Вспененные битумы в дорожном строительстве
Благодаря эффекту вспенивания, в процессе которого битум переходит в относительно устойчивую тонкодисперсную гетерогенную систему, состоящую из вяжущего, воздуха, воды (пара) и поверхностно-активных веществ, входящих в состав вяжущего, а в некоторых случаях дополнительно вводимых в него, существенно облегчается процесс перемешивания смеси, происходит более равномерное и полное распределение битума по поверхности минеральных материалов.
Рис. 1. Схема смесительной форсунки (ФРГ): 1 — корпус с конусообразным наконечником; 2 — штуцер подачи воды; 3 — штуцер подачи вяжущего; 4 — обратный клапан; 5 — вставка; 6 — центральный канал вставки; 7 — канал подачи вяжущего; 8 — канал подачи воды; 9 — кольцевой канал подачи вяжущего; 10 — завихряющий канал.
Рис. 2. Схема распыляющего устройства (США): 1 — штуцер подачи битума; 2 — корпус; 3 — пробка; 4 — трубопровод подачи пара; 5 — кольцо; 6 — наконечник.
Рис. 3. Общая схема устройства для приготовления асфальтобетонной смеси на вспененном битуме (США): 1 — корпус мешалки; 2 — крышка мешалки; 3 — распылитель; 4 — трубопровод подачи пара; 5 — трубопровод подачи вяжущего; 6 и 12 — манометр; 7 — запорный вентиль; 8 — кран-задвижка; 9 — регулятор давления; 10 — резервуар с паром; 11 — регулировочный клапан; 13 — насос; 14 — перепускной клапан; 15 — резервуар с битумом.
Рис. 4. Схема устройства для стабилизации грунта (США) (стрелкой показано направление движения смесительной машины): 1 — корпус смесителя; 2 — режущие и смесительные лопасти; 3 — распылители; 4 — водяная распылительная головка.
В результате применения вспененных битумов при приготовлении асфальтобетонных смесей достигается значительный экономический эффект за счет сокращения расхода битума (до 10% от массы минерального материала), повышения производительности смесительного оборудования и снижения температуры нагрева смеси.
Процессы вспенивания битумов, технологии приготовления и применения в дорожном строительстве асфальтобетонных смесей, получаемых с использованием этих вяжущих, изучаются в таких странах, как Австралия, Германия, США, ЮАР, Новая Зеландия и многих других. В Австралии уложено более 3,2 млн м 2 дорожного покрытия из асфальтобетонной смеси на основе вспененных битумов.
Способы приготовления асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов
Применение вспененных битумов вносит ряд изменений в технологическую схему приготовления асфальтобетонных смесей, касающихся процессов подготовки и подачи битума, обеспечивающих его введение в мешалку смесителя во вспененном состоянии. Существуют несколько способов вспенивания битумов: вспенивание и распыление битума горячей водой или паром, получаемыми в парогенераторах или централизованно по системе теплоснабжения; вспенивание и распыление предварительно обводненного битума за счет увеличения давления при его нагревании до температуры выше 100°С в специальном герметичном подогревателе перед подачей в мешалку (в этом случае могут быть использованы и необезвоженные битумы); вспенивание и распыление битума горячей водой и (или) паром, приготовление которых осуществляется параллельно с нагревом битума в битумоплавильне посредством пропуска воды по трубчатому теплообменнику.
Выбор технологического процесса подготовки, подачи к мешалке и введения в нее битума во вспененном состоянии в значительной степени зависит от способа вспенивания.
Приготовление и применение вспененных битумов в дорожном строительстве
В странах Запада вспененные битумы в дорожном строительстве начали применять в 30-е годы, что было обусловлено ростом цен на горячие асфальтобетонные смеси и необходимостью поиска менее дорогостоящих материалов и способов их производства.
В Государственном университете штата Айова (США) впервые в зарубежной практике было предложено смешивать холодные минеральные материалы с битумной пеной и разработано несколько проектов, реализующих эту идею. Вспенивание битума осуществлялось паром. Из-за отсутствия опыта приготовления вспененных битумов, а также недостатков в технологии производства работ, качество асфальтобетонных смесей было неудовлетворительным, а слои дорожной одежды из них имели небольшой срок службы.
Анализ опыта применения вспененных битумов в дорожном строительстве Австралии показал, что вначале битум тоже вспенивался паром, который подавался из специального сопла. При вспенивании значительно увеличивалась удельная поверхность и снижалась вязкость битума, достигалось хорошее обволакивание даже влажных поверхностей минеральных материалов. Недостатком данной технологии являлось то, что она не обеспечивала получения битумов с постоянными свойствами.
Фирмой “Mobil Oil Australia Ltd” (Австралия) были разработаны способ вспенивания посредством введения в поток горячего битума холодной воды и устройство для его осуществления. В результате взаимодействия с водой битум вспенивался и разбрызгивался из специальной емкости через сопла. Расход битума был постоянным, а расход воды регулировался с помощью запорного вентиля. Наибольший эффект достигался при введении в битум 1—2% воды от массы битума. При этом степень пенистости составляла 10—15, а устойчивость пены — 2—3 мин. Преимуществами данной технологии являются незначительные капитальные затраты и исключение применения парогенераторов. Вспененный битум применялся для обработки минеральных материалов (в основном, грунтов).
С использованием вспененных битумов приготавливали холодные и горячие асфальтобетонные смеси в стационарных смесителях периодического и непрерывного действия. Установлено, что холодные смеси можно готовить с использованием влажного заполнителя. Такие смеси длительное время не слеживаются при хранении в штабелях. При приготовлении смесей с использованием вспененных битумов требуется меньше битума и энергии. Вспененные битумы можно также применять при холодной регенерации асфальтобетонных покрытий дорог.
В США вспененный битум применялся для приготовления асфальтобетонных смесей. Вспенивание битума производилось с использованием пара и (или) воды, подаваемых под давлением. Оптимальным был принят расход воды в количестве 2% от массы битума. При вспенивании битум имел температуру 160°С.
Применение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах при строительстве верхнего слоя покрытия автомобильных дорог и магистралей в США и Канаде показало, что износостойкость дорожных покрытий может быть существенно повышена за счет небольшого увеличения расхода битума и применения асфальтобетонных смесей оптимальной плотности. Установлено, что горячие асфальтобетонные смеси, приготовленные с использованием вспененных битумов, обладают высокими показателями физико-механических свойств и могут быть рекомендованы для устройства покрытий автомобильных дорог с высокой интенсивностью движения транспорта.
В ФРГ разработаны способ вспенивания и конструкция смесительной форсунки, с помощью которой вода, используемая для вспенивания битума, подается под меньшим давлением, чем давление битума. Вяжущее (см. рис. 1) при температуре 170—220°С под давлением около 2 мПа, преодолевая сопротивление пружины клапана (4), подается в камеру корпуса (1) и заполняет центральный канал (6) вставки (5). По каналу (7) вяжущее попадает в кольцевой канал (9), от которого по двум завихряющим каналам (10) поступает к выходному отверстию форсунки. Вода при температуре 95—170°С под давлением по штуцеру (2) подается в верхний кольцевой канал вставки (5) и по каналам (8) (вставка имеет два канала, каждый из которых связан со своим завихряющим каналом) поступает в завихряющие каналы (10) непосредственно перед выходом из форсунки. Вода смешивается с вяжущим в завихряющих каналах. Проходя по каналам вставки, вода нагревается до температуры выше 100°С за счет передачи тепла от вяжущего. Вспенивание вяжущего происходит при выходе его из наконечника форсунки при резком уменьшении внутреннего давления смеси (до атмосферного). Однако этот способ вспенивания вяжущего предусматривает его подачу к форсунке под высоким давлением (до 2 мПа). Следует отметить, что при подаче воды под более низким давлением будет наблюдаться резкое увеличение давления в системе, что может привести к обратному ходу воды и (или) битумной смеси и засорению водоподводящих каналов битумов (Патент 1235214, ФРГ).
В США, Австралии и других странах вспененные битумы применялись также для укрепления глинистых грунтов, песков, гравия, щебня. В частности, в Австралии на подходах к г. Мельбурну вспененным битумом были укреплены дюнные пески на участке дороги с асфальтобетонным покрытием протяженностью 100 км. Укрепление грунта производилось на глубину до 20 см в один слой за один проход грунтосмесительной машины. Расход битума при этом составлял до 5% от массы влажного песка (работы производились в дождливую погоду).
При строительстве участка автодороги “Sprinavala-Road” (Австралия) в основание дорожной одежды были уложены влажные базальтовые щебеночные смеси, обработанные вспененным битумом с глубиной проникания иглы 90. (Здесь и далее по тексту глубина проникания иглы дана в десятых долях миллиметра). Количество битума составило 4% от массы щебня. Смеси готовили в стационарных смесителях непрерывного действия и укладывали с помощью грейдера и (или) укладчика. Вспенивание битума осуществлялось посредством введения в его воды в количестве 1,7% от массы битума под давлением, примерно равным давлению битума. В результате наблюдения за опытными участками выявлена пониженная износостойкость таких слоев.
В штате Аризона (США) на четырех участках различных автомобильных дорог проводились полевые исследования покрытий, построенных 18 лет назад из дюнного песка, обработанного вспененным битумом в установке. Дорожные покрытия находились в хорошем состоянии, отсутствовали выбоины и трещины. Было сделано заключение, что они могут эксплуатироваться в дальнейшем без устройства защитного слоя.
В Австралии применялись также вспененные битумы для обработки щебня при устройстве оснований дорожных одежд. Щебень обрабатывали вспененным битумом в передвижных смесителях непрерывного действия, оборудованных пенообразующим устройством. Битум подавался к распылительному соплу под давлением 0,13—0,17 мПа в холодном состоянии. Вспенивание битума достигалось введением в него специальных добавок. Укладка нового материала, получившего названием “пеноасфальт”, в основание дорожных одежд осуществлялось укладчиком модели “Автогрейд” производительностью до 2000 т/сут. Смесь уплотняли с помощью виброкатков и самоходных многовальцовых пневмокатков массой 35 и 12 т. Наблюдения за опытными участками показали, что слои основания находятся в хорошем состоянии.
В США разработан метод приготовления смеси вспененного битуминозного вяжущего с минеральным заполнителем, который состоит в следующем (Патент 879692, Великобритания). Разжиженный битум непрерывным потоком при регулируемом давлении, превышающем атмосферное, поступает через штуцер (1) в корпус (2) распыляющего устройства (см. рис. 2). Одновременно в распыляющее устройство через пробку (3) по трубопроводу (4) непрерывно подается пар при регулируемом давлении и объеме. Битум через отверстия в кольце (5) поступает в камеру наконечника (6), в которой при контакте с паром вспенивается. Вспененный битум разбрызгивается из отверстия наконечника (6), попадает на минеральный материал и перемешивается с ним механически при атмосферном давлении. Данный метод проверен в производственных условиях при приготовлении асфальтобетонных смесей. В частности, на стационарном смесителе (см. рис. 3) производилась обработка вспененным битумом минеральной смеси, состоящей из мелкого песка (95%) и лессовидного грунта (25%). Расход битума с глубиной проникания иглы 200 составлял 5—6% от массы минеральной смеси. Смеси готовили при температуре окружающего воздуха. Оптимальное количество влаги, необходимое для полного раздробления грунта и равномерного его распределения в смеси, составило 8%. В течение 30 секунд происходило перемешивание минеральных материалов. Затем в смесь в течение 10 секунд добавляли битумную пену при температуре 150°С (битум подавался к распылителю под давлением 0,14 мПа, а насыщенный пар — под давлением 0,35 мПа). Смесь дополнительно перемешивали. На приготовление одного замеса массой 135 кг необходимо 60—70 секунд.
В Государственном университете штата Айова (США) проводились также работы по применению вспененного битума для укрепления грунтов в слое конструкции дорожной одежды при строительстве магистрали. Работы проводились с помощью смесительной машины “Пулви-Миксер”, дооборудованной системами приготовления и подачи в грунт насыщенного водяного пара и битума (см. рис. 4). Стабилизации подвергался слой основания дорожной одежды толщиной 10—12 см (4—5 см золы — уноса и 5—8 см грунта). Содержание влаги в грунте изменилось от 6 до 16% в зависимости от погодных условий. В случае необходимости грунт доувлажнялся с помощью распылительной головки (4) (см. рис. 4). Дорожное полотно обрабатывали битумом с различной глубиной проникания иглы — 85—100 и 150—200. При этом битум нагревали до температуры 150—166°С и вводили в грунт в количестве 6% от его массы. Обработка материала покрытия осуществлялась за один проход машины на ширину 2,44 м. По ширине корпуса (1) (см. рис. 4) было установлено восемь распылителей (3) и восемь распылительных головок (4). Материал покрытия уплотняли катками на пневматических шинах. Интенсивность движения транспорта по готовому участку дороги составляла 400 авт/сут. Во время наблюдения за опытным участком дороги отмечались сильные ливни, град и снег толщиной покрова до 10 см, температура воздуха колебалась от плюс 32 до минус 12°С. В конце периода испытаний (более 4 месяца) на покрытии не обнаружено признаков разрушения.
Во Франции вспененные битумы использовали для устройства поверхностной обработки. Технология производства работ состояла из следующих операций: нанесение на поверхность дорожного покрытия слоя вспененного битума, распределение щебня по слою битума (при этом высота битумной пены должна составлять половину максимального размера зерен щебня) и уплотнение. Устройство слоев поверхностной обработки на основе вспененного битума осуществлялось автогудронатором.
Для устройства поверхностной обработки используются вязкие битумы, что предотвращает выделение вяжущего на поверхность слоя и выкрашивание щебня, особенно в жаркую погоду. Для обеспечения необходимой подвижности зерен щебня в слое поверхностной обработки под действием движения автомобилей необходимо использовать битум с глубиной проникания иглы 400/500. Наблюдения в течение пяти лет за экспериментальными участками дорог с такой поверхностной обработкой показали пригодность вспененного битума для устройства как одиночной, так и двойной поверхностных обработок. В результате применения данной технологии достигается экономия материальных и энергетических ресурсов.
Вспененные битумы широко применяются также для создания гидроизоляционных слоев и мастик. В США запатентованы составы гидроизоляционных материалов и технология их приготовления, основанные на применении вспененных битумов наряду с синтетическими смолами (Патент 4137198, США).
В частности, используют листовой или рулонный гидроизоляционный материал, получаемый в результате пропитки несущей матрицы из дисперсного стекловолокна вспененным битумом с использованием серийного оборудования. Преимуществами этого материала являются низкий расход битума, экономия энергии, а также высокие изолирующие свойства (Патент 4399186, США).
Широкое применение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах в странах Запада, а также в СНГ вызвало необходимость стандартизации методов их испытаний с учетом особенностей свойств и структуры этого материала. Разрабатываются методики и создаются установки для приготовления асфальтобетонных смесей на вспененных битумах.
Технология приготовления асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов обеспечивает экономию энергетических средств и материальных ресурсов и находит все большее распространение как в странах Запада, так и в СНГ.
Асфальтобетонные смеси на вспененных битумах готовят в асфальтосмесителях непрерывного или периодического действия, которые дополнительно оборудованы системами подачи воды (пара) и устройствами для вспенивания и распыления битума. В систему подачи воды (пара) входят линия подачи воды (пара) с регуляторами расхода и давления и форсунки специальной конструкции, в которых происходит смешение (контакт) битума с водой (паром). Для повышения качества битумных пен рекомендуется использовать водорастворимые поверхностно-активные вещества, вводимые в битум вместе с водой (паром). Транспортирование, укладка и уплотнение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах производятся теми же средствами механизации, которые используются при работе с традиционными смесями.
Применение вспененных битумов обеспечивает экономический эффект, дает возможность снизить трудозатраты, способствует решению вопросов охраны окружающей среды.
Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР
Рис. 1. Схема смесительной форсунки (ФРГ): 1 — корпус с конусообразным наконечником; 2 — штуцер подачи воды; 3 — штуцер подачи вяжущего; 4 — обратный клапан; 5 — вставка; 6 — центральный канал вставки; 7 — канал подачи вяжущего; 8 — канал подачи воды; 9 — кольцевой канал подачи вяжущего; 10 — завихряющий канал.
Рис. 2. Схема распыляющего устройства (США): 1 — штуцер подачи битума; 2 — корпус; 3 — пробка; 4 — трубопровод подачи пара; 5 — кольцо; 6 — наконечник.
Рис. 3. Общая схема устройства для приготовления асфальтобетонной смеси на вспененном битуме (США): 1 — корпус мешалки; 2 — крышка мешалки; 3 — распылитель; 4 — трубопровод подачи пара; 5 — трубопровод подачи вяжущего; 6 и 12 — манометр; 7 — запорный вентиль; 8 — кран-задвижка; 9 — регулятор давления; 10 — резервуар с паром; 11 — регулировочный клапан; 13 — насос; 14 — перепускной клапан; 15 — резервуар с битумом.
Рис. 4. Схема устройства для стабилизации грунта (США) (стрелкой показано направление движения смесительной машины): 1 — корпус смесителя; 2 — режущие и смесительные лопасти; 3 — распылители; 4 — водяная распылительная головка.
В результате применения вспененных битумов при приготовлении асфальтобетонных смесей достигается значительный экономический эффект за счет сокращения расхода битума (до 10% от массы минерального материала), повышения производительности смесительного оборудования и снижения температуры нагрева смеси.
Процессы вспенивания битумов, технологии приготовления и применения в дорожном строительстве асфальтобетонных смесей, получаемых с использованием этих вяжущих, изучаются в таких странах, как Австралия, Германия, США, ЮАР, Новая Зеландия и многих других. В Австралии уложено более 3,2 млн м 2 дорожного покрытия из асфальтобетонной смеси на основе вспененных битумов.
Способы приготовления асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов
Применение вспененных битумов вносит ряд изменений в технологическую схему приготовления асфальтобетонных смесей, касающихся процессов подготовки и подачи битума, обеспечивающих его введение в мешалку смесителя во вспененном состоянии. Существуют несколько способов вспенивания битумов: вспенивание и распыление битума горячей водой или паром, получаемыми в парогенераторах или централизованно по системе теплоснабжения; вспенивание и распыление предварительно обводненного битума за счет увеличения давления при его нагревании до температуры выше 100°С в специальном герметичном подогревателе перед подачей в мешалку (в этом случае могут быть использованы и необезвоженные битумы); вспенивание и распыление битума горячей водой и (или) паром, приготовление которых осуществляется параллельно с нагревом битума в битумоплавильне посредством пропуска воды по трубчатому теплообменнику.
Выбор технологического процесса подготовки, подачи к мешалке и введения в нее битума во вспененном состоянии в значительной степени зависит от способа вспенивания.
Приготовление и применение вспененных битумов в дорожном строительстве
В странах Запада вспененные битумы в дорожном строительстве начали применять в 30-е годы, что было обусловлено ростом цен на горячие асфальтобетонные смеси и необходимостью поиска менее дорогостоящих материалов и способов их производства.
В Государственном университете штата Айова (США) впервые в зарубежной практике было предложено смешивать холодные минеральные материалы с битумной пеной и разработано несколько проектов, реализующих эту идею. Вспенивание битума осуществлялось паром. Из-за отсутствия опыта приготовления вспененных битумов, а также недостатков в технологии производства работ, качество асфальтобетонных смесей было неудовлетворительным, а слои дорожной одежды из них имели небольшой срок службы.
Анализ опыта применения вспененных битумов в дорожном строительстве Австралии показал, что вначале битум тоже вспенивался паром, который подавался из специального сопла. При вспенивании значительно увеличивалась удельная поверхность и снижалась вязкость битума, достигалось хорошее обволакивание даже влажных поверхностей минеральных материалов. Недостатком данной технологии являлось то, что она не обеспечивала получения битумов с постоянными свойствами.
Фирмой “Mobil Oil Australia Ltd” (Австралия) были разработаны способ вспенивания посредством введения в поток горячего битума холодной воды и устройство для его осуществления. В результате взаимодействия с водой битум вспенивался и разбрызгивался из специальной емкости через сопла. Расход битума был постоянным, а расход воды регулировался с помощью запорного вентиля. Наибольший эффект достигался при введении в битум 1—2% воды от массы битума. При этом степень пенистости составляла 10—15, а устойчивость пены — 2—3 мин. Преимуществами данной технологии являются незначительные капитальные затраты и исключение применения парогенераторов. Вспененный битум применялся для обработки минеральных материалов (в основном, грунтов).
С использованием вспененных битумов приготавливали холодные и горячие асфальтобетонные смеси в стационарных смесителях периодического и непрерывного действия. Установлено, что холодные смеси можно готовить с использованием влажного заполнителя. Такие смеси длительное время не слеживаются при хранении в штабелях. При приготовлении смесей с использованием вспененных битумов требуется меньше битума и энергии. Вспененные битумы можно также применять при холодной регенерации асфальтобетонных покрытий дорог.
В США вспененный битум применялся для приготовления асфальтобетонных смесей. Вспенивание битума производилось с использованием пара и (или) воды, подаваемых под давлением. Оптимальным был принят расход воды в количестве 2% от массы битума. При вспенивании битум имел температуру 160°С.
Применение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах при строительстве верхнего слоя покрытия автомобильных дорог и магистралей в США и Канаде показало, что износостойкость дорожных покрытий может быть существенно повышена за счет небольшого увеличения расхода битума и применения асфальтобетонных смесей оптимальной плотности. Установлено, что горячие асфальтобетонные смеси, приготовленные с использованием вспененных битумов, обладают высокими показателями физико-механических свойств и могут быть рекомендованы для устройства покрытий автомобильных дорог с высокой интенсивностью движения транспорта.
В ФРГ разработаны способ вспенивания и конструкция смесительной форсунки, с помощью которой вода, используемая для вспенивания битума, подается под меньшим давлением, чем давление битума. Вяжущее (см. рис. 1) при температуре 170—220°С под давлением около 2 мПа, преодолевая сопротивление пружины клапана (4), подается в камеру корпуса (1) и заполняет центральный канал (6) вставки (5). По каналу (7) вяжущее попадает в кольцевой канал (9), от которого по двум завихряющим каналам (10) поступает к выходному отверстию форсунки. Вода при температуре 95—170°С под давлением по штуцеру (2) подается в верхний кольцевой канал вставки (5) и по каналам (8) (вставка имеет два канала, каждый из которых связан со своим завихряющим каналом) поступает в завихряющие каналы (10) непосредственно перед выходом из форсунки. Вода смешивается с вяжущим в завихряющих каналах. Проходя по каналам вставки, вода нагревается до температуры выше 100°С за счет передачи тепла от вяжущего. Вспенивание вяжущего происходит при выходе его из наконечника форсунки при резком уменьшении внутреннего давления смеси (до атмосферного). Однако этот способ вспенивания вяжущего предусматривает его подачу к форсунке под высоким давлением (до 2 мПа). Следует отметить, что при подаче воды под более низким давлением будет наблюдаться резкое увеличение давления в системе, что может привести к обратному ходу воды и (или) битумной смеси и засорению водоподводящих каналов битумов (Патент 1235214, ФРГ).
В США, Австралии и других странах вспененные битумы применялись также для укрепления глинистых грунтов, песков, гравия, щебня. В частности, в Австралии на подходах к г. Мельбурну вспененным битумом были укреплены дюнные пески на участке дороги с асфальтобетонным покрытием протяженностью 100 км. Укрепление грунта производилось на глубину до 20 см в один слой за один проход грунтосмесительной машины. Расход битума при этом составлял до 5% от массы влажного песка (работы производились в дождливую погоду).
При строительстве участка автодороги “Sprinavala-Road” (Австралия) в основание дорожной одежды были уложены влажные базальтовые щебеночные смеси, обработанные вспененным битумом с глубиной проникания иглы 90. (Здесь и далее по тексту глубина проникания иглы дана в десятых долях миллиметра). Количество битума составило 4% от массы щебня. Смеси готовили в стационарных смесителях непрерывного действия и укладывали с помощью грейдера и (или) укладчика. Вспенивание битума осуществлялось посредством введения в его воды в количестве 1,7% от массы битума под давлением, примерно равным давлению битума. В результате наблюдения за опытными участками выявлена пониженная износостойкость таких слоев.
В штате Аризона (США) на четырех участках различных автомобильных дорог проводились полевые исследования покрытий, построенных 18 лет назад из дюнного песка, обработанного вспененным битумом в установке. Дорожные покрытия находились в хорошем состоянии, отсутствовали выбоины и трещины. Было сделано заключение, что они могут эксплуатироваться в дальнейшем без устройства защитного слоя.
В Австралии применялись также вспененные битумы для обработки щебня при устройстве оснований дорожных одежд. Щебень обрабатывали вспененным битумом в передвижных смесителях непрерывного действия, оборудованных пенообразующим устройством. Битум подавался к распылительному соплу под давлением 0,13—0,17 мПа в холодном состоянии. Вспенивание битума достигалось введением в него специальных добавок. Укладка нового материала, получившего названием “пеноасфальт”, в основание дорожных одежд осуществлялось укладчиком модели “Автогрейд” производительностью до 2000 т/сут. Смесь уплотняли с помощью виброкатков и самоходных многовальцовых пневмокатков массой 35 и 12 т. Наблюдения за опытными участками показали, что слои основания находятся в хорошем состоянии.
В США разработан метод приготовления смеси вспененного битуминозного вяжущего с минеральным заполнителем, который состоит в следующем (Патент 879692, Великобритания). Разжиженный битум непрерывным потоком при регулируемом давлении, превышающем атмосферное, поступает через штуцер (1) в корпус (2) распыляющего устройства (см. рис. 2). Одновременно в распыляющее устройство через пробку (3) по трубопроводу (4) непрерывно подается пар при регулируемом давлении и объеме. Битум через отверстия в кольце (5) поступает в камеру наконечника (6), в которой при контакте с паром вспенивается. Вспененный битум разбрызгивается из отверстия наконечника (6), попадает на минеральный материал и перемешивается с ним механически при атмосферном давлении. Данный метод проверен в производственных условиях при приготовлении асфальтобетонных смесей. В частности, на стационарном смесителе (см. рис. 3) производилась обработка вспененным битумом минеральной смеси, состоящей из мелкого песка (95%) и лессовидного грунта (25%). Расход битума с глубиной проникания иглы 200 составлял 5—6% от массы минеральной смеси. Смеси готовили при температуре окружающего воздуха. Оптимальное количество влаги, необходимое для полного раздробления грунта и равномерного его распределения в смеси, составило 8%. В течение 30 секунд происходило перемешивание минеральных материалов. Затем в смесь в течение 10 секунд добавляли битумную пену при температуре 150°С (битум подавался к распылителю под давлением 0,14 мПа, а насыщенный пар — под давлением 0,35 мПа). Смесь дополнительно перемешивали. На приготовление одного замеса массой 135 кг необходимо 60—70 секунд.
В Государственном университете штата Айова (США) проводились также работы по применению вспененного битума для укрепления грунтов в слое конструкции дорожной одежды при строительстве магистрали. Работы проводились с помощью смесительной машины “Пулви-Миксер”, дооборудованной системами приготовления и подачи в грунт насыщенного водяного пара и битума (см. рис. 4). Стабилизации подвергался слой основания дорожной одежды толщиной 10—12 см (4—5 см золы — уноса и 5—8 см грунта). Содержание влаги в грунте изменилось от 6 до 16% в зависимости от погодных условий. В случае необходимости грунт доувлажнялся с помощью распылительной головки (4) (см. рис. 4). Дорожное полотно обрабатывали битумом с различной глубиной проникания иглы — 85—100 и 150—200. При этом битум нагревали до температуры 150—166°С и вводили в грунт в количестве 6% от его массы. Обработка материала покрытия осуществлялась за один проход машины на ширину 2,44 м. По ширине корпуса (1) (см. рис. 4) было установлено восемь распылителей (3) и восемь распылительных головок (4). Материал покрытия уплотняли катками на пневматических шинах. Интенсивность движения транспорта по готовому участку дороги составляла 400 авт/сут. Во время наблюдения за опытным участком дороги отмечались сильные ливни, град и снег толщиной покрова до 10 см, температура воздуха колебалась от плюс 32 до минус 12°С. В конце периода испытаний (более 4 месяца) на покрытии не обнаружено признаков разрушения.
Во Франции вспененные битумы использовали для устройства поверхностной обработки. Технология производства работ состояла из следующих операций: нанесение на поверхность дорожного покрытия слоя вспененного битума, распределение щебня по слою битума (при этом высота битумной пены должна составлять половину максимального размера зерен щебня) и уплотнение. Устройство слоев поверхностной обработки на основе вспененного битума осуществлялось автогудронатором.
Для устройства поверхностной обработки используются вязкие битумы, что предотвращает выделение вяжущего на поверхность слоя и выкрашивание щебня, особенно в жаркую погоду. Для обеспечения необходимой подвижности зерен щебня в слое поверхностной обработки под действием движения автомобилей необходимо использовать битум с глубиной проникания иглы 400/500. Наблюдения в течение пяти лет за экспериментальными участками дорог с такой поверхностной обработкой показали пригодность вспененного битума для устройства как одиночной, так и двойной поверхностных обработок. В результате применения данной технологии достигается экономия материальных и энергетических ресурсов.
Вспененные битумы широко применяются также для создания гидроизоляционных слоев и мастик. В США запатентованы составы гидроизоляционных материалов и технология их приготовления, основанные на применении вспененных битумов наряду с синтетическими смолами (Патент 4137198, США).
В частности, используют листовой или рулонный гидроизоляционный материал, получаемый в результате пропитки несущей матрицы из дисперсного стекловолокна вспененным битумом с использованием серийного оборудования. Преимуществами этого материала являются низкий расход битума, экономия энергии, а также высокие изолирующие свойства (Патент 4399186, США).
Широкое применение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах в странах Запада, а также в СНГ вызвало необходимость стандартизации методов их испытаний с учетом особенностей свойств и структуры этого материала. Разрабатываются методики и создаются установки для приготовления асфальтобетонных смесей на вспененных битумах.
Технология приготовления асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов обеспечивает экономию энергетических средств и материальных ресурсов и находит все большее распространение как в странах Запада, так и в СНГ.
Асфальтобетонные смеси на вспененных битумах готовят в асфальтосмесителях непрерывного или периодического действия, которые дополнительно оборудованы системами подачи воды (пара) и устройствами для вспенивания и распыления битума. В систему подачи воды (пара) входят линия подачи воды (пара) с регуляторами расхода и давления и форсунки специальной конструкции, в которых происходит смешение (контакт) битума с водой (паром). Для повышения качества битумных пен рекомендуется использовать водорастворимые поверхностно-активные вещества, вводимые в битум вместе с водой (паром). Транспортирование, укладка и уплотнение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах производятся теми же средствами механизации, которые используются при работе с традиционными смесями.
Применение вспененных битумов обеспечивает экономический эффект, дает возможность снизить трудозатраты, способствует решению вопросов охраны окружающей среды.
Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 46 за 1998 год в рубрике техника
