ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Поверхностные обработки используются:

Либо как профилактический слой, который закрывает и предохраняет в плохую погоду основные конструктивные слои дорожных покрытий от преждевременного разрушения;
либо как слой износа, подверженный стиранию в процессе движения, предохраняя наилучшим образом структуру дороги. Такому слою требуется только периодическое обновление для придания структуре дороги ее первоначальных качеств;
либо как верхний слой дорожного покрытия с характеристиками шероховатости, обеспечивающими сцепление и хорошее дренирование поверхностных вод, приводящими к значительному понижению порога аквапланирования и создающими, благодаря повышенному удельному давлению, хорошее сопротивление формированию гололеда.

Кроме технических преимуществ, поверхностные обработки имеют достаточно конкурентоспособную стоимость по сравнению с комплексом верхних слоев дорожных одежд, используемых в этих случаях.

Существует много различных способов устройства поверхностных обработок, из которых в настоящей статье рассматривается лишь один – использование для этой цели фракционного щебня и различных органических вяжущих, в том числе эмульгированных.

Чтобы создать поверхностную обработку, соответствующую представленным требованиям, необходимо при ее устройстве соблюдать несколько принципиальных положений:

Использовать вяжущее, которое прочно и надолго соединяется с поверхностью покрытия или основания. Это соединение называется парой «вяжущее – основа»;
каменный материал должен быть прикреплен к покрытию или основанию, а каждая щебенка должна быть прочно соединена с соседними. Это взаимодействие называют парой «вяжущее – щебень»;
количество вяжущего должно быть достаточным, чтобы покрыть пленкой каждую щебенку на необходимую высоту и заполнить все микротрещины покрытия, но не быть избыточным, чтобы не выступать на поверхность щебеночного слоя. Это основной принцип дозировки и распределения вяжущего;
каменный материал должен быть чистым, обладать высокими физико-механическими свойствами (прочностью, морозостойкостью, сопротивлением истиранию и др.), иметь определенные формы и размеры. Это основные требования к каменным материалам;
количество каменного материала должно быть достаточным, чтобы создать нужную структуру поверхности, но не быть излишним, чтобы избежать необходимости удаления его. Это принцип дозировки и распределения каменного материала;
каждая щебенка должна занять наиболее стабильное положение, а все вместе должны создавать сплошной монолитный слой с шероховатой поверхностью. Это основной принцип уплотнения.

Таковы основные принципы обеспечения высокого качества поверхностной обработки. Кроме того, есть ряд дополнительных условий:

Все работы по устройству поверхностной обработки должны быть выполнены в наиболее благоприятных условиях погоды. Это принцип назначения сроков выполнения работ;
до начала работ должны быть решены все организационные вопросы, касающиеся поставки материалов, подготовки машин и оборудования. Это принцип организации работ;
в процессе работ должны строго выполняться требования к технологии производства работ и качеству применяемых материалов. Это принцип организации контроля качества.

Поверхностные обработки с использованием фракционированного щебня устраивают преимущественно на участках дорог с опасными и затрудненными условиями движения на дорогах I – III категорий.

В зависимости от типа и состояния покрытия поверхностные обработки могут быть одиночными и двойными; на цементобетонных покрытиях – только двойными.

Требования к материалам
Щебень

Щебень поверхностной обработки воспринимает и передает на нижележащие слои нагрузку от автомобилей, служит слоем износа и обеспечивает сцепление между дорогой и колесами автомобилей.

Каменный материал, применяемый для устройства поверхностной обработки, должен обладать высокими физико-механическими свойствами, такими как прочность, морозоустойчивость, сопротивление удару и износу (истиранию), хорошей прочностью сцепления с вяжущим и т.д. Соответствие горной породы вяжущему определяют путем испытания в лабораторных условиях на прочность сцепления.
Влияние формы щебенок на стабильность их положения
Рис. 1. Влияние формы щебенок на стабильность их положения

Форма щебенок должна быть как можно ближе к кубической, чтобы обеспечить устойчивое положение на поверхности покрытия. Яйцевидная форма щебенок, так называемая форма «колумбового яйца», не имеет стабильного положения. Плоские плитки и щебенки в виде вытянутой иглы хрупки и плохо укладываются в покрытие (рис. 1).

Щебень поверхностной обработки должен быть очень чистым, что обуславливает его тщательную мойку во время производства. Наличие глины, даже в очень слабых пропорциях, весьма нежелательно: глина крайне гидрофильна, и сильное разбухание, которое происходит при наличии воды, приводит к тенденции разрыва связки «вяжущее – щебень».

Правильно выбранная форма и размер щебенок формируют шероховатость поверхностной обработки, обеспечивают снижение шума в салоне автомобиля при движении.
Прицепной битумощебнераспределитель БЩР-375 совместного производства ОАО "Строммашина" и фирмы Breining (Fayat Group), Германия
Прицепной битумощебнераспределитель БЩР-375 совместного производства ОАО «Строммашина» и фирмы Breining (Fayat Group), Германия

Важное значение имеет выбор размера щебня. Установлено, что размеры щебня порядка 10–15 и 15–20 мм вызывают довольно высокий уровень шума в салоне автомобиля и мешают прослушиванию музыки при скорости движения более 130 км/ч. Исходя из этого, отдают предпочтение поверхностной обработке из щебня фракций 5–10 мм.

Еще один фактор, который необходимо учитывать при назначении требований к размеру щебня, состоит в исключении возможности разбития лобовых стекол автомобилей щебенками, вылетающими из-под колес автомобилей при движении с высокой скоростью. Использование мелкозернистого щебня позволяет почти полностью решить эту проблему.

Для устройства поверхностных обработок применяют щебень марки не ниже 1200 по ГОСТ 8267-82 из трудношлифуемых изверженных и метаморфических горных пород для автомобильных дорог I и II категорий, марки 1000 – для дорог III категории и марки не ниже 800 – для дорог IV категории, фракций 5–10, 10–15, 15–20 мм (допускается применение щебня фракций 5–15 и 10–20 мм при условии обеспечения коэффициента сцепления) преимущественно кубовидной формы зерен (зерна пластинчатой формы составляют не более 15%); содержание пылеватых, глинистых и илистых частиц в щебне не должно превышать 1% массы. Выбор фракции щебня производят в зависимости от твердости дорожного покрытия.
Вяжущее

При устройстве поверхностной обработки в качестве вяжущих используют вязкие битумы, битумы с добавками дегтей, битумы и дегти с добавками полимеров, битумные эмульсии.

Вяжущее обеспечивает гидроизоляцию покрытия, приклеивание каменного материала к покрытию или основанию и соединение щебенок в единый слой.

Марку битума выбирают по ГОСТ 22245-90 с учетом дорожно-климатической зоны: для I – БНД 90/130 и БНД 130/200, для II и III – БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БН 60/90, БН 90/130 и БН 130/200, для IV и V – БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90 и БН 90/130.

Битум должен выдерживать испытание на сцепление со щебнем, используемым для устройства поверхностной обработки. При неудовлетворительном сцеплении битума со щебнем следует использовать добавки соответствующих ПАВ или производить предварительную обработку щебня дегтем или смесью битума с дегтем.

Применяемые каменноугольные дегти должны иметь марку Д-5, Д-6 или Д-7 по ГОСТ 4641-80 и использоваться на автомобильных дорогах не выше III категории. На участках дорог, проходящих по населенным пунктам, применение каменноугольных дегтей не разрешается.

При устройстве поверхностной обработки с использованием эмульсий применяют преимущественно катионные битумные эмульсии класса ЭБК-1, ЭБК-2, отвечающие требованиям ГОСТ 52128. В условиях III – IV дорожно-климатических зон и при благоприятных погодных условиях во II зоне допускается применение анионных эмульсий класса ЭБА-1, ЭБА-2. Эмульсии должны выдерживать испытание на сцепление пленки вяжущего со щебнем.

При устройстве поверхностной обработки на катионных битумных эмульсиях используют необработанный органическим вяжущим щебень, на анионных эмульсиях – преимущественно черный щебень.

При устройстве поверхностной обработки на дорогах с интенсивностью движения свыше 3000 авт/сут., с движением преимущественно грузовых автомобилей, также в районах с резко континентальным климатом применяют битум и деготь с добавками полимеров. Дегтеполимерное вяжущее используют на дорогах не выше II категории.

Виды поверхностных обработок

Различают несколько видов поверхностных обработок, каждая из которых имеет свою сферу наиболее эффективного применения (рис. 2).

Виды поверхностных обработок
Рис. 2. Виды поверхностных обработок

Однослойная поверхностная обработка с однократным распределением вяжущего и щебня. Применяется для создания шероховатой поверхности и слоя износа дорожной одежды с достаточной прочностью. Это самый распространенный вид шероховатой поверхностной обработки, наиболее подходящий для всех видов движения. Чаще всего она устраивается из щебня фракций 5–10 мм.
Однослойная поверхностная обработка с двойным распределением щебня. На слой нанесенного вяжущего сначала рассыпают крупную фракцию щебня (например, 10–15 или 15–20 мм), прикатывают катком, а затем рассыпают более мелкую фракцию щебня (например, 5–10 мм) и уплотняют. Применяется на дорогах с интенсивным движением и высокой скоростью движения. Такая поверхностная обработка способствует улучшенной герметичности покрытия, устранению мелких неровностей и деформаций, лучше распределяет усилия от колес автомобилей. Особенно эффективно такая обработка работает на хорошем жестком основании.
Двухслойная поверхностная обработка. На первый слой разлитого вяжущего рассыпают крупную фракцию щебня и уплотняют. Затем разливают второй слой вяжущего, рассыпают более мелкую фракцию щебня и окончательно уплотняют. Применяется на покрытиях с недостаточной прочностью, при наличии сетки трещин, ямочности, колей, при высокой интенсивности движения, т.е. в тех случаях, когда необходимо не только создать шероховатый слой износа и защитный слой, но и улучшить ровность, несколько повысить прочность и сдвигоустойчивость. Применяется также на цементобетонных покрытиях.
Поверхностная обработка типа «сэндвич». На покрытие рассыпают щебень более крупной фракции, затем распределяют вяжущее, рассыпают щебень мелкой фракции и уплотняют. Структура получаемого слоя поверхностной обработки сравнима с однослойной поверхностной обработкой, устроенной путем розлива вяжущего и двойной россыпью щебня. Такая поверхностная обработка рекомендуется при неоднородном по ровности покрытии для его выравнивания и некоторого усиления. Применяется на дорогах второстепенного, местного значения.

При выборе способа устройства поверхностной обработки покрытий необходимо учитывать ее назначение, условия движения на дороге, климатические условия района строительства, показатель твердости дорожного покрытия, наличие материалов и средств механизации.

Технология производства работ

Существует два способа устройства поверхностных обработок:

Традиционный – с раздельным распределением материалов;
способ с синхронным распределением вяжущего и щебня.

Традиционный способ

Работы по устройству одиночной поверхностной обработки традиционным способом с использованием битумов, дегтебитумов, битумо- и дегтеполимерных вяжущих производят в следующем порядке:

розлив вяжущего;
распределение щебня;
укатка;
уход в период формирования.

Работы по устройству двойной поверхностной обработки производят в такой последовательности:

Подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи) и ремонтные работы;
первый розлив вяжущего;
первая россыпь щебня;
укатка;
второй розлив вяжущего;
вторая россыпь щебня (между первой и второй россыпью щебня допускается перерыв не более 3–5 суток);
укатка;
уход в период формирования.

Битумощебнераспределитель Chipsealer-19 фирмы Secmair, Франция

Очистку покрытия от пыли и грязи выполняют механическими щетками, наиболее загрязненные участки промывают с помощью поливомоечной машины.

Струны щеток, какова бы ни была их природа (нейлон, сталь), должны быть в хорошем состоянии и достаточно жесткими, чтобы обеспечить эффективное соскабливание.

В случаях, когда старое покрытие не удается полностью очистить от пыли и грязи, оставшихся в мелких трещинах и впадинах, его необходимо подгрунтовать путем розлива жидкого битума по норме 0,3–0,5 л/м2 или битумной эмульсией с расходом 0,5–0,8 л/м2.

Розлив вяжущего производят автогудронатором. Для равномерного розлива вяжущего необходимо обеспечить бесперебойность действия сопел, равномерность работы насоса и требуемую скорость перемещения гудронатора.

Сопла должны быть теплоизолированы и оснащены устройством обогрева, позволяющим поддерживать или обеспечивать определенную температуру вяжущего.

В зависимости от выбранного вяжущего и от ширины обрабатываемой поверхности водитель определяет, с помощью элементов регулировки гудронатора (номограмма, вычислительный диск, программирование), необходимое соотношение между скоростью передвижения и количеством оборотов насоса, который определяет дозирование вяжущего на покрытии. Во время осуществления распределения соотношение между скоростью автомобиля и количеством оборотов насоса поддерживается постоянным, путем, либо автоматического слежения, либо непосредственного считывания шофером показаний тахометра и счетчика оборотов.

Во время розлива температура битума марок БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90 и БН 90/130 должна составлять 150–160°C; марок БНД 130/200 и БН 130/200 – 100–130°C; температура полимерно-битумного вяжущего – 140–160°C; дегтеполимерного вяжущего – 100–110°C.

Распределение щебня производят самоходным щебнераспределителем, автомобилем-самосвалом с навесным приспособлением или другим механизмом, обеспечивающим быстрое и равномерное распределение щебня. Кузов всех этих механизмов должен быть плоским и без локальных деформаций. Высота сброса щебня должна быть небольшой, чтобы обеспечить более однородное распределение заполнителя на покрытии. Автощебнераспределители могут быть оснащены системой гидравлического расширения, позволяющей изменять без остановки рабочую ширину от 2,50 до 4 м.

Битумощебнераспределитель НР-27 фирмы Savalco

Щебень распределяют непосредственно после розлива вяжущего слоем в одну щебенку и укатывают катком 6–8 т за 4–5 проходов по одному следу.

Уплотнение поверхностной обработки покрытий обеспечивает укладку щебня и его закрепление на покрытии. Пневматические шинные уплотнители великолепно обеспечивают эти функции. Они приспосабливаются к неровностям дороги и не дробят щебень.

В течение первых дней эксплуатации необходимо осуществлять уход за формирующимися слоями. Незакрепившийся щебень должен быть удален с покрытия не позднее чем через 1 сутки после открытия движения. Скорость движения автомобилей ограничивают 40 км/ч и регулируют по ширине проезжей части.

Выброшенный лишний щебень подбирается очистительными машинами-сборщиками, очистительными машинами и втягивающими машинами. Оснащенные различными щетками и всасывающими соплами, они оборудованы сборными емкостями для мелкозернистого материала, который они поднимают. Эти всасывающие механизмы представляют большой прогресс в технологии поверхностных покрытий, поскольку они позволяют значительно снизить самый большой вред от загрязнения: битье ветровых стекол автомобилей после возобновления движения.

Поверхностную обработку с использованием битумных эмульсий выполняют в следующем порядке:

Подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи) и выполнение в случае необходимости ремонтных работ;
смачивание поверхности водой (в жаркую сухую погоду);
розлив эмульсии по покрытию в количестве 30% нормы;
распределение щебня в количестве 70% нормы;
розлив оставшейся эмульсии (70%);
распределение оставшегося щебня (30%);
укатка;
уход в период формирования.

Температуру и концентрацию эмульсии устанавливают в зависимости от погодных условий. При температуре воздуха ниже 20°C рекомендуется применять эмульсию с температурой 40–50°C и концентрацией битума 55–60%. Подогрев эмульсии до указанной температуры следует производить непосредственно в автогудронаторе в процессе транспортирования к месту работ. При температуре воздуха выше 20°C эмульсию применяют в холодном состоянии, а концентрацию битума можно снизить до 50%.

Распределение щебня осуществляют таким образом, чтобы щебень распределялся не далее 20 м от автогудронатора, разливающего эмульсию.

Уход за поверхностной обработкой с применением битумных эмульсий выполняется так же, как и при использовании битума. При использовании анионных эмульсий движение автомобилей открывается не ранее чем через 1 сутки после окончания работ.
Технология поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня

Основным отличием новой технологии устройства поверхностной обработки является синхронное, практически одновременное распределение вяжущего и россыпь щебня (рис. 3).
Поверхностная обработка с синхронным распределением материалов
Рис. 3. Поверхностная обработка с синхронным распределением материалов

При устройстве поверхностной обработки традиционными методами разрыв во времени между распределением вяжущего и россыпью щебня лимитируется временем остывания горячего битума и может достигать 1 часа.

При синхронном распределении вяжущего и щебня разрыв между этими операциями не превышает 1 сек, что существенно сказывается на повышении качества поверхностной обработки, как при использовании в качестве вяжущего горячего битума, так и битумной эмульсии.

Повышение качества при использовании в роли вяжущего горячего битума объясняется тем, что за столь короткий промежуток времени битум не успевает остыть и сохраняет жидкую консистенцию и высокую клеящую способность. В результате битум хорошо проникает в микропоры щебня и покрытия, обволакивает каждую щебенку и прочно приклеивает их к покрытию и одну к другой.

Битумощебнераспределитель Twinsealer фирмы Rincheval (Fayat Group), Франция

Уплотнение уложенного слоя также происходит при горячем состоянии битума, что обеспечивает максимальный эффект уплотнения.

При использовании в роли вяжущего битумной эмульсии высокое качество поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня объясняется тем, что за столь короткий промежуток времени распад эмульсии только начнется, и эмульсия в жидком состоянии заполнит все микропоры щебня и покрытия, покроет каждую щебенку тонким слоем вяжущего и обеспечит возможность хорошего уплотнения слоя поверхностной обработки.

Синхронное распределение решает все проблемы организации и координации работ, возникающие при асинхронном распределении, поскольку при каждой остановке в распределении щебня автоматически прекращается и распределение вяжущего. Существенно сокращаются простои из-за климатических условий и повышается производительность работ. Это важно при использовании вяжущих высокой вязкости, но особенно важно при работе в неблагоприятных погодных условиях.

Синхронное распределение вяжущего и щебня благоприятно сказывается на формировании сопряжения между вяжущим и щебнем, что гарантирует высокие эксплуатационные характеристики поверхностной обработки, уменьшает риск неудачи работ из-за разницы температур основания и вяжущего, а также из-за наличия сухих тонкодисперсных фракций при устройстве поверхностных обработок с использованием эмульсий.
Битумощебнераспределитель Twinsealer фирмы Rincheval (Fayat Group), Франция
Битумощебнераспределитель Twinsealer фирмы Rincheval (Fayat Group), Франция

Опыт показывает, что высокий уровень качества поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня позволяет добиться поразительных результатов, когда тонкий слой щебня и вяжущего выдерживает интенсивное воздействие колес автомобилей в течение 10–15 лет.

Таким образом, синхронное распределение вяжущего и щебня с временем задержки в 1 секунду является самым важным нововведением в практике поверхностной обработки за последние 20 лет.

Для реализации идеи поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня фирма SECMAIR разработала и выпускает широкую номенклатуру битумощебнераспределителей различной производительности, а также других машин для содержания и ремонта дорожных покрытий с использованием щебня, обработанного битумом или битумной эмульсией.

Выпускаемые машины могут работать при движении передним ходом или при движении задним ходом (рис. 4).
Принципы работы машин для поверхностной обработки
Рис. 4. Принципы работы машин для поверхностной обработки

Учитывая значительный интерес российских дорожников к внедрению технологии поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и битума, французская фирма SECMAIR и ГУП Саратовский научно-производственный центр «Росдортех» создали в г. Саратове совместное производство машин типа Chipsealer.

В 1999 г. начат выпуск следующих машин:

Chipsealer-40. Это высокопроизводительное оборудование, предназначенное для устройства шероховатых поверхностных обработок в больших объемах. Оборудование Chipsealer-40 монтируется на базе полуприцепа Caizer и обладает полностью автономной системой энергообеспечения. За один цикл загрузки кузова щебнем позволяет выполнять поверхностную обработку на полосе шириной 3,75 м длиной до 800 м за 10 минут.
Chipsealer-26 выполнен на базе российского полуприцепа СЗАП – 9905. В качестве автомобиля-тягача могут использоваться седельные тягачи МАЗ и КамАЗ. Имеет такие же характеристики, как и Chipsealer-40, но меньшие габариты кузова для щебня и резервуара для вяжущего.
Chipsealer-19 – предназначен для выполнения ремонта дорожных покрытий и устройства шероховатых поверхностных обработок в небольших объемах.

Машины типа «Стоппер»

Применяются для сдерживания эрозии покрытия на ранней стадии путем устройства местной поверхностной обработки на участках шелушения и выкрашивания покрытия, появления мелких трещин, сетки трещин, мелких выбоин и колей. Машина имеет на одном шасси емкость для вяжущего, кузов для щебня, грейферный ковш для загрузки щебня в кузов и распределительные устройства для нанесения битума и щебня (рис. 5).
Оборудование машины типа "Стоппер"
Рис. 5. Оборудование машины типа «Стоппер»
1 – теплоизолированный бак для вяжущего;
2 – грейферный ковш для погрузки щебня;
3 – кузов для щебня;
4 – площадка оператора;
5 – распределитель вяжущего;
6 – распределитель щебня;
7 – пневматический каток;
8 – направление движения

Еще одним отличием является наличие у «Стоппера» уплотняющего блока из 8 пневматических гладких колес, которые при помощи 4 гидравлических домкратов опускаются на поверхность в рабочее положение и поднимаются вверх в транспортное положение. Это особенно важно для ускоренного формирования ремонтного слоя в холодном и влажном климате. В сухом и жарком климате указанное формирование происходит под действием движущегося транспорта, и необходимость в уплотняющем блоке отпадает. Кроме того, «Стопперы» приспособлены для проведения локального ремонта с применением поверхностной обработки.
Машины для устройства поверхностной обработки

Для устройства поверхностной обработки традиционным способом, т.е. с раздельным распределением вяжущего и щебня, используют автогудронаторы и распределители щебня.

Автогудронаторы различают и выбирают по:

Вместимости цистерны (грузоподъемности);
ширине распределения вяжущего; при этом, как правило, выбирают ширину распределения равной ширине полосы движения дороги или на 5–10 см меньшую.

Распределители щебня различают по:

Вместимости (емкости) бункера для щебня;
ширине распределения щебня; при этом, как правило, ширину распределения щебня принимают равной ширине распределения вяжущего;
типу хода (движения): прицепные и навесные базовые машины. Как правило, в качестве базовых машин для прицепных и навесных распределителей щебня используют автомобили-самосвалы.

Для устройства поверхностной обработки методом синхронного (одновременного последовательного) распределения вяжущего и щебня используют битумо-(эмульсие)-щебнераспределители.

Битумощебнераспределители различают по:

Ширине обработки, т.е. по соответствию (кратности) этого параметра ширине проезжей части автомобильной дороги;
емкости (вместимости) бака для вяжущего и бункера для щебня;
методу загрузки щебнем, т.е. использованию специальных загрузочных машин для загрузки щебня в бункер или специального самозагрузочного оборудования.

Рис. 6. Выработка машин по загрузке эмульсией и щебнем

На рис. 6 представлены графики выработки (в тыс. м2) всех трех типов машин: автогудронаторов, распределителей щебня и битумо-(эмульсие)-щебнераспределителей при норме розлива битумной эмульсии в 1,4 и 2,1 л/м2 и норме распределения щебня в 10,0 и 15,0 кг/м2. В зависимости от ширины розлива вяжущего и распределения щебня на рис. 6 представлены также выработка в пог. м полосы обработки.

Представленные графики с учетом величин вместимости бака для вяжущего и бункера для щебня и битумощебнераспределителей показывают, что вместимость бака для вяжущего обеспечивает значительно большую выработку, чем вместимость бункера для щебня. Таким образом, бункер для щебня должен быть заполнен несколько раз для обеспечения выработки вяжущего. Соотношение выработок по вяжущему и щебню для различных битумощебнераспределителей колеблется от 2,0 до 9,5. Поэтому значительное влияние на сменную выработку (производительность) оказывает метод загрузки щебня.
Совместная работа автогудронатора и прицепного щебнераспределителя ЗАО "Бецема", загружаемого из самосвала
Совместная работа автогудронатора и прицепного щебнераспределителя ЗАО «Бецема», загружаемого из самосвала

При загрузке щебня в бункер щебнераспределителя (без самозагрузки) на базе с использованием одноковшового фронтального погрузчика или крана с грейфером (челюстным ковшом), т.е. с двойным пробегом от места работы до базы и обратно, затраты времени на одну загрузку составляют от 40 минут до 1 часа 20 минут.

При загрузке щебня в бункер битумощебнераспределителя на месте работ с использованием самозагрузки или с использованием автомобиля-самосвала с краном-манипулятором, оснащенным грейфером, затраты времени на одну загрузку составляют от 10 до 15 минут.

При загрузке щебня в бункер битумощебнераспределителя с самозагрузкой из приемного бункера, расположенного сзади машины и загружаемого из автомобиля-самосвала, даже при остановке битумощебнераспределителя, затраты времени на одну загрузку составляют от 2 до 6 минут.

При расчете загрузка вяжущего совмещена с загрузкой щебня, т.е. производится через две–девять загрузок щебня, скорость движения битумощебнераспределителя принята равной 4 км/ч = 1,1 м/сек = 66 м/мин., ширина распределения принята равной 3 м, коэффициент использования по времени принят равным 0,8 (при загрузке на базе) и 0,6 (при загрузке на дороге), что связано с необходимостью и большой сложностью ритмичной подачи материалов, применением дополнительных машин (автомобилей-самосвалов, автобитумовозов).

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ЩЕБНЯ
Технологии производства высококачественного щебня

Щебень – наиболее широко используемый продукт добычи и переработки нерудных строительных материалов.

Объемы производства щебня в мире превышают 3 млрд. м3 в год. Интересной особенностью щебня как продукта, производимого из природного минерального сырья, является то, что цены на него во всем мире за последние 50 лет выросли в 2,5–3 раза. В то же время цены на большинство продуктов, производимых на базе минерального сырья (например, черные и цветные металлы), за это же время упали в 3–5 раз.

Кажущаяся простота производства щебня – дробление горных пород – обманчива, так как современные технологии производства строительных материалов и изделий на их основе предъявляют все более высокие требования к качеству щебня, используемого, в основном, как заполнитель при производстве бетонов, асфальтобетонов и дорожных покрытий .

Щебень для дорожного строительства

Щебень является одним из основных материалов, применяющихся для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог. От его качества в значительной мере зависят их потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления и т.д.) и долговечность. Особенно это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожной одежды, непосредственно воспринимающих высокие механические нагрузки от движущегося транспорта, находящихся под воздействием природных факторов и антигололедных химических средств.

Щебень, применяемый в дорожном хозяйстве, условно можно разделить на три группы:

Щебень для устройства оснований дорожных одежд (любые, но преимущественно осадочные скальные и рыхлые горные породы с крупностью фракций 5–20, 20–40, 40–70, 0–40, 0–70 мм);
щебень для нижних слоев покрытий (метаморфические и магматические горные породы с крупностью фракций 5–20 и 20–40 мм);
щебень для верхних слоев покрытий из асфальтобетонных смесей типа А и поверхностной обработки (магматические и частично метаморфические горные породы крупностью щебня от 5 до 20 мм) с содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы не более 15% (группа 1 по ГОСТ 8267-93), который принято называть «кубовидным».

Общий объем производства каменных материалов (щебень, гравий, песок) в России в настоящее время составляет примерно 140 млн м3 в год, причем примерно половина этого количества используется в дорожном строительстве.

За последние годы сформировался устойчивый спрос на щебень кубовидной формы со стороны дорожно-строительных организаций, но эта потребность в РФ сейчас удовлетворяется только на 30–40%.

В соответствии с президентской программой «Дороги России XXI века» СоюздорНИИ был произведен расчет потребности в дорожно-строительных материалах, в том числе в различных видах щебня. В таблице 1 приведена потребность в щебне узких фракций кубовидной формы из магматических горных пород для различных регионов России.
Наименование региона Значение потребности по годам и периодам
2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2001–05 гг. 2006–10 гг. 2011–20 гг. 2001–20 гг.
Центр 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 12,5 25,8 96,6 134,9
Северо-Запад 1,1 1,1 1,2 1,2 1,3 5,9 10,6 38,88 55,3
Поволжье 1,7 1,8 1,9 1,9 2 9,3 16,2 70,3 95,8
Северный Кавказ 0,6 0,6 0,6 0,7 0,7 3,2 7,7 23,7 34,6
Урал 1,5 1,6 1,6 1,6 1,7 8 14,4 52,9 75,3
Сибирь 1,4 1,4 1,4 1,6 1,7 7,5 15,5 57,7 80,7
Дальний Восток 0,7 0,7 0,8 0,8 0,8 3,8 6,7 30 40,5
Всего щебня: 9,3 9,6 10 10,4 10,9 50,2 96,9 370 517,1
В среднем за год по периодам: 10 19,4 37 25,8

Таблица 1
Потребность в щебне узких фракций кубовидной формы (млн м3) для развития сети автомобильных дорог по регионам России (2001 – 2020 гг.)

В настоящее время протяженность сети дорог общего пользования с твердым покрытием в России составляет около 600 тыс. км, и основная часть щебня кубовидной формы будет использована на их ремонт и содержание. Наибольшее количество всех видов щебня будет потребляться в Центральном регионе, где дорожное строительство ведется наиболее интенсивно.

Современная практика показывает, что щебень из магматических горных пород для дорожного строительства в нашей стране производится в основном на стационарных дробильно-сортировочных заводах, расположенных вблизи месторождений, главным образом на северо-западе России и на Урале.
Мобильная камнедробильная установка для получения кубовидного щебня на площадке ООО "ЭнСиСи Индустри" (Санкт-Петербург)
Мобильная камнедробильная установка для получения кубовидного щебня на площадке ООО «ЭнСиСи Индустри» (Санкт-Петербург)

Анализ продукции, выпускаемой предприятиями нерудной промышленности, разрабатывающими месторождения магматических горных пород, показывает, что они в основном производят щебень в виде фракций 5–20 мм и 20–40 мм, в отдельных случаях – фракций 5–10, 10–20 и 5–15 мм. К щебню фракции 5–20 мм, используемой для приготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий, имеются серьезные претензии со стороны дорожно-строительных организаций.

Производимый щебень фракции 5–20 мм обычно сильно закрупнен. Это не позволяет подобрать оптимальный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические характеристики асфальтобетона. Исследования СоюздорНИИ, а также отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации автомобильных дорог позволили установить, что щебень для приготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий должен выпускаться в виде узких фракций (5–10, 10–15, 15–20 мм). Из узких фракций сравнительно просто подобрать требуемые смеси оптимального зернового состава.

Поставляемый щебень фракции 5–20 мм в большинстве случаев содержит чрезмерное количество зерен лещадной формы – 25–40% и более. Повышенное их содержание отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей. Они обладают меньшей механической прочностью по сравнению с кубовидными и поэтому в процессе строительства и при эксплуатации дорог разрушаются, что может приводить к образованию поверхностей, не покрытых битумом. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при проникновении воды и действии затем попеременного замораживания-оттаивания.

Асфальтобетонные смеси на кубовидном щебне (группа I) обладают лучшей уплотняемостью по сравнению с щебнем групп II и V за счет взаимного перемещения и взаимозаклинивания зерен.

В связи с этим действующая нормативно-техническая документация ограничивает содержание в смесях зерен лещадной формы: 15% - для смесей типа А, 25% – типа Б, 35% - для смесей типа В.

Особенно отрицательно действие зерен лещадной формы проявляется при поверхностной обработке асфальтобетонных покрытий с использованием фракционированного щебня, когда при укладке материала разрушается большая часть таких зерен. В этом случае их содержание в щебне не должно превышать 10%.

Отрицательное воздействие на свойства асфальтобетона оказывает и повышенное количество пылевато-глинистых примесей, которые препятствуют контакту битума с поверхностью щебня. Поэтому их содержание не должно превышать: 1% – для приготовления асфальтобетонной смеси; 0,5% – для поверхностной обработки.

Дробильно-сортировочная установка с дробилкой КИД-900 на Абзаковском карьере

При формировании структуры асфальтобетона щебень является главным компонентом, определяющим устойчивость минерального остова. Лабораторными исследованиями установлено, что коэффициент внутреннего трения tg ц зависит от зернового состава асфальтобетона. На него практически не влияет вязкость применяемого битума и асфальтового вяжущего вещества. В асфальтобетонах с остаточной пористостью 3,0–3,5% коэффициент внутреннего трения возрастает при увеличении содержания кубовидных зерен щебня.

Высокие показатели внутреннего трения обеспечивают плотные асфальтобетоны типа А на основе дробленых каменных материалов и специальные многощебенистые составы, например щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) по ТУ 5718.030.01393697-99.

В щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесях высоко содержание прочного фракционированного щебня (70–80%) с улучшенной (кубовидной) формой зерен, что создает устойчивый каркас. Повышенное содержание минерального активированного порошка (8–15%) и битумного вяжущего (не менее 5,5%) значительно уменьшает количество пустот в уплотненном слое покрытия. Для структурирования и стабилизации битумного вяжущего рекомендуется вводить специальные стабилизирующие добавки, например волокна.

Структура ЩМА оптимально сочетает максимальную жесткость минерального остова и высокую пластичность асфальтового вяжущего. Повышенное содержание прочного кубовидного щебня призвано обеспечивать высокое сцепление с колесом автомобиля, шероховатость, сдвигоустойчивость и износостойкость покрытия, а увеличенное количество асфальтового вяжущего вещества (мастики) – повышать водо- и морозостойкость, водонепроницаемость, устойчивость к деформациям и усталостную стойкость защитного слоя. При устройстве шероховатых покрытий важно обеспечить повышенные требования к свойствам каменных материалов. Щебень должен быть изготовлен из горных пород, обладающих высокой износостойкостью, иметь кубовидную форму, быть однородным по прочности, трудношлифуемым и не иметь загрязняющих примесей. Содержание зерен лещадной формы в нем должно быть ограничено. Щебень должен обладать хорошо выраженной шероховатостью естественного скола, поэтому предпочтение отдается горным породам зернистой кристаллической структуры, а также породам, способным оставаться шероховатыми за счет компонентов разной твердости согласно ВСН 73-67.
Комплектная технологическая линия на основе дробилки КИД-1200М на ОАО "Павловскгранит", Воронежская область
Комплектная технологическая линия
на основе дробилки КИД-1200М на ОАО «Павловскгранит», Воронежская область

Для реконструкции Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) АО «Центродорстрой» были использованы три дробильно-сортировочные установки фирмы «Сведала» и налажено производство улучшенного щебня из габбро-диабаза. Получаемый щебень фракции 5–10 и 10–15 мм с лещадностью менее 15% применяли в асфальтобетонной смеси типа А на полимерно-битумном вяжущем для устройства верхнего слоя покрытия взамен ранее использовавшегося гранитного щебня фракции 5–20 мм. По результатам контроля качества верхнего слоя покрытия МКАД можно судить о влиянии качества щебня на свойства асфальтобетона.

Асфальтобетонное покрытие стало более сдвигоустойчивым, хотя максимальная крупность применяемого в смеси щебня была снижена с 20 до 15 мм. Среднее значение угла внутреннего трения повысилось примерно на 1,5°, а разброс этого показателя снизился почти в 2 раза. Среднее сопротивление сдвигу при расчетных условиях для МКАД возросло с 0,789 до 0,840 МПа. При этом стандартный показатель прочности при сжатии при 50°С повысился в среднем на 0,3 МПа, а его вариация не превысила 12%.

Применение более качественного щебня в асфальтобетоне позволило снизить вероятность образования колеи в верхнем слое покрытия даже в форс-мажорных случаях колонного движения и заторов автомобилей.

Щебень для производства бетонов

Щебень как крупный заполнитель бетонов, образуя жесткий скелет, увеличивает его прочность и модуль деформации, уменьшает ползучесть, усадку, повышает его долговечность, сокращает расход цемента.

Мелкий заполнитель – песок – оказывает влияние на реологические свойства бетонной смеси – вязкость, предельное напряжение сдвига бетона, а также на его плотность.

Форма зерен крупного заполнителя непосредственно влияет на удобоукладываемость бетонной смеси. Кроме этого, щебень с зернами плоской (лещадной) или игловатой формы имеет значительно большую пустотность, чем щебень с зернами кубовидной формы. По данным ВНИИЖелезобетона, объемный насыпной вес щебня с содержанием зерен плоской и игловатой формы до 15% ниже, чем щебня с зернами кубовидной формы.

Объемный насыпной вес щебня, состоящего полностью из зерен плоской или игловатой формы, на 9–10% ниже, чем щебня с зернами кубовидной формы. Указанные факторы вызывают увеличение расхода цемента. Поэтому, хотя форма зерен крупного заполнителя, по данным ряда исследований, не оказывает значительного влияния на прочность бетона, ей должно быть уделено серьезное внимание.

В щебне для дорожного бетона содержание зерен плоской и игловатой формы допустимо до 25%, для асфальтобетона - до 15%, для оснований дорог (необработанных) – до 25%.

Следует отметить, что принятое ограничение содержания в щебне зерен плоской и игловатой формы с отношением большего и меньшего размеров выше 3 не полностью характеризует форму зерен. В этой связи представляет интерес принятая в некоторых зарубежных стандартах оценка формы зерен по так называемому «индексу формы», то есть среднему отношению наибольшего и наименьшего размеров зерен пробы. Такая оценка позволяет судить о форме всего количества зерен щебня.

По бельгийскому стандарту NB № 329, 1962 щебень подразделяется на три категории: обычный, недодробленный и передробленный кубической формы (табл. 2).
Размер фракций в мм Категория щебня
обычный недодробленный передробленный кубической формы
8–16; 8–12; 12–16 0,275 0,39 0,45
16–22 0,275 0,425 0,485
22–40 0,35 0,425 –
40–63 0,35 – –

Таблица 2
Наименьшие значения «индекса формы» для различных категорий щебня (по бельгийскому стандарту NB № 329, 1962)

Как видно из данных таблицы, к обычному щебню практически не предъявляются требования к форме зерен (он может быть отнесен к щебню плоской и игловатой формы по нашим стандартам), но к щебню более высоких категорий требования к форме зерен довольно жесткие.

В ряде работ отмечается отрицательная роль плоских и удлиненных заполнителей, применение которых снижает прочность и повышает расход цемента, а также ухудшает морозостойкость бетона. С учетом этого при строительстве бетонного полотна автомобильных дорог должно быть обеспечено отсутствие в щебне кусков лещадной и игловатой формы, исходя из того, что бетонная смесь с такими заполнителями становится неудобоукладываемой, плохо уплотняется и в бетоне остаются раковины, борьба с которыми требует увеличения расхода цемента.

Для проверки влияния на параметры бетона наличия в щебне кусков лещадной формы в институте ВНИИЖелезобетон были выполнены исследования. В опытах использовался щебень из природных горных пород. Результаты показали, что прочность бетона по мере увеличения в щебне содержания кусков лещадной формы (до 50 и 100%), как правило, снижается с одновременным снижением объемного веса бетона, то есть при недоуплотнении бетонной смеси. Наличие в большом количестве (более 50%) щебня лещадной формы затрудняло уплотнение бетона, а это приводило к снижению прочности.

Отрицательное воздействие наличия в щебне более 50% кусков лещадной формы объясняется укладкой щебня в основном плашмя, черепицеобразно, что затрудняет взаимное скольжение смежных кусков и требует увеличения мощности вибрационного оборудования.

Сравнительные физико-механические свойства щебня различной лещадности приведены в табл. 3.
Свойства Щебень лещадный Щебень кубовидный
Содержание зерен лещадной и игловидной формы, % 89 0
Предел прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии (в цилиндре), МПа 40–60 120
Дробимость при сжатии в цилидре,% 15–22 2–5
Показатель сопротивления щебня удару на копре ПМ 41–152 120–370
Износ в полочном барабане, % 18–29 15–20
Морозостойкость, марка 25 300

Таблица 3 Физико-механические свойства щебня различной лещадности

Щебень для балластного слоя на железнодорожных путях

Основным назначением балластного слоя является обеспечение вертикальной и горизонтальной устойчивости рельсошпальной решетки при динамических нагрузках.

Характер упрочнения балласта в процессе укладки и эксплуатации путей существенно зависит от начальной пустотности щебеночного каркаса, то есть от состава и формы зерен щебня. Предельная пустотность щебеночного балласта составляет 0,33–0,34, а начальная достигает 0,45–0,50, что вызвано в значительной степени наличием лещадных зерен. Лещадные и игловатые зерна ломаются под нагрузкой и повышают неравномерность осадки балласта при эксплуатации.

Отечественные стандарты на щебень для балласта требуют получения двух фракций – 25–60 мм и 5–25 мм, причем содержание зерен крупнее верхнего предела и менее нижнего предела не должно превышать 5%.

Повышение скорости движения поездов вызвало изменение требований к балласту, особенно по его горизонтальной устойчивости. В результате в отечественные стандарты было внесено требование по обеспечению кубовидности щебня – ограничение содержания лещадных зерен 18%.

Европейские стандарты также требуют ограничения лещадности щебня, используемого для железных дорог, на уровне 15–20%.

Технологии и оборудование для производства высококачественного щебня

При производстве щебня кубовидной формы необходимо учитывать, что форма зерен дробленого материала определяется текстурно-структурными особенностями исходной горной породы, используемым оборудованием и технологией переработки.

Форма зерен щебня зависит также от принципа работы дробильного агрегата. Оптимальная изометричная кубообразная форма создается в агрегатах ударного действия – молотковых, ударно-центробежных и отбойно-центробежных дробилках. Из раздавливающих камень агрегатов (щековые, валковые, стандартные конусные дробилки) получают щебень с высоким содержанием зерен лещадной и игловатой формы. Так, при дроблении песчаников в отбойно-центробежной дробилке ОЦД-100 лещадные и игловатые зерна составили 9–13% во фракции 5–10 мм и всего 4,6–5,3% – во фракции 10–20 мм, в то время как щебень из конусной дробилки СМ-561 содержал соответственно 53–55% и 39–50% таких зерен. В гранитном щебне из дробилки ОЦД-100 лещадных и игловатых зерен было только 6 и 2%, а в щебне из дробилки СМ-561 – соответственно 23 и 14%, т. е. в 4–7 раз больше.

Для получения щебня кубовидной формы обычно применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного действия. Последние позволяют получать щебень, форма зерен которого близка к кубовидной, но иногда и к окатанной, кроме того, они являются дорогими в эксплуатации и характеризуются повышенным выходом отсевов дробления.

Некоторого снижения содержания зерен лещадной формы в щебне можно добиться и при использовании стандартных конусных дробилок. Для этого необходимо, чтобы в процессе работы была полностью заполнена камера дробления. При этом измельчение происходит не только между конусами дробилки, но и между зернами материала, находящимися в камере (дробление «в слое» или «в стесненных условиях»). В таком случае имеющиеся в исходном материале и образующиеся в процессе дробления зерна лещадной формы, как механически наиболее слабые, разрушаются. Для осуществления этого процесса дробилка должна быть оборудована более мощным электродвигателем, датчиком уровня материала в камере дробления, а также аккумулирующим бункером с питателем.
Технология Стандартная конусная дробилка под завалом Стандартная конусная дробилка под завалом в замкнутом цикле Роторная молотковая дробилка Роторная центро-бежная дробилка Конусная вибро-инерционная дробилка
Обеспе-чиваемая лещадность, % 25–40 15–30 10–20 5–15 10–15
Степень дробления 2,5–4 3–5 4–6 2–3 4–10
Диапазон крупности, мм питание 80 80 100 40–60 60–270
Диапазон крупности, мм готовый м-л 25 20 20 20 15–60
Выход отсева (?5мм) низкий высокий высокий высокий средний
Удельная металло-емкость средняя высокая низкая низкая высокая
Удельная энергоемкость низкая средняя высокая средняя низкая
Примечания Резко возрастают транспортные потоки, снижение производи-тельности дробилки по готовому продукту Применение только на малопрочных неабразивных материалах Требует сравнительно мелкое питание Степень дробления может регулироваться без остановки машины

Таблица 4
Сравнительная характеристика различных технологий получения кубовидного щебня

В таблице 4 приводятся данные по применению различных типов дробильных агрегатов для производства щебня. На основании их анализа можно сделать заключение, что для получения кубовидного щебня необходимо обеспечить многократное дробящее воздействие на кусок породы, а разрушающая сила должна действовать не на раздавливание, а на сдвиг.

Основываясь на этих принципах, способы производства кубовидного щебня могут быть следующими (табл. 4):

Использование стандартных конусных дробилок, работающих «под завалом» в замкнутом цикле;
использование роторных молотковых дробилок;
использование роторных центробежных дробилок;
использование дробилок, обеспечивающих многократное сдвиговое воздействие на дробимую породу – конусных виброинерционных дробилок.

Использование ударных и отражательных дробилок, в конечном счете, может рассматриваться как дополнительная операция дробления, назначение которой – исправление формы зерен без существенного сокращения размеров дробимого материала.
Дробильный комплекс фирмы Zeppelin
Дробильный комплекс
фирмы Zeppelin

Центробежные дробилки ударного типа с небольшими конструктивными отличиями изготавливают как в России, так и за рубежом. В России – это ассоциация «Урал-Центр», ЗАО «Новые технологии», ОАО «Дробмаш». За рубежом – фирма «Metso Minerals» (Финляндия), KRUPP, MARTIN STECKERT, FORSTER, SPILLE (Германия) и другие.

Центробежные дробилки-грануляторы могут принимать максимальный кусок не более 60–70 мм (лучше 40 мм) и производить кубовидный щебень фракции 5–20 мм с производительностью по питанию до 200 т/ч и выходом фракции менее 5 мм 35–50%.

По данным предприятия «Урал-Центр» назначение их дробилок – «последняя стадия дробления в трех- или четырехстадийных схемах дробления, определяющая качество конечного продукта. Максимальный линейный размер куска питания не должен превышать 70 мм. Питанием дробилки ДЦ является продукт конусных дробилок КСД или КМД согласно технологической схеме с контрольным грохочением по классу – 40 мм», то есть она фактически передрабливает горную массу крупностью менее 40 мм.

Разрушение дробимого материала «в слое» применительно к конусным дробилкам – сравнительно новый технологический метод, разработка которого принадлежит отечественной школе дезинтеграции.

Специалистами «Механобра» разработаны новые образцы дезинтегрирующего вибрационного оборудования, обеспечивающие принудительное самоизмельчение материала внутри собственного слоя под воздействием виброимпульсного сжатия с одновременным сдвигом при дозировании силы воздействия на слой материала по величине предела прочности дефектных поверхностей его структуры. Реализация таких принципов рационального разрушения осуществляется в конусных инерционных дробилках (КИД) и виброщековых дробилках (ВЩД).

1. Срок службы дорог, построенных на кубовидном щебне в 2–2,5 раза больше, чем на щебне игловатой и пластинчатой формы. Кубовидный щебень образует устойчивую трехмерную структуру дорожного полотна, требует меньшего расхода вяжущих – цемента или битума. Лещадные частицы в процессе уплотнения ломаются, образуя «островки» лещадных зерен, что является причиной локальных разрушений дорожных покрытий.

2. Прочность бетона при использовании кубовидного щебня возрастает на 5–10% при одновременном уменьшении расхода цемента на 7–12% и снижении на 3–5% водопотребности бетонной смеси.

3. Стандартные щековые и конусные дробилки не обеспечивают получение щебня необходимой формы.

4. Ударно-центробежные дробилки-грануляторы обеспечивают снижение содержания лещадных зерен в дробленом щебне до требований стандартов, но могут быть использованы как дополнительная стадия дробления – «кубикатор».

5. Конусные инерционные дробилки обеспечивают получение кубовидного щебня в широком диапазоне крупности при минимальном числе стадий дробления.

АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ ЗАВОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИХ ОСНАЩЕНИЯ

Асфальтобетонные заводы (АБЗ) являются основными производственными предприятиями дорожного хозяйства и предназначены для приготовления различных асфальтобетонных смесей для строительства, реконструкции и ремонта слоев асфальтобетонного покрытия

Однако перечень выполняемых на АБЗ технологических операций, а следовательно и номенклатура технологического оборудования АБЗ, значительно шире просто комплекса операций по приготовлению смесей и перечня необходимого дляприготовления их оборудования.

Перечень технологических и обеспечивающих операций включает:

Технологические операции (комплекс операций) по приготовлению смесей, включая предварительное дозирование минеральных материалов, нагрев и сушку минеральных материалов, сортировку (грохочение) и кратковременное хранение нагретых каменных материалов, точное дозирование минеральных материалов, битума или другого специального вяжущего, минерального порошка и добавок, смешение составляющих в мешалке и выгрузка из мешалки готовой (товарной) асфальтобетонной смеси;
технологические операции по приему, хранению и подаче в бункеры по фракциям каменных материалов, а при необходимости получение на АБЗ необходимых по крупности фракций щебня и песка путем дробления и сортировки более крупных фракций щебня;
технологические операции по приему, хранению, нагреву и подаче в дозаторы битума;
технологические операции по приему, хранению и подаче в дозатор минерального порошка (заполнителя);
технологические операции по приему, хранению, нагреву и подаче в дозатор поверхностно-активных веществ (ПАВ);
технологические операции по складированию, кратковременному хранению и отгрузке готовой асфальтобетонной смеси.

Для выполнения всего комплекса технологических операций в состав АБЗ входит следующее технологическое оборудование:

Асфальтосмесительные установки;
приемные устройства для каменных материалов, площадки для их хранения и машины для их подачи в бункеры асфальтосмесительных установок;
приемные устройства для битума, хранилища (емкости) для битума, битумонагревательное оборудование, битумные насосы;
приемные устройства и площадки для бочек с ПАВ или емкости для ПАВ, нагреватели для ПАВ и насосы для их подачи к смесителю;
приемные устройства и емкости для хранения минерального порошка и насосы (пневмосистемы) для подачи его к смесителю;
загрузочное устройство (скип или элеватор) готовой смеси, бункеры-накопители готовой смеси;
дробильно-сортировочное оборудование для получения требуемых фракций щебня и песка.

Схема асфальтосмесительной установки непрерывного действия
1. Бункеры-дозатор
2. Сборный конвейер
3. Конвейер с контролем влажности
4. Сушильно-смесительный барабан
5. Дозатор и подача старого асфальтобетона
6. Смесительная зона
7. Бункер ожидания скипа
8. Пылесос-вентилятор
9. Накопительный бункер

10. Кабина управления
11. Силос минпорошка
12. Бункер старого асфальтобетона
13. Конвейер с контролем влажности
15. Пылеуловитель и силос пыли
16. Битумный бак-цистерна
17. Нагреватель масла
18. Конвейер сушильного барабана

Помимо основного технологического оборудования в состав АБЗ могут входить:

Оборудование для приготовления и хранения битумных эмульсий;
хранилища топлива (газа, дизтоплива или мазута);
постройки административно-бытового назначения;
объекты электроэнергетического обеспечения;
котельные;
компрессорные станции;
водопроводное хозяйство;
сети электро-, тепло- и водоснабжения;
лаборатория;
ремонтная мастерская;
материально-технический склад.

АБЗ различают:

По типу размещения: на прирельсовые и притрассовые (приобъектные);
по длительности работы на одном месте: на стационарные, инвентарные (перебазируемые) и передвижные (часто перебазируемые);
по количеству и суммарной производительности асфальтосмесительных установок.

Прирельсовые АБЗ сооружают непосредственно у железнодорожной ветки, по которой поступают все или большинство исходных материалов: щебень, песок, битум, минеральный порошок, ПАВ и топливо.

Притрассовые АБЗ сооружают непосредственно вблизи от строящейся автомобильной дороги с целью сокращения дальности и времени транспортирования готовой асфальтобетонной смеси. Все исходные материалы и топливо доставляют автомобильным транспортом с прирельсовых базисных складов или непосредственно с предприятий их производящих: с карьеров каменных материалов и песка, заводов по производству битума и минерального порошка.

Стационарные АБЗ сооружают, как правило, неразборными и рассчитывают на эксплуатацию на одном месте до 10 лет и более.

Инвентарные АБЗ сооружают разборными и рассчитывают на эксплуатацию на одном месте в течение 2–4 лет.

Передвижные АБЗ сооружают разборными и рассчитывают на эксплуатацию на одном месте до 1 года.

Количество смесительных установок на АБЗ колеблется в пределах от 1 до 6. На стационарных АБЗ, как правило, от 2 до 6, а на инвентарных и передвижных от 1 до 2.

С учетом вышесказанного ниже рассматриваются основные технологические комплексы оборудования для приготовления, хранения и отгрузки асфальтобетонной смеси.

По принципу действия асфальтобетонные установки подразделяются на циклические (периодического действия) и непрерывные (непрерывного действия).

С бункером-накопителем под смесителем

Классические схемы асфальтосмесительных установок циклического действия

1. Бункеры-преддозаторы

2. Сборный конвейер

3. Конвейер сушильного барабана

4. Сушильный барабан

5. «Горячий» элеватор

6. Смесительная башня

7. Накопительный бункер

8. Элеватор минпорошка

9. Силос минпорошка

11. Пылеуловитель и силос пыли

12. Пылесос-вентилятор

13. Битумный бак-цистерна

14. Нагреватель масла

15. Кабина управления
С загрузкой автомобилей-самосвалов из отдельного бункера-накопителя
С загрузкой автомобилей-самосвалов
из отдельного бункера-накопителя
С загрузкой автомобилей из смесителя и отдельного бункера-накопителя
С загрузкой автомобилей из смесителя
и отдельного бункера-накопителя

Технология циклического приготовления асфальтобетонных смесей (классическая технология) включает:

Хранение небольшого запаса минеральных материалов (песка и щебня) в бункерах-преддозаторах и предварительное дозирование влажных щебня и песка;
нагрев и сушку минеральных материалов в сушильном барабане;
сортировку (рассев) нагретых минеральных материалов по фракциям и складирование в «горячих» бункерах;
дозирование нагретых минеральных материалов по фракциям на весовой площадке и подача в смеситель;
нагрев минерального порошка в теплообменнике;
дозирование минерального порошка на весовой площадке (или в отдельном дозаторе) и подача в смеситель;
«сухое» (без вяжущего) перемешивание минеральных материалов в смесителе;
нагрев вяжущего (битума или ПБВ) в рабочей емкости;
дозирование вяжущего и подача в смеситель;
«мокрое» (с вяжущим) перемешивание компонентов в смесителе;
выгрузка готовой смеси в кузов транспортного средства или через подъемное устройство («горячий» элеватор или скиповый подъемник) в бункер-накопитель готовой смеси;

С учетом того, что асфальтобетонная смесь является комплексным многокомпонентным материалом, меняющим свойства при изменении состава, все технологические операции (переделы) оказывают значительное влияние на конечные свойства асфальтобетона в покрытии.

Асфальтобетонный завод непрерывного действия Retroflux (Ermont, Франция)

Особо важными параметрами технологических операций, оказывающих влияние на свойства конечного продукта – асфальтобетонной смеси, являются:

Точность предварительного дозирования минеральных материалов, т.к. уменьшение и увеличение дозировки даже одного компонента приводит в итоге к недостатку и переизбытку этого компонента в «горячих» бункерах; обеспечение этого параметра решается путём: повышения точности дозирования, а также введением в систему автоматического управления (АСУ) блока контроля уровня минеральных материалов в «горячих» бункерах.

Температура минеральных материалов на выходе из сушильного барабана, т.к. низкая и высокая температура минеральных материалов приводит к снижению качества смеси: при низкой температуре часть влаги остается на зёрнах минерального материала и ухудшает сцепление битума с поверхностью зёрен, а при высокой температуре зёрен минерального материала происходит окисление битума на поверхности этих зёрен, что меняет его свойства; обеспечение этого параметра решается введением в систему автоматического управления (АСУ) блока контроля температуры минеральных материалов и блоков регулирования мощности горелки сушильного барабана и суммарной производительности преддозаторов.

Температура и режим нагрева органического вяжущего – битума, т.к. высокая температура битума может привести к изменению его свойств, а низкая температура битума ухудшает процесс обволакивания зёрен минерального материала, а резкий режим нагрева битума (высокая температура теплоносителя) также приводит к изменению его свойств; обеспечение этих параметров решается введением в АСУ блоков контроля температуры битума и температуры теплоносителя, а также блока регулирования мощности горелки нагревателя теплоносителя (электронагревателя) битума.

Точность дозирования минеральных материалов, минпорошка и битума, т.к. отклонение от заданного состава смеси является главной причиной получения некачественной смеси; обеспечение этих параметров решается путём использования весовых дозаторов минеральных материалов, минпорошка и битума на тензодатчиках.

Точность соблюдения времени «сухого» и «мокрого» перемешивания компонентов асфальтобетонной смеси в смесителе; обеспечение этого параметра решается введением в АСУ блока задатчика времени перемешивания.

Размеры сечения накопительных бункеров в плане, увеличение которых вызывает сегрегацию смеси по крупности зёрен щебня, резко снижающую однородность и качество смеси; обеспечение этого параметра обеспечивается применением узких накопительных бункеров или применением выгрузки смеси по площади широких бункеров без образования в бункере широких конусов смеси, являющихся главной причиной сегрегации.

Максимальное время хранения асфальтобетонной смеси в накопительных бункерах, т.к. длительное хранение смеси в бункерах приводит к изменению свойств битума, а при снижении температуры смеси препятствует её выгрузке; обеспечение этого параметра обеспечивается загрузкой в накопительные бункеры только требуемого на данную смену работы количества асфальтобетонной смеси.

Температура нагрева минерального порошка, т.к. введение в смеситель минпорошка без нагрева снижает температуру смеси или требует нагрева минеральных материалов до более высокой температуры; применение нагрева минпорошка особо важно для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС), в которых содержание минпорошка достигает 13–15%, и обеспечивается применением специальных агрегатов нагрева (теплообменников), в которых отсутствует контакт минпорошка с горячими газами, т.е. нагрев производится через металлический экран (стенку).

Технология непрерывного приготовления асфальтобетонной смеси включает:

Хранение небольшого запаса минеральных материалов в бункерах-дозаторах и дозирование щебня и песка с учетом их влажности;
дозирование минерального порошка;
подача минеральных материалов и минерального порошка в сушильный барабан, их перемешивание, нагрев и сушка;
нагрев вяжущего в рабочей емкости;
дозирование и подача вяжущего в зону «мокрого» перемешивания;
«мокрое» перемешивание компонентов в сушильном барабане-смесителе;
выгрузка готовой смеси через подъемное устройство в бункер-накопитель готовой смеси;
выгрузка готовой смеси из бункера-накопителя в транспортное средство.

В технологии непрерывного действия, где отсутствуют: сортировка горячих минеральных материалов, дозирование горячих минеральных материалов и нагрев минерального порошка, особо важными параметрами технологических операций являются:

Точность дозирования холодных минеральных материалов, определяющая состав асфальтобетонной смеси; обеспечение этого параметра решается путём: повышения точности работы дозаторов непрерывного действия за счёт использования тензометрических систем и введения в АСУ блока контроля влажности минеральных материалов (особенно песка) и блоков регулирования работы дозаторов с учётом влажности материалов.

Точность дозирования битума и минерального порошка, также определяющих состав асфальтобетонной смеси; обеспечение этих параметров решается путём использования высокоточных дозаторов и введением в АСУ регулируемой постоянной связи работы этих дозаторов с дозаторами минеральных материалов.

Точность соблюдения времени «сухого» и «мокрого» перемешивания компонентов асфальтобетонной смеси; обеспечивается путём регулировки места введения в смеситель минпорошка и битума.

Влияние и способы обеспечения параметров бункеров-накопителей смеси те же, что и при циклической технологии приготовления смеси.

Очень важным параметром обеих технологий является обеспечение постоянства фракционного состава и чистоты минеральных материалов в штабелях АБЗ. Это обеспечивается размещением штабелей минеральных материалов на площадках с асфальтобетонным и бетонным покрытием, а также устройством между штабелями сплошных барьеров, препятствующих смешиванию фракций.

Особо важными технологическими параметрами приготовления асфальтобетонной смеси являются:

Точность дозирования всех составляющих – отклонение по весу не более 0,5%;
режим сушки и температура нагрева щебня и песка – отклонения по температуре не более 5°С;
режим и температура нагрева вяжущего – отклонения по температуре не более 5°С;
время «сухого» и «мокрого» перемешивания – отклонение по времени не более 5 сек;
характер подачи готовой смеси в накопительный бункер и выгрузки (истечения) из бункера – с недопущением сегрегации минеральных материалов по крупности;
время хранения готовой смеси в накопительном бункере и равномерность теплоизоляции – с недопущением температурной сегрегации смеси.

Основными причинами и мотивами, определяющими тенденции развития асфальтосмесительных установок, являются:

Желание снизить затраты на производство смесей;
требование заказчика на получение смесей высокого качества, т.е. не ниже требований действующих стандартов;
стремление к снижению энергоемкости производства смесей и металлоемкости установок;
стремление приблизить производство смесей к месту укладки, т.е. необходимость их перемещения и сокращения сроков монтажа и демонтажа;
стремление избежать влияния человеческого фактора на процесс производства смесей, т.е. повышение степени автоматизации работы установок;
стремление к повышению надежности (безотказности) и долговечности установок;
стремление к обеспечению защиты экологии, т.е. снижению пылевых и вредных газовых выбросов в атмосферу.

Основные тенденции развития асфальтосмесительных установок в последние 20 лет – следующие:

Расширение типоразмерного ряда асфальтосмесительных установок, выпускаемых ведущими производителями Европы и США, сопровождающееся заметным повышением производительности больших установок, продолжением выпуска установок малой производительности и увеличением количества типоразмеров.

Расширение уровня автоматизации технологических процессов приготовления смеси на основе увеличения мест оперативного контроля параметров промежуточных процессов и использование компьютеров для хранения информации, ускорения изменения рецептов смесей и настройки систем обеспечения качества (температуры, дозировок и др.).

Быстрое распространение достижений отдельных фирм в обеспечении:

Точности дозирования составляющих на базе тензометрического взвешивания компонентов;
использования универсальных горелок сушильных барабанов, работающих на газе, дизтопливе, мазуте и пылевидном угле;
использования тканевых рукавных фильтров, обеспечивающих высокую степень очистки отходящих газов и возврат пыли в смесь для замены части (до 50%) минерального порошка;
использования теплоизоляции сушильных барабанов.

Схема двухбарабанного сушильно-смесительного агрегата (Astec, США)
Схема двухбарабанного
сушильно-смесительного агрегата
(Astec, США)

Все это обеспечивает высокий уровень унификации установок, выпускаемых различными фирмами.

Расширение типов асфальтосмесительных установок, т.е. выпуск стационарных, транспортабельных и мобильных (быстро перебазируемых и вводимых в работу), а также освоение рядом фирм выпуска асфальтосмесительных установок как циклических, так и непрерывных (непрерывного действия), что ведет к отказу от рассева и хранения нагретых минеральных материалов, а также от повторного их дозирования. Процессы нагрева (и сушки) и смешения производятся в сушильно-смесительном барабане, что сокращает стоимость установки, повышает ее мобильность, но требует повышения точности дозирования минеральных материалов и учета их влажности. Установки с сушильно-смесительным барабаном более компактны, имеют меньший состав агрегатов, менее металло- и энергоемки. Экономия энергозатрат достигает 20–30%.

Расширение типоразмерного ряда и вместимости бункеров-накопителей готовой смеси, что позволяет создать запас асфальтобетонной смеси до начала ее укладки и не выключать асфальтосмеситель при неравномерном подходе автомобилей-самосвалов. При этом принимаются меры против сегрегации готовой смеси в бункере-накопителе за счет смещения выгрузочного лотка (конуса), уменьшения сечения бункера-накопителя и применения нескольких выгрузочных отверстий.

Расширение типоразмерного ряда разнообразного дополнительного оборудования для:

Хранения и подачи вяжущего в виде горизонтальных и вертикальных цистерн различной емкости;

Хранения и подачи минерального порошка и пыли в виде вертикальных силосов различной емкости;

Нагрева вяжущего до рабочих температур и обогрева узлов установок с использованием теплообменников и нагревателей жидкого теплоносителя; при этом жидкий теплоноситель используется для обогрева битумных емкостей, днища и корпуса мешалок, накопительных бункеров, битумного насоса и дозатора, битумопроводов и емкостей битумовозов (автомобильных и железнодорожных) для доставки вяжущего; разнообразие установок нагрева жидкого теплоносителя и использование дорогостоящих специальных термически стойких жидкостей (синтетических и минеральных с присадками), которые можно нагревать до высоких температур в течение продолжительного времени без изменения их физико-механических свойств и выделения на внутренней поверхности трубопроводов отложений, свидетельствует о большом внимании к этим вопросам;

Получения в условиях АБЗ мелкозернистого кубовидного щебня мелких фракций (0–5, 5–10, 10–15 мм), мойки получаемых каменных материалов и широкого применения мытых отсевов дробления высокопрочных горных пород взамен (частично или полностью) природного песка.

Совершенствование конструкций асфальтосмесительных установок с обеспечением возможности введения в смесь добавок старого асфальтобетона в виде фрезажа или продуктов дробления его кусков. В мире опробовано несколько таких решений с введением холодного фрезажа (не более 20% от веса замеса), нагревом фрезажа совместно с каменными материалами или в отдельном сушильном барабане.

Ведущими производителями асфальтосмесительных установок, известными в РФ, являются:

Benninghoven, Германия;
Ammann Asphalt, EC (Швейцария, Германия, Италия, Франция);
Parker Plant Limited, Англия;
Bernardi Impianti S.P.A., Италия;
Marini (Fayat Group), Италия;
Ermont (Fayat Group), Франция;
Astec, США;
SIM, Италия.

Кроме этих фирм свою продукцию на рынке асфальтосмесительных установок представляют:

Lintec, Германия;
Teltomat-Gunter Papenburg, Германия;
Gencor International Ltd, Англия;
ACP Holdings PLC, Англия;
Kalottikone Oy, Финляндия;
KVM, Дания.

В России и странах СНГ основной поставщик асфальтосмесительных установок – ОАО «Кредмаш» (Украина). В Российской Федерации установки выпускают ОАО «Саста», ОАО «Центросвар», ОАО «УралНИТИ».
Схема агрегата для подогрева старого асфальтобетона "фрезажа" (Benninghoven, Германия)
Схема агрегата для подогрева старого асфальтобетона «фрезажа»
(Benninghoven, Германия)

Фирма Benninghoven GmbH & Co. KG существует более 75 лет. Фирма Benninghoven выпускает 5 типов асфальтосмесительных циклических установок: высокомобильные 60–100 т/ч (3 модели), мобильные 100–200 т/ч (4 модели), транспортабельные компактные 100–200 т/ч (4 модели), транспортабельные 120–320 т/ч (5 моделей) и стационарные 120–400 т/ч (6 моделей); горелки сушильных барабанов, работающие на газе, жидком топливе и угольной пыли; компьютерные системы АСУ, битумные цистерны горизонтального и вертикального типов с электроподогревом или подогревом посредством жидкого теплоносителя; установки для ПБВ и другое оборудование для АБЗ, агрегаты подготовки и введения в смесь старого асфальтобетона, а также оборудование для производства, транспортировки (кохеры) и укладки литого асфальта.

Фирма Bernardi Impianti S.P.A. выпускает 4 типа асфальтосмесительных установок: циклические мобильные 60 т/ч, транспортабельные 55–135 т/ч (4 модели), стационарные 55–315 т/ч (8 моделей) и непрерывного действия стационарные 63–202 т/ч (6 моделей).

Фирма Marini (Fayat Group) выпускает 6 типов асфальтосмесительных установок: циклические – мобильные 60 т/ч, транспортабельные 60–200 т/ч (8 моделей), стационарные 35–380 т/ч (11 моделей), непрерывного действия – мобильные 120–160 т/ч (2 модели), транспортабельные 105–405 т/ч (6 моделей) и стационарные 105–485 т/ч (7 моделей).

Фирма SIM, занимающая 6–8% мирового рынка асфальтосмесительных установок и продающая продукцию в более чем 60 стран, выпускает 3 типа асфальтосмесительных установок циклического действия: супермобильные 85 т/ч (два полуприцепа), полумобильные 80–300 т/ч (башенного типа без фундаментов на колесном шасси) и стационарные 80–300 т/ч, а также асфальтовые заводы непрерывного действия 70–350 т/ч; установки для производства модифицированного битума, системы реновации для вторичного использования асфальтовой крошки.

Фирма Ermont (Fayat Group) выпускает асфальтосмесительные установки циклического действия: мобильные на двух шасси производительностью 160 т/ч, транспортабельные и стационарные блочного и контейнерного типа производительностью 160–240 т/ч и непрерывного действия: с параллельной или противоточной конструкцией барабанов в мобильном, транспортабельном или стационарном исполнении с производительностью от 80 до 550 т/ч.
Передвижные асфальтобетонные заводы "HOT-MIX" (Kalottikone Oy, Финляндия)
Передвижные асфальтобетонные
заводы «HOT-MIX»
(Kalottikone Oy, Финляндия)

Фирма Astec выпускает 5 типов асфальтосмесительных установок. Во-первых, это установки непрерывного действия на базе коаксиального сушильно-смесительного барабана (один барабан внутри другого – т.н. технология Double Barrel), в числе которых 5 вариантов мобильных (110–410 т/ч), 5 перемещаемых (110–410 т/ч) и 6 стационарных (110–500 т/ч). Во-вторых, это установки циклического действия: стационарные (5 моделей производительностью 280–580 т/ч) и перемещаемые (9 моделей, производительность от 50 до 250 т/ч).

Фирма Ammann выпускает 2 типа асфальтосмесительных установок циклического действия: Global (транспортабельные и стационарные) – 80–200 т/ч (4 модели) и Universal (транспортабельные) 160–240 т/ч и 240–320 т/ч.

Фирма Parker Plant Ltd выпускает 3 типа асфальтосмесительных установок циклического действия: мобильные 18–240 т/ч (5 моделей), транспортабельные 125–240 т/ч (3 модели) и стационарные 125–320 т/ч (5 моделей).

Фирма Kalottikone Oy выпускает 3 типа асфальтосмесительных установок циклического действия: мобильные 120 и 220 т/ч, транспортабельные 120 т/ч и стационарные 120, 180 и 270 т/ч.

ОАО «Кредмаш» выпускает 3 модели циклических стационарных асфальтосмесительных установок производительностью 56, 110 и 160 т/ч.

ОАО «Саста» выпускает 3 модели циклических стационарных асфальтосмесительных установок производительностью 100, 160 и 200 т/ч.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РЕМОНТА ТРЕЩИН

Наиболее распространенным видом дефектов дорожного покрытия являются трещины

Так же, как все человечество, которое всегда стремилось создать вечный двигатель, дорожники во всем мире мечтали о дорожном покрытии с бесконечным сроком службы. Однако и первое, и второе пока остается несбыточной мечтой

Множество факторов, которые воздействуют на дорожную одежду, рано или поздно приводят к появлению дефектов на дорожном покрытии. Наиболее распространенным видом дефектов являются трещины. Вовремя не отремонтированные трещины постепенно превращаются в очаг разрушения дорожной одежды. Трещины классифицируются по ширине на узкие – до 5 мм, средние – 5–10 мм и широкие – 10–30 мм.

В зависимости в основном от ширины и причин образования трещин выбирается технология их ремонта и состав применяемого оборудования. Основной задачей при ремонте трещин является предотвращение проникновения через них воды в нижележащие слои дорожной одежды. Гидроизоляция трещин достигается за счет их герметизации битумом или специальными материалами – резинобитумной или битумно-полимерной мастиками.

Следует сразу отметить, что для обеспечения качества герметизации трещин необходимо в первую очередь ориентироваться не на битум, а на мастики горячего применения, физико-механические свойства которых значительно превосходят свойства битума. В настоящее время как отечественные, так и зарубежные фирмы выпускают широкую гамму мастик, лучшими из которых по эксплуатационным качествам являются битумно-полимерные.

При выборе мастик необходимо ориентироваться на их основные свойства: температуру размягчения, которая у отдельных марок составляет +100°С; температуру хрупкости (до?50°С); относительное удлинение (до 150% при температуре +20°С), эластичность (до 95%).

Помимо мастики, огромное влияние на качество герметизации трещин оказывает правильный выбор и строгое соблюдение технологии производства работ и применяемого оборудования.

Узкие трещины не требуют большого набора сложных технологических операций. Как правило, трещины шириной до 5 мм очищают продувкой сжатым воздухом, просушивают, прогревают и заполняют битумной эмульсией или мастикой с высокой проникающей способностью. Просушку трещины, как правило, совмещают с операцией прогрева, при этом необходимым условием является нагрев зоны трещины до температуры не менее 80°С.

Средние и широкие трещины изначально должны быть оценены на предмет разрушения кромок. В случае, если трещина имеет разрушенные кромки, технология ремонта должна начинаться с операции ее разделки, то есть искусственного расширения ее верхней части с образованием камеры, в которой обеспечивается оптимальная работа герметизирующего материала на растяжение в период раскрытия трещины. Причем ширина камеры должна быть не меньше зоны разрушения кромок трещины. Для создания наилучших условий работы герметика в камере соотношение ее ширины и глубины обычно принимается как 1:1. Кроме того, при определении геометрических размеров камеры необходимо учитывать максимально возможное раскрытие трещины и относительное удлинение используемого герметизирующего материала. Обычно ширина камеры находится в пределах 12–20 мм.

В случае, когда кромки трещины не подвергались разрушению и имеется возможность качественно загерметизировать трещину без ее разделки, данную операцию можно исключить из технологического процесса.

Следует отметить, что операция фрезерования или разделки трещины является наиболее дорогостоящей из-за высокой стоимости применяемого инструмента, и включение ее в технологию производства работ должно быть экономически и технически обосновано.

Важнейшим условием обеспечения качества герметизации трещин является наличие хорошего сцепления герметика со стенками неразделанной трещины или отфрезерованной камеры. В связи с чем большое внимание уделяется проведению подготовительных работ по очистке и просушке трещины. Даже небольшое количество грязи или влаги в полости трещины не позволяет обеспечить надежную адгезию мастики к ее стенкам. В некоторых случаях для улучшения адгезии производят подгрунтовку стенок отфрезерованной камеры праймером – маловязкой пленкообразующей (склеивающей) жидкостью.

Однако данная операция более эффективна при ремонте цементобетонных, чем асфальтобетонных покрытий. Для асфальтобетонных покрытий более целесообразно использовать прогрев зоны трещины до температуры, при которой происходит выделение вяжущего из асфальтобетона на стенках трещины, которое увеличивает прочность сцепления герметика со стенками. Бесспорно, основной технологической операцией при ремонте трещин является их заливка горячей мастикой. Мастика предварительно нагревается до температуры 150–180°С, после чего подается в устроенную камеру или непосредственно в полость трещины.

При этом в зависимости от применяемого оборудования можно либо произвести герметизацию самой трещины, либо одновременно с заливкой устроить на поверхности покрытия в зоне трещины пластырь. Такой пластырь шириной 6–10 см и толщиной 1–3 мм позволяет укрепить кромки трещины и предотвратить их разрушение. Однако опыт проведения таких работ на МКАД показывает, что устройство пластыря в зоне трещины на автомобильных дорогах с высокой интенсивностью движения малоэффективно, так как материал пластыря довольно быстро разрушается колесами движущегося транспорта.

Завершающей операцией технологии ремонта трещин является присыпка загерметизированной трещины дробленым сухим песком фракции 3–5 мм, близким по цвету основному минеральному материалу покрытия. Присыпка служит для восстановления общей текстуры и шероховатости покрытия, а также предотвращает налипание мастики на колеса автомобиля.

Технологический процесс санации трещин должен быть практически непрерывен. Операции очистки от пыли и грязи, просушки, прогрева и заливки трещин должны переходить одна в другую при минимальном разрыве по времени.

Технология санации трещин реализуется комплектом оборудования, состоящим в общем виде из фрезы для разделки трещин, механической щетки, компрессора, газогенераторной установки, плавильно-заливочной машины, оборудования для присыпки загерметизированной трещины. Ведущими зарубежными фирмами по выпуску комплектов оборудования или отдельных его видов для санации трещин, активно работающими на российском рынке, являются Breining (Германия), Grun (Германия), Schaefer (Германия), Crafco (США), Stow (США), Cedima (Германия), Strassmayr (Австрия). Все эти фирмы производят оборудование для разделки трещин. В России данное оборудование выпускает фирма «Сплитстоун». Все виды выпускаемого оборудования подразделяются в основном по типу подачи на ручные и самоходные, а также по типу используемого инструмента – алмазный или с твердым сплавом.
Оборудование для разделки трещин фирмы Cedima (Германия)
Рис.1. Оборудование для разделки трещин фирмы Cedima (Германия)

Фирма Cedima выпускает ручную машину для фрезерования трещин модели СRF-60В (рис. 1). Машина предназначена для разделки трещин как в асфальтобетонных, так и в цементобетонных покрытиях. Компактная жесткая рама установлена на специальный колесный ход, который позволяет точно отслеживать конфигурацию трещины при ее фрезеровании. В качестве режущего инструмента используются или алмазные круги малого диаметра, объединенные в пакет, или специальные алмазные фрезы с требуемой шириной режущей кромки. Разделка трещин обычно осуществляется без охлаждения режущего инструмента, то есть используются круги или фрезы для так называемого «сухого» резания. Вместе с тем для связывания пыли, образующейся в процессе резания на машине, имеется водяной бак с гибким подводом воды. Кроме того, пыль из зоны работ может быть также удалена пылесосом, для чего на машине предусмотрено стандартное его подсоединение. Привод режущего инструмента осуществляется от бензинового двигателя через клиноременную передачу. Фирма также выпускает модификацию машины, оснащенную электродвигателем. Машина для разделки трещин модели СRF-60B успешно использовалась при проведении этих работ на МКАД.

Для разделки трещин в асфальто- и цементобетонных покрытиях предназначено также оборудование фирмы Grun. Машина в процессе работы передвигается вручную, производя разделку трещины алмазным инструментом. На ее раме штатно устанавливается пылесос типа циклон для удаления пыли из зоны резания. Так же как и на машине фирмы Сеdima, имеется ручной рычаг для быстрого вывода режущего инструмента с целью предохранения его от поломок.

Аналогичные машины для разделки трещин, использующие алмазный инструмент, выпускает фирма Stow. Модели машин RСС 130Н и С-10, отличающиеся легкостью управления и хорошей маневренностью, могут быть использованы для фрезерования любых криволинейных трещин.

Машина модели FF6-SF для разделки трещин фирмы Вreining имеет существенные отличия от аналогичных машин упоминавшихся ранее фирм, основным из которых является тип используемого режущего инструмента – фрезы с твердым сплавом. В отличие от алмазной резки, когда щебень в асфальтобетонном покрытии разрезается, при фрезеровании твердым сплавом происходит дробление крупных зерен щебня.
Установка для разделки трещин фирмы Crafco (США)
Рис. 2. Установка для разделки трещин фирмы Crafco (США)

При этом, в случае использования для устройства покрытия асфальтобетонной смеси с крупным заполнителем фракции 20 мм и более, происходит вырывание крупных частиц щебня из кромки разделываемой трещины и в целом уменьшение прочности покрытия в зоне трещины. Оборудование с твердым сплавом целесообразно применять при разделке трещин в асфальтобетоне с максимальной крупностью заполнителя 10 мм и менее.

Вторым существенным отличием машины FF6-SF является наличие гидравлического привода режущего инструмента. Выхлопная труба дизельного двигателя, установленного на раме машины, смонтирована таким образом, чтобы отходящие газы были направлены в зону работы фрезы для удаления из разделываемой трещины продуктов резания. Следует также отметить, что режущий инструмент на машине расположен в передней ее части, а управляющий ею оператор находится сзади, что ограничивает обзор зоны производства работ.

Машина для разделки трещин модели РС-200 фирмы Crafco (рис.2) отличается конструкцией режущего узла, с помощью которого фреза точно повторяет конфигурацию трещины, какой бы извилистой она ни была. В качестве режущего инструмента на машине используются фрезы с твердым сплавом, которые могут разделывать трещины как в асфальтобетонных, так и в цементобетонных покрытиях.

Привод шпинделя, на котором монтируется режущая фреза, осуществляется от бензинового 2-цилиндрового двигателя через клиноременную передачу. В отличие от большинства машин, где заглубление режущего инструмента производится механическим способом, на модели РС-200 имеется электрогидравлический привод установки глубины резания. Машина обладает высокой производительностью, которая в зависимости от глубины и ширины обработки, а также обрабатываемого материала находится в пределах 300–600 м/час.
Фрезеровальные диски с твердосплавным покрытием для машин S-FF 12/F и S-FF 19/F фирмы Schaefer (Германия)
Рис. 3. Фрезеровальные диски с твердосплавным покрытием
для машин S-FF 12/F и S-FF 19/F фирмы Schaefer (Германия)

Машины, выпускаемые фирмами Schaefer и Strassmayr имеют привод хода, и также в качестве инструмента на них используются фрезы с твердым сплавом. Особенностью твердосплавного инструмента является возможность его затачивания, если он затупился в процессе работы. Самоходные машины моделей S-FF12, S-FF19 (рис. 3) и S-FF27 обладают высокой производительностью. Гидравлический привод ходовой части позволяет машине модели S-FF12 передвигаться со скоростью до 5,0 км/час, машинам S-FF19 и S-FF27 – до 7,0 км/час.

При этом разделка трещин производится на скоростях 3–8 м/мин. Даже на таких высоких скоростях из-за хорошей маневренности, обеспеченной системой управления, машина при работе точно повторяет все изгибы даже самой криволинейной трещины. Рабочее место оператора находится непосредственно на самой машине, и с него обеспечивается очень хорошая обзорность зоны резания. Кроме того, из-за относительно большой массы на этих машинах наблюдается достаточно малая вибрация, присущая основной массе машин, использующих твердосплавный инструмент.
Дисковая щетка фирмы Schaefer (Германия)
Рис. 4. Дисковая щетка
фирмы Schaefer (Германия)

В случае, когда необходимо произвести санацию достаточно широких и сильно загрязненных трещин, их очистку обычно производят механическими щетками. Такие щетки моделей FВ 16 (рис. 4) и НР 16 выпускают соответственно фирмы Вreining и Schaefer.

В качестве рабочего инструмента используется диск с металлическим ворсом диаметром 300 мм и толщиной 6, 8, 10 или 12 мм в зависимости от ширины трещины, толщина рабочего органа на 2–4 мм должна быть меньше ширины очищаемой трещины.

Привод рабочего органа осуществляется от бензинового или дизельного двигателя мощностью 12 кВт. Управление механической щеткой осуществляется вручную. Следует отметить, что механическая щетка в первую очередь предназначена для прочистки швов в цементобетонных покрытиях, однако ее эффективность при очистке относительно прямолинейных широких трещин в асфальтобетоне не раз подтверждена на практике.

Качества герметизации трещин в асфальтобетонных покрытиях невозможно добиться без выполнения технологических операций их просушки и прогрева. Практически все производители оборудования для санации трещин выпускают так называемые газогенераторные установки.
Оборудование для прогрева стенок трещины типа Fugenwolf фирмы Schaefer (Германия)
Рис. 5. Оборудование для прогрева стенок трещины типа Fugenwolf фирмы Schaefer (Германия)

Название этих установок может быть различное, например, НОТ-DОG у фирмы Вreining, Fugenwolf у фирмы Schaefer (рис. 5) или «тепловое копье» у других фирм, но принцип работы в основном один. Он основан на подаче под большим давлением горячего сжатого воздуха в полость трещины. Сжатый воздух от компрессора производительностью 2,5-5,0 м3/мин с давлением 3,5–12 кг/см2 смешивается с природным газом и в виде газовоздушной смеси поступает в камеру сгорания, где поджигается. Нагретый до температуры 200–1300°С воздух через форсунку со скоростью 400–600 м/сек подается в зону обрабатываемой трещины. Расход газа при этом составляет 3–6 кг/час. Высокоскоростной поток сжатого воздуха, кроме прогрева, эффективно очищает полость самой трещины и, кроме того, вырывает отдельные разрушенные частицы покрытия из зоны, прилегающей к трещине.

Однако многие организации, занимающиеся ремонтом трещин, не имеют подобных газогенераторных установок и осуществляют просушку и прогрев трещины горелками с открытым пламенем. Это приводит к интенсивному старению и выгоранию вяжущего, в результате – ускоренное разрушение асфальтобетонного покрытия в зоне трещины.

Обычно заливка трещины герметиком осуществляется сверху вниз, так как сопло заливщика невозможно глубоко погрузить в паз трещины или до дна отфрезерованной камеры. При этом, если предварительно не произведен прогрев стенок трещины, происходит быстрое охлаждение герметика в полости трещины, что приводит к образованию пробки, препятствующей проникновению мастики на требуемую глубину и в дальнейшем, в процессе эксплуатации, отрицательно сказывается на работе герметика.

Все упоминавшееся ранее оборудование занимает важное место в реализации технологического процесса ремонта трещин, однако все оно относится к оборудованию для проведения подготовительных работ, основными же являются различные модели заливщиков швов. Современные заливщики в общем виде представляют собой обогреваемый бак, установленный на раме, оснащенной колесным ходом. Обогрев может осуществляться за счет масляного теплоносителя, газом или горелкой с дизельным топливом. Герметизирующий материал загружается в бак, где нагревается до рабочей температуры, а затем с помощью насоса по термостойким шлангам подается в подготовленную трещину. Равномерность нагрева герметика имеет очень важное значение, так как, например, для битумно-полимерной мастики нагрев до 200°С может привести к ее термическому разрушению. В связи с этим лучшие показатели у плавильно-заливочных машин с системой масляного обогрева. Практически все модели заливщиков оснащаются системами контроля температуры герметика и термального масла. Отдельные заливщики оборудуются специальными мешалками, способствующими равномерному нагреву всей массы герметика. Плавильно-заливочные машины выпускаются, как правило, прицепными. Заливщик может транспортироваться на объект в виде прицепа к автомобилю со скоростью до 80 км/час, а затем работать автономно, передвигаясь собственным ходом со скоростью до 5 км/час.
Универсальная самоходная машина для герметизации трещин модели UVM 500 фирмы Breining (Германия)
Рис. 6. Универсальная самоходная машина для герметизации трещин
модели UVM 500 фирмы Breining (Германия)

Заливщики фирмы Вreining моделей МОNО 250 FU, МОNО 500 FU и МОNО 800 FU смонтированы на автомобильном шасси. Та же фирма производит самоходную машину модели UVМ 500 (рис. 6), на раме которой, кроме заливщика МОNО 500 FU, смонтирован также компрессор. Такое сочетание оборудования позволяет прочищать, просушивать и прогревать трещину установкой НОТ-DОG и одновременно заливать ее мастикой. В этом случае одна технологическая операция плавно переходит в другую с минимальным разрывом по времени, что несомненно положительно сказывается на качестве производимых работ. Машина имеет гидропривод на задние колеса и может передвигаться со скоростью до 20 км/час.

Однако подача воздуха к газогенераторной установке может осуществляться и от отдельного компрессора, находящегося, например, в кузове автомобиля, буксирующего заливщик.

Непосредственно герметизация трещин осуществляется через различные сопла, размер которых зависит от ширины заполняемой трещины. При необходимости заливочное сопло может оснащаться башмаками для устройства на поверхности покрытия в зоне трещины мастичного пластыря шириной 6–8 см.
Плавильно-впрыскивающие установки серии Super Shot фирмы Crafco (США)
Рис. 7. Плавильно-впрыскивающие установки серии Super Shot фирмы Crafco (США)

В России заливщик швов ЭД 135 по лицензии фирмы Вreining (Германия) выпускает ОАО «НПО РОСДОРМАШ». Важным параметром заливщиков является время разогрева герметика до рабочей температуры, у лучших моделей это время составляет всего 45–60 минут. Слабым местом заливщиков является остывание мастики в шлангах и образование пробок. Для избавления от этого недостатка практически на всех моделях предусмотрена замкнутая система циркуляции горячей мастики с обратной подачей ее от заливочного сопла в бак, а также электропрогрев шлангов, как, например, на заливщиках серии Super Shot фирмы Сrafco (рис. 7).

Заливщики фирм Вreining, Grun, Schaefer и других имеют встроенный компрессор, с помощью которого осуществляется очистка воздухом трубопроводов и шлангов после работы.

Кроме собственно заливщиков для герметизации трещин могут быть использованы кохеры, имеющие системы подогрева и перемешивания. При этом непосредственно герметизация трещин осуществляется, как правило, малыми заливщиками, в емкость которых горячая мастика заполняется из кохера. Малые заливщики также могут иметь собственную систему подогрева емкости и заливочного сопла от газового баллона.
Малый заливщик трещин Fugenwiesel фирмы Schaefer (Германия)
Рис. 8. Малый заливщик трещин Fugenwiesel фирмы Schaefer (Германия)

Примером такого оборудования может служить заливщик Fugenwiesel фирмы Schaefer (рис. 8). На раме заливщика смонтированы две емкости, одна из которых заполняется герметиком, а вторая песком из отсевов дробления фракции 1–3 мм. Таким образом, данный заливщик не только герметизирует трещину, но и одновременно присыпает ее для исключения прилипания мастики к колесам автомобиля. Достоинством заливщика Fugenwiesel является возможность герметизировать трещины большой ширины, так как мастика из сопла подается струей шириной в несколько сантиметров.

Малый заливщик модели VG 80 фирмы Breining (Германия) имеет собственный подогрев емкости с герметиком, что позволяет ему работать в автономном режиме при выполнении небольшого объема работ.

Для присыпки загерметизированного шва фирмы выпускают специальное оборудование – распределитель. Например, у фирмы Вreining таковым является модель FS-1. Оборудование представляет собой бункер вместимостью 70 литров, установленный на три колеса. Причем, переднее, рояльное колесо позволяет двигаться точно по направлению трещины, а на оси задних внутри бункера смонтирован дозировочный валик. Распределитель перемещается вручную вдоль загерметизированной трещины, сразу же за заливщиком, при этом колеса приводит во вращение валик, дозирующий дробленый песок или мелкий щебень на поверхность мастики, залитой в трещину.

Дорожники знают, что для ремонта трещин обычно применяется медицинский термин «санация» – комплекс лечебно-профилактических мероприятий, направленных на предупреждение и ликвидацию заболеваний зубов. Трещины на покрытии подобны больным зубам, оказывающим вредное влияние на весь организм человека. И чем раньше и надежней их начать «лечить», тем здоровее будет «организм» автомобильной дороги.

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БИТУМОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРАМИ
Нефтяные битумы находят широкое применение в дорожном и гражданском строительстве

Нефтяные битумы находят широкое применение в дорожном и гражданском строительстве, благодаря высокой пластичности, способности выдерживать без разрушений воздействие низких температур, температурных перепадов, различных деформационных нагрузок.

Основным потребителем нефтяных битумов является дорожное строительство, в настоящее время до 90% производимого во всем мире объема товарных битумов потребляется дорожной отраслью. Специалисты разных государств сходятся во мнении, что нефтяной битум является самым дешевым и наиболее универсальным материалом для применения в качестве вяжущего при устройстве дорожных покрытий.

Необходимо отметить тот факт, что дорожные битумы российского и зарубежного производства принципиально различаются по качеству, что предопределено различием нормативных требований к этому виду товарной продукции в нашей стране и за рубежом. Практика дорожного строительства в России, состояние дорог даже федерального значения опровергает мнение о безукоризненности существующих требований к дорожным битумам, сформулированных в ГОСТ 22245.

Многолетний опыт устройства и содержания дорожных покрытий с использованием битумов дорожных вязких марки БНД, изготавливаемых российскими НПЗ, свидетельствует о том, что, например, при значении показателя температуры хрупкости битума, равном?27°C (что намного превышает предел, указанный ГОСТ 22245), разрушение покрытия начинается уже в первый год эксплуатации по причине недостаточной способности битумного вяжущего к растяжению (и это при соответствии значения показателя растяжимости битумов при 25 и 0°C нормативным требованиям).

Положительные результаты применения в последние 10 лет при строительстве и ремонте дорожных покрытий в Санкт-Петербурге и Ленинградской области битумов, характеризующихся иными, чем битумы марок БНД, свойствами, например фирм NESTE, NYNAS, БДУ (Ухтинский НПЗ), позволяют сделать вывод о том, что в основе своей для повышения эксплуатационной надежности дорожных покрытий оказывается достаточным изменить качество дорожного битума.

Использование битумов зарубежного производства и битума дорожного улучшенного марки БДУ (ТУ 38.1011356-91) в составе асфальтобетонных смесей взамен битума дорожного вязкого марки БНД (ГОСТ 22245-90) обеспечило возможность заказчику требовать, а подрядным организациям Санкт-Петербурга принимать на себя гарантийные обязательства на устроенные верхние слои дорожных одежд сроком до 5–7 лет.

Более высокая эксплуатационная надежность асфальтобетонов, изготовленных с применением вышеуказанных марок битума, обусловлена оптимальным комплексом реологических свойств последнего. Это достигается регламентацией зарубежными стандартами требований к таким показателям качества битумов, как кинематическая вязкость при 135°C, динамическая вязкость при 60°C, и установлением пределов изменения глубины проникания иглы, растяжимости при 25°C, динамической вязкости при 60°C в процессе испытания битума на термостабильность по методике ASTM D 1754 (или ASTM D 2872), имитирующей условия воздействия на битумную пленку кислорода воздуха при повышенной температуре в асфальтосмесителе при изготовлении горячих асфальтобетонных смесей.

Анализ результатов испытания (в том числе и по методикам ASTM) битумов дорожных российского производства (таблица 1) показывает, что при идентичности значений показателя глубины проникания иглы при 25°C и других битумы, изготовленные из остатков переработки разных по химическому составу нефтей, принципиально различаются по вязкости. При работе в составе дорожного асфальтобетона наиболее устойчивым к воздействию сдвиговых усилий в теплое время года оказывается битум марки БНД 60/90, характеризующийся более высокой динамической вязкостью при 60°C. Однако, трещиностойкость асфальтобетонных покрытий при прочих равных условиях зависит от способности битума выдерживать без разрушения растягивающие усилия.
Наименование показателей БДУ 70/100 ТУ 38.1011356-91
(изм. №2) БДУС 70/100 ТУ 0256-096-00151807-97 БДН 60/90 ГОСТ 22245-90
Глубина проникания иглы
при 25°C, 0,1 мкм 90 89 89
Температура размягчения, °C 47 46 47
Растяжимость при 25°C, см >150 >150 79
Температура вспышки, °C 284 290 247
Температура хрупкости, °C ?20 ?19 ?22
Кинематическая вязкость
при 135°C, сСт 420 239 274
Динамическая вязкость
при 60°, Па с 209 87 375
После испытания по методике ASTM D 1754
Изменение массы после прогрева, % масс 0,09 0,18 0,92
Температура размягчения, °C 49 50 51
Остаточная пенетрация, в % от исходного значения 74 69 64
Растяжимость при 25°C, см >150 125 38
Кинематическая вязкость
при 135°C, сСт 520 320 366
Динамическая вязкость
при 60°C, Па с 436 169 972

Таблица 1.
Физико-механические свойства дорожных битумов, полученных из нефтяного сырья разной химической природы

Битумы дорожные разных марок характеризуются разным уровнем значений показателя растяжимости при 25°C: для битума дорожного вязкого растяжимость при 25°C, как правило, низкая (менее 100 см). В условиях испытания на термостабильность по методике ASTM D1754 резко изменяются значения показателей физико-механических свойств, в том числе и обусловливающих работоспособность нефтяного вяжущего. В результате наименьшей растяжимостью характеризуется битум дорожный вязкий БНД 60/90, что обусловливает и более низкую трещиностойкость асфальтобетона, изготовленного с использованием битума этой марки, особенно при переходах температуры через 0°C.

В химических процессах, протекающих при высокой температуре в присутствии кислорода воздуха, наиболее активно участвуют соединения, входящие в состав битума марки БНД 60/90, о чем свидетельствует значительная потеря массы образца при испытании по методике ASTM D 1754. Известно, что при смешении с минеральным материалом битум переводится в пленочное состояние, причем толщина пленки в зависимости от фракционного состава асфальтобетонной смеси достигает 5–15 мкм.
Изменение индекса старения битума во время смешения с минеральным материалом при изготовлении горячих асфальтобетонных смесей, при хранении и транспортировке, при работе в составе дорожного асфальтобетона.
Рис. 1. Изменение индекса старения битума во время смешения с минеральным материалом при изготовлении горячих асфальтобетонных смесей, при хранении и транспортировке, при работе в составе дорожного асфальтобетона.

а – при изготовлении асфальтобетонной смеси;
b – при хранении, транспортировке и укладке;
с – за 8 лет работы в составе асфальтобетонного покрытия

Фактически 1т битума распределяется по поверхности, равной 10 000 м2. Следовательно, в асфальтосмесителе создаются все условия для окисления битума и удаления летучих компонентов, т. е. для химического старения битума. С повышением температуры скорость реакции окисления соединений, входящих в состав битума, возрастает. По данным фирмы «SHELL» (рис.1), интенсивность процесса старения битума на стадии приготовления асфальтобетонных смесей намного выше, чем при транспортировке и эксплуатации.

На основании вышеизложенного, следует подчеркнуть, что проблема качества дорожных битумов, с точки зрения их эксплуатационной надежности в составе дорожных покрытий, в России реально существует, однако для ее решения недостаточно добиться соответствия показателей товарных свойств битумов дорожных вязких марки БНД требованиям действующего ГОСТ 22245.

Необходимо так же, как и за рубежом, регламентировать изменение таких свойств битума, как глубина проникания иглы, растяжимость и изменение массы в технологических условиях приготовления горячих асфальтобетонных смесей, а также дополнительно ввести в перечень нормируемых показателей качества параметры вязкости.

В условиях постоянного роста интенсивности движения, нагрузок на ось проблема повышения эксплуатационной надежности дорожных битумов в покрытиях в нашей стране приобретает все большую остроту. Следует принимать меры для увеличения срока службы дорожных покрытий на мостах и искусственных сооружениях – объектах, на которых, как показывает зарубежный опыт, потенциальных возможностей нефтяного битума даже оптимизированного качества оказывается недостаточно.

Все это обусловливает необходимость не только корректировки нормативных требований к физико-механическим свойствам товарных дорожных битумов отечественного производства, но и разработки, внедрения в практику дорожного строительства на основе битумов улучшенного качества новых материалов, способных обеспечивать более высокую прочность, долговечность дорожных покрытий, по сравнению с потенциальными возможностями нефтяных битумов.

Изучением вопроса придания битумам специфических свойств ученые всего мира занимаются более 55 лет. За прошедшие годы накоплен богатейший багаж знаний, основывающийся не только на результатах научных исследований, но и на практическом опыте использования модифицированных битумов, в том числе и в дорожном строительстве.

Установлено, что экономически эффективными модификаторами свойств нефтяных битумов являются те, которые доступны и недороги. С технической точки зрения для создания на основе битумов композиционных материалов с заданным комплексом свойств могут применяться только те модификаторы, которые:

Не разрушаются при температуре приготовления асфальтобетонной смеси;
совместимы с битумом при проведении процесса смешения на обычном оборудовании при температурах, традиционных для приготовления асфальтобетонных смесей;
в летнее время повышают сопротивление битумов в составе дорожного покрытия к воздействию сдвиговых напряжений без увеличения их вязкости при температурах смешения и укладки, а также не придают битуму жесткость или ломкость при низких температурах в покрытии;
химически и физически стабильны и сохраняют присущие им свойства при хранении, переработке, а также в реальных условиях работы в составе дорожного покрытия.

В настоящее время в зарубежной практике для устройства и ремонта дорожных покрытий при необходимости используются композиционные материалы на основе битума и модификаторов, таких как сера, каучук (полибутадиеновый, натуральный, бутилкаучук, хлоропрен и др.), органо-марганцевые компаунды, термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этилен-винилацетат (EVA), термопластичные каучуки (полиуретан, олефиновые сополимеры, а также блоксополимеры стирол-бутадиен-стирола (СБС).

Целесообразность применения в составе дорожного асфальтобетона битума, модифицированного тем или иным видом модификатора, в каждом конкретном случае обосновывается с технической и экономической точки зрения.

По данным ЕАРА (таблица 2), доля модифицированных битумов от общего объема битумов, используемых для строительства и ремонта дорожных покрытий, в разных странах различна. Следует отметить рост потребления этого вида материалов к 2001 г., по сравнению с 1995 г.
Страна Модифицированные битумы, %
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Австрия 8 8 8 8 Нет данных 11 Нет данных
Бельгия 3 7 13 12 16 15 18
Чехия 11 16 15 17 16 13 18
Дания 5 5 5 5 5 5 5
Финляндия 1 1 1 1 1 1 1
Франция 10 10 10 10 10 10 <10
Испания 5 4 8 5 Нет данных Нет данных Нет данных
Голландия ~7 7 6 ~6 7 7 7
Ирландия 3 5 5 7 7 8 10
Германия 7 8 8 9 8 Нет данных 14
Норвегия 2 2 1 2 <1 <1 3
Польша 7 - 6 7 6 6 6
Португалия 1 1 2 1 0 3 11
Словакия Нет данных 13 12 Нет данных Нет данных Нет данных 20
Словения 3 5 6 7 9 8 9
Швейцария 5 5 Нет данных 5 Нет данных Нет данных Нет данных
Швеция 2 2 3 2 3 3 2
Венгрия 4 3 4 4 1 1 10
Великобритания 4 Нет данных 4 4 Нет данных Нет данных 5
Италия 3 4 5 6 7 7 7
Япония 7 7 7 10 10 11 11
США 5 5 4–5 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных

Таблица 2.
Доля модифицированных битумов в общем объеме дорожных битумов, используемых для строительства и ремонта дорожных покрытий в Европе по данным ЕАРА

В среднем в 2001 г. количество модифицированных битумов, использованных в дорожном строительстве в европейских государствах, составило 7% (рис.2). Характер распределения объема потребления модифицированных битумов по видам модификаторов (рис.2) свидетельствует о том, что наибольшее применение находят полимеры: полиолефины (9%), EVA (12%), полибутадиен (14%), типа СБС (41%). Производство битумов, модифицированных полимерами типа СБС, в европейских государствах к 2001 г. возросло в среднем до 50% и составило, например, во Франции 80%, в Германии – 95%, в Испании – 65%, Бельгии – 80%, в Италии – 100% от всего объема изготавливаемых модифицированных битумов (сведения предоставлены фирмой «KRATON POLYMER»).
Доля потребления модифицированных битумов в европейских государствах, в 2001 г. Доля потребления битумов с разными видами модификаторов европейских государствах в 1998 г.
Рис. 2.
Доля потребления модифицированных битумов в европейских государствах, в 2001 г.

Доля потребления битумов с разными видами модификаторов европейских государствах в 1998 г.

Рост объемов потребления дорожной отраслью полимеров типа СБС обусловлен их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – свойство, присущее полимерам, причем при небольшой концентрации (3–5% от массы битума).

Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси битума, модифицированного полимером типа СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта. В настоящее время за рубежом композиции битума с разным содержанием полимера типа СБС находят широкое применение для устройства дорожных одежд на искусственных сооружениях (мостах, дорожных развязках и пр.) и, как показывает опыт, обеспечивают длительные сроки работы покрытий, несмотря на особо сложные условия их эксплуатации.

Кроме того, на основе полимеров типа СБС изготавливаются битумные мастики для разных видов дорожных ремонтных работ (заливки деформационных швов на мостах, трещин на асфальтобетонных покрытиях и др.), а также для герметизации площадок, предназначенных для сбора бытовых и др. отходов. Применению битумов, модифицированных полимером, предшествует в каждом конкретном случае технико-экономическое обоснование, поскольку стоимость модифицированного битума намного превосходит стоимость битума.

Модифицирующий эффект от введения полимера в битум зависит от правильности проведения процесса приготовления полимерно-битумной композиции.

Анализ известных способов приготовления битумов, модифицированных полимерами, показывает, что все они предусматривают, как правило, повышенную температуру процесса (150–200°C) и интенсивное перемешивание компонентов. Температура разложения большинства используемых для модификации битумов полимеров (полиэтилена, полипропилена, этилен-пропиленовых каучуков, термоэластопластов и др.) значительно превышает температуру совмещения их с битумом. Следовательно, реакции термо- и механодеструкции полимеров в массе битума не происходят, а если и имеют место, то протекают в очень незначительной степени.

Битумы при нагревании размягчаются, а термопластичные полимеры, независимо от того, были они кристаллическими или аморфными, переходят в вязко-текучее состояние. Таким образом, смесь полимера и битума при повышенной температуре представляет собой смесь двух жидкостей, различающихся по вязкости, а следовательно, процесс их смешения в основном должен сводиться к диспергированию жидкости в жидкости.
Микроструктура композиций битума с 1% масс СКЭПТ-Э-30 при 200 и 25°С
Рис. 3. Микроструктура композиций битума с 1% масс СКЭПТ-Э-30
при 200 и 25°C

Известно, что степень дисперсности таких систем при прочих равных условиях определяется соотношением вязкости компонентов, а также взаимной растворимостью. В случае термодинамически несовместимых (нерастворимых или частично растворимых) компонентов предельный размер частиц в смеси зависит только от соотношения вязкостей и условий перемешивания, а смесь при повышенной температуре представляет собой эмульсию (рис.3).

При приложении нагрузки к таким системам происходит деформация (вытягивание) капель полимера в массе битума по направлению действия силы, и в зависимости от молекулярной массы, пластичности полимера разрушение, дробление их на капли или вытягивание в нити (рис.4). Низкая вязкость полимера способствует лучшему диспергированию его в битуме. При повышении содержания полимера размер капель в массе битума возрастает, т. к. растет вероятность их коалесценсии (слияния), приводящей к обращению фаз в системе. Так, этилен-пропиленовый каучук СКЭПТ-Э-30 образует непрерывную фазу в битуме при введении в количестве не менее 9% масс (рис.5).

Для взаимно растворимых компонентов степень дисперсности системы дополнительно возрастает за счет взаимодействия компонентов на границе раздела фаз. К таким полимерам относятся блоксополимеры типа СБС: KRATON D, ДСТ-30. Наличие в структуре стирол-бутадиен-стирольного полимера ароматических блоков обусловливает его сродство с нефтяным битумом, содержащим значительное количество ароматических соединений.
Микроструктура композиций битума с 5% масс СКЭПТ-Э-30 при 200 и 25°С
Рис. 4. Микроструктура композиций битума с 5% масс СКЭПТ-Э-30
при 200 и 25°C

В результате структура битумов, модифицированных полимером типа СБС, принципиально отличается от структуры битумных композиций с алифатическими полимерами. При температуре смешения (175–185°C) вследствие растворения полимера в мальтенах образуется гомогенная композиция, и, как показывают оптические исследования, однородная- при увеличении в 600 раз. Концентрационный предел взаимной растворимости компонентов (битума и полимера) снижается с увеличением молекулярной массы полимера.

Так, при технологической температуре битум образует оптически однородные композиции с высокомолекулярным дивинил-стирольным термоэластопластом (М = 150 000) при содержании последнего до 5% масс, в то время как с низкомолекулярным ДСТ-30 (М = 45 000) – до 9% масс. При дальнейшем повышении концентрации ДСТ-30 в битуме происходит выделение в отдельную фазу асфальтосмолистой части битума, не являющейся растворителем для полимера (рис.6).

Таким образом, процесс смешения при высокой температуре битума с полимерами любой химической природы протекает в две стадии: эмульгирование размягченного полимера в жидком битуме и последующее частичное (набухание) или полное растворение. Глубина процесса диспергирования полимера в битуме при прочих равных условиях определяется химической природой и молекулярной массой полимера, химическим составом битума, а также соотношением компонентов в смеси.
Микроструктура композиций битума с 20% масс СКЭПТ-Э-30 при 200 и 25°С
Рис. 5. Микроструктура композиций битума с 20% масс СКЭПТ-Э-30
при 200 и 25°C

На практике для модификации свойств дорожных битумов должны использоваться полимеры, априори способные совмещаться с нефтяным битумом при повышенной температуре за минимальный период времени. Фирма KRATON, например, специализирующаяся на производстве полимеров типа СБС, рекомендует для этих целей несколько марок: KRATON D1101, KRATON D1192, KRATON D1116 и др.

Степень дисперсности полимерно-битумной композиции в значительной степени зависит и от способа смешения компонентов. Наилучшие результаты достигаются при использовании высокопроизводительных аппаратов –коллоидных мельниц, время пребывания компонентов при высокой температуре в которых минимально, что предотвращает старение битума и способствует созданию высокодисперсных систем, характеризующихся наиболее оптимальным комплексом физико-механических свойств.

При проведении процесса приготовления битума, модифицированного полимером, в аппарате с мешалкой длительность процесса перемешивания компонентов достаточно велика и в зависимости от конструкции смесителя и количества вводимого полимера составляет до 5 и более часов, что, безусловно, оказывает негативное влияние на качество конечного продукта вследствие старения битума под воздействием высокой температуры в присутствии кислорода воздуха, а также приводит к образованию более грубых дисперсных систем.

Структура битумов, модифицированных рассмотренными выше видами полимеров, созданная при технологической температуре, как правило, сохраняется и после охлаждения. Это обусловлено резким увеличением вязкости приготовленного полимерно-битумного материала при понижении температуры, препятствующим расслоению дисперсной системы. Следовательно, понятие «совместимость полимеров с битумами» включает две составные части: термодинамическую совместимость компонентов, а также совместимость на уровне двухфазных структур.
Микроструктура композиции битума с 10% масс ДСТ-30 при 25°С
Рис. 6. Микроструктура композиции битума с 10% масс ДСТ-30
при 25°C

При комнатной температуре и в реальных условиях эксплуатации битумы, модифицированные полимерами, представляют собой, как правило, микро- или макро- неоднородные системы, т. е. являются композиционными материалами. Свойства их определяются фазовой структурой смеси, в частности механические – преимущественно, свойствами непрерывной фазы. Именно поэтому способностью придавать битуму эластичность (свойство, присущее в том числе и олефиновым полимерам, например полиэтилену, полипропилену, этилен-пропиленовому каучуку и др.) обладают лишь те полимеры, которые образуют непрерывную фазу в массе композиции. Роль полимера, образующего дисперсную фазу в массе битума, сводится лишь к упрочнению материала за счет наполнения его частицами. Варьируя видом, концентрацией полимера, можно получать композиционные материалы с заданным комплексом физико-механических свойств.

Качество битума не оказывает существенного влияния на характер модифицирующего действия полимеров, который обусловлен, преимущественно, химической природой полимера. Однако химический состав и структура битума влияют на совместимость с полимерами и свойства конечного продукта. С повышением степени окисленности битума совместимость его с полимерами любого химического строения и молекулярной массы ухудшается, что обусловлено увеличением содержания в битуме асфальтенов и высокомолекулярных смол, снижением количества масел и низкомолекулярных смол, которые принимают непосредственное участие в процессе растворения полимеров. Использование в качестве исходного сырья для приготовления полимерно-битумных композиций битумов, обогащенных ароматическими соединениями, благоприятствует совместимости компонентов, что согласуется с известными положениями теории физической химии полимеров и обусловлено лучшей растворимостью полимеров в ароматических соединениях.

Свойства композиций, приготовленных в одинаковых технологических условиях из разных по химической природе битумов (БДУ – из тяжелой ярегской нефти; БДУС – из смеси западно-сибирских нефтей) при использовании полимера KRATON D 1101 (фирмы «SHELL»), различны (таблица 3). Введение полимера приводит к резкому снижению значений показателя растяжимости битума при 25°C. За счет более высокой способности к растяжению битума марки БДУ композиция последнего с KRATON D 1101 характеризуется также более высокими значениями показателя растяжимости, по сравнению с материалом, приготовленным на битуме марки БДУС. Для придания битуму, модифицированному полимером, способности выдерживать без разрушения растягивающие усилия в реальных условиях эксплуатации дорожных покрытий в качестве исходного сырья для приготовления полимерно-битумной композиции следует применять битумы, характеризующиеся высоким уровнем значений показателя растяжимости при 25°C (более 100 см) как до, так и после смешения с минеральным материалом.
Наименование показателя Свойства модифицированных битумов, изготовленных на:
БДУ 70/100 БДУС 70.100

при 25 °C 57 54
Глубина проникания иглы, мм 10-1,
при 0 °C 29 27
Температура размягчения, °C 82 86
Растяжимость при 25 °C, см 94 60
Растяжимость при 0 °C, см 48 28
Эластичность при 25 °C, % ,
через 3 мин. после разрыва 77 60
Эластичность при 25 °C, % ,
по п. 7.2.2 ОСТ 218.010* 89 89
Кинематическая вязкость при 135 °C, Сст 1710 1588
Однородность Однородно Однородно
Температура хрупкости, °C ?27 ?27
Температура вспышки, °C 286 275
Сцепление с гранитом Не удовл. Не удовл.
Сцепление с габбродиабазом Контр. обр. №1-2 Контр. обр. №1-2
Стабильность температуры размягчения, °C 15 29
После испытания по методике ASTM D 2872
Остаточная пенетрация,
% от исходного значения 82 83
Растяжимость при 25 °C, см 84 52
Эластичность при 25 °C, % ,
через 3 мин. после разрыва 67 51
Эластичность при 25 °C0C, % ,
по п. 7.2.2 ОСТ 218.010* 87 83

Таблица 3.
Свойства композиций битумов разной химической природы, приготовленных с использованием полимера KRATON D 1101 (5% масс)

За счет лучшей растворимости в массе битума дорожного улучшенного марки БДУ полимер типа СБС способен в несколько большей степени реализовывать присущую ему эластичность. Этим же объясняется и более высокая вязкость композиции полимера с битумом, полученным из остатков переработки тяжелой ярегской нефти.

Битумы, модифицированные полимерами (в том числе и блоксополимерами), являются дисперсными (неоднородными) системами, а следовательно, термодинамически неустойчивыми, что является причиной их расслоения (разрушения), особенно при повышенной температуре в статических условиях (в отсутствие перемешивания). Чем выше сродство полимера к битуму, чем выше степень дисперсности полимера в массе битума, тем выше устойчивость композиционного материала к расслаиванию. Вследствие худшей совместимости компонентов композиция, приготовленная на битуме марки БДУС с полимером KRATON D 1101, характеризуется наибольшим различием в значениях показателя температуры размягчения верхнего и нижнего слоев массы композиции (таблица 3) после испытания на термостабильность в статических условиях, по сравнению с битумом марки БДУ, модифицированным равным количеством этого же полимера, приготовленным в идентичных условиях.

При использовании высокоэффективных смесителей, позволяющих достичь более высокой степени дисперсности полимера в битуме, устойчивость композиционных материалов к расслаиванию возрастает (температура размягчения массы полимерно-битумного вяжущего в верхнем и нижнем слоях после термостатирования практически одинакова), вот почему за рубежом приготовление полимерно-битумных материалов осуществляется с помощью коллоидных мельниц.

Для обеспечения заданного качества товарной продукции, достижения максимальной эффективности от ее использования в дорожном строительстве нормативные требования к битумам, модифицированным полимерами, обязательно должны предусматривать контроль не только за однородностью свежеприготовленной композиции, но и за устойчивостью к расслаиванию при повышенной температуре. Учитывая тот факт, что полностью предотвратить расслоение композиции битума с полимером типа СБС на стадии хранения при повышенной температуре невозможно, необходимо лимитировать длительность хранения, а также осуществлять механическое перемешивание массы изготовленной товарной продукции на стадии хранения.

В связи с тем, что механизм распределения в битуме полимера заключается в растворении последнего в мальтеновой части битума, на первый взгляд кажется, что для достижения наилучшей совместимости компонентов необходимо увеличить количество масляных компонентов в битуме, например за счет дополнительного введения минеральных масел. Однако следует напомнить, что нефтяные дорожные битумы, как коллоидные системы, также термодинамически неустойчивы во времени. Введение масел приводит к нарушению относительной стабильности структуры битума, сформировавшейся на стадии изготовления последнего. В зависимости от химической природы соединений, входящих в состав минерального масла, последнее может являться хорошим или плохим растворителем по отношению к битуму. Кроме того, уместно напомнить, что процесс совмещения битума с минеральным маслом не так прост, поскольку механизм его также заключается в смешении жидкостей, различающихся по вязкости. Следовательно, получение при повышенной температуре гомогенной массы на основе нефтяного битума и минерального масла само по себе представляет непростую технологическую задачу. Использование полимерно-масляных концентратов в качестве исходного компонента для приготовления модифицированного битума не упрощает процесс получения материала с заданным комплексом физико-механических свойств, в том числе и по причине переменного (от партии к партии) качества исходного битума, поступающего на предприятия дорожной отрасли нашей страны.

Использование пластификаторов (масел) на стадии приготовления битумов, модифицированных полимерами, не только не повышает устойчивость последних к расслаиванию, но и способствует разрушению вяжущего в составе дорожного покрытия, вследствие выпотевания (отторжения) масел, в первую очередь, введенных дополнительно. Для получения полимерно-битумных материалов, характеризующихся более высокой пластичностью, достаточно использовать в качестве исходного сырья битумы с более высокими значениями показателя глубины проникания иглы при 25°C, что имеет место в зарубежной практике.

Таким образом, битумы, модифицированные полимерами, представляют собой композиционные материалы, структура и свойства которых при прочих равных условиях зависят от вида и концентрации полимера, марки битума, а также от технологии смешения компонентов.

Для получения модифицированных битумов с заданным комплексом свойств в каждом конкретном случае необходимо осуществлять правильный выбор полимерного модификатора, битумного сырья, выполнять комплекс лабораторных работ по оптимизации рецептуры композиционного материала. Для обеспечения стабильности структуры и свойств битума, модифицированного полимером, при изготовлении разных партий товарной продукции следует использовать полимер и битум постоянного качества, а также строго соблюдать технологический регламент процессов приготовления и хранения модифицированного битума.

Анализ зарубежного и отечественного опыта применения битумов, модифицированных полимерами, показывает принципиальные отличия в подходах к выбору исходных компонентов, к проектированию составов полимерно-битумных вяжущих, к регламентированию комплекса физико-механических свойств ПБВ, к выбору объектов, на которых наиболее целесообразна замена битума дорожного на новый вид вяжущего.

Для объективной оценки зависимости долговечности дорожных покрытий, работающих в сложных климатических условиях Санкт-Петербурга, от вида нефтяного вяжущего, используемого в составе горячей асфальтобетонной смеси, в 1998 г. было проведено опытное строительство участков дорожного покрытия на особо грузонапряженных трассах: Северном проспекте, Дворцовом проезде, а также на Гакелевской улице, с применением битума дорожного улучшенного марки БДУ 70/100 (производства Ухтинского НПЗ) и полимерно-битумного вяжущего. В качестве производителя полимерно-битумного вяжущего был выбран концерн «КОСМОС» (г. Москва), имеющий опыт по устройству дорожного покрытия с применением полимерно-битумного вяжущего на кольцевой дороге в Москве. ПБВ изготавливалось в соответствии с требованиями ОСТ 218.010-98 на промышленной установке концерна «КОСМОС» и доставлялось в Санкт-Петербург битумовозами. Процесс производства и укладки горячих полимер-асфальтобетонных смесей курировался представителями концерна «КОСМОС» и ФГУП «СоюздорНИИ».

Визуальный осмотр, проведенный в 2002 г., показал, что состояние дорожных покрытий на опытных участках Дворцового проезда и Гакелевской улицы, устроенных с применением ПБВ и битума марки БДУ, удовлетворительное. Независимо от вида использованного нефтяного вяжущего, на дорожном покрытии появились отдельные продольные и поперечные трещины, а также разрушения вокруг колодцев (по сравнению с 2001 годом, количество разрушений увеличилось). На всех остановках общественного транспорта, где под верхний слой асфальтобетона укладывалась армирующая сетка «Хателит», наблюдается незначительная колея по полосам наката, которая, по сравнению с 2001 годом, также несколько увеличилась.

Асфальтобетонное и полимер-асфальтобетонное покрытие на опытных участках, устроенных на Северном проспекте, находится в хорошем состоянии: трещин и разрушений нет, перед перекрестком с ул. Есенина в зоне торможения пластические деформации отсутствуют. Наблюдается равномерный незначительный износ покрытия по полосам наката.

По истечении 4 лет эксплуатации в одинаковых условиях принципиальных различий в состоянии покрытий на основе битума марки БДУ и ПБВ не обнаружено. Обращает на себя внимание тот факт, что ПБВ не повысило устойчивость дорожного покрытия к различного рода пластическим деформациям, не предохранило верхний слой покрытия от образования трещин, как отраженных, так и другого характера появления, причиной которых является состояние инженерных сетей и недостаточная несущая способность конструкции дорожной одежды.

Таким образом, по результатам четырехлетнего наблюдения за состоянием полимер-асфальтобетонных покрытий пока не представляется возможным сделать вывод об эксплуатационных преимуществах полимерно-битумного вяжущего, по сравнению с битумом марки БДУ, а следовательно, и целесообразности замены битума БДУ на полимерно-битумное вяжущее для устройства дорожных покрытий на грузонапряженных трассах г. Санкт-Петербурга.

На сегодняшний день одной из важнейших задач, стоящих перед дорожниками Санкт-Петербурга, является повышение срока службы дорожных покрытий на мостах, приведение в порядок трамвайных путей. Условия работы дорожного покрытия на указанных объектах намного более сложные, чем на обычных адресах, в связи с постоянным пребыванием материала под воздействием вибраций, усилий сдвига, растяжения, сжатия и пр. Как показывает опыт Санкт-Петербурга (Финляндии, Германии и др. государств), в таких случаях технически и экономически оправдано применение битумов, модифицированных полимером типа СБС.

В 1999 г. на ОАО «АБЗ-1» (Санкт-Петербург) была введена в эксплуатацию установка по модификации битума периодического действия, разработанная научно-конструкторским бюро Минэкономики РФ. По технологии ЦНКБ модификация битума полимером осуществляется в двух смесителях объемом 2,5 т каждый. Для гомогенизации смеси конструкцией предусмотрены перемешивающие устройства: рама (48,9 об./мин), шнек (34,5 об./мин), а также циркуляция. Окончание процесса приготовления полимерно-битумного вяжущего определяется визуально путем оценки однородности массы при температуре смешения (175–180°C).

В 1999 г. были выпущены по рецептуре, предложенной ЦНКБ, опытные партии полимерно-битумного вяжущего марки ПБВ-90 на основе битума марки БНД 60/90, полимера ДСТ-30 и индустриального масла, которые уложены на Ждановской набережной напротив Петровского стадиона и повороте на Малый проспект.

Анализ физико-механических характеристик ПБВ в пробах, отобранных из опытных партий товарной продукции, показал нестабильность свойств полученного материала, в ряде случаев даже несоответствие требованиям ОСТ 218.010-98. Из-за различия свойств исходных компонентов, поступающих на асфальтобетонный завод (в частности, разных партий битума и ДСТ-30), возникали сложности при проектировании в лаборатории АБЗ рецептуры полимерно-битумного вяжущего, полимер-асфальтобетонной смеси, а также с распределением полимера в массе битума в промышленном смесителе в течение времени перемешивания компонентов, рекомендованном Технологическим регламентом (3–4 часа).

Для обеспечения стабильности качества товарной продукции возникла необходимость в разработке оптимальной рецептуры битума, модифицированного полимером, и в корректировке технологического режима его приготовления.

Учитывая то, что битум дорожный, изготавливаемый из остатков переработки тяжелой нефти Ярегского месторождения (Республика Коми), характеризуется не только стабильностью значений показателей физико-механических свойств в разных промышленных партиях товарной продукции, но и большей растяжимостью, а также повышенной термостабильностью в условиях изготовления горячих асфальтобетонных смесей (по сравнению с битумом марки БНД 60/90), представлялось целесообразным произвести замену битума марки БНД 60/90 в рекомендованной ранее рецептуре полимерно-битумного вяжущего на битум дорожный улучшенный марки БДУ 70/100. В качестве полимерного модификатора для дальнейших работ по выпуску на установке ОАО «АБЗ-1» битума, модифицированного полимером, был выбран полимер «KRATON D1101», широко использующийся для этих целей за рубежом. Комплекс показателей физико-механических свойств указанного полимера как товарного продукта фирмы «KRATON» определенного назначения обусловливает стабильность качества и предопределяет способность его к образованию с нефтяными битумами при температуре 175–180°C гомогенных композиций.

С целью получения максимальной отдачи от введения в битум дорогостоящего полимера корректировке были подвергнуты и нормативные требования к битуму, модифицированному полимером. В 2000 г. были разработаны, а в 2001 году зарегистрированы в органах Госстандарта ТУ 0256-002-03218295-2001 на битум, модифицированный полимером (марки БМП).

В связи с тем, что полимер СБС способен придавать битуму эластические свойства, представлялось целесообразным ужесточить требования к показателю эластичности, по сравнению с требованиями ОСТ 218.010-98: для БМП эластичность определяется через 10 минут, а не после полного прекращения сокращения образца ПБВ, подвергнутого испытанию на растяжимость на дуктилометре. Повышенная эластичность вяжущего обусловливает практически моментальное эластическое восстановление дорожного покрытия после снятия прилагаемой нагрузки до ее повторного приложения, а следовательно, создает предпосылки для повышения долговечности дорожного покрытия.

Для изготовления битумов, модифицированных полимером, способных работать в условиях воздействия разных по виду и величине прилагаемых нагрузок, в ТУ включены несколько марок БМП, различающихся значениями таких показателей качества, как глубина проникания иглы, температура размягчения и др. За основу взяты нормативные требования к качеству модифицированных битумов зарубежного производства. Для обеспечения практической возможности изготовления в условиях асфальтобетонного завода модифицированных битумов разных марок предусмотрено использование в рецептуре композиционного материала специальной добавки, обладающей химическим сродством к битуму дорожному улучшенному – БДУ.

В августе 2000 г. ОАО «АБЗ-1» выпустило в соответствии с ТУ 0256-002-03218295-2001 первую опытную партию вяжущего марки БМП-65 и на его основе изготовило полимерасфальтобетонную смесь. Для отработки технологии укладки смеси с новым видом нефтяного вяжущего в качестве объекта был выбран участок протяженностью 120 м на ул. Бадаева, интенсивность движения по которой не велика. При осмотре опытного участка в 2002 г. разрушений покрытия не обнаружено.

Основным направлением использования битума, модифицированного полимером типа СБС, отработкой технологий изготовления и применения которого, начиная с 2000 г., занимается ОАО «АБЗ-1», является применение его в составе литого асфальтобетона. В 2000 г. было изготовлено 47,5 т БМП, литым асфальтобетоном отремонтированы трамвайные пути по ул. Расстанной (опытный участок 70 м), ул. Инженерной (от здания цирка до Садовой ул.), Большому Сампсониевскому проспекту, Заневскому проспекту до моста Александра Невского и др. Для оценки работоспособности литого асфальтобетона, приготовленного с использованием битума, модифицированного полимером, в более жестких условиях эксплуатации в 2000 г. отремонтированы трамвайные пути на Сампсониевском мосту. При осмотре указанных выше объектов в 2002 г. разрушений не обнаружено.

В 2001 г. для проведения работ по устройству гидроизоляции и дорожного покрытия по металлической ортотропной плите на разводной части моста Александра Невского в зоне проезжей части трамвайных путей и тротуаров ОАО «АБЗ-1» совместно с финскими специалистами фирмы «Леминкяйнен» были использованы литые асфальтобетонные смеси и мастики, изготовленные на основе битума, модифицированного полимером, отвечающего требованиям ТУ 0256-002-03218295-2001. По результатам лабораторных исследований, проведенных финскими специалистами в Финляндии, битум, модифицированный полимером марки БМП в пробах, отобранных из опытных партий, изготовленных на промышленной установке ОАО «АБЗ-1», и литые асфальтобетонные смеси на его основе, полностью отвечали требованиям финских норм. По мнению финских специалистов, применение полимерно-битумного вяжущего позволяет обеспечить гарантийный срок службы покрытия на мосту в течение 3 лет.

В 2002 г. ОАО «АБЗ-1» совместно с немецкой фирмой «FLH Consult G&R» проводило работы по гидроизоляции Троицкого моста через реку Нева. На разводной части моста дорожная одежда была устроена по ортотропной металлической плите (предварительно обработанной эпоксидным праймером) из 2 слоев литого асфальтобетона, изготовленного на промышленной установке ОАО «АБЗ-1» на битуме, модифицированном полимером марки БМП-85 (ТУ 0256-002-03218295-2001). На стационарных пролетах моста литой асфальтобетон на основе БМП использовался как защитный слой. Гарантийные обязательства ОАО «АБЗ-1» на дорожную одежду разводной части моста составляют 3 года, а на гидроизоляцию – 10 лет.

В 2002 г. литые асфальтобетонные смеси применялись также для ремонта трамвайных путей (по ул. Садовой, ул. Б. Дворянской, Среднему проспекту, Каменноостровскому проспекту, Московскому проспекту (угол Обводного канала), площади Восстания, площади Труда, Сенной площади), для устройства покрытий технологических проходов на Автовском путепроводе. Общий объем выпуска БМП на установке ОАО «АБЗ-1» в 2002 г. составил около 315 т.

Одним из перспективных направлений применения битума, модифицированного полимером (марки БМП), является использование в качестве вяжущего при изготовлении щебнемастичных асфальтобетонных смесей (SMA), дорожное покрытие из которых характеризуется повышенной прочностью. Щебнемастичный асфальтобетон широко применяется в верхних слоях дорожных покрытий в Швеции, Норвегии и других странах.

Возрастающий спрос на битум, модифицированный полимером, марки БМП для устройства и ремонта дорожных покрытий на объектах Санкт-Петербурга, обусловлен положительными результатами опытного использования этого вида нефтяного вяжущего в сложных условиях эксплуатации.

Трехлетний опыт производства БМП на промышленной установке ОАО «АБЗ-1» показал, что работоспособность БМП в составе дорожного покрытия зависит от:

Качества исходных материалов;
соблюдения рецептуры;
квалификации обслуживающего персонала;
соблюдения технологических режимов приготовления и хранения.

Специалисты ОАО «АБЗ-1» отмечают, что установка ЦНКБ по приготовлению битума, модифицированного полимером, далека от идеальной модели устройства по приготовлению такого вида композиционного материала для промышленного использования. При этом указывают, что при хранении БМП в статических условиях (без перемешивания) при температуре 150–200°C (технологических температурах изготовления полимерно-битумного вяжущего и укладки литых асфальтобетонных смесей) наблюдаются необратимые изменения в структуре вяжущего, происходит расслоение («желатинизация») массы вяжущего вблизи нагревательных элементов, приводящие к ухудшению физико-механических свойств (снижению значений показателей глубины проникания иглы, температуры размягчения, растяжимости, эластичности). В течение первых суток изменения незначительны и после интенсивного перемешивания могут быть устранены с малым ущербом для качества. При более длительном хранении процесс разрушения структуры БМП становится необратимым.

Таким образом, выводы, сделанные производителями и потребителями промышленных партий битумов, модифицированных полимером типа СБС, полностью совпадают с заключениями, сформулированными российскими и зарубежными учеными на основании результатов научных исследований структуры и свойств этого вида нефтяного вяжущего. При работе с битумами, модифицированными полимерами, нельзя не учитывать особенности их структуры и свойств. Игнорирование этих знаний приведет к снижению эффективности использования полимеров в качестве модифицирующих добавок к битуму, получению некачественных полимерно-битумных материалов, а следовательно, и к неоправданным затратам вследствие применения дорогостоящих полимеров в такой материалоемкой отрасли, как дорожное строительство. При выборе промышленной установки по производству полимерно-битумных вяжущих следует руководствоваться не только соображениями ценовой политики, но и техническими, технологическими возможностями установки, которые должны обеспечивать минимальное влияние на качество товарной продукции известных факторов риска.