Материалы

Проектирование состава асфальтовых материалов с дисперсным битумом

А.Ф. Иванов

Основной целью проектирования состава асфальтовых материалов с дисперсным битумом является создание оптимальных условий для получения долговечных дорожных покрытий при минимальных затратах.

Разработка требований к асфальтовым материалам является не только материаловедческой, но и экономической задачей. Заниженные требования к материалам приводят к преждевременной утрате необходимых эксплуатационных свойств дорог и увеличению затрат на содержание и ремонт дорог, а также росту себестоимости перевозок. С другой стороны, завышенные требования к материалам приводят к снижению эффективности капитальных вложений в дорожное строительство.

Вопросы проектирования асфальтовых материалов наиболее изучены применительно к асфальту горячего приготовления [1].

Существует несколько методов проектирования  состава асфальта, ориентированных на достижение требуемых свойств. Можно выделить два направления получения асфальта с необходимыми качественными характеристиками.

Первое направление основано на получении асфальтовых смесей с непрерывной гранулометрией минеральной части, обеспечивающей устойчивость асфальта за счет расклинивания крупных минеральных зерен более мелкими. Такие асфальты обладают высокой сдвигоустойчивостью и шероховатостью, меньшей чувствительностью к колебаниям содержания битума и минерального порошка. Недостатком является открытая пористость асфальта, способствующая снижению водостойкости и морозостойкости.

Второе направление характеризуется подбором асфальтовых смесей по принципу плотного бетона. При этом допускается применение минеральной смеси прерывистой гранулометрии с использованием зерен окатанной формы. Из таких смесей возможно получение асфальта с замкнутой пористостью, обеспечивающей повышенную водо- и морозостойкость. Однако такие смеси склонны к сегрегации, а свойства асфальта очень чувствительны к колебаниям содержания минерального порошка и битума.

Состав асфальтовой смеси с дисперсным битумом проектируется с учетом назначения асфальта, условий применения и формирования структуры, а также свойств исходных материалов. Процесс проектирования включает следующие этапы:

- выбор типа смеси с учетом ее назначения и условий применения;

- выбор минеральных материалов и определение оптимального соотношения их в смеси;

- определение оптимального количества воды;

- выбор битума и определение оптимального его количества;

- определение физико-механических свойств подобранной смеси и внесение необходимых коррективов.

Для обеспечения диспергирования битума в состав асфальтовой смеси должны входить эмульгатор и вода. Наиболее целесообразно с экономической и технической точки зрения в качестве эмульгатора использовать минеральный порошок, являющийся неотъемлемой частью большинства асфальтовых материалов. Содержание и качество минерального порошка должно быть достаточным для создания благоприятных условий диспергирования битума. Исследованиями [2] установлено, что для обеспечения диспергирования битума в составе минеральной части должно содержаться не мене 4% частиц минерального порошка размером мене 0,071 мм. При увеличении содержания минерального порошка до 10% дисперсность битума улучшается. Дальнейшее повышение содержания минерального порошка несущественно влияет на процесс диспергирования битума.

Минеральную часть асфальтовых материалов с дисперсным битумом целесообразно подбирать по принципу плотных смесей. В целях экономии битума суммарная поверхность минеральных зерен должна быть минимальной. Особенностью асфальта с дисперсным битумом является  небольшая прочность в начальный период формирования. Прочность обеспечивается силами внутреннего трения и сцепления. Сопротивление покрытий сдвиговым деформациям можно повысить увеличением содержания и крупности щебня. Рекомендации по обеспечению сдвигоустойчивости асфаль­товых покрытий в результате применения каркасных асфальтов горячего приготовления за счет повышения внутреннего трения минераль­ного остова содержатся в отечественных и  зарубежных публикациях. Например, дорожные фирмы из Великобритании при строительстве асфальто­вых покрытий в тропических и субтропических странах специально применяют зерновые составы, подбираемые по уравнению кубической параболы. Устойчивость покрытий из таких смесей обеспечивается главным образом в результате механической заклинки частиц угловатой формы, которые должны быть либо прочным щебнем, либо дробленым гравием. Применять недробленый гравий в таких смесях не разрешается. В стандарте США ASTM D 3515-96 были предусмотрены асфальтовые смеси, дифференцированные на девять марок в зависимости от максимальной крупности зерен от 1,18 до 50 мм. Чем выше марка, тем крупнее щебень и тем меньше содержание минерального порошка в составе смеси. Кривые зерновых составов, построенные по кубической параболе, обеспечивают при уплотнении покрытия жесткий каркас из крупных зерен, который оказывает основное сопротивление транспортным нагрузкам.

Поскольку адгезия битума к поверхности минеральных материалов непосредственно после укладки и уплотнения асфальтовой смеси с дисперсным битумом незначительна, предпочтение следует отдавать каркасным смесям из дробленых зерен кубовидной формы, обладающим повышенным сопротивлением сдвигу. Каркасные асфальтовые смеси с дисперсным битумом с большим содержанием щебня выгодно отличаются от аналогичных смесей горячего приготовления. Повышенное содержание щебня в каркасных горячих асфальтовых смесях увеличивает сегрегируемость, дробимость щебня при уплотнении, что приводит к образованию неоднородной и пористой структуры асфальта с кавернозной текстурой поверхности устраиваемых слоев.

Процесс формирования асфальта с дисперсным битумом растянут во времени. Упрочнение асфальта происходит по мере испарения воды, образования битумной пленки и ее адгезии к поверхности минеральных зерен. Для ускорения испарения воды минеральные материалы должны иметь возможно меньшую пористость, минеральная смесь должна содержать минимальное количество порошковой фракции, частицы которой обладают повышенной водоудерживающей способностью.

Содержание в смеси воды определяется  из условия диспергирования битума, минимальных затрат на уплотнение, быстрого формирования  достаточной для движения транспорта прочности, образования сплошной битумной пленки. Для обеспечения достаточной степени дисперсности битума влажность минеральной смеси должна составлять 4-7% и 7-10% при содержании минеральных частиц размером мельче 0,71 мм соответственно 4-9% и 9-12%.

Требования к битуму определяются особенностями структурообразования асфальта с дисперсным битумом. Непременным требованием для реализации разрабатываемой технологии является создание условий для диспергирования битума. Диспергируемость битумов обусловлена их сложным химическим составом и структурно-механическими свойствами, зависящими от природы исходного сырья и способа получения. Вопросы диспергирования битумов наиболее глубоко исследованы применительно к битумным эмульсиям на жидких эмульгаторах. Установлено, что эмульгируемость существенно зависит от содержания в битуме компонентов, понижающих поверхностное натяжение. Поверхностная активность битумов может резко повышаться за счет асфальтогеновых кислот и ангидридов. С увеличением концентрации этих веществ битумам можно придать кардинально отличное качество – способность самопроизвольно эмульгироваться в щелочных растворах [3].

Значительная часть процессов структурообразования асфальта с дисперсным битумом происходит на дороге при температуре окружающего воздуха. Особое значение при этом имеет образование сплошной битумной пленки. Битумная пленка образуется в результате коалесценции битумных частиц и их растекания по поверхности минеральных зерен. Интенсивность этих процессов зависит от температуры и вязкости битума. Формирование битумной пленки начинается на стадии уплотнения. Под действием уплотняющей нагрузки происходят вытеснение воды из зон контакта, деформация битумных глобул, частичная их коалесценция. Эти процессы легче реализуются для битумов, имеющих меньшую вязкость. При прочих равных условиях скорость формирования битумной пленки в результате процессов смачивания увеличивается с понижением вязкости битума. Следовательно, предпочтение следует отдавать менее вязким битумам.

Выбор вязкости битума определяется необходимой прочностью асфальта в дорожной одежде, климатом района строительства, температурно-влажностными условиями в период производства работ. Из битумов, рекомендуемых для конкретных условий строительства, в весенний период следует выбирать более вязкие, а в осенний – мене вязкие для обеспечения формирования необходимой структуры асфальта до наступления влажной и холодной погоды.

Для повышения адгезии битума к влажным материалам целесообразно применять поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые можно вводить как в воду, так и в битум.

Влажность минеральной смеси должна быть достаточной для обеспечения оптимальных условий диспергирования битума, укладки и уплотнения асфальтовой смеси. Вода положительно влияет на процесс уплотнения, снижая трение минеральных частиц. В процессе уплотнения происходит миграция воды в поровое пространство и на поверхность устраиваемого слоя. Оптимальная для диспергирования влажность может превышать требуемую пористость асфальта, что неизбежно приведет к ее защемлению в порах уплотняемой смеси. Это обстоятельство обусловливает целесообразность осуществления уплотнения асфальтовой смеси с дисперсным битумом по мере испарения воды.

В горячих смесях основные процессы формирования структуры происходят на стадии перемешивания составляющих материалов и практически завершаются при их уплотнении. Структура асфальта с дисперсным битумом в большей степени формируется при уплотнении и эксплуатации дороги. В процессе уплотнения асфальтовой смеси с дисперсным битумом достигаются только минимально необходимые механическая прочность и устойчивость против воздействия климатических и эксплуатационных факторов.

Важным процессом является удаление из асфальтовой смеси воды путем отжатия при уплотнении и испарения при эксплуатации.

При определении соотношения минеральных материалов необходимо руководствоваться особенностями формирования структуры асфальта. Для большинства битумоминеральных материалов признан наиболее целесообразным метод подбора минеральной части по принципу предельных кривых. За рубежом этот метод применяется для всех дорожных смесей. Исследования битумоминеральных материалов на битумных эмульсиях показали, что покрытия из плотных смесей формируются дольше, чем пористые. Это объясняется лучшими условиями для испарения воды в пористых смесях. Следовательно, для ускорения формирования целесообразно применять смеси с возможно меньшим содержанием минерального порошка. Отечественная и зарубежная практика показывает, что лучшее качество дорожных покрытий получается при использовании пористых эмульсионно-минеральных смесей, из которых быстрее испаряется вода. Вместе с тем  постоянно ведется поиск путей эффективного применения плотных эмульсионно-минеральных смесей

Литература

1. Горельшева А.А. Органоминеральные смеси в дорожном строительстве / А.А. Горельшева. М., 2000. 107 с. – (Автомоб. дороги: Обзор. информ. / Информавтодор; Вып. 3).

2. Иванов А.Ф. Технология, структурообразование и свойства асфальтобетона с дисперсным битумом: дис…. канд. техн. наук /          А.Ф. Иванов. Саратов, 1986. 172 с.