Дорожные материалы на основе битума

Приведем пример.

Старая дорожная одежда, прослужившая 50 лет, состоит из щебеночного основания толщиной 30 см; щебня, укрепленного цементом, толщиной 10 см и цементобетонного покрытия толщиной 20 см с деформационными швами без стальных стержней в швах сжатия. В последние 5 лет интенсивность движения резко возросла. Она составляет 164 тыс. автомобилей в сутки в рабочие дни недели и 122 тыс. автомобилей по выходным (при этом доля тяжелых грузовых автомобилей и автопоездов составляет 13%). Старое покрытие имело многочисленные поперечные, продольные и угловые трещины и сделалось неровным.

Предложения по конструкции дорожной одежды и технологии строительства сформулируем задачу следующим образом:

• 1. Технология строительства должна быть такой, чтобы продолжительность перерывов в эксплуатации дороги была минимальной, в связи с этим она должна иметь асфальтобетонное покрытие.
• 2. Конструкция должна удовлетворять высоким требованиям к ровности, безопасности движения и уровню транспортного шума.
• 3. В течение по крайней мере 30 лет ремонтные мероприятия должны затрагивать только верхний тонкий слой.

Дорожная одежда включает:

Верхний слой покрытия из высокопористого дренирующего асфальтобетона на резинобитумном вяжущем толщиной 2,5 см.

Этот слой должен обеспечить высокие сцепные свойства покрытия и низкий уровень транспортного шума. Слой следует периодически заменять, в среднем через 7−8 лет.

Второй слой покрытия толщиной 7,5 см.

Он должен гарантировать высокое сопротивление накоплению остаточных деформаций. Для смеси выбран битум PBA-6A*, модифицированный полимером. После искусственного старения в тонкой пленке он характеризуется очень высокой вязкостью — при 60 °C более 10 000 Пуаз (1000 Па· с) и растяжимостью при 25 °C не менее 60 см. Асфальтобетонная смесь подобрана так, чтобы воздушная пористость составляла 7%.

Третий асфальтобетонный слой толщиной 15 см.

Играет ведущую роль в распределении давления от колеса на грунт земляного полотна. Для него выбран тоже весьма вязкий битум марки AR-8000, имеющий при 60С вязкость 8000±2000 Пуаз после искусственного старения в тонкой пленке при растяжимости не менее 75 см. Пористость асфальтобетона — 7%.

Четвертый (нижний) асфальтобетонный слой толщиной 7,5 см.

Изготовлен на том же битуме марки AR-8000 из плотной смеси (пористость 3%). Нужен, чтобы лучше воспринимать растягивающие напряжения и противостоять усталости при действии повторных нагрузок. Именно поэтому этот слой содержит больше битума (5,2%), чем остальные, и имеет наименьшую пористость.

Таким образом, каждый слой играет вполне определенную роль. Материал второго слоя испытывали в лаборатории на сдвиг повторяющимися нагрузками при температуре 50 °C, соответствующей глубине его расположения. Прогнозируемая глубина колеи через 30 лет — 12,5 мм. Материал нижнего слоя испытывали на усталость повторными нагрузками при напряжениях, ожидаемых от транспортных средств, и подобрали смесь так, чтобы в нем не возникали трещины.

Оригинальность конструкции состоит в том, что ее нижний слой содержит больше вяжущего, чем остальные слои. Заметим, впрочем, что такая же идея высказывалась в 1970;80 х в работах А. О. Салля, а также А. Е. Мерзликина и Б. С. Радовского и была реализована в России А. Е. Мерзликиным на участке кольцевой дороги в г. Казань при строительстве слоистого основания из цементогрунта.

На участке протяжением 2,8 км старое цементобетонное покрытие раскололи сбрасыванием стальной плиты, затем осадили тяжелым грузом, уложили для прерывания трещин прослойку из полимерной ткани, пропитанной битумом (с «защитным слоем» из асфальтобетона под ней), а поверх нее устроили дорожную одежду общей толщиной 22,5 см на основе тщательного анализа ее напряженного состояния (рис. 1 Б).

• 3. Свойства, состав битума, материалов для асфальтовых битумов
• 1. Органические вяжущие вещества

Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при комнатной температуре) продукты, способные изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. По химическому составу это либо сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных серы, азота, кислорода (битумы и дегти), либо карбоцепные и гетероцепные соединения, состоящие в основном из атомов углерода в сочетании с атомами водорода, азота, серы, кислорода и кремния (полимеры).

Органические вяжущие вещества разделяют на три основные группы: битумы природные и нефтяные; дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные; полимерыполимеризационные и поликонденсационные.

В единой классификации строительных конгломератов органические вяжущие вещества располагаются в группе безобжиговых материалов и характеризуются следующими общими признаками:

• 1. Химический состав их представлен органическими соединениями и все они относятся к продуктам химической переработки природного или синтетического сырья, в основном нефти, каменного угля, горючих сланцев, торфа, древесины, природных газов, нефтегаза, мономеров и т. п.
• 2. Для получения матрицы (в конгломерате) требуется, чтобы вяжущие вещества обладали заданной консистенцией, обеспечивающей образование тонкой пленки на поверхности заполнителя или наполнителя, что достигают разными способами — нагреванием, растворением, эмульгированием и т. п. 3. Они имеют хорошую адгезию к заполнителям (наполнителям) и обладают способностью сцеплять их в монолит, образуя макрои микроконгломераты, относящиеся, как и вяжущие, к группе безобжиговых материалов.
• 3. В той или иной мере они являются гидрофобными и придают водоотталкивающие свойства материалам.
• 4. Хорошо растворяются в органических растворителях — бензоле, бензине, керосине, толуоле и других, за некоторым исключением, когда только набухают.
• 5. Многие органические вяжущие вещества имеют склонность к изменению своих первоначальных свойств под воздействием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, повышения температуры, солнечной радиации и некоторых других факторов. Практически все они способны гореть, некоторые из них токсичны.

При отверждении в присутствии минеральных заполнителей (наполнителей) органические вяжущие вещества образуют асфальтовые или полимерные конгломераты и подобно другим имеют заполняющую часть, вяжущее вещество, контактную зону и поры. При этом вяжущая часть в них может рассматриваться как своеобразный микроконгломерат, активно участвующий в формировании макроструктуры. Строительные материалы и изделия с конгломератным типом структуры в виде асфальтои дегтебетонов и растворов, пластических масс и других при оптимальной структуре подчиняются основным законам общей теории ИСК.

2. Природные битумы Природные битумы (вязкие и жидкие) могут встречаться как в чистом виде, так и в «битуминозных» породах. Битуминозными или асфальтовыми породами называют горные породы (известняки или песчаники), пропитанные природными битумами. Они образовались в земной коре в результате длительных процессов окисления и полимеризации нефти, пропитавшей эти осадочные горные породы.

Вязкие природные битумы получают путем извлечения их из известняков, доломитов или песчаников, пропитанных природными битумами.

Природные битумы по ряду показателей их свойств (высокой адгезии, погодоустойчивости) превосходят нефтяные. Применение природных битумов в строительстве ограничивается высокой стоимостью и относительно малым объемом их производства. Вязкие природные битумы используются главным образом в химической и лакокрасочной промышленности. При переработке асфальтовых горных пород могут быть получены асфальтовый порошок, асфальтовая мастика или асфальтовый бетон для холодной укладки. Асфальтовый порошок получают путем измельчения карбонатных пород, если содержание природного битума в них не превышает 2… 3% по массе. Он имеет широкое применение для изготовления асфальтовых бетонов и растворов. Асфальтовая мастика — продукт объединения асфальтового порошка с природным или нефтяным битумом.

К недостаткам как природных, так и нефтяных битумов следует отнести их повышенную хрупкость при отрицательных температурах.

В качестве природных жидких битумов в строительстве используются тяжелые, высокосмолистые нефти.