Вы можете заказать консультациюнашего специалиста или приехать к нам на завод.

Или позвоните нашим менеджерам по работе с корпоративными клиентами


 

Теплый асфальтобетон

В настоящее время, технологии теплого асфальтобетона (ТАС), которые позиционируются, как заимствованные из-за рубежа, не что иное, как забытая с советских времен трансформированная разновидность технологий устройства дорожных покрытий. Вспомним ГОСТ 9128-84, действовавший до 1998 года, в котором была изложена классификация асфальтобетонных смесей с упоминанием теплых, от которых в дальнейшем отказались и забыли, вместо того чтобы развивать и совершенствовать. Справедливости ради, стоит отметить, что отказ от теплых асфальтобетонов был не беспричинный. Ранее, теплыми считались смеси, приготовленные на вязких или жидких битумах, при работе с которыми достичь необходимой плотности асфальтобетонных покрытий при пониженных температурах было невозможно, поэтому доуплотнение происходило в процессе эксплуатации под давлением колес транспорта, с частым образованием колеи и наплывов.

ДАД-ТА снижает выбросы CO2.

Современная технология получения теплых асфальтобетонов основывается на применении физических и химических процессов, снижающих вязкость или изменяющих структуру битума.

Различают несколько возможных вариантов получения теплых асфальтобетонных смесей:

Технологии вспенивания битума (вспенивающие добавки (цеолиты) или системы механического вспенивания)

 

Вспенивающие технологии по праву считаются наиболее экономически эффективными т.к. в качестве добавки к битуму выступает вода, которая, как правило, является легкодоступной и бесплатной. Но, тем не менее, эти технологии связаны с очень высокими первоначальными затратами на оборудование, ограничены нижним порогом температурного режима работ, обусловленного температурой конденсации водяного пара и требуют очень серьезного технологического контроля при применении. Необходимо понимать, что при введении воды в битум, даже при условии её перехода в парообразное состояние существуют риски по обратному переходу пара в воду и соответственно попаданию остаточной влаги в конечный уложенный асфальтобетон, что в дальнейшем, несомненно, приведет к разрушению дорожного покрытия. Это может быть связано с недостаточной технологичностью или скоростью работ по укладке асфальта, тяжелыми погодными условиями, затруднённой или удаленной транспортировкой АБС к месту проведения работ и т.п. [1,c.13;47]. Однако, за рубежом вспенивающие технологии используются очень широко, но это больше связано с экономическим и экологическим преимуществом теплого асфальта, но ни с продлением дорожно-строительного сезона или увеличением дальности перевозки асфальтобетонной смеси [2].

Органические пластифицирующие добавки, содержащие воск и -или парафин

Использование органических добавок приводит к снижению температуры плавления битумов, что позволяет производить смеси при более низких температурах. Стоит отметить, что использование воска в составе битума, при приготовлении теплой асфальтобетонной смеси приводит к снижению трещиностойкости, и может быть не таким эффективным [3].

Химические добавки — поверхностно-активные вещества (ПАВ)

Химические добавки при введении  в битум изменяют структуру вяжущего, что позволяет снизить температуру производства и укладки асфальтобетонной смеси примерно на 40-60 0С. Также такого рода добавки выступают как активатор активной адгезии в асфальтобетонной смеси, т.е.  способности вяжущего вытеснять влагу с границы раздела фаз битум — каменный материал, что позволяет использовать их для снижения рисков по наличию остаточной влаги во вспененных низкотемпературных смесях [2,6]. Использование химических добавок не требует дополнительных затрат на модернизацию оборудования и, как правило, добавки смешиваются с битумом в резервуарах смесительной установки, или вводятся посредством уже имеющегося автоматического оборудования для ввода обычных адгезионных добавок.

Бытует мнение, что через несколько лет теплый асфальтобетон полностью вытеснит с рынка традиционный горячий. Так это или нет, покажет время, но уже сейчас, не смотря на успех технологий механического вспенивания в США, рынок специальных химических добавок, которые влияют на свойства асфальтобетона, развивается опережающими темпами, ввиду простоты их применения, а также отсутствия необходимости дополнительного переоборудования производственных баз.

В настоящее время в России нет даже нормативной документации, регламентирующей применение добавок для производства ТАС. Однако, в последнее время эти технологии стали активно внедряться при устройстве российских дорог. Также стоит уточнить, что российские теплые асфальтобетоны, на сегодняшний момент, не совсем являются таковыми. Их приготовление осуществляют по аналогии традиционным горячим смесям, за тем исключением, что уплотнение возможно при более низких температурах. В то время как зарубежные технологии основаны на изначально более низкой температуре приготовления, что дает множество преимуществ, начиная от экологического аспекта и заканчивая экономическим.

Ввиду малого объема информации и динамично развивающегося отечественного рынка добавок, технологии ТАС на основе химических добавок связаны с постоянной апробацией для выявления наиболее экономичных и эффективных. Представленная работа посвящена оценке влияния различных добавок зарубежного и российского производства на свойства вязкого дорожного битума (БНД 60/90 Московского НПЗ) и асфальтобетонов, приготовленных с их использованием.

На отечественном рынке химических добавок для производства теплых асфальтобетонных смесей наиболее распространенными являются: Адгезол 3-ТД (ООО «Базис»), Азол 1007 (Котласский хим. завод), Cecabase RT 945, Cecabase RT Bio (Arkema), ДАД-ТА и ДАД-ТА2 (ООО «Селена»), Дорос-Т (ООО «Дорос»), Амдор ТС-1 (ООО «Уралхимпласт-Амдор), Evotherm 3G (MeadWestvaco INC), Rediset LQ (AkzoNobel). Эффективность таких добавок определяется способностью обеспечивать технологичность асфальтобетонной смеси при уплотнении при более низких температурах (в ряде случаев до 80 оС), увеличивать пластичность вяжущего, с сохранением физико-механических свойств асфальтобетонов.

По принципу действия добавки условно разделяются на: разжижители и модификаторы (рисунок 1). Разжижающие добавки снижают начальную вязкость битума и увеличивают скорость ориентации молекул, что связано с увеличением дисперсной среды в объеме вяжущего. Тогда как модифицирующие добавки должны не значительно влиять на начальную вязкость битума, но способствовать увеличению скорости ориентации молекул ПАВ и вяжущего при меньшей сдвиговой нагрузке, что обеспечивает лучшее уплотнение асфальтобетона в покрытии при более низких температурах. При этом не будет происходить уменьшение толщины пленок битума на зернах минерального материала в отличие от разжижающих добавок.

Рисунок 1 – Кривая вязкости вяжущих для теплых асфальтобетонов

Основным параметром, характеризующим технологичность теплой асфальтобетонной смеси при пониженных температурах, является ее способность с минимальными усилиями достигать необходимой плотности  в процессе уплотнения. Максимально смоделировать  процесс уплотнения асфальтобетонных смесей в покрытии в лабораторных условиях позволяет методика уплотнения образцов АБС по системе проектирования «Superpave» с применением прибора вращательного  (гиратационного) уплотнения, которое достигается за счет сочетания усилия сдвига при вращении и вертикальной результирующей силы и используется для моделирования и воспроизведения процесса реальных асфальтоукладочных работ, что позволяет оценить характеристики уплотняемости асфальта. Прибор (Laboratory gyratory compactor Cooper CRT-GYR) фиксирует количество вращений (оборотов), необходимых для достижения заданной плотности асфальтобетона.

В исследованиях было принято:

  • Асфальтобетон Тип Б Марка III (АБС);
  • Расход добавок — в соответствии с рекомендациями производителей;
  • Целевая плотность — 2,38 г/см3.

Уплотнение смесей с  различными температуропонижающими добавками производили при температуре 110 оС, таблица 1.

Таблица 1. Влияние различных добавок на гиратационное уплотнение ТАС
Наименование добавки
Расход добавки,% от массы битума
Температура уплотнения
Количество оборотов вращательного уплотнителя
АБС на БНД 60/90 без добавки 150°С 53
АБС на БНД 60/90 без добавки 110°С 110
АБС + Адгезол 3-ТД 1,0 110°С 65
АБС + ДАД-ТА2 1,0 110°С 66
АБС + Азол 1007 1,0 110°С 65
АБС + Cecabase RT 945 0,3 110°С 50
АБС + ДАД-ТА 0,3 110°С 53
АБС + Дорос — Т 0,6 110°С 69
АБС + Амдор ТС-1 0,3 110°С 62
АБС + Evotherm 3G 0,3 110°С 50
АБС + Cecabase RT Bio 0,3 110°С 53
АБС + Rediset LQ 0,3 110°С 50

Анализ результатов, представленных в таблице 1, позволил установить, что все рассматриваемые добавки снижают необходимое количество оборотов гиратора на 38 — 55%, для достижения необходимой плотности асфальтобетона. Наиболее эффективными добавками с учетом соотношения «расход ПАВ/уплотняемость» проявили себя: Cecabase RT  945, ДАД-ТА, Амдор ТС-1, Evotherm 3G, Cecabase RT Bio, Rediset LQ. Однако, ввиду того, что согласно данным производителей, исследуемые зарубежные добавки аминного типа и оказывают идентичное влияние на уплотняемость асфальтобетонных смесей (таблица 1), в дальнейшем в работе рассматривались все добавки российских производителей и       Cecabase RT  945 – как представитель импортных аналогов.

При оценке эффективности применяемых добавок немаловажной задачей является изучение их влияния на физико-механические свойства вяжущего, как основного структурообразующего компонента асфальтобетона. Основными показателями, отражающими поведение вяжущего в эксплуатационных условиях, являются: интервал пластичности (температура размягчения и температура хрупкости) и глубина проникновения иглы (пенетрация при 25 и 0оС). К показателю, характеризующему технологические характеристики вяжущего, относится динамическая вязкость. Результаты исследования данных показателей представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Таблица 2 Влияние различных добавок на пенетрацию битума
Наименование добавки Расход, % от массы битума Пенетрация при
25°С 0°С
БНД 60/90 72 24
Адгезол-3ТД 1,0 82 26
ДАД-ТА2 1,0 80 28
Азол 1007 1,0 89 28
Cecabase RT 945 0,3 76 29
ДАД-ТА 0,3 81 28
Дорос-Т 0,6 73 28
Амдор ТС-1 0,3 28

Как видно из таблицы 2, добавки оказывают пластифицирующее влияние на битум, но не изменяют, в соответствии с ГОСТ его марку.  Модифицированный битум находится в диапазоне условной вязкости 60/90. Стоит отметить, что наибольший пластифицирующий эффект наблюдается у добавок с рекомендованной концентрацией 1% — в среднем 14 мм -1, тогда как у добавок с концентрацией 0,3% — 4 мм -1.

Более любопытные результаты были получены при изучении влияния добавок на интервал пластичности битума (рисунок 2). В ходе проведения эксперимента было установлено, что почти все добавки с концентрацией 0,6-1% не прошли испытания по температуре размягчения вяжущих, полученные показатели находятся на границе допуска. Также стоит отметить, что они не оказали влияния на температуру хрупкости. При этом все добавки с рекомендованным расходом 0,3% — Cecabase RT  945, ДАД-ТА и Амдор ТС-1 по температуре размягчения  показали результаты близкие к битуму, что говорит об отсутствии пластифицирующего эффекта в вяжущем в диапазоне эксплуатационных температур. Вместе с этим, у битумов с добавками наблюдается улучшение низкотемпературных характеристик, здесь, лучше себя проявили добавки Cecabase RT945 и ДАД-ТА.

Рисунок 2. Влияние добавок на интервал пластичности битума

При изучении динамической вязкости модифицированных битумов на реометре Anton Paar Physica MCR 101 (рисунок 3), установлено, что  Азол 1007, снижает вязкость битума во всем измеряемом температурном диапазоне (t= 70-130 оС), что коррелирует с данными по температуре размягчения (рисунок 2), и в свою очередь негативно отразится на прочностных и деформативных показателях асфальтобетона, приготовленного с его использованием. Добавки Cecabase RT  945 и ДАД-ТА не значительно влияют на начальную вязкость битума, сохраняя во всем температурном диапазоне технологичность вяжущего в процессе приготовления асфальтобетонной смеси и, в соответствии с таблицей 1, в процессе ее уплотнения.

Рисунок 3 ­­­– Динамическая вязкость битума с добавками, при скорости сдвига 100 с-1, на приборе Anton Paar Modular Compact Rheometer Physica MCR 101

И вот тут возникает логичный вопрос. За счет чего это происходит? Как функционируют эти температуропонижающие добавки?

Итак, молекула ПАВ состоит из длинного гидрофобного углеводородного хвоста и полярной функциональной группы. Полярные части гидрофильны — «любят воду» и вообще все полярное, а гидрофобные хвосты ориентированы к битуму (рисунок 4).

На рисунке 4а изображена граница раздела фаз «битум — каменный материал», как видно, положительно заряженные части ПАВ притягиваются к отрицательно заряженной поверхности каменного материала и увеличивают к нему адгезию битума. Однако любое ПАВ имеет предел растворимости концентрации в растворе, с достижением которого граница раздела фаз полностью насыщается молекулами добавки. Дальнейшее увеличение концентрации ПАВ приводит к их самоорганизации в объёме раствора, в результате чего образуются так называемые мицеллы.

Рисунок 4 – Принципиальная схема работы химических добавок: а) формирование мицелл;      б)  уплотнение асфальтобетонной смеси при пониженной температуре

При уплотнении асфальтобетона катком (рисунок 4б) мицеллы не оказывают сопротивления. Под действием сдвиговой нагрузки они деформируются и меняют форму, а после снятия нагрузки принимают прежнюю форму. Поэтому при уплотнении катком мицеллы не разрушаются, а ведут себя как плоскости скольжения, позволяя битуму и каменным материалам легче скользить относительно друг друга, при более низкой температуре.

Изучение физико-механических свойств асфальтобетонов, приготовленных на вяжущих, модифицированных добавками с рекомендованной концентрацией 0,3% показало, что негативного влияния они не оказывают. Образцы асфальтобетонов, уплотненные при температуре 110 оС, соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2013 для традиционных горячих асфальтобетонных смесей (таблица3).

Таблица 3. Физико-механические свойства асфальтобетонов, уплотненных при температуре 110 °С

Наименование показателя
ГОСТ 9128
Фактические показатели
БНД 60/90
ДАД-ТА
Cecabase RT945
Азол 1007
Адгезол 3-ТД
Средняя плотность, кг/м3 2310 2380 2380 2340 2330
Водонасыщение, % 1,5…4,0 3,46 1,68 1,72 2,53 2,55
Предел прочности при сжатии, МПа не менее 2,5 3,18 4,83 4,62 4,28 4,32
при температуре 20оС  
при температуре 50оС   не менее 1,2 1,18 1,75 1,63 1,37 1,38
Водостойкость не менее 0,9 0,80 0,98 0,97 0,90 0,90
Водостойкость при длительном водонасыщении не менее 0,85 0,78 0,97 0,95 0,86 0,85

Асфальтобетоны с разжижающими добавками (Азол 1007, Адгезол 3-ТД), с рекомендованной концентрацией около 1% хуже уплотнились, что повлекло за собой логичное увеличение водонасыщения и снижение водостойкости образцов, что негативно отразится на работе дорожного покрытия, выполненного с их использованием. Однако, химические модифицирующие температуропонижающие добавки (ДАД-ТА, Cecabase RT945 и им подобные), благодаря своему механизму действия в составе вяжущего и асфальтобетона, обеспечивают технологичность асфальтобетонной смеси при более низких температурах уплотнения, без негативного влияния на свойства битума  и асфальтобетонной смеси на его основе.

Подводя итог, можно сделать вывод, что теплые асфальтобетонные смеси обладают рядом неоспоримых достоинств, главными из которых являются снижение энергозатрат на производство теплых смесей и уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу, а также возможность продления строительного сезона. Сопоставляя данные полученные в зарубежных научно-практических исследованиях [1,2,6,7] и результаты, полученные в данной работе, можно заключить, что будущее за комбинированными технологиями теплого асфальтобетона, включающими в себя применение как химических, так и вспенивающих или пластифицирующих добавок т.к. такой подход почти полностью лишен недостатков технологий используемых по отдельности. Однако наряду с этим требуется провести еще достаточно большое количество исследований и опытно-экспериментальных работ, чтобы теплые асфальтобетонные смеси перестали быть диковинкой на российских дорогах.

Комбинированные технологии, включающие в себя одновременное использование нескольких из перечисленных выше методов

ДАД-ТА
ДАД-ТА2
>
Следующая технология