Оптимизация состава новой асфальтобетонной смеси при регенерации асфальтобетона в США

Известны два метода восстановления дорожного асфальтобетонного покрытия в использованием материала ремонтируемого покрытия: с повторным использованием материалов покрытия в стационарной смесительной установке (Recycling in plant) и с повторным использованием покрытия непосредственно на месте (Recycling in place).

Выбор того или иного метода связан с качеством старого материала и экономической целесообразностью. Первый метод применяется при неудовлетворительном качестве материала асфальтобетонного покрытия для использования его на месте и необходимости удаления большого количества материала вследствие значительных разрушений покрытия большой толщины. Такой метод относительно независим от погодных условий. Основной операцией первого метода является фрезерование с целью удаления дефектного слоя покрытия. Этот процесс имеет ряд недостатков: потери материала или нарушение стабильности в слое износа и выравнивающем слое, а также нарушение геометрии покрытия. При этом производится оздоровительный ремонт по устранению колейности, клиновое фрезерование для обеспечения водоудаления, профильное фрезерование для коррекции поперечных уклонов или вмятин в слое износа.

Фрезерование может осуществляться как с предварительным разогревом поверхности (горячее фрезерование), так и без него (холодное фрезерование). При нагреве поверхности дорожного покрытия достигается снижение когезионных и адгезионных сил сцепления в асфальтобетонном покрытии и создаются благоприятные условия для процесса фрезерования. При горячем фрезеровании происходят ограниченные изменения параметров смеси по сравнению с ее первоначальным состоянием.

Холодное фрезерование осуществляется путем механического воздействия без нагрева поверхности дорожного покрытия. Вызываемые при этом способе изменения смеси ограничиваются в основном раздроблением зерна и, таким образом, изменением гранулометрического состава.

Метод ремонта с повторным использованием материалов покрытия непосредственно на дороге исключает необходимость транспортировки смеси к месту ее переработки и обратно, ее складирование и содержание и создает минимальное ограничение при движении транспорта по ремонтируемому участку. При этом методе материал ремонтируемого покрытия используется полностью.

Метод ремонта асфальтобетона на дороге холодным способом заключается в холодном фрезеровании дефектного слоя покрытия; загрузке удаленного материала в передвижной смеситель, обеспечивающий добавку необходимых компонентов; разогрев и перемешивание загруженных материалов; выгрузке готового материала в приемный бункер асфальтоукладчика и укладке им нового слоя из регенерированной асфальтобетонной смеси.

Способность асфальтобетона противостоять повторным механическим нагрузкам высокой частоты в значительной степени зависит от реологических свойств вяжущего и состава асфальтобетонной смеси. В процессе эксплуатации дорожных покрытий происходит старение битума вследствие сложных структурных и химических превращений под влиянием воздействия на асфальтобетон различных факторов. На тонкий слой битума оказывают воздействие кислород и температура воздуха, вода, состояние поверхности минерального материала. При этом скорость старения асфальтобетона зависит от его остаточной пористости. В то же время старение битума вызывает изменение его состава, проявляющееся в увеличении твердости, хрупкости битума, снижении долговечности покрытия. Поэтому в процессе регенерации необходимо восстановить баланс в оптимальном составе компонентов вяжущего. Такую функцию выполняет пластификатор.

Регенерации асфальтобетона предшествуют лабораторные исследования с целью оценки его физических, химических и инженерных (модуль упругости, деформативность, усталостные свойства) характеристик. Одновременно производят выбор пластификатора с учетом его состава, свойств и способности размягчать битум. Полученные результаты лабораторных исследований используют при проектировании и оптимизации составов регенерируемой асфальтобетонной смеси.

Последовательность работ по проектированию и оптимизации состава регенерируемой асфальтобетонной смеси сводится к установлению характеристик старого асфальтобетона и добавляемых материалов и проектированию состава оптимальной регенерируемой асфальтобетонной смеси.

При восстановлении свойств битума старого асфальтобетона одним из важнейших факторов является выбор пластификатора, оценка его качества и качества получаемого в результате пластификации вяжущего.

При оценке качества пластификатора в основном определяются вязкость при 25 и 60°С, потеря массы при старении в тонкой пленке и вязкость при 60°С после старения в тонкой пленке. При проектировании состава регенерированной асфальтобетонной смеси необходима проверка вязкости при 60°С старого битума, пластификатора и предложенного сплава старого битума с пластификатором.

Правильный выбор пластификатора, проектирование состава асфальтобетонной смеси, испытания оптимального состава с целью определения инженерных характеристик, тщательный контроль процесса смешения и укладки асфальтобетонной смеси в дорожное покрытие позволяет получить экономический эффект за счет рационального использования минеральных материалов, битума, топливно-энергетических ресурсов.

При горячем способе регенерации асфальтобетона пластификатор вводят в процессе смешения старой асфальтобетонной смеси с новым минеральным материалом, обработанным битумом. При этом пластификатор воздействует на битум, находящийся в старом асфальтобетоне, и на битум во вновь добавляемой асфальтобетонной смеси. Битум как старой, так и новой смеси начинает размягчаться с различной скоростью вследствие разной степени воздействия на них пластификатора.

В США применяют несколько видов пластификаторов для регенерации старого асфальтобетона. Некоторые из них выпускаются промышленностью специально для этих целей. Используются также отработанные смазочные масла, масляное сырье (масляные дистилляты), дорожные маловязкие битумы, масляные отстои (отходы), растворители для кровельных битумов, битумные эмульсии.

Samuel H.Carpenter и John R.Wolosick (США) приводят результаты исследований влияния пластификатора на свойства асфальтобетонной смеси при горя чем способе регенерации в установке. Выявлено также влияние процесса диффузии пластификатора (при добавлении его в старую асфальтобетонную смесь) на свойства регенерированного асфальтобетона.

Материал старого асфальтобетонного покрытия, взятый для исследования, был удален с одной из автомобильных дорог г. Champain штата Иллинойс машиной Roto-Mill. Покрытие находилось в эксплуатации около 15 лет, имело поперечные трещины, повышенную скользкость. Поверхностный слой асфальтобетонного покрытия разрыхляли на глубину 1,9 см. Затем материал удаляли с проезжей части, вывозили в отвал и использовали для ремонт дорог. Его измельчали так, чтобы он проходил через сито с отверстием 1,25 мм.

В качестве пластификатора использовали масло Рaxoll 1009 с кинематической вязкостью при 60°С -234 cCm. Введение 20% пластификатора от массы битума дало возможность получить динамическую вязкость вяжущего 1000 Па•с (при 60°С, что соответствует битуму AR-1000 с динамической вязкостью в пределах 75-125 Па•с).

Полученное вяжущее имело следующие характеристики: глубина проникания иглы, 0,1 мм, при температуре: 25°С - 112; 4°С - 37; температура размягчения (°С) - 44.

В битум, экстрагированный из старой асфальтобетонной смеси, ввели 20% пластификатора и на его основе приготовили образцы путем смешения с минеральным материалом, выделенным из старого асфальтобетона.

Приготовили также образцы из старого асфальтобетона без выделения битума с добавкой пластификатора и испытали их через разные промежутки времени после приготовления смеси, чтобы показать влияние процесса диффузии пластификатора на старую асфальтобетонную смесь.

При хранении образцов, приготовленных на пластифицированном битуме, изменения модуля упругости с течением времени не наблюдалось.

В образцах из старой асфальтобетонной смеси с добавлением пластификатора изменились значения модуля упругости во времени . Через сутки после приготовления образцов модуль упругости был достаточно высок, затем его значения уменьшились, а потом снова возросли. Следовательно, имеется критический период, в течение которого модуль упругости асфальтобетона, полученного в результате смешения старой асфальтобетонной смеси с пластификатором, имеет низкие значения.

Результаты определения податливости (при ползучести) и испытаний на сжатие не показывают заметного изменения свойств образцов во времени, а деформативные характеристики изменяются аналогично изменению модуля упругости. Проведенные исследования свидетельствуют о размягчении старого битума путем диффузии пластификатора. Это наиболее заметно при определении модуля упругости.

После длительного периода времени результаты испытаний образцов из регенерированного асфальтобетона с добавлением пластификатора могут асимптотически приближаться к результатам, полученным для образцов асфальтобетона с пластифицированным старым битумом.

Для физической оценки процесса пластификации проведены опыты, при которых регенерируемые образцы смешивали при 116°С с пластификатором (11,2 г пластификатора и 1056 г старой асфальтобетонной смеси) и хранили без уплотнения. Для каждого испытания брали по три образца. Через определенные промежутки времени после смешения (до 100 суток) производили экстрагирование битума из асфальтобетонной смеси. Для этого смесь погружали в трихлорэтилен и оставляли в нем на 3 мин, затем раствор декантировали. После этого растворы смешивали, и из полученной смеси растворов выделяли битум. Оставшуюся асфальтобетонную смесь промывали растворителем до полного удаления из нее битума, который выделяли также из промывных порций. Таким образом, получали два образца вяжущего. Первый образец представлял собой битум наружного слоя, второй образец - битум внутреннего слоя. Глубина проникания иглы битума каждого слоя должна изменяться во времени, если имеет место процесс диффузии пластификатора. Данные этих опытов показывают, что битум наружного и внутреннего слоев имеет различную глубину проникания иглы в течение длительного периода времени после смешения старого асфальтобетона с пластификатором, однако через определенное время значения сближаются. Начальная глубина проникания иглы для битума внутреннего слоя составляет 34*, а для битума наружного слоя - 20* (* глубина проникания иглы дана в десятых долях миллиметра) .

Консистенция битума в образцах из регенерированной смеси и выдержанных во времени - несколько более жесткая, чем в образцах из асфальтобетонной смеси с содержанием пластифицированного битума.

На проектирование состава вяжущего затрачивается много времени, и поэтому для получения точных сравнимых результатов необходимо четко соблюдать временные интервалы при испытании образцов.

В США в штатах Флорида и Мичиган были проведены исследования по проектированию оптимальных составов регенерированных асфальтобетонных смесей, определению их характеристик и усталостной прочности асфальтобетона.

В штате Флорида образцы асфальтобетона, взятые из покрытия автомобильной дороги В-1, исследовали по специально разработанной программе: сначала измеряли толщину слоев покрытия, а после экстрагирования битума определяли характеристики минерального материала и битума. Для старого битума определяли глубину проникания иглы и вязкость. Содержание битума колебалось в пределах от 5,9 до 6,6%, в среднем - 6,2% от массы асфальтобетонной смеси. Значение глубины проникания иглы изменялось в пределах от 16 до 33. Среднее значение глубины проникания иглы составляло 22. Показатель вязкости битума колебался от 900 до 10000 Па•с со средним значением 3814,7 Па•с.

В результате исследований было решено удалить верхний слой дорожного покрытия толщиной 7,6 см, регенерировать старый асфальтобетон и заменить им снятый слой, а затем устроить слой износа толщиной 3,2 см. Регенерированный асфальтобетон содержал 65% минерального материала старого асфальтобетона, 20 - нового щебня и 15% нового песка. В качестве пластификатора была использована битумная эмульсия (состав AER). Для выделенного из старого асфальтобетона битума и его смеси с пластификатором при различных процентных соотношениях определялась вязкость при разных температурах. Пределы содержания пластификатора, необходимого для получения битума с вязкостью, соответствующей техническим требованиям для штата Флорида, составляют 40-48% от массы старого битума.

Оптимальное количество старого битума для новой регенерированной асфальтобетонной смеси, а также ее характеристики по Маршаллу представлены в табл. 1 (смесь 1). Оптимальный состав регенерированной асфальтобетонной смеси и ее характеристики определяли в зависимости от содержания вяжущего.

Таблица 1. Оптимальное количество старого битума и пластификатора для новой асфальтобетонной смеси и ее характеристики по Маршаллу

Номер смеси	Содержание асфальтобетонной смеси, % по массе		Содержание старого битума в новой асфальтобетонной смеси, %	Вид пластификатора и его количество, %	Плотность, г/см3	Стабильность, кг	Текучесть, мм
	старой	новой
1	65	35	4,0	Битумная эмульсия AER (2,5)	2,19	1087,2	2,78
2	15	85	0,9	Битум АС-5 (3,8)	2,24	679,5	2,79
3	50	50	2,65	Битум АС-200-250 (3,1)	2,38	430,3	2,79
4	50	50	2,65	Битум АС-20+RA-250 (2,6+0,5)	2,39	475,6	2,79
5	50	50	2,65	Сера (4,0)	2,40	2174,4	2,28

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР

© строительство и недвижимость -