционных щебёночно-мастичных смесей с дисперсным битумом подбирались аналогично щебёночно-мастичным смесям горячего приготовления в соответствии с ГОСТ 31015-2002 [2] и показаны в табл. 1 и 2.
Холодные композиционные щебёночно-мастичные смеси приготавливались в лабораторной мешалке, изготовленной по типу серийно выпускаемых для АБЗ. Для исследования свойств холодного композиционного ЩМА с дисперсным битумом изготавливались стандартные цилиндрические образцы диаметром 71,4 мм, которые, согласно ГОСТ 31015-2002 [2], уплотнялись прессованием в течение 3 мин под нагрузкой 40 МПа.
При подготовке к испытаниям образцы высушивались 12 ч при температуре 100 °C. Такая методика воспроизводит условия формирования асфальта в покрытии и позволяет получать образцы со свойствами, близкими к свойствам образцов, формировавшихся в естественных условиях. Образцы испытывались по методике ГОСТ 12801-98 [7], принятой для ЩМА горячего приготовления.
При введении в состав холодной композиционной щебёночно-мастичной смеси с дисперсным битумом 9 % портландцемента марки 500 взамен части минерального порошка уже после пяти дней формирования прочностные и сдвиговые свойства соответствуют асфальту без добавки цемента после 28 суток формирования. Прочностные и сдвиговые свойства увеличиваются в среднем на 50 %. Коэффициент водостойкости и водостойкости при длительном водонасыщении составляет 1,00.
Таблица 1
Компонентный состав холодной композиционной щебёночно-мастичной смеси с дисперсным битумом
|
Материал |
Потребность о материале, % по массе |
||
|
Наибольшая крупность зёрен щебня, мм |
|||
|
10 |
15 |
20 |
|
|
Щебень фракций, мм: |
– |
||
|
5–10 |
61 |
21 |
12 |
|
10–15 |
– |
45 |
22 |
|
15–20 |
– |
– |
38 |
|
Песок из отсевов дробления |
27 |
23 |
18 |
|
Минеральный порошок (в пересчёте на частицы мельче 0,071 мм) |
12 |
11 |
10 |
|
Битум (сверх 100 % минеральной части) |
7,0 |
6,5 |
6,0 |
|
Вода (сверх 100 % минеральной части) |
10 |
9 |
8 |
Таблица 2
Зерновой состав холодной композиционной щебёночно-мастичной смеси с дисперсным битумом
|
Наибольшая крупность зёрен щебня, мм |
Размер зерен, мм, мельче |
|||||||||
|
20 |
15 |
10 |
5 |
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
0,071 |
|
|
10 |
– |
– |
100 |
39 |
25 |
20 |
16 |
14 |
12 |
12 |
|
15 |
– |
100 |
55 |
34 |
25 |
20 |
17 |
14 |
12 |
11 |
|
20 |
100 |
62 |
40 |
28 |
22 |
19 |
15 |
14 |
12 |
10 |
В составе холодных композиционных щебёночно-мастичных асфальтовых смесей составленные вяжущие применяются без их заблаговременного приготовления горячим способом. Два различных вяжущих с рабочими температурами одновременно, раздельно вводятся в увлажнённые минеральные составляющие щебёночно-мастичной асфальтовой смеси и перемешиваются. В объёме асфальтовой смеси получаются битумные эмульсии обоих органических вяжущих, стабилизированные минеральным порошком. Исследования динамики формирования композиционного холодного ЩМА с дисперсным битумом, выполненные на образцах по показателям прочностных и сдвиговых свойств, показали, что в сравнении с холодным ЩМА на вяжущем только из нефтяного битума, применение вяжущего из нефтяного битума с добавкой каменноугольного дёгтя Д-3 (20 % общей массы вяжущего) ускоряет структурообразование асфальта в 1,5 раза. Структурообразование ускоряется за счёт увеличения скорости растекания битумной плёнки. Установлено, что с добавлением к битуму БНД 90/130 15 % каменноугольного дегтя скорость растекания (формирования) битумной плёнки увеличивается в 3 раза по сравнению с нефтяным битумом [9], что объясняется повышенным содержанием ПАВ в каменноугольном дёгте.