Литой асфальтобетон с открытой пористой поверхностью (PMA)
Історія появи литого асфальтобетону в Німеччині сягає 1917 року, коли там з’явилися перші технічні норми щодо цього матеріалу. На той час ставилося за мету побудувати міцні, безпечні та безшумні дороги.
З урахуванням багаторічного досвіду сьогодні в Німеччині розроблені спеціальні низькомолекулярні модифікатори бітумів, а також рецептура, енергозберігаюча технологія приготування та укладання литих асфальтобетонних сумішей, які забезпечують влаштованим покриттям підвищені транспортно-експлуатаційні властивості та довговічність.
У статті наведені результати експериментальних досліджень, отриманих в інституті доктора Юргена Хученройтера, та їх практичної реалізації на дорогах Німеччини при влаштуванні верхніх шарів покриттів дорожніх одягів із литих асфальтобетонних сумішей із відкритою пористістю поверхні, яким одночасно притаманні висока водонепроникність, теплостійкість (зсувостійкість, колієстійкість), тривала водостійкість, необхідна шорсткість, менший, порівняно з дрібнозернистими асфальтобетонами, рівень шумового тиску на довкілля та утворення й розсіювання водяного туману при русі транспортних засобів під час дощу.
Доктор Юрген Хученройтер
Переклад статті та адаптацію термінів, викладених у ній, виконано за згодою автора
к. т. н. К. В. Циркуновою за участю д. т. н. В.К. Жданюка
Литий асфальтобетон широко розповсюджений завдяки ряду своїх переваг. Він не вимагає ущільнення після укладання; характеризується зносостійкістю, водонепроникністю, відносно високою деформативною та корозійною стійкістю до агресивної дії розчинів протиожеледних хлоридомістких матеріалів; можливістю багаторазової регенерації. Крім того, рух транспортних засобів відкривається безпосередньо після вистигання укладеного покриття.
Спочатку технологія будівництва покриттів із литих асфальтобетонів застосовувалася на дорогах та автобанах, але швидко знайшла своє місце при влаштуванні захисних шарів та шарів покриття на мостах, при гідротехнічному будівництві (гідроізоляція каналів та дамб), на паркінгах та автозаправних станціях.
Рис. 1. Укладання литої асфальтобетонної суміші в м. Іннестадт у 1934 р.
Литі асфальтобетонні суміші відрізняються від традиційних, гарячих, тим, що для їх приготування використовуються в’язкі бітуми або бітумополімери з показником пенетрацї при 25оС: 20/30, 10/40-65 або 25/55-55. При цьому вміст бітуму та мінерального порошку є значно більшим.
До 60-х років ці суміші виготовлялися переважно в мобільних котлах, сьогодні - в асфальтозмішувачах циклічної дії при нагріванні мінеральних матеріалів до температури +260-300°C. Для зниження температури інженери-технологи шукають добавки, призначені для регулювання в’язкості бітумів.
З асфальтозмішувача готова лита асфальтобетонна суміш завантажується безпосередньо в котел для транспортування, підтримування температури та одночасного перемішування з метою запобігання її розшарування (рис. 2). Німецькими нормами рекомендується транспортувати та перемішувати суміш не більше 12 годин. Для запобігання її старіння в результаті окислення в’яжучого при контакті з повітрям, при вивантаженні обігрів котла повинен припинятися, а інтенсивність перемішування зменшуватись.
Рис. 2. Котел-термос для транспортування та одночасного перемішування литої асфальтобетонної суміші
Суміш, вивантажена з пересувного котла безпосередньо на холодний шар основи, вимагає негайного розподілення. На невеликих локальних ділянках це здійснюється вручну (наприклад, при ямковому ремонті), а при будівництві покриттів на значних ділянках дороги - за допомогою спеціальних асфальтоукладачів (рис. 3).
Для підвищення шорсткості на ще гаряче покриття з литого асфальтобетону розподіляється 5-8 кг/м? щебеню фракції 2-5 мм, попередньо обробленого невеликою кількістю бітуму, та здійснюється його ущільнення легкими котками. На тротуарах та велосипедних доріжках замість щебеню використовують митий подрібнений пісок, який втоплюють у ще гаряче покриття з литого асфальтобетону.
Рис. 3. Укладання литого асфальтобетону за допомогою асфальтоукладача
Вищеназвані технології є достатньо дорогими. Зростає енергозатратність через застосування більш високих температур, собівартість транспортування через необхідність їх підігрівання та постійного перемішування в котлах-термосах. Також необхідні додаткові витрати для забезпечення шорсткості покриття. Крім цього, рух транспортних засобів по покриттях із традиційних литих асфальтобетонних сумішей створює суттєве шумове навантаження.
Результати останніх досліджень дозволили створити технологію приготування щебенистих литих асфальтобетонних сумішей, які після укладання формують шар покриття з різною пористістю по товщині. Завдяки додаванню до в’яжучих спеціальних добавок досягається можливість влаштування покриттів з оптимальними властивостями поверхні, зокрема з відкритою пористістю (рис. 4), що дозволяє суттєво зменшити рівень шумового навантаження. Нижня частина шару за структурою подібна до класичного литого асфальтобетону (МА), а верхню - можна умовно розділити на дві частини: над литим асфальтобетоном утворюється шар, який за величиною пористості належить до щебенево-мастикового асфальтобетону Splittmastixasphalt (SMA), а на поверхні формується частина шару з відкритою пористістю, що робить його подібним до високопористого асфальтобетону (OPA). Йому найкраще підходить назва - литий асфальтобетон з відкритою пористою поверхнею (Gussasphalt mit offenporiger Oberfl?che), оскільки технологія влаштування не вимагає ущільнення котками, аналогічними при ущільненні SMА. У Німеччині він позначається як PMA.
Рис. 4. Переріз PMA
Під час укладання Gussasphalt mit offenporiger Oberfl?che при температурі близько 180°C асфальтоукладач повинен працювати з відключеним вібробрусом. Після цього з метою вирівнювання (вигладжування) поверхні шару здійснюється ущільнення суміші легким гладковальцевим котком без вібрації (маса близько 3,8 т).
Рис. 5. Загальний вигляд текстури покриття після ущільнення суміші легким котком
Для мінімізації температури приготування та використання литих асфальтобетонних сумішей бітуми модифікують спеціальними добавками, зокрема синтетичними амідами жирних кислот (рис. 6). За структурою та властивостями вони суттєво відрізняються від нафтових парафінів. При температурі вище +140°C вони добре розчиняються та суміщаються з бітумами. На рис. 7 наведено порівняльні дослідження температурної залежності комплексного модуля пружності бітуму 50/70 та того ж бітуму з добавкою синтезованих жирних кислот. Видно, що вище +115°C модифікований бітум характеризується меншим модулем пружності та є більш технологічним, завдяки меншій в’язкості. Проте при зниженні температури його в’язкість стає більшою, порівняно з бітумом без добавки.
Рис. 6. Схематичне зображення молекул жирних кислот
Рис. 7. Температурна залежність комплексного модуля пружності
Залежно від марки вихідного бітуму та походження нафти, із якої його було виготовлено, введенням до його складу амідів синтезованих жирних кислот можливо досягти інтервалу пластичності більше 125°C (в Україні добавки вказаного типу в окремих науково-дослідних установах називають структуруючими на основі синтетичного воску, що не узгоджується з технічною термінологією, загальноприйнятою в країнах Європейського Союзу. Виробники цих добавок (спеціально синтезованих на основі синтетичних жирних кислот) називають їх низькомолекулярними модифікаторами бітумів). На рис. 8 на прикладі бітуму 60/90 показана кінетика росту інтервалу пластичності бітуму при зростанні концентрації добавки синтезованих амідів жирних кислот у його складі.
Рис. 8. Еволюція інтервалу пластичності бітуму 60/90 при збільшенні концентрації синтезованих амідів жирних кислот у його складі
Перші масштабні проекти щодо приготування та використання асфальтобетонних сумішей при знижених температурах, завдяки модифікації бітумів синтезованими амідами жирних кислот, були реалізовані в Німеччині при влаштуванні покриття на Грюнвальдському мосту (1994-1995 рр.) та на автобусній станції в м. Ойскирхен (1995 р.).
Синтезовані аміди жирних кислот є прототипом низькомолекулярного модифікатора бітумів CCBit113AD, який забезпечує зниження температури приготування й укладання РМА, а також завдяки здатності конденсуватися створює умови для утворення більш щільної структури в нижній частині шару й одночасно забезпечує високу адгезію між зернами щебеню та бітумом у верхній пористій частині шару покриття з РМА.
Вплив добавки CCBit113AD на показник зчеплення модифікованого бітуму з поверхнею різних мінеральних матеріалів виконували експериментально за двома методами. Перший полягає в обробці митих та висушених зерен щебеню фракції 8-11 мм або 5-8 мм досліджуваним бітумом та наступним випробуванням у трьох колбах із дистильованою водою, що крутяться впродовж 6 і 24 годин або на вибір 36 і 72 годин. Другий метод (Бразильський) полягає в підготовці зразків аналогічно першому та витримуванні їх у трьох контейнерах у дистильованій воді при температурі +80°C впродовж 6 і 24 годин або на вибір 36 і 72 годин. Після цього візуально оцінюється у відсотках площа поверхні зерен щебеню, що залишилася вкритою бітумом. Оцінку здійснюють два техніки-лаборанти окремо і порівнюють з еталонними зразками (рис. 9) згідно із SN 671 960.
Рис. 9. Еталонні зразки для візуальної оцінки залишку бітуму на поверхні зерен після випробування
Результати експериментальних випробувань показників зчеплення бітуму 50/70 та того ж бітуму, модифікованого 3%-ми CCBit113AD, із поверхнею зерен щебеню різного походження наведені на рис. 10 і 11.
а б
Рис. 10. Залежність показника зчеплення бітуму 50/70 (а) та бітуму 50/70 + 3% CCBit113AD (б) із поверхнею зерен базальту, граніту, кварцового порфіру і кварциту від тривалості витримування зразків в дистильованій воді при +80°C
а б
Рис. 11. Залежність показника зчеплення бітуму 50/70 (а) та бітуму 50/70 + 3 % CCBit 113AD (б) із поверхнею зерен базальту, граніту, кварцового порфіру і кварциту від тривалості обертання колб зі зразками в дистильованій воді. Червона пунктирна лінія - нормоване дорожніми адміністраціями значення показника зчеплення бітуму з кам’яним матеріалом (60% поверхні повинно залишатися покритою бітумом після випробування протягом 24 годин)
Результати проведених досліджень свідчать про суттєве зростання показника зчеплення бітуму. Приклади поганого опору плівок немодифікованого бітуму відшаровуючій дії води наведені на рис. 12.
Рис. 12. Недостатнє зчеплення бітуму 50/70 з поверхнею зерен щебеню
Порівняно з литими асфальтобетонами на основі традиційних бітумів, використання бітумів, модифікованих CCBit113AD, дозволяє знизити температуру приготування РМА, що зменшує енергоємність технології та викиди в атмосферне повітря. Окрім того, збільшується теплостійкість покриття при його високій водонепроникності. При цьому забезпечується висока міцність зчеплення між собою зерен скелету у верхній частині шару, особливо при використанні таких кам’яних матеріалів як граніт, кварцит, кварцовий порфір та ін. Вміст модифікованого бітуму в складі РМА складає близько 7%. Завдяки його використанню забезпечується можливість транспортування та укладання литих сумішей при температурах +165-185°С. Влаштоване таким чином покриття характеризується достатньою міцністю міжшарового зчеплення та необхідним розподіленням пор по товщині шару. Також забезпечується низький рівень шумового тиску на довкілля при русі транспортних засобів.
а б
Рис. 13. Влаштування шару покриття з PMA 5 на автомобільній дорозі BAB A 24 (а) та загальний вигляд керну з покриття автомобільної дороги BAB 44 (б)
Результати експериментальних досліджень показують (рис. 14), що глибина вдавлювання плаского штампу в зразки з РМА на основі модифікованого бітуму при статичному навантаженні не перевищує 1,5 мм та задовольняє вимоги німецьких норм.
Тривалість прикладання навантаження, хвилин
Рис. 14. Залежність глибини проникнення плоского штампу в РМА від тривалості прикладання статичного навантаження згідно з DIN 1996
Відкрита пористість верхньої частини шару покриття з РМА забезпечує необхідну шорсткість та низький рівень шумового навантаження на довкілля при русі транспортних засобів. Коли покриття здається в експлуатацію, показник початкової шорсткості, що визначається за допомогою SRT-маятника, знаходиться вище нормованого. Експериментальні дослідження рівня шумового навантаження на довкілля при русі транспорту по покриттю з РМА 5 за методом CPX-Messung (вимірювання виконувались у період, коли плівка бітуму ще була присутня на поверхні) свідчать про те, що при швидкості руху 80 км/год середнє значення цього показника становить 93,8 дБ(А), а при 100 км/год - 97,3 дБ(А).
Висновки
Шар покриття дорожнього одягу, влаштований із литого асфальтобетону з відкритою пористістю поверхні (РМА), має властивості двошарової конструкції. Нижній його частині властива якість щільного литого асфальтобетону, а поверхні такого покриття - відкрита пористість, що забезпечує зниження рівня шумового навантаження на довкілля та утворення й розсіювання водяного туману при русі транспортних засобів під час дощу.
Для приготування РМА передбачається застосування бітумів, модифікованих низькомолекулярним модифікатором CCBit 113AD, що створює умови для зниження температури приготування та укладання суміші в покриття. Ця добавка забезпечує ефект часткової конденсації модифікованого бітуму в нижню частину шару покриття і завдяки цьому підвищення її щільності. У бітумів із добавкою CCBit 113AD більші показники зчеплення з поверхнею мінеральних матеріалів та міцності зчеплення безпосередньо між мінеральними зернами у верхній частині шару покриття.
Покриття дорожніх одягів із РМА можуть влаштовуватись різної товщини, традиційно від 2 до 4 см як на автомагістралях, так і на міських дорогах.
Вказана технологія може бути реалізована з гарантією якості кінцевого продукту при обов’язковому дотриманні вимог контролю якістю властивостей кам’яних матеріалів і бітуму, а також технологічних режимів приготування модифікованого бітуму і РМА, умов укладання і ущільнення суміші в покритті.
И все это для того, что бы уменьшить шумовое воздействие на окружающую среду (!)