СПОСОБ ВЫБОРА ВЯЖУЩЕГО ВЕЩЕСТВА, ОСНОВАННЫЙ НА ЕГО ИНДЕКСЕ АДГЕЗИИ, ДЛЯ СОЗДАНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ CHIPSEALING
SELECTION METHOD OF COHESIVE MATERIAL, BASED ON ITS ADHESION INDEX, FOR CREATION OF ROAD CARPET BY TECHNOLOGY CHIPSEALING

Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение относится к способу мощения дорожного полотна. Более конкретно, данный способ включает выбор битумного вяжущего, основанный на его индексе адгезии, для создания дорожного покрытия по технологии chipsealing.
Chipsealing относится к способу, посредством которого связующее наносится на мощеную поверхность дороги в один или несколько связанных друг с другом слоев, чтобы предохранить и/или улучшить поверхность дороги. Данный способ подробно описан в следующих монографиях Epps, J. A., R.L.Terrel, D.N.Little and R.J.Holmgreen. Guidelines for recycling asphalt pavements. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol.49, 1980, pp.144-176; Symposium Recycling of Asphalt Pavement. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol.49, 1997, pp.685-802; Kanhal, P.S., R.B. Mallick. Development of Rational and Practical Mix Design System for Full Depth Reclaimed (FDR) Mixes. University of New Hampshire. Final Report, 2002, pp.1-103.
Материалы, укладываемые по технологии chipsealing, обычно укладывают в горячем состоянии при мощении или ремонте дорожного полотна. Однако один недостаток обычных материалов, укладываемых по технологии chipsealing, заключается в постепенной потере заполнителя с течением времени.
В попытке преодоления чрезмерной потери заполнителя заполнитель предварительно покрывали битумом для увеличения его адгезии в процессе создания дорожного покрытия по технологии chipsealing. Многие битумные покрытия полностью покрывают заполнитель. Один недостаток предварительных покрытий заключается в том, что если добавляют слишком много битума, то заполнитель слипается и образует комья. Другой недостаток предварительного покрытия заполнителя заключается в том, что сам заполнитель является дорогостоящим из-за расхода требующихся дополнительных материалов и из-за того, что обращение с предварительно покрытым заполнителем является дорогостоящим.
Предпринимались также попытки создания способов улучшения заделки заполнителя в вяжущем. Один такой способ включает укладку более толстого слоя битума для улучшения адгезии. Один недостаток такого способа заключается в том, что при этом требуются дополнительные затраты.
Добавляли также вещества для повышения сцепления битума с заполнителем для повышения адгезии заполнителя к битуму. Однако даже при использовании таких веществ потеря заполнителя все еще остается проблемным вопросом. Другой недостаток использования веществ для повышения сцепления битума с заполнителем заключается в том, что эти вещества являются дорогостоящими.
Обычно для обеспечения максимальной адгезии поверхность, сформированную из материалов, укладываемых по технологии chipsealing, уплотняют или укатывают. Один недостаток уплотнения заключается в том, что эта операция является дополнительным этапом в процессе мощения, ведущим к увеличению продолжительности и стоимости процесса по технологии chipsealing. Кроме того, для его выполнения требуется дополнительное оборудование. Но несмотря даже на применение предварительного покрытия заполнителя, веществ для повышения сцепления битума с заполнителем, на более хорошую заделку заполнителя и уплотнение все равно происходит чрезмерная потеря заполнителя.
Для преодоления этих недостатков существует потребность в способе создания дорожного покрытия по технологии chipsealing, применение которого обеспечивало бы лучшую адгезию заполнителя. Этот способ должен обеспечивать пути выбора вяжущего для создания дорожного покрытия по технологии chipsealing, которое (вяжущее) обладало бы хорошей адгезией.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение лучшего способа выбора вяжущего таким образом, чтобы адгезия вяжущего к заполнителю соответствовала желаемому уровню и чтобы не было чрезмерной потери заполнителя при мощении поверхности.
Упомянутую выше и другие цели достигают благодаря использованию способа выбора вяжущего, предложенного в настоящем изобретении, для создания дорожного покрытия по технологии chipsealing. Данный способ включает определение индекса адгезии, по меньшей мере, одного вяжущего и выбор вяжущего с требуемым индексом адгезии для создания дорожного покрытия по технологии chipsealing. Выбранное вяжущее должно обладать индексом адгезии, не превышающим приблизительно 3,75, при вычислении путем умножения на 100 десятичного логарифма вязкости вяжущего при наибольшей температуре, которую достигает вяжущее после контакта с заполнителем, умноженного на обратную величину проникновения вяжущего при 25°C. Предпочтительно, чтобы выбранное вяжущее укладывали на поверхность, а затем укладывали заполнитель, как определено индексом адгезии вяжущего для образования поверхности, формируемой по технологии chipsealing. Предпочтительно, чтобы по существу весь заполнитель склеивался с вяжущим без необходимости уплотнения вымащиваемой поверхности.
Дополнительные аспекты изобретения вместе с преимуществами и новыми отличительными особенностями, присущими ему, будут представлены частично в последующем описании и частично станут очевидными для специалистов в данной области при изучении последующего описания или могут быть поняты при ознакомлении с практическим применением изобретения. Цели и преимущества изобретения могут быть реализованы и достигнуты посредством применения инструментария и сочетаний, конкретно представленных в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена диаграмма взаимосвязи между логарифмом вязкости битумного вяжущего и потерей массы заполнителя согласно Sweep-тесту;
на фиг.2 - диаграмма взаимосвязи между логарифмом вязкости битумного вяжущего и потерей массы заполнителя согласно Sweep-тесту;
на фиг.3 - диаграмма взаимосвязи между вязкостью четырех различных образцов битума в диапазоне от очень мягкого до очень твердого, где каждый заполнитель обладает различной потенциальной температурой укладки и потерей массы заполнителя согласно Sweep-тесту при этих конкретных температурах;
на фиг.4 - диаграмма зависимости индекса адгезии различных битумных вяжущих от потери массы заполнителя согласно Sweep-тесту, укладываемого на соответствующее вяжущее;
на фиг.5 - диаграмма потери тепла с течением времени горячим битумом после его укладки на поверхность.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения
Способ согласно настоящему изобретению относится к выбору вяжущего, подходящего для создания дорожного покрытия по технологии chipsealing. Данный способ включает определение индекса адгезии, по меньшей мере, одного вяжущего при одной температуре и предпочтительно - определение индексов адгезии множества вяжущих при множестве температур.
Индекс адгезии (ИА) определяют как реологическое свойство вяжущего при наибольшей температуре, которую оно достигает после контакта с заполнителем, умноженное на реологическое свойство вяжущего при температуре, относительно близкой к его эксплуатационной температуре на поверхности, на которую его укладывают. Измеренные реологические свойства вяжущего надлежит увеличивать, так как вяжущее становится более жестким. Если величина выбранного реологического свойства снижается по мере ужесточения вяжущего, то обратную этому реологическому свойству величину надлежит использовать в вычислениях индекса адгезии вяжущего. Логарифмы измеренных реологических свойств могут быть взяты для достижения более линейного взаимоотношения. Индекс адгезии является безразмерным числом и представляет индекс, согласно которому прогнозируют адгезионные свойства вяжущего.
Предпочтительно индекс адгезии вяжущего вычисляют, используя измеренные значения вязкости и проникновения. Наиболее предпочтительно индекс адгезии вяжущего представляет десятичный логарифм вязкости (в сантипуазах, сП) вяжущего при наибольшей температуре, которую оно достигает после контакта с заполнителем, умноженный на величину, обратную значению проникновения вяжущего (в децимиллиметрах, дмм), а результирующее число умножают на 100. Более конкретно, наиболее предпочтительно индекс адгезии вяжущего вычисляют по следующему уравнению:
ИА = lg (вязкость (сП) вяжущего при наибольшей температуре после контакта с заполнителем) × (1/значение проникновения (дмм) при 25°C) × 100.
Величину, обратную величине проникновения вяжущего, используют потому, что это реологическое свойство увеличивается с увеличением жесткости испытываемого вяжущего.
Обычно горячее вяжущее укладывают, и его температура начинает снижаться, как только его уложили на поверхность, и при укладке заполнителя его температура продолжает снижаться. Однако если используют горячий заполнитель, то температура вяжущего может повышаться в течение нескольких секунд после укладки заполнителя.
Индекс адгезии вяжущего изменяется в зависимости от его температуры. Для определения индекса адгезии вяжущего при различных температурах его вязкость определяют при различных температурах. Проникновение битумного вяжущего также определяют в диапазоне температур, относительно близком к его эксплуатационной температуре. Величину проникновения можно определять при любой температуре ниже температуры размягчения вяжущего и выше температуры стеклования вяжущего, так как эти температуры считают близкими к эксплуатационной температуре. Этот диапазон находится в пределах около -30°C - +50°C.
Предпочтительно величину проникновения определяют при температуре около 15-35°C. Более предпочтительно ее определяют при температуре около 25-30°C. Наиболее предпочтительно проникновение битума определяют в соответствии с методикой ASTM D5 (ASTM - Американское общество испытания материалов).
Авторы полагают, и включили это предположение в объем настоящего изобретения, что и другие реологические свойства (т.е. модуль сдвига, индекс плавления, ударную вязкость, динамический модуль сдвига) можно измерять для определения индекса адгезии вяжущего.
После вычисления индексов адгезии испытываемых вяжущих, вяжущее для создания дорожного покрытия по технологии chipsealing выбирают на основании его индекса адгезии. Выбранное вяжущее должно обладать индексом адгезии, составляющим не более приблизительно 3,75 при вычислении в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению, чтобы с его помощью приклеивать около 80% заполнителя, укладываемого на него. Предпочтительно выбранное вяжущее обладает индексом адгезии, составляющим не более приблизительно 3,5, при определении согласно приведенной выше методике. Выбранное вяжущее обладает индексом адгезии, составляющим не более приблизительно 3,25, при определении согласно приведенной выше методике. Во многих случаях выбранное вяжущее включает полимер, модификатор и/или нефтепродукт, добавляемый в битум. Идеальное вяжущее должно обладать низким индексом адгезии, в то же время обеспечивая достаточно высокий модуль обеспечения стойкости при высоких температурах в условиях эксплуатации (движения).
Выбранное вяжущее укладывают на поверхность, после чего на вяжущее укладывают заполнитель. Предпочтительно вяжущее и заполнитель укладывают, используя одно транспортное средство, что позволяет обеспечивать более точный контроль за временем между укладкой битума и заполнителя. Предпочтительно их укладывают непрерывно. Предпочтительно заполнитель укладывают в течение 10 секунд после укладки вяжущего. Более предпочтительно заполнитель укладывают в течение 5 секунд после укладки вяжущего. Наиболее предпочтительно заполнитель укладывают в течение 1 секунды после укладки вяжущего. Этим сокращают время, в течение которого вяжущему предоставляют возможность охлаждения и, таким образом, сохраняют величину индекса адгезии вяжущего на более низком уровне. Предпочтительно заполнитель укладывают при температуре вяжущего, составляющей, по меньшей мере, около 80°C. Более предпочтительно заполнитель укладывают при температуре вяжущего, составляющей, по меньшей мере, около 95°C. Наиболее предпочтительно заполнитель укладывают при температуре вяжущего, составляющей, по меньшей мере, около 110°C. В альтернативном варианте можно укладывать более холодное вяжущее, после чего следует укладывать горячий заполнитель для повышения температуры вяжущего, по меньшей мере, до около 80°C, предпочтительно - по меньшей мере, до около 95°C, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере, около 110°C.
Однако одним оборудованием невозможно гарантировать приемлемый индекс адгезии. В таблице 1 представлены индексы адгезии, вычисленные в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению, трех различных коммерчески доступных укладываемых в горячем состоянии вяжущих для осуществления технологии chipsealing при различных температурах укладки. Два из примеров, представленных в данной таблице, соответствуют типичным продолжительностям укладки, где используют множество единиц оборудования, а именно: заполнитель укладывают в течение приблизительно 15 или 30 секунд после укладки вяжущего. Менее типичной является укладка заполнителя в течение 10 секунд после укладки вяжущего, как это было выполнено в последнем примере в таблице 1, где использовали множество единиц оборудования, исходя из соображений материально-технического снабжения оборудования и безопасности. Использовали температуру хранения 150°C. Непосредственное снижение температуры на 20°C использовали для первоначального распыления, после чего следовала стандартная потеря теплосодержания при передаче тепла расположенным ниже слоям.
Таблица 1Индекс адгезии (вычисленный в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению)
Время, через которое наносили заполнитель
Температура материала АС
AC-15P
AC-15XP
AC 15-5TR
30 секунд
60°С
3,9
5,0
7,8
15 секунд
75°С
3,5
4,6
7,0
10 секунд
95°С
2,9
3,8
5,9
В Таблице 2 приведены индексы адгезии трех образцов вяжущих для осуществления технологии chipsealing, укладываемых с использованием одной единицы оборудования при применении синхронизации процесса.
Таблица 2
Синхронизированный процесс, укладка в течение 1 секунды
Индекс адгезии (вычисленный в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению)
Температура материала АС
AC-15P
AC-15XP
AC 15-5TR
130°С
2,1
2,8
4,5
Хотя значения индекса адгезии, представленные в таблице 2, являются более желательными, чем большая часть значений, приведенных в таблице 1, все значения индекса адгезии, полученные при синхронизированном процессе, не отвечают критериям настоящего изобретения. Более высокая температура вяжущего во время укладки заполнителя положительно влияет на индекс адгезии вяжущего, но этого может быть недостаточно, чтобы сделать нежелательное вяжущее приемлемым. Только повышение температуры вяжущего не является решением проблемы улучшения адгезии между вяжущим и заполнителем. Данные таблиц 1 и 2 показывают, что состав вяжущего и условия укладки играют важные роли в обеспечении вяжущих желательными индексами адгезии. Как показано в таблицах 1 и 2, при использовании материала AC-15P обеспечиваются наилучшие значения индекса адгезии. Между тем, данные этих таблиц показывают, что индекс адгезии материала AC15-5TR может никогда не соответствовать критериям настоящего изобретения. Используя способ согласно настоящему изобретению для определения состава требуемого вяжущего и определения приемлемого времени укладки заполнителя, можно создавать очень высококачественные дорожные покрытия по технологии chipsealing.
Предпочтительно необязательно уплотнять заполнитель и вяжущее при осуществлении по технологии chipsealing согласно настоящему изобретению, так как при этом достигают требуемой адгезии без этапа уплотнения. Желательно тестировать адгезию выбранного вяжущего к заполнителю в лабораторных условиях до формирования покрытия по технологии chipsealing на выбранной поверхности.
Предпочтительно использовать Sweep-тест для определения силы сцепления между битумным вяжущим, укладываемым в горячем состоянии, и заполнителем. По мере увеличения силы сцепления потеря массы согласно Sweep-тесту снижается. Важность данного изобретения может быть определена по скорости ухудшения вяжущего, оцениваемого с помощью Sweep-теста. В этом тесте образец, сформированный по технологии chipsealing, подвергают физическому истиранию. Более конкретно, к поверхности, сформированной по технологии chipsealing, прикладывают постоянную силу для вытеснения заполнителя. Sweep-тест выполняют при температуре ниже температуры размягчения вяжущего, но выше температуры стеклования. Этот диапазон обычно находится в пределах приблизительно -30°C-50°C. Предпочтительно Sweep-тест выполняют при температуре около 15-35°C. Более предпочтительно его выполняют при температуре около 25-30°C. Наиболее предпочтительно Sweep-тест выполняют при температуре, когда наблюдают проникновение, или близкой к этому значению.
Вязкость сама по себе необязательно является адекватным показателем адгезии или показателем потери массы согласно Sweep-тесту, что подтверждается данными, представленными на фиг.1-3. На фиг.1 показано взаимоотношение между вязкостью и потерей массы согласно Sweep-тесту для конкретного вяжущего при различных возможных температурах укладывания заполнителя. На фиг.2 показано то же взаимоотношение для другого вяжущего, но не показана корреляция между вязкостью и потерей массы согласно Sweep-тесту. На фиг.1 показано, что с увеличением вязкости сила сцепления ослабляется, что более детально описывается большей потерей массы согласно Sweep-тесту, но это взаимоотношение не имеет места при тестировании вяжущего, представленного на фиг.2. Таким образом, на фиг.1 и 2 показано, что вязкость битума во время укладки заполнителя не может быть использована исключительно в качестве четкого индикатора адгезии.
На фиг.3 показано то же взаимоотношение, что и на фиг.1 и 2, для четырех образцов битума в диапазоне от очень мягкого до очень твердого, причем каждый при различных температурах. Тогда как у трех из четырех вяжущих обнаружено устойчивое взаимоотношение между вязкостью битума при различных температурах при укладке заполнителя и потерей массы согласно Sweep-тесту, не обнаружено прогнозируемое взаимоотношение между вязкостью и потерей массы согласно Sweep-тесту среди различных вяжущих. Это опять-таки показывает, что вязкость битума во время укладки заполнителя не является четким индикатором адгезионных свойств.
2
В противоположность этому, индекс адгезии вяжущего хорошо коррелирует с потерей массы согласно Sweep-тесту с поверхности, скрепленной вяжущим по технологии chipsealing. Индексы адгезии (см. фиг.4) битума из четырех источников в диапазоне от очень мягкого до очень твердого, каждый при различных температурах, вычисляли в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению. Эти данные показывают, что по индексу адгезии вяжущего можно с большой степенью точности прогнозировать потерю массы согласно Sweep-тесту, что демонстрируется показателем R, приблизительно равным 0,96, на диаграмме, на фиг.4. На фиг.4 показана прямая связь между индексом адгезии и потерей массы согласно Sweep-тесту ряда различных типов битума.
В процессе формирования покрытия по технологии chipsealing горячее битумное вяжущее охлаждается с очень высокой скоростью, причем потеря большей части его тепла происходит в первые 10 секунд после укладки, как показано на фиг.5. Этим объясняется причина существенного влияния на индекс адгезии вяжущего периода времени между укладкой вяжущего и укладкой заполнителя. Тем не менее, как было показано выше, температура вяжущего сама по себе может быть недостаточной для того, чтобы сделать нежелательное вяжущее приемлемым.
Надлежит вымостить, по меньшей мере, около 1500 квадратных метров <дорожного полотна> при сохранении индекса адгезии вяжущего на уровне не больше приблизительно 3,75, вычисляемого в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению. Предпочтительно надлежит вымостить, по меньшей мере, около 3000 квадратных метров <дорожного полотна> при сохранении индекса адгезии вяжущего на уровне не больше приблизительно 3,75, вычисляемого в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению. Более предпочтительно надлежит вымостить, по меньшей мере, около 6000 квадратных метров <дорожного полотна> при сохранении индекса адгезии вяжущего на уровне не больше приблизительно 3,75, вычисляемого в соответствии с наиболее предпочтительным способом согласно настоящему изобретению. Наиболее предпочтительно, чтобы индекс адгезии упомянутого вяжущего сохранялся на уровне не больше приблизительно 3,75 во время всего процесса мощения. По существу весь заполнитель должен скрепиться с вяжущим при выполнении процесса согласно настоящему изобретению. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, около 80% заполнителя скрепилось с вяжущим. Наиболее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, около 90% заполнителя скрепилось с вяжущим.
Благодаря использованию способа выбора вяжущего согласно настоящему изобретению применение необязательно высоких уровней заделки в битум, предварительного покрытия заполнителя, веществ для повышения сцепления битума с заполнителем и/или уплотнения становится необязательным для обеспечения адгезии заполнителя. Кроме того, настоящим изобретением обеспечивают способ мониторинга и управления качеством процесса на месте. Тем не менее, способ согласно настоящему изобретению можно применять даже при использовании высоких уровней заделки, предварительного покрытия заполнителя, веществ для повышения сцепления битума с заполнителем или уплотнения.
Из сказанного видно, что настоящее изобретение хорошо приспособлено к достижению всех целей и задач, поставленных ранее, а также других преимуществ, очевидных и присущих настоящему изобретению.
Так как много возможных вариантов исполнения может быть выполнено согласно изобретению без отступления от его объема, следует иметь в виду, что все объекты, рассмотренные в описании или показанные на прилагаемых чертежах, надлежит интерпретировать как иллюстративные, а не в ограничительном смысле. Примеры, рассмотренные в заявке, ни в какой мере не направлены на ограничение объема настоящего изобретения.
Хотя показаны и рассмотрены конкретные варианты исполнения, конечно, могут быть предложены различные модификации, и изобретение не ограничено конкретными формами или выполнением частей и этапов, упомянутых в описании, за исключением случаев, когда такие ограничения включены в прилагаемую формулу изобретения. Кроме того, следует иметь в виду, что определенные отличительные особенности и субкомбинации могут быть использованы самостоятельно без ссылок на другие отличительные особенности и субкомбинации. Это предполагается авторами и входит в объем формулы изобретения.