АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ

Л.А. Горелышева

ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ СМЕСИ
В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Обзорная информация

3-2000

В данном выпуске обзорной информации дан анализ всех применяемых в дорожном строительстве горячих и холодных органоминеральных смесей за исключением классического асфальтобетона, приведены принципы проектирования их составов, основные характеристики, методы получения и особенности использования и формирования структуры материалов, а также сравнительный анализ смесей, применяемых в России и за рубежом.

Обзор подготовила
канд. техн. наук Л.А. Горелышева
(ГП Росдорнии)

Выпуск 3

Москва 2000

Выходит с 1971 г.                                                                                        5 выпусков в год

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

Асфальтобетонные покрытия являются преобладающим типом для капитальных дорожных покрытий. В большинстве развитых стран протяженность дорог с таким типом покрытия составляет 90-95% от общей протяженности дорог.

Наряду со стандартными асфальтобетонными смесями применяются различные другие составы - дренирующий асфальтобетон, асфальтобетон без минерального порошка, щебень, обработанный органическим вяжущим, называемый черным щебнем. В последнее время все шире используются битумные композиции: такие, как битумные эмульсии, комплексные вяжущие (битумополимерные, битумокаучуковые, с серой или резиной, с добавкой природных битумов и т.д.).

Для некоторых видов смесей могут применяться альтернативные виды органических вяжущих - смолы, гудроны, тяжелые нефти и т.д. В этих случаях правильнее называть весь этот класс смесей на органических вяжущих - органоминеральными. Тогда смеси на основе битумов, но с применением нестандартных материалов, представляют собой класс битумоминеральных материалов, а асфальтобетон - это один из видов этого класса и относится к типу органоминеральных смесей.

Дорожные одежды из органоминеральных материалов имеют ряд технологических и эксплуатационных преимуществ. Это - ровность, возможность обеспечения требуемой шероховатости поверхности, короткие сроки проведения ремонтных и восстановительных работ, высокая эксплуатационная надежность, возможность использования местных материалов и технологичность.

Органоминеральные смеси (ОМС) достаточно широко распространены в дорожном строительстве не только в России, но и за рубежом. Однако до сих пор этот тип смесей не классифицирован, некоторые смеси не имеют точных определений или переводов на русский язык. Обилие видов материалов, применяемых в дорожном строительстве, требует анализа, проведения терминологических определений идентичности названий материалов в русском и зарубежном дорожном производстве.

Сведения о свойствах и требованиях к различным видам органоминеральных смесей до сих пор не систематизированы и приводятся в многочисленных разрозненных источниках и нормативных документах.

2. СОВРЕМЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

2.1. ВИДЫ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Органоминеральной смесью называется смесь минеральных материалов подобранного состава с органическими вяжущими (битумом, гудроном, тяжелыми нефтями, смолами и т.п.). Этот большой класс смесей подразделяется на:

• асфальтобетонные;

• органоминеральные.

Каждый из этих видов смесей в свою очередь делится на горячие, приготавливаемые и применяемые в горячем состоянии при температуре 100°С и более, и холодные - приготавливаемые и применяемые при температуре менее 100°С.

Горячие смеси готовят, как правило, на основе вязких органических вяжущих, формирование которых происходит при высоких температурах, а холодные - применяют обычно при температуре воздуха.

Асфальтобетонные смеси должны приготавливаться на высококачественных материалах на основе битумных вяжущих или их композициях и не должны содержать в своем составе воду.

Органоминеральные смеси можно разделить на два вида:

• содержащие в своем составе воду;

• не содержащие воду.

Смеси, не содержащие воду, обычно готовятся на жидких или разжиженных органических вяжущих.

Органоминеральные смеси чаще всего получают названия по типу применяемого вяжущего или преобладающего минерального материала - битумоминеральные (БММ), эмульсионно-минеральные (ЭМС), влажные органоминеральные (ВОМС), щебеночно-мастичные (ЩМС), черный щебень и т.д. Другая, значительно меньшая часть ОМС, имеет названия, связанные с областью их применения - microsurfacing (ms) - защитные слои или слои износа, материал, полученный методом пропитки и т.п.

В связи со значительным разнообразием ОМС возникает необходимость в их классификации по основным признакам, которыми являются:

• наличие или отсутствие в их составе воды;

• преобладающий тип минерального материала и (или) тип применяемого вяжущего;

• область применения и структура материала (рис. 1).

Рис. 1. Классификация ОМС

2.1.1. ОМС, содержащие в своем составе воду

ОМС, содержащие в своем составе воду, подразделяются на две группы: большую группу эмульсионно-минеральных материалов (ЭМС) и смеси на увлажненных минеральных материалах.

В первой группе вода является необходимой составной частью вяжущего и составляет до 50 % по массе, а во второй группе вода в незначительном количестве применяется для увлажнения минеральных материалов. В этом случае количество воды составляет величину, близкую или незначительно превышающую значение оптимальной влажности используемых минеральных материалов.

Эмульсионно-минеральные смеси (ЭМС) подразделяют обычно по типу эмульсий [1]. Однако этот способ делает классификацию очень громоздкой. Целесообразнее классифицировать их по структуре получаемого материала на литые и связные.

Литые эмульсионно-минеральные смеси представлены ЛЭМС (смеси разработаны в Гипродорнии для условий России [2]) и сларри сил, а связные - плотными эмульсионно-минеральными смесями, черным щебнем и ms.

Получившие в последние годы распространение тонкослойные покрытия устраиваются с целью обеспечения требуемой шероховатости, защиты поверхности покрытия от вредного воздействия климатических и эксплуатационных факторов. Обычно такие слои устраиваются из смесей типа ЭМС: сларри сил (ss), ms, ЛЭМС или из смесей, не содержащих воду в своем составе: битумоминеральных открытых (БМО), щебеночно-мастичного асфальта (ЩМА) и поверхностных обработок различных видов.

ЛЭМС состоит из эмульсионного вяжущего, минерального материала подобранного состава и воды. Количество битума в ЛЭМС обычно содержится в пределах 6-10%, воды около 20%. При подборе минеральной части смеси регламентируется только содержание самых крупных и самых мелких частиц. ЛЭМС могут быть песчаными и щебеночными.

Применяемые за рубежом смеси сларри сил и ms (рис. 2) аналогичны ЛЭМС (рис. 3). Необходимо отметить, что смеси сларри сил были основой, на которой разрабатывались ЛЭМС, a ms появились позднее на основе сларри сил.

Рис. 2. Покрытие ms (фирма Jean Lefebvre)

Рис. 3. Покрытие после трех лет эксплуатации: из ЛЭМС (слева) и асфальтобетона (справа)

В отличие от ЛЭМС в смесях сларри сил и ms подбор гранулометрического состава минеральной части осуществляется по кривым плотных смесей. Сравнение основных характеристик литых ЭМС для гонких слоев износа приведено в табл. 1 [2, 3, 4, 5].

Увлажненные смеси содержат в своем составе воду. Вода в них подается в минеральный материал в небольшом количестве, близком к значению оптимальной влажности используемых материалов.

Эту небольшую группу составляют влажные органоминеральные смеси (ВОМС), смеси, получаемые на основе вспененных битумов, и смеси на разжиженных битумах (Naβ-Sand - влажный песок).

ВОМС представляют собой многокомпонентную систему, состоящую из увлажненных минеральных материалов подобранного гранулометрического состава, активатора или поверхностно-активных веществ и жидкого органического вяжущего.

Для этих смесей лучше всего применять вяжущие неокисленные, а также разжиженные битумы со специальными добавками. Вязкость вяжущего по истечению в стандартном вискозиметре составляет С⁵₆₀ = 40-120 с. Смесь преимущественно песчаная, допускается содержание щебня или гравия в количестве не более 40%. При подборе гранулометрического состава минеральной части ВОМС регламентируется содержание частиц размером 5-40 мм и мельче 0,071 мм.

В Финляндии более 30 лет применяется материал, похожий на ВОМС - нефтегравий, - который допускает содержание щебня размером частиц 10-20 мм до 60% при условии соответствия гранулометрического состава кривым плотных смесей. В этих смесях необходимо применять органическое вяжущее очень малой вязкости, но имеющее хорошие адгезионные показатели, что достигается использованием специальных добавок.

Таблица 1

Соотношение щебня размером частиц 10-20 мм и 0-10 мм рекомендуется около 1:1,5, количество щебня мельче 0,071 мм необходимо ограничивать 7%. Вязкость вяжущего составляет С⁵₆₀ = 15-20 с. Влажность минерального материала обычно не превышает 2-3%.

Технология приготовления нефтегравия близка к технологии получения смесей на вспененных битумах, но более упрощенная. Предельные кривые для минеральной части близки к предельным кривым плотных гравийных ЭМС. В то же время более 70% минерального материала для нефтегравия должно быть дробленым. Все это позволяет классифицировать этот материал, как промежуточный между плотными гравийными ЭМС, смесями на вспененном битуме и ВОМС[6].

Материал, аналогичный нефтегравию, но приготовленный на материалах Ленинградской области и Карелии, был назван авторами разработки РОС (рыхлосвязанная органоминеральная смесь). Поскольку этот материал практически не отличается от нефтегравия, то отдельно он в данной работе не рассматривается.

В 70-х годах в Германии были разработаны смеси типа Naβ-Sand [7], которые явились прототипом ВОМС. По ряду причин в настоящее время они утратили свое значение. Naβ-Sand представляет собой смесь влажного не нагретого песка с активатором и нагретого разжиженного вязкого битума с адгезионной добавкой. В процессе приготовления смеси битум, нагретый до рабочей температуры около 100°С, подается на увлажненный холодный материал (температура окружающей среды). Таким образом, смесь Naβ-Sand можно рассматривать и как вариант смеси на вспененном битуме. Эта смесь готовится с использованием песка с максимальным размером зерен 2 мм не более 70% и зерен мельче 0,063 мм не более 7%. Количество вяжущего определяется соотношением количества зерен мельче 0,063 мм и битумом как 1:1, обычно количество вяжущего в смеси не превышает 7%, глубина проникания иглы применяемого вяжущего до разжижения рекомендуется в пределах 60-150 дмм (1 дмм = 10^-1 мм). Сравнительные характеристики влажных смесей приведены в табл. 2 [6, 8, 9, 10].

Смесь, приготовленная на вспененном битуме (ВБ), - это материал, содержащий обычные для горячих асфальтобетонов минеральные материалы (щебень, песок, минеральный порошок) и битум в диспергированном состоянии.

Таблица 2

Диспергирование битума осуществляется чаще всего способом, основанным на подаче через специальные устройства горячего битума при температуре 130-170°С совместно с водяным паром или водой [11, 12] на предварительно увлажненные минеральные материалы [13]. При подаче водяного пара получают, главным образом, горячую смесь, воды - холодную.

Минеральную часть смеси проектируют по кривым плотных смесей. При диспергировании битума на предварительно увлажненные материалы в минеральную смесь необходимо вводить активаторы - минеральные порошки с высоким содержанием свободной окиси кальция.

Количество частиц мельче 0,071 мм ограничивается 7-14 %, воды 7-14%, битума - 4-7%.

2.1.2. Смеси, не содержащие воду

Этот класс смесей не содержит воду в своем составе, готовится в основном на жидких органических вяжущих и применяется для усиления дорожных одежд и улучшения фрикционных свойств поверхности покрытия и исправления профиля дороги.

Эти материалы можно разделить на две основные группы: материалы битумоминеральные и материалы, полученные способом поверхностной обработки.

Возросшее значение профилактических мероприятий на автомобильных дорогах с высокой интенсивностью и скоростью движения привело за рубежом к разработке смесей битумоминеральных и асфальтобетонных на основе чистого битума или смол, укладываемых тонкими слоями толщиной 40 мм и сверхтонкими слоями толщиной 20-25 мм.

Содержание вяжущего с глубиной проникания иглы 60-200 дмм в тонких слоях может варьироваться в широких пределах от 3 до 12%. Считается целесообразным применять прерывистый гранулометрический состав минеральной части [14].

Сверхтонкие слои представляют собой промежуточное звено между тонкими слоями БММ и поверхностной обработкой, но требуют очень высокой культуры производства.

Общей тенденцией в мире является все более широкое распространение специальных битумных композиций. Материалом такого типа является щебеночно-мастичный асфальт (ЩМА).

Другим распространенным способом повышения долговечности покрытий и, в первую очередь, их трещиностойкости является армирование битумоминерального материала путем введения в его состав волокнистых минеральных добавок.

К битумоминеральным материалам относят также черный щебень и материалы, полученные методами пропитки и поверхностной обработки.

Обычно битумоминеральные смеси мало отличаются от асфальтобетонных по содержанию щебня и минерального порошка и также должны укладываться в предельные кривые плотных смесей [15].

Черный щебень не имеет в своем составе мелких фракций: щебень предварительно обрабатывают органическими вяжущими (в том числе и битумными эмульсиями). Слой покрытия из черного щебня имеет каркасную пористую структуру.

Метод пропитки заключается в послойной укладке щебня слоем расчетной толщины и розливе органического вяжущего, которое проникает в поры щебеночного слоя. Таким образом получается пористый каркасный материал, похожий на слой покрытия из черного щебня.

В НПО Росдорнии были разработаны битумоминеральные открытые смеси (БМО). Это смеси, которые содержат 55-85% по массе щебня и образуют материал с очень высокой пористостью. Они предназначены для повышения фрикционных свойств покрытия и могут устраиваться двух типов - как поверхностная обработка или тонкослойное макрошероховатое покрытие [16].

Для защиты от разрушающего воздействия климатических и эксплуатационных факторов на поверхности дорожного покрытия часто укладывается защитный слой, являющийся одновременно и слоем износа. Он может быть устроен методом поверхностной обработки - одиночной или многослойной. Тогда ее можно рассматривать как тонкослойное покрытие.

2.1.3.Цветные органоминеральные смеси

Цветные органоминеральные смеси приобретают за рубежом все большее распространение. На IV Международном конгрессе ISSA было уделено достаточно много внимания проблемам, связанным с этими материалами [5]. Важное значение этим проблемам придается во Франции и Испании, где количество покрытий, уложенных при помощи цветных смесей типа сларри сил, составляет около 1% от всей площади покрытий, устраиваемых методами тонких слоев.

Цветные органоминеральные смеси применяют:

• для улучшения обеспечения безопасности движения и обозначения направлений движения (опасные зоны, места пешеходных переходов и велосипедные дорожки);

• для улучшения эстетического восприятия объектов в местах отдыха, в экологических зонах (национальных парках) и т.п.;

• на дорогах с высокой интенсивностью и скоростью движения и на взлетно-посадочных полосах аэродромов для предотвращения выездов за пределы полосы движения.

Цветные ОМС используют также для разграничения отдельных поверхностей дорожного покрытия - обочин, площадок аварийной остановки, полос направления движения и т.п. Такое визуальное разделение поверхностей по цвету позволяет повысить безопасность движения, разграничить поверхности дороги на главные и второстепенные. Возможность визуально и на значительном расстоянии от объекта оценить положение на дороге помогает водителю вовремя скорректировать свое движение - скорость, направление или осуществить необходимую остановку.

В настоящее время цветом (чаще всего одним из оттенков красного) выделяют опасные зоны дороги - нерегулируемые перекрестки, места возможного неконтролируемого выезда автомобилей или появления пешеходов, особенно около школ, островки безопасности (рис. 4). Цветом более спокойным отмечают обочины, места аварийных остановок автомобилей, разделительную линию и т.п.

Рис. 4. Участок с цветным покрытием:

а - общий вид; в - текстура поверхности

В местах с ограниченной видимостью или с недостаточным освещением применяют более светлые цвета для обозначения направления движения или всей проезжей части. В небольших поселках, которые пересекает автомобильная дорога, также следует изменить цвет покрытия для привлечения внимания водителя на возможное появление на дороге пешеходов, животных и т.д.

На взлетно-посадочных полосах аэродромов во Франции и Испании рекомендуется края выполнять из цветных ОМС предупреждающих цветов [17].

Традиционными материалами, применяемыми для устройства дорожных покрытий, обычно трудно обеспечить необходимую насыщенность и чистоту цвета из-за интенсивно темного (черного или коричневого) цвета вяжущего. Во Франции и Испании для этих целей рекомендуется использовать битумы прямой перегонки, полученные без применения мероприятий, обеспечивающих увеличение в их составе количества асфальтенов. Наиболее приемлемым считается битум с пониженным их количеством.

Однако в местах, где цветные ОМС укладываются в эстетических целях или просто для визуального отделения отдельных поверхностей покрытия - обочин, мест стоянок и т.п., - обычно требования к яркости и насыщенности цвета снижены по сравнению с местами, где цвет должен предупреждать о наличии опасных участков. На этих участках возможно устройство цветных ОМС на традиционных вяжущих с добавлением пигментов и цветного щебня.

В России цветные ОМС еще не нашли своего места в ряду дорожных материалов. Опытные участки на основе пастовых ЛЭМС с цветным покрытием были построены в нескольких областях России - для обозначения разметки - на белом минеральном материале и традиционном вяжущем - и в местах отдыха - для эстетических целей с красным и белым пигментом в качестве эмульгатора. Участки хорошо выделялись на фоне поверхности дорожного покрытия, были различимы при свете фар (разметка) и прослужили около двух лет.

За рубежом - во Франции и Испании - возрастающая потребность повышения безопасности движения привела к разработке специальных составов вяжущего на основе светлых смол и синтетического вяжущего с добавлением пигментов и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако высокая стоимость таких вяжущих очень ограничивала развитие рынка цветных ОМС. Производство качественных эмульсий на основе этих вяжущих позволило использовать методы и технологию сларри сил для получения цветных поверхностей, что способствовало значительному снижению стоимости цветных смесей, повышению производительности работ по устройству слоев. Расширению области применения цветных смесей способствовало также и решение многих технологических вопросов, например, создание и совершенствование мобильных установок для приготовления и укладки литых смесей типа сларри сил и ms (рис. 5).

Рис. 5. Укладка цветной смеси сларри сил при помощи мобильной передвижной установки

Тенденция развития рынка цветных ОМС - это использование эмульсионных вяжущих на основе светлых смол и синтетических вяжущих с применением традиционного оборудования для укладки сларри сил и обеспечение высоких характеристик поверхности покрытия - износостойкости, шероховатости и долговечности.

Эмульсии для цветных ОМС могут быть как катионными, так и анионными. Во Франции исследовательским центром Centre de Recherche de Gonfreville L'Orcher разработана палитра цветных ОМС из восьми цветов на основе анионных эмульсий [17]. В Испании основу ОМС чаще всего составляют эмульсии на светлом синтетическом вяжущем, эмульгаторами для которого являются сами применяемые пигменты. В этом случае приходится идти на некоторый перерасход пигментов. Однако такой тип эмульсии позволяет использовать более крупнозернистые минеральные материалы - размером зерен до 14 мм, в то время как смеси на анионных эмульсиях допускают их применение размером зерен не более 5 мм.

Для получения более шероховатых поверхностей для дорог с высокими интенсивностью и скоростью движения в случае использования анионных эмульсий рекомендуется применять метод пропитки цветной эмульсией слоя покрытия из цветного щебня. Исследуется вариант использования катионной эмульсии, но при этом пока возникают проблемы с невысокой погодоустойчивостью смеси. Французский исследовательский центр разработал также на основе пастового варианта литых смесей «гранулят» с консистенцией «сухой мастики», который может транспортироваться в мешках и укладываться без применения средств механизации. Однако этот вид смеси имеет значительный срок высыхания - до 6 ч и невысокие шероховатость и износостойкость, но в местах пешеходных зон он может использоваться.

В Испании применяют цветные ОМС литой консистенции с гранулометрическим составом минеральной части, соответствующим любому типу сларри сил и ms.

Метод получения эмульсии с помощью тонкодисперсных порошкообразных эмульгаторов - пигментов - позволяет получать всю гамму оттенков выбранного цвета путем введения в смесь в качестве минерального порошка дополнительного количества пигмента. Причем в этом случае можно плавно изменять его яркость и насыщенность на одном участке в зависимости от удаленности от опасного места (например, перекресток или школа).

Подбор составов цветных смесей осуществляется лабораторным путем, а составов цветных смесей на основе ЛЭМС ведется расчетным путем и проверяется в лаборатории [2, 3].

Для улучшения физико-механических характеристик смесей, предназначенных для использования на дорогах с интенсивным движением, рекомендуется введение минеральных волокон и ПАВ.

2.1.4. Область применения органоминеральных смесей

Способ обработки материала и тип органоминеральной смеси для того или иного слоя следует выбирать с учетом категории дороги и конструкции дорожной одежды в целом, климатических характеристик, наличия минеральных материалов и средств механизации, сроков проведения строительства и назначения слоя.

Известно, что при выборе толщины и типа дорожной одежды или защитных слоев учитываются кроме климатических факторов и местные погодные условия на момент строительства или ремонта дорожного покрытия.

Например, в условиях теплой, но с большим количеством осадков, погоды, когда минеральные материалы содержат значительный процент влаги, необходимо применять материалы быстро формирующиеся, т.е. быстрораспадающиеся эмульсии, смеси на вязких битумах (горячие) или влажные смеси типа ВОМС. Однако во всех случаях следует выбирать погодные условия, когда смесь успеет сформироваться.

При устройстве поверхностной обработки необходимо, чтобы поверхность обрабатываемой дороги и применяемый материал были сухими и чистыми, а температура воздуха была бы достаточно высокой для того, чтобы органическое вяжущее не остывало слишком быстро, если используются вязкие битумы или битумные эмульсии.

Практика показывает, что поверхностные обработки, выполненные при температуре воздуха ниже 10-15°С, плохо приживаются и щебень быстро вылетает. Особенно низкое качество обработки получается, если ее делать в осенний период, когда температура воздуха имеет тенденцию к понижению. Это мешает формированию поверхностной обработки.

Процесс производства работ по устройству поверхностной обработки требует сравнительно немного времени, поэтому в районах с неустойчивой погодой необходимо предусматривать применение поверхностно-активных веществ, улучшающих адгезию битума к влажной поверхности минеральных материалов, и соблюдение четкого графика организации работ.

Устройство конструктивных слоев дорожной одежды способом пропитки также следует проводить при достаточно устойчивой теплой погоде. Необходимо учитывать, что не все холодные смеси можно укладывать при низкой температуре воздуха и высокой влажности основания. Но материалы типа ВОМС в этих условиях неплохо себя зарекомендовали; Материалы, приготовленные на вспененном битуме, еще мало применяются в дорожных хозяйствах России, но имеющийся опыт устройства таких слоев позволяет рекомендовать их наряду с ВОМС.

При малых объемах работ устанавливать стационарные смесители нецелесообразно, лучше применять мобильное оборудование для приготовления и укладки смеси. Кроме того, этот способ работ позволяет избежать снижения качества некоторых материалов при транспортировании (например, эмульсионно-минеральные материалы могут расслаиваться) и составить план организации работ таким образом, чтобы использовать промежутки времени с оптимальными для устройства дорожной одежды погодными условиями, когда в целом погода в районе работ неустойчива.

Наличие местных материалов часто является решающим при выборе типа ОМС и способа ее получения. Необходимо учитывать сезон строительства, температуру воздуха при укладке и уплотнении, влажность воздуха и, даже скорость ветра, особенно для смесей, требующих для своего формирования благоприятных условий для испарения воды (например, для ЛЭМС).

Многие холодные смеси можно заготавливать впрок и хранить в штабеле, что позволяет продлить строительный сезон. Причем срок хранения холодных смесей допускается от трех месяцев до года с момента их приготовления и зависит от вида смеси.

Рекомендуемые области применения ряда органоминеральных смесей приведены в табл. 3.

Часто выбор типа покрытия или защитного слоя зависит от сроков проведения работ. Если требуется уложиться в короткие сроки, особенно во второй половине строительного сезона, следует выбирать материалы, не требующие длительного времени для своего формирования. При этом выбор материала будет зависеть и от наличия необходимого для приготовления и укладки материала оборудования.

Таблица 3

2.2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМ СМЕСЯМ

2.2.1. Основные требования к материалам для тонких и сверхтонких слоев

Набор требований к органоминеральным смесям зависит от назначения и условий применения материалов. К материалам, предназначенным для тонких и сверхтонких защитных слоев, наряду с общепринятыми, предъявляются требования по шероховатости, износостойкости и повышенные требования к их водостойкости.

Для тонких и сверхтонких слоев используют следующие материалы: сларри сил, ms, ЛЭМС, в том числе и щебеночный его вариант ЛЭМСщ, щебеночно-мастичный асфальт (ЩМА), горячие асфальтобетоны, холодные битумоминеральные смеси, открытые битумоминеральные смеси (БМО) и др.

Тонкие слои устраиваются обычно толщиной 20-40 мм, сверхтонкие - 15-25 мм. Это и определяет основные требования к выбору компонентов для таких материалов.

Покрытия, устраиваемые по способу поверхностной обработки, относятся к тонкослойным, поэтому размеры применяемого щебня не должны превышать 30 мм. При этом следует учитывать, что, чем больше размер и прочность щебня, температура воздуха в период производства работ, тем выше должна быть вязкость вяжущего, используемого для разлива. Наряду с битумом можно применять и быстрораспадающиеся битумные эмульсии, что позволит использовать увлажненные материалы. Щебеночный материал может быть предварительно обработан органическим вяжущим по типу черного щебня.

Для поверхностных обработок и сверхтонких слоев большое значение имеет качество применяемого материала - каменных материалов и вяжущего с высокими показателями адгезии и когезии. Такие свойства вяжущего обеспечиваются путем применения модифицированных битумов, катионных эмульсий, а также активаторов поверхности минеральных материалов и ПАВ, улучшающих сцепление вяжущего с минеральным материалом.

Кроме того, важную роль играет назначение слоя. Так, слой, обеспечивающий повышенные фрикционные свойства поверхности покрытия, независимо от своей толщины, должен устраиваться из минеральных материалов, характеризующихся высокими прочностью и сопротивляемостью к шлифуемости, органическое вяжущее должно иметь достаточно большую вязкость и адгезионные свойства.

Для материалов, применяемых в качестве защитных слоев, основным требованием является их подвижность или текучесть (особенно для закупорочных слоев), благодаря чему повышается способность материала проникать в мелкие трещины, поры покрытия, противостоять действию воды, а также сопротивляться воздействию повышенных температур. В таких материалах основную нагрузку несет органическое вяжущее в сочетании с минеральным порошком.

При выборе материала слоя следует учитывать также характер движения на дороге. Так, для высокоскоростных дорог необходимо предусматривать материалы с высокими фрикционными свойствами и сопротивляемостью сдвигу. Для дорог с интенсивным движением, но не высокоскоростных, необходимы материалы наиболее технологичные при устройстве слоя и с возможно меньшим сроком формирования. Наиболее рациональны в этих случаях некоторые виды эмульсионно-минеральных материалов и влажных смесей. В этом случае предъявляются требования к удобоукладываемости смеси, ее подвижности и скорости распада.

2.2.2. Основные требования к материалам для конструктивных слоев дорожных одежд

Толщина слоя из материалов этого типа обычно составляет 30-80 мм. Для них основные требования - водостойкость и прочностные показатели.

Для таких конструктивных слоев могут быть рекомендованы следующие типы органоминеральных смесей: ВОМС, нефтегравий, смеси на вспененном битуме, черный щебень, плотные эмульсионно-минеральные смеси и пропитка органическим вяжущим.

Следует отметить, что весьма эффективно применение конструктивных слоев из приведенных выше материалов в сочетании с тонкими и сверхтонкими слоями.

2.2.3. Сравнительный анализ органоминеральных смесей

В большинстве стран нормируются только показатели свойств исходных материалов, а не готовых смесей. Иногда предъявляются требования к одному-двум наиболее важным показателям. Например, в Финляндии для нефтегравия имеются только рекомендованные показатели качества материала, приготовленного в лабораторных условиях, но предъявляются жесткие требования к исходным материалам [6].

В России требования к готовому материалу многочисленны, но к исходным материалам предъявляются менее жесткие требования. Однако есть и исключения: например, к черному щебню или материалам, получаемым путем пропитки или поверхностной обработки, требований не предъявляется. Предъявляются требования только к исходным материалам. Правда, эти требования часто имеют множество исключений и дополнений, позволяющих использовать местные материалы или существующую технологическую схему получения и применения.

За рубежом требования, предъявляемые к исходным материалам, более жесткие. Гранулометрический состав минеральной части смеси практически во всех случаях регламентируется предельными кривыми для соответствующего материала.

В качестве исходных каменных материалов должны быть использованы прочные горные породы, а в случае применения гравия количество полностью дробленых его зерен должно быть не менее 70% в каждый узкой фракции (требования к материалу для нефтегравия [6]).

Наиболее жесткие требования предъявляются к исходным материалам для смесей, используемых для сверхтонких слоев microsur-facing. В этом случае количество дробленых зерен должно составлять 100%, гравий, даже дробленый, исключается полностью, а прочность исходной горной породы не может быть меньше 120 МПа. Такие же жесткие требования и в отношении вяжущего для этих материалов: применимы только катионные битумные эмульсии на основе модифицированного битума или модифицированный вязкий нефтяной битум с глубиной проникания иглы 60-220 дмм, желательно содержащий специальные ПАВ. Часто в материалы для сверхтонких слоев рекомендуют добавлять и волокнистые наполнители.

Для остальных смесей - нефтегравия, сларри сил и др. - применяют различные по вязкости органические вяжущие, не обязательно битум. Это определяет необходимость использования активаторов поверхности минерального материала, ПАВ или специальных технологических приемов, например, получение эмульсий при помощи ультразвуковых или электромагнитных излучений.

Следует отметить, что для смесей БМО для устройства макрошероховатых слоев дорожных одежд требования к исходным материалам - щебню и битуму - следовало бы установить на уровне, предъявляемом к материалам для сверхтонких слоев. Однако, учитывая ассортимент каменных материалов в дорожных организациях России, разработчики нормативных документов снижают требования к исходным материалам, тем самым снижая качество получаемого шероховатого слоя, сравнимого с зарубежными сверхтонкими слоями.

Обычно основным требованием к большинству дорожных смесей служит предел прочности при сжатии при нескольких (двух или трех) температурах. Нормируемые показатели водонасыщения, набухания, водостойкости позволяют более полно характеризовать свойства смесей. Для некоторых из них регламентируется прочность при испытании образца по образующей. Однако методика испытаний обычно для разных смесей неодинакова, что затрудняет их сравнение между собой. Смеси, для которых предъявляется такой набор требований, применяются, в основном, для устройства конструктивных слоев толщиной более 30 мм.

Для защитных слоев и слоев, устраиваемых для повышения фрикционных свойств покрытия, более важными являются такие их свойства, как водостойкость, износостойкость, шероховатость, поэтому к ним предъявляют несколько иной набор требований.

В табл. 4 и 5 даны два типичных набора требований к рассмотренным двум вариантам смесей.

Требования к эмульсионно-минеральным смесям по ВСН 123-65 приведены в табл. 4 как пример нормирования свойств смеси в зависимости от вида эмульсии, так как ни в одном другом действующем документе таких требований не содержится. Впоследствии в ВСН 123-77 были оставлены требования к исходным материалам в рамках действующих нормативов, а требования к готовому продукту исключены.

Ниже более подробно рассмотрены требования к некоторым материалам.

В России были разработаны и применялись в дорожном строительстве материалы, аналогичные зарубежным, часто служившие прототипами для отечественных разработок, хорошо адаптированные к широкому спектру исходных материалов и условиям эксплуатации автомобильных дорог в нашей стране. При этом качество получаемых дорожных покрытий часто было даже выше зарубежных аналогов. Сравнительные характеристики некоторых органоминеральных смесей приведены в табл. 1 и 2.

Прежде всего рассмотрим класс материалов, применяемых для устройства защитных слоев и слоев износа. Из зарубежных материалов это сларри сил, его вариант с применением щебня - смесь microsurfacing и сверхтонкие слои на вязком битуме. Из ассортимента российских материалов - это битумные шламы или литые эмульсионно-минеральные смеси (ЛЭМС) и их щебеночный вариант ЛЭМСщ и битумоминеральные открытые (БМО).

Анализ этих материалов показывает, что сларри сил и ЛЭМС, имея одинаковую область применения, несколько отличаются по составу и методам проектирования состава смеси. То же самое можно отметить и для пар ЛЭМСщ и ms и сверхтонких слоев и БМО.

Основное отличие ЛЭМС от сларри сил - это применение в качестве вяжущего наряду с обычными эмульсиями на жидких эмульгаторах (анионных и катионных) эмульсий на твердых эмульгаторах (пастах) и обратных эмульсий, что значительно расширяет возможности применения пленкообразующих слоев для защиты дорожного покрытия от неблагоприятных климатических и эксплуатационных воздействий, а также позволяет включить широкий спектр местных материалов в ассортимент применяемых для содержания и ремонта дорог.

При этом для ЛЭМС разработаны нормативные требования к готовой смеси в отличие от сларри сил, для которой нормируются главным образом, свойства исходных материалов. Это позволяет при проектировании состава смеси подбирать исходные материалы таким образом, чтобы получить необходимые для каждого конкретного участка дороги параметры ЛЭМС.

Как ЛЭМС, так и сларри сил, - это смеси литой консистенции, поэтому они легко наносятся на покрытие тонким равномерным слоем, позволяют использовать влажный минеральный материал и создать пленку, изолирующую покрытие от проникания влаги, одновременно подпитывая и обновляя старое дорожное покрытие. К тому же сравнительно низкая стоимость таких слоев позволяет, в случае необходимости, применять их для «приклеивания» поверхностной обработки, снижения шума, получать цветные покрытия, применяя ЛЭМС на основе твердых эмульгаторов, в качестве которых используются цветные пигменты.

Нет листов

Таблица 5

Основным недостатком как ЛЭМС, так и сларри сил, является то, что ими нельзя исправить дефекты поверхности покрытия, они быстро истираются, так как толщина пленки защитного слоя обычно не превышает 6 мм. Кроме того, шероховатость этих слоев недостаточна для дорог с высокой интенсивностью и скоростью движения, так как основным компонентом минеральной смеси является песок.

Необходимо отметить также довольно длительный срок формирования слоя (3-6 ч) и сильную зависимость в связи с этим от погодных условий.

ЛЭМСщ и ms - производные от рассмотренных выше материалов - ЛЭМС и сларри сил соответственно. Однако включение в состав этих смесей щебня существенно меняет параметры и возможности их применения. Так как шероховатость таких смесей значительно выше, то слои из них хорошо зарекомендовали себя на дорогах с высокой интенсивностью и скоростью движения. Величина шероховатости смеси ms настолько важный показатель, что во Франции он был даже занормирован (рис. 6).

Рис. 6. Коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием из смеси ms (метод L.P.C.):

1 - предельные кривые по национальному стандарту Франции; 2, 3, 4, 5 - размер щебня соответственно 9/10; 0/8; 0/6; 0/1

Наличие в составе смеси щебня увеличивает толщину укладываемых слоев до 10-15 мм, что дает возможность использовать этот слой и для исправления мелких дефектов поверхности покрытия.

Основным недостатком смеси ms является наличие чрезвычайно жестких требований к исходным материалам, а недостатком смеси ЛЭМСщ - сложность в уплотнении.

Сравнительная характеристика сверхтонких слоев на основе вязкого битума и БМО будет приведена в подразделе 2.3.

Второй класс рассматриваемых материалов - это ВОМС и их финский аналог - нефтегравий (НГ).

Основное отличие этих материалов - вязкость применяемого вяжущего С⁵₆₀ =40-120 с для ВОМС и 15-20 с для НГ. Кроме того, ВОМС - песчаный материал, а нефтегравий содержит до 60% щебеночных фракций. Решающую роль для возможности получения нефтегравия на таком маловязком вяжущем играет специальная адгезионная добавка в вяжущее, что подтвердили работы Дорожного комитета Ленинградской области по устройству покрытий из материала типа финского «нефтегравия», но с использованием местных российских материалов - минеральных и органических. Этот материал был назван разработчиками РОС - рыхлое вязанные органоминеральные смеси [6].

Разработанные составы ВОМС позволили приготавливать смеси на маловязком вяжущем и местных минеральных материалах, не прибегая к использованию специфических добавок, хотя наличие активаторов и ПАВ является обязательным условием получения смесей высокого качества.

Обе смеси применяются как конструктивные слои толщиной 32-40 мм в уплотненном состоянии. ВОМС в отличие от нефтегравия можно укладывать и более тонкими слоями для устройства выравнивающих или специальных промежуточных слоев.

Нефтегравий рекомендуется для дорог с малой интенсивностью движения до 1000 авт./сут., а ВОМС, при соответственно подобранном составе, может применяться и на дорогах с интенсивностью до 3000 авт./сут.. Причем увеличение доли грузовых и большегрузных автомобилей до 50% и более является одним из условий применения пористой ВОМС.

ВОМС эффективно укладывать и уплотнять до температуры -10°С, а нефтегравий - до +5°С.

Количество щебня размером зерен 5-20 мм в нефтегравий может доходить до 60%, но лучшие показатели при тех же размерах достигаются при его содержании 40-50%, особенно на российских материалах (смесь типа РОС). Для ВОМС количество щебня размером зерен 5-20 мм и 20-40 мм ограничивается 40 и 20% соответственно, максимальное его количество размером зерен 5-40 мм при этом не должно превышать 50%. Содержание мелких фракций в ВОМС не ограничивается, как в нефтегравий, но оговаривается необходимость экономической оценки применения минеральной части с большим 30 количеством частиц мельче 0,71 мм, так как это влечет соответственное увеличение содержания органического вяжущего и активаторов.

2.3. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА РУБЕЖОМ И НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

Анализ использования некоторых видов органоминеральных смесей дан по материалам, представленным на IV Международном конгрессе ISSA, прошедшем в 1997 г. в г. Париже [5].

Отмечено, что в большинстве стран уменьшается финансирование дорожной отрасли. Отсюда появляется задача - с ограниченными ресурсами наиболее эффективно содержать сеть автомобильных дорог. Во многих странах со сложившейся сетью дорог, где достаточно хорошо развиты производство битумных эмульсий и технология их применения, приходят к выводу, что наиболее приемлемое выполнение этой задачи - применение спектра материалов, позволяющих устраивать тонкие и сверхтонкие слои. Такие слои обеспечивают обновление покрытий, улучшение свойств их поверхности и позволяют продлить срок службы покрытий без проведения дорогостоящего капитального ремонта.

Однако использование таких слоев требует обеспечения технологических процессов на очень высоком уровне, хорошо налаженного контроля за качеством материалов и производством работ и высокой культуры производства.

Развитие рынка материалов для таких слоев прежде всего обусловлено необходимостью поддерживать достаточно развитую сеть дорог в хорошем состоянии. В странах, где сеть дорог еще не сложилась, например в Китае, и где она только еще создается, содержанию дорог уделяется мало внимания и вопрос развития рынка материалов для этого вида работ неактуален. В скандинавских странах технологии на основе эмульсионных вяжущих не получили достаточного развития из-за оснащения автомобилей шипованными шинами, но горячие тонкие и сверхтонкие слои используются для содержания дорог широко. В Австралии предпочтение отдается также слоям из горячих битумных смесей. В развитых странах Европы и США применяют оба вида материалов, причем смеси на основе эмульсий имеют значительный процент от общего количества смесей для содержания дорог и в некоторых странах этот процент постоянно растет (например, во Франции). Практически во всех странах для слоев на основе эмульсий применяют катионные эмульсии, за исключением Японии и стран Африки, где предпочтение отдается анионным эмульсиям. Тенденция развития производства эмульсий в развитых странах Европы и США связана с использованием модифицированных битумов.

Опытными зарубежными менеджерами были сформулированы следующие требования развития спроса на материалы для устройства тонких и сверхтонких дорожных слоев, особенно на основе эмульсионного вяжущего:

• наличие достаточно развитой сети автомобильных дорог;

• осознание недостатков классической поверхностной обработки;

• наличие потребности в таких материалах, особенно в области содержания дорог;

• возможность осуществлять все технологические процессы и контроль на достаточно высоком уровне;

• наличие мобильного оборудования по приготовлению и укладке таких материалов, тогда устройство поверхностных обработок в классическом исполнении окажется более трудоемким процессом;

• наличие развитого рынка битумных эмульсий высокого качества.

Тенденция развития рынка эмульсионных смесей для тонких слоев в ряде стран Европы и в США - от сларри сил к ms, т.е. к смесям, получение и использование которых требует высокого уровня всех технологических процессов. Наряду с этими странами имеются страны, где рынок эмульсионных смесей имеет тенденцию к снижению (например, Бельгия). В таких странах предпочитают использовать альтернативные эмульсионно-минеральным смесям слои - одиночную поверхностную обработку вместо сларри сил и тонкие и сверхтонкие горячие асфальтобетонные слои вместо ms.

Во Франции четко просматривается тенденция применения на городских дорогах преимущественно поверхностной обработки с россыпью мелкозернистого щебня, а на автострадах - горячих асфальтобетонных смесей. На всех остальных объектах, в том числе на крупных автомагистралях, национальных и местных дорогах, в основном, используют эмульсионные смеси сларии сил и ms. В США на городских дорогах отдается предпочтение смесям сларри сил и ms, причем применение слоев из ms значительно увеличилось за последние два года, а сларри сил сократилось.

В Германии растет количество дорог, где используют разработанный новый вариант смеси для тонких и сверхтонких слоев с повышенной шероховатостью и износостойкостью - щебеночно-мастичный асфальт (ЩМА). Соответственно сокращается применение для этих целей эмульсионных смесей.

В России имеется достаточно большое количество автомобильных дорог, требующих ремонта, возобновления и улучшения свойств поверхности покрытий. Возрастает потребность и в устройстве покрытий на сельских и сезонных дорогах, где устройство дорожных одежд капитального или, даже, переходного типа при современном финансовом положении страны представляется непозволительной роскошью. В 70-е годы для этих целей в Гипродорнии, а затем в Росдорнии были разработаны варианты смесей: для содержания дорог - ЛЭМС, а для покрытий сезонных дорог - ВОМС.

ЛЭМС достаточно широко применялись одно время на дорогах России и стран СНГ. Главным образом нашли использование ластовые ЛЭМС из-за дефицита качественных жидких эмульгаторов и доступности минеральных порошков. Однако отсутствие необходимого оборудования для приготовления и укладки смесей на основе эмульсий, в том числе и пастовых, а также длительный (до 5-6 ч) период формирования слоев из них привело к полному забвению смесей на основе ЛЭМС.

В настоящее время дорожные организации России, осуществляющие содержание дорог, пытаются развивать производство катионных эмульсий. Однако это, в основном, зарубежные технологии, материалы и оборудование, мало адаптированные к условиям российского производства. К тому же экономические трудности не способствуют широкому распространению катионных эмульсий - ведь все оборудование для производства и применения эмульсий и смесей на их основе, а часто и эмульгаторы или ПАВ, приходится закупать за рубежом и затем приспосабливать к российским условиям. Поэтому, несмотря на наметившиеся потребности в применении эмульсионных смесей, конкурентоспособными по отношению к поверхностным обработкам тонкие слои в России не стали.

В области производства материалов для конструктивных слоев прогресс более заметен, хотя экономические факторы часто тормозят его развитие и в этой сфере.

В настоящее время в дорожном строительстве имеется тенденция к росту использования вспененных битумов, щебня, обработанного не только битумом, но и обратными эмульсиями, смесей типа ВОМС. Последние широко применялись в России в 80-е годы. Однако затем их производство резко сократилось, а в некоторых регионах прекратилось совсем. Но в настоящее время возросший объем работ по строительству местных автомобильных дорог и активная пропаганда финского нефтегравия делает перспективным возрождение рынка ВОМС, как более соответствующего условиям и материалам России, что отнюдь не закрывает дорогу нефтегравию в тех областях, где имеются экономические перспективы его применения.

Увеличение производства модифицированных битумов характерно и для России, хотя эта тенденция проявляется лишь в наиболее развитых ее регионах.

Необходимость иметь материалы для содержания дорог все чаще приводит дорожные организации к решению налаживать производство битумных эмульсий и смесей на их основе. Это направление дорожной отрасли постепенно развивается, хотя пока и без всякой системы.

Разнообразие климатических и эксплуатационных факторов, которого нет ни в одной другой стране мира, диктует необходимость определить эту систему развития, чтобы не повторить печального опыта с применением на дорогах России смесей на основе ЛЭМС. Да и сами ЛЭМС, хорошо приспособленные к условиям страны, следует реанимировать, используя современный уровень обеспечения технологических процессов получения и применения эмульсий и смесей на их основе. При этом необходимо учитывать, что не везде могут быть использованы в достаточном количестве и на современном уровне высококачественные материалы, требуемые для получения катионных эмульсий, не всегда оправданны высокие материальные затраты на их производство в каждом конкретном регионе. Поэтому имеет смысл развивать производство эмульсий на твердых эмульгаторах - пастах (ЛЭМС), а в некоторых регионах наладить выпуск обратных эмульсий, показавших хорошие результаты при применении их в качестве вяжущего для тонких и сверхтонких слоев, а также для конструктивных слоев, особенно для северных регионов.

В южных районах страны, в частности на дорогах с высокой интенсивностью и скоростью движения, представляет интерес развитие производства и использование смесей типа ЛЭМСщ, БМО, а также смеси типа ms и сларри сил. Очевидно, есть смысл в некоторых случаях применять и слои из щебеночно-мастичного асфальта (ЩМА), особенно на мостах и подходах к ним.

Многообразие климатических и эксплуатационных условий России диктует необходимость развития всего комплекса защитных и конструктивных слоев из органоминеральных материалов наряду с асфальтобетонными. Однако это же многообразие факторов требует систематизации и определения условий применения различных материалов и слоев. Это позволит экономически и технологически эффективно использовать местные ресурсы и обеспечить требуемое качество дорожных одежд и покрытий.

3. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТОВ НА СВОЙСТВА ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Органоминеральная смесь - это смесь минеральных материалов (щебня, песка, минерального порошка), органического вяжущего и, для некоторых видов ОМС, воды.

Физико-механические и технологические свойства ОМС обусловлены свойствами и соотношениями составляющих их компонентов, а также технологией приготовления смесей.

Набор необходимых свойств смесей зависит от назначения материала и технологических процессов его получения и применения.

Все ОМС, используемые при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог, должны обладать следующими свойствами:

• иметь хорошую водостойкость, которая характеризуется соотношением прочностей при температуре 20°С сухих и водонасыщенных образцов;

• водонасыщение и набухание материала не должны превышать установленные для данной смеси пределы;

• иметь достаточные для эксплуатации покрытия прочности при нормальной, повышенной или пониженной температурах, в зависимости от условий эксплуатации материала.

Для материалов, применяемых в качестве защитных слоев, необходимое требование - водонепроницаемость слоя, а для слоев, устраиваемых для улучшения фрикционных свойств поверхности покрытия, - шероховатость и износостойкость.

Водостойкость и водонепроницаемость материала зависят прежде всего от количества и качества вяжущего в смеси. Причем в качестве вяжущего рассматривается не только чисто органическое вяжущее, но и его смесь с мелкодисперсной фракцией минеральной части, называемая асфальтовым вяжущим.

Известно, что чем больше в смеси содержится органического вяжущего, тем более водостойким и менее водопроницаемым будет материал. Однако простое увеличение количества органического вяжущего ведет к падению прочностных характеристик материала и уменьшению его теплоустойчивости, поэтому необходимо повышать содержание в смеси именно асфальтового вяжущего.

3.2. ВЛИЯНИЕ ВЯЖУЩЕГО

Исследования водонепроницаемости асфальтобетона наиболее подробно проводились для гидротехнических сооружений.

В настоящее время, когда к тонким защитным слоям предъявляются повышенные требования по водонепроницаемости, результаты этих исследований стали достаточно актуальными и для дорожных организаций.

В работе [24] показано, что для получения материалов с повышенной водонепроницаемостью необходимо увеличить на 1-2% количество асфальтового вяжущего по сравнению с обычными дорожными смесями.

Наибольшее значение для обеспечения водостойкости имеют свойства органического вяжущего и эмульсий. Минералогический состав минеральной части, особенно его тонкодисперсной составляющей, также заметно влияет на прочность связи и сплошность обволакивания вяжущим. Однако введение модифицированных битумов, тонкодисперсных эмульсий и специальных добавок в вяжущее или в минеральную часть значительно ослабляет влияние минералогии каменных материалов [5].

Органическое вяжущее в ОМС применяют как вязкое - битумы, смолы, - так и жидкое - гудроны, сырье для приготовления битума, тяжелые нефти и др. Вязкое вяжущее часто используют в виде эмульсий.

Вязкость органических вяжущих определяет многие взаимодействия их с минеральной составляющей смеси. Так, если глубина проникания битума при температуре 25°С превышает величину 40-60 дмм, то значительно снижается морозостойкость покрытий, уменьшается их трещиностойкость. В то же время жидкое органическое вяжущее имеет недостаточное сцепление с крупными фракциями минеральной части - щебнем и песком, - невысокую водостойкость материала.

Вязкость органического вяжущего выбирается обычно в зависимости от пористости и дисперсности минеральных материалов и климатических условий его применения: чем больше пористость и меньше прочность каменного материала, выше его дисперсность, ниже температура воздуха, при которой происходит укладка смеси, дольше срок хранения материала, заготовленного впрок, тем более жидким можно выбирать вяжущее. В таких случаях часто рекомендуются битумные эмульсии.

Содержание битума или другого органического вяжущего в дорожных эмульсиях обычно составляет 50-65%. Это органическое вяжущее должно быть хорошо диспергировано (раздроблено) в эмульсионной среде. Для прямых эмульсий - это вода. Для обратных эмульсий вода и органическое вяжущее меняются местами, т.е. - это вода, диспергированная в органическом вяжущем.

По типу применяемого эмульгатора, т.е. вещества, способствующего диспергированию, дорожные эмульсии бывают трех видов:

• анионные или щелочные;

• катионные или кислые;

• настовые или эмульсии на твердых эмульгаторах.

Для приготовления дорожных эмульсий применяют обычно растворимые в воде или в битуме органические эмульгаторы или тонкодисперсные порошкообразные вещества с достаточным количеством активной очистки кальция, которая является чаще всего действующим активным началом эмульгатора.

Анионные битумные эмульсии на твердых эмульгаторах используются обычно для обработки минеральных материалов из основных горных пород или пород, поверхность которых активирована известью, цементом или другими активаторами; катионные эмульсии - при обработке минеральных материалов из кислых горных пород.

Формирование эмульсионно-минеральных смесей начинается с распада эмульсии при взаимодействии с минеральным материалом. При этом выделяется вода, а капельки битума, оседая на поверхности минеральных частиц, сливаются в сплошную битумную пленку.

Самое важное свойство эмульсии при взаимодействии с минеральным материалом - это скорость ее распада. По этому показателю эмульсии делятся на быстро-, средне- и медленнораспадающиеся.

К быстрораспадающимся относятся эмульсии, распад которых происходит вскоре после соприкосновения с минеральными материалами. При этом, чем мельче применяемый минеральный материал, тем быстрее происходит распад эмульсии. Этот тип эмульсий чаще всего используется для устройства защитных слоев, слоев износа.

Медленнораспадающиеся эмульсии распадаются только после того, как часть воды из них будет удалена путем отжима или испарения. На эту операцию необходимо предусматривать некоторое время.

Специфика твердых эмульгаторов состоит в том, что их эмульгирующая способность проявляется только после гидратации, что обеспечивается определенным соотношением порошкообразного эмульгатора и воды. Оптимальное для полного эмульгирования количество воды зависит от дисперсности эмульгатора и содержания в нем активных окислов кальция и магния.

3.3. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ

На IV Международном конгрессе ISSA был представлен ряд докладов, посвященных вопросу влияния минеральных компонентов и качества битума на свойства битумных эмульсий и смесей на их основе. Отмечено, что минералогический состав мелкодисперсной части смесей играет важную, но не решающую роль в формировании смесей на основе катионных эмульсий. В основном это влияние отражается на прочностных характеристиках смесей. Так, применение диоритовых минеральных материалов увеличивает прочностные показатели смеси, но требует принятия определенных мер по обеспечению хорошей адгезии битумов к этим материалам. Гораздо большее значение для получения материала хорошего качества имеют вид и концентрация применяемого эмульгатора, который все чаще является одновременно и добавкой, улучшающей свойства вяжущего и смеси [5].

Обеспечение шероховатости защитного слоя требует введения в состав смеси песчаных и щебеночных фракций. В этих случаях повышаются требования к обеспечению хорошего сцепления вяжущего и минерального материала. Особенно это важно для маловязких органических вяжущих.

Зерна песка, введенные в асфальтовое вяжущее, формируют основную структуру смеси, которая, главным образом, определяет ее физико-механические свойства - прочность, плотность и т.д. При этом важно учитывать соотношение между песчаной фракцией и минеральным порошком, а также взаимодействие ее с асфальтовым вяжущим.

Насыщение смеси асфальтового вяжущего мелким песком приводит к снижению модуля упругости материала, повышению его эластичности, а перенасыщение крупнозернистым песком или мелким щебнем - к значительному снижению эластичности, хотя и увеличивает прочностные показатели смеси. При этом максимальное значение модуля упругости достигается при насыщении асфальтового вяжущего разномерной минеральной смесью и зависит от вязкости применяемого вяжущего: чем меньше вязкость вяжущего, тем больше падает максимальная крупность зерен, при которой достигается максимальный модуль упругости.

Введение в смесь щебня влияет на прочностные характеристики материала. При незначительном содержании щебня (до 20%) свойства смеси определяются свойствами смеси песка с асфальтовым вяжущим. Для смесей с содержанием щебня более 20% возрастает роль органического вяжущего и характера взаимодействия его с поверхностью щебня. Введение щебня в количестве, определяемом обычно пределами кривых плотных смесей, считается оптимальным и позволяет сформировать каркас смеси и повысить прочностные показатели материала.

При этом следует отметить, что при использовании маловязких органических вяжущих необходимо увеличивать долю минерального порошка, который является основным структурообразующим элементом в смеси, позволяет получить асфальтовое вяжущее требуемого качества, чтобы затем регулировать прочностные характеристики смеси при помощи добавления песка и щебня.

Для увеличения теплостойкости и трещиностойкости рекомендуется введение в смесь коротковолокнистого минерального наполнителя, который дает возможность повысить износостойкость материала. Однако эта добавка снижает водостойкость смеси, что требует принятия дополнительных мер - увеличения количества органического вяжущего или обработки волокнистого наполнителя активаторами, применения модифицированных вяжущих и т.п. Использование извести для улучшения водостойкости смеси с волокнистым наполнителем по сравнению с цементом приводит к лучшим результатам [5].

Наличие в смесях волокнистых наполнителей улучшает также их технологические свойства - удобоукладываемость и подвижность.

На износостойкость особое влияние оказывает минералогический состав заполнителя - щебня и песка. Причем это влияние увеличивается при снижении или увеличении температуры водонасыщенных образцов по сравнению с комнатной. В случае применения волокнистого наполнителя с активатором - известью - износостойкость увеличивается по сравнению с активатором - цементом [5].

3.4. ВЛИЯНИЕ ВОДЫ

Многие органоминеральные смеси содержат в составе воду. Вода является средой для перемешивания компонентов (в эмульсиях), регулирует консистенцию смесей, облегчает обволакивание минерального материала органическим вяжущим (в ВОМСах).

Известно три способа введения воды в смесь:

• естественная влажность минеральных материалов;

• вода в составе эмульсий;

• предварительное смачивание минеральных материалов. Обычно органоминеральные смеси содержат 4-12% воды от массы минеральных компонентов в зависимости от вида приготавливаемого материала. Чаще всего при этом количество минерального порошка не превышает 10%. При увеличении содержания мелких фракций количество воды может возрасти в соответствии с правилами проектирования соответствующего материала.

Недостаток воды в смеси повлияет на ее жесткость, смесь станет неудобоукладываемой и будет иметь неудовлетворительное сцепление с нижележащим слоем.

Увеличение количества воды против требуемого приводит к сегрегации смесей, т.е. быстрому их расслоению, отдельные смеси могут просто не получиться в процессе приготовления (например, ЛЭМС).

В обоих случаях ухудшаются физико-механические показатели материала.

3.5. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ВОМС

ВОМС являются разновидностью органоминеральных смесей, содержащих в своем составе воду. Свойства материала, полученного путем уплотнения смеси, определяются свойствами и количественными соотношениями исходных материалов.

Для выяснения влияния многочисленных факторов на физико-механические свойства материала был проведен эксперимент с привлечением факторного анализа. В качестве критериев были приняты основные физико-механические показатели материала - плотность, его водонасыщение и прочностные показатели сухих и водонасыщенных образцов. В результате была установлена степень влияния всех выбранных для анализа факторов на изменение перечисленных выше показателей свойств ВОМС.

Проведенный с привлечением методов статистической обработки анализ позволил расположить факторы по степени их влияния на свойства ВОМС (по убывающей) [25]:

• соотношение между количеством органического вяжущего и тонкодисперсных частиц минерального порошка;

• содержание тонкодисперсных частиц;

• вязкость органического вяжущего;

• количество воды;

• содержание активной составляющей минеральной части (количество свободной окиси кальция);

• вид и количество ПАВ, гранулометрических добавок и др.;

• содержание и размер щебеночной фракции;

• количество песка, размер и форма его зерен.

Для других видов органоминеральных смесей порядок расположения, а для некоторых смесей и набор факторов, могут быть иными. Так, для эмульсионно-минеральных смесей расположение и набор факторов, влияющих на свойства смесей, будут следующими:

• вид и количество эмульгатора;

• вид эмульсии, характеристика дисперсионной среды в эмульсии;

• вязкость и содержание битума;

• минералогия и гранулометрический состав минерального материала;

• количество воды, необходимое для смачивания минеральных материалов;

• вид и содержание добавок - ПАВ, активаторов, гранулометрических добавок.

4. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА И ПОЛУЧЕНИЯ ОМС

4.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ОМС

В горячих смесях процессы формирования структуры завершаются, в основном, на стадии уплотнения смесей, а в холодных - основным фактором формирования структуры материала является его доуплотнение в результате движения транспортных средств. В процессе уплотнения таких материалов получают только минимально необходимую механическую прочность и устойчивость при воздействии климатических и эксплуатационных факторов.

При использовании эмульсионных вяжущих и влажных смесей происходит еще и удаление из них воды. Для литых смесей, которые уплотняются под действием движения транспортных средств, удаление воды путем испарения или отжатая является важным начальным моментом в формировании структуры материала.

Состав ОМС проектируется с учетом назначения смесей, условий их применения и формирования структуры, а также свойств исходных материалов. Процесс проектирования включает следующие этапы:

• выбор типа смеси с учетом ее назначения и условий применения;

• выбор минеральных материалов на основании действующих норм и требований и определение оптимального соотношения их в смеси;

• выбор вяжущего, проектирование его состава (эмульсии, комбинированного вяжущего и т.д.) и определение оптимального его количества;

• определение оптимального количества воды для смесей, содержащих в своем составе воду;

• определение физико-механических свойств подобранной смеси и внесение необходимых коррективов.

При выборе минеральных материалов для ОМС необходимо учитывать изложенные выше закономерности влияния их свойств на свойства готовой смеси.

При определении соотношений минеральных материалов следует руководствоваться действующими нормами. В настоящее время для большинства видов ОМС считается наиболее целесообразным метод подбора минеральной части по принципу предельных кривых. За рубежом этот метод рекомендован практически для всех дорожных смесей.

Для ряда смесей (ВОМС, ЛЭМС и т.п.) регламентируется содержание только некоторых фракций минеральной части, наиболее важных для обеспечения оптимальных свойств смеси - водостойкости, сдвигоустойчивости, шероховатости. Суммарное количество воды и вяжущего в таких смесях обычно подбирается по принципу получения значения влажности минеральной части, близкой к пределу пластичности (для ВОМС) или текучести (для ЛЭМС).

Для смесей, не имеющих определенного гранулометрического состава, типа поверхностной обработки количество вяжущего и минеральной части обычно назначается по действующим нормам и затем проверяется на опытном участке [8].

4.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ЭМУЛЬСИОННО-МИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Особенностью эмульсионно-минеральных смесей (ЭМС) является наличие в их составе до 10% воды, вводимой с эмульсией и предварительно увлажненными материалами и необходимость удаления этой воды на стадии уплотнения слоя. Проектирование составов ЭМС ведется по нормам [8, 24], а смесей литой консистенции типа ЛЭМС - по [2, 3]. Все литые смеси могут быть песчаными или щебенистыми.

Проектирование минеральной части смесей может быть проведено двумя способами - методом предельных кривых и расчетным методом, основанным на назначении количества асфальтового вяжущего в смеси.

Первый способ проектирования зернового состава применяется для смесей на основе жидких эмульгаторов и практически для всех зарубежных смесей.

Смеси сларри сил и песчаная ЭМС фактически аналогичны по своему составу и области применения, но предельные кривые, по которым ведется проектирование их минеральной части, у них значительно различаются. Сравнение этих смесей показывает, что к минеральной части с размером частиц 0,5-5 мм эмульсионно-минеральных смесей предъявляются менее жесткие требования, чем для сларри сил, в которой количество зерен этой фракции значительно больше (оно для сларри сил не подбирается, а назначается). Это показывает, что смесь сларри сил имеет более жесткий песчаный каркас и поэтому для нее более высокие требования к вяжущему.

Сравнение предельных кривых для щебенистых вариантов этих же смесей показывает, что они совершенно не совпадают (рис. 7) [5, 8]. Кривые для смесей ms лежат в области больших значений, чем кривые для эмульсионно-минеральных смесей. Смесь типа ms имеет более жесткий щебеночный каркас и значительное количество мелкой фракции, и поэтому более высокие требования предъявляются к вяжущему, применяемому для приготовления этой смеси.

Рис. 7. Гранулометрические кривые для:

1 - сларри сил; 2 - ms; 3 - эмульсионно-щебенистой пористой смеси

Второй способ проектирования состава литых смесей используется, главным образом, для смесей, содержащих эмульсии на твердых эмульгаторах - ЛЭМС. Предельные кривые по этому способу не используются. Состав смеси определяется расчетным путем, основываясь на назначении количества асфальтового вяжущего и коэффициентов содержания битума в пасте (эмульсия на твердых эмульгаторах).

Затем также расчетным путем находят требуемое количество мелких а песчаных фракций. В случае необходимости в спроектированную песчаную ЛЭМС добавляют полученное расчетным путем количество щебеночных фракций [3].

Количество воды в жидкой смеси также определяется расчетом в зависимости от полной влагоемкости минерального порошка.

В смесях, зерновой состав которых спроектирован по первому способу, количество воды обычно определяют методом лабораторного подбора. Для таких смесей рекомендуется содержание 6-8% воды, а для сларри сил 4-12%.

При выборе вяжущего следует исходить из крупности, количества и природы минерального материала смеси: для кислых пород и щебенистых смесей следует применять катионные эмульсии на модифицированных битумах (например, для смеси типа ms за рубежом используется только такое вяжущее).

Для каменных материалов из основных пород рекомендуется применение анионных эмульсий. Использование модифицированных битумов для таких материалов не всегда эффективно и поэтому необходима их проверка в лабораторных условиях или на опытном участке.

Для литых ОМС предпочтительнее применять быстрораспадающиеся эмульсии, скорость распада которых регулируют с помощью специальных добавок.

Обычно дозировка вяжущего в ЭМС составляет 3,5-9,5% от массы сухих материалов в пересчете на битум.

Подбор минеральной части для связных ЭМС ведется по первому способу. В качестве вяжущего применяются медленно- или среднераспадающиеся эмульсии как прямые, так и обратные.

Количество воды, используемой для увлажнения минеральных материалов, составляет ориентировочно 2-4% от массы сухих минеральных материалов и уточняется в лаборатории.

4.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ВЛАЖНЫХ СМЕСЕЙ

К этому классу смесей относятся ВОМС, нефтегравий и смеси на вспененном битуме.

К смесям на вспененном битуме часто предъявляют те же требования, что и к асфальтобетонным [11], поэтому проектирование их состава ведут по аналогичной схеме.

Для смесей типа ВОМС важное значение имеет рациональное соотношение минеральной части и органического вяжущего. Подбор состава для таких смесей целесообразно осуществлять по второму способу. Однако следует учитывать, что в этом случае расход вяжущего будет тем больше, чем выше его вязкость. Значит при использовании маловязкого вяжущего этот метод будет наиболее целесообразен.

Суммарное количество воды и органического вяжущего в смеси определяют исходя из предпосылки, что поры смеси должны быть заполнены на ³/₄ своего объема. Количество воды в ВОМС должно быть равным или несколько превышать количество вяжущего, но не более, чем на 20%. Обычно ориентировочное количество воды в смеси составляет 3-4%, а вяжущего - около 3,5%, если содержание мелкой фракции не превышает 10%.

Подобранный расчетным путем состав смеси уточняют в лаборатории. При этом можно, вводя специальные добавки и изменяя соотношение между количеством воды и вяжущего, получать смеси с различными характеристиками. Например, увеличивая количество воды по отношению к вяжущему (суммарное их количество должно быть постоянным и не превышать подобранной в лаборатории величины), получают смеси с высокими прочностными характеристиками, но более низкой водостойкостью.

Если уменьшать соотношение вода - вяжущее, то водостойкость и теплостойкость смеси возрастут, но прочностные характеристики резко снизятся.

Принцип проектирования состава нефтегравия (НГ), несмотря на большое сходство этого материала с ВОМС, иной - по предельным кривым, так же как подбираются составы плотных гравийно-эмульсионных смесей. Причем значения предельных кривых этих двух смесей очень близки. Разница имеется только в области мелкодисперсных фракций - для ЭМС предусмотрено большее их количество, чем для нефтегравия (рис. 8) [6, 8]. Предельные кривые для щебеночных ЭМС лежат несколько выше, чем кривые для нефтегравия.

Рис. 8. Гранулометрические кривые для:

1 - нефтегравия; 2 - эмульсионно-гравийных плотных смесей

Однако для плотных ЭМС используются эмульсии на вязких битумах, а для нефтегравия - крайне маловязкое органическое вяжущее со специальной добавкой, обеспечивающей водостойкость. Сочетание маловязкого вяжущего с принципом подбора минеральной части по предельным кривым дает очень неустойчивое равновесие системы - оптимальное количество вяжущего может сместиться в любую сторону под воздействием, например, незначительного колебания влажности материала или нарушения технологического режима приготовления смеси.

При определении количества воды и вяжущего в нефтегравии рекомендуется руководствоваться «правилом числа 13», когда сумма содержания частиц размером меньше 0,071 мм, влажности минерального материала и количества вяжущего не должна превышать величину 13. Обычно содержание органического вяжущего в НГ не превышает 4%, а влажность минерального материала - менее 3%.

Такое соотношение вода - вяжущее позволяет прогнозировать невысокие прочностные показатели смеси. Для повышения этих показателей в смеси предусмотрено содержание щебня размером зерен 5-25 мм в количестве более 60%.

4.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ГОРЯЧИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ТОНКИХ СЛОЕВ

Принцип проектирования состава минеральной смеси по предельным кривым характерен для смесей, используемых для тонких и сверхтонких слоев. Исключение составляет смесь БМО.

Для смесей, применяемых в тонких слоях, возрастает значение прочности и шлифуемости дробленого материала (щебня и песка) и качества вяжущего. Наилучшим образом зарекомендовали себя битумные композиции, модифицированные вяжущие и смеси с добавками коротковолокнистого минерального материала.

Количество вяжущего и волокнистого наполнителя подбирается опытным путем. Методы расчета предложены лишь для смесей БМО [16].

Проектирование составов БМО осуществляют в следующем порядке:

• выбирают вид смеси и величину расхода битума в зависимости от условий движения, климатических условий и категории дороги;

• определяют необходимую максимальную крупность щебня в зависимости от вида обрабатываемого покрытия;

• назначают тип смеси по водостойкости в зависимости от плотности обрабатываемого покрытия;

• рассчитывают состав заполняющей части по принципу расчета песчаных асфальтобетонных смесей или литой смеси [16], принимая содержание вяжущего в основном по верхней границе требований;

• проверяют в лаборатории соответствие запроектированного состава и вносят необходимые коррективы;

• зная пределы содержания щебня и величину расхода битума для выбранного вида смеси, рассчитывают количество битума, необходимое для обработки щебня, заполняющей и минеральной части смеси (щебня, песка, минерального порошка).

В Германии для щебеночно-мастичных смесей требования к качеству применяемого вяжущего очень высокие, и поэтому не все битумные композиции и модифицированные битумы подходят для этих смесей [26]. Количество вяжущего назначается из расчета получения остаточной пористости в пределах 2-4% и обычно составляет около 9% [23].

За рубежом для всех смесей, применяемых для тонких и сверхтонких слоев, количество вяжущего чаще всего назначают, а затем уточняют опытным путем. Это вызывает неудобства в оценке качества материала при увеличивающемся объеме работ по содержанию дорожных покрытий, осуществляемых путем устройства тонких слоев. Поэтому в Германии была предпринята попытка разработать методику расчета требуемого количества вяжущего для обеспечения качества получаемого материала [27]. Предложенная схема расчета основана на определении толщины пленки органического вяжущего на зерне минерального материала, особенно на самой тонкодисперсной ее фракции. Авторами этой работы была установлена зависимость между размером зерна и так называемой виртуальной толщиной пленки вяжущего и представлена схема расчета для оценки потребности в вяжущем для смесей. Однако эта сложная методика расчета не нашла пока практического применения.

5. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВА СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ИЗ НИХ

5.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОМС

Основным залогом качества покрытия являются правильно спроектированный состав, точность дозирования компонентов и строгое соблюдение технологических регламентов и режима получения ОМС - температуры нагрева материалов, продолжительности перемешивания.

По возможности следует автоматизировать весь технологический процесс и организовать контроль за всеми этапами производственного процесса и качеством выпускаемой продукции.

Температура нагрева минеральных материалов при приготовлении ОМС обусловлена, в основном, вязкостью применяемого битумного или асфальтового вяжущего, а также погодными условиями, при которых планируется вести укладку смеси.

Обычно, чем больше влажность минеральных материалов, ниже температура окружающего воздуха и выше вязкость используемого вяжущего, тем более высокая должна быть температура нагрева минеральной части смеси. Применение ПАВ или эмульсий в качестве вяжущего для ОМС снижает температуру нагрева материалов.

Ориентировочные температурные режимы приготовления и использования различных ОМС в зависимости от вида применяемого вяжущего представлены в табл. 6.

Дозирование минеральных материалов и органических вяжущих обычно производят по массе или по объему. Наиболее важные компоненты - вяжущее и минеральный порошок - дозируются, главным образом, по массе.

Перемешивание материалов, входящих в состав смеси, производится в мешалках с принудительным перемешиванием. Качество получаемой смеси, кроме температурного режима и точности дозирования компонентов, зависит и от времени перемешивания смеси. Влияние этого показателя на производительность установки, а следовательно, и на скорость проведения дорожных работ, достаточно велико.

Таблица 6

Продолжительность перемешивания обусловливается типом и составом смеси, свойствами и необходимой температурой нагрева минеральных материалов, особенностями конструкции установки в целом и отдельных ее узлов.

Перемешивание предварительно отдозированных компонентов является основной операцией при приготовлении любой органоминеральной смеси.

Для устройства защитных слоев и проведения других мероприятий по содержанию эксплуатируемых дорог все чаще используют мобильные передвижные или полустационарные установки.

5.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕГРАВИЯ И ВОМС

ВОМС готовятся чаще всего на обычных АБЗ, дооборудованных приспособлениями для подачи и дозирования воды и активатора. Наиболее целесообразно объединять эти две линии подачи в одну, если в качестве активатора используется водная суспензия извести или цемента, так называемое «молочко».

Эти смеси не расслаиваются при перевозках на любые расстояния различным транспортом. Допускается их длительное хранение в штабеле при соблюдении оговоренных в нормативных документах условий.

Поэтому приготовление их централизованным способом в стационарных установках в отдельных регионах России считается наиболее эффективным и целесообразным [28].

Смесь такого же типа - нефтегравий - в Финляндии предпочитают готовить на установках полустационарного типа, которые ставятся в карьерах, где дробится минеральный материал - гравий или щебень. Схема такой установки показана на рис. 9 [6].

Рис. 9. Принципиальная схема современной нефтегравийной установки:

1 - бункер для каменных материалов; ленточные весы (дозатор); 3 - транспортер ленточный; 4 - ленточный конвейер; 5 - мешалка; 6 - пульт управления

Следует отметить, что в обоих случаях пришли к выводу, что установки непрерывного действия для приготовления таких смесей гораздо менее эффективны и не позволяют получать смеси высокого качества из-за плохого перемешивания увлажненных материалов с органическим вяжущим.

Качество материала, получаемого из ОМС, также зависит от правильной укладки и уплотнения его при устройстве слоев дорожной одежды.

Обе смеси - ВОМС и нефтегравий - распределяются обычно при помощи укладчика и в редких случаях - автогрейдера. Предварительное уплотнение слоя производится виброплитой или трамбующим брусом, размещенным на асфальтоукладчике. Затем по установленному часто опытным путем режиму осуществляется укатка звеном катков. Однако предпочтение следует отдавать пневмокаткам. Окончательное доуплотнение происходит в результате движения транспортных средств.

При приготовлении нефтегравия в период строительного сезона, когда температура каменных материалов падает до +10 - -5°С. предусматривается подача горячего вяжущего с температурой 80-100°С непосредственно на увлажненные холодные минеральные материалы, Если эти материалы переувлажнены, на них подается горячий пар. Основываясь на этом, можно сделать вывод, что нефтегравий разрешается готовить на минеральных материалах, взятых прямо из карьера, если их гранулометрический состав соответствует нормативам. Однако это не так - его необходимо высушивать и только после этого использовать [6].

Тем не менее подача горячего вяжущего на холодный увлажненный минеральный материал приводит к процессам, аналогичным при получении вспененного битума, особенно, если вместо воды подается пар. В этом случае обоснованы жесткие требования к процессу подачи органического вяжущего и воды в смеситель. Они должны вводиться одновременно по всей длине мешалки за очень короткое время, точность дозирования вяжущего составляет ±0,2%. Причем даже небольшое отклонение от этих требований вызывает значительное снижение качества смеси.

В ВОМС соотношение количества мелких и крупных фракций обычно достаточно велико и не регламентировано так жестко, как для нефтегравия, поэтому точность дозирования вяжущего допускается ±1%, хотя система подачи воды и вяжущего в мешалку в соответствии с требованиями, предъявляемыми при получении нефтегравия. только повысит качество смеси. В настоящее время нельзя предъявить такие требования из-за их невыполнимости по причине неприспособленности для этих целей применяемого оборудования - по большей части это АБЗ с кустарным дооборудованием.

Для влажных смесей - ВОМС и нефтегравий - при приготовлении очень важно быстрое перемешивание компонентов с органическим вяжущим, так как если скорость вращения вала мешалки недостаточна, то снижается качество перемешивания и наблюдается образование комков. Но если при нормальном дозировании воды и вяжущего эти комки могут не оказать заметного влияния на качество получаемой смеси, то даже незначительная передозировка воды приведет к резкому ухудшению ее качества, может наблюдаться налипание материала на лопасти и стенки мешалки и снижение производительности смесителя.

Уплотнение дорожных смесей - один из важнейших структурообразующих факторов. Только в результате оптимального уплотнения смесь может сформироваться в материал, обладающий всеми запроектированными свойствами. Сущность этого процесса состоит в сближении, перегруппировке и наилучшем взаимном расположении минеральных частиц, покрытых пленкой вяжущего, а также некотором перераспределении свободного битума, заполняющего поры уплотняемой смеси. Эффективность уплотнения зависит от таких факторов, как уплотняемость и температура смеси, способ уплотнения и режим работы применяемых механизмов.

5.3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВСПЕНЕННОГО БИТУМА

Приготовление ОМС с использованием вспененных битумов производится в смесителях, часто на АБЗ, дооборудованных системами дозирования, вспенивания битума водой или паром и впрыска его в мешалку.

Вспенивание битума осуществляется путем введения в него воды или пара в специальных смесительных приспособлениях (форсунках или камерах) в процессе подачи к распылительным соплам, установленным в корпусе мешалки [11]. Конструктивно-технологическая схема подачи в мешалку смесителя вспененного битума показана на рис. 10.

Рис. 10. Конструктивно-технологическая схема процесса подачи в мешалку смесителя обводненного битума во вспененном состоянии:

1 - приямок битумохранилища; 2 и 6- битумные насосы; 3 - битумопровод; 4 - смеситель битума; 5 - перемешивающий орган; 7- обратный клапан; 8 - нагреватель битума; 9 -регулирующий вентиль; 10- кран-задвижка; 11 - форсунка; 12 - смесительная камера

Выбор системы вспенивания зависит от технологических условий, имеющихся на конкретных заводах. Количество воды или пара для вспенивания битума не превышает 1-2,5% от массы битума. Вспененный битум как можно быстрее должен быть введен в мешалку на возможно большую площадь минерального материала, т.е. «впрыснут» и диспергирован в процессе перемешивания смеси. Продолжительность перемешивания в этом случае сокращается на 15-20% по сравнению с перемешиванием асфальтобетонной смеси. Технология и режимы уплотнения таких смесей практически не отличаются от материалов из ОМС с использованием обычного битума. Схема приготовления ОМС на основе вспененных битумов в мобильных установках мало отличается от схемы приготовления связных ОМС.

5.4. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ЛИТЫХ ЭМУЛЬСНОННО-МИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

ЛЭМС и сларри сил отличаются друг от друга, в основном, только типом эмульгатора. В технологическом плане получение этих смесей происходит при одних и тех же условиях.

В 70-х годах литые смеси типа ЛЭМС широко применялись в России для устройства защитных и шероховатых слоев. Однако отсутствие оборудования для их приготовления и укладки быстро привело к забвению этих перспективных смесей.

Причем такие смеси использовались и для закрепления щебня в слоях многощебенистых асфальтобетонов и поверхностной обработки. Вид закупорочного слоя, устроенного поверх поверхностной обработки, показан на рис. 11.

Рис. 11 Вид поверхности покрытия, закрепленного при помощи закупорочного слоя из ЛЭСМ после двух лет эксплуатации

За рубежом смеси литой консистенции чаще всего готовят в мобильных установках на основе грузового автомобиля, на котором размещены емкости для минеральных материалов, эмульсии и ПАВ вместительностью, достаточной для укладки, как правило, 500-1000 м² защитного слоя. Для распределения материала она оснащена набором прицепных распределителей, позволяющих производить укладку защитного слоя, заделку мелких дефектов поверхности покрытия, заполнение мелких трещин.

В ряде случаев, когда установка предназначена преимущественно для укладки щебенистых слоев типа ms, машина снабжается приспособлением для предварительного увлажнения или подгрунтовки поверхности покрытия эмульсией (рис. 12). Готовая смесь должна иметь цвет от коричневого до черного. Схема мобильной установки для получения литых смесей с прицепным распределителем, позволяющим заделывать мелкие дефекты поверхности покрытия, приведена на рис. 13 [4].

Рис. 12. Процесс устройства слоя ms:

1 - бункер для каменного материала; 2 - бункер для минерального порошка; 3 - дополнительный бункер; 4 - дозатор каменного материала; 5 - дозатор эмульсии; 6 - дозатор воды и добавок; 7 - лопасти смесителя; 8 - готовая смесь ms; 9 - распределительный короб; 10 - предварительное увлажнение покрытия

Рис. 13. Мобильная установка с распределительным коробом для получения смеси сларри сил:

а - схема приготовления смеси; б - общий вид установки (фирма Akzo Nobel); 1 - каменный материал; 2 - бункер минерального порошка; 3 - отверстие для подачи каменного материала; 4 - вода; 5 - эмульсия; 6 - транспортер; 7- выход готовой смеси; 8 - смесь сларри сил; 9 - распределительный короб с устройством для регулировки толщины слоя; 10-мелкие дефекты обрабатываемого покрытия; 11 - бункера и дозаторы каменного материала и минерального порошка; 12 - регулятор подачи материалов; 13 - дозаторы для воды и жидких компонентов смеси; 14 - распределительный короб с уширителями; 15 - дополнительное выглаживающее устройство для грубозернистых смесей; 16 - лента-гладилка из жесткой резины

5.5. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СМЕСЕЙ ДЛЯ ТОНКИХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ВЯЗКОГО БИТУМА

Применение и укладка горячих тонких и сверхтонких слоев, в том числе из смесей ЩМА и БМО, производится на обычном оборудовании, предназначенном для приготовления и укладки асфальтобетона.

Режимы уплотнения этих слоев имеют свою специфику, связанную с тем, что уплотняющие механизмы не должны раздавливать щебень при укатке. Режимы разработаны для каждого из этих слоев и описаны в соответствующих нормативных документах.

Для эффективной работы слоев необходимо надежное их сцепление с нижележащим слоем покрытия, которое может достигаться путем подгрунтовки катионными эмульсиями или нефтяными, желательно, модифицированными битумами. В отдельных случаях возможно нанесение поверх щебеночного слоя закупорочных слоев из смесей сларри сил или ЛЭМС.

При проведении работ по подгрунтовке поверхности дороги перед укладкой сверхтонких и тонких слоев, в том числе и из смесей БМО, особое внимание следует уделить равномерному распределению вяжущего по обрабатываемой поверхности. Для этого необходимо хорошо отрегулировать систему розлива вяжущего.

Правильно отрегулированный угол установки распределительных сопл гудронатора для равномерного перекрытия струй рекомендован в пределах 15-20° к оси трубы (рис. 14). При этом расход вяжущего будет зависеть от высоты установки трубы гудронатора над поверхностью покрытия (рис. 15) [4].

Рис. 14. Схема правильной регулировки сопла гудронатора:

1 - ось трубы гудронатора; 2 -угол установки оси сопла

Для покрытий, требующих ремонта в связи с появлением колейности, необходимо устраивать слои износа, обеспечивающие не только высокую шероховатость, но и сдвигоустойчивость. В этом случае за рубежом часто рекомендуют применять составы ОМС с добавлением коротковолокнистых минеральных наполнителей. Требования по гранулометрии предусматривают при применении щебня размером зерен от 0-4 мм (для велосипедных дорожек) до 0-10 мм (для автомобильных дорог с тяжелым движением).

Рис. 15. Схема перекрытия струй вяжущего при розливе по высоте:

1 - без перекрытия струй; 2 - двойное перекрытие; 3 - тройное перекрытие

Для приготовления и укладки таких смесей применяют оборудование непрерывного действия, если минеральные волокна и минеральный материал соединяются в необходимых соотношениях в процессе укладки непосредственно в асфальтоукладчике [5].

5.6. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

5.6.1. Тонкие и сверхтонкие слои из горячих смесей, не содержащих воду

В сверхтонких слоях и щебеночно-мастичных асфальтах предусмотрено применение большого количества асфальтового раствора, т.е. образуется толстая пленка вяжущего. При этом вяжущее используется более вязкое, количество щебеночной фракции повышается.

Поэтому увеличиваются требования к адгезионным свойствам вяжущего.

К моменту выхода горячей смеси из смесителя все физико-химические процессы взаимодействия ее компонентов, в основном, заканчиваются. Дальнейшее формирование структуры материала происходит, как правило, в процессе уплотнения.

Этот процесс для тонких и сверхтонких слоев должен быть проведен в очень короткие сроки, так как смесь в таких слоях быстро остывает. Вследствие отсутствия термической инерции тонких слоев смесь уплотняют при более высоких температурах, чем обычные горячие асфальтобетонные смеси. Поэтому катки должны двигаться сразу за укладчиком. При назначении типов катков следует учитывать то, что они не должны раздавливать или вдавливать щебень в укатываемый слой, обеспечивая при этом необходимую шероховатость покрытия.

Поскольку в России при уплотнении смесей типа БМО основным фактором, формирующим структуру слоя, является именно процесс уплотнения высокощебенистой смеси, ниже приведены принципы работы отечественных уплотняющих механизмов. Эти исследования были проведены Ленинградским филиалом Союздорнии в 1984 г.

Для укатки тонких и сверхтонких слоев имеет большое значение тип применяемого катка. Российскими дорожниками, в основном, использовались два типа гладковальцовых катков - с формулой 2×2 и 2×3 (число осей х число вальцов). Пневмокатков было немного и не во всех дорожных хозяйствах, поэтому для укатки приходилось приспосабливать гладковальцовые катки. Хотя у катков с формулой 2×3 ширина уплотняемой полосы в 1,5 раза больше, чем у катков с формулой 2×2, но из-за того, что передний и задний вальцы идут не по одному следу, число проходов катка 2×3 по сравнению с катком 2×2 необходимо увеличивать в 2 раза. Поэтому в условиях ограниченного времени укатки тонких горячих слоев эти катки применять не рекомендуется. Кроме того, из-за меньшего диаметра переднего вальца и малой ширины задних вальцов эти катки не всегда обеспечивают необходимые эксплуатационные показатели покрытия (плотность, ровность, шероховатость и т.п.).

По данным Ленинградского филиала Союздорнии, парк отечественных катков на 80% состоял из катков 2×3, на 6% из катков 2×2 и на 5% из катков 3×3. В настоящее время парк катков обновляется по сравнению с данными 1984 г. за счет увеличения доли пневмокатков, виброкатков и катков 2×2, в основном, иностранного производства, но во многих дорожных хозяйствах, особенно в провинции, по-прежнему доминируют катки 2×3.

Тонкий многощебенистый слой ОМС характеризуется большой жесткостью, поэтому для его уплотнения необходимы высокие вертикальные сжимающие и вибрационные нагрузки. В то же время горизонтальные сдвиговые усилия могут нарушать сплошность покрытия, а вибрационные воздействия отрицательно влияют на плотность нижележащих слоев при определенных условиях.

Чрезвычайно важным параметром гладковальцовых катков является диаметр его вальцов. С его уменьшением снижается площадь контакта катка с поверхностью покрытия, растут горизонтальные напряжения. Все это ухудшает ровность покрытия и создает условия для образования колеи. При этом расчетное давление под передним вальцом некоторых катков (например, ДУ-48) с формулой 2×3 может, по данным Ленинградского филиала Союздорнии, на 15-20% превышать давление под задними вальцами. Из-за этого могут появляться многочисленные сдвиги и трещины на уплотняемом покрытии.

При укатке тонких слоев отрядом катков с различными параметрами (например, катками с формулой 3×3 и 2×3) могут возникать разрушения слоя, что проявляется в виде трещин, сдвигов по ширине покрытия.

Кроме того, при укатке таких слоев, особенно с высоким содержанием щебня, катками с металлическими вальцами часто происходит дробление щебня, ухудшаются фрикционные свойства поверхности покрытия.

Для хорошего уплотнения щебеночных смесей, в частности тонких слоев, поверхность вальца катка должна быть жесткой, а для предотвращения дробления щебня, возникновения трещин, обеспечения шероховатости в то же время она должна быть эластичной. Решение этой противоречивой задачи возможно, если на металлические вальцы катков с формулой 2×2 или 3×3 надеть резиновую ленту с определенной жесткостью.

Такие обрезиненные катки хорошо зарекомендовали себя в России при уплотнении тонких слоев, устраиваемых с целью повышения фрикционных свойств покрытия из смесей БМО, ЛЭМСщ и т.п. Поверхность покрытия из многощебенистых смесей при укатке такими катками обладает выраженной глубиной шероховатости сразу после окончания процесса уплотнения. При этом уменьшается воздействие горизонтального сдвигающего усилия, а также время уплотнения смеси, что очень важно для тонких слоев из горячих ОМС, особенно в прохладную влажную погоду.

Применение виброуплотнения тонких слоев из ОМС не дает ожидаемого эффекта вследствие того, что вибрация, обеспечивая сближение частиц минерального остова, не способствует их длительному контакту в течение времени, необходимого для фиксации их в этом положении. Особенно актуально это для смесей на эмульсионном вяжущем. Кроме того, вибрационное воздействие замедляет процесс увеличения вязкости органического вяжущего при понижении температуры смеси, что также мешает закреплению каркаса материала в определенном положении.

При применении пневмокатков следует тщательно отрегулировать давление в шинах и массу катка. Только в этом случае достигаются хорошие результаты по уплотнению тонких слоев из ОМС. При плохо отрегулированных параметрах катка возможно дробление щебня, особенно в многощебенистых смесях, и появление сдвигающих горизонтальных усилий, приводящих к появлению трещин и нарушению равномерности толщины слоя.

После окончания укатки горячих смесей формирование структуры материала, в основном, завершается.

5.6.2. Литые ЭМС

Для литых ЭМС характерна жидкая консистенция, которая требует в первую очередь выглаживания слоя для регулирования толщины по всей площади обрабатываемого покрытия. Обычно распределительный короб для литых смесей оснащен резиновой лентой-гладилкой (см. рис. 13, б). Жесткость резины, применяемой для таких гладилок, выбирается с учетом состава смеси - для смеси с большим содержанием щебня (до 35%) и с более высокой вязкостью органического вяжущего требуется более жесткая резина. Такая же гладилка пригодна для устройства закупорочных слоев, когда необходимо втереть смесь в поверхность покрытия с получением минимальной толщины слоя.

После выглаживания для предотвращения расслаивания смесей и ускорения формирования слоя следует удалить максимально возможное количество воды из него путем испарения или отжима уплотняющими механизмами.

Формирование структуры литых смесей происходит в процессе удаления воды и окончательного уплотнения под действием движения транспортных средств. За счет высокой когезии вяжущего и хорошего сцепления его с минеральным материалом слой приобретает достаточную плотность без дополнительного уплотнения катком.

Однако после удаления воды путем высушивания слой характеризуется значительной пористостью, значение которой примерно равно количеству удаленной воды (до 10-15% от объема смеси), что снижает погодостойкость слоя и устойчивость его при движении большегрузных автомобилей. Поэтому на скоростных дорогах, пересечениях с дорогами с тяжелым грузовым движением, стоянках для грузовых автомобилей и в местах интенсивного торможения за рубежом рекомендовано уплотнение слоев типа сларри сил катками. Во всех остальных случаях предпочитают вводить в смесь добавки, ускоряющие ее высыхание. В России, где погодные условия не всегда стабильны, рекомендуется доуплотнение слоя из ЛЭМС производить катками после удаления части воды (около половины ее количества в смеси) на всех дорогах. Такая технология наиболее эффективна в условиях II и III дорожно-климатических зон. Для уплотнения ЛЭМС в этом случае рекомендованы пневмокатки общей массой 4-6 т. Движение можно открывать, когда из смеси начинает отжиматься чистая вода, не окрашенная вяжущим или активатором.

Для того, чтобы правильно определить время начала укатки ЛЭМС, в Гипродорнии были проведены исследования по скорости высыхания пастовых ЛЭМС при различных температурах и влажности воздуха и скорости ветра [3]. В результате была составлена номограмма (рис. 16).

Рис. 16. Номограмма для определения - времени высыхания битумного шлама в зависимости от климатических условий (температуры, относительной влажности воздуха и скорости ветра):

В - количество воды, %, которое нужно испарить В=В_щ-W; а - относительная влажность воздуха, %

В основном, время высыхания ЛЭМС с эмульгатором - известью - при температуре +20°С, относительной влажности воздуха 60% и скорости ветра 2-3 м/с не превышает 3 ч. Использование волокнистого наполнителя увеличивает время высыхания слоя ЛЭМС до 8 ч.

Для смесей сларри сил I типа гранулометрии (песчаный) во Франции время полного высыхания составляет 6-8 ч при температуре воздуха +10°С и относительной влажности воздуха 50%.

Для слоя ЛЭМС на участках с небольшой интенсивностью движения, где возможны большие сдвигающие усилия (участки с частым торможением транспортных средств) или в холодное дождливое время года после высыхания смеси до влажности 6-8%. рекомендуется доуплотнять слой легкими (массой до 5 г) гладко-вальцовыми катками или самоходными пневмокатками (массой 8-10 т). Комбинированные слои из ЛЭМС и черного щебня следует уплотнять более легкими пневмокатками (массой 4-6 т).

Окончательное доуплотнение и формирование материала из литых ЭМС происходит под действием движения транспортных средств. При этом в течение некоторого времени, которое зависит от погодных условий и состава смесей, обязательна регулировка движения - снижение скорости, исключение торможений, резких поворотов и ускорения. Для смесей типа сларри сил это время равно времени полного высыхания смеси - от 0,5 до 8 ч. Для пастовых ЛЭМС движение автомобилей ограничивается в течение 3-7 сут. на дорогах с интенсивным движением и до 15 сут. на дорогах с малоинтенсивным движением.

5.6.3. Увлажненные ОМС и связные ЭМС

Для увлажненных ОМС и связных ЭМС процесс уплотнения играет важную роль в формировании материала. Однако процессы структурообразования под воздействием движения транспортных средств являются основными.

Пластичные ОМС, к которым относятся увлажненные смеси, могут довольно длительное время и в широком диапазоне температур оставаться однородной системой. Такие системы характеризуются большим содержанием вяжущего, часто маловязкого. При этом замечено, что ОМС имеет более стабильные свойства, если изменения его структуры, вызванное окислением (старением) органического вяжущего, уплотнением смеси и т.п., происходят не слишком резко, в оптимальные сроки [29]. Сохранение однородной структуры смеси, а следовательно и более высокое качество слоя, обеспечивают в период эксплуатации качество поверхности покрытия, соответствующее принятым нормам, и его долговечность.

В соответствии с основными теоретическими предпосылками [28], достичь плотной и однородной структуры материала можно двумя способами - увеличением уплотняющей нагрузки или уменьшением внутреннего трения системы путем введения пластификатора. Второй путь наиболее целесообразен, так как вводимые в состав смеси специальные добавки, поверхностно-активные вещества одновременно улучшают ее свойства.

Поскольку связные ЭМС и материалы на вспененном битуме формируются путем уплотнения, технология и процессы которого рассмотрены и изучены многими исследователями, то ниже будут рассмотрены только два материала - ВОМС и НГ.

Условием успешного применения ВОМС является присутствие в их составе достаточного количества мелкодисперсных фракций в сочетании с оптимальной пористостью смеси, обеспечивающей условия миграции свободной воды, которая используется для улучшения условий смачивания минеральных частиц органическим вяжущим, т.е. играет роль пластификатора. Оптимальный состав ВОМС, в том числе воды и органического вяжущего, подбирается в зависимости от свойств имеющихся местных материалов, категории дороги, климатических и эксплуатационных факторов.

Как показали результаты исследований [6, 28], в момент обволакивания органическим вяжущим минеральных зерен в смесях типа ВОМС или ИГ происходит вытеснение определенного количества воды с поверхности зерен в поровое пространство. Если остаточная пористость пластичных смесей меньше оптимальной, то это затрудняет миграцию свободной воды и не позволяет в оптимальные сроки сформировать структуру этих материалов. Поэтому после открытия движения по несформировавшемуся покрытию, особенно, если проходят большегрузные автомобили, на нем возникают дефекты вплоть до разрушения слоя. Для нефтегравия рекомендована плотная смесь со степенью заполнения пор вяжущим - 40%. Для ВОМС, главным образом, используется пористая смесь с заполнением пор вяжущим не более 30%. Эта особенность подбора и назначения состава определяет и область применения смесей - для НГ дороги с интенсивностью движения до 1500 авт./сут.. и не более 20% грузовых автомобилей, а для ВОМС - до 3000 авт./сут.. и более 50% грузовых автомобилей.

При уплотнении ВОМС катками вода с поверхности минеральных материалов вытесняется органическим вяжущим частично к поверхности уплотняемого слоя, частично проникает в нижний слой. В процессе эксплуатации оставшаяся вода облегчает испарение летучих компонентов органического вяжущего, вследствие чего формирование материала покрытия происходит достаточно быстро, но в оптимальные для него сроки.

Предварительное уплотнение наиболее целесообразно проводить пневмокатками, так как катки гладковальцовые, заглаживая поверхность материала, затрудняют процесс испарения воды из смеси. Это не позволяет получить необходимые начальные физико-механические свойства материала, которые влияют на сроки открытия движения транспортных средств и создают предпосылки для возникновения дефектов покрытия.

Вода, присутствующая в ВОМС, положительно воздействует на процесс уплотнения, снижая внутреннее трение минеральных частиц, а это способствует повышению степени уплотняемости смеси при сохранении оптимальной пористости.

Вытеснение воды при формировании структуры ВОМС в поровое пространство происходит таким образом, что на минеральных зернах формируется тонкая пленка органического вяжущего в присутствии структурирующей добавки (извести или цемента), которая сочетает в себе жесткость и эластичность, упругость и пластичность.

При формировании материала из нефтегравия, пористость которого недостаточна, чтобы обеспечить свободную миграцию воды, а уплотняющая нагрузка большая, происходит защемление воды между сравнительно толстыми слоями маловязкого органического вяжущего. Смесь будет плохо уплотняться, ее уплотняемость значительно снизится.

Рис. 17. Зависимость уплотняемости ВОМС от температуры уплотнения при нагрузках:

Р₁ = 400 кг/м²; Р₂ = 200 кг/м²

Уплотняемость - одна из основных технологических характеристик смеси - это способность материала изменять свой объем под действием уплотняющей нагрузки. Характер зависимости уплотняемости ВОМС от температуры уплотнения показан на рис. 17. Анализ приведенных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что максимальный эффект уплотнения ВОМС будет проявляться в интервале температур -10 - +15°С [28].

Движение транспортных средств открывают сразу после уплотнения слоя с ограничением скорости движения до 40 км/ч на сутки для ВОМС и на 6-7 сут. для нефтегравия.

5.7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОКРЫТИЯ

При ремонте и содержании дорожных покрытий важно обеспечить шероховатость их поверхности. Наряду с известными способами - втапливанием щебня, устройством поверхностных обработок и подбором многощебенистых смесей - могут применяться и различные технологические приемы. Один из таких приемов - использование обрезиненных катков - описан в разделе 5.6, но существуют и более сложные технологии. Так, например, во Франции для придания шероховатости старым покрытиям из асфальтобетона использовалась специальная машина, обрабатывающая покрытие вертикальной струей воздуха со стальными шариками. В основном такие методы применялись для асфальтобетонных покрытий. Однако существуют технологии для повышения шероховатости тонких защитных слоев, устроенных горячим способом.

Так, в Германии при устройстве тонкослойных покрытий из ЩМА, которые приобретают свою шероховатость только после истирания пленки мастики, начальная шероховатость, особенно летом в жаркую погоду, достигается путем посыпания и втапливания дробленого песка или обработанного битумом щебня размером зерен 2-5 мм в горячую смесь [30].

Другой способ придания шероховатости поверхности покрытия из ЩМА непосредственно после строительства или ремонта его состоит в удалении верхней пленки мастики с поверхности каменного материала механическими способами (металлическими щетками) или путем применения высокоэнергетических электромагнитных волн (в Германии с помощью лазерного устройства).

Оценка различных способов получения шероховатости была проведена в лабораторных условиях на основании измерения показателя сцепления по методу SRT [31].

Результаты механической обработки образцов покрытия из ЩМА с помощью проволочной щетки показали снижение показателя сцепления примерно на 10-15%, при этом может происходить механическое повреждение поверхности образца.

Газопламенная обработка позволяет повысить показатель сцепления, но сажу с поверхности приходилось удалять проволочной щеткой. В результате показатель сцепления снижался практически до исходного значения.

Обработка поверхности образца лазером дает возможность удалить битумную пленку и обнажить щебеночные частицы, не нарушая связей между ними. Глубину обработки можно изменять путем оптимизации технологических параметров. Однако практическая реализация этого метода пока не достигнута, так как производительность его оказалась слишком мала. Тем не менее работы в этом направлении продолжаются.

6. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ОМС В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящее время во многих странах Европы, в США и в некоторых странах Азии и Африки все большее внимание привлекают материалы для содержания автомобильных дорог с целью продления сроков их службы и получения необходимого качества поверхности покрытия.

Тонкие слои износа из ЭМС известны давно. Первые такие слои на основе анионных эмульсий появились в европейских странах с теплым климатом - Франции, Испании. Они имели длительный срок формирования (до 10 ч), и поэтому, когда резко выросла потребность в быстром ремонте покрытий, уступили место смесям на основе катионных эмульсий. Эти эмульсии были быстрораспадающимися, могли применяться во влажном прохладном климате и поэтому получили широкое распространение в таких странах, как Англия и Германия. В то же время появилась необходимость совершенствовать парк машин для приготовления и укладки таких смесей, так как успех их использования на основе катионных эмульсий связан с точностью соблюдения рецептуры и быстротой укладки и уплотнения. В дальнейшем были разработаны передвижные мобильные установки, которые позволили приготавливать и сразу же укладывать смеси. Время формирования таких смесей сократилось до 10-30 мин. Это дало возможность применять их на дорогах с интенсивным движением, но поставило задачу совершенствования рецептуры смесей.

В 70-е годы в США появляется новый материал для тонких защитных слоев, названный сларри сил. Он может изготавливаться как на анионных, так и катионных (что предпочтительнее) эмульсиях. Эта смесь обеспечивает водонепроницаемость и шероховатость покрытия типа «наждачной бумаги», удобна при использовании, быстро формируется, но для дорог с высокой интенсивностью и скоростью движения шероховатость покрытия из нее недостаточна. Тем не менее эти слои широко применяются во многих странах для повышения качества содержания покрытий автомобильных дорог.

В 80-х годах распространение получили модифицированные битумы, что позволило увеличить размер и количество щебеночных фракций в смесях типа сларри сил. В некоторых странах такие смеси получили название microsurfacing. После совершенствования технологии их приготовления эти смеси стали широко применяться на грузонапряженных участках дорог, а также на высокоскоростных магистралях и городских улицах, поскольку слои ms прочно удерживают щебень на поверхности дорог в отличие от классических поверхностных обработок.

Однако остаются проблемы содержания слоев ms, так как они имеют небольшой срок службы.

Технология приготовления и укладки асфальтобетонных смесей постоянно совершенствуется, появляются органические вяжущие более высокого качества, пополняется и расширяется рынок ПАВ и добавок. В конце 80-х годов в Европе и Австралии получили распространение тонкие, а затем и сверхтонкие защитные слои износа из горячих асфальтобетонных смесей, устройство которых связано со строгим соблюдением рецептуры и технологии производства.

Одновременно в странах Европы и США возникает проблема строительства покрытий для сезонных, сельскохозяйственных дорог и дорог с малой интенсивностью движения, в составе которых невыгодно использовать дорогостоящие высококачественные материалы. В 60-е годы в Германии появляется материал на основе разжиженных битумов и местных минеральных материалов, в основном, песков. Технология его приготовления и использования основана на принципах получения укрепленных органическим вяжущим грунтов, т.е. в составе таких смесей появляется вода в оптимальном для данного местного материала количестве. Улучшения сцепления влажного минерального материала с органическим вяжущим добиваются путем применения добавок активаторов - извести и цемента - и вязких битумов с ПАВ, разжиженных до необходимой вязкости, по возможности, летучими растворителями - например, керосином. Такой материал был назван Naβ-Sand - «влажный песок».

В Финляндии, где имеются довольно большая сеть дорог с малоинтенсивным движением и значительное количество карьеров каменного материала, разрабатывается состав на основе очень маловязкого органического вяжущего, названный нефтегравий.

Довольно быстро (конец 60-х - начало 70-х гг.) дороги Германии и Финляндии с малоинтенсивным движением, сезонные и сельскохозяйственные стали строиться с твердым покрытием и темп развития дорожных материалов в этом направлении в Европе упал.

Для повышения качества асфальтобетонной смеси еще в 30-е годы в развитых странах применяли обработку ее паром. Затем работы в этом направлении практически прекратились. Но в 70-х годах интерес к таком материалу появляется вновь на новом уровне. Было предложено не пропаривать готовую асфальтобетонную смесь, а вспенивать битум путем соединения его с небольшим количеством воды или пара. Для этого были разработаны специальные камеры и форсунки. Однако большого распространения метод пока не получил. Иногда смеси на вспененном битуме называют асфальтовыми смесями с дисперсным битумом [13]. Такие смеси, являясь смесями на вспененном битуме, имеют и некоторые отличия. Применяются они часто в холодном состоянии.

6.2. КРИТЕРИИ ВЫБОРА СПОСОБОВ СОДЕРЖАНИЯ ДОРОГ

Все дорожные покрытия подвергаются воздействию климатических и эксплуатационных факторов. Покрытие изнашивается, появляются дефекты в виде выбоин, выкрашивания, трещин, колейности и т.п.

За рубежом часто при назначении мероприятий по содержанию дорог руководствуются критерием комфортности проезда по дороге К_к. При К_к = 10 состояние покрытия считается очень хорошим, при К_к = 4,7 - хорошим и при К_к = 2 - плохим. Если К_к = 3-4,5, то назначается устройство защитных слоев из сларри сил или ms, если К_к = 2-3, то рекомендуется ремонт покрытия тонкими и сверхтонкими слоями из ОМС горячей укладки, если же К_к падает ниже 2, то необходима укладка слоя из ОМС толщиной 6-8 см и более.

При этом «лечение» трещин на дорожном покрытии с помощью тонких и сверхтонких слоев целесообразно только, если пластичность по Маршаллу при температуре 15°С для материала ремонтируемого покрытия будет не ниже 5.

В противном случае следует проводить средний ремонт дорожной одежды. Однако, если пластичность по Маршаллу составляет 2-5 и происходит интенсивное трещинообразование, замеченное в начале процесса (трещины имеют еще небольшую ширину раскрытия), но нет возможности сразу же произвести ремонт покрытия, допускается, как временная мера, замедляющая его разрушение, устройство тонких слоев из смесей сларри сил или ms. При этом необходимо учитывать, что в данном интервале пластичности, когда площадь поврежденных участков покрытия превышает 40% от общей площади повреждений, работы по поддержанию его поверхности в удовлетворительном состоянии с помощью тонких слоев холодной укладки обойдутся в 4-5 раз дороже, чем своевременное устройство таких слоев и недопущение разрушения покрытия [5].

Правильное и своевременное применение тонких слоев для осуществления мероприятий по содержанию покрытия позволяет значительно увеличить срок службы (почти в 4-5 раз), улучшая при этом его эксплуатационные показатели.

Область применения слоя ms, а также вязкость используемого для него вяжущего, во Франции четко регламентируются по величине предельного прогиба покрытия. Так, для дорог с высокой интенсивностью движения величина этого показателя под нагрузкой установлена в пределах 0,75-1,5 мм в зависимости от вязкости применяемого вяжущего и интенсивности движения грузовых автомобилей. При значениях прогибов, превышающих эти величины, предписывается устраивать тонкие слои толщиной до 4 см горячим способом. Опыт применения слоев ms при прогибах, превышающих указанные значения, показал, что трещины появляются в первые два года эксплуатации.

Кроме того, на выбор способа содержания покрытий влияют наличие дорожных материалов, оборудования для приготовления необходимой смеси и нанесения слоя, а также традиционные предпочтения тех или иных способов.

Существует три способа содержания дорожных покрытий:

• традиционные поверхностные обработки;

• устройство тонких слоев, укладываемых в холодном состоянии:

• устройство тонких слоев, укладываемых в горячем состоянии.

Для среднего ремонта рекомендуется применять следующие

• способы (в порядке возрастания капитальности ремонта):

• регенерация;

• устройство тонких слоев толщиной около 4 см из влажных смесей (ВОМС, НГ, смеси на вспененном битуме);

• устройство слоев из черного щебня толщиной 4-8 см.

В России способ содержания дорожных покрытий назначается исходя из необходимости улучшения показателей поверхности (износа, шероховатости) или для исправления незначительных дефектов (мелких колей, мелких трещин или сетки трещин, выкрашивания). При этом чаще всего по разным причинам своевременное содержание производится достаточно редко за исключением нанесения поверхностной обработки или слоев для повышения шероховатости, поэтому обычно осуществляется ремонт покрытий.

6.3. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ ИЗ ОМС ХОЛОДНОЙ И ГОРЯЧЕЙ УКЛАДКИ ЗА РУБЕЖОМ

За рубежом для содержания дорожных покрытий активно развивается индустрия устройства тонких слоев холодной и горячей укладки. При сравнительно невысоких затратах они способствуют улучшению и восстановлению шероховатости поверхности, обеспечивают сцепление колеса с мокрым покрытием, водонепроницаемость покрытия и устранение мелких дефектов поперечного профиля дороги.

Для устройства тонких и сверхтонких защитных слоев используется практически весь спектр материалов. Но в каждой стране по соответствующим причинам предпочтение может быть отдано разным материалам.

Некоторую трудность в интерпретации смесей, применяемых в разных странах, создает перевод их названий на язык другой страны, часто не отражающий терминологию, принятую в этих странах. Так, например, в соответствии с мнением специалистов разных стран, высказанном на IV Международном конгрессе ISSA [5], названия двух смесей на французском, английском и русском языке, наиболее часто встречающиеся в технической литературе, приведены ниже:

coulis (фр.) = slurry seal (англ.) = сларри сил = литые эмульсионно-минеральные смеси на эмульсиях с жидкими эмульгаторами;

enrobes coulis a froid = ECF (фр.) = «microsurfacing» (ms) (англ.) = литые эмульсионно-минеральные многощебенистые смеси.

В Германии обе эти смеси иногда объединяют под общим английским названием «slurry-surfacing».

Области применения тонких слоев для некоторых стран, определенные исходя из потребностей дорожной отрасли страны и наличия необходимых для их приготовления материалов, приведены в табл. 7 [5].

Из данных этой таблицы видно, что наибольшим спросом пользуются тонкие слои на городских дорогах, в основном, как защитный слой, обеспечивающий одновременно и необходимую шероховатость поверхности. Исключение составляют Австрия и Швейцария, для которых приоритетным направлением является обеспечение водонепроницаемости (Австрия) и шероховатости (Швейцария). В этих странах тонкие слои устраиваются, главным образом, на местных дорогах. Причем в Швейцарии в качестве заполнителя используется высокопрочный щебень, а в Австрии 65% каменного материала составляют дробленые шлаки с высокой прочностью.

Интересно, что в этих странах предпочтение отдают смеси типа ms и лишь в Швейцарии половина цветных покрытий устраивается из смесей сларри сил. Потребность в строительстве тонких слоев из горячих смесей в Австрии сокращается, не увеличивая при этом спрос на слои из ЭМС. А в Швейцарии наблюдается медленный, но неуклонный рост интереса к тонким слоям из ЭМС, использование же слоев из горячих смесей изначально незначительное.

Таблица 7

^х) Цифры даны в баллах

^хx) Нет цифровых данных

В обеих странах на дорогах, где уложены тонкие слои холодным способом, преобладает движение грузовых автомобилей. Причем на дорогах Швейцарии его интенсивность в 2 раза выше, чем на дорогах Австрии.

В Венгрии до 90-х годов применялись смеси сларри сил и ЛЭМС на твердых эмульгаторах, но в настоящее время в связи с возрастанием нагрузок и интенсивности движения они заменены на смеси ms.

Для Италии наиболее важны защита дорожных покрытий от климатических воздействий: от старения органического вяжущего в покрытии, обеспечение водонепроницаемости на автомагистралях и крупных государственных дорогах с одновременным повышением фрикционных свойств покрытия. Поэтому в этой стране для содержания дорог чаще применяются сверхтонкие шероховатые защитные слои горячей укладки.

Практически во всех странах существует проблема устранения в рамках проведения мероприятий по содержанию дорожных покрытий их активного или пассивного трещинообразования и замедления появления отраженных трещин. Для этого могут применяться два способа [5]:

- применение слоев из ЭМС с высоким содержанием вяжущего и добавлением минерального или органического волокна;

- устройство системы, состоящей из слоя-мембраны толщиной 1,5-3 мм с использованием модифицированного битума и слоя ЭМС или ЩМА с добавкой волокна [32]. Этот слой предназначен для защиты мембраны от воздействия климатических и эксплуатационных факторов.

Оба эти метода успешно применяются во Франции и Германии с 1990 г. и доказали свою эффективность для любых типов движения транспортных средств. Для грузонапряженных участков дорог с высокой интенсивностью движения грузовых автомобилей рекомендуется второй способ с перекрытием мембраны слоем ЩМА или сверхтонким слоем асфальтобетона (Германия).

Оба способа позволяют замедлить появление отраженных трещин в 1,5-2,5 раза вследствие снижения напряжения в верхнем слое дорожной одежды.

В странах Европы для содержания дорог с невысокой и средней интенсивностью движения по-прежнему широко применяется технология устройства поверхностных обработок. Большинство из них устраивается с использованием вяжущих, распределяемых в горячем состоянии. Но для обеспечения более легкого его розлива по поверхности покрытия, хорошей обволакивающей способности с целью гарантии удовлетворительного сцепления как с минеральным материалом, так и с основанием дорожной одежды, возникает необходимость изменять вязкость битумов, добавляя разжижители. Испарение таких разжижителей, увеличивая вязкость битумного вяжущего, обеспечивает хорошее формирование слоя поверхностной обработки и ее долговечность.

Во Франции значительную долю защитных слоев на городских улицах и местных дорогах составляют цветные покрытия. Поэтому классическую поверхностную обработку в этих случаях заменяют на тонкие слои из ms и сларри сил (рис. 18).

Рис. 18. Участок дороги из смеси сларри сил после двух лет эксплуатации:

а - общий вид; б - текстура поверхности

Эти слои часто укладывают при проведении профилактических мероприятий для содержания дорог. Возможность варьировать гранулометрический состав смесей, использовать модифицированные вяжущие, синтетические волокна и разнообразные пигменты, распределять эти смеси в один или два слоя позволяет применять их практически на любом покрытии с различной интенсивностью движения и грузонапряженностью.

Следует отметить, что во Франции предъявляются более четко сформулированные требования в области выбора вяжущего, так как существует жесткая конкуренция между вязкими битумами прямой перегонки и полимербитумами. Для приготовления холодных смесей, используемых как для устройства защитных, так и для конструктивных слоев, применяется 35% вяжущего - полимербитума, в основном, с добавкой стирол-бутадиеновых стиролов (СБС) или различных видов каучука и резиновой крошки.

В Южных Пиренеях использовали слой из смеси ms как промежуточный между слоем покрытия из асфальтобетона и классической поверхностной обработкой для улучшения сцепления и снижения уровня шума. При этом глубина шероховатости должна была оставаться на уровне поверхностной обработки.

На участках дороги с высокой интенсивностью движения легковых автомобилей такая конструкция позволила значительно снизить уровень шума и выкрашивание щебеночных фракций из поверхностной обработки. В течение шести лет эксплуатации она имела хорошие эксплуатационные показатели. На участках с высокой интенсивностью движения грузовых автомобилей слой ms устраивали на битумной эмульсии (битум применялся с добавлением полимера). В этом случае после восьми лет эксплуатации состояние покрытия характеризуется как хорошее.

На обоих участках этих дорог для ms применялся щебень размером зерен 0-4 мм, а для поверхностной обработки - 10-14 мм и 4-6 мм.

На участках дорог с высокой интенсивностью движения, где наблюдалось сильное выкрашивание и начиналось интенсивное трещинообразование, хорошие результаты показал метод устройства двойного слоя из ms с добавлением синтетических волокон. Первый слой устраивался из щебня размером зерен 0-4 мм с расходом 8 кг/м², а второй - из щебня размером зерен 0-6 мм с расходом 12-15 кг/м². В течение пяти лет эксплуатации целостность покрытия была обеспечена, дефектов на поверхности слоя износа не наблюдалось.

Во Франции на улицах городов и населенных пунктов смесь ms применяется уже более 10 лет. В этом случае кроме обычных целей (обеспечение шероховатости, водо- и износостойкости) важное значение приобретает критерий комфортности движения и снижение уровня шума. Кроме того, в населенных пунктах достаточно часто осуществляют замену и обновление дорожной разметки. Иногда это выполняется неряшливо и внешний вид дороги ухудшается. Устройство слоя ms позволяет решить эти проблемы, восстановить однородность поверхности покрытия и легко обновить разметку.

Причем во Франции рекомендуется каждые семь лет заменять слои износа. Это относится как к смесям, укладываемым в холодном, так и в горячем состоянии. С точки зрения охраны окружающей среды, предпочтение отдается развитию методов холодной укладки защитных и шероховатых слоев.

В то же время рынок тонких слоев горячей укладки в этой стране продолжает развиваться. До 30% покрытий отремонтировано с помощью тонких (толщиной до 4 см) и сверхтонких (толщиной до 2,5 см) слоев на основе битумного вяжущего. В среднем срок службы таких слоев до 8 лет. Эти слои не только восстанавливают поверхностные характеристики дороги, но и замедляют скорость накопления повреждений в процессе эксплуатации покрытия, что позволяет избежать усиления или реконструкции дорожной одежды.

При разработке составов смесей для сверхтонких слоев за основу берут состав, подобранный для тонких или обычных асфальтобетонных смесей, оптимизируют их путем увеличения содержания битума, подбора его вязкости и определения оптимального количества песчаных частиц.

Сверхтонкие слои рассматриваются как промежуточные между поверхностной обработкой и тонкими слоями асфальтобетона толщиной не более 4 см. Устройство таких слоев требует обеспечения надежного сцепления с ремонтируемым покрытием, они должны обеспечивать его водонепроницаемость и шероховатость. Улучшить удобоукладываемость таких смесей можно, несколько увеличив количество битума в их составе, но не более, чем на 0,7%. Это обосновано тем, что соотношение толщины слоя и среднего размера щебеночной фракции составляет 2/3-1. В этом случае риск колееобразования минимален.

Количество битума в сверхтонких слоях регулируется также и расходом вяжущего, используемого для подгрунтовки покрытия. Во Франции принято делать подгрунтовку повышенным содержанием вяжущего, а смесь для сверхтонких слоев - с минимальным его количеством. В этом случае развитие усадочных и отраженных трещин замедляется, уменьшается их количество, они «прорастают» не на всю ширину покрытия и имеют небольшую ширину раскрытия, к тому же летом под движением транспортных средств они могут закатываться.

За четыре года эксплуатации таких слоев на дорогах всех типов движения не было отмечено никаких дефектов. Однако при их укладке необходимо соблюдать ряд условий:

• материал нельзя применять в холодное время года, так как в тонких слоях он быстро охлаждается и не успевает достичь необходимой плотности при укатке (например, при укладке слоя при температуре воздуха 11-16°С температура смеси за 6 мин падает со 148°С до 96°С);

• остановки и задержки автоукладчика в процессе укладки слоя могут привести к тем же последствиям из-за быстрого охлаждения смеси;

• требования к ровности покрытия, на которое укладывается слой, предъявляются более жесткие, так как неравномерная толщина слоя, обусловленная неровностями покрытия, может привести к образованию колеи в местах, где его толщина превысит 4 см вследствие увеличенного количества вяжущего в составе смеси.

Следует отметить, что сверхтонкие слои обеспечивают прежде всего шероховатость и защиту покрытия от старения вяжущего, а его водостойкость - связующий подгрунтовочный слой. Поэтому, если необходимо добиться водостойкости покрытия, то целесообразно использовать слой ms. Его же можно применять в качестве связующего подгрунтовочного слоя.

Для Великобритании особенно важно защитить покрытие от проникания воды и обеспечить шероховатость покрытия, поэтому почти на всех дорогах используют слои ms (рис. 19), кроме автомагистралей, где применяют поверхностные обработки.

Рис. 19. Участок национальной дороги из ms после трех лет эксплуатации:

а - общий вид; б - текстура поверхности

В США основной целью является защита поверхности покрытия от старения, затем обеспечение водонепроницаемости, особенно городских дорог. Обеспечение шероховатости не является первоочередной задачей и поэтому основным каменным материалом для защитных слоев является известняк, на втором месте по частоте использования - гранитный материал и, в основном, на многополосных государственных дорогах. На дорогах с интенсивным движением грузовых автомобилей рекомендованы слои из ms, на всех остальных - сларри сил.

В Китае чаще всего на местных и национальных дорогах применяют тонкие горячие слои (рис. 20) с целью обеспечения шероховатости покрытий.

Рис. 20. Тонкий шероховатый слой из горячей асфальтобетонной смеси на автомобильной дороге Пекин-Лоян после двух лет эксплуатации:

а - общий вид; б - текстура поверхности

На федеральных дорогах Германии достаточно большой процент составляет движение грузовых автомобилей (около 50%). Вследствие этого преимущество получают тонкие и сверхтонкие го-???

 

держивается внутри слоя, а не на поверхности. В результате поверхность меньше отражает свет фар и разметка лучше видна, при этом уменьшается также эффект аквапланирования.

При использовании ЩМА следует учитывать ряд требований:

• тщательно выбирать толщину слоя ЩМА в зависимости от размера применяемого щебня, что особенно важно для дорог, движение по которым осуществляют автомобили с высоким давлением в шинах;

• применять вяжущие с высокой вязкостью, модифицированные полимерами или каучуками.

Общие требования к ЩМА пока не определены, так как в разных странах предъявляют к нему различные требования: количество пустот (пористость), коэффициент уплотнения материала, коэффициент заполнения пор вяжущим [33] и т.д.

Классификация ЩМА производится по величине используемых фракций щебня. Во Франции применяют щебень размером зерен 0/6, 0/8, 0/10; Венгрии - 0/8, 0/12; Англии - 0/6, 0/10, 0/14; скандинавских странах (Швеции, Норвегии) - 0/16 для дорог с высокой интенсивностью движения грузовых автомобилей.

Для дорог с тяжелым грузовым движением в ЩМА применяется щебень максимального размера и более вязкое вяжущее.

Разные климатические и эксплуатационные условия на дорогах европейских стран объясняют разброс требований к ЩМА в различных странах. Так, для регионов с сухим и теплым климатом допускаются более высокие величины пористости, а количество битума должно быть уменьшено по сравнению со смесями, применяемыми в северных влажных районах.

Гранулометрический состав смесей колеблется в небольших пределах, за исключением Скандинавии, где применение шипованных шин обусловило использование в ЩМА более крупного щебня.

Дармштадский технический университет провел детальное обследование состояния тонких слоев из различных материалов, применявшихся в Германии для устройства защитных слоев, и установил эффективность использования для покрытий из асфальтобетонных смесей тонких слоев, укладываемых холодным способом [34] (табл. 8).

Таблица 8

В этих слоях, применяемых для защиты покрытия от воздействия климатических и эксплуатационных нагрузок, в качестве вяжущего используются битумные эмульсии на основе битумов, модифицированных полимерами. Подбор составов таких смесей производится в соответствии с инструкцией [30]. Рекомендуемая средняя продолжительность эксплуатации различных защитных слоев в соответствии с ней приведена в табл. 9.

Таблица 9

В Испании были разработаны смеси для защитных слоев «третьего поколения», применяемые в холодном состоянии. Вызвано это было следующими причинами:

• поверхностные обработки имеют высокое качество, обеспечивают хорошую шероховатость и адгезию слоя, но технологически добиться такого качества очень трудно;

• тонкие горячие слои также имеют высокое качество, но стоимость таких слоев достаточно высока;

• тонкие холодные слои обеспечивают получение соответствующей структуры поверхности покрытия на городских дорогах, но эта структура не обладает достаточным качеством для применения их на автомагистралях и высокоскоростных дорогах с интенсивным движением.

Защитные слои «третьего поколения» отличаются от обычных тонких холодных слоев более высокими нормами расхода (15-20 кг/м²), применением крупного щебня (размером до 9 мм) и модифицированных вяжущих. Щебень для этих слоев используется чистый и труднополируемый. Асфальтовое вяжущее должно иметь высокое сцепление с каменным материалом и хорошо эмульгироваться. Эмульсии применяются как анионные, так и катионные.

Эти смеси укладываются двумя способами - в один слой толщиной 2-3 см и в два слоя. Первый слой со щебнем размером зерен 0/4 мм наносится на покрытие с небольшой нормой расхода, обеспечивает покрытою водонепроницаемость и служит подгрунтовкой для второго слоя. Второй слой со щебнем размером зерен до 0/9 мм и более наносится с более высоким расходом материала и придает защитному слою шероховатость и структуру поверхности, необходимую для эксплуатации на высокоскоростных дорогах.

С 1980-го года такая двухслойная система получила широкое распространение в Испании. Она применялась на автомагистралях, особенно в горных районах с низкими температурами воздуха и образованием гололеда в зимнее время. Срок службы таких слоев составил около 5 лет.

Возможность варьировать состав таких смесей позволяет применять их для любых типов движения.

6.4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ ИЗ ОМС ГОРЯЧЕЙ И ХОЛОДНОЙ УКЛАДКИ В РОССИИ

Как упоминалось выше, в 70-е годы битумные шламы (ЛЭМС) на основе местных материалов широко применялись в различных климатических и эксплуатационных условиях России.

Анализ результатов обследования (табл. 10) защитного слоя из ЛЭМС в южных регионах страны показывает, что их срок службы в среднем составляет 3 года даже при очень интенсивном движении транспортных средств (до 5000-6000 авт./сут..); износ покрытия - 3 мм за два года эксплуатации (более 50% толщины слоя); коэффициент сцепления, измеренный маятниковым прибором, снижается на 17-30% от первоначальной величины. Вызвано это применением для ЛЭМС дробленого гравия с количеством дробленых частиц, не превышающим 70% от их общего объема.

Использование гранитного щебня в средней полосе России при интенсивности движения 3000-6600 авт./сут.. и менее вязкого битума приводит к тем же результатам.

В условиях Сибири в порядке эксперимента был уложен защитный слой из ЛЭМС на автомагистрали с очень высокой интенсивностью движения (более 14000 авт./сут.). Износ слоя ЛЭМС на этом участке за три года достиг 100%, коэффициент сцепления упал на 40% от первоначальной величины и практически достиг значения, которое имело асфальтобетонное покрытие до устройства на нем защитного слоя.

Опыт показывает, что при соблюдении требований ВСН 27-76 [2] и применении материалов в соответствии с условиями эксплуатации дорожных покрытий защитные слои из ЛЭМС могут с успехом использоваться во всех климатических зонах, а при малоинтенсивном движении их срок службы будет увеличиваться.

Таблица 10

Преимуществом таких смесей является возможность применения в качестве эмульгаторов широкого спектра местных порошкообразных материалов, некоторые из которых требуют активации известью. При выборе каменных высевок следует учитывать, что диоритовый щебень сильно полируется, но имеет минимальную величину истираемости, а кварцевые и гранитные - лучше сохраняют шероховатость. Так, на слое с кварцевыми и гранитными высевками за три года эксплуатации коэффициент шероховатости снизился на 4-5% от первоначального значения, в то время как на слое ЛЭМС с диоритовыми высевками он снизился за этот же период на 7-10%.

Наилучшие показатели имеют слои из ЛЭМС, которые приготовлены на битуме с глубиной проникания иглы 45-90 дмм, худшие - на битумах с пониженной вязкостью марок 90/130 и 130/200 и жидких марок БНЖ во всех климатических зонах, особенно на дорогах с интенсивным движением.

Сравнение влияния защитного слоя из ЛЭМС и классической поверхностной обработки на характеристики покрытия было проведено в лабораторных условиях на образцах-балочках. При этом определяли плотности мелкозернистого асфальтобетонного покрытия, предел прочности при динамическом изгибе при температуре +20°С и коэффициент усталости образца на флексометре (табл. 11).

Таблица 11

Из приведенной таблицы видно, что ЛЭМС, практически не изменяя прочностных характеристик материала покрытия, значительно повышают его плотность, закупоривая поры верхнего слоя. В то же время поверхностная обработка, не влияя на плотность материала покрытия, более чем вдвое увеличивает его прочность при динамическом изгибе. Одновременно отмечено резкое повышение коэффициента усталости в образцах с поверхностной обработкой, что показывает, что можно ожидать высокой прогрессии в развитии трещин при циклических изгибающих нагружениях образцов. Результаты обследований соответствующих опытных участков подтверждают выводы, сделанные на основании испытаний лабораторных образцов: трещины на слое поверхностной обработки развиваются быстрее, особенно при интенсивном движении транспортных средств, на слое ЛЭМС даже при очень интенсивном движении наблюдается замедление развития трещин, в том числе и отраженных.

Таким образом, при оценке долговечности покрытия следует принимать во внимание наличие и тип защитного слоя.

Классическая поверхностная обработка предпочтительнее в условиях интенсивного движения грузовых автомобилей, т.е. когда покрытие имеет большой прогиб. При этом, особенно при высоких скоростях движения, к поверхности покрытия предъявляются повышенные требования в отношении ровности и ремонта трещин.

При средней и невысокой интенсивности движения обработка поверхности покрытия слоем ЛЭМС дает лучшие результаты как по сравнению с необработанным покрытием, так и с устройством поверхностной обработки. В этом случае срок службы защитного слоя ограничивается только его износостойкостью и истираемостью.

Учитывая все недостатки слоя ЛЭМС, в Гипродорнии были разработаны смеси ЛЭМСщ и БМО, аналогичные защитным слоям соответственно из ЛЭМС и поверхностной обработки, но с улучшенными характеристиками.

Опыт эксплуатации таких слоев показывает, что покрытия со слоем из ЛЭМСщ увеличивают коэффициент шероховатости в 1,5-3,0 раза, долговечность остается практически такой же, как в случае применения слоя из ЛЭМС. В то же время использование вместо поверхностной обработки слоя износа из тонких горячих смесей БМО шероховатость по сравнению с вновь устроенной качественной поверхностной обработкой повышается незначительно, но комфортность проезда по дороге и водонепроницаемость верхнего слоя покрытия возрастают в 4-5 раз.

Однако оба слоя (ЛЭМСщ и БМО), содержащие большое количество щебня (более 60%), требуют строгого соблюдения регламента и режима устройства этих слоев, тщательной организации производства, точного проектирования состава и строгого лабораторного контроля. При укладке и уплотнении необходима высокая степень механизации производства таких слоев. Все это мешает более широкому распространению слоев из БМО. Для использования слоев из ЛЭМСщ следует восстановить на новом более совершенном уровне, с точки зрения механизации работ, приготовление смесей типа ЛЭМС.

Опыт применения слоев из БМО на ряде федеральных дорог составляет уже около 5 лет и показывает, что при соблюдении всех требований они служат удовлетворительно.

Разрушений и дефектов, связанных с неблагоприятным влиянием климатических условий, при обследовании защитных покрытий из ЛЭМС, ЛЭМСщ и БМО не было выявлено. Большая часть дефектов этих защитных слоев, особенно из БМО (около 30%), связана с дефектами самого покрытия и несоблюдением режима и регламента устройства слоев (более 70% всех дефектов). При этом следует отметить, что слои из ЛЭМСщ, и в большей мере из ЛЭМС, существенно тормозят рост и раскрытие трещин и повышают долговечность покрытия.

6.5. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ ИЗ ВЛАЖНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ РЕМОНТА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

В Германии в последнее время на дорогах с низкой интенсивностью движения и местных дорогах горячим смесям все труднее выдерживать конкуренцию со стороны холодных, особенно в экономическом и экологическом планах.

Существующий опыт Германии по применению холодных смесей базируется на применении измельченного материала старых асфальтобетонных покрытий, так называемого асфальтового гранулята. Эта смесь обрабатывается битумной эмульсией, часто с добавкой цемента [35]. Соотношение цемента и битума принимается обычно равным 3:1, а воды и вяжущего - 0,86:1. При этом оптимальным оказалось общее содержание вяжущего в смеси около 7% по массе.

Готовить смесь предпочтительнее в стационарных установках. В этом случае более четко проявляются преимущества холодной смеси, которые обеспечиваются точным дозированием компонентов, равномерным ее перемешиванием.

Смеси такого типа могут, по данным немецких специалистов, без ограничений применяться на дорогах с любым классом нагрузки при проведении ремонта верхних слоев покрытий. Однако к устойчивости основания дорожной конструкции предъявляются особые требования по ровности и плотности.

При укладке смеси асфальтоукладчиком необходимо осуществлять предварительное уплотнение виброплитой, а окончательное, как для всякого тонкого слоя, вести сразу за укладчиком отрядом тяжелых катков.

Во Франции фирма J.Lefebvre с 1982 г. применяла при устройстве поверхностной обработки вспененный битум. Такие обработки рекомендованы для дорог с интенсивным скоростным движением грузовых автомобилей.

Известно, что для поверхностной обработки необходимо вяжущее, соответствующее одновременно двум противоположным требованиям. С одной стороны, для эффективной обработки минерального материала рекомендуется жидкое вяжущее с вязкостью менее 700 пуаз, а с другой - необходима его высокая вязкость с тем, чтобы после остывания было обеспечено сцепление минерального материала с покрытием, во избежание выкрашивания щебня из поверхностной обработки под воздействием движения транспортных средств. Во Франции решали эту проблему, применяя органические разжижители для вязких битумов или используя в качестве вяжущего битумную эмульсию. Однако технические трудности в первом случае и большая зависимость от погодных факторов во втором заставили искать новые пути решения. Одним из них является применение вспененных битумов.

Суть этого метода состоит в распределении по покрытию слоем толщиной, вдвое меньшей максимального размера щебня, вспененного битума, причем вспенивание должно происходить через несколько секунд после его розлива. Вспененный битум получают путем введения в него воды при высокой температуре непосредственно в сопле распределителя вяжущего (автогудронатора). Когда битум вспенится, сразу же распределяют щебень. Битум в виде пены обволакивает щебень, а после ее распада производится уплотнение слоя, обеспечивающее прочное закрепление щебенок на поверхности покрытия и сцепление между их боковыми сторонами через пленку вязкого битума.

Применение слишком вязкого битума повышает хрупкость его пленки в зимний период, поэтому для климатических условий Франции рекомендован битум с глубиной проникания иглы 40-150 дмм. Возможно введение в вяжущее специальных добавок для улучшения его сцепления с каменным материалом и более эффективного вспенивания.

Использование этого метода позволяет получить устойчивую к касательным напряжениям поверхностную обработку однородной структуры, которая при правильном выборе марки и количества битума и щебня летом не «выпотевает» и не выкрашивается зимой под действием движения транспортных средств.

Окончательное формирование слоя поверхностной обработки, устроенной с помощью вспененного битума, завершается сразу после уплотнения. Этот метод рекомендуется как для устройства однослойной, так и двухслойной поверхностной обработки.

Наблюдения в течение 5 лет за участками с такой обработкой показали хорошее качество их поверхности, которое соответствует уровню при применении улучшенных или модифицированных битумов, но по стоимости битумной эмульсии. Однако сложности технического осуществления этого метода не позволили достаточно широко его использовать.

Кроме поверхностной обработки вспененный битум может служить вяжущим и для устройства слоев износа холодной укладки. Это направление разрабатывается в Австралии.

Вспенивание битума обычно производят путем впрыскивания определенного количества воды в специальную камеру. Хорошее качество обработки минеральной части смеси обеспечивается за счет увеличения объема пены. Предлагаемый метод состоит в раздельной обработке вяжущим двух фракций смеси [36]. Причем щебень крупнее. 4,75 мм обрабатывается концентрированной (более 60% битума) катионной битумной эмульсией, а более мелкий - вспененным битумом.

Для вспенивания используют специальные добавки как в битум, так и в воду, чтобы получить устойчивую пену большого объема. При одновременном их введении происходит увеличение объема в 14,5 раза за 1 мин. Увлажнение минеральных материалов водой с добавкой 0,1% ПАВ перед обработкой его вспененным битумом считается весьма эффективным. Общее количество вяжущего в смеси составляет 5-6%, максимальный размер применяемого щебня - 20 мм.

Возможно получение черного щебня методом обработки его вспененным битумом. Такую смесь можно заготавливать впрок и хранить как в штабелях, так и в специальных бункерах в течение месяца. Эти смеси обычно используются в Австралии для ямочного ремонта или устройства тонкого замыкающего защитного слоя. Движение по такому слою открывают сразу после окончания уплотнения.

Отмечается, что использование метода обработки щебеночной смеси двумя вяжущими - эмульсией и вспененным битумом - позволяет получать материал, более стойкий к климатическим и эксплуатационным воздействиям, чем при ее обработке одним каким-то видом вяжущего.

В Канаде и Великобритании вспененный битум применяется для ремонта дорог, в Канаде и Австралии - для холодной регенерации покрытий.

В Великобритании такие смеси обычно используются на дорогах с любой интенсивностью движения. Отмечается высокое качество защитных слоев из смесей на вспененном битуме, невысокая их термочувствительность, хорошая устойчивость против колееобразования, короткий срок формирования слоя. Однако установлено, что тонкие усталостные трещины в таких слоях появляются значительно быстрее, чем на покрытии из горячих смесей, но развиваются они медленнее и ширина их раскрытия меньше.

В США вспененные битумы применяются для создания мастик и гидроизоляционных слоев наряду с синтетическими смолами. Это позволяет получать материалы с низким расходом битума и высокими гидроизолирующими свойствами.

В Финляндии для дорог с небольшой интенсивностью движения, а также для ямочного ремонта была предложена щебеночно-песчаная смесь с маловязким вяжущим - нефтегравий (НГ).

НГ может быть заготовлен впрок и храниться в штабелях. При этом количество вяжущего в смеси несколько повышается по сравнению со смесью, используемой сразу после приготовления.

Для ямочного ремонта применяют мелкозернистую смесь со щебнем размером не более 10 мм. При этом важно тщательно подготовить ямки-выбоины - произвести очистку их о г пыли, обрубить края, просушить. Уплотнение в этом случае производится виброплитой асфальтоукладчика или под движением транспортных средств.

Критерием качества дорог в Финляндии являются средние значения глубины колеи в мм и значение продольной ровности (IRI, мм/м). Все остальные дефекты поверхности покрытия, а также шероховатость оцениваются визуально для установления общего суммарного количества повреждений, оцениваемого в м²/100 м. Поэтому в перечень необходимых мероприятий по содержанию дорог устройство защитных слоев для улучшения фрикционных свойств в Финляндии не входит [5]. Слой из НГ рекомендуется как слой износа или для исправления профиля дороги, т.е. для ремонта колейности и ямочного ремонта.

Обновление и выравнивание верхнего слоя покрытия может производиться путем его фрезерования, перемешивания и добавления необходимого количества свежей смеси НГ. Уплотнение осуществляется катком или груженым автомобилем. Такие работы выполняются обычно в теплое время, т.е. при температуре воздуха не ниже +20°С.

Слой из обновленной нефтегравийной смеси рекомендуется укладывать как можно быстрее, чтобы он частично вдавился в старый нижележащий слой покрытия. В этом случае появляется возможность устройства достаточно тонкого слоя из НГ (толщиной менее 3,2 см) с расходом смеси 40 кг/м². Такие слои в Финляндии называются поверхностной обработкой нефтегравийной смесью.

Поскольку НГ «мягкое» покрытие, то плохие погодные условия и высокая интенсивность движения отрицательно влияют на его состояние, особенно в жаркую летнюю погоду или прохладную, дождливую осенью.

Материал этот не нашел широкого применения в других странах, но в Финляндии используется достаточно часто.

В 90-х годах на основе НГ, но с применением отечественных материалов, в России в Ленинградской области был использован аналогичный материал - рыхлосвязанные органоминеральные смеси (РОС) - для дорог IV категории с интенсивностью движения до 1000 авт./сут. при условии, что количество большегрузных автомобилей составляет не более 20% от общего их количества.

Были построены опытные участки протяженностью около 6 км. Шероховатость слоя обеспечивалась за счет высокого содержания щебня в смеси (около 50%). Так как покрытие из РОС характеризуется невысокой структурной прочностью и при уплотнении не образует монолитный каркас, его использовали как защитный слой, устраиваемый на ровном, прочном и с хорошо обеспеченным водоотводом основании. Кроме того, для хорошего сцепления основание должно иметь шероховатую поверхность. Подгрунтовка органическими вяжущими в этом случае не рекомендуется.

Дальнейшего распространения слои из РОС в России пока не получили.

ВОМС, близкие по составу к НГ и РОС, разработанные в Гипродорнии, значительно лучше адаптированы к климатическим и эксплуатационным условиям России, их можно готовить на основе разнообразных местных минеральных и органических материалов. Опыт применения ВОМС в различных климатических и эксплуатационных условиях России показал широкие возможности использования местных материалов для получения экономичного и эффективного материала для ремонта дорожных покрытий.

Кроме того, исследованиями установлено, что ВОМС, обладая высокой эластичностью, могут достаточно долгое время работать в дорожной конструкции в стадии необратимых деформаций без образования трещин и пластических деформаций. В связи с этим они представляют интерес, с одной стороны, как материал для конструктивных слоев местных дорог с движением большого количества грузовых автомобилей, где допускаются относительно высокие остаточные деформации, а с другой - как материал для промежуточных слоев, препятствующих развитию и распространению трещин (рис. 21).

Рис. 21. Участок дороги III категории из ВОМС толщиной 3,5 см во II дорожно-климатической зоне:

а - общий вид на четвертый год эксплуатации; б - текстура поверхности слоя из ВОМС на четвертый год эксплуатации; в - текстура слоя из ВОМС на второй год эксплуатации (внизу), трещина на полосе покрытия из горячего мелкозернистого асфальтобетона, уложенного одновременно с покрытием из ВОМС (вверху)

Наилучшими физико-механическими показателями обладает смесь, которая формируется при интенсивности движения более 2000 авт./сут. при наличии не менее 50% тяжелых грузовых автомобилей.

В России строительство покрытий из ВОМС было начато в 1979 г. и к 1989 г. было построено более 3 тыс. км дорог с таким покрытием в различных климатических и эксплуатационных условиях и на основе различных местных материалов. Для оценки состояния покрытий проводилось их регулярное обследование с отбором вырубок и определением физико-механических свойств материала.

При правильном подборе состава смеси и соблюдении технологического регламента приготовления и применения смеси ни в одной дорожно-климатической зоне существенных дефектов или разрушений покрытий не наблюдалось. Было установлено, что материал из ВОМС с физико-механическими показателями, соответствующими требованиям ТУ 218 РСФСР 536-85 [9], обеспечивает нормальную эксплуатацию покрытий в I-V дорожно-климатических зонах в течение 5-7 лет, не требуя проведения ремонтных работ, а также выявлена хорошая работоспособность материала как в условиях повышенных температур (V дорожно-климатическая зона), так и резко континентального климата (I дорожно-климатическая зона).

Отмечено, что остаточная пористость ВОМС снижается в процессе эксплуатации покрытия, т.е. плотность повышается и достигает максимального значения к 4-6 годам. В дальнейшем она практически не изменяется в течение 4-5 лет. Наблюдения за участками были прекращены после 8-10 лет их эксплуатации. К этому времени 56% покрытий из ВОМС еще находились в хорошем состоянии, на 34% начали появляться незначительные пластические деформации и около 10% требовали ремонта.

Необходимо отметить, что слои из ВОМС обладают невысоким коэффициентом шероховатости, если не были применены дополнительные методы обработки поверхности или подбора специальных составов. Кроме того, в местах частых торможений, особенно если количество грузовых автомобилей в составе движения недостаточное, могут появляться пластические деформации.

Однако для ремонта покрытий ВОМС является идеальным материалом. Эту смесь можно заготавливать впрок и хранить в штабелях. Она имеет хорошее сцепление с ОМС любого типа, а также с необработанным щебеночным покрытием. Более равномерному распределению смесей с заполнением всех неровностей и трещин ремонтируемого покрытия способствует увлажнение его поверхности. Под-грунтовка органическим вяжущим при этом исключается. Работы можно проводить до температуры воздуха -12°С, укладывать смеси на влажное, но не мокрое основание и при высокой влажности воздуха.

При ремонте значительной площади покрытия необходимо учитывать, что толщина укладываемого слоя из ВОМС не должна быть менее 3,5 см.

В Ростовской области, где ВОМС в большом количестве использовали для строительства выравнивающего слоя и текущего ремонта, в течение 2 лет было использовано более 45 тыс.т смеси. Обследования показали, что дефектов и разрушений на отремонтированных участках не наблюдается.

Таким образом, опыт применения ВОМС для строительства и ремонта покрытий показал, что, используя в их составе местные материалы, можно значительно снизить стоимость работ без ухудшения транспортно-эксплуатационных качеств дорожных покрытий.

Покрытия из ВОМС обладают высокой устойчивостью против образования трещин и пластических деформаций, которые характерны для асфальтобетонов (в том числе и в весенний период работы дорожных конструкций).

Такое свойство материала из ВОМС, как высокая пластичность, дает возможность проводить ремонтные работы без разогрева поверхности покрытий, обрубки и обмазки горячим битумом кромок, т.е. с применением минимального набора машин и механизмов.

Высокая работоспособность покрытий из ВОМС подтверждена практикой их эксплуатации в условиях грузонапряженных дорог Московской области и в экстремальных климатических условиях Хабаровского края и Магаданской области.

На смесь разработаны и утверждены технические условия [9] и рекомендации [37].

За период 1985-1989 гг. было построено порядка 3 тыс. км дорог с применением ВОМС. Для текущего ремонта использовано 105 тыс. т смеси, в том числе для ремонта необработанных щебеночных покрытий - 30 тыс. т.

6.6. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЩЕБНЯ, ОБРАБОТАННОГО ОБРАТНОЙ ЭМУЛЬСИЕЙ

В России в связи с разнообразными климатическими условиями для дорожных работ применяются эмульсии как прямого, так и обратного типа. Причем использование прямых эмульсий ограничено, как правило, II-III дорожно-климатическими зонами при температуре воздуха не ниже +5°С. Так как покрытие, устроенное с их помощью, не успевает сформироваться за короткий период теплой погоды, в I дорожно-климатической зоне их применение не рекомендовано. Укладку дорожных покрытий с применением прямых эмульсий целесообразно проводить в такое время года, когда исключается совместное действие переменных температур и воды, а также в периоды затяжных дождей. Погода I дорожно-климатической зоны характеризуется именно такими параметрами.

Кроме того, если формирование покрытия происходит при температуре ниже +10°С, то пленка вязких дорожных битумов, выделившаяся при распаде прямых битумных эмульсий, долгое время остается рыхлой и водопроницаемой.

Применение эмульсий обратного типа позволяет устраивать дорожные покрытия при неблагоприятных сочетаниях погодных факторов (температуры и влажности), используя влажный материал. Обратные эмульсии обладают повышенной вязкостью по сравнению с прямыми, прочным сцеплением с каменным материалом, определяемым свойствами применяемого вязкого битума. Пленка битума, выделившаяся при распаде обратной эмульсии, даже при температуре воздуха до 0°С становится плотной и водонепроницаемой уже через 10-30 мин после обработки. Щебень, обработанный такой эмульсией, не смерзается при температуре воздуха до -10°С.

Поэтому наиболее широкое применение в Мурманской области (I дорожно-климатическая зона) уже в течение 15 лет находят покрытия из щебня, обработанного обратной битумной эмульсией.

Возможность производства работ холодным способом обусловлена малой вязкостью эмульсии и способностью вяжущего восстанавливать свои первоначальные свойства при контакте эмульсии с минеральным материалом.

При обработке влажного минерального материала обратной эмульсией обеспечивается лучшее и более равномерное обволакивание частиц с образованием вокруг них битумной пленки. После распада эмульсии и восстановления вязкости вяжущего покрытие не уступает по качеству покрытию, устроенному с помощью горячего битума той же вязкости.

Необходимо отметить, что качество обволакивания обратной эмульсией зависит не только от влажности минерального материала, но и от количества мелких фракций в нем. Для обработки минеральных смесей плотного состава такие эмульсии малопригодны, так как мелкие и пылеватые частицы с большой удельной поверхностью адсорбируют значительное количество вяжущего и крупные фракции остаются необработанными. А прочный гранитный щебень и гравий смачиваются обратной эмульсией при любой влажности. Смачивание ею влажных материалов кислых пород и основных пород с влажностью, превышающей 2%, обеспечивается только после активации их поверхности известью.

Обработанный обратной эмульсией минеральный материал обладает хорошей удобоукладываемостью при температуре воздуха до -10°С как сразу после обработки, так и после хранения в штабелях в течение 6-10 месяцев.

В Мурманской области для приготовления обратных эмульсий применяется эмульгатор с высоким содержанием фенольных соединений - сланцевое масло (г. Сланцы Ленинградской области) в количестве до 25% и битум марок БНД 60/90 и 90/130 в количестве 55-65%. Вязкость получаемой эмульсии должна находиться в интервале С⁵₆₀ = 30-130 с. Для приготовления черного щебня применяется прочный кварцитовый щебень марки 1000-1400 с добавлением активатора - извести. Влажность щебня при обработке, нагретого до температуры 60°С, составляет около 2%.

Щебень обрабатывается в обычном двухвальном смесителе небольшим количеством эмульсии (до 6%).

Длительная эксплуатация покрытий из черного щебня в Мурманской области показала их хорошую устойчивость при экстремальных климатических условиях и эксплуатационных нагрузках.

Обследования этих покрытий, проводившиеся в течение 6 лет, не выявили практически никаких деформаций покрытия, тогда, как горячий асфальтобетон, приготовленный на тех же материалах и эксплуатировавшийся в аналогичных условиях, разрушился в течение 2-3 лет.

Шероховатость покрытия из черного щебня отвечает требованиям для дорог II-III категорий (рис. 22). Даже на больших продольных уклонах на них не наблюдается сдвиговых деформаций в течение 7-9 лет.

Рис. 22. Участок дороги с покрытием из черного щебня, обработанного обратной битумной эмульсией, после 7 лет эксплуатации в I дорожно-климатической зоне:

а - общий вид; б - текстура поверхности

Срок службы таких покрытий в Мурманской области на федеральной дороге III категории без проведения текущего ремонта составляет в среднем около 10 лет. Интенсивность движения на этих участках около 2000 авт./сут., из них 30-35% составляют тяжелые грузовые автомобили.

Водоустойчивость таких покрытий обычно составляет 0,95.

Таким образом, применение обратных эмульсий для условий I дорожно-климатической зоны имеет существенные преимущества перед горячими ОМС.

В 1996 г. были разработаны технические условия на применение черных щебеночных смесей для покрытий, в том числе и для I дорожно-климатической зоны [19].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время в большинстве стран, имеющих развитую сеть автомобильных дорог, все более насущной становится проблема их содержания и продления срока службы. В то же время условия их эксплуатации требуют устройства слоев износа с повышенной шероховатостью. Снижение финансирования дорожной отрасли практически во всех развитых странах не позволяет устраивать дорогостоящие асфальтобетонные слои толщиной 4-8 см. Поэтому большое внимание уделяется тонким и сверхтонким слоям покрытия из различных органоминеральных материалов как на основе вязких и жидких битумов, битумных эмульсий, так и с применением других органических вяжущих - гудронов, смол, тяжелых нефтей и т.п. Эти слои обеспечивают увеличение срока службы дорожной одежды без проведения капитального ремонта и улучшение эксплуатационных характеристик покрытия с учетом изменяющихся условий движения.

За рубежом разработан достаточно большой спектр материалов для подобных слоев. В некоторых странах появляются различные варианты смесей, учитывающих отдельные местные особенности и потребности пользователей. Аналогичные разработки имеются и в России, где на основе какого-либо зарубежного прототипа разрабатывалась смесь, свойства которой больше соответствовали специфическим условиям страны и различных ее регионов.

Обилие видов предложенных и применяемых в разных странах материалов потребовало проведения сравнительного анализа свойств, методов проектирования состава и технологических приемов их получения. Актуальность такого анализа возрастает в связи с тем, что (многие зарубежные фирмы предлагают свой товар и механизмы для получения и укладки своих смесей. Часто за разными названиями предлагаемой продукции различных фирм скрыт один из вариантов одной и той же смеси. Анализ, представленный в данной обзорной информации, позволит дорожным организациям делать более обоснованный выбор материалов, соответствующих потребностям пользователя и имеющимся возможностям получения и применения различных смесей и их вариантов.

Однако следует учитывать, что огромная территория России с большим количеством разнообразных местных материалов и условиями эксплуатации дорожных покрытий не позволяет пользоваться принятым в большинстве зарубежных стран методом оценки свойств конечной продукции в зависимости от регламентированного качества исходных материалов. В условиях нашей страны более целесообразен метод расчета состава материала с предъявлением требований к конечному продукту, а не только к исходным компонентам.

Способ обработки материала и тип ОМС для защитного слоя следует выбирать с учетом интенсивности и состава движения транспортных средств по дороге, конструкции дорожной одежды и ее состояния, климатических характеристик, наличия минеральных и органических материалов, а также средств механизации.

Опыт применения ЛЭМС и ВОМС в России показал большие возможности этих материалов, которые прекрасно зарекомендовали себя в различных эксплуатационных условиях. Кроме того, они позволяют использовать широкий спектр местных материалов.

Поэтому представляется целесообразным на основе современного уровня обеспечения технологических процессов получения и применения аналогичных смесей за рубежом развивать их производство и использование.

В некоторых регионах России, особенно в северных, следовало бы обратить внимание на успешный опыт применения щебня, обработанного битумной эмульсией обратного типа, в I дорожно-климатической зоне.

В южных районах страны, в частности на дорогах с высокой интенсивностью и скоростью движения, представляет интерес развитие производства и использование смесей типа БМО и ЩМА.

Разнообразие дорожно-строительных материалов позволяет развивать в России производство всего имеющегося в арсенале дорожных организаций комплекса тонких и сверхтонких защитных слоев, чтобы экономически и технологически эффективно использовать местные ресурсы и обеспечить требуемое качество дорожных покрытий и их долговечность.

При этом наличие и развитие разнообразных методов расчета и подбора составов смесей для защитных слоев и их комбинаций дает возможность получить требуемые свойства для любых заданных условий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.И. Лысихина. Дорожные покрытия и основания с применением битумов и дегтей / Науч.-техн. изд-во М-ва автомоб. транспорта и шоссейных дорог РСФСР. - М., 1962.

2. Технические указания по применению битумных шламов для устройства защитных слоев на автомобильных дорогах: ВСН 27-76 Минавтодор РСФСР. - М.:транспорт, 1977.

3. Рекомендации по применению битумных шламов для устройства защитных слоев износа на автомобильных дорогах с интенсивным движением (дополнение к ВСН 27-76) / Минавтодор РСФСР, 1979.

4. Hot Mix Asphalt Materials: Mixture Design and Construction. - USA, 1991.

5. Труды IV Международного конгресса ISSA. - Франция: Париж, 1977.

6. Дорожные нефтегравийные покрытия. - Хельсинки, 1996.

7. Freudenberg G. Anwendung des Nab-Sand-Verfahrens im Laud-wirtschaftichen // Die Straβe. - 1971. - № 5. - S. 243-247.

8. Пособие по приготовлению и применению битумных дорожных эмульсий (к СНиП 3.06.03-85) / Союздорнии. - М., 1985.

9. ТУ 218 РСФСР 536-85. Смеси органоминеральные влажные для устройства конструктивных слоев дорожных одежд. Технические условия. - Введ. 01.01.86. - М.: Минавтодор РСФСР, 1986.

10. Eero Lehtipuu: Aspalttipaallysteet. - Helsinki, 1983.

11. Баринов Е.Н. Применение вспененных битумов в дорожном строительстве. - М., 1986. - 36 с. - (Автомоб. дороги: Обзорн. ии-форм. / ЦБНТИ Минавтодора РСФСР; Вып. 1).

12. Першин М.Н., Баринов Е.Н., Кореневский Г.В. Вспененные битумы в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1989.

13. Рекомендации по технологии производства и применения холодных асфальтобетонных смесей с диспергированным битумом/ Минавтодор РСФСР. - М., 1987,- 15 с.

14. Bense P. Les enrobes tres minces au bitumepur / Bullutin de liaison des Laboratoires des Ponts en chauassees. - Paris, 1986. - P. 119-135.

15. Инструкция по устройству покрытий и оснований из щебеночных, гравийных и песчаных материалов, обработанных органическими вяжущими: ВСН 123-77 / Минтрансстрой СССР. - М.: Транспорт, 1978.

16. ТУ 218 РСФСР 601-88. Смеси битумоминеральные открытые для устройства макрошероховатых слоев дорожных покрытий. Технические условия. - Введ. 01.01.90. - М.: НПО Росдорнии, 1990.

17. Le coulis bitumineux prend des couleurs // Route Actualite. -1997. - № 66. - P. 68-70.

18. Автомобильные дороги: СНиП 3.06.03-85: Утв. Госстроем СССР. - Введ. 01.01.86. - Изд. офиц. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

19. ТУ 218 РСФСР 001-96. Смеси чернощебеночные для строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог II-III технических категорий в I дорожно-климатической зоне. Технические условия. -Введ. 01.01.97. -М.:ФДС, 1997.

20. Jyri Mustonen, Raimo Tapio. Finnish Cold-Mix Asphalt Pavement 6^th International Conference on Low-traffic Road. - Minnesota USA. - 1995.-Vol. 2.-P. 182-188.

21. ГОСТ 30491-97. Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими для дорожного и аэродромного стоительства. - Введ. 01.01.98. - М.: МНТКС, 1997.

22. Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью: ВСН 38-90 / Минавтодор РСФСР. - М.: Транспорт, 1991.

23. Velkamp L.J.T., Ezdlen H. Hochwertige dunne Deckschicten aus Splittmastixasphalt 0/6 und 0/3 // Asphalt. - 1997. - № 7/8. - S. 36-39.

24. Методические рекомендации по составам битумных эмульсий для приготовления плотных эмульсионно-минеральных смесей / Союздорнии. - М., 1984.

25. Попченко С.Н., Касаткин Ю.Н., Борисов Г.В. Асфальтобетонные облицовки и экраны гидротехнических сооружений; Под. ред. С.Н.Попченко. - Л.: Энергия, 1970.

26. Judycki J, Dolzycki Bohdan, Dembowski Jacek. Einfluss von Additiven in Bitumen auf Eigenschaften von Splitt-Mastix-Asphalt bei tiefen Temperaturen // Bitumen. - 1998. - № 4. - S. 51-58.

27. Padenburg M., Schmitz J. Theoretishe Berechnung des Bindemittelbedarfs für Dünne Schichten im Kaltenbau (DSK) // Bitumen. - 1996. - № 2 - S. 50-54.

28. Карамышева В.М., Горелышева Л.А. Применение влажных органоминеральных смесей при строительстве и ремонте автомобильных дорог. - М., 1989. - 52 с. - (Автомоб. дороги: Обзорн. ин-форм. / ЦБНТИ Минавтодора РСФСР; Вып. 4).

29. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. - М.: Высш. шк., 1969.

30. Merkblaft für die Erhaltung von Asphaltstraβen Dünnen Schichten im Kalteinbau-Ausgabe / Германия, 1989.

31. Suss G., Karolewski U. Erhohung der Anfangsgriffigkeit von Asphaltdeckschichten-Ergebnisse einer Pilotstudie // Asphalt. - 1998. - № 4. - S. 28-32.

32. Grätz B. Beurteilung dünner Asphaltdeckschichten im Heiβ-und Kalteinbau, insbesondere in Bezug auf die Oberflächeneinschaften, Griffiakeit und Dichtigkeit // Forschung StraPenbau und Straβenverkenrstechnik. - 1993. - № 649.

33. Hochbelastete Straβendecken Europäische Argumente fur SMA // Asphalt. - 1999. - № 3. - S. 21-27.

34. Holl A. Dünne Schichten im Kalteinbau // Asphalt. - 1995. -№6.-S. 18-21.

35. Rode F. Kaltbauweisen im Asphaltstrassenbau. - Междунар. Варшав. конф., 1993.-Т. 1. - С. 317-320.

36. Maccarone Sam. Cold Asphalt Systems as an Alternative to Hotmix // Asphalt Review. - 1995. - Vol. 14. - № 1. - S. 19-24.

37. Рекомендации по применению влажных органо-минеральных смесей для устройства конструктивных слоев дорожных одежд / Минавтодор РСФСР, Гипродорнии. - М, 1986.