ВВЕДЕНИЕ. В настоящее время автомобилизация страны получила мощное ускорение, создав немало проблем для дорожно-транспортной сети

В настоящее время автомобилизация страны получила мощное ускорение, создав немало проблем для дорожно-транспортной сети. Для их эффективного решения в условиях дефинитного финансирования внедрение достижений научно-технического прогресса и передового опыта приобретает большое практическое значение.

В книге основное внимание уделено вопросам совершенствования традиционных технологий строительства и ремонта дорожных покрытий с применением горячих укатываемых асфальтобетонных смесей, а также новым технологиям с применением щебеночно-мастичных, литых асфальтобетонных смесей, холодных литых эмульсионно-минеральных смесей, специальных смесей для устройства шероховатых защитных тонкослойных покрытий и др.

По ходу изложения технологий читатель знакомится и с достижениями в области дорожного машиностроения.

В книге освещены вопросы контроля качества, техники безопасности и охраны окружающей среды. В ней учтены требования нормативных документов.

Авторы не претендуют на исчерпывающую полноту раскрытия темы и будут весьма признательны всем, высказавшим замечания и пожелания.

ГЛАВА 1. АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ ГОРЯЧИХ УКАТЫВАЕМЫХ СМЕСЕЙ

§ 1.1. Определение и классификация

Горячая укатываемая смесь представляет собой рыхлую массу с температурой 140...160 °С, состоящую из щебня, песка, минерального порошка и вязкого дорожного битума в рационально подобранных соотношениях. После интенсивного уплотнения смеси катками и затвердевания слой приобретает определенную плотность, механическую прочность, упругость и эластичность.

ГОСТ 9128-97 [1] классифицирует горячие смеси:

• по наибольшему размеру зерен минеральных материалов: крупнозернистые с размером зерен щебня (гравия) до 40 мм, мелкозернистые - до 20 мм и песчаные с максимальным размером зерен песка 5 мм;

• по величине остаточной пористости: высокоплотные с остаточной пористостью 1,0-2,5%, плотные 2,5-5%, пористые 5,0-10,0% и высокопористые 10,0-18%;

• щебенистые - по количеству щебня (гравия): тип «А» - от 50 до 60%, тип «Б» - от 40 до 50% и тип «В» - от 30 до 40 мас. %;

• песчаные - по виду песка: тип «Г» на песках из отсевов дробления, также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30%, тип «Д» на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 мас. %;

• по значениям физико-механических свойств - на три марки (прил. 1).

§ 1.2. Компоненты смеси

Большая роль в обеспечении заданных свойств асфальтобетона принадлежит свойствам исходных материалов. Поэтому рассмотрим, каким требованиям они должны удовлетворять.

Битум является одним из важнейших компонентов асфальтобетонной смеси.

Основной объем битума, используемого дорожными организациями, производят из нефти. Процесс производства битума связан с нагревом нефти и выделением из нее более легких компонентов - бензина, лигроина, керосина. Далее, при температуре 300...400°С, отгоняют машинные, веретенные, трансформаторные и другие смазочные масла. Выделение этих масел из нефти ведут под вакуумом. В результате разложения нефти остается густой смолистый остаток - гудрон (остаточный битум), который используют или как исходный материал для получения более вязких окисленных битумов, или используют без переработки.

Свойства гудрона зависят как от свойств нефти, так и от технологии ее переработки. Гудрон из тяжелой смолистой нефти составляет 7-8% от ее массы и имеет более высокое качество, чем из легкой (1% от массы).

Наиболее распространенным способом производства битумов является продувка гудрона воздухом при температуре 260...270 °С. В зависимости от типа окислительной установки, интенсивности и продолжительности процесса получают битумы различной вязкости.

Для производства горячих укатываемых асфальтобетонных смесей отечественная нефтеперерабатывающая промышленность выпускает вязкие дорожные битумы, преимущественно, марок БНД 40/60, БНД 60 90 и БНД 90/130 [2]. Каждая марка имеет вполне определенный групповой и химический состав.

Комплекс требований [2], предъявляемых к вязким дорожным битумам, приведен в табл.1.

Таблица 1

Наименования показателей	Нормы по маркам
БНД 40/60	БНД 60/90	БНД 90/130
Глубина проникания иглы, дмм
при температуре: 25 °С, в пределах	40-60	61-90	91-130
0 °С, не менее
Температура размягчения, °С, не ниже
Растяжимость при 25 °С, см, не менее
Температура хрупкости, °С, не выше	-12	-15	-17
Сцепление с мрамором (песком)	выдерживает
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более
Температура вспышки, °С, не ниже
Индекс пенетрации, в пределах	от -1 до +1

Битум - сложная коллоидная система, дисперсионной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой - асфальтены, карбены и карбоиды. На пограничных поверхностях этих частиц прочно удерживаются асфальтобеновые кислоты и их ангидриды.

Масла придают битуму подвижность и текучесть. Их плотность менее 1000 кг/м³, цвет - светло-желтый, содержание в битуме колеблется в пределах 35-60 мас.%. В маслах присутствуют углеводороды парафинового, нафтенового и ароматического рядов с молекулярной массой 300-600.

Смолы придают битуму эластичность и водостойкость. Их плотность равна, примерно, 1000 кг/м³, цвет - темно-коричневый, содержание в битуме в пределах 20-40%. В смолах присутствует наибольшее количество полярных сернистых, азотистых и кислородных соединений углеводородов с молекулярной массой 600-1000, способствующих хорошему прилипанию битума к каменным материалам.

Асфальтены представляют собой твердые неплавкие частицы черного цвета плотностью немногим более 1000 кг/м³ и молекулярной массой 1000-5000. От их количества и степени дисперсности зависит вязкость и теплостойкость битума. Обычно в битумах содержится 10-40% асфальтенов. Под действием ультрафиолетовых лучей они переходят в карбены икарбоиды, увеличивая вязкость и хрупкость битума. В битуме содержание карбенов и карбоидов - от 1 до 3%. Своими свойствами и составом они близки к асфальтенам, но содержат больше углерода и имеют большую плотность.

В некоторых случаях, для повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия, в битум вводят добавки полимеров, а для улучшения прилипания битума к поверхности зерен минерального материала - поверхностно-активные вещества (ПАВ) [3-6]. Их вводят либо в битум, либо на минеральные материалы при их перемешивании.

Минеральный порошок представляет собой молотый известняк, доломит, основной доменный шлак с размером зерен меньше 1,25 мм, при этом содержание частиц мельче 0,071 ммдолжно быть не менее 70%.

Для отдельных видов асфальтобетонной смеси (для пористого или высокопористого асфальтобетона, асфальтобетона II и III марки) допускается применение молотых основных металлургических шлаков, пыли уноса цементных заводов и золы тепловых станций.

Асфальтобетон без минерального порошка получается очень пористым, не морозостойким и, как правило, быстро разрушается.

Минеральный порошок должен отвечать требованиям стандарта [7].

Чем выше степень дисперсности минерального порошка, тем выше его энергетический потенциал и сцепление с битумом, тем прочнее склеиваются зерна минеральной смеси в монолит. Однако порошок не должен быть чрезмерно тонкого помола. Иначе, он будет слипаться в комки и плохо перемешиваться с другими минеральными материалами и битумом.

Одной из важных характеристик порошка является пористость, которая не должна быть выше 35 об.% у образцов, уплотненных нагрузкой 30 МПа. Для снижения пористости и гигроскопичности порошка рекомендуется при помоле горной породы обрабатывать вновь образующиеся поверхности активирующей композицией, состоящей из ПАВ и битума в количестве 1,5-2,5% от массы порошка. Присутствие ПАВ существенно улучшает смачивание поверхности частиц битумом и способствует образованию прочных связей.

Качественный минеральный порошок приготовляют путем помола породы прочностью на сжатие не ниже 20 МПа.

Коэффициент водостойкости образцов из смеси порошка и битума должен быть не ниже 0,7-0,8.

Песок - необходимый компонент практически любой асфальтобетонной смеси. Его качество также оказывает значительное влияние на свойства асфальтобетона.

Смеси для верхнего слоя покрытия приготовляют на природных (горных, речных или морских) и дробленых (отсевы от дробления горных пород) песках. Дробленые пески фракции 0-5 мм повышают сдвигоустойчивость и фрикционные характеристики покрытия, однако при большом содержании увеличивают жесткость, ухудшают подвижность и уплотняемостьсмеси, снижают водостойкость покрытия.

Для улучшения подвижности смеси и физико-механических свойств асфальтобетона дробленый песок или отсевы дробления смешивают с природным окатанным песком в соотношении 1:1 или 2:1. При использовании только природного песка лучше применять крупно- или среднезернистый, т.е. с модулем крупности, соответственно, более 2,5 или в пределах 2,0-2,5 и содержанием зерен крупнее 0,63 мм в пределах 35-50%. Чем крупнее песок, тем плотнее асфальтобетон и выше его деформационная устойчивость.

В смесях для нижних слоев допускается применение мелкого и очень мелкого песка с модулями крупности 1,7 и 1,1 соответственно. При соответствующем технико-экономическом обосновании мелкий песок можно улучшать добавками извести, которую вводят в количестве 2,5-5% от массы песка и перемешивают с ним до однородного состояния.

Песок должен быть чистым. Содержание в нем глинистых частиц должно быть не более 0,5%, а пыли и ила не более 3% - в природном песке и 5% - в дробленом. Песок должен удовлетворять требованиям стандарта [8].

Щебень применяют прочный и морозостойкий из горных пород изверженного, осадочного и метаморфического происхождения, а также из некоторых разновидностей атмосферостойких и прочных шлаков.

К изверженным породам относятся граниты, габбро, диабаз, базальты, диориты. Эти породы образовались после остывания и кристаллизации магмы и являются наиболее прочными.

Осадочные породы - известняки, доломиты, мергель и песчаники сформировались путем осаждения и цементации веществ из водной среды рек, морей и океанов. Их прочность и морозостойкость, как правило, ниже, чем у изверженных пород. Из осадочных пород весьма распространены в производстве асфальтобетонных смесей гравийные материалы в дробленом состоянии.

Метаморфические породы - мрамор, кварциты образовались в результате глубокого изменения изверженных и осадочных пород под действием высокой температуры и давления.

Независимо от происхождения горной породы щебень должен выдерживать 50 циклов испытания на морозостойкость для верхнего слоя покрытия и 25 - для нижнего.

Горная порода, перерабатываемая на щебень, не должна иметь слоистое строение. В противном случае при дроблении будут образовываться щебенки плоской формы - «лещадка». При повышенном содержании в асфальтобетонной смеси «лещадки» (более 15%), она при уплотнении катками ломается. В изломе покрытие становится водопроницаемым, неморозостойким и быстро разрушается. Поэтому слоистые породы применять не рекомендуется. Камень для переработки в щебень должен иметь предел прочности при сжатии вводонасыщенном состоянии не менее 80-100 МПа.

Размер зерен щебня для приготовления асфальтобетонной смеси для верхнего слоя принимают равным 5-10, 5-15 или 5-20 мм. Зерна щебня должны быть чистыми и иметь форму близкую к кубу или тетраэдру, так как требуют меньше битума и обеспечивают более высокую плотность, прочность и сдвигоустойчивость асфальтобетона.

Для нижнего слоя покрытия и слоев основания приготовляют крупнозернистую смесь на щебне размером 5-35(40) мм. Поскольку нижележащие слои испытывают меньшую нагрузку от движущегося транспорта и от воздействия атмосферных факторов, требования к прочности камня снижают на 20-25%.

Большое влияние на водостойкость и прочность асфальтобетона оказывают активность поверхности, шероховатость и прочность зерен щебня. Чем выше эти показатели, тем более водостойким, морозостойким и прочным является асфальтобетон. В этом отношении гравийные материалы как в естественном, так и дробленом состоянии уступают щебню из горных пород изверженного, осадочного и метаморфического происхождения. Они, как правило, неоднородны по минералогическому составу, имеют ультракислую и менее развитую поверхность, и по этой причине хуже взаимодействуют с битумом.

Щебень должен удовлетворять требованиям стандарта [9, 10] и использоваться в том или ином типе асфальтобетона в зависимости от прочности породы (табл. 2).

Таблица 2

Марка асфальтобетонной смеси

Типы асфальтобетонов, изготавливаемые на щебне разной природы

из изверженных и метаморфических пород, марки

из осадочных пород, марки

из металлургических шлаков

I

А, Б

В

-

-

А

Б

В

-

Б

В

-

-

II

-

А, Б

В

-

-

А

Б

В

А

Б

В

-

III

-

-

Б

В

-

-

-

В

-

-

Б

В

Для обеспечения требуемых физико-механических свойств асфальтобетонов на основе гравийных материалов, их рекомендуется дробить непосредственно перед использованием в асфальтобетонной смеси. При этом кремнистых частиц в дробленом гравии должно быть не более 25%, а зерен слабых пород - не более 10%.

Существенно повышается сдвигоустойчивость асфальтобетона при использовании в его составе высевок размером 3-5 мм.

Однако применение кондиционных материалов еще не является достаточным условием получения высококачественной смеси. Не менее важно правильно запроектировать состав и выдержать требуемые параметры технологических процессов ее приготовления, транспортирования, укладки и уплотнения

§ 1.3. Проектирование состава смеси

При проектировании состава необходимо правильно выбрать исходные компоненты и их соотношения, при которых асфальтобетонную смесь будет легко и выгодно изготовить, максимально обеспечить и сохранить ее однородность и температуру, ровно уложить и после уплотнения получить слои с требуемыми эксплуатационными и экономическими показателями.

Проектирование состава начинают с анализа условий работы асфальтобетона в дорожной конструкции, назначения марки и типа смеси, в соответствии с требованиями проекта. Далее, выбирают исходные компоненты с учетом их качества и стоимости, анализируют технологические возможности производства, уточняют требования к параметрам и режиму приготовления, подбирают состав смеси, составляют техническую документацию и передают ее на производство.

Среди указанных мероприятий подбор состава является ключевым.

В общем случае при подборе производят:

• испытание щебня, песка, минерального порошка, битума, руководствуясь требованиями и методиками соответствующих ГОСТов;

• расчет содержания компонентов в смеси по выбранной методике;

• формовку и испытание образцов;

• оценку результатов на соответствие установленным требованиям;

• корректировку состава с уточнением оптимального содержания компонентов, при котором физико-механические свойства образцов удовлетворяют техническим требованиям, а рецептура остается экономически целесообразной.

Расчет содержания компонентов является центральной операцией при подборе состава. От того насколько корректно он выполнен будут зависеть себестоимость, технологические свойства асфальтобетонной смеси, физико-механические свойства асфальтобетона, определяющие эксплуатационные характеристики и стоимость покрытия.

Известны различные методы расчета содержания компонентов [11 14]. Общим в них является подбор плотного минерального скелета и определение рационального количества битума, при котором физико-механические свойства образцов удовлетворяют требованиям стандарта.

Метод расчета по заданным эксплуатационным условиям [11] (метод проф. И.А. Рыбьева) основан на двух общих закономерностях, присущих всем конгломератным материалам - законе прочности оптимальных структур и законе створа.

Принцип подбора состоит в получении максимально плотной минеральной смеси песка и щебня в среде асфальтового вяжущего вещества (смеси битума и минерального порошка) оптимального состава (прил. 16), которому всегда соответствует комплекс наиболее благоприятных физико-механических свойств асфальтобетона. Независимо от названия показателей свойств, все они в своих максимумах и минимумах располагаются примерно в одном створе.

Изменяя качество материалов и их соотношение, параметры технологических операций при производстве, сохраняя фракционную и температурную однородность смеси при транспортировании, добиваются заданных свойств - подвижности и уплотняемости смеси при укладке, прочности и долговечности асфальтобетона в эксплуатации.

Вопросы для самоконтроля по § 1.1.-1.3.

1. Что такое асфальтобетонная смесь и асфальтобетон

2. По каким основным признакам и параметрам классифицируют асфальтобетонные смеси и асфальтобетон?

3. По каким признакам асфальтобетонные смеси и асфальтобетон классифицируют по видам, типам и маркам?

4. Какие исходные материалы используют для приготовления асфальтобетонной смеси?

5. Какая роль отдельных компонентов смеси в структурообразовании асфальтобетона?

6. Как влияют свойства исходных материалов на обеспечение заданных свойства асфальтобетона, и какие используют добавки?

7. Как получают дорожные битумы, и какие основные требования предъявляют к ним?

8. Как получают щебень для использования в асфальтобетонных смесях, и какие основные требования предъявляют к нему?

9. Какие применяют пески, и какие предъявляют к ним требования?

10. Как получают минеральные порошки, и какие основные требования предъявляют к ним?

11. На какие этапы делится процесс проектирования состава асфальтобетонной смеси?

12. Какие методы подбора составов используются?

13. Как изменяются требования к асфальтобетону, исходя из условий его эксплуатации?

14. Как варьируются требования к исходным материалам в зависимости от условий эксплуатации асфальтобетона?

15. Какие испытания исходных материалов проводят при проектировании состава смеси?

16. Какой основной принцип подбора рецептуры смеси по методу проф. И.А. Рыбьева?

17. Что такое асфальтовое вяжущее вещество?

18. Как учитывать технологические и производственные возможности предприятия изготовителя при проектировании состава асфальтобетонной смеси?

19. Каким образом добиваются требуемых технологических свойств смеси и эксплуатационных свойств асфальтобетонного покрытия?

§ 1.4. Приготовление смесей

Дата добавления: 2015-05-06