Получение бетонов на органогидравлических вяжущих с применением вспененного битума

УДК 625.8

ПОЛУЧЕНИЕ БЕТОНОВ НА ОРГАНОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВСПЕНЕННОГО БИТУМА

В.А. Веренько, профессор, д.т.н., А.А. Макаревич, инженер, Центр научных исследований и испытаний дорожно-строительных и гидроизоляционных материалов, БНТУ

Аннотация. Рассмотрен опыт применения бетонов на органогидравличе-ском вяжущем, приготовленных с использованием вспененного битума. Приведены составы материала и его свойства.

Ключевые слова: асфальтогранулят, бетон на ОГВ, вспененный битум, дорожные одежды, органоминеральное вяжущее.

Введение

В настоящее время основным способом капитального ремонта дорожных одежд улиц города Минска является способ замещения слоев. Удаляемый при этом дробленый материал старой дорожной одежды - асфальтогранулят может быть широко использован для устройства новых конструктивных слоев, в том числе монолитных. Одним из наиболее эффективных путей его применения является приготовление смесей на органо-гидрав-ли-ческом вяжущем (далее ОГВ), в процесссе чего происходит восстановление свойств старого асфальтобетона путем введения в него новых органических и минеральных вяжущих веществ.

В Республике Беларусь устройство покрытий из бетонов на ОГВ начато в 2000 году с устройства покрытия на дороге Новый Двор - Шершуны - Среднее. В том же году силами ПРСО Минскоблдорстрой при научном сопровождении БНТУ было устроено около 4,7 км дорожных покрытий из подобных смесей на ряде объектов Минской области. В результате было сэкономлено 72 тонны мазута, 266 тонн битума, 1826 м3 щебня, 9292

кВт/ч электроэнергии. Экономический эффект составил около 61 тысячи долларов США. Состав материала был предложен на основании исследований БНТУ, в качестве органического вяжущего была использована битумная эмульсия. В 2003 году был издан государственный стандарт СТБ 1415 «Бето-

ны на ОГВ». В качестве органического вяжущего он предусматривает использование исключительно битумной эмульсии. Начиная с 2005 года при капитальном ремонте дорожных одежд улиц города Минска УП «Горре-мавтодор» стало активно внедрять технологии устройства покрытий дорожных одежд из бетонов на ОГВ. Приготовление смесей производится в мобильной установке КМА 200 фирмы Wirtgen. Данная установка позволяет в качестве органического вяжущего применять как битумную эмульсию, так и вспененный битум.

Особенности технологии вспенивания битума

Технология вспенивания битума известна с середины 50-х годов XX столетия. Тогда для вспенивания применяли пар, подававшийся под высоким давлением, что требовало использования массивного бойлера. В конце 60-х годов в Австралии компания Mobil Oil начала вспенивать горячий битум холодной водой, но это приводило к засорению сопел, а режимом образования пены было трудно управлять. В середине 90-х эти трудности были преодолены компанией Wirtgen GmbH, что сделало реальным применение вспененного битума в качестве вяжущего.

Вспененный битум получают добавлением небольших количеств воды (2 - 4 % по массе битума) к горячему битуму (160 - 180 °C). Когда холодная вода соприкасается с горя-

чим битумом, тепловая энергия от битума передается частицам воды, которые, превращаясь в пар, создают мельчайшие пузырьки, окруженные тонкой пленкой битума. Это приводит к расширению битума примерно в 15 - 30 раз от первоначального объема. Количество добавляемой воды должно быть рассчитано, исходя из объемного расширения и продолжительности сохранения пены. Увеличение количества воды дает большее объемное расширение, но уменьшает время сохранения пены (его характеризуют периодом полураспада пены). Обычно добавление 2 - 4% воды дает приемлемые объемное расширение и время сохранения пены. Схема получения вспененного битума показана на рис. 1.

Рис. 1. Получение вспененного битума

При этом никакой химической реакции не происходит, а просто на короткий промежуток времени изменяется физическое состояние битума, выражающееся в образовании пены. К своему обычному физическому состоянию битум возвращается в течение нескольких минут, а в большинстве случаев меньше, чем за минуту (типичный период полураспада пены составляет 15 секунд). Смешение завершается в течение этого же промежутка времени.

Вспенивание битума облегчает смачивание минеральной поверхности и может улучшить ее адгезию. При смешивании с измельченным материалом старой дорожной одежды вспененный битум, частично покрывая крупные зерна и очень хорошо мелкие, создает своеобразную пасту, объединяющую смесь, поэтому желательно, чтобы смесь содержала не менее 5% частиц мельче 0,071 мм. При нехватке мелкой фракции состав может быть улучшен добавлением цемента, извести, минерального порошка или другого материала с полным прохождением через сито 0,071 мм.

Следует отметить, что температура минерального материала во время смешивания -один из важнейших факторов, влияющих на качества материла, укрепленного вспененным битумом. При проектировании состава смеси и свойств вспененного битума следует учитывать, что чем ниже окружающая температура, тем более высокими характеристиками вспенивания (расширение и время полураспада пены) должен обладать применяемый битум. Для вспенивания подходят вязкие дорожные нефтяные битумы с пенетра-цией 70 °П и выше. Возможно применение более вязких битумов, однако в этом случае качество пены ухудшается и возникает опасность засорения сопел расширительных камер.

Важнейшими преимуществами вспененного битума по сравнению с битумной эмульсией являются следующие.

1. Продолжительное время хранения приготовленного в стационарной установке материала. Готовая смесь может складироваться и храниться продолжительное время, не теряя своих свойств при укладке и уплотнении.

2. Быстрый набор прочности материала после укладки и уплотнения. В связи с этим открытие движения и устройство защитных слоев может быть произведено в более ранние сроки по сравнению с материалом, полученным с использованием битумной эмульсии.

3. Низкая стоимость материала, для вспенивания пригодны вязкие битумы без добавок, нет необходимости в использовании дорогостоящих эмульгаторов.

Результаты исследований

Исследование свойств битумов, пригодных для вспенивания, производится с использованием лабораторной установки Wirtgen WLB 10 (рис. 2). Для использования в дорожных покрытиях ЦНИИ ДСГМ при участии лаборатории УП «Горремавтодор» были подобраны составы бетонов на ОГВ на вспененном битуме, удовлетворяющие требованиям СТБ 1415, для смесей марок II и III. Для возможности использования разработанных составов в течение всего строительного сезона произведен перерасчет содержания компонентов смеси на широкий диапазон влажности асфальтогранулята. Состав материала приведен в табл. 1.

Рис. 2. Установка Wirtgen WLB 10

Таблица 1 Составы бетонов на ОГВ на вспененном битуме

Влажность асфальто-гранулята Материал Содержание в смеси

Марка II Марка III

1,0 % Асфальто-гранулят А1 100% 100%

Вспененный битум 4,59 % сверх 100 % 3,06 % сверх 100 %

Цемент марки 400 2,55 % сверх 100 % 2,04 % сверх 100 %

Вода 6 % сверх 100 % 6 % сверх 100 %

3,11 % Асфальто-гранулят А1 100% 100%

Вспененный битум 4,5 % сверх 100 % 3 % сверх 100 %

Цемент марки 400 2,5 % сверх 100 % 2 % сверх 100 %

Вода 4 1% 0 оо 4 1% 0 оо

5 % Асфальто-гранулят А1 100% 100%

Вспененный битум 4,42 % сверх 100 % 2,95 % сверх 100 %

Цемент марки 400 2,45 % сверх 100 % 1,96 % сверх 100 %

Вода 2 % сверх 100 % 2 % сверх 100 %

Таблица 2 Показатели вспененного битума

Температура вспенивания, °С Содержание воды для вспенивания, % от массы битума Коэффициент расширения, разы, не менее Время полураспада пены, с, не менее

160 - 175 2 - 4 12 10

Для вспенивания используют вязкий дорожный битум марки БНД 60/90 с пенетрацией не ниже 70 °П. Требования к условиям вспенивания битума и показателям вспененного битума приведены в табл. 2. Свойства бетонов на ОГВ, приготовленных по указанным составам в смесителе КМА200 в возрасте 14 (прочность при сжатии при 50 °С) и 28 (все показатели) суток, приведены в табл. 3.

Таблица 3 Свойства бетонов на ОГВ

Наименование показателя Значение показателя Требование СТБ 1415

марка II марка III

Водонасыщение, % по объему 3,42 4,72 0,5-10,0

Набухание, % по объему 0,08 0,12 не более 1,0

Индекс сопротивления пластическим деформациям 1,18 1,06 не менее 1,0

Индекс температурной трещиностойко-сти 0,53 0,48 не менее 0,4

Максимальная структурная прочность 2,26 1,96 не менее 1,8

Предел прочности при сжатии при температуре 323 К (50°С), МПа, в возрасте: 14 сут. 28 сут. 0,75 1,06 0,64 0,89 не менее 0,6 не менее 0,8

Коэфф. морозостойкости в агрессивной среде 0,77 0,76 не менее 0,6

Общий уровень надежности 0,85 0,73 не менее 0,6

Заключение

Применение вспененного битума позволяет получить материал высокого качества, по многим прочностным и эксплуатационным показателям превосходящий бетон на ОГВ на битумной эмульсии. Тем самым отпадает необходимость в использовании дорогостоящих эмульгаторов и сложного оборудования.

Литература

1. Веренько В.А. Бетоны на органогидравли-

ческих вяжущих для устройства конструктивных слоев дорожных одежд // Проблемы надежности дорожных одежд городских улиц и дорог: Сб. тр. международной научно-технической конференции. - Мн.: БНТУ, 2005. - 212 с.

2. Костельов М.П., Хаккерт Я., Долгилевич

Ю.П. Опыт применения технологии холодной регенерации дорожных покрытий в США: Каталог-справочник «Дорожная техника - 2005».

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 5 декабря 2007 г.