Вспененный битум в дорожном строительстве
Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ)
В условиях увеличения интенсивности движения и роста нагрузок на дорожное покрытие, а также специфических условий эксплуатации объектов дорожного строительства в различных климатических условиях, возрастают и требования к материалам для строительства и ремонта дорожного полотна. Битумы нефтяные дорожные (БНД) в чистом виде не могут в полной мере соответствовать этим требованиям. Битум термопластичный материал, и при повышенных температурах он размягчается. При низких температурах битумы становятся твердыми и хрупкими, что приводит к образованию трещин на дорогах. Кроме того, битумы обладают недостаточно высокой адгезией к песку и щебню. Значительно повысить долговечность и качество дорожных покрытий позволяет применение полимерно-битумных вяжущих (ПБВ).
Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) — битумы, модифицированные добавлением полимеров. Также в состав ПБВ могут входить пластификаторы и адгезионные добавки.
ПБВ имеет ряд преимуществ перед применением БНД:
- высокая эластичность;
- более широкий интервал пластичности;
- более сильная адгезия с минеральными компонентами асфальтобетонной смеси;
- улучшенные низкотемпературные свойства;
- снижение колееобразования дорожных покрытий;
- повышение коррозионной стойкости дорожных покрытий.
Вследствие повышения качества, срок службы дорожного покрытия повышается в 2 – 3 раза, с 6 лет при использовании БНД до 12 – 18 лет при использовании ПБВ. Это позволяет значительно снизить затраты на эксплуатацию и ремонт дорог.
При производстве ПБВ в качестве полимера могут использоваться термопласты, каучуки и термоэластопласты.
Термопласты отличаются способностью к многократному размягчению при повышении температуры и отвердеванию при ее снижении. Среди термопластов в процессах модификации битума участвуют полиэтилены, полипропилены, атактические полипропилены, поливинилхлориды, полистиролы, этиленвинилацетаты и вископласты.
Каучуки, или эластомеры имеют спиральное строение макромолекул, что дает возможность удлинения до 10 раз при прикладывании растягивающей нагрузки и возвращение в исходное состояние при ее снятии. Из этого класса модификаторов для улучшения свойств битума используются бутадиен-стирольные, полихлоропропеновые и этиленпропиленовые полимеры, а также бутилкаучук.
Термоэластопласты – полимеры, обладающие в условиях эксплуатации эластичными свойствами, а при повышенных температурах обратимо переходящие в пластическое или вязкотекучее состояние. Выделяют три типа термоэластопластов – полимеры стирол-бутадиен-стирол (СБС), полимеры стирол-изопрен-стирол (СИС) и полимеры стирол-этилен/бутилен-стирол (СЕ/БС).
Для модификации дорожных битумов чаще всего используют СБС. Это обусловлено их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – причем при небольшой концентрации (3 – 5% от массы битума). Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси битума, модифицированного полимером типа СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта.
Способы производства ПБВ
В настоящее время наиболее эффективным методом производства ПБВ можно считать процесс с использованием такого устройства, как коллоидная мельница. Это устройство позволяет измельчать полимер в процессе приготовления ПБВ. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера.
Существует два способа приготовления ПБВ.
По первому основному способу все компоненты ПБВ, согласно рецептуре, перемешиваются в одной емкости.
Сперва в емкость подают битум, предварительно обезвоженный и подогретый до 110 – 120 °С. Затем туда же подают необходимое количество пластификатора, нагретого до 90 – 100 °С, и перемешивают до однородного состояния, после чего, при постоянном перемешивании, порционно вводят полимер и постепенно нагревают смесь до 155 – 160 °С. Далее смесь поступает в коллоидную мельницу. В мельнице полимер дробится на мелкие частицы и эффективно вмешивается в битум. Из мельницы смесь попадает в емкости созревания, где в течение нескольких часов происходит окончательное набухание полимера. После этого полимерно-битумное вяжущее готово к использованию.
По второму способу предварительно готовят раствор полимера в пластификаторе той концентрации, которая была установлена при подборе состава ПБВ, а затем раствор вводят в обезвоженный и нагретый битум, после чего в конце процесса – ПАВ и перемешивают смесь до однородного состояния. Если вязкость раствора полимера высока и возникают трудности при перемешивании и перекачке в расходные емкости, то в него добавляют битум в количестве, равном содержанию раствора в емкости. Получается битумосодержащий раствор полимера, который затем вводят в битум и перемешивают до однородного состояния.
Для ускорения процесса измельчения и набухания полимера, уменьшения температуры протекания процесса и соответственно для минимизации затрат, целесообразно применять комплексные полимерные добавки, в состав которых, кроме полимера, входят специальные поверхностно-активные вещества. В этом случае снижается или вовсе исключается необходимость введения пластификатора, что также снижает себестоимость производимого ПБВ.
Пластификаторы для ПБВ
При введении термоэластопластов в битум без пластификаторов для получения ПБВ с оптимальными свойствами требуется как минимум 5 – 6% полимера по массе. При этом вязкость получаемого вяжущего существенно выше вязкости битумов, что может привести к технологическим затруднениям при приготовлении асфальтобетонных смесей на АБЗ. Повышать же температуру приготовления более 160 °С не рекомендуется, так как в России применяются окисленные битумы, которые подвержены интенсивному старению при температурах выше 160 °С. Для получения ПБВ требуемого качества без лишних затрат полимера и энергии важно правильно подобрать пластификатор.
Рынок производства пластификаторов для ПБВ расширяется из года в год. И если раньше в качестве пластификаторов использовали индустриальные масла, экстракты селективной̆ очистки, машинные масла и т.д., то в настоящее время подобные пластификаторы не рекомендованы к использованию, и на смену им выпускается множество эффективных пластификаторов на основе экологически безопасного сырья. К таким относится Унипласт, производимый ООО «Селена». Использование пластификатора Унипласт позволяет обеспечить требуемый температурный режим (не выше 160°С) и существенно повысить эффективность вводимого полимера, т. е. получить ПБВ с развитой пространственной структурной полимерной сеткой при минимальном содержании полимера 2 – 2,5 %, а также, в некоторых случаях, исключить из необходимого комплекта оборудования коллоидную мельницу.
Адгезионные добавки для ПБВ
ПБВ должны характеризоваться необходимой адгезией к поверхности минеральных материалов, используемых в данной полимерасфальтобетонной смеси, чтобы как минимум обеспечить требуемый коэффициент длительной водостойкости материала и его длительную эксплуатацию в покрытии или в другой конструкции без шелушения и выкрашивания. Однако введение только полимера типа СБС в битум в большинстве случаев не позволяет получить требуемую адгезию ПБВ. Необходимо введение эффективных адгезионных добавок.
ООО «Селена» предлагает ряд высокоэффективных дорожных адгезионных добавок ДАД, отличающихся по своему химическому составу и структуре. При этом выбор конкретной марки ДАД зависит от производственных условий приготовления ПБВ, химической природы применяемого вяжущего и используемых каменных материалов.
Варьируя соотношением компонентов, можно получить ПБВ высокого качества с любыми требуемыми характеристиками.
Вспененный битум в дорожном строительстве
Вспененный битум легко переходит в относительно устойчивую тонкодисперсную гетерогенную систему, состоящую из вяжущего, воздуха, воды (пара) и поверхностно-активных веществ, входящих в состав вяжущего, а в некоторых случаях дополнительно вводимых в него, существенно облегчается процесс перемешивания смеси. Благодаря этому происходит более равномерное и полное распределение битума по поверхности минеральных материалов.
Рис. 1. Схема смесительной форсунки (ФРГ): 1 — корпус с конусообразным наконечником; 2 — штуцер подачи воды; 3 — штуцер подачи вяжущего; 4 — обратный клапан; 5 — вставка; 6 — центральный канал вставки; 7 — канал подачи вяжущего; 8 — канал подачи воды; 9 — кольцевой канал подачи вяжущего; 10 — завихряющий канал
Рис. 2. Схема распыляющего устройства (США): 1 — штуцер подачи битума; 2 — корпус; 3 — пробка; 4 — трубопровод подачи пара; 5 — кольцо; 6 — наконечник
Рис. 3. Общая схема устройства для приготовления асфальтобетонной смеси на вспененном битуме (США): 1 — корпус мешалки; 2 — крышка мешалки; 3 — распылитель; 4 — трубопровод подачи пара; 5 — трубопровод подачи вяжущего; 6 и 12 — манометр; 7 — запорный вентиль; 8 — кран-задвижка; 9 — регулятор давления; 10 — резервуар с паром; 11 — регулировочный клапан; 13 — насос; 14 — перепускной клапан; 15 — резервуар с битумом
Рис. 4. Схема устройства для стабилизации грунта (США) (стрелкой показано направление движения смесительной машины): 1 — корпус смесителя; 2 — режущие и смесительные лопасти; 3 — распылители; 4 — водяная распылительная головка
Экономический эффект
В результате применения вспененных битумов при приготовлении асфальтобетонных смесей достигается значительный экономический эффект за счет сокращения расхода битума (до 10% от массы минерального материала), повышения производительности смесительного оборудования и снижения температуры нагрева смеси.
География
Процессы вспенивания битумов, технологии приготовления и применения в дорожном строительстве асфальтобетонных смесей, получаемых с использованием этих вяжущих, изучаются в таких странах, как Австралия, Германия, США, ЮАР, Новая Зеландия и многих других. В Австралии уложено более 3,2 млн м 2 дорожного покрытия из асфальтобетонной смеси на основе вспененных битумов.
Способы приготовления асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов
Применение вспененных битумов вносит ряд изменений в технологическую схему приготовления асфальтобетонных смесей, касающихся процессов подготовки и подачи битума, обеспечивающих его введение в мешалку смесителя во вспененном состоянии.
Существуют несколько способов вспенивания битумов: вспенивание и распыление битума горячей водой или паром, получаемыми в парогенераторах или централизованно по системе теплоснабжения; вспенивание и распыление предварительно обводненного битума за счет увеличения давления при его нагревании до температуры выше 100°С в специальном герметичном подогревателе перед подачей в мешалку (в этом случае могут быть использованы и необезвоженные битумы); вспенивание и распыление битума горячей водой и (или) паром, приготовление которых осуществляется параллельно с нагревом битума в битумоплавильне посредством пропуска воды по трубчатому теплообменнику.
Выбор технологического процесса подготовки, подачи к мешалке и введения в нее битума во вспененном состоянии в значительной степени зависит от способа вспенивания.
Приготовление и применение вспененных битумов в дорожном строительстве
В странах Запада вспененные битумы в дорожном строительстве начали применять в 30-е годы, что было обусловлено ростом цен на горячие асфальтобетонные смеси и необходимостью поиска менее дорогостоящих материалов и способов их производства.
В Государственном университете штата Айова (США) впервые в зарубежной практике было предложено смешивать холодные минеральные материалы с битумной пеной и разработано несколько проектов, реализующих эту идею. Вспенивание битума осуществлялось паром. Из-за отсутствия опыта приготовления вспененных битумов, а также недостатков в технологии производства работ, качество асфальтобетонных смесей было неудовлетворительным, а слои дорожной одежды из них имели небольшой срок службы.
Анализ опыта применения вспененных битумов в дорожном строительстве Австралии показал, что вначале битум тоже вспенивался паром, который подавался из специального сопла. При вспенивании значительно увеличивалась удельная поверхность и снижалась вязкость битума, достигалось хорошее обволакивание даже влажных поверхностей минеральных материалов. Недостатком данной технологии являлось то, что она не обеспечивала получения битумов с постоянными свойствами.
Фирмой “Mobil Oil Australia Ltd” (Австралия) были разработаны способ вспенивания посредством введения в поток горячего битума холодной воды и устройство для его осуществления. В результате взаимодействия с водой битум вспенивался и разбрызгивался из специальной емкости через сопла. Расход битума был постоянным, а расход воды регулировался с помощью запорного вентиля. Наибольший эффект достигался при введении в битум 1—2% воды от массы битума. При этом степень пенистости составляла 10—15, а устойчивость пены — 2—3 мин. Преимуществами данной технологии являются незначительные капитальные затраты и исключение применения парогенераторов. Вспененный битум применялся для обработки минеральных материалов (в основном, грунтов).
С использованием вспененных битумов приготавливали холодные и горячие асфальтобетонные смеси в стационарных смесителях периодического и непрерывного действия. Установлено, что холодные смеси можно готовить с использованием влажного заполнителя. Такие смеси длительное время не слеживаются при хранении в штабелях. При приготовлении смесей с использованием вспененных битумов требуется меньше битума и энергии. Вспененные битумы можно также применять при холодной регенерации асфальтобетонных покрытий дорог.
В США вспененный битум применялся для приготовления асфальтобетонных смесей. Вспенивание битума производилось с использованием пара и (или) воды, подаваемых под давлением. Оптимальным был принят расход воды в количестве 2% от массы битума. При вспенивании битум имел температуру 160°С.
Применение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах при строительстве верхнего слоя покрытия автомобильных дорог и магистралей в США и Канаде показало, что износостойкость дорожных покрытий может быть существенно повышена за счет небольшого увеличения расхода битума и применения асфальтобетонных смесей оптимальной плотности. Установлено, что горячие асфальтобетонные смеси, приготовленные с использованием вспененных битумов, обладают высокими показателями физико-механических свойств и могут быть рекомендованы для устройства покрытий автомобильных дорог с высокой интенсивностью движения транспорта.
В ФРГ разработаны способ вспенивания и конструкция смесительной форсунки, с помощью которой вода, используемая для вспенивания битума, подается под меньшим давлением, чем давление битума. Вяжущее (см. рис. 1) при температуре 170—220°С под давлением около 2 мПа, преодолевая сопротивление пружины клапана (4), подается в камеру корпуса (1) и заполняет центральный канал (6) вставки (5). По каналу (7) вяжущее попадает в кольцевой канал (9), от которого по двум завихряющим каналам (10) поступает к выходному отверстию форсунки.
Вода при температуре 95—170°С под давлением по штуцеру (2) подается в верхний кольцевой канал вставки (5) и по каналам (8) (вставка имеет два канала, каждый из которых связан со своим завихряющим каналом) поступает в завихряющие каналы (10) непосредственно перед выходом из форсунки. Вода смешивается с вяжущим в завихряющих каналах. Проходя по каналам вставки, вода нагревается до температуры выше 100°С за счет передачи тепла от вяжущего.
Вспенивание вяжущего происходит при выходе его из наконечника форсунки при резком уменьшении внутреннего давления смеси (до атмосферного). Однако этот способ вспенивания вяжущего предусматривает его подачу к форсунке под высоким давлением (до 2 мПа). Следует отметить, что при подаче воды под более низким давлением будет наблюдаться резкое увеличение давления в системе, что может привести к обратному ходу воды и (или) битумной смеси и засорению водоподводящих каналов битумов (Патент 1235214, ФРГ).
В США, Австралии и других странах вспененные битумы применялись также для укрепления глинистых грунтов, песков, гравия, щебня. В частности, в Австралии на подходах к г. Мельбурну вспененным битумом были укреплены дюнные пески на участке дороги с асфальтобетонным покрытием протяженностью 100 км. Укрепление грунта производилось на глубину до 20 см в один слой за один проход грунтосмесительной машины. Расход битума при этом составлял до 5% от массы влажного песка (работы производились в дождливую погоду).
При строительстве участка автодороги “Sprinavala-Road” (Австралия) в основание дорожной одежды были уложены влажные базальтовые щебеночные смеси, обработанные вспененным битумом с глубиной проникания иглы 90. (Здесь и далее по тексту глубина проникания иглы дана в десятых долях миллиметра). Количество битума составило 4% от массы щебня. Смеси готовили в стационарных смесителях непрерывного действия и укладывали с помощью грейдера и (или) укладчика. Вспенивание битума осуществлялось посредством введения в его воды в количестве 1,7% от массы битума под давлением, примерно равным давлению битума. В результате наблюдения за опытными участками выявлена пониженная износостойкость таких слоев.
В штате Аризона (США) на четырех участках различных автомобильных дорог проводились полевые исследования покрытий, построенных 18 лет назад из дюнного песка, обработанного вспененным битумом в установке. Дорожные покрытия находились в хорошем состоянии, отсутствовали выбоины и трещины. Было сделано заключение, что они могут эксплуатироваться в дальнейшем без устройства защитного слоя.
В Австралии применялись также вспененные битумы для обработки щебня при устройстве оснований дорожных одежд. Щебень обрабатывали вспененным битумом в передвижных смесителях непрерывного действия, оборудованных пенообразующим устройством. Битум подавался к распылительному соплу под давлением 0,13—0,17 мПа в холодном состоянии. Вспенивание битума достигалось введением в него специальных добавок. Укладка нового материала, получившего названием “пеноасфальт”, в основание дорожных одежд осуществлялось укладчиком модели “Автогрейд” производительностью до 2000 т/сут. Смесь уплотняли с помощью виброкатков и самоходных многовальцовых пневмокатков массой 35 и 12 т. Наблюдения за опытными участками показали, что слои основания находятся в хорошем состоянии.
Смесь вспененного битуминозного вяжущего с минеральным заполнителем
В США разработан метод приготовления смеси вспененного битуминозного вяжущего с минеральным заполнителем, который состоит в следующем (Патент 879692, Великобритания). Разжиженный битум непрерывным потоком при регулируемом давлении, превышающем атмосферное, поступает через штуцер (1) в корпус (2) распыляющего устройства (см. рис. 2). Одновременно в распыляющее устройство через пробку (3) по трубопроводу (4) непрерывно подается пар при регулируемом давлении и объеме.
Битум через отверстия в кольце (5) поступает в камеру наконечника (6), в которой при контакте с паром вспенивается. Вспененный битум разбрызгивается из отверстия наконечника (6), попадает на минеральный материал и перемешивается с ним механически при атмосферном давлении. Данный метод проверен в производственных условиях при приготовлении асфальтобетонных смесей. В частности, на стационарном смесителе (см. рис. 3) производилась обработка вспененным битумом минеральной смеси, состоящей из мелкого песка (95%) и лессовидного грунта (25%).
Расход битума с глубиной проникания иглы 200 составлял 5—6% от массы минеральной смеси. Смеси готовили при температуре окружающего воздуха. Оптимальное количество влаги, необходимое для полного раздробления грунта и равномерного его распределения в смеси, составило 8%. В течение 30 секунд происходило перемешивание минеральных материалов. Затем в смесь в течение 10 секунд добавляли битумную пену при температуре 150°С (битум подавался к распылителю под давлением 0,14 мПа, а насыщенный пар — под давлением 0,35 мПа). Смесь дополнительно перемешивали. На приготовление одного замеса массой 135 кг необходимо 60—70 секунд.
В Государственном университете штата Айова (США) проводились также работы по применению вспененного битума для укрепления грунтов в слое конструкции дорожной одежды при строительстве магистрали. Работы проводились с помощью смесительной машины “Пулви-Миксер”, дооборудованной системами приготовления и подачи в грунт насыщенного водяного пара и битума (см. рис. 4). Стабилизации подвергался слой основания дорожной одежды толщиной 10—12 см (4—5 см золы — уноса и 5—8 см грунта).
Содержание влаги в грунте изменилось от 6 до 16% в зависимости от погодных условий. В случае необходимости грунт доувлажнялся с помощью распылительной головки (4) (см. рис. 4). Дорожное полотно обрабатывали битумом с различной глубиной проникания иглы — 85—100 и 150—200. При этом битум нагревали до температуры 150—166°С и вводили в грунт в количестве 6% от его массы. Обработка материала покрытия осуществлялась за один проход машины на ширину 2,44 м.
По ширине корпуса (1) (см. рис. 4) было установлено восемь распылителей (3) и восемь распылительных головок (4). Материал покрытия уплотняли катками на пневматических шинах. Интенсивность движения транспорта по готовому участку дороги составляла 400 авт/сут. Во время наблюдения за опытным участком дороги отмечались сильные ливни, град и снег толщиной покрова до 10 см, температура воздуха колебалась от плюс 32 до минус 12°С. В конце периода испытаний (более 4 месяца) на покрытии не обнаружено признаков разрушения.
Поверхностная обработка
Во Франции вспененные битумы использовали для устройства поверхностной обработки. Технология производства работ состояла из следующих операций: нанесение на поверхность дорожного покрытия слоя вспененного битума, распределение щебня по слою битума (при этом высота битумной пены должна составлять половину максимального размера зерен щебня) и уплотнение. Устройство слоев поверхностной обработки на основе вспененного битума осуществлялось автогудронатором.
Для устройства поверхностной обработки используются вязкие битумы, что предотвращает выделение вяжущего на поверхность слоя и выкрашивание щебня, особенно в жаркую погоду. Для обеспечения необходимой подвижности зерен щебня в слое поверхностной обработки под действием движения автомобилей необходимо использовать битум с глубиной проникания иглы 400/500. Наблюдения в течение пяти лет за экспериментальными участками дорог с такой поверхностной обработкой показали пригодность вспененного битума для устройства как одиночной, так и двойной поверхностных обработок. В результате применения данной технологии достигается экономия материальных и энергетических ресурсов.
Гидроизоляционные слоя и мастики
Вспененные битумы широко применяются также для создания гидроизоляционных слоев и мастик. В США запатентованы составы гидроизоляционных материалов и технология их приготовления, основанные на применении вспененных битумов наряду с синтетическими смолами (Патент 4137198, США).
В частности, используют листовой или рулонный гидроизоляционный материал, получаемый в результате пропитки несущей матрицы из дисперсного стекловолокна вспененным битумом с использованием серийного оборудования. Преимуществами этого материала являются низкий расход битума, экономия энергии, а также высокие изолирующие свойства (Патент 4399186, США).
Широкое применение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах в странах Запада, а также в СНГ вызвало необходимость стандартизации методов их испытаний с учетом особенностей свойств и структуры этого материала. Разрабатываются методики и создаются установки для приготовления асфальтобетонных смесей на вспененных битумах.
Технология приготовления асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов
Обеспечивает экономию энергетических средств и материальных ресурсов и находит все большее распространение как в странах Запада, так и в СНГ.
Асфальтобетонные смеси на вспененных битумах готовят в асфальтосмесителях непрерывного или периодического действия, которые дополнительно оборудованы системами подачи воды (пара) и устройствами для вспенивания и распыления битума. В систему подачи воды (пара) входят линия подачи воды (пара) с регуляторами расхода и давления и форсунки специальной конструкции, в которых происходит смешение (контакт) битума с водой (паром).
Для повышения качества битумных пен рекомендуется использовать водорастворимые поверхностно-активные вещества, вводимые в битум вместе с водой (паром). Транспортирование, укладка и уплотнение асфальтобетонных смесей на вспененных битумах производятся теми же средствами механизации, которые используются при работе с традиционными смесями.
Применение вспененных битумов обеспечивает экономический эффект, дает возможность снизить трудозатраты, способствует решению вопросов охраны окружающей среды.
Вспененные битумы
Холодный ресайклинг с добавлением вспененного битума в виде вяжущего представляет собой всемирно признанную технологию, которая все чаще обращает на себя внимание дорожных ведомств и строительных фирм, занимающихся ремонтом существующих и строительством новых дорог. Холодный ресайклинг позволяет укладывать гибкие, долговечные несущие слои. В составе дорожной одежды они образуют идеальную основу для последующего асфальтного покрытия с уменьшенной толщиной слоя. Вспененный битум получается при использовании современных технологий из нагретого до температуры 175 C обычного битума. Вспененный битум производится и добавляется в минеральную смесь внутри ресайклера WIRTGEN посредством высокоточных систем впрыска на базе микропроцессорного управления.
В многочисленных странах по всему земному шару методу ресайклинга с добавлением вспененного битума подверглась площадь размером более чем 100 млн. м².
Преимущества зарекомендовавшей себя технологии: Чрезвычайная долговечность слоев Экономичность Ресурсосбережение Снижение выбросов CO2 Сокращение сроков строительных работСпециальные системы впрыска дозируют подачу вспененного битума в смесительную камеру. Микропроцессоры обеспечивают точное распределение по всей рабочей ширине в зависимости от продвижения машины и глубины ресайклинга.
Добавление вспененного битума и воды в минеральную смесь через раздельные системы впрыска
Вспененный битум получается посредством вспенивания битума. Нагретый битум вспенивается за счет впрыскивания небольшого количества воды и воздуха под высоким давлением, увеличиваясь в объеме в 20 раз. Через распылительную форсунку образовавшаяся пена подается в мешалку, где она оптимальным образом перемешивается с холодными и влажными строительными материалами. Новый строительный материал, часто создаваемый при повторном использовании асфальтовой крошки, называется BSM (материал, стабилизированный битумом).
Путем предварительных исследований в мобильной лабораторной установке WLB 10 S качество вспененного битума можно точно определить еще до начала укладки. Установка отличается простотой управления и позволяет настраивать такие параметры, как количество воды, давление и температура. Качество вспененного битума характеризуется, прежде всего, такими параметрами, как «степень расширения» и «период полураспада». Мобильная лабораторная установка для приготовления вспененного битума WLB 10 S и двухосный смеситель принудительного действия WLM 30 стали выражением нашего ноу-хау в форме современного лабораторного оборудования. Инновационное оборудование позволяет моментально изготовить подходящие образцы.
Важная роль смеси
Лабораторная установка для приготовления вспененного битума WLB 10 S от WIRTGEN выполняет следующие задачи:
- Общая проверка используемых сортов битума на пригодность к вспениванию.
- Оптимизация процесса вспенивания путем регулирования температуры и добавления воды.
- Производство смесей с добавлением различного количества битума в лаборатории.
Для производства смеси в дорожных условиях установка WLB 10 S напрямую соединяется с двухосным смесителем принудительного действия WLM 30. Изготовленных вспененный битум впрыскивается в ходе процесса смешивания, протекающего в WLM 30. Строительные материалы смешиваются с высокой точностью и без потерь. Установка позволяет в кратчайшее время производить различные смеси для создания проб.
Добавление небольшого количества воды приводит к резкому увеличению объема горячего битума (вспененный битум).
Лабораторная установка WLB 10 S позволяет провести серии измерений для определения свойств вспененного битума.
Двухвальный смеситель принудительного действия WLM 30 предназначен для производства партий весом ок. 25 кг и характеризуется высокой интенсивностью перемешивания.
Установка позволяет без каких-либо сложностей изготовить различные сорта вспененного битума, чтобы затем выявить идеальный состав смеси.
Смеси BSM отличаются простотой использования на практике. Если поддерживать их в достаточно влажном состоянии, то для их окончательного уплотнения в распоряжении рабочих будет практически неограниченное время. Решающим фактором по-прежнему является то, что дорожное движение по слою BSM можно возобновить сразу же после завершения укладки. Такой слой, возникший в результате холодного ресайклинга, часто покрывают всего лишь тонким слоем асфальтового покрытия, который служит в качестве защитного слоя. В рамках ремонта таких дорог восстановлению подлежит только асфальтовое покрытие, в то время как слой «холодного ресайклинга» остается нетронутым. Это позволяет сократить затраты на ремонтное содержание дорог.
Холодному материалу, произведенному с добавлением вспененного битума, свойственна такая характеристика строительных материалов, как постоянное внутренние трение частиц друг о друга, а также скачкообразно повышенная адгезия (сцепление) и прочность. Новый строительный материал называется BSM (материал, стабилизированный битумом). При изготовлении смеси BSM происходит не обволакивание зерен, а однородное примешивание битума, как правило, в соотношении 1,5 или 2,5 % от количества строительной смеси. После заключительного уплотнения этот строительный материал отличается хорошей упругостью и высокой несущей способностью. Он зарекомендовал себя практически по всему миру. Материал, созданный с добавлением вспененного битума, отличается оптимальной прочностью и несущей способностью.
Холодный ресайклинг по методу in situ
Холодный ресайклинг с добавлением вспененного битума выполняется по методу in-situ (= на месте) или методу in-plant (= в установке). В ходе холодного ресайклинга по методу in-situ холодный ресайклер гранулирует поврежденное дорожное покрытие и смешивает его со вспененным битумом, а также при необходимости дополнительно с цементом и водой. Так в ходе одной рабочей операции создается новая строительная смесь (BSM). Холодный ресайклер, работающий по методу in-situ, оснащен мощным фрезерно-смесительным ротором, а также системой впрыска. Некоторые типы машин также располагают разравнивающим брусом для укладки и предварительного уплотнения новой строительной смеси.
Строительные материалы по методу in-situ
В целом, все несвязанные строительные материалы, напр., асфальтогранулят, можно перемешивать со вспененным битумом. За один рабочий проход ресайклеры WIRTGEN гранулируют асфальтобетонное покрытие вместе с лежащим под ним слоем и перемешивают его по методу in-situ (= на месте) со вспененным битумом. После уплотнения смеси возникает высококачественный битуминозный несущий слой, способный выдержать максимальную транспортную нагрузку.
Холодный ресайклинг по методу in plant
В ходе холодного ресайклинга методом in-plant снятое дорожное покрытие транспортируется к мобильной установке установки для приготовления холодной смеси, расположенной вблизи строительной площадки. В установке асфальтогранулят перерабатывается со вспененным битумом и, если необходимо, дополнительно с цементом и водой, для создания новой, сразу готовой к укладке холодной смеси (BSM). После этого ее можно использовать непосредственно для укладки покрытия заданного профиля или хранить на складах для последующей укладки.
Современные системы впрыска
Высокое качество гарантировано: регулируемый термостатом нагреватель обеспечивает оптимальную рабочую температуру всей системы впрыска как до начала процесса создания вспененного битума, так и после. За счет этого отпадает необходимость в дорогостоящей промывке системы в случае прерывания или окончания работы. Контроль за процессом вспенивания и за количеством добавляемых материалов осуществляется при помощи микропроцессоров.
Смесительная установка для холодного ресайклинга KMA 220 превращает различное строительное сырье в высококачественный холодный материал (BSM).
Мощный двухосный смеситель непрерывного принудительного действия, расположенный внутри KMA 220, перемешивает асфальтогранулят и впрыскиваемый вспененный битум.
Асфальтогранулят по методу in plant
Асфальтогранулят, полученный при помощи холодной фрезы WIRTGEN, можно сразу же перерабатывать или длительное время хранить в виде отвала. Установка для приготовления холодной смеси KMA 220 WIRTGEN производит из асфальтогранулята холодный материал, который затем передается асфальтоукладчику VÖGELE.
Переработанный и новый материал
Обломочный материал, вторичное сырье и новые материалы подготавливаются для последующего использования при помощи соответствующих дробилок и грохотов. Затем они смешиваются со вспененным битумом при помощи установки KMA 220. Любой дорожный материал с соответствующим размером фракций можно смешать с вспененным битумом.
ПреимуществаНизкая общая стоимость
Благодаря малому количеству потребляемого вяжущего, использованию асфальтогранулята и высокой экономии времени такой способ укладки особенно экономичен с точки зрения затрат на изготовление строительной смеси. Кроме того, общая стоимость процесса значительно снижается за счет уменьшения толщины последующего асфальтного покрытия. Затраты на поддержание такого слоя в исправном состоянии также будут незначительны. В отличие от асфальтобетонных слоев слои из смеси BSM не трескаются под воздействием времени. В этом заключается решающее преимущество этого метода, поскольку при необходимости придется обновить только верхний тонкий слой асфальтового покрытия. Дорогостоящая замена всей дорожной одежды отпадет за ненадобностью. Благодаря выгодному методу укладки и исключительным свойствам смесь BSM также широко используется в проектах государственно-частного партнерства (PPP).
Повторное использование на все 100 %
При причине многочисленных преимуществ вспененный битум занимает особое положение среди вяжущих. Добавление вспененного битума в асфальтогранулят позволяет перерабатывает его на 100 %, при этом факт его пребывания в холодном состоянии не играет никакой роли. Переработка без подогрева исходного материала позволяет значительно сократить выбросы CO2. Добавление связующих в количестве всего лишь 1,5 %- 2,5 % от объема всей смеси существенно сократит затраты на материал. Битум для дорожного строительства распространен во всем мире. Его используют без дополнительной подготовки. Укладка материала, смешанного со вспененным битумом, осуществляется сразу же после приготовления смеси. После уплотнения слоя дорожное движение на полосе можно снова возобновить. Это сократит сроки строительства и помехи для движения транспорта до минимума.
Ремонт дорожных покрытий с учетом защиты окружающей среды
Экономичность и охрана окружающей среды не противоречат друг другу. Ресурсосберегающая технология с добавлением вспененного битума и экологически чистые машины WIRTGEN подтверждает наш девиз. Метод базируется на использовании переработанного материала с добавлением в него вспомогательных веществ. Свойственные для нового строительства грузовые перевозки, наносящие вред окружающей среде, отпадают за ненадобностью.
Вспененный битум в дорожном строительстве
Использование эффекта вспенивания в процессе приготовления битума позволяет облегчить процесс перемешивания смеси и обеспечить более равномерное распределение вяжущего по поверхности минеральных материалов. Вспененный битум применяют при приготовлении асфальтобетонных смесей. Это дает экономический эффект за счет сокращения расхода битума, снижения температуры нагрева смеси и повышения производительности смесительного оборудования.
Вспенивания битумов можно добиться несколькими путями
- за счет горячей воды (пара), получаемой в парогенераторе или через систему теплоснабжения;
- предварительным обводнением битума с последующим увеличением давления при нагревании вещества до температуры 100ºС.
География применения вспененного битума
Вспененный битум является относительно новым материалов, изучение процессов получения которого до сих пор ведется в таких странах, как США, Австралия, Германия, ЮАР, Новая Зеландия и др. Например, на территории Австралии уже уложено 3 млн. м 2 дорожных покрытий на основе асфальтобетонного покрытия, в состав которого входит вспененный битум.
В Западной Европе вспененные битумы впервые были применены еще в 30-х годах прошлого века. Это было обусловлено ростом цен на существующие материалы для дорожного строительства и необходимостью поиска новых более экономных решений. Вспененный битум использовался для получения холодных и горячих асфальтобетонных смесей в стационарных смесителях периодического и непрерывного действия.
Также такой материал можно применять при холодной регенерации асфальтобетонных покрытий. Опыт США показывает, что горячие асфальтобетонные смеси, полученные на основе вспененного битума, имеют высокие физико-химические свойства и очень хорошо показывают себя при устройстве дорожных покрытий с высокой интенсивностью движения автомобилей.
Оборудование для производства вспененного битума
Асфальтобетонная смесь на вспененном битуме может быть получена в асфальтосмесителе непрерывного или периодического действия, в состав которого дополнительно входит система подачи воды и устройство вспенивания и распыления.
Для транспортировки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей, приготовленных на базе вспененных битумов, могут использоваться те же средства механизации, что и при работе с традиционными материалами.
Компания GlobeCore предлагает вниманию лабораторий, научно-исследовательских институтов, а также предприятий, производящих асфальтобетонные смеси, установку типа УCБ-Л. Данное оборудование предназначено для получения проб вспененного битума (производительность смесителя по битуму составляет 600 л/час).
Производство вспененного битума может быть внедрено практически на любом асфальтобетонном заводе без существенного переоборудования и расширения производственной площади.
Вспененный битум
Кафедра автомобильных дорог ЛИСИ проводила исследование эффективности применения вспененных битумов в горячих асфальтобетонных смесях. Вспенивание битумов позволяет улучшать качество асфальтобетонных смесей и снижать расход вяжущего без дополнительного применения химических реагентов и специальных средств механизации.
Вспененный битум представляет собой пленочную дисперсную систему, образованную множеством пузырьков воздуха, разделенных тонкими пленками вяжущего. Вспенивание осуществляется путем введения в горячий битум водяного пара или воды. Такой битум имеет повышенную поверхностную активность, меньшую условную вязкость и большую удельную поверхность, что при прочих равных условиях обеспечивает уменьшение его расхода, снижение энергозатрат, повышение производительности асфальтобетонных заводов.
Битумная пена хорошо прилипает ко всем видам минеральных материалов, обеспечивает обволакивание самой мелкой составляющей асфальтобетона - минерального порошка, что способствует повышению качества асфальтобетона.
Наибольший эффект вспенивания был получен при использовании водяного пара с температурой ПО -130°С и содержанием воды 3-4%. При этом достигнуто 13-15-кратное увеличение объема битума. Получаемая пена достаточно устойчива, уменьшение объема наполовину происходит в течение 1,0- 1,5 мин, а полный распад лишь через 2,2-3,0 мин.
Приготовление асфальтобетонных смесей с использованием вспененных битумов осуществлялось в асфальтобетонной установке Д-645-2, на ее мешалке были установлены два блока форсунок. К существующему битумопроводу подключение осуществлялось через трехходовой кран, поэтому в асфальтосмесителе можно было использовать и обычный битум. Подавался битум к форсункам под давлением 0,4-0,5 МПа при температуре 130-150°С битумным насосом от весового дозатора, а пар - при температуре 110-130°С под давлением 0,16-0,22 МПа по паропроводу от паросилового цеха АБЗ.
При приготовлении смесей использовали битум БНД 90/130, имеющий следующие характеристики: глубину проникания иглы при 25°С 108; температуру размягчения 47°С; растяжимость 90 см; температуру хрупкости - 15°С.
В качестве минерального материала использовали щебень и высевки Каменогорского карьера размером 0-15 мм, пыль укоса мультициклонов и известняковый минеральный порошок.
Жизнеспособность битумной пены оказалась вполне достаточной для полного перемешивания минерального материала с вяжущим. Перед началом приготовления асфальтобетонных смесей была проведена тщательная регулировка дозаторов битума и минеральных материалов. Особое внимание было уделено определению расхода вспененного битума для обеспечения качества смесей.
Выполненные работы показали, что предварительное вспенивание битума существенно повышает его адгезионные свойства и облегчает перемешивание с минеральным материалом. В результате этого без снижения качества асфальтобетонных смесей расход битума может быть уменьшен на 10-15% от вяжущего, а время перемешивания сокращено на 20-25%.
Экономия битума в дорожном строительстве
Дорожное строительство является одним из крупнейщих потребителей строительных материалов. Для строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог и улиц в стране в год производится около 100 млн. тонн асфальтобетонных смесей, приготавливаемых с применением нефтяных битумов. Практически 90% битумов, получаемых дорожно-строительными и эксплуатационными организациями, используется для производства асфальтобетона и аналогичных материалов (битумо-минеральных и битумопесчаных смесей, литого асфальта и др.). Асфальтобетонные покрытия получили наибольшее распространение среди других покрытий в силу целого ряда положительных строительно-технических и транcпортно-эксплуатационных свойств. К строительно-техническим свойствам относятся: возможность строительства, ремонта и реконструкции покрытий независимо от времени года; высокая скорость укладки и возможность устройства тонких слоев; легкая восстанавливаемость при минимальных задержках движения; широкое использование местных материалов и повторное использование старого асфальтобетона из покрытий. К транспортно-эксплуатационным свойствам асфальтобетонных покрытий относятся высокая ровность, шероховатость, малая вибрация автомобиля и минимум шума при движении, хорошая видимость маркировки.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что заменить в настоящее время асфальтобетон другими материалами для строительства покрытий невозможно по ряду технологических и организационных причин. Поэтому главное внимание должно быть направлено на экономное расходование битума, при строительстве и ремонте автомобильных дорог, которое может быть осуществлено по следующим направлениям.
Читайте также: