Получение эффективных дорожных покрытий при применении углеродных наномодификаторов битума

В условиях рыночной экономики развитие и обеспечение эффективной работы транспортного комплекса относится к приоритетным задачам социально-экономического развития региона. В свою очередь, эффективная реализация этого направления напрямую зависит от скорости строительства новых и реконструкции уже имеющихся автомобильных дорог. Для обеспечения эффективности и долговечности дорожных покрытий необходимо использование инновационных технологий создания новых асфальтобетонов, обладающих повышенной способностью сопротивления к старению.

Определяющее влияние на свойства асфальтобетона как термопластичного материала оказывают свойства битума, которые регулируются в широких пределах путем выбора исходного сырья, применения технологии переработки и введения модифицирующих добавок различного состава и характера. Известно [1-5], что введение углеродных наномодификаторов в состав битума оказывает комплексное воздействие на показатели прочности, стойкости к пластичным деформациям, водо- и морозостойкости асфальтобетона, тем самым увеличивая его эффективность и долговечность в покрытиях автомобильных дорог.

Ранее были представлены исследования [6, 7], в которых в качестве модифицирующей добавки рассматривалось применение фуллеренсодержащей сажи (ФСС), полученной как сопутствующий продукт при комплексной плазменной переработке углей. В работах доказано, что при введении оптимального количества ФСС у асфальтобетона происходит увеличение прироста прочности при 50°С в среднем на 60% и увеличение сдвигоустойчивости на 30%. Дальнейшая стабилизация прироста прочности объясняется повышением количества элементов дисперсной фазы битума и высокими сорбционными качествами аморфного углерода, входящего в состав добавок, который сокращает объем пленочного битума в составе композита. Структура асфальтобетона с использованием модифицированного битума становится более плотной, что приводит к снижению скорости проникания воды к границе раздела фаз «вяжущее – поверхность минеральных материалов» сквозь пленку модифицированного битума по сравнению с асфальтобетоном без добавок. Увеличение водостойкости асфальтобетона благоприятно сказывается на долговечности дорожного покрытия с модифицированным ФСС битумом.

Таким образом, асфальтобетон, модифицированный углеродными нанодобавками, обладает лучшими структурно-механическими свойствами по сравнению с асфальтобетоном на традиционном битуме. Положительные результаты позволили продолжить исследования по применению ФСС для получения эффективных асфальтобетонов.

Объект и методы исследований

Внедрение технологии получения модифицированного асфальтобетона с применением наномодификатора в промышленных условиях осуществлялось на предприятии ООО «Дорстройсервис», г. Улан-Удэ, Республика Бурятия. Модифицированный асфальтобетон использовался для устройства верхнего слоя покрытия на участке протяженностью 100 м при реконструкции автомобильной дороги Р-258 «Байкал» Иркутск - Улан-Удэ - Чита км 464+550 – км 470+590, Республика Бурятия.

До проведения реконструкции дорожная одежда на рассматриваемом участке находилась в удовлетворительном состоянии. По результатам лабораторных испытаний асфальтобетон не соответствовал требованиям ГОСТ 9128-2013, поэтому были приняты меры по переустройству конструкции дорожной одежды.

Статистическая нагрузка на ось для расчета конструкции дорожной одежды принята А11.5 (115 кН). Конструирование и расчет дорожной одежды выполнены согласно ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» применительно к типовым проектным решениям серии 3.503-71/88 «Дорожные одежды автомобильных дорог общего пользования». Требуемый модуль упругости дорожной конструкции назначен 200 МПа по п. 3.26 ОДН 218.046-01.

На основании технико-экономического сравнения нескольких вариантов дорожных одежд, с учетом дисконтированных затрат на содержание, текущий и капитальный ремонт, наиболее целесообразным являются нежесткие типы конструкций. В связи с этим в качестве дорожной одежды принята следующая конструкция: однослойное покрытие из горячей плотной мелкозернистой асфальтобетонной смеси на БНД 90/130 по ГОСТ 9128-2013 толщиной 4 см на двухслойном основании: верхний слой из горячей пористой крупнозернистой асфальтобетонной смеси марки II толщиной 7 см, нижний слой из щебеночно-песчаной смеси С4 по ГОСТ 25607-2009 толщиной 16 см, по дополнительному основанию из щебеночно-песчаной смеси С4 по ГОСТ 25607-2009 толщиной 16 см с использованием геосетки. Таким образом, общая толщина конструкции дорожной одежды составляет 43 см.

Для исследования влияния ФСС на структурно-механические свойства асфальтобетона и их изменения во времени был выбран мелкозернистый асфальтобетон на основе гранитного 19

щебня, гранитного отсева дробления, доломитового минерального порошка и битума марки БНД 90/130.

Результаты и их обсуждение

Известно, что в дорожном строительстве все вводимые добавки, в зависимости от их агрегатного состояния, вводятся в состав органического вяжущего путем объемного или массового дозирования на специальных дозаторах. Для работы с наноразмерными добавками возможно применение типовой установки для производства модифицированных битумов, в которой добавки обычно вводятся в смесь путем дозирования на весовых дозаторах и дальнейшего перемешивания кавитационными диспергаторами или лопастными мешалками.

Общая схема получения наномодифицированного битума имеет следующий вид (рис. 1): перекачанный из битумохранилища в котел битум разогревается до температуры 140°С и предварительно перемешивается лопастными мешалками в течение 5 мин, без выключения мешалок постепенно через загрузочный люк вводится 0,1 мас.% нанодобавки и подвергается перемешиванию мешалками для равномерного распределения в битуме. В дальнейшем модифицированный битум поступает в рабочий котел, в котором находится до момента приготовления асфальтобетонной смеси.

1 – узел ввода нанодобавки;

2 - битумный котел;

3 - котел нагрева термомасла;

4 - лопастная мешалка;

5 – фильтр;

6 – насос;

7 – диспергатор

Рисунок 1 - Схема установки для модификации битума

Дальнейшее приготовление асфальтобетонной смеси на асфальтобетонном заводе происходило по стандартной технологии. Асфальтобетонный завод (АБЗ) представляет собой сложный комплекс технологического, энергетического и вспомогательного оборудования, которое предназначено для производства асфальтобетонных смесей. Общая схема измененной линии АБЗ представлена на рисунке 2.

На АБЗ осуществляются следующие технологические операции: прием и хранение материалов для приготовления асфальтобетонной смеси; дробление (при необходимости) и сортировка инертных материалов; дозировка и подача в бункер материалов (а для минеральных материалов - нагрев и сушка); складирование, хранение (кратковременное) и отгрузка готовой продукции.

• 1    - силос минерального порошка;

• 2    - система пылеулавливания;

• 3    - бункер накопления пыли;

• 4    - установка для модификации битума;

• 5    - битумный бак-цистерна;

• 6    - бункеры-дозаторы инертных материалов;

• 7    - сушильный барабан и смесительная зона;

• 8    - накопительный бункер;

• 9    – кабина управления

Рисунок 2 – Схема асфальтобетонного завода непрерывного действия

Для приготовления модифицированных асфальтобетонов с применением нанодобавок технологическая линия АБЗ будет отличаться от стандартной лишь введением дополнительного узла по получению модифицированного битума. Общая схема следующая: после предварительного дозирования холодные и влажные минеральные материалы поступают в барабан сушильного агрегата, где они высушиваются и нагреваются до температуры 150-160°С. Из сушильного барабана щебень и песок подаются в сортировочно-дозирующее устройство, где горячий минеральный материал разделяется по фракциям, которые размещаются в отдельных отсеках горячего бункера. Из бункеров, в которых накапливаются определенные фракции минерального материала, они поступают в весовой бункер-дозатор. Дозирование фракционированных горячих материалов осуществляется по весу. Минеральный порошок дозируется отдельно в холодном состоянии. Модифицированный битум поступает в асфальтосмеситель через весовое дозирующее устройство. Время перемешивания смеси устанавливают опытным путем в зависимости от вида, технических параметров, конструктивных и технологических возможностей асфальтосмесительной установки.

Асфальтобетонный завод располагался около участка реконструкции, что исключало перевозки готовой смеси на расстояния более 50 км, а следовательно, охлаждение и расслоение смеси за время транспортировки. С асфальтобетонного завода смесь выпускалась с температурой в пределах 120-150°С. К местам укладки смесь привозилась автосамосвалами Foton 25 т. Асфальтобетонная смесь укладывалась укладчиком Volvo 7672 на подготовленный верхний слой основания из крупнозернистого асфальтобетона при положительных температурах наружного воздуха. Температура смеси в самосвале перед выгрузкой была в пределах 125135 °С. По прибытии на линию смесь сразу разгружалась в бункер укладчика (рис. 3) и раскладывалась в покрытие ровным слоем толщиной 5-6 см (с учетом уплотнения). Укатка смеси 10-тонными катками начиналась сразу, согласно нормативной документации и проекту производства работ. Для обеспечения качественного уплотнения асфальтобетонной смеси, укладываемой в однослойное покрытие толщиной 4 см (в плотном теле), требовалось 12-15 проходов 10-тонных катков по одному следу (рис. 4). Смесь с температурой ниже 120 °С на линию не отправлялась. Постоянно контролировались ровность покрытия и степень его уплотнения (рис. 5). Все обнаруженные дефекты (неровности более 5 мм под 3-метровой рейкой и др.) немедленно устранялись.

После устройства верхнего асфальтобетонного покрытия, а также в момент производства работ были отобраны материалы асфальтобетонной смеси для установления показателей качества и получения сравнительных характеристик наномодифицированного асфальтобетона.

Рисунок 3 - Укладка асфальтобетонных смесей асфальтоукладчиком, оборудованным автоматической системой обеспечения заданных высотных отметок и уклона

Рисунок 4 – Уплотнение асфальтобетонного покрытия гладковальцовыми катками

а                                              б

Рисунок 5 – Укладка асфальтобетонной смеси: а - асфальтобетонное покрытие в момент уплотнения; б - соблюдение температурного режима уплотнения асфальтобетонных смесей

Результаты испытания асфальтобетонных образцов бездобавочного состава и состава на модифицированном битуме приведены в таблицах 1 и 2. Анализ результатов исследований показал, что модифицирование битума добавками ФСС, приводящее к изменению структуры вяжущего, обусловливает изменение свойств асфальтобетона.

Таблица 1 Сравнительные результаты испытаний асфальтобетона

№	Состав	Средняя плотность, г/см3	Прочность, МПа, при температуре
			20°С	50°С
1	Контрольный бездобавочный состав	2,37	3,4	1,1
2	На модифицированном ФСС битуме (отбор смеси из смесителя)	2,38	6,4	2,1
3	На модифицированном ФСС битуме (отбор образцов из покрытия)	2,33	4,8	1,4
Требования ГОСТ 9128-2013		не норм.	>2,2	>0,9

Таблица 2

№	Показатель	Состав	Фактические показатели	Требования ГОСТ 9128-2013
1	Водонасыщение образцов, отформованных из смеси, %	Бездобавочный	1,5	от 1,5 до 4,0
		+ 0,1% ФСС	1,6
2	Водонасыщение вырубок и кернов готового покрытия, %	Бездобавочный	3,7	не более 4,5
		+ 0,1% ФСС	4,0
3	Водостойкость образцов, отформованных из смеси	Бездобавочный	0,94	0,90
		+ 0,1% ФСС	1,10
4	Водостойкость вырубок и кернов готового покрытия, %	Бездобавочный	0,93
		+ 0,1% ФСС	0,98

Гидрофизические свойства асфальтобетона

Применение ФСС в составе асфальтобетона позволяет получать композиты с заметным увеличением прочности при 20°С в среднем на 50% и при 50°С - на 60%. Введение наномодификатора приводит к снижению скорости проникания воды к границе раздела фаз «вяжущее – поверхность минеральных материалов» сквозь пленку модифицированного битума по сравнению с бездобавочным асфальтобетоном. Повышение водостойкости наномодифицирован-ного асфальтобетона до максимального значения приводит к гарантированному увеличению долговечности дорожного покрытия. При анализе изменений основных механических и гидрофизических свойств асфальтобетонов очевидно, что введение ФСС в состав битума и дальнейшее производство асфальтобетона на его основе позволяют получать эффективные асфальтобетонные покрытия с увеличенным сроком эксплуатации.