СПОСОБ УСТРОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF ASPHALT CONCRETE PAVEMENT

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано при устройстве конструкций верхних слоев автомобильных дорог высоких категорий и взлетно-посадочных полос аэродромов, а также для асфальтобетонных покрытий на мостах и путепроводах во всех климатических зонах.
Устройство асфальтобетонных покрытий выполняется в соответствии с действующими нормативными актами и определяется проектом в зависимости от категории дорог. Типовая дорожная конструкция формируется последовательной укладкой на уплотненное и подготовленное земляное полотно песчаного дренирующего слоя, на который укладываются слои дорожного основания и покрытия. Асфальтобетонное покрытие представляет собой верхнюю часть дорожной конструкции, состоящую из одного или нескольких слоев, уложенных на подготовленное дорожное основание. Покрытие получают путем укладки асфальтобетонной смеси на подготовленное основание с дальнейшим уплотнением в соответствии с техническими рекомендациями TP 103-07 [TP 103-07. Технические рекомендации по устройству дорожных конструкций с применением асфальтобетона].
Толщина асфальтобетонного покрытия, укладываемого в один слой, составляет 3-6 см. Покрытия большей толщины обычно укладывают в 2-3 слоя асфальтобетонной смесью с раздельным уплотнением каждого из слоев. При этом толщина верхнего слоя принимается в пределах 3-5 см, а толщина каждого из нижних слоев асфальтобетонного покрытия составляет 4-8 см. Тонкослойные покрытия толщиной 1,5-2,5 см устраивают обычно из асфальтобетонных смесей специального состава для обеспечения шероховатости поверхности.
Для нижних слоев покрытия преимущественно применяют пористый асфальтобетон, а для верхнего слоя покрытия марку горячего, теплого и холодного асфальтобетонов, марку битума и тип гранулометрии выбирают в зависимости от категории дороги и климатических условий района строительства. Верхний слой асфальтобетона является наиболее ответственным элементом дорожного покрытия, непосредственно воспринимающим нагрузки от движущихся транспортных средств. Именно этот слой должен обеспечивать надежное сцепление колес автомобиля с дорожным покрытием. Верхний слой асфальтобетонного покрытия в большей мере, чем остальные слои, подвержен воздействию климатических условий. Покрытие должно быть прочным, ровным, шероховатым, противостоять пластическим деформациям при высоких положительных температурах, быть трещиностойким и хорошо сопротивляться износу - оно должно обеспечивать необходимые эксплуатационные качества проезжей части. В соответствии с этим к нему предъявляются наиболее жесткие требования.
Предлагаемое изобретение относится к способам устройства асфальтобетонного покрытия из асфальтобетонных смесей специального состава. Такие покрытия используются в следующих случаях:
- при устройстве покрытий на дорогах с интенсивным движением и в сложных климатических условиях для обеспечения высокой прочности и долговечности асфальтобетонного покрытия, сокращения затрат на проведение ремонтных работ;
- при устройстве асфальтобетонных покрытий на мостах и путепроводах, когда к покрытиям предъявляют требования повышенной деформативности и водонепроницаемости при минимальном весе покрытия.
Аналогом предлагаемого способа устройства асфальтобетонного покрытия может быть способ устройства верхнего слоя покрытия на основе щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). В соответствии с ГОСТ 31015-2002 щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь (ЩМАС) - рационально подобранная смесь минеральных материалов (щебня, песка из отсевов дробления и минерального порошка), дорожного битума (с полимерными или другими добавками или без них) и стабилизирующей добавки, взятых в определенных пропорциях и перемешанных в нагретом состоянии. Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) - уплотненная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь. Стабилизирующая добавка - вещество, оказывающее стабилизирующее влияние на ЩМАС и обеспечивающее устойчивость ее к расслаиванию.
Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси (ЩМА), приготавливаемые в соответствии с ГОСТ 31015-2002, отличаются от традиционных асфальтобетонных смесей (ГОСТ 9128-2009) повышенным содержанием щебня (до 70-80% по массе). Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси относятся к горячим плотным смесям, приготавливаемым с обязательным введением стабилизирующих добавок типа волокон или полимеров для исключения стекания вяжущего при хранении смеси в накопительных бункерах или при транспортировании.
ЩМА рекомендуется использовать для устройства верхних слоев покрытий толщиной 3-6 см на автомобильных дорогах I-III категорий и на городских улицах во всех климатических зонах. Минимальная температура смеси при укладке должна быть не ниже 150°С. Использование щебеночно-мастичного асфальта в качестве верхнего слоя покрытия при надлежащем использовании и подборе состава смеси обеспечивает высокую устойчивость покрытия к образованию пластических деформаций в наиболее сложных эксплуатационных условиях. Остаточная пористость и водонасыщение ЩМА обеспечивают повышенную водостойкость таких покрытий. Высокое содержание дробленых зерен (щебня и песка) создает более высокую шероховатость покрытий в сравнении с традиционными асфальтобетонами.
К недостаткам покрытий из щебеночно-мастичных смесей следует отнести жесткость требований, как к количественному составу смеси, так и свойствам отдельных ее компонентов. При приготовлении таких смесей необходимо точно выдерживать проектный состав смеси. Погрешность дозирования компонентов смеси не должна превышать для щебня ±2%, минерального порошка и битума ±1,5%, добавок волокон ±5% от массы каждого компонента. ЩМАС относятся к плотным асфальтобетонным смесям. Низкая остаточная пористость материала достигается путем тщательного подбора грануляционного состава смеси. При этом учитывается не только размер зерен минеральной части, но и их форма. Структура ЩМА формируется, в основном, за счет зерен щебня кубовидной формы. Содержание зерен другой формы строго ограничено.
2
2
Не менее жесткие требования предъявляются к прочностным характеристикам каменных материалов в составе ЩМА. При этом возникает несоответствие требований к прочности щебня, используемого в смеси и прочности самого асфальтобетона. Прочность гранитного щебня в покрытии составляет 1000-1200 кг/см, в то время как требования ГОСТ к самому покрытию лежат в пределах 20-25 кг/см. Это обусловлено механизмом восприятия внешних нагрузок в покрытиях данного типа.
Каменный материал в таких покрытиях образует каркас, в котором каждая частица минеральной части смеси находится в непосредственном контакте с соседними. Устойчивость покрытий обеспечивается, в основном, за счет расклинивания крупных зерен щебня более мелкими фракциями. Каркас материала воспринимает внешнюю нагрузку и перераспределяет ее между частицами. С учетом того, что большая часть каменного каркаса состоит из частиц неправильной геометрической формы, в структуре материала возникает множество точечных контактов, в которых при восприятии внешней нагрузки формируются высокие удельные давления, приводящие к растрескиванию частиц каркаса.
2
Из-за высокого содержания вяжущего в щебеночно-мастичном асфальте и полного обволакивания зерен щебня пленкой вяжущего, как правило, к моменту открытия дорожного движения не достигается достаточной шероховатости. Для получения шероховатой поверхности рекомендуется равномерная посыпка промытым высокопрочным щебнем крупностью 2-5 мм или смесью щебня с дробленым песком (1-4 кг/м). Насыпаемый материал наносят на горячую поверхность. При более позднем нанесении материал не может проникнуть в поверхностный слой и при укатке разрушается.
Перечисленные проблемы являются серьезным препятствием для широкого использования данного способа устройства асфальтобетонного покрытия.
Наиболее близким к предлагаемому способу устройства асфальтобетонного покрытия является способ устройства верхнего слоя покрытия из литого асфальтобетона [ТУ 5718-002-04000633-2006. Смеси асфальтобетонные литые и литой асфальтобетон], взятый в качестве прототипа. Для изготовления литых асфальтобетонных смесей используют полимербитумные вяжущие, резинобитумные вяжущие и другие типы модифицированных битумов с широким диапазоном пластичности, обеспечивающих повышенные трещиностойкость и сдвигоустойчивость покрытия.
Покрытия из литого асфальтобетона устраивают на участках дорог, требующих по условиям эксплуатации повышенных показателей в части износостойкости, водонепроницаемости, деформационных и фрикционных свойств. Литые асфальтобетонные смеси применяют при устройстве и ремонте покрытий и слоев монолитных дорожных конструкций, проектируемых из условия работы асфальтобетонного покрытия как упругой плиты, лежащей на упругом основании. К таким видам покрытий относятся покрытия на мостах, эстакадах, путепроводах и т.д. В практике строительства покрытий на мостах используют литые асфальтобетонные смеси, приготавливаемые как на стандартных битумах, так и на полимербитумных вяжущих. Литые асфальтобетонные смеси укладывают в верхний слой покрытия толщиной в 4-5 см по предварительно уплотненному нижнему слою из уплотняемой горячей асфальтобетонной смеси [ВСН 60-97].
2
Для приготовления смесей применяют минеральные материалы: щебень из природного камня, получаемый дроблением горных пород, щебень из гравия и гравий. Требования к прочности каменных материалов менее жесткие, чем в ЩМА (прочность составляет не менее 1000 кг/см). По форме зерен щебень должен быть кубовидной формы, содержать не более 1% пылевидных и глинистых частиц, без посторонних примесей. Содержание зерен слабых пород не должно превышать 5% по массе. Количество крупных фракций с размером частиц более 55 мм в зависимости от марки смеси составляет от 35 до 65%. Содержание асфальтовяжущего вещества в таких смесях достигает 30% при массовом соотношении битум/минеральный порошок от 0,35 до 0,75. Температура укладки литых асфальтобетонных смесей в зависимости от марки составляет 200-240°С. К месту производства работ готовая смесь ЛА транспортируется самоходными установками с котлом-термосом или бункером с обогревом и мешалкой.
Достоинством литых асфальтобетонных покрытий является тот факт, что после укладки не требуется их уплотнения из-за повышенного содержания асфальтового вяжущего вещества. Литые асфальтобетонные смеси (ЛА) относятся к горячим смесям и обладают хорошей текучестью, что исключает, в большинстве случаев, необходимость уплотнения. Другим важным достоинством литого асфальтобетона является практически нулевая пористость и водонасыщение, что обеспечивает высокую водостойкость покрытий, а также их высокую усталостную долговечность. Снижена жесткость требований к каменным материалам, т.к. литой асфальтобетон не образует каркасной структуры.
2
К недостаткам асфальтобетонных покрытий этого типа относится более высокая восприимчивость к случайным колебаниям содержания минерального порошка и битума, что негативно отражается на показателях физико-механических свойств асфальтобетона. Опыт применения таких смесей показал, что в покрытиях, особенно на дорогах с тяжелым и интенсивным движением, образуются волны, сдвиги и другие пластические деформации. Особенно сильны такие проявления при высоких внешних температурах. Литые асфальтобетонные смеси склонны к сегрегации, в результате которой происходит расслоение материала в слое дорожного покрытия. Частицы крупных фракций смеси оседают на дно, а в верхней части слоя выделяется асфальтовяжущее, прочностные характеристики которого определяются, в основном, свойствами используемого битума. Содержание минерального порошка и битума в асфальтовяжущем таково, что значительная часть битума находится в объемном состоянии, снижая прочностные показатели материала. Прочность литого асфальтобетона нормируется только при температуре 50°С и составляет 7-10 кг/см. Применение высоких температур при производстве асфальтобетонной смеси и ее укладке создает серьезные проблемы при транспортировании материала к месту использования и требует специального оборудования. Производство работ по устройству дорожных покрытий с использованием литого асфальтобетона требует большого опыта и необходимого производственного навыка.
2
Шероховатость поверхности литых асфальтобетонных покрытий недостаточна, чтобы обеспечить высокое сцепление с колесами автомобилей, исходя из условий безопасности движения. Для обеспечения необходимого сцепления используют поверхностную обработку. В этом случае поверхность покрытия обрабатывают черным щебнем фракции (10-15 мм) с прикаткой его через 10-15 мин после укладки легким катком массой 3 т. Такая поверхностная обработка носит название способа втапливания щебня [ВСН 38-90. Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью]. Применяемый щебень должен быть предварительно обработан органическим вяжущим (черный щебень). Норма расхода щебня для втапливания в литое асфальтобетонное покрытие определяется размером его частиц и составляет 7-10 кг/м. Использование для поверхностной обработки более мелкого щебня могло бы снизить его расход и повысить его фрикционные качества. Однако низкая прочность материала и его плавающая структура не позволяют сделать этого. Мелкие частицы щебня под действием нагрузок утопают в слое асфальтобетона, снижая его сцепление с колесами автомобиля.
Кроме этого, возникают проблемы при обработке щебня органическим вяжущим. Каждая частица щебня при поверхностной обработке должна быть смочена битумом по всей поверхности с обеспечением надежного сцепления связующего с каменным материалом. Препятствием к достижению этого является наличие пылевидных частиц на поверхности щебня. В связи с этим щебень перед обработкой битумом промывают и просушивают.
Задачей изобретения является разработка способа устройства верхнего слоя асфальтобетонного покрытия, обладающего повышенными эксплуатационными показателями, необходимыми для устройства покрытий на дорогах с интенсивным движением и в сложных климатических условиях, а также устройстве асфальтобетонных покрытий на мостах и путепроводах, когда к покрытиям предъявляют требования повышенной деформативности и водонепроницаемости при минимальном весе покрытия. Одновременно с этим достигается снижение затрат на производство и эксплуатацию дорожного покрытия.
2
Поставленная задача решается тем, что верхний слой покрытия толщиной 1,5-3 см формируют из гранулированного асфальтовяжущего материала, полученного способом окатывания, с содержанием битума не более 15%, а для поверхностной обработки используют предварительно подготовленный щебень с размером частиц 3-5 мм, на поверхность которого нанесен слой асфальтовяжущего, полученного методом окатывания, при этом количество асфальтовяжущего в оболочке составляет 5-10% от массы щебня, расход щебня не более 5 кг/м, а втапливание щебня производят после остывания уложенного слоя до температуры 80°С.
Основу асфальтобетонного покрытия, выполненного в соответствии с предлагаемым способом, представляет материал, полученный по способу получения асфальтобетонной смеси [Патент РФ №2182136, 10.05.2002]. Этот материал является гранулированным асфальтовяжущим, полученным из смеси минерального порошка и битума методом гранулирования окатыванием. Применение метода окатывания при получении гранул позволяет получить однородную структуру асфальтовяжущего с равномерным распределением битума в массе минерального порошка при минимальном содержании битума. Кроме того, обеспечивается упорядоченное расположение зерен минерального порошка в структуре асфальтовяжущего с созданием битумных пленок наноразмеров, обеспечивающих существенное повышение прочностных показателей смеси. Высокая пластичность гранул в разогретом состоянии позволяет получить практически монолитные образцы асфальтобетона с минимальным водопоглощением и значением коэффициента водостойкости превышающем единицу.
Гранулированное асфальтовяжущее по способу [Патент РФ №2182136, 10.05.2002] используется по прямому назначению, т.е. вводится в разогретую асфальтобетонную смесь, осуществляя сцепление между частицами минеральной части. При таком применении перечисленные достоинства асфальтовяжущего материала не могут быть в полной мере реализованы. В литературных источниках указывается, что композиционный материал, структура которого упорядочена, а количество связующего минимально, близок к идеальному композиту. На это указывается в работах создателя нового научного направления физико-химической механики академика П.А. Ребиндера [Ребиндер П.А.. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Ч. Физико-химическая механика. - М.: Наука, 1979. - 469 с]. В работах Л.Б. Гезенцвей [Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов. - М.: Изд-во по строительству, 1971. - 255 с.] отмечается, что существует оптимальное соотношение содержаний минерального порошка и битума в бинарной системе, при котором наблюдается резкое повышение прочностных характеристик системы. По данным Л.Б. Гезенцвей это соотношение составляет 87% и 13% и минерального порошка и битума в весовых долях.
Пример I осуществления способа.
Проводилось формование образцов асфальтобетона из гранулированного асфальтовяжущего на основе доломитовой муки с содержанием битума БНД 60-90 13,6%. Результаты испытаний образцов асфальтобетона приведены в таблице I.
Таблица I.
Наименование показателей
Гранулированное асфальтовяжущее
Требования ГОСТ 31015-2002 к ЩМА
Требования ТУ 5718-002-04000633-2006 к литому асфальтобетону
Водонасыщение %
0,3
1,0-4,0
1,0
Предел прочности при сжатии при температуре 50°С МПа
3,10
не менее 0,65
не менее 1,0
Предел прочности при сжатии при температуре 20°С МПа
9,00
не менее 2,2
не нормируется
Сдвигоустойчивость: коэффициент внутреннего трения; сцепление при сдвиге при температуре 50°С МПа.
0,86
не менее 0,93
не нормируется
не менее 0,18
0,58
не нормируется
Коэффициент водостойкости
1,03
не менее 0,85
не нормируется
Приведенные в таблице данные показывают существенное превышение практически всех показателей свойств асфальтобетона из гранулированного асфальтовяжущего требований ГОСТ и ТУ. Единственным показателем, по которому материал уступает ЩМА, является коэффициент внутреннего трения. Этот результат вполне очевиден с учетом строения структуры сравниваемых материалов. ЩМА имеет каркасную структуру, сформированную из крупных частиц щебня, что обусловливает высокое значение коэффициента внутреннего трения. Гранулированное асфальтовяжущее не содержит щебня, но сдвигоустойчивость материала обеспечивается высоким значением сцепления при сдвиге.
Приведенные данные объясняются особенностью строения гранулированного асфальтовяжущего, полученного методом окатывания. При равномерном распределении битума в массе материала в структуре формируются битумные пленки с толщинами наноразмеров. Это способствует проявлению наноэффекта структурирования системы, приводящего к резкому повышению связей между частицами порошка и прочности материала. В литом асфальтобетоне этот эффект не проявляется, несмотря на достаточно высокое содержание асфальтовяжущего в материале. Соотношение битум/минеральный порошок в этом материале далеко от оптимального, в связи с чем, асфальтовяжущее обладает свойствами битума, который размягчается при повышении температуры, а слой покрытия образует наплывы и волны от движущегося транспорта.
Кроме этого, прочность структуры обеспечивается механизмом восприятия внешних нагрузок, принципиально отличающимся от распределения нагрузки остовом покрытия в многощебенистых материалах. Гранулированное асфальтовяжущее представляет собой практически однородный материал, в связи с чем, внешняя нагрузка распределяется равномерно по площади контакта дорожного покрытия и колес автомобиля, снижая удельные давления и требования к прочности частиц минеральной части материала.
Резкое повышение прочностных характеристик гранулированного асфальтовяжущего позволяет снизить толщину верхнего слоя асфальтобетонного покрытия до значений 1,5-3 см с гарантированным обеспечением прочности покрытия и одновременным снижением материалоемкости слоя. Уменьшение толщины слоя приводит к снижению растягивающих напряжений, возникающих при деформации изгиба. Известно, что асфальтобетон, как многие строительные материалы, хорошо работает на сжатие и гораздо хуже на растяжение. Таким образом, комплексное использование процедур, приведенных в отличительной части формулы изобретения, обеспечивает прочностные характеристики асфальтобетонного покрытия.
Долговечность покрытия гарантируется минимальным водонасыщением материала по аналогии с литым асфальтобетоном. Известно, что асфальтобетонное покрытие наиболее подвержено разрушению в период оттепелей с чередующимися заморозками. Во время оттепели материал насыщается влагой, объем которой возрастает при замерзании, приводя к растрескиванию материала и его разрушению. Асфальтобетонное покрытие из гранулированного асфальтовяжущего, обладая минимальным водонасыщением, предотвращает реализацию такого механизма разрушения.
Укладка гранулированного асфальтовяжущего слоем небольшой толщины на поверхность свежеуложенного нижнего слоя с дальнейшим уплотнением приводит к частичному вдавливанию гранул в тело нижнего слоя, гарантируя надежное сцепление верхнего и нижнего слоев покрытия. Это также способствует повышению прочностных характеристик покрытия в целом.
Использование поверхностной обработки для обеспечения необходимого сцепления дорожного покрытия с колесами автомобиля традиционно используется при устройстве покрытий из мелкозернистых или песчаных смесей. При этом серьезной проблемой при смачивании щебня для поверхностной обработки битумом является недостаточное сцепление каменного материала и битума. Это часто приводит к вырыванию частиц щебня из дорожного покрытия, что ведет к созданию аварийных ситуаций. Причиной являются пылевидные частицы на поверхности каменного материала. В связи с этим на многих асфальтобетонных заводах щебень перед обработкой битумом предварительно промывают водой и далее высушивают и обрабатывают битумом.
При создании на поверхности частиц щебня слоя асфальтовяжущего, нанесенного методом окатывания, сцепление частиц асфальтовяжущего с поверхностью щебня гарантируется тем, что при окатывании каждая частица щебня многократно взаимодействует с микрообъемами битума и гарантированно смачивается им. Оболочка асфальтовяжущего на поверхности щебенки обеспечивает надежное сцепление частицы с верхним слоем покрытия, предотвращая вылетание под действием колес автомобиля. Это позволяет снизить расход щебня на поверхностную обработку покрытия. Оптимальная шероховатость поверхности покрытия в соответствии с проведенными экспериментами достигается, когда обработанный щебень с температурой 80-100°С втапливается в дорожное полотно при температуре 80°С.
Рассмотренные меры позволяют получить высокопрочное и долговечное асфальтобетонное покрытие с минимальным содержанием дорогостоящего высокопрочного гранитного щебня. Повышенное в сравнении с другими видами покрытий содержание битума компенсируется прочностными показателями материала, что позволяет уменьшать слой покрытия, снижая материалоемкость и облегчая конструкцию. Это позволяет использовать предлагаемое асфальтобетонное покрытие на мостах и путепроводах.