Асфальтобетоны на основе битумно-резиновых композиционных вяжущих для дорожного строительства

УДК 691.16:541.6

АСФАЛЬТОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ БИТУМНО-РЕЗИНОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

1 9

В.В.Алексеенко1, В.Б.Балабанов2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведён анализ проблемы долговечности существующих асфальтобетонных покрытий в РФ. Рассматривается зарубежный и отечественный опыт строительства перспективных покрытий с использованием битумно-резиновых композиционных (БРК) вяжущих. Проведено исследование физико-механических характеристик асфальтобетона на основе таких вяжущих. Установлено, что применение БРК повышает водостойкость, теплостойкость и морозостойкость асфальтобетонного покрытия, что приводит к значительному повышению долговечности покрытий автомобильных дорог. Табл. 2. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: битумно-резиновый композит; реологические характеристики; утилизация изношенных автомобильных покрышек; асфальтобетон.

ASPHALT CONCRETES ON THE BASIS OF BITUMEN-RUBBER COMPOSITE BINDINGS FOR ROAD

CONSTRUCTION

V.V. Alekseenko, V.B. Balabanov

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The analysis of the durability problem of existing asphalt concrete pavements in the Russian Federation is carried out. The article examines foreign and domestic experiences in the construction of promising pavements with the use of bitumen-rubber composite (BRC) bindings. The authors undertake the study of physico-mechanical properties of the asphalt concrete on the basis of these bindings. It is found out that the use of BRC increases water resistance, heat resistance and frost resistance of the asphalt concrete pavement that results in a significant increase in the durability of road surfaces.

2 tables. 9 sources.

Key words: bitumen-rubber composite; rheological characteristics; recycling of used auto-tire casings; bituminous (asphalt) concrete.

Срок службы асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог определяется не только технологическими аспектами непосредственного приготовления и укладки асфальтобетона, но и свойствами составляющих его компонентов, особенно качеством вяжущего материала. Используемые повсеместно в практике вяжущие на основе окисленных нефтяных битумов не обеспечивают нужные эксплуатационные характеристики и долговечность асфальтовому покрытию. Это обусловлено теми физико-химическими характеристиками, которые заложены в самой химической природе битумного материала. Рядом авторов было показано [1,2], что неудовлетворительные характеристики битумов марки БНД по ГОСТ 22245-90 приводят к уменьшению долговечности асфальтобетонных покрытий на 40-50% по сравнению с требованиями стандартов.

Более перспективным является создание композиционных вяжущих на основе битума, например, полимерно-битумных вяжущих (ПБВ). Совмещение

свойств битума и полимерного вещества способствует резкому улучшению характеристик вяжущего материала (повышается температура размягчения, понижается температура хрупкости, увеличивается эластичность и улучшаются адгезионные свойства). Все это положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках асфальтобетона. Проблема заключается в том, что в качестве полимерных добавок используются дорогостоящие термопластичные резины, а это значительно увеличивает стоимость ПБВ композиционного материала.

Другим более привлекательным с экономической точки зрения модификатором битумных вяжущих являются резинотехнические отходы и, прежде всего, вулканизированная резина отработанных автомобильных шин. Широко известно, насколько актуальна проблема утилизации отработанных автомобильных покрышек для всех развитых стран, в том числе и для России. Большинство специалистов сходятся во мнении, что утилизация покрышек в объёмах, сравнимых

1Алексеенко Виктор Викторович, кандидат химических наук, доцент кафедры автомобильных дорог Института архитектуры и строительства, e-mail: ron@irlan.ru

Alekseenko Victor, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Automobile Roads of the Institute of Architecture and Building, e-mail: ron@irlan.ru

2Балабанов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог Института архитектуры и строительства, тел.: 89025161302.

Balabanov Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Automobile Roads of the Institute of Architecture and Building, tel.: 89025161302.

Таблица 1

Результаты испытаний асфальтобетонной смеси_

№ п/п Наименование показателей Требования ГОСТ 91282009 смесь горячая, мелкозернистая, плотная, тип Б, марка I Фактические показатели

1 Средняя плотность асфальтобетонной смеси, г/см3 - 2,39

2 Водонасыщение, % по объему 1,5-4,0 1,68

3 Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре: 20°С, не менее 50°С, не менее 0°С, не более 2,5 1,0 9,0 3,06 1,58 6,95

4 Водостойкость, не менее 0,95 1,1

5 Водостойкость при длительном водона-сыщении, не менее для марки I - 0,90 для марки II - 0,85 0,87

с объёмом их накопления, возможна только при использовании резинотехнических отходов для дорожного строительства. В этом направлении уже несколько десятков лет ведутся интенсивные исследования в разных странах, и решение этой задачи имеет практическую реализацию.

Большинство существующих на данный момент технологий получения БРК основано на механическом смешении битума с резиновой крошкой, приготовленной с использованием различных вариантов измельчения резины, вплоть до долей миллиметра. При таком подходе значительно повышается температура размягчения Тр вяжущего, а температура хрупкости (которая характеризует морозостойкость асфальтобетона) понижается незначительно. Например, требования к температуре размягчения композита, известного в западных странах под маркой Asphalt-Rubber, составляют не менее +65°С. Однако и стоимость вяжущего, производимого из мелкодисперсной резиновой крошки, очень высокая и существенно превышает стоимость исходного битума. Тем не менее, в западных странах наличие эффективных механизмов стимулирования технологий, помогающих решать экологические проблемы, приводит к тому, что стоимость вяжущего не имеет решающего значения для производителей БРК [3-6]. В России реальное использование (десятки километров асфальтобетонных покрытий) резинобитумных вяжущих имело место только в Московском регионе - это материалы под маркой "БИТ-РЭК" [7,8].

В нашем регионе коллективом авторов [1] был разработан метод термомеханического растворения резиновой крошки, защищённый патентами, и получения БРК с температурой размягчения до +72°С и температурой хрупкости ниже -31°С. Свойства композита зависят от свойств исходного битума и от содержания резиновой крошки и могут варьироваться в указанных выше пределах. Достоинство данного композита по сравнению со всеми другими - это возможность получения вяжущего с низкой температурой хрупкости, хорошей адгезией к любым каменным материалам, со

стоимостью на уровне обычного битума марки БНД. Кроме этого, комплекс показателей физико-механических свойств БРК можно регулировать содержанием резиновой крошки и пластифицирующих добавок в зависимости от конкретного назначения вяжущего и конструктивного слоя дорожной одежды.

На кафедре автомобильных дорог НИ ИрГТУ в рамках опытно-промышленных испытаний коллективом авторов [9] были проведены исследования физико-механических характеристик асфальтобетонов на основе БРК. За основу был выбран самый распространённый тип асфальтобетона - тип Б. Ввиду того что содержание резины и степень обработки композита могут меняться в широких пределах, его вязкость также значительно варьируется. В реальном асфальтобетонном производстве вязкость вяжущего определяет технологические температуры приготовления и укладки асфальтобетонной смеси. Чтобы сравнивать физико-механические характеристики асфальтобетона с одинаковыми технологическими параметрами, мы решили стандартизовать такой параметр, как вязкость. Поэтому пенетрация БРК обычно доводилась до величины 100-115 единиц при 25°С добавлением отработанных автомобильных масел.

В табл. 1 приведены данные для асфальтобетона, изготовленного с использованием БРК, содержащего 20-22% резины, с коротким временным интервалом обработки. Содержание вяжущего составляло 6,7% сверх минеральной части, температура, при которой производилось перемешивание, 170-180°С.

Анализируя полученные данные, следует обратить внимание на высокое значение водостойкости, что является подтверждением достаточно интенсивного прилипания вяжущего (БРК) к поверхности минеральных компонентов асфальтобетонной смеси и характеризует способность асфальтобетона противостоять разрушающему воздействию воды; низкое значение косвенного показателя хрупкости асфальтобетона - предела прочности при сжатии при 0°С свидетельствует о хорошей пластичности, а значит, и морозостойкости. Коэффициент температурочувствитель-

Таблица 2

Результаты испытаний асфальтобетонной смеси опытной партии_

№ п/п Наименование показателей Требования ГОСТ 91282009 смесь горячая, мел-козернистая, плотная, тип Б, марка I Фактические показатели

1 Средняя плотность асфальтобетонной смеси, г/см3 2,27

2 Водонасыщение, % по объему 1,5-4,0 4,2

3 Предел прочности при сжатии, МПа, при

температуре: 20°С, не менее 2,5 3,08

50°С, не менее 0°С, не более 1,0 9,0 1,33 6,25

4 Водостойкость, не менее 0,95 0,96

5 Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при 0°С и скорости деформирования 50 мм/мин, МПа, - не менее 3,0

- не более 5,5 3,0

6 Сдвигоустойчивость по - коэффициенту внутреннего трения, не менее 0,8 0,77

- по сцеплению при сдвиге при температуре 50°С, МПа, не менее 0,32 0,32

7 Водостойкость при длительном водонасы- для марки I - 0,90 1

щении, не менее для марки II - 0,85

ности ^^50=4,4 также показывает, что асфальтобетон на основе БРК менее чувствителен к изменению температуры, чем на БНД 90/130.

Показатель длительной водостойкости удовлетворяет требованиям, предъявляемым для асфальтобетонной смеси марки II. Для сравнения результатов необходимо отметить, что длительная водостойкость контрольных образцов асфальтобетона на обычном дорожном битуме составила ниже 0,7.

В настоящее время изготовлены опытно-промышленные установки производительностью 1 и 15 тонн композита в смену, и технология проходит промышленные испытания на дорожно-строительном предприятии Иркутской области. Выпущена первая

промышленная партия БРК с содержанием резины 1518%. На его основе была изготовлена асфальтобетонная смесь (гранулометрический состав минеральной части соответствовал типу Б) с содержанием вяжущего 6,9% сверх минеральной части, пенетрация равнялась 105 ед. Физико-механические свойства приведены в табл. 2. Повышенное содержание вяжущего было вызвано тем обстоятельством, что укладка асфальтобетона производилась поздней осенью при пониженных температурах 0-5°С и требовалась повышенная подвижность смеси.

Технические подробности производства БРК изложены на сайте www.bitumen-rubber.com.

Библиографический список

1. Гохман Л.М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС: учеб. пособие. М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2004. 510 с.

2. Vonk W., Kluttz R., Korenstra J. Процесс растрескивания асфальта и эффективные противомеры // Материалы конф. «Битум в дорожном строительстве» (Москва, 19-22 апр. 2005 г.). М.: МАДИ (ГТУ), 2005. 112 с.

3. Sxhnormeier, R.H., " Eleven-year pavement condition history of asphalt-rubber seals in Phoenix, Arizona", Asphalt pavement constraction: New Materials and technologies, ASTM, STP, 724, J.A. Scherocman, ED, 1980, pp. 13-21.

4. Kim, H. S., Lee, S.-J.*, Amirkhanian, S., "Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders." KSCE Journal of Civil Engineering. Vol. 4, No. 6, pp. 839-843 (November 2010).

5. Akisetty, C. K., Gandhy, T., Lee, S.-J.*, Amirkhanian, S., "Analysis of rheological properties of rubberized binders contai n-ing warm asphalt additives." Canadian Journal of Civil Engineer-

ing. Vol. 37, No. 5, pp. 763-771. (May 2010).

6. Jeong, K. D., Lee, S.-J.*, Amirkhanian, S., Kim, K. W., "Interaction effects of crumb rubber modified asphalt binders." Construction and Building Materials. Vol. 24, No. 5, pp. 824-831 (May 2010).

7. Смирнов Н.В. Обзор проведённой работы по применению битумно-резиновых композиционных вяжущих материалов БИТРЭК в дорожном строительстве. 2004 // www.bitrek.ru.

8. Смирнов Н. Вяжущие материалы БИТРЭК на основе химически обработанных окисленных битумов и мелкодисперсной резиновой крошки // Дороги России XXI века. 2002. № 6. С. 70-78.

9. Алексеенко В.В., Житов Р.Г., Кижняев В.Н., Митюгин А.В. Новые технологии получения битумно-резиновых композиционных вяжущих для дорожного строительства // Наука и техника в дорожной отрасли. 2010. №1. С. 25-27.