Экономия битума в дорожном строительстве

Пути снижения расхода битума при расчете состава асфальтобетонной смеси

Количество битума в асфальтобетоне должно быть оптимальным, обеспечивающим максимальную прочность, заданную пластичность и оптимальную остаточную пористость. Избыток битума снижает прочность, сдвигоустойчивость и повышает пластичность асфальтобетона. Недостаток битума снижает прочность, водо- и морозостойкость асфальтобетона.

Оптимальное количество битума в асфальтобетоне взаимосвязано со свойствами минеральных компонентов и их соотношением в смеси. Заменяя один материал другим и изменяя их соотношение, можно уменьшить или увеличить оптимальное содержание битума. Но так как битум наиболее дорогой и дефицитный компонент асфальтобетона, проектирование его состава ведут по принципу минимального расхода битума.

Опыт английских дорожников показал, что при особом подборе соотношения между узкими фракциями минерального материала можно получить минеральный остов асфальтобетона с пористостью до 12%.

Расчеты по данным, приведенным в «Руководстве по строительству дорожных асфальтобетонных покрытий», показывают, что снижение пористости минерального остова на 1% приводит к уменьшению требуемого количества битума на 0,46%.

Снижение вязкости битума

На расход битума в асфальтобетоне также влияет степень развитости поверхности минеральных компонентов. Чем более угловаты и шероховаты минеральные зерна, чем больше на зернах углублений и выступов, тем больше их поверхность и больше потребуется битума для обволакивания. В действующих нормативных документах нет сведений об изменении удельной поверхности минеральной части асфальтобетонных смесей рекомендуемых типов. Для восполнения этого приводим расчеты, выполненные Г. Р. Фоменко для всех типов смесей. От среднезернистой смеси до песчаной удельная поверхность минеральных компонентов возрастает в 2-2,5 раза. В пределах одной крупности от типа А до В удельная поверхность минеральной части асфальтобетона увеличивается в 1,4-1,8 раза. В наибольшей степени на величину удельной поверхности смеси влияет количество минерального порошка. Расчеты показали, что на долю минерального порошка приходится 88-91% всей поверхности. Замена дробленого песка на природный, окатанный, снижает удельную поверхность всей смеси на 5-8%. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода битума. Так, замена гранитных высевок на кварцевый окатанный песок в песчаном асфальтобетоне приводит к уменьшению расхода битума с 7 до 6%.

В наибольшей степени на расход битума в асфальтобетоне влияет битумоемкость минеральных компонентов. Минеральные материалы, обладающие высокой битумоемкостью, требуют повышенного расхода вяжущего. Поэтому при выборе минеральных материалов для приготовления асфальтобетона следует обязательно учитывать их битумоемкость.

Эталонный минеральный порошок (частицы мельче 0,071 мм) из плотного известняка марки «1000» имеет битумоемкость 16%. В этом порошке практически нет внутреннего поглощения битума. Весь битум расходуется на обволакивание минеральных зерен. Па них формируется развитый ориентированный слой, способный обеспечить высокие адгезионно-когезнонные свойства асфальтовяжущего. Порошки, обладающие меньшей битумоемкостью при одинаковой с эталоном удельной поверхностью, плохо структурируют битум, и считать их порошком не следует. Если они попадают в смесь вместе с высевками, то их количество необходимо ограничивать.

Необходимо отметить, что минеральный порошок из известняков-ракушечников обладает такой же битумоемкостью, как и порошок из плотного известняка. Это объясняется тем, что при дроблении известняков-ракушечников почти полностью разрушаются поры. Частицы мельче 0,071 мм практически плотные. А вот песчаные фракции известняка-ракушечника обладают большей битумоемкостью, чем аналогичные фракции дробленого плотного известняка.

Минеральные порошки, обладающие высокой битумоемкостью, например, широко применяемая в Донецкой обл. обожженная доломитовая пыль, вследствие развитой внутренней: поверхности поглощают значительное количество битума. Применение этого порошка приведет к повышенному расходу битума в асфальтобетоне.

Порошок из дробленых основных шлаков, содержащий около 50% продуктов силикатного распада, также обладает очень большой битумоемкостью из-за развитой внутренней поверхности. Асфальтобетон на этом материале требует повышенного расхода битума (до 12%).

Битумоемкость песчаных фракций также в значительной степени зависит от исходной породы и формы частиц. Наименьшей битумоемкостью обладает окатанный кварцевый песок. С точки зрения расхода битума, окатанный чистый песок наиболее пригоден для приготовления асфальтобетона.

Наибольшей битумоемкостью обладает щебень из металлургических шлаков. Его битумоемкость превышает битумоемкость известнякового щебня в 1,5-2 раза. Необходимо отметить, что битумоемкость гранитного щебня также выше, чем щебня из плотного известняка, в 1,3-1,5 раза.

Для одних и тех же смесей по гранулометрическому составу (мелкозернистые, тип Б), но различных по минеральным материалам, оптимальное количество битума изменяется от 5 до 12,5%. Состав №1 из смеси известнякового щебня, высевок, порошка и кварцевого песка требует 5% битума. Состав №2 на гранитном щебне, кварцевом песке и известняковом порошке требует 6% битума. Больший расход битума объясняется большей битумоемкостью гранитного щебня, чем известнякового. Асфальтобетон на шлаковом материале (состав №4) требует наибольшего количества битума (12,5%). Такой расход битума связан с большой битумоемкостью щебня, высевок и порошка из доменных основных шлаков. Эти шлаки содержат и продукты силикатного распада, представляющие собой частицы с высокоразвитой внутренней поверхностью, вследствие чего поглощается до 50% битума.

Источник

Характеристика битумов, применяемых в дорожном строительстве. Методы улучшения свойств битумов.

Битумы(природные, нефтяные, сланцеватые) – группа природных или искусственных вязко-пластичных или жидких веществ, состоящих из смеси органических высокомолекулярных соединений.

В дорожном строительстве применяют вязкие и жидкие битумы. Вязкие битумы получают переработкой нефти. Жидкие – разжижением вязких.

Различают три типа битумов:

Остаточные (остаток после переработки нефти)

Окисленные (окисление гудронов, мазутов)

Компаундированные (смешение различных нефтяных остатков)

Для производства дорожных битумов используют 2 группы (параметра) нефти:

— По содержанию смол:

1. Высокосмолистые (>20%)

3. Малосмолистые ( 6%)

Вязкие битумы применяют в горячих и тёплых а/б смесях, приготовлении битумоминеральных смесей в установке. Жидкие битумы применяются в холодных смесях, а также при смешении на дороге и устройтстве слоёв по способу пропитки.

Методы улучшения свойств а/б:

Улучшение свойств заполнителей и наполнителей (промывка, модифицирование поверхности, обогащение)

Улучшение свойств битумов (улучшенные составляющие, комплексные вяжущие, активация битумов)

Улучшение свойств битумов введением ПАВ

Повышение сдвигоустойчивости использованием битума с добавками и пропиткой цементом.

Физические методы улучшения битумов:

Вспенивание при добавке ПАВ

Химические методы улучшения битумов:

Улучшение полимерными добавками

Марки битумов: БНД – 40/60; 60/90; 90/130; 130/200; 200/300

БН – 40/60; 60/90; 90/130; 130/200; 200/300

48. Асфальтобетон. Классификация, св-ва, требования, определение физико-механических показателей, применение в дорожном строительстве. Применение ЩМА, литого а/б. Компакт-асфальт.

В зависимости от вида минеральной составляющей подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

В зависимости от вязкости используемого битума и температуры при укладке подразделяют на:

-горячие, приготавливаемые с использованием вязких и жидких нефтяных дорожных битумов, t укладки не менее 120°С;

Горячие а/б смеси по наибольшему размеру минеральных зерен подразделяют на:

крупнозернистые с размером зерен до 40 мм;

Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

Горячие а/б смеси по величине остаточной пористости подразделяют:

высокоплотные с остаточной пористостью от 1,0 до 2,5%;

Асфальтобетоны из холодных смесей должны иметь остаточную пористость свыше 6,0 до 10,0%.

По кол-ву щебня или песка:

Тип А с содержанием щебня св. 50 до 60%;

У холодных: Бх и Вх.

Для песчаных смесей:

Тип Г и Гх – на песках из отсевов дробления, а также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30% по массе;

Марки а/б в зависимости от физ.-мех. св-в:

А – I,II Б,Г – I,II,III В,Д – II,III

Пористые и высокопористые – I,II

Холодные Бx, Вx – I,II Гx – I,II

Свойства а/б:

1)Высокая прочность и устойчивость к воздействию климатических факторов;

2)Упруго-пластичные без разрушения;

3)ровная поверхность при отсутствии швов сжатия и расширения, шероховатость;

7)долговечность ниже, чем у ц/б.

Показатели физ.-мех. св-в, выбор материалов для а/б и технческие требования к ним должны соответствовать требованиям ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия».

Основным требованием, которому должен удовлетворять а/б, работающий при повышенных положительных температур, является его сдвигоустойчивость. Испытания сдвигоустойчивости оценивают непосредственно по прочности при сжатии. Прочность а/б принято оценивать по испытанию цилиндрических образцов на сжатие при 50, 20 и 0°С. Если при 50°С нормативными документами ограничивается нижний предел прочности (1-1,2 МПа), то при 0°С ограничивается верхний предел прочности (не более 12 МПа).

А/б покрытия при длительном увлажнении могут разрушаться за счет выкрашивания минеральных зерен, что приводит к повышенному износу покрытий и образованию выбоин. Водостойкость а/б зависит от его плотности и устойчивости адгезионных связей. Пористость оказывает большое влияние на водостойкость а/б, обычно она составляет 3-7%. Водостойкость определяется величиной водонасыщения, набухания коэффициентом водостойкости К_в (отношение прочности водонасыщенных к прочности сухих образцов).Коэффициент водостойкости должен быть не менее 0,9, а при длительном водонасыщении (15 сут) не менее 0,8.

Отличие: Изменение идеолгии формирования а/б – в 1,5 раза больше битума и минер. порошка.

Преимущество: повышенная сдвигоустойчивость, высокие прочностные характеристики, повышенное сцепление.

Недостаток: Дороже обычного а/б.

В зависимости от крупности применяемого щебня подразделяют на виды:

Литой а/б представляет собой специально запроектированную смесь щебня, песка, минерального порошка и вязкого битума, приготовленную и уложенную в покрытие в горячем состоянии без уплотнения. От горячего а/б литой отличается большим содержанием минерального порошка и битума, технологией приготовления и методом укладки. Литой а/б применяется в качестве дорожного покрытия на а/д, на проезжей части мостов.

— вероятность образования вздутий – пузырей на покрытии и трещинообразовании при отрицательной температуре воздуха.

1 тип – приготавливают при t=220-240°C

2 тип – приготавливают при t=200-220°C

«Компакт-асфальт» (Германия)

При этом «Компакт-асфальтом» называют двухслойное покрытие, устроенное по способу «горячее по горячему». Особенностью этой технологи является тот факт, что два слоя покрытия (верхний и нижний) укладываются и уплотняются одновременно. Именно технология «Компакт-асфальт» позволяет вести укладку тонкого верхнего слоя без ущерба для всей конструкции, при одновременном устройстве нижнего крупнозернистого слоя покрытия, обладающего большей устойчивостью к деформациям.

Выбор способа устройства асфальтобетонного покрытия по технологии «Компакт-асфальт» обеспечивает требуемые характеристики дорожного полотна, такие как:

— высокая степень уплотнения;

— высокий коэффициент сцепления колеса;

— устойчивость к пластическим деформациям и «колееобразованию»;

— максимальное сцепление слоев за счет частичного расклинивания нижнего слоя верхним, что практически не допускает сдвиговых деформаций между слоями.

Источник

НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИТУМА В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Некоторые показатели качества битума, используемо­го в дорожной отрасли как вяжущее при производстве ас­фальтобетонных смесей или для приготовления битумных эмульсий, а также для устройства поверхностной обра­ботки, даже в случае его соответствия требованиям стан­дарта, по ряду причин требуют улучшения. Битум, полу­ченный окислением сырья при температуре 230-240°С (а иногда и более), склонен к старению, быстро теряет пла­стичность при понижении температуры и обладает недо­статочной адгезией к каменным материалам кислых по­род, которые как раз наиболее приемлемы по причине их прочности.

В то же время быстро нарастают осевые и динами­ческие нагрузки, а отсюда и требования к несущей спо­собности дорог и, соответственно, к качеству асфальто­бетонных смесей, которое в значительной степени зави­сит от качества вяжущего. По этой причине дорожникам на своих базах приходится улучшать качество битума добавками поверхностно-активных веществ и полимер­ных материалов.

Технология улучшения битума добавками давно и широко используется в зарубежной практике, несмотря на то, что там применяют значительно более качествен­ные битумы, а уж тем более эта технология показана для нас и не только по причине недостаточного каче­ства исходного битума. К сожалению, в России все еще сохраняется практика длительного хранения битума и делается это не лучшим образом, преимущественно в хранилищах ямного типа, где он окисляется при дли­тельном контакте с воздухом и обводняется, причем не только просачивающимися грунтовыми водами, протеч­ками осадков через неплотности укрытия, но также сор­бцией влаги из воздуха.

Представляется, что битум вообще нельзя хранить. Во всяком случае, таким образом, когда прежде, чем подать битум из хранилища в расходную емкость асфальтосме­сительной установки, его приходится выпаривать. При

длительном нагреве в котлах с открытой крышкой люка-лаза (а как иначе наблюдать за процессом выпаривания и не допустить вскипания и выброса пены?) битум в зна­чительной степени теряет полезные свойства вяжущего.

Однако широкое использование технологии улучшения битума или приготовления эмульсий на асфальтобетон­ных заводах затрудняют некоторые проблемы, которые необходимо решить, а в противном случае качество улуч­шенного битума может оказаться хуже исходного. Такие случаи нередки.

Одна из проблем — нестабильность состава и свойств битума, поступающего на обработку. Ошибка считать, что для любого битума применим один и тот же рецепт композиции, например, когда приготавлива­ется полимерно-битумное вяжущее или битумная эмульсия. Некоторые скажут, что это очевидно. А меж­ду тем до последнего времени действует распоряже­ние руководства дорожной отрасли, по которому под­рядные организации обязаны до начала строительного сезона согласовывать рецепт ПБВ с ФГУ «Росдорконтроль». Это, конечно, недоразумение, на которое уже давно обращают внимание специалисты, но которое все еще действует. Например, в весьма содержательной статье [3] все же содержится вывод (пункт 1, с. 50) о необходимости «запретить» (!) применение ПБВ без предварительного согласования их составов с ФГУ «Росдорконтроль». Мало того, что по арбитражной пробе ПБВ, поступившей на контроль, определить соответ­ствие реализованного рецепта утвержденному невоз­можно, что делает согласование состава бессмыслен­ным, состав ПБВ к тому же может быть техническим сек­ретом фирмы-производителя. Дело упомянутого Управ­ления — проконтролировать качество продукта, и, если оно соответствует требованиям, удостоверить это.

Однако разработка рационального рецепта компози­ции в дорожной лаборатории в лучшем случае занимает полную рабочую смену, а иногда и не одну. Если мы заби­раем битум из приямка битумного хранилища, куда он подтекает из ямы, где накапливался в зимнее время по­ставками с разных НПЗ слоями, иногда из разных нефтей и разной предыстории, в случайном соотношении, то каж­дая заполненная емкость или битумовоз, по существу, является партией, для которой нужно разрабатывать ре­цепт, что вряд ли выполнимо.

Для решения этой проблемы на АБЗ необходимо иметь накопительную емкость, теплоизолированную и с элементами нагрева, достаточными, чтобы нагреть всю накопленную порцию до температуры 110-120°С и, например, барботажем воздуха от компрессора пе­ремешивать c целью усреднения. Тогда партией мож­но будет считать весь битум в этой накопительной ем­кости, а ее вместимость должна определяться програм­мой производства модифицированного битума или би­тумной эмульсии.

В этом случае разработка рецепта будет регулярной операцией, например, раз в две или три недели, что при­емлемо. Очевидно, что во время заполнения такой нако­пительной емкости и перемешивания, а также подбора рецепта композиции модифицированный битум или би­тумная эмульсия не производятся.

Если проблема нестабильных свойств битума, посту­пающего на технологическую переработку из своего хра­нилища дорожники могут как-то решить, то другая про­блема пока не находит решения. Дорожникам нужны раз­ные битумы. Для производства горячих асфальтобетон­ных смесей нужен битум БНД (а лучше БДУ) в основном марки 60-90 и иногда 90-130. Для устройства поверхност­ной обработки применяют битум с глубиной проникания иглы при 25°С порядка 110-140×0,1 мм. Иногда битум мар­ки 90-130 подходит, но нередко битум приходится разбав­лять гудроном. И при этом качество вяжущего ухудшает­ся. Ведь гудрон — не битум.

То же самое происходит при модифицировании биту­ма полимерами, которые заметно повышают вязкость композиции и часто приходится применять пластифика­торы, например, тот же гудрон или индустриальное мас­ло. Ранее дорожники не понимали, что использование пластификаторов затрудняет получение ПБВ высокого качества, а, соответственно, и смеси с их применением. В зарубежной практике пластификаторы при производ­стве ПБВ не применяют. Приготовляя, например, ПБВ для устройства поверхностной обработки, используют битум марки 140-160, а приготовляя ПБВ для горячих смесей — марки 100-120. Тогда, растворив в битуме полимер, по­лучают ПБВ соответственно марок 100-120 и 60-80, что и требуется. Но это все же битумы упомянутых марок: 140-160 и 100-120, а не смеси битума и гудрона, кото­рые нам предлагают НПЗ, применяющие технологию ком­паундирования.

Здесь можно предложить аналогию с производством сталей. Есть конструкционные стали, которые принима­ются по показателям механических свойств. И есть каче­ственные стали, которые принимаются по химическому составу. Когда определяют прочность балок или остойчи­вость ферм, то показатели прочности достаточны. Но если нас интересует не статическая, а ударная прочность, кор­розионная или температурная стойкость, специфика вза­имодействия стали с легирующими компонентами или ре­жимы термической обработки, то показатели прочности мало что определяют.

Количественные показатели битума, регламентиро­ванные стандартом, не вполне характеризуют его свой­ства как вяжущего. На это многократно указывали веду­щие российские специалисты, например в [4], Г.Н. Кирю­хин (СоюздорНИИ), Ю.Е. Никольский («Дорстройпроект», Санкт-Петербург) и Т.С. Худякова (ГП «Дорожный учеб­но-инженерный центр», г. Павловск Ленинградской обл.). А тем более при использовании технологии модифици­рования битума или приготовления битумных эмульсий.

Формально компаундированный битум может соответ­ствовать требованиям стандарта по своим показателям. Однако две партии битума с идентичными показателями, но полученные непосредственно с окислительной уста­новки или компаундированием базовой марки, требуют разных рецептов композиций. Это серьёзно затрудняет работу дорожных лабораторий в решении задач обеспе­чения качества вяжущих. К сожалению, эти задачи в прак­тической работе пока не находят решения без заинтере­сованного участия производителей битума, на что совер­шенно верно указывал в [4] Е.А. Смирнов («ПТФ «РАС­ТОМ», г. Москва).

И все же, несмотря на нерешенность этой проблемы, дорожникам приходится модифицировать получаемый с НПЗ битум добавками полимерных материалов и ПАВ, при­готавливать битумные эмульсии.

Улучшать битум добавками ПАВ технически достаточ­но просто. Интенсивность перемешивания, точность оп­ределения рецепта и его соблюдения не стоит так остро, как при производстве ПБВ. Фирмы-поставщики ПАВ реко­мендуют высокие концентрации их добавок. Например, фирма АМДОР предлагает вводить в битум Амдор-9 в кон­центрации 0,8-1%. Наша практика показывает, что при хо­рошем перемешивании композиции в большинстве слу­чаев для радикального улучшения адгезии рациональная концентрация лежит в пределах 0,4-0,6%. Дальнейшее увеличение содержания добавки не дает дополнительно­го эффекта. Это же относится и к БП-КСП, а также Peaгенту Азол 1001. Дорос-АП следует добавлять в количестве 0,6-0,8%, а иногда и 1%. А добавку КАП фирмы «Грик» приходится добавлять даже 1,5%. И все же радикального эффекта не достигается. А при меньших концентрациях эффект не заметен.

Здесь необходимо повторить, что для получения положительного результата необходимо хорошее перемешивание с применением эффективного смесительного оборудования, например [1], а так называемое циркуляционное перемешивание, которое рекомендуется в нормативных документах дорожной отрасли, совершенно не приемлемо по причине образования застойных зон в битумных емкостях, откуда битум не попадает в насос операционное время [2]. К тому же тихоходный битумный насос не является эффективным перемешивающим устройством.

Модифицирование битума полимерами и приготовление ПБВ требует более интенсивного смесеобразования. Получение однородной смеси, когда крупинки полимера полностью растворились, занимает больше времени.

Применение коллоидных мельниц наиболее предпочтительно. Оборудование с использованием кавитационного эффекта [5] также позволяет растворить термоэластопласты в битуме, но только при условии правильной организации циркуляции композиции через рабочий участок. Если не обеспечено вовлечение всего битума в циркуляцию, то однородной смеси не получается. Струйные смесительные устройства [1] чувствительны к свойства полимера. Но при линейной структуре молекул, например для Кратона D1101 или ДСТ 30-01, время растворения при температуре битума 160-170°С составляет 1-1,5 часа, что вполне приемлемо.

Для этой технологии, а также для приготовления битумных эмульсий необходим индивидуальный рецепт композиции применительно к данной партии битума и высокие требования к точности соблюдения рецепта и температурных режимов, а также к контролю качества готовы продуктов при производстве работ [6].

Порадек С. В. Устройство для интенсивного перемешивания гудрона и битума в горизонтальных емкостях//Авто мобильные дороги: Информационный сборник/Информавтодор. — 1996. — Выл. 12. — С. 24-28.

Порадек С. В. Технологические проблемы улучшения битума добавками/Наука и техника в дорожной отрасли. — 1999 — № 3. — С. 30-32.

Полякова С. В. Результаты контроля качества органических вяжущих материалов, полученные ФГУ «Росдорконтроль» //Новости в дорожном деле: Информационный сборник Информавтодор. — 2004. — Вып. 2. — С. 41-55.

Асфальтобетон. Проблемы, решения, перспективы / Дорожная техника. Материалы и конструкции для транспор­тного строительства. Каталог-справочник. Технология стро­ительства, ремонта, реконструкции и содержания дорог. Апрель 2004, с. 22-33.

Полякова В.И., Садиков А.И., Федоров А.П., Кобылко Ю.Б. Гидродинамический смеситель для приготовления по­лимернобитумных вяжущих // Автомобильные дороги: Ин­формационный сборник/ Информавтодор. — 1998. — Вып. 10,- С. 21-27.

Порадек С.В. Модифицированный битум. Работа над ошибками//Автомобильные дороги. — 2004. — № 3, с. 22-23

Источник: ж. Наука и техника в дорожной отрасли № 3 2004

Источник