Дисперсно-армированный асфальтобетон в конструкциях дорожных одежд

Дисперсно-армированный асфальтобетон в конструкциях дорожных одежд

Рис. 1. Общий вид участка дороги в Англии, на котором уложен слой покрытия с использованием битума, модифицированного стекловолокном.



Рис. 2. Общий вид участка дороги в штате Пенсильвания, на котором уложен слой покрытия из асфальтобетонной смеси с добавлением стальных волокон.



Рис. 3. Общий вид участка дороги в штате Нью-Йорк, на котором уложены слои покрытия из асфальтобетонной смеси с добавлением полиэфирных волокон.

Применение дисперсно-армированного асфальтобетона в слоях покрытий магистралей в англо-американских странах
Введение в цементо- и асфальтобетон отрезков стальной проволоки, стеклянных, асбестовых, нейлоновых, полиамидных и других волокон повышает трещиностойкость, сопротивление усталости и удару, прочность на изгиб и сдвигоустойчивость дорожных покрытий магистралей, построенных с применением этих материалов.
Идея микроармирования битумных смесей возникла давно. Впервые ее реализовали в Канаде еще в 1953 году путем добавки в асфальтобетон асбестовых волокон. Асбестовое волокно образует в битумной смеси волокнистую структуру, зависящую от длины, формы, состояния и количества волокон, придает ему повышенную стойкость при высоких температурах и улучшает пластичность при отрицательных. Недостатком применения асбестового волокна является некоторое повышение расхода битума. Однако при этом одновременно уменьшается общая толщина конструкции дорожной одежды.
В Великобритании разработан и впервые применен новый эффективный метод восстановления асфальтобетонных покрытий с использованием стекловолокна.
На участках двух дорог общей протяженностью 2,4 км асфальтобетонное покрытие толщиной 40—50 мм было повреждено в результате воздействия низких температур. При помощи дорожной фрезы сняли поврежденное покрытие и основание, не обработанное вяжущим, на глубину 100—110 мм. Полученный сфрезерованный и измельченный материал перемешивали с цементом, расход которого составил 130 кг/м3, и вновь укладывали в качестве несущего слоя. После этого производили обработку покрытия с использованием битума, модифицированного стекловолокном (см. рис. 1).
Применение стальных волокон позволяет в ряде случаев решить проблемы, связанные с улучшением эксплуатационных качеств дорожного покрытия. Стальные волокна улучшают физико-механические и эксплуатационные свойства асфальтобетона и препятствуют образованию трещин, увеличивая тем самым срок службы покрытия магистрали.
Усиление верхних слоев дорожного покрытия стальными волокнами, так называемое “вторичное усиление”, способствует уменьшению расхода асфальтового вяжущего, причем прочность такого покрытия превышает прочность покрытий, не содержащих их.
В США построено большое количество мостов с покрытием из бетона, армированного отрезками стальной проволоки. Диаметр волокон колеблется от 0,25 до 0,65 мм, а длина волокон — от 12,6 до 63 мм. Количество волокон составляло 0,75—1,5% по объему, а толщина покрытия — 50—120 мм. Покрытие, не связанное с основанием (между слоями покрытия и настилом моста было проложено два слоя полиэтилена), не имело трещин после трех лет эксплуатации при интенсивности движения свыше 38 000 авт./сут. Такие виды бетонов часто применяются для ремонта дорожных и аэродромных покрытий.
В штате Пенсильвания (США) произведен ремонт участка автомобильной дороги с использованием асфальтобетонной смеси с добавлением стальных волокон. Для этого компания, которая производит асфальтобетонные смеси с добавлением стальных волокон, разработала специальный состав для устройства связующего слоя, содержащий крупнозернистый гравий, 9,7% битума и стальных волокон в количестве 1,1%. Состав для устройства слоя износа содержал природный гравий, битум — 6,7% и стальные волокна — 1,5%.
На ремонтируемом участке производили работы по снятию поврежденного покрытия до основания дорожной одежды. Затем поверхность тщательно очищали дорожными щетками и производили розлив вяжущего материала. После этого укладывали связующий слой толщиной 5,08 см. Расход асфальтобетонной смеси с добавлением стальных волокон составил 86,28 т на весь участок. Толщина слоя износа составила 3,81 см. Для уплотнения слоев из асфальтобетонной смеси использовали виброкаток массой 10 т (см. рис. 2).
В результате обследования этого участка через год после ремонта отмечено, что колееобразований и трещин на дорожном покрытии нет.
В штате Небраска (США) полипропиленовые волокна были добавлены в асфальтобетонную смесь при восстановлении взлетно-посадочной полосы “Epplay Airfield”, чтобы предотвратить образование отраженных трещин из-за больших нагрузок и перепадов температуры.
Минимальная температура смеси при укладке составляет 120°С, максимальная — 145°С. При более высокой температуре может произойти возгорание волокон.
В штате Нью-Йорк (США) для ямочного ремонта дорожных покрытий используют холодную асфальтобетонную смесь, модифицированную полипропиленовыми волокнами. Введение в смесь волокон повышает ее связность и адгезию к ремонтируемой поверхности дорог. Расход полипропиленовых волокон составляет 2,4 кг на 1 т смеси. Волокно смешивается с каменным заполнителем в холодном состоянии или после подогрева заполнителя непосредственно на конвейере смесителя.
Эксперименты, проведенные в США исследователями Martines B. P., Mills D. R., Steininger B. по применению различных волокон в асфальтобетоне, показали, что нейлоновые волокна менее технологичны и дороже, чем полиэфирные. Использование полиэфирных волокон существенно повышает износостойкость.
Установлено, что содержание волокон должно находиться в прямой зависимости от интенсивности движения, а их максимальная длина должна быть не более 12 мм, так как в противном случае асфальтобетонные смеси не технологичны.
Полиэфирные волокна, равномерно распределенные в горячем асфальтобетоне, эффективно снижают отраженные трещины. В настоящее время фирма “Kapejo Inc.” поставляет волокна в полиэтиленовых мешках, содержащих требуемое количество волокон для каждого замеса. Длина волокон зависит также от размера частиц минерального материала в смеси: чем мельче заполнитель, тем короче волокна.
В зависимости от вида применяемых волокон технология приготовления и укладки асфальтобетонных смесей в слои дорожного покрытия изменяется. Наиболее сложно обеспечить равномерное распределение волокон (см. рис. 3).

Применение дисперсно-армированного асфальтобетона в слоях дорожных покрытий в странах Европы
В Чехии в результате проведенных исследований признано целесообразным для упрочнения битумоминеральных смесей применять стеклянные волокна. При использовании стекловолокна в виде рубленого жгута необходимо выбирать волокна, у которых отношение длины к диаметру находится в интервале от 500 до 2000. Отмечается, что особое значение имеет вид обработки поверхности волокон. Лучшими являются волокна с эпоксидным, поливинилакриловым и метакрилсилановым слоями. Содержание волокон в мастике от 1 до 2%, в асфальтобетонной смеси — от 0,15 до 0,40%. Добавление рубленого стекловолокна положительно отразилось на характеристиках смеси при повышенных температурах, температуре размягчения мастик и стойкости к возникновению сдвиговых деформаций асфальтобетонных смесей. Все смеси с содержанием волокна в количестве 0,2% имели пониженные, по сравнению с эталонной смесью, прочностные характеристики. Смеси с содержанием волокон 0,4% имели лучшие свойства по сравнению с эталонной.
В Швейцарии исследовалось влияние рубленых стеклянных волокон длиной 6,13 и 25 мм и диаметром 10 мкм на свойства асфальтобетона. Установлено, что при содержании волокон от 1 до 1,5%, прочность асфальтобетона на растяжение при изгибе уменьшается, а при увеличении количества волокон прочность растет. Однако имеются трудности при перемешивании волокон со смесью. Длина волокон незначительно влияет на результаты эксперимента. Деформативная способность дисперсно-армированного асфальтобетона в некоторых случаях повышается до 40%. Увеличение прочности и деформативности асфальтобетона при 0°С снижает вероятность возникновения трещин, что особенно важно для гидротехнического строительства.
В Швейцарии проведены испытания образцов из асфальтобетонных смесей с добавками до 2% металлических волокон, в результате которых установлено, что показатели прочности по Маршаллу при растяжении, усталостной прочности армированных образцов выше, по сравнению с неармированными.
Кроме того, исследования показали, что для уплотнения асфальтобетонной смеси, армированной стальными волокнами, требуется приложить больше энергии по сравнению с неармированными с целью получения материала одинаковой плотности.
По результатам лабораторных исследований был построен опытный участок. Смесь готовили в установке Макадам-Алешот с двухвальцовым смесителем принудительного действия, распределяли асфальтоукладчиком “Hoes 1200”, уплотняли комбинированным катком “Simesa” массой 15 т. При выполнении работ установлено, что асфальтобетонную смесь, модифицированную стальными волокнами, трудно сформировать имеющейся техникой. Необходимая величина остаточной пористости асфальтобетона, армированного фибрами, может быть достигнута при комбинированном уплотнении.
Наблюдения за построенным участком на протяжении 5 лет позволили рекомендовать асфальтобетон, армированный металлическими волокнами, для строительства новых и восстановления старых покрытий дорог. При этом необходимо назначать оптимальное количество добавок волокон в каждом отдельном случае по результатам лабораторных испытаний.
В Польше провели исследования по изучению влияния полиэфирных волокон на свойства асфальтобетона. Волокна нарезали отрезками длиной 0—20 мм и вводили в асфальтобетонную смесь в количестве 1—2%. Отмечается, что определить оптимальное количество волокон трудно из-за ухудшения условий получения однородной массы. Добавки волокон увеличивают деформативную сопротивляемость асфальтобетона при испытаниях по Маршаллу и на виброползучесть.
Большой интерес представляет опыт ряда европейских фирм, которые предлагают использовать отходы волокон из термопластов (капроновые, полиэтиленовые, полипропиленовые) в качестве добавок в асфальтобетон. Такие смеси получают перемешиванием расплавленных отходов волокон и термопластичных полимеров с нефтяной смолой, пластификатором. Перед устройством дорожных покрытий измельченную смесь волокон нагревают до температуры плавления и смешивают с сухими наполнителями.
В Швеции предложены способ и принципиальная схема установки для приготовления асфальтобетонных смесей, отличающихся повышенной прочностью и высокой устойчивостью к тяжелым дорожным нагрузкам (заявка №441938, Швеция).
Способ приготовления предусматривает подогрев асфальтового вяжущего до температуры на 20—40°С выше рекомендуемой температуры смешения. Подогретая масса перекачивается в смеситель с лопастной мешалкой (ось мешалки расположена вертикально), куда из бункера подают минеральное волокно. Затем откорректированная по температуре смесь и подогретый каменный материал перемешиваются во вращающемся смесителе. Для получения асфальтобетонных смесей улучшенного качества предусматривается введение асфальтоволокнистой смеси в количестве 1/15—1/25 частей от массы каменного материала. Волокнистый материал вводят в асфальтовое вяжущее в количестве 0,5—20%. В качестве волокнистого материала можно использовать асбестовые или искусственно приготавливаемые из каменных расплавов волокна (например, диабазовые или из тугоплавких пластмасс). Для получения гомогенной массы волокна должны быть небольшой длины, диаметром 1—5 мКм (предпочтительно 3 мКм).
В Швейцарии дисперсное армирование асфальтобетона осуществляется волокнами, которые вводят в асфальтобетонную смесь при ее приготовлении или распределении по дорожному покрытию. При уплотнении смеси металлические волокна изгибаются и сплетаются вокруг частиц минерального материала и соединяются друг с другом, создавая металлическую матрицу из перепутанных волокон. Длина прямолинейных стальных фибр составляет 15—20 мм, сечение проволок может быть круглым или квадратным. Содержание металлической проволоки в асфальтобетонной смеси составляет 0,1—4% (заявка №7920/30, Швейцария).
Во Франции фирмой “Screg Routes” применяются асфальтобетонные покрытия магистралей с добавками коротких волокон. Разработаны различные составы смесей: Compoflex, Rugoflex, Bicompoflex, Mediflex. Дорожные покрытия обладают большой механической прочностью, в том числе высокой сдвигоустойчивостью. Большое содержание вяжущего обеспечивает водонепроницаемость, эластичность, хорошие усталостные свойства, сопротивление старению. Наличие волокон в смеси создает эффект микроармирования, и материал обладает высоким сопротивлением растяжению.
Compoflex представляет собой плотную органоминеральную смесь с волокнами, с непрерывным или прерывистым гранулометрическим составом от 0/16 до 0/14 мм. В зависимости от гранулометрического состава количество минерального материала составляет, кг/м2:
Compoflex ТМ 0/6 мм 50—60 То же 0/10 мм 50—60 То же 0/10 мм 60—75 То же 0/14 65—90 К настоящему времени построено несколько млн м2 покрытий магистралей из смеси Compoflex. Они находятся в хорошем состоянии даже на дорогах с очень тяжелым движением, а также на взлетно-посадочных полосах аэродромов, например, на Biazitz.
Compoflex обладает хорошим сцеплением с цементобетоном, эластичностью, прочностью при растяжении (в 1,5—2,5 раза большей, чем традиционные асфальтобетоны), сопротивлением одноосному сжатию (при 50°С — в 1,5 раза выше, чем обычные асфальтобетоны), высокой степенью уплотнения (95—98%).
Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР