Проектирование автомобильной дороги с использованием асфальтобетона на гранулированном резинобитумном вяжущем

В условиях все возрастающей интенсивности движения и нагрузок на ось автомобиля на первый план выходит задача применения современных технологий и материалов, продлевающих эксплуатационные свойства конструктивных слоев дорожной одежды и автомобильной дороги в целом. Чтобы противостоять высоким нагрузкам, верхние слои покрытий автомобильных дорог должны обладать такими характеристиками, как прочность, износостойкость, выдерживать нагрузки от знакопеременных температур, низкие отрицательные температуры воздуха зимой, а также противостоять сдвигающим напряжениям при высоких температурах в летний период.

Основным компонентом асфальтобетонной смеси является битумное вяжущее, от которого в значительной мере зависят качественные характеристики конечного материала – асфальтобетона. Благодаря органическому вяжущему минеральные зерна в асфальтобетонных 57

смесях образуют прочный каркас, способный противостоять механическим усилиям и действию различных факторов. Так, в разных климатических условиях выбираются разные марки и типы вяжущего в зависимости от температуры нагрева покрытия в наиболее жаркий (летний) период года и температуры воздуха в наиболее холодный период. На территории Республики Бурятия, относящейся к I дорожно-климатической зоне, согласно СНиП 2.05.02-85* [1] при строительстве и ремонте дорожных покрытий и оснований традиционно применялись битумы нефтяные дорожные БНД 90/130 (ГОСТ 22245-90). Со вступлением в силу ГОСТ 331332014 в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий и оснований, а также в качестве основы для производства модифицированных битумов и битумных эмульсий будут применяться вязкие дорожные нефтяные битумы марки БДН 100/130. При этом вопрос о модификации битумного вяжущего является актуальным, несмотря на новые характеристики вяжущего БНД 100/130.

Анализ литературных источников показал, что наибольший интерес вызывают работы, связанные с модификацией битума полимерами с получением полимерно-битумных вяжущих. Главным фактором, сдерживающим наращивание объемов использования полимерно-битумных материалов, является высокая стоимость полимеров. Введение в битум 2,2-3,5% термоэ-ластопластов или 1-1,5% термополимеров повышает стоимость вяжущих в 1,5-2,5 раза, кроме того, они не придают битуму ряд необходимых свойств, таких как эластичность, высокая теплостойкость, увеличение пластичности и деформативности при низких температурах и т.д.

Перспективно применение для модификации битума техногенных отходов, таких как резиновая крошка, получаемая из старых автопокрышек и других резинотехнических изделий. Основной задачей модификации битумов резиновой крошкой является улучшение их физикохимических свойств. При этом особое внимание уделяется расширению интервала пластичности, адгезионных и когезионных характеристик резинобитумных вяжущих [2]. Эффект модификации битума при введении резиновой крошки обусловлен влиянием различных факторов. В качестве факторов выступают состав дисперсионной среды, температура термомеханического процесса совмещения, размер, удельная поверхность частиц и химический состав резиновой крошки, конструкция и скорость вращения смесителя, время термомеханического процесса, рецептура и др. [3].

Цель исследований

Несмотря на то что известен опыт использования резиновой крошки в составе асфальтобетонных смесей, практически нет исследований применения этой добавки для производства асфальтобетона, эксплуатируемого в I дорожно-климатической зоне.

ФКУ «Управление федеральных автомобильных дорог “Южный Байкал”» Федерального дорожного агентства совместно с ВСГУТУ провело комплекс исследований и опытно-промышленную апробацию по применению резинобитумного вяжущего (РБВ) для устройства верхнего слоя асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги.

Материалы и методы исследований

Авторами были проведены исследования влияния резинобитумного вяжущего VitaRubix на свойства асфальтобетонной многощебенистой смеси типа А марки 1. Подбор смеси осуществлялся в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-2013, ГОСТ 12801-98 и рекомендацией по приготовлению и применению горячих асфальтобетонных смесей с использованием гранулированного резинобитумного вяжущего ДМД 02190.2.069-2013 [4].

Добавка VitaRubix представляет собой высококонцентрированный резиномодифицированный битум с содержанием резины до 55% в виде отдельных гранул с размером 0-20 мм и насыпной плотностью 800 кг/м³, приготовленный горячим способом в специальной установке. В процессе приготовления добавки в результате длительного воздействия повышенной температуры происходит полное растворение резины в битуме. Сырьем для производства вяжущего используется резиновый порошок с размерами частиц не более 0,8 мм, полученный при утилизации изношенных шин или вулканизованных отходов резинотехнических изделий.

Исходя из теоретического и практического опыта, введение резиновой крошки в асфальтобетонные смеси осуществляется двумя способами – «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе введения крошки в асфальтобетонную смесь сначала готовят резинобитумное вяжущее, а затем вводят вяжущее в асфальтобетонную смесь. Основными недостатками такого способа являются расслоение смеси в процессе транспортировки и риск засорения трубопроводов асфальтобетонного завода. При введении «сухим» способом схема приготовления асфальтобетонных смесей практически не меняется: резиновую крошку вводят на стадии перемешивания минеральной части, затем добавляется органическое вяжущее, после чего смешивание продолжается. За этот период резиновые частицы распадаются в горячем битуме на микроблоки, поверхность которых во время перевозки и укладки дополнительно набухает и разрыхляется с одновременным образованием химических связей между резиновыми кластерами и молекулами битума. Таким образом, в асфальтобетонной смеси образуется структурированное на микро- и наноуровне резинобитумное вяжущее, не проявляющее тенденции к расслаиванию и обладающее высокими адгезионными свойствами [5]. Добавка VitaRubix вводилась в асфальтобетонную смесь «сухим» способом.

Для получения модифицированного асфальтобетона использовался битум нефтяной дорожный вязкий БНД 90/130 производства АО «Ангарская нефтехимическая компания», характеристики которого представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики битума нефтяного дорожного

Наименование показателя	Требования ГОСТ 22245-90, письма ОБ ГОСТ 33133-2014 (для марки БНД 100/130)	Фактические значения
Глубина проникания иглы, 0,1 мм: -    при 25°C -    при 0 °C	91-130 не менее 28	105,0 28,6
Температура размягчения по кольцу и шару, °С	не ниже 43	45,0
Растяжимость, см: - при 25°C - при 0 °C	не менее 65 4,0	100,0 4,3
Температура хрупкости, °С	не выше - 17	– 24,0
Температура вспышки, °С	не ниже 230	288,0
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С	не более 5	3,9
Индекс пенетрации	от –1,0 до +1,0	– 0,64
Изменение массы образца после старения, %	не более 0,7 для марки БНД 100/130	0,5
Изменение температуры размягчения после старения, °С	не более 7 для марки БНД 100/130	5

Результаты исследований

В лабораторных условиях были приготовлены смеси четырех составов с разным содержанием битума, добавки VitaRubix, минерального заполнителя для получения традиционного мелкозернистого асфальтобетона типа А марки 1 (табл. 2, 3).

Таблица 2

Состав №1		Состав №2
Наименование материала	Состав минеральной части смеси сверх 100%	Наименование материала	Состав минеральной части смеси сверх 100%
Щебень 5-10	23,92	Щебень 5-10	23,92
Щебень 10-20	34,33	Щебень 10-20	34,33
Песок отсевов дробления	35,75	Песок отсевов дробления	35,75
Минеральный порошок	6,00	Минеральный порошок	6,00
Битум 90/130	5,50	Битум 90/130	5,00

Таблица 3

Состав №3		Состав №4
Наименование материала	Состав минеральной части смеси сверх 100%	Наименование материала	Состав минеральной части смеси сверх 100%
Щебень 5-10	23,92	Щебень 5-10	23,92
Щебень 10-20	34,33	Щебень 10-20	34,33
Песок отсевов дробления	35,75	Песок отсевов дробления	35,75
Минеральный порошок	6,00	Минеральный порошок	6,00
Битум 90/130	5,00	Битум 90/130	4,90
Добавка – гранулированное резинобитумное вяжущее	0,6	Добавка – гранулированное резинобитумное вяжущее	0,5

Подбор состава асфальтобетонной смеси

Подбор состава асфальтобетонной смеси с применением гранулированного резинобитумного вяжущего

Для равномерного распределения гранулированного резинобитумного вяжущего в асфальтобетонной смеси в испытательной лаборатории применялся лабораторный смеситель. Дозирование добавки производилось в разогретый до рабочей температуры минеральный материал, время перемешивания с которым составляло 15 с.

Результаты испытаний традиционного асфальтобетона и асфальтобетона с гранулированным резинобитумным вяжущим приведены в таблице 4.

Результаты испытаний традиционного асфальтобетона и асфальтобетона с гранулированным резинобитумным вяжущим

Таблица 4

Наименование показателей	Состав №1 БНД 90/130 5,5%	Состав №2 БНД 90/130 5,0%	Состав №3 с РБВ 0,6% БНД 90/130 5%	Состав №4 с РБВ 0,5% БНД 90/130 4,9%
Предел прочности при сжатии при 50 °С, МПа	1,3	1,1	2,2	2,1
Предел прочности при сжатии при 20 °С, МПа	3,8	3,8	5,8	5,7
Предел прочности при сжатии при 0 °С, МПа	7,0	7,1	8,7	8,7

Продолжение таблицы 4

Водостойкость	0,96	0,96	0,96	0,96
Сдвигоустойчивость: - по коэффициенту внутреннего трения, не менее;	0,94	0,93	0,96	0,93
- по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С, МПа	0,40	0,38	0,48	0,45
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин, МПа	4,9	5,0	3,76	4,26
Водонасыщение по объему, %	3,30	3,50	2,20	2,60
Средняя плотность, г/см³	2,34	2,34	2,36	2,36

Анализ полученных результатов показал, что все серии образцов соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2013. При этом введение резинобитумного вяжущего, обусловливающее изменение структуры вяжущего, приводит к изменению физико-механических свойств асфальтобетона: образцы на основе резинобитума характеризуются повышенными по сравнению с исходным асфальтобетоном прочностными характеристиками при различных температурах.

Увеличение содержания РБВ до оптимума -0,5–0,6% сопровождается эффектом прироста прочности при 50°С на 91 и 100% соответственно. При снижении температуры испытания до 20°С прирост прочности в зоне оптимума составляет 50 - 53%. Морозостойкость асфальтобетона на гранулированном резинобитумном вяжущем выше по сравнению с традиционным асфальтобетоном в среднем на 3-5%.

В работе [6] высказано предположение о том, что модифицирующий эффект в битуме достигается за счет высвобождаемого из резиновой крошки каучука. При этом существует оптимальное время процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, при котором количество высвободившегося каучука, с учетом параллельно протекающего процесса его деструкции, имеет экстремум. В этом случае резинобитумные вяжущие должны обладать наилучшими физико-химическими характеристиками.

Температурный интервал, в котором асфальтобетон остается в упруго-пластичном состоянии, можно охарактеризовать коэффициентом температурной чувствительности, рассчитываемым как отношение прочности при 50°С к прочности при 0°С. Сопротивление асфальтобетона нагрузкам при высоких температурах характеризуется коэффициентом теплостойкости, который рассчитывается как отношение прочности при 50°С к прочности при 20°С (рис. 1, 2).

Коэффициент Кт.ч. R50°С/R0°С

Состав №1 Состав №2 Состав №3 Состав №4

Рисунок 1 – Изменение коэффициента температурной чувствительности при изменении состава асфальтобетонной смеси

Коэффициент теплостойкости Кт R50/R20

Состав №1 Состав №2 Состав №3 Состав №4

Рисунок 2 – Изменение коэффициента теплостойкости при изменении состава асфальтобетонной смеси

Введение РБВ повышает коэффициент температурной чувствительности асфальтобетона. При введении 0,5 - 0,6 % РБВ коэффициент увеличивается в 1,60–1,66 раза по сравнению с бездобавочным составом. Это связано с уменьшением количества битума в объемном состоянии, более полным переводом его в структурированное состояние, в результате асфальтобетон будет оставаться в упруго-пластичном состоянии в большем диапазоне температур, меньше подвергаться трещинообразованию, выдержит большее количество знакопеременных колебаний температуры воздуха.

Введение РБВ улучшает коэффициент теплостойкости асфальтобетона. При введении РБВ в количестве 0,5-0,6% коэффициент теплостойкости увеличился в 1,28–1,32 раза, что уменьшит риск возникновения пластических деформаций, возникающих в летний период эксплуатации дорожного покрытия.

Апробация технологии получения модифицированного асфальтобетона с применением резинобитумных вяжущих в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Дорстройсервис», г. Улан-Удэ, Республики Бурятия. Разработанный модифицированный асфальтобетон использовался для устройства верхнего слоя покрытия на ПК 3+00 - ПК 4+00 при реконструкции автомобильной дороги Р-258 «Байкал» Иркутск - Улан-Удэ - Чита км 464+550 – км 470+590, Республика Бурятия. Коллективу кафедры ПСМИ ВСГУТУ совместно с ФКУ «Упрдор “Южный Байкал”» и лабораторией ООО «Дорстройсервис» предстоит провести мониторинг состояния участка автомобильной дороги с целью доказательства эффективности применения резинобитумного вяжущего для устройства покрытий автомобильных дорог в I дорожно-климатической зоне.

Заключение

• 1.    Выявлено, что использование гранулированного резинобитумного вяжущего в количестве 0,5 - 0,6% от массы битума является оптимальным содержанием в асфальтобетонной смеси и ведет к улучшению свойств асфальтобетонных горячих смесей по ряду показателей по сравнению с аналогичными составами без добавки.

• 2.    Использование резиновой крошки в составе асфальтобетона является эффективным направлением в решении задач ресурсосбережения, так как позволяет не только продлить сроки службы дорожных асфальтобетонных покрытий наряду с улучшением экологической ситуации, но и решить задачу использования техногенных отходов – изношенных автомобильных шин.