Ремонт трещин дорожных покрытий резинобитумом
Содержание дорожного покрытия является аспектом не менее важным, чем его проектирование и строительство. Данный аспект можно разделить на устройство защитного слоя покрытия и текущий ремонт трещин. Эффективные методы ремонта должны обеспечить водонепроницаемость дорожных покрытий, предотвратить проникновение влаги внутрь конструктивных слоев. Потрескавшимся покрытиям и покрытиям, эксплуатируемым в экстремальных условиях, при высокой интенсивности движения, в сложном климате, необходимо обеспечить достаточную эластичность и высокий предел прочности при растяжении, для того чтобы они могли противостоять образованию температурных трещин. Такое покрытие должно также замедлить образование отраженных трещин. Неплохих результатов в области ликвидации трещин можно добиться, применяя методы ремонта и восстановления дорожных покрытий с использованием резинобитумных вяжущих.
Понятно, что для сопротивления трещинообразованию необходим материал, который может эффективно воспринимать возникающие в покрытии напряжения. При рефлекторном трещинообразовании концентрации напряжения возникают над трещинами, существующими в нижележащих слоях. Температурные трещины вызываются напряжениями, связанными с температурными изменениями. Сжатие дорожного покрытия приводит к образованию трещин, когда сжимающее напряжение превышает предел прочности вяжущего на сжатие. Поэтому материал должен, не разрушаясь, свободно переносить высокие растягивающие напряжения.
Для того чтобы материал сопротивлялся усталостному разрушению при значительных прогибах, связанных с размягчением основания, от него требуется возможность растяжения и восстановления формы, равно как и способность останавливать трещинообразование. Общеизвестно, что содержание вяжущего в тонких слоях влияет на долговечность. Любое вяжущее, обладающее высокой вязкостью, будучи добавлено в смесь в большем количестве без риска вызвать выпотевание, может улучшить устойчивость к образованию трещин.
Если вяжущее может поддерживать такие свойства в широком температурном и временном диапазонах, его использование значительно увеличит срок службы покрытия. Применение полимеров призвано увеличить срок службы дорожных покрытий. С другой стороны, это зачастую увеличивает стоимость вяжущего. Более доступным вариантом является использование измельченной резины использованных автопокрышек. В контексте дорожных вяжущих это так называемый резинобитум. Применение данного материала для улучшения реологических свойств битума имеет долгую историю и подробно описано в литературе.
Резинобитум производится путем смешивания гранулированной резины покрышек с битумом и добавками. Добавляется от 15 до 20 процентов резины. Совместимость битума и резины является ключевым фактором дальнейшего применения материала. Гранулометрия резиновой крошки, время и температура смешивания, равно как и уровень сдвига при смешивании, влияют на свойства материала. Если время реакции достаточно продолжительно, используется специальное оборудование для смешивания, а температура реакции строго контролируется, могут быть использованы даже частицы резины размером до 2 миллиметров.
Совместимость систем «битум-полимер» может быть определена как с точки зрения получения определенной морфологии, то есть структурной схемы полимерных частиц, цепей или групп в битумной матрице, так и с точки зрения термодинамической стабильности, для чего необходимо определить, находится ли структура полимерных частиц или цепей в низком энергетическом состоянии, иными словами, имеется ли движущая сила для увеличения энтропии. А еще совместимость влияет на стабильность хранения без разделения при хранении исходных компонентов. И, в конечном итоге, на заключение о достижении какого-то заданного свойства или комбинации свойств, которые могут сохраняться значительный период времени, как правило, до момента укладки.
Итак, происходит реакция, при которой битум и частицы резины взаимодействуют друг с другом. В результате частицы покрываются гелем, что аналогично процессу разбухания, происходящему в полимерно-битумных системах, в результате чего получается самостоятельная резинобитумная матрица. По существу, имеет место трехфазная система, резина, смесь резины и битума, собственно битум. Механизм работы этой системы в какой-то мере похож на тот, что работает в полимерах. Битумная смесь состоит из связанных молекул полярного типа в дисперсной среде.
О такой смеси часто говорят как об асфальтенах с мальтенами, хотя это более сложная система, а битум в действительности представляет собой сплошную среду соединений от высокополярных асфальтенов до неполярных алифатических масел. Процесс очистки и тип сырца оказывают сильнейшее воздействие на состав битума и, как следствие, на совместимость резины и битума. Разбухание резины вызывается ароматическими и нафтеновыми, с кольцевой структурой, маслами. Поэтому источники сырья и процесс их очистки для получения битума влияют на формулу резинобитума.
Свойства всех модифицированных полимерами систем зависят от морфологии. Они оптимизированы, когда материалы совместимы. Это дает лучшую дисперсность. Совместимые системы имеют более широкий диапазон рабочих температур и более высокое качество. Химические характеристики битума, и особенно наличие таких функциональных веществ, как карбоновая кислота и сульфоксиды, тоже очень важны. При этом нежелательна высокая концентрация насыщенных парафинов.
Что касается битумов для эмульсий, то здесь композитный состав может быть оптимизирован с помощью добавок, а иногда путем смешения различных битумов. Основные эффекты использования резиновой крошки заключаются в увеличении вязкости и улучшении термической чувствительности. Это означает, что такие вяжущие менее хрупки при отрицательных температурах и менее подвержены деформациям при высоких температурах. При низких температурах модуль упругости резинобитума на несколько порядков ниже и вяжущее намного эластичнее. При высоких температурах модуль упругости резинобитума во много раз выше и вяжущее более жестко. Таким образом, эффект использования резинобитума наиболее ярко проявляется при низких температурах.
Такие вяжущие легче сопротивляются неблагоприятным погодным условиям, равно как и процессам старения, вследствие присутствия в составе резины антиоксидантов. Можно получать более толстые пленки вяжущего в смеси при условии наличия высокой вязкости вяжущего, что способствует увеличению устойчивости к старению, поскольку окисление является процессом, зависящим от диффузии в битумных вяжущих. Свойства мембран, устроенных с применением резинобитумных вяжущих, основываются на способности снижения напряжений в верхнем слое покрытия. Снижение температурных напряжений требует увеличения предела прочности при разрыве и удлинения при разрыве.
В стрессовоспринимающих мембранах к требованиям гибкости при низких температурах и наличия определенного предела прочности на разрыв добавляется требование к удержанию каменного материала. Во многих случаях адгезия может быть улучшена применением поверхностно-активных веществ. Особенно важным является испытание систем перед их использованием на дороге и проектирование систем именно для того каменного материала, который будет использоваться. Очень полезно проведение тестов на прилипание для каменного материала и вяжущего для поверхностных обработок.
При использовании асфальтобетонных смесей резинобитум может быть использован как с прерывистым, так и с непрерывным зерновым составом минеральной части асфальтобетонов. В сравнении с обычными вяжущими он имеет более высокий предел прочности, и, как следствие, большую долговечность. Смесь с использованием резинобитума может быть уложена толщиной в два раза меньшей, чем толщина обычного слоя горячего асфальтобетона, при сохранении срока службы покрытия. Усталостная прочность зависит от толщины пленки вяжущего, его объемного содержания, и, таким образом, более высокая вязкость позволяет иметь более высокое содержание вяжущего во всех типах смесей. Тем самым увеличивается показатель усталостной прочности.
Применение резинобитума значительно увеличивает устойчивость к трещинообразованию при низких температурах. Это происходит частично из-за увеличения предела прочности на разрыв вяжущего, а также благодаря возросшему на 1-2 процента количеству такого материала в смесях. Свойства смесей при высоких температурах улучшаются схожим образом, что и показывают испытания колесной нагрузкой при температуре 60 градусов. Резинобитум придает смеси великолепную устойчивость к образованию колеи. Всегда необходимо помнить, что устойчивость к образованию колеи скорее зависит от свойств каменного материала, чем от свойств вяжущего, поэтому состав смеси в таких случаях особенно важен.
Наиболее успешными являются следующие методики. Для прочных покрытий это решения на основе резинобитума с применением горячих вяжущих. Такие технологии уменьшают образование низкотемпературных трещин, защищают дорожные покрытия от проникновения воды, обеспечивают высокий коэффициент сцепления с колесами автомобилей, повышают приживаемость каменного материала. Для растрескавшихся же покрытий используются горячие вяжущие на основе резинобитума плюс стресcовоспринимающие мембраны.
Резинобитум использовался и испытывался во многих странах и регионах, включая Северную и Южную Америку, Австралию, Южную Африку, Португалию, Польшу. Он успешно применяется в очень холодном климате, где температуры достигают отрицательного минимума минус 50 градусов, например, в Канаде. В ряде регионов этой страны резинобитум не просто используется, но и рекомендован администрацией к применению в местах пучения грунтов. Такие условия отвечают и большинству белорусских и российских условий.
Действие правильно запроектированного и уложенного резинобитумного вяжущего заключается в уменьшении образования рефлекторных и температурных трещин. Изменение характеристик вяжущего увеличивает предел прочности на разрыв, гибкость и компенсирует недостаточную чувствительность к температурным колебаниям. В любом случае состав вяжущего должен быть правильным образом подобран и должны быть соблюдены все требования рецептуры при укладке.
Процесс укладки особенно важен в части соблюдения параметров температуры и уплотнения. Резинобитумные вяжущие используются при температуре на 10- 15 градусов выше в период смешивания и уплотнения в горячих смесях и на 20-30 градусов выше при распылении на покрытие. При разработке рецептур в смесь может добавляться на 1-2 процента больше вяжущего, особенно для смесей с открытым и прерывистым гранулометрическим составом, а при распылении вяжущего на покрытие может использоваться до 50 процентов больше вяжущего на основе резинобитума по сравнению с традиционными вяжущими, при этом без риска выпотевания. При выполнении распыления используются форсунки большего размера во избежание их засорения. При этом техника для распыления должна иметь возможность прогрева штанги распылителя и возможность рециркуляции до начала работ. Модификации же асфальтобетонных заводов и укладчиков не требуется.
Сергей ЗОЛОТОВ
Понятно, что для сопротивления трещинообразованию необходим материал, который может эффективно воспринимать возникающие в покрытии напряжения. При рефлекторном трещинообразовании концентрации напряжения возникают над трещинами, существующими в нижележащих слоях. Температурные трещины вызываются напряжениями, связанными с температурными изменениями. Сжатие дорожного покрытия приводит к образованию трещин, когда сжимающее напряжение превышает предел прочности вяжущего на сжатие. Поэтому материал должен, не разрушаясь, свободно переносить высокие растягивающие напряжения.
Для того чтобы материал сопротивлялся усталостному разрушению при значительных прогибах, связанных с размягчением основания, от него требуется возможность растяжения и восстановления формы, равно как и способность останавливать трещинообразование. Общеизвестно, что содержание вяжущего в тонких слоях влияет на долговечность. Любое вяжущее, обладающее высокой вязкостью, будучи добавлено в смесь в большем количестве без риска вызвать выпотевание, может улучшить устойчивость к образованию трещин.
Если вяжущее может поддерживать такие свойства в широком температурном и временном диапазонах, его использование значительно увеличит срок службы покрытия. Применение полимеров призвано увеличить срок службы дорожных покрытий. С другой стороны, это зачастую увеличивает стоимость вяжущего. Более доступным вариантом является использование измельченной резины использованных автопокрышек. В контексте дорожных вяжущих это так называемый резинобитум. Применение данного материала для улучшения реологических свойств битума имеет долгую историю и подробно описано в литературе.
Резинобитум производится путем смешивания гранулированной резины покрышек с битумом и добавками. Добавляется от 15 до 20 процентов резины. Совместимость битума и резины является ключевым фактором дальнейшего применения материала. Гранулометрия резиновой крошки, время и температура смешивания, равно как и уровень сдвига при смешивании, влияют на свойства материала. Если время реакции достаточно продолжительно, используется специальное оборудование для смешивания, а температура реакции строго контролируется, могут быть использованы даже частицы резины размером до 2 миллиметров.
Совместимость систем «битум-полимер» может быть определена как с точки зрения получения определенной морфологии, то есть структурной схемы полимерных частиц, цепей или групп в битумной матрице, так и с точки зрения термодинамической стабильности, для чего необходимо определить, находится ли структура полимерных частиц или цепей в низком энергетическом состоянии, иными словами, имеется ли движущая сила для увеличения энтропии. А еще совместимость влияет на стабильность хранения без разделения при хранении исходных компонентов. И, в конечном итоге, на заключение о достижении какого-то заданного свойства или комбинации свойств, которые могут сохраняться значительный период времени, как правило, до момента укладки.
Итак, происходит реакция, при которой битум и частицы резины взаимодействуют друг с другом. В результате частицы покрываются гелем, что аналогично процессу разбухания, происходящему в полимерно-битумных системах, в результате чего получается самостоятельная резинобитумная матрица. По существу, имеет место трехфазная система, резина, смесь резины и битума, собственно битум. Механизм работы этой системы в какой-то мере похож на тот, что работает в полимерах. Битумная смесь состоит из связанных молекул полярного типа в дисперсной среде.
О такой смеси часто говорят как об асфальтенах с мальтенами, хотя это более сложная система, а битум в действительности представляет собой сплошную среду соединений от высокополярных асфальтенов до неполярных алифатических масел. Процесс очистки и тип сырца оказывают сильнейшее воздействие на состав битума и, как следствие, на совместимость резины и битума. Разбухание резины вызывается ароматическими и нафтеновыми, с кольцевой структурой, маслами. Поэтому источники сырья и процесс их очистки для получения битума влияют на формулу резинобитума.
Свойства всех модифицированных полимерами систем зависят от морфологии. Они оптимизированы, когда материалы совместимы. Это дает лучшую дисперсность. Совместимые системы имеют более широкий диапазон рабочих температур и более высокое качество. Химические характеристики битума, и особенно наличие таких функциональных веществ, как карбоновая кислота и сульфоксиды, тоже очень важны. При этом нежелательна высокая концентрация насыщенных парафинов.
Что касается битумов для эмульсий, то здесь композитный состав может быть оптимизирован с помощью добавок, а иногда путем смешения различных битумов. Основные эффекты использования резиновой крошки заключаются в увеличении вязкости и улучшении термической чувствительности. Это означает, что такие вяжущие менее хрупки при отрицательных температурах и менее подвержены деформациям при высоких температурах. При низких температурах модуль упругости резинобитума на несколько порядков ниже и вяжущее намного эластичнее. При высоких температурах модуль упругости резинобитума во много раз выше и вяжущее более жестко. Таким образом, эффект использования резинобитума наиболее ярко проявляется при низких температурах.
Такие вяжущие легче сопротивляются неблагоприятным погодным условиям, равно как и процессам старения, вследствие присутствия в составе резины антиоксидантов. Можно получать более толстые пленки вяжущего в смеси при условии наличия высокой вязкости вяжущего, что способствует увеличению устойчивости к старению, поскольку окисление является процессом, зависящим от диффузии в битумных вяжущих. Свойства мембран, устроенных с применением резинобитумных вяжущих, основываются на способности снижения напряжений в верхнем слое покрытия. Снижение температурных напряжений требует увеличения предела прочности при разрыве и удлинения при разрыве.
В стрессовоспринимающих мембранах к требованиям гибкости при низких температурах и наличия определенного предела прочности на разрыв добавляется требование к удержанию каменного материала. Во многих случаях адгезия может быть улучшена применением поверхностно-активных веществ. Особенно важным является испытание систем перед их использованием на дороге и проектирование систем именно для того каменного материала, который будет использоваться. Очень полезно проведение тестов на прилипание для каменного материала и вяжущего для поверхностных обработок.
При использовании асфальтобетонных смесей резинобитум может быть использован как с прерывистым, так и с непрерывным зерновым составом минеральной части асфальтобетонов. В сравнении с обычными вяжущими он имеет более высокий предел прочности, и, как следствие, большую долговечность. Смесь с использованием резинобитума может быть уложена толщиной в два раза меньшей, чем толщина обычного слоя горячего асфальтобетона, при сохранении срока службы покрытия. Усталостная прочность зависит от толщины пленки вяжущего, его объемного содержания, и, таким образом, более высокая вязкость позволяет иметь более высокое содержание вяжущего во всех типах смесей. Тем самым увеличивается показатель усталостной прочности.
Применение резинобитума значительно увеличивает устойчивость к трещинообразованию при низких температурах. Это происходит частично из-за увеличения предела прочности на разрыв вяжущего, а также благодаря возросшему на 1-2 процента количеству такого материала в смесях. Свойства смесей при высоких температурах улучшаются схожим образом, что и показывают испытания колесной нагрузкой при температуре 60 градусов. Резинобитум придает смеси великолепную устойчивость к образованию колеи. Всегда необходимо помнить, что устойчивость к образованию колеи скорее зависит от свойств каменного материала, чем от свойств вяжущего, поэтому состав смеси в таких случаях особенно важен.
Наиболее успешными являются следующие методики. Для прочных покрытий это решения на основе резинобитума с применением горячих вяжущих. Такие технологии уменьшают образование низкотемпературных трещин, защищают дорожные покрытия от проникновения воды, обеспечивают высокий коэффициент сцепления с колесами автомобилей, повышают приживаемость каменного материала. Для растрескавшихся же покрытий используются горячие вяжущие на основе резинобитума плюс стресcовоспринимающие мембраны.
Резинобитум использовался и испытывался во многих странах и регионах, включая Северную и Южную Америку, Австралию, Южную Африку, Португалию, Польшу. Он успешно применяется в очень холодном климате, где температуры достигают отрицательного минимума минус 50 градусов, например, в Канаде. В ряде регионов этой страны резинобитум не просто используется, но и рекомендован администрацией к применению в местах пучения грунтов. Такие условия отвечают и большинству белорусских и российских условий.
Действие правильно запроектированного и уложенного резинобитумного вяжущего заключается в уменьшении образования рефлекторных и температурных трещин. Изменение характеристик вяжущего увеличивает предел прочности на разрыв, гибкость и компенсирует недостаточную чувствительность к температурным колебаниям. В любом случае состав вяжущего должен быть правильным образом подобран и должны быть соблюдены все требования рецептуры при укладке.
Процесс укладки особенно важен в части соблюдения параметров температуры и уплотнения. Резинобитумные вяжущие используются при температуре на 10- 15 градусов выше в период смешивания и уплотнения в горячих смесях и на 20-30 градусов выше при распылении на покрытие. При разработке рецептур в смесь может добавляться на 1-2 процента больше вяжущего, особенно для смесей с открытым и прерывистым гранулометрическим составом, а при распылении вяжущего на покрытие может использоваться до 50 процентов больше вяжущего на основе резинобитума по сравнению с традиционными вяжущими, при этом без риска выпотевания. При выполнении распыления используются форсунки большего размера во избежание их засорения. При этом техника для распыления должна иметь возможность прогрева штанги распылителя и возможность рециркуляции до начала работ. Модификации же асфальтобетонных заводов и укладчиков не требуется.
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 33 за 2009 год в рубрике дороги
