Холодный асфальтобетон.

Одним из путей снижения энергозатрат в дорожном строительстве является применение холодных асфальтобетонов для ремонта дорожных покрытий. Холодные асфальтобетоны можно готовить на одной базе и перевозить на большие расстояния без риска потери или изменения их потребительских свойств. Ремонтный сезон продлевается до температуры минус 20 0С, при этом обеспечиваются высокая мобильность и оперативность ремонтных работ. Сокращается энерго- и механово-оруженность ремонтных бригад.

В странах СНГ холодные асфальтобетоны практически не применялись с 50-х гг. Утерян опыт работы с ними. Практически отсутствуют требования к материалу и технологии его приготовления. В странах Европейского союза, в США, Канаде в последние годы появились высокотехнологичные и качественные холодные асфальтобетоны.

Возрастающие требования к безопасности дорожного движения могут быть обеспечены созданием ремонтных материалов для дорожных покрытий. Альтернативы холодному асфальтобетону для ремонта дорожных покрытий при отрицательных температурах в настоящее время в мировой практике нет, а актуальность применения подобных материалов возросла.

Классический холодный асфальтобетон является разновидностью асфальтобетона, приготавливаемого в горячем состоянии, но укладываемого в холодном виде (при температуре не ниже 50С). В СССР подобные асфальтобетоны начали применять в 50х гг. Для их приготовления использовали средне- и медленногустеющие битумы марок СГ 70/130 или МГ 70/130 по ГОСТ 1195582. Получали подобные битумы в основном путем разжижения вязких битумов дизельным топливом, керосином или маслами. Для предотвращения слеживания готовой смеси содержание битума было на 20 % меньше оптимального, а для повышения прочности готовой смеси вводили повышенное количество минерального порошка (на 15–20 % больше оптимального).

Все это в результате позволяло получать смеси, способные храниться до 6 месяцев в штабелях высотой не более 1,5 м. Холодная смесь укладывалась в покрытие и формировалась (уплотнялась) движущимся транспортом в течение 1–1,5 месяцев. Низкая плотность подобных бетонов и малый расход битума приводили к недостаточной долговечности и разрушению, особенно в зонах избыточного увлажнения, а возрастающие нагрузки и интенсивность движения при высоких температурах —к появлению пластических деформаций. Применение холодных смесей в осенне-зимний период ограничивалось температурой ниже 5 0С.Все это привело практически к отказу от холодного асфальтобетона в 70-х гг. ХХ в.

Ускорить сроки формирования холодного асфальтобетона и повысить его качество можно путем замены медленногустеющих битумов быстрогустеющими. Впервые холодный асфальтобетон на быстрогустеющих битумах был получен в США. В качестве разжижителя битума был использован газолин в количестве 0,2–1,5 % от общей массы смеси. Расход битума составлял 4,5–7 %. Минеральный материал содержал 0,5–1 % гашеной извести. Смесь формировалась в течение нескольких суток. В то же время подобные асфальтобетоны также не нашли широкого распространения ввиду небольшого срока их хранения в штабеле, поскольку растворитель быстро испарялся и асфальтобетон терял технологическую подвижность.

Данная проблема довольно оригинальным способом была решена в 90-е гг. Холодная асфальтобетонная смесь на легколетучих растворителях затаривалась в полиэтиленовые либо бумажные мешки. Это давало возможность длительного хранения смеси и упрощало доставку к потребителю. Недостатком смесей на быстрогустеющих битумах является применение дорогих растворителей, которые теряются безвозвратно при испарении. Необходимо применять битумы, которые при небольшой потере растворителей приобретают достаточную когезию. Однако до сих пор в мировой практике данная проблема не решена.

В настоящее время стали применять холодные асфальтобетоны на битумных эмульсиях. Наибольшее распространение такие бетоны нашли во Франции, Германии, Польше. Так, французские фирмы «Скрэг» и «Колас» для приготовления холодных асфальтобетонных смесей используют эмульсии катионного типа. Для повышения качества бетона эмульсии готовят на разжиженном легкими растворителями битуме, кроме того, в состав эмульсии входят 2–3 % латекса натурального каучука. С целью повышения срока хранения готовая смесь также затаривается в полиэтиленовые мешки. Запатентована холодная смесь на битумных эмульсиях анионного или катионного типа, содержащая минеральный заполнитель крупностью 0–14 мм непрерывной гранулометрии, синтетические волокна (0,05–0,5 %) и добавки, регулирующие сроки формирования (цемент или водные растворы катионных ПАВ). В Польше для снижения температуры замерзания воды в состав эмульсии вводят хлористый кальций. В результате эмульсионная смесь используется и для зимнего ямочного ремонта.

В Германии выпуском холодного асфальтобетона занимается фирма Romex. Фирма разработала эмульсию под названием Repasphalt-koncentrat. Для приготовления асфальтобетонной смеси используются минеральные материалы прерывистой гранулометрии следующего состава: щебень фракции 2–5 мм —65 %; дробленый песок фракции 0,2–2 мм — 24 %; тонкодисперсный наполнитель — остальное.

Расход концентрата составляет 65 кг на одну тонну смеси. Стоимость концентрата — ?1470 за тонну.

Концентрат представляет собой водную эмульсию, содержащую битум, ПАВ, разжижитель и полимер. Важную роль играет гранулометрический состав. Приведенный выше гранулометрический состав выполняет две функции:
  - предотвращает пластические деформации при практически нулевой когезии вяжущего;
  - вследствие отсутствия тонкодисперсных частиц предотвращается распад эмульсии на стадии смешения и хранения.

Несмотря на широкое применение холодных асфальтобетонов на битумных эмульсиях в ряде стран с теплым климатом, к их применению в условиях России, особенно для ведения осеннезимних ремонтов, следует относиться с осторожностью. Холодный асфальтобетон на битумных эмульсиях может сформироваться только после испарения воды, поскольку при ямочном ремонте другого пути отвода нет. Замерзшая вода будет разрушать структуру асфальтобетона, в результате его долговечность, несмотря на высокую стоимость, может оказаться низкой.

Для разработки эффективных составов холодного асфальтобетона необходимо решить определенные теоретические задачи.

Каким же образом устранить недостатки, присущие холодным асфальтобетонам на разжиженных битумах или эмульсиях?
Возможны два пути:
1. Создание двухслойной оболочки на минеральных частицах.
2. Формирование структуры битума при небольшом количестве удаляемого растворителя.

Первый путь наиболее выгоден с экономической и технологической точек зрения. В то же время асфальтобетон будет иметь более низкое качество и более продолжительный срок формирования. Однако для дорожного строительства (особенно на дорогах II–IV категорий) он может оказаться наиболее приемлемым.

Если минеральный материал обработать битумом (желательно с улучшающими и адгезионными добавками), на частицах возникает тонкий слой, обладающий высокой адгезией и прочностью после уплотнения.

Вязкость такого слоя должна находиться в пределах уплотняемости и составлять при температуре от 0 доминус10 0С 10–100 Пас. То есть в 10 развыше, чем при обычной обработке. Такую вязкость обеспечивают битумы с пенетрацией выше 150х0,1 мм.При вводе добавки пенетрация может быть снижена вследствие увеличения уплотняемости.

Толщина слоя первичной обработки должна быть определена экспериментально.

Данный первичный слой защитит минеральный материал от доступа воды и после уплотнения создаст прочный каркас, т. е. исчезнут отмеченные выше недостатки.

Для обеспечения технологической подвижности, неслеживаемости и повышения плотности смеси частицы должны покрываться вторым слоем вяжущего. Вяжущее второго слоя должно быть по возможности термодинамически несовместимым с первым на стадии смешения и хранения асфальтобетона и совмещаться после формирования структуры, а также обладать тиксотропными свойствами, т. е. способностью обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. Физическая сущность тиксотропии вяжущего для холодного асфальтобетона заключается в разрушении структурных связей внутри пластичновязкого материала при укладке и виброуплотнении смеси, при этом материал теряет структурную прочность и превращается в вязкую жидкость, а после прекращения механического воздействия снова обретает структурную прочность и соответствующие физико-механические характеристики.

Такими свойствами могут обладать как эмульсии легких растворителей и битума, так и модифицированные битумы. Наличие воды будет способствовать предотвращению слипания готовой смеси. Легкие же растворители будут пластифицировать поверхностный слой и в то же время, испаряясь, — быстро формировать структуру асфальтобетона. Вязкость эмульсии при 0–10 0С должна быть 2–4 Пас.

Второй способ получения качественного асфальтобетона может быть реализован путем использования битумомастичного вяжущего, разжиженного спектром растворителей. Причем количество полимера и содержание асфальтенов должно обеспечить формирование структуры при удалении 5–10 % низкокипящего растворителя. Сам же растворитель должен быть составлен из расчета получения конечной вязкости 2–4 Пас.

Отдельный вопрос — гранулометрический состав и плотность холодного асфальтобетона.

Применяемые в Западной Европе холодные асфальтобетоны практически полностью состоят из щебня фракций 2–5 мм (причина этого указана была выше). Остаточная пористость составляет около 10 %. Такой состав уменьшает расход вяжущего и ускоряет формирование структуры вследствие возможности быстрого испарения воды или растворителя.

Следует иметь в виду, что увеличение пористости на 1 % увеличивает скорость формирования структуры на 20–30 %. Показатель слеживаемости у щебеночных смесей в 3–4 раза ниже, чем у плотных. Поэтому оптимальный гранулометрический состав может быть следующим: щебень 2–5 мм — 66 %; песок 0,14–2 мм — 21,5 %; минеральный порошок — 3,5 %.

Применительно к условиям России можно рекомендовать, например, холодный асфальтобетон следующего состава: щебень 5–10 мм — 50–77 %; щебень 2–5 мм — 15–30 %; песок 0,14–2 мм — 5–15 %; порошок — 3–5 %.

Подобные составы рациональны для бетонов на основе качественных битумов и добавок (второй способ получения холодных асфальтобетонов).

Учитывая изложенные подходы, были разработаны составы и технология получения холодного асфальтобетона для ямочного ремонта в любой сезон года под торговой маркой «Новофальт» по СТО –0015674306157182006.

Холодные асфальтобетонные смеси и холодные асфальтобетоны в зависимости от крупности применяемого щебня подразделяются на виды:
  - «НОВОФАЛЬТ-5», с размером зерен до 5 мм;
  - «НОВОФАЛЬТ-10», с размером зерен до 10 мм;
  - «НОВОФАЛЬТ-15», с размером зерен до 15 мм;
  - «НОВОФАЛЬТ-20», с размером зерен до 20 мм.

В зависимости от минимальной температуры укладки в покрытие подразделяют на марки:
  - У — для укладки при умеренной температуре окружающего воздуха не ниже +5 0С;
  - УХ — для укладки при умереннохолодной температуре окружающего воздуха в пределах от +4 0С до –5°С;
  - X — для укладки при низких температурах окружающего воздуха от –6 0С до –20 0С.

Показатели физикомеханических свойств холодных асфальтобетонов приведены в табл. 1. 

Методы испытаний холодного асфальтобетона приняты в соответствии с ГОСТ 12801. Для оценки сдвиго-устойчивости рекомендуется определять индекс сопротивления пластическим деформациям. Сущность метода заключается в оценке характеристик холодного асфальтобетона, влияющих на величину пластических деформаций, и сопоставления их с величиной напряжений в асфальтобетоне от воздействия транспортных нагрузок путем вычисления индекса сопротивления пластическим деформациям. Индекс сопротивления пластическим деформациям (Ипл) рассчитывают по формуле:

  ,

где р — растягивающее напряжение в покрытии от воздействия транспортной нагрузки, МПа, принимается равным 0,5 МПа;
сж — сжимающее напряжение в покрытии от воздействия транспортной нагрузки, МПа, принимается равным 1,0 МПа;
К — коэффициент, учитывающий соотношение длительного и фактического модуля релаксации и несовпадение сцепления с истинным пределом пластичности (К=0,8);
m — коэффициент, равный 0,4.

Коэффициент внутреннего трения (tg) и внутреннее сцепление холодного асфальтобетона (С) определяют при двух схемах нагружения: при одноосном сжатии и при сжатии по схеме Маршалла в соответствии с ГОСТ 12801.

Опыт применения холодных асфальтобетонных смесей для ямочного ремонта асфальтобетонных покрытий на автодорогах М1/Е30, М8 и улицах Калининграда показал, что холодный асфальтобетон «НОВОФАЛЬТ» обладает требуемой удобоукладываемостью, хорошей водостойкостью и сдвигоустойчивостью при соблюдении условий его применения. Условиями, ограничивающими использование холодных асфальтобетонных смесей для ремонта дорожных покрытий, являются толщина слоя укладки и размеры мест повреждений в плане. Максимальная толщина слоев укладки не должна превышать 60 мм, карты укладки не рекомендуется устраивать размером в плане более 3 кв. м. Оптимальным вариантом является использование холодного асфальтобетона для оперативного ремонта покрытий на начальной стадии разрушения при отрицательных температурах окружающего воздуха.

Применение холодного асфальтобетона при оперативном ремонте покрытий позволяет существенно снизить затраты на проведение ремонтных работ в наиболее неблагоприятные периоды года, уменьшить объемы разрушений на покрытиях и повысить безопасность дорожного движения.