Как продлить жизнь асфальтобетона?

Влияние исходных компонентов на долговечность асфальтобетона

Асфальтобетон - один из наиболее сложных строительных материалов. При высоких положительных температурах он обладает свойствами вязкопластичного материала, а при отрицательных - упругого материала. В рамках конференции заместитель директора по качеству ОАО «АБЗ-1» Наталья Майданова рассказала, как исходные компоненты влияют на долговечность асфальтобетонной смеси.

Сначала спикер поделилась опытом предшественников в этом вопросе. По ее словам, еще в прошлом веке отечественные ученые пришли к мысли о том, что нужно использовать какие-то вторичные ресурсы в приготовлении асфальтобетонной смеси или в других конструктивных слоях. Кроме того, предшественники много внимания уделяли границам раздела фаз между битумной пленкой и минеральным материалом, минеральными и каменными материалами, а также разными минеральными порошками.

Так, к примеру, теория ученого П.А. Рыбьева как раз подтверждает теорию объемно-функционального проектирования, то есть асфальтобетон с оптимальной структурой - это когда зерна максимально сближены между собой и между ними активная пленка битумного вяжущего, которая крепко держит все материалы. В исследованиях И.М. Борща, М.И. Волкова, Б.И. Ладыгина и В.М. Смирнова особое внимание уделено установлению закономерностей процессов структурообразования в асфальтобетоне в зависимости от характера используемых минеральных и вяжущих материалов. В этих работах выявлены некоторые особенности влияния минерального порошка на процессы структурообразования асфальтобетона.

Что такое минеральный заполнитель? Это смесь из щебня, песка и минерального порошка, которая при строгом соблюдении требований к зерновому составу образует минеральный каркас асфальтобетона. Взаимодействие битума и минеральных материалов является решающим фактором структурообразования в асфальтобетоне и влияет на эксплуатационные и объемные свойства, прочность в широком интервале температур, коррозионную устойчивость в изменяющемся влажностном и температурном режиме и термодинамическую устойчивость.

«Один из важных минеральных наполнителей - это, я считаю, минеральный порошок. И очень важно, что в новом ГОСТе 32761 введен показатель содержания полуторных окислов. <...> Мало кто этот показатель проверяет, мало кто проверяет природную исходного щебня для приготовления минерального порошка по этому показателю. А это нужно обязательно помнить, потому что склонность асфальтобетона к набуханию, это то, что с водой вступает в реакцию, и образуются компоненты, которые разрушают наши пленки на минеральных каменных материалах»

Она добавила, что в новом ГОСТе также написаны требования по содержанию оксида фосфора, оксидов кальция и магния. Так, в твердых промышленных отходах производства, используемых для приготовления минерального порошка, и в порошковых промышленных отходах производства, используемых в качестве минерального порошка, допускается содержание активных соединений СаО + MgО не более 3 % по массе. В фосфоросодержащих отходах промышленного производства, используемых для приготовления минерального порошка, содержание Р2О5 не должно превышать 2 % по массе. При этом потери при прокалывании в твердых отходах промышленного производства, используемых для приготовления минерального порошка и в порошковых промышленных отходах, используемых в качестве минерального порошка (золах-уноса и золошлаковых смесях тепловых электростанций), должны составлять не более 20 % от массы.

По словам Натальи Майдановой, существуют три основных типа образования разрушения связей между битумной пленкой и каменным материалом: первый - когезионный разрыв, когда трещина проходит внутри разрыва вяжущего, второй - адгезионный разрыв, когда происходит отслаивание вяжущего от минерального материала, третий - разрыв одновременно по адгезионному и когезионному типу. Когда разрушение идет по когезионной составляющей, то есть по слою вяжущего материала, тогда этот дефект летом восстанавливается, асфальтобетон служит дольше, и коррозия от воды значительно меньше.

Спикер также назвала три важных аспекта долговечности асфальтобетона. Первый - это полное покрытие вяжущим поверхности минеральных материалов (смачивание, абсорбция и хемосорбция). Чтобы его соблюсти, необходимо контролировать степень обволакиваемости по ГОСТу, оптимизировать время и температуру перемешивания под каждый тип и вид смеси, использовать добавки.

«У нас практически около 40 % заводов с низкой производительностью, подрядчики, ориентируясь на эти заводы, претендуют на серьезные объекты, и, конечно, велико желание у заводов с низкой производительностью максимально отжать объемы выпущенной асфальтобетонной смеси. И здесь закрываются глаза на оптимальное время перемешивания, которое подбирается индивидуально под каждый вид и тип асфальтобетонной смеси. Ведь в зависимости от того, как хорошо мы замешиваем асфальтобетонную смесь, зависит формирование этой битумной пленки на каменном материале и зависит ее долговечность, а также свойства конечного асфальтобетона. У нас даже есть ГОСТ, который появился в базе на определение обволакиваемости щебня, он очень простой, но тем не менее на него можно посмотреть и оценить, насколько ваш асфальтобетонный завод какую-то определенную смесь перемешивает так, как это требуется по нормативным документам»

Если какие-то частицы не покрыты каменным материалом, то это зона риска, где при попадании влаги битумная пленка отслоится, что приведет к быстрым разрушениям. По словам спикера, на практике видно, как недостаточность перемешивания смеси на заводе проявляется на дороге: уже в первый месяц эксплуатации битумная пленка быстро отшелушивается, а после первой или второй зимы начинается постепенное выкрашивание и вынос минеральных материалов с покрытия.

Кроме того, при приготовлении асфальтобетонной смеси следует обратить внимание на оптимальные температурно-временные режимы- рекомендации учтены в новых стандартах. Для этого необходимые режимы можно подобрать в лабораторных условиях, а затем выйти с этими параметрами на заводы. Однако проблема в том, что вяжущие материалы - неравномерные по вязкости. По словам Натальи Майдановой, даже нефтяной битум в рамках марки 70 на 100 с пенетрацией 72 может отличаться в 2 раза по вязкости от битума с пенетрацией 95.

«Чем выше пенетрация, тем жиже битум. Когда у нас такие битумы оказываются в расходных емкостях на заводе, мы не можем контролировать у себя вот эти температурно-временные режимы приготовления. <...> Какая наша практика в этом вопросе? Мы стараемся усреднять входящие битумы, которые приходят, если это возможно, но для верхних слоев мы используем полимерно-битумное вяжущее (либо ПБВ-60, как было раньше, либо это марки PG), но в каждой марке выпускаемого вяжущего мы стараемся задавать себе узкие диапазоны по вязкости, и питерская школа поддерживает именно этот подход»

Именно при таком подходе в емкостях получается вяжущее с правильными характеристиками, а в дальнейшем - асфальтобетонная смесь одинаковой консистенции.

Второй аспект - знание химического состава входящих компонентов для правильного подбора адгезионной добавки. После первого этапа, когда каждый минеральный материал закрыт битумной пленкой, нужно обеспечить прочное химическое сцепление. И здесь важно правильно выбрать адгезионную добавку в соответствии с используемыми каменными материалами и вяжущими.

«Важно подобрать именно оптимально достаточное количество, потому что иногда увеличенное количество добавки, наоборот, работает хуже, снижается адгезия, потому что переизбыток адгезионной добавки вступает во взаимодействие с активной частью битума и нейтрализует активную адгезионную составляющую»

Спикер добавила, что необходимо обязательно применять адгезионные добавки во всех типах асфальтобетонных смесей, выбирать надежного производителя, оптимизировать содержание адгезионных добавок в зависимости от породы каменных материалов и вяжущего, учитывать термостойкость добавки, совершенствовать методику оценки сцепления и организовывать входной контроль поступающих партий.

Третий аспект - нужно дать достаточное время асфальтобетонной смеси, чтобы произошла термоадсорбционная устойчивость. Поэтому важно знать о наступлении термоадсорбционной устойчивости под воздействием межмолекулярного взаимодействия между битумом и минеральным наполнителем в течение определенного времени (при хранении, транспортировании, дозревании в лаборатории).

Согласно данным исследований ученых И.А. Рыбьева и И.В. Королева, классическая модель строения битумной пленки состоит из трех зон. Первая - твердообразная, которая граничит с поверхностью (собственный адсорбционный слой), вторая - структурированная, состоящая из упорядоченно расположенных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных к минеральному зерну, третья - диффузная, представляющая собой слабоупорядоченную высокомолекулярную часть битума, переходящая в объемный битум.

Наталья Майданова отметила, что при изготовлении битумного вяжущего материала важно правильно выбрать пластификатор. Для примера: асфальтобетонную смесь привозят на объект, укладывают и уплотняют. За счет того, что современные асфальтобетонные смеси каркасные, продукт первое время выдерживает транспортные нагрузки, но уже через несколько дней эксплуатации покрытия может появиться пластическая колея.

«Получается это именно из-за того, что неправильно, негармонично подобрано вяжущее. Кто занимается моделированием рецептов битумных вяжущих, знает, что одну и ту же марку можно приготовить с разным количеством полимера, и, конечно, велико желание сэкономить. <...> И многие источники нам говорят о том, что меньше 3 % СБС-полимера в вяжущем не работает, не успевает образоваться вот эта полимерная сетка, которая отвечает за когезионную прочность, она может на первых этапах и работает, но потом со временем эксплуатации не дает того эффекта, который можно получить именно от такого рода модификации»

Говоря о третьем аспекте долговечности асфальтобетона, спикер отметила, что термоадсорбционное равновесие - очень важный фактор, который зависит от того, в какой момент начали испытывать смесь, потому что отобранный продукт сразу после смесительной установки и продукт, который протермостатирован в течение нескольких часов после смесительной установки, либо асфальтобетон, который хранился в бункерах, а затем ехал в автомобиле, - это совершенно разные вещи.

По словам спикера, когда асфальтобетонную смесь отбирают в лаборатории, то проводят термостатические мероприятия, что является обязательным условием новых стандартов, в итоге часть битума впитывается в минеральный материал и перестраивает свою структуру, и смесь получается стабильной и однородной. Однако бывают такие ситуации, когда заказчику в лабораториях отбирают пробу, он ее не термостатирует и сразу замешивает материалы. В результате получаются разные объемные плотности и разные пустоты. Поэтому, как отметила Наталья Майданова, этот момент заказчики и подрядчики должны обговаривать в начале сезона, чтобы результаты были воспроизводимы между собой.

«Какое у меня предложение? Нам нужно заниматься какими-то фундаментальными исследованиями для того, чтобы понять, как наши битумные материалы взаимодействуют с минеральными материалами, именно идя по опыту наших предшественников, но только на том уровне, того оборудования и того понимания, которое у нас есть сейчас»

Подбор и подача материала для производства высококачественного асфальтобетона

Важную роль в вопросе долговечности играет форма частиц минерального материала, который используется в производстве асфальта. Об этом рассказал директор ООО «Амманн Русланд» Михали Пауль.

Круглая форма частиц является естественной: она получается в результате истирания и не обеспечивает высокой прочности из-за плохого взаимного сцепления и слабой адгезии. Подобные минеральные материалы характерны для пустынь, для побережья рек и морей. Второй вид - минеральные материалы неправильной или слегка закругленной формы: образованы путем трения, доступны в виде карьерного песка или гравия. Третий - материалы с кубовидными частицами, которые отличаются повышенной прочностью, они хорошо входят в зацепление друг с другом и образуют прочное покрытие. По этой причине высокое содержание материалов с кубовидными частицами формы указывается практически во всех современных технических условиях для стандартных покрытий, они наилучшим образом подходят для эластичных и жестких покрытий. Четвертый тип - минеральные материалы пластинчатой формы: такими зовутся те материалы, толщина которых мала по сравнению с их шириной и длиной. Пятый тип - угловатые частицы: имеют заметные кромки, сформированные в результате пересечения грубых плоских поверхностей и получаются путем дробления скальных пород. Шестой - минеральный материал с частицами удлиненной формы; когда длина фрагмента материала превышает два других размера, то материалы называют удлиненными, или если длина фрагмента минерального материала более чем на 180 % превышает его средний размер.

По словам спикера, при выпуске высококачественной смеси важную роль играет фракционный (гранулометрический) состав, который определяется в лаборатории. Как это происходит? Контейнеры-сита с различным размером ячеек заполняются материалом. После этого материал, задержавшийся на ситах, взвешивают (вес фракций выражается в процентах к общей массе образца). Сита расположены последовательно в порядке уменьшения размеров ячеек: сито с самыми крупными ячейками сверху, а с самыми малыми - внизу. После этого контейнеры помещают в механическое вибрационное устройство.

«Для использования каждой фракции по заданному рецепту требуется их сортировка, а фракцию можно сортировать через сито. И самые распространенные варианты, которые есть на рынке, - сито с квадратными отверстиями и сито с ромбовидными отверстиями. С квадратными отверстиями - самая распространенная, и она на практике показывает себя как самооправдывающая. Качество сепарации зерен здесь намного выше. В форме сит с ромбовидными отверстиями используется достаточно часто проволока, и она из-за ее гибкости увеличивает эффективность просеивания»

Следующий важный вопрос - грохочение. Директор ООО «Амманн Русланд» обратил внимание на параметры, которые играют большую роль при обсуждении работы грохота, - ширина, длина, амплитуда и вибрация. Ширина определяет пропускную способность: чем шире, тем больше материала можно пропустить.

«Есть производители, которые устанавливают грохот с наклоном 45 градусов, есть, кто делает грохоты с наклоном 60 градусов. <...> Это можно представить так: прыгаем полметра в высоту и полметра вперед - так очень быстро можно какую-то дистанцию перепрыгать. А если вы прыгаете полметра в высоту и 20 см вперед, то вы медленнее пройдете ту же заданную дистанцию, значит, у вас грохот будет дольше работать, имея одну и ту же амплитуду»

Для разделения минеральных материалов на частицы определенного размера можно использовать грохот с большим размером отверстий. Как правило, критически важной является самая нижняя дека - песчаная, поскольку удаление мелких фракций практически из любого материала затруднено и напрямую связано с прохождением материалов различного размера через дозатор предварительного дозирования.

Еще один важный показатель при выпуске высококачественной смеси - взвешивание. Систему взвешивания можно назвать предпоследней стадией перед производством асфальта. Для выполнения этих мероприятий есть бункер взвешивания наполнителя, бункер взвешивания минеральных материалов и весы для битума с нижней выгрузкой. Для приготовления каждой смеси все компоненты должны быть тщательно взвешены замес за замесом. В частности, компания AMMANN применяет метод раздельного дозирования крупнозернистого и мелкозернистого материала. Дозирование крупнозернистого материала экономит время, а дозирование мелкозернистого материала повышает точность. При этом масса каждого компонента измеряется и документируется.

Влияние ПАВ на долговечность асфальтобетона

Во время своего выступления доцент кафедры АиДЖ БГТУ им. В.Г. Шухова Марина Высоцкая отметила, что на ключевые свойства асфальтобетона оказывают влияние различные параметры, и существующие методики испытаний нацелены на то, чтобы спрогнозировать износостойкость, усталостную долговечность и колеестойкость. Основная цель - получить долговечный и высококачественный асфальтобетон.

«Абсолютно все исследователи говорят, что битум является ключевым в вопросах колееобразования, усталостной трещиностойкости, температурного трещинообразования. Но почему-то все забывают, что коррозионная стойкость асфальтобетона на 100 % зависит от битума, от того, насколько эффективно он будет работать в «крови» асфальта, зависит как долго будет работать наша конструкция. И на мой взгляд, не совсем правильно упускать этот важный момент»

Поверхностно-активные добавки снижают поверхностное натяжение на границе битум - минеральный материал, улучшают и ускоряют обволакивание поверхности минеральных материалов, увеличивают адгезию битума к минеральному материалу, увеличивают водостойкость и долговечность асфальтобетонных покрытий. Стоить отметить, что поверхностно-активные вещества (ПАВ) бывают анионные, катионные, амфотерные и неиногенные.

По словам спикера, в настоящий момент разработаны два нормативных документа на ПАВы. Первый - ОДМ 218.3.064-2019, который помогает оценить эффективность адгезионной добавки. Второй - ПНСТ 662-2022: он вводит классификацию на данные вещества.

«Что стоит сказать в отношении оценки эффективности ПАВ? На мой взгляд, это все краткосрочные характеристики, которые ни в коей мере не позволяют нам получить какой-то долгосрочный прогноз»

Согласно ОДМ 218.3.064-2019, адгезия вяжущего оценивается методом «перекатывания в бутылке» в течение шести часов. В документе говорится, что добавка эффективна при покрытии минеральных зерен вяжущих не менее чем на 80 %. Стабильность добавки оценивают по изменению глубины проникания иглы, растяжимости вяжущего при температуре 13 градусов и адгезии после 24 часов прогрева в объемном состоянии (1 литр) при температуре 163 градуса. Вяжущее с адгезионной добавкой стабильно и устойчиво к старению, если изменение показателей его свойств не выше, чем битума без добавок. Еще один важный показатель - водостойкость асфальтобетона: его определяют по ГОСТ Р 58401.18-2019.

В ходе выступления Марина Высоцкая назвала последовательность и периоды формирования структуры асфальтобетона. Нулевой период (подготовительный) включает в себя проектирование асфальтобетонной смеси и проверку свойств на соответствие асфальтобетона нормативным требованиям. Первый - период формирования микроструктурных связей, второй - период формирования макроструктуры, третий - эксплуатационный период стабилизации свойств.

«Мы по первому этапу, минуя второй, пытаемся судить, выполняя усталостную долговечность, колеестойкость и так далее. Давайте будем откровенны, когда мы устраиваем асфальтобетонное покрытие, в основном все работы заканчиваются в октябре-ноябре. И самый первый жесткий фактор, с которым сталкивается асфальтобетон, это водо- и морозостойкость, и только потом колея, усталостная долговечность. А мы анализируем асфальтобетон в этом первом идеальном состоянии. На мой взгляд, это не совсем правильно»

Она добавила, что нужно разработать такой эффективный и доступный метод, который бы позволял оценивать адгезионные характеристики, потому что на сегодняшний день нет никаких доступных данных по влиянию добавок на долгосрочные характеристики асфальтобетона.

«Таким образом, мы с вами покупаем не адгезионную добавку, которая должна нам помочь решить вопросы долгосрочной эксплуатации асфальтобетона, а мы покупаем плацебо. <...> И, по моему глубокому убеждению, в настоящий момент вопрос о влиянии добавок ПАВ на долгосрочные характеристики асфальтобетона - это кот в мешке. Мы совершенно не знаем, как поведет себя в конкретном случае какая добавка, и это тема, требующая глубокого, не только философско-аналитического, а лабораторного подхода. И мне кажется, что вопрос о разработке какого-то нормативного документа, который бы позволял именно оценивать влияние адгезионных добавок с точки зрения водо- и морозостойкости, он архиважен и он назрел»

Влияние битумного вяжущего на качество асфальтобетонной смеси

Директор НИИ ЛАДОР Александр Дедюхин рассказал, как правильно выбрать и определить влияние битумного вяжущего на качество асфальтобетонных смесей в различных условиях.

Сегодня существуют разные методы испытаний. Первый - по ГОСТу 12801 - это фундаментальные исследования по прочности: они больше применялись при исследовании асфальтового вяжущего. На сегодняшний день, эти требования устарели, потому что нельзя дать прогноз, как поведет себя асфальтобетон в реальных условиях. Второй - по ГОСТу Р 58401 и ГОСТу Р 58406 - это уже эмпирические исследования, то есть характеристики асфальтобетона проверяются в реальных условиях: это позволяет спрогнозировать, каким действиям асфальтобетон будет подвержен со стороны транспорта или погодных условий.

Так как же сделать асфальтобетон более долговечным? По словам спикера, для этого нужно применять высококачественный битум, модифицировать битум и асфальтобетон различными добавками, а также использовать высокопрочные каменные материалы. Однако в проектах сегодня такие данные отсутствуют и решение в большей степени возлагается на подрядные организации. У некоторых нет возможности проводить подобные исследования и закупать дорогостоящие материалы, так как деньги заложены на обычные материалы, а в убыток подрядчик работать не будет. Поэтому заказчик должен принять решение и начать закладывать средства на более качественные материалы. По итогу дороги, построенные на более качественных материалах, прослужат дольше и будут более безопасными, что дает экономию в перспективе.

Спикер отметил, что битум имеет три типа строения структуры. Первый - гель, второй - золь, третий - золь-гель. В дорожной отрасли в большей степени используется битум второго типа - строительный, который легко поддается модификации и может превращаться в дорожный битум (БНД). По словам Александра Дедюхина, согласно ГОСТу 33133, в каждом регионе, в любой климатической зоне, можно применять битум марки БНД 100/130.

«Да, мы можем взять этот битум и на нем построить дороги, но надо понимать, что у каждого битума есть свои характеристики не только стандартные ГОСТовские, которые 33133 регламентирует, но и те характеристики, которые регламентируются ГОСТом Р 58829. Этот стандарт используется совместно с ГОСТом 33133-2014. И в данном стандарте как раз описывается динамическая вязкость при температуре 60 градусов по Цельсию. И мы можем определить, соответствует битум по данной характеристике, либо нет»

Теперь несколько слов о влиянии климатических условий на пластические деформации. Испытание на колееобразование проводят при 50 % надежности расчетных температур при 65, 60 или 55 градусах. И тут вопрос - какую температуру выбрать? Чаще всего ставят 60 градусов. При этом в ПНСТ 397-2020 приведены климатические данные для регионов России - согласно им половина субъектов РФ может проводить испытания на 55 градусах. По словам Александра Дедюхина, на практике этими возможностями не пользуются, так как заказчики требуют 60 градусов, но при этом закладывают обычный битум БНД, который может не подойти для проектирования асфальтобетонных смесей. Спикер отметил, что можно законным путем проектировать смеси при 55 градусах на тех битумах, которые есть, и не бояться что-то нарушить, либо выделять дополнительные средства на закупку более дорогого качественного вяжущего, чтобы каждый раз не гадать, подойдет он или нет.

«Вяжущее играет огромную роль в проектировании качественных асфальтобетонных смесей. Как показал сбор и анализ данных по вяжущим, большинство битумов соответствуют стандартным требованиям ГОСТов, но не всегда пригодны для использования в асфальтобетонных смесях. Для дальнейшего применения вяжущих, которые имеют низкие значения по динамической вязкости, либо по марке PG, требуется их замена на другой или дальнейшая модификация (это должно учитываться заказчиком и оплачиваться), а если есть возможность, то нужно снизить температуру испытания на колею до 55 градусов»

Спикер добавил, что обязательно нужно проводить исследование асфальтобетонных смесей на четырехточечный изгиб (усталостную долговечность), так как все вяжущие, особенно модифицированные, могут вести себя непредсказуемо. Только после этого подрядная организация должна приступить к укладке асфальтобетона.

Добавим, конференция «Асфальтобетон» проводится ежегодного в Санкт-Петербурге. В рамках мероприятия специалисты отрасли обсуждают актуальные вопросы по строительству и улучшению российских автодорог. Ключевыми темами этого года стали повышение качества асфальтобетона и применение вторичных ресурсов в дорожно-строительной отрасли. Новшеством в этом году стал «нулевой» день конференции, в который для студентов четырех вузов Петербурга были проведены лекции от ведущих специалистов дорожного хозяйства по различным направлениям. Практику такого сотрудничества с учебными заведениями в рамках конференции решено продолжить и в будущем.