Виды асфальтобетонных смесей. Требования к материалам для их производства.

Строительные материалы

Лекция № 12 2 часа

Виды асфальтобетонных смесей. Требования к материалам для их производства.

Что такое асфальт?

Асфальт - это уплотненная асфальтобетонная смесь. Человечество освоило производство асфальта дорожного в середине XIX века – именно тогда он начал активно применяться для строительства дорог. Сегодня под словом "асфальт" подразумевают рационально подобранную смесь минеральных материалов: щебня (гравия), песка с минеральным порошком и битумом взятых в определенных соотношениях. Именно от типа наполнителей, их пропорционального состава в смеси и технологии ее создания и зависят технико-эксплуатационные характеристики, а также стоимость асфальта.

Асфальт — смесь битумов (60-75 % в природном и 13-60 % в искусственном) с минеральными материалами (щебень или гравий, песок и минеральный порошок).

Асфальтовые растворы применяют при устройстве гидроизоляционных штукатурок и покрытий, тротуаров, полов. Они могут быть горячими (литыми) и холодными. Состав асфальтовых растворов подбирают в зависимости от условий эксплуатации их в сооружениях.

Холодный асфальтный раствор изготовляют из смеси нефтяных битумов (5-10 %) с добавкой растворителя (бензола), порошкообразного минерального наполнителя (известняка, доломита) и чистого сухого песка, замешанной в специальных растворомешалках с разогревом до 110—120 °C. Твердение холодного асфальтового раствора происходит вследствие испарения растворителя.

Горячий асфальтовый раствор изготовляют из смеси битума (или дёгтя, пёка), порошкообразного минерального наполнителя и песка. Смесь составляющих горячего асфальтового раствора перемешивают в специальных мешалках с разогревом до 120—180 °C. Асфальтовый раствор укладывают слоями в горячем состоянии с укаткой каждого слоя катками.

Искусственный асфальт – смесь органического вяжущего материала (битума или дегтя) с минеральными заполнителями (тонкоизмельченным минеральным порошком, известняком, песчаником). От природного асфальта он отличается наличием парафина (несколько процентов) и большим содержанием нефтяных масел. В смеси со щебенкой, гравием, песком дает асфальтобетон. Таким образом, асфальт и асфальтобетон – это практически одно и то же.

Асфальтовые смеси (асфальт) изготавливаются тремя способами: горячим, теплым и холодным, в зависимости от способа смешивания компонентов во время их приготовления, а также от способа укладки. Сами смеси, при этом, могут быть двух видов: подогретые или холодные.

Подогретые смеси получают путём соединения подогретого щебня и подогретого связующего вещества или. Холодные — путём смешивания холодного щебня, помещаемого в подогретое связующее вещество, или теплый щебень загружается в холодное связующее вещество.

Асфальтовые смеси любых типов могут изготавливаться в удалении от места производства работ (на заводе), либо на самом месте укладки.

Особые асфальтобетоны:

- Смеси на полимербитумном вяжущем (ПБВ) – для увеличения долговечности покрытий.

- Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси (ЩМА) – долговечные и трещиностойкие с повышенным содержанием кубовидного щебня.

Асфальтовые смеси, как подогретые, так и холодные, могут изготавливаться в удалении от места производства работ, а могут производиться на самом месте укладки или выполняются одновременно с укладкой и в этом случае являются составной частью технологии выполнения покрытия непосредственно на месте.

Коэффициент расхода асфальтобетона на 1 м² дороги имеет следующие значения: текущий (ямочный) ремонт – 1 тонна на 7,2 км, капитальный ремонт – 1 тонна на 6,9 км.

Требования к материалам для производства а/б смесей.

Щебень. Для приготовления щебня используются прочные морозостойкие магматические, метаморфические и осадочные горные породы, а также прочные и морозостойкие медленноохлажденные металлургические шлаки. Марка щебня по прочности колеблется от600 до 1200. Показатель прочности при износе в полочном барабане для щебня из горных пород установлен не более 25-35%, а из шлаков – не более 35%. Щебень должен быть чистым, не допускается содержание глинистых и пылеватых частиц свыше 2%. Форма щебня должна приближаться к тетраэдной или кубовидной, а поверхность к шероховатой.

Щебень для а/б смесей должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Для приготовления а/б смесей применяется дробленый гравий. Асфальтобетон с гравием вследствие окатанности зерен менее прочен и сдвигоустойчив при положительных температурах.

Песок. Применяются природные и дробленые пески и отсевы продуктов дробления горных пород и гравия. Песок должен быть чистым и содержать пылевато-глинистых частиц не более 3% по массе.

Минеральный порошок. Его получают размолом известняков, доломитов и других карбонатных пород. Регламентируется тонкость помола, пустотность, степень набухания. Для приготовления активированного минерального порошка в горную породу перед измельчением добавляют ПАВ. В ряде случаев в качестве минеральных порошков применяют местные материалы – порошкообразные отходы промышленности.

Битумы. Для приготовления горячих смесей – марки БНД 40/60, 60/90, 90/130, БН 60/90, 90/130;

Для теплых смесей – вязкие битумы марок БНД 130/200, 200/300,БН 130/200, 200/300, и жидкие битумы марок СГ 130/200, МН 130/200 МГО 130/200.

Для холодных смесей - жидкие нефтяные дорожные битумы марок СГ 70/130, МГ 70/130 и МГО 70/130 по ГОСТ 11995-82.

Прверхностно-активные вещества. Они улучшают сцепление битума с минеральным материалом, увеличивают степень обволакивания битумом минеральных часиц, сокращают время перемешивания, улучшают удобоукладываемость и уплотняемость смесей.

К ПАВ относятся битумная присадка, остатки синтетических жирных кислот, побочные продукты мыловаренного производства, каменноугольная смола и т.п.

Различают следующие типы АБЗ:

— Заводы непрерывного действия

— Заводы циклического действия

— Заводы по вторичной переработке

— Передвижные ремонтные комплексы

Схема асфальтосмесительной установки непрерывного действия:

1. Бункеры-дозатор

2. Сборный конвейер

3. Конвейер с контролем влажности

4. Сушильно-смесительный барабан

5. Дозатор и подача старого асфальтобетона

6. Смесительная зона

7. Бункер ожидания скипа

8. Пылесос-вентилятор

9. Накопительный бункер

10. Кабина управления

11. Силос минпорошка

12. Бункер старого асфальтобетона

13. Конвейер с контролем влажности

15. Пылеуловитель и силос пыли

16. Битумный бак-цистерна

17. Нагреватель масла

18. Конвейер сушильного барабана

Схема асфальтосмесительных установок циклического действия:

1. Бункеры-преддозаторы

2. Сборный конвейер

3. Конвейер сушильного барабана

4. Сушильный барабан

5. «Горячий» элеватор

6. Смесительная башня

7. Накопительный бункер

8. Элеватор минпорошка

9. Силос минпорошка

11. Пылеуловитель и силос пыли

12. Пылесос-вентилятор

13. Битумный бак-цистерна

14. Нагреватель масла

15. Кабина управления

Сфера применения данного материала достаточно велика: асфальт используется для устройства дорожных покрытий, в качестве кровельного материала, для благоустройства дворовых территорий и устройства полов в цехах промышленных складов, ангаров, гаражей.

Стоимость асфальта зависит от качества и типов используемых наполнителей.

Классификация асфальтовых смесей

Существует 2 типа асфальта: природный и искусственный.

Природный асфальт

Природный асфальт образуется в результате испарения из нефти или ее остатков легких фракций и окисления оставшихся тяжелых фракций под влиянием гипергенеза. Встречается в виде жильных пластовых залежей и озёр в зонах естественного выхода нефти на поверхность земли.

Асфальт представляет собой черную твердую легкоплавкую массу с тусклым или блестящим раковистым изломом. Плотность составляет 1,1 г/см3, температура плавления - 20-100 °C.

Искусственный асфальт

Помимо, непосредственно дорожного асфальта, существуют следующие виды:

Горячий асфальт, содержащий вязкий битум. Укладка и уплотнение его осуществляется при температуре не ниже 120 °C

Тёплый асфальт, содержащий маловязкий битум. Укладка и уплотнение осуществляются при температуре 40-80 °C

Холодная асфальтобетонная смесь, в которую добавляют жидкий битум. Укладка и уплотнение такой смеси осуществляется при температуре окружающего воздуха, но не ниже 10°C.

Требования к материалам для производства ЩМА

Минеральные материалы

Важнейшим элементом структуры асфальтобетона является щебень.

Для приготовления щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей принято использовать щебень соответствующих фракций (5-10, 10-15 и 15-20 мм) из плотных трудно шлифуемых горных пород, обладающий хорошим сцеплением с битумным вяжущим.

Допускается использовать щебень из металлургических шлаков, соответствующий общим техническим требованиям. Он обеспечивает высокие фрикционные свойства поверхности устраиваемых покрытий, что важно для безопасности автомобильного движения.

Применяемый щебень по форме зерен должен относиться к 1-й или 2-й группе. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы с соотношением геометрических размеров более чем 1:3 не должно превышать 15%. Качественный щебень с улучшенной формой зерен, как правило, изготавливают по специальной технологии на соответствующем дробильно-сортировочном оборудовании.

Марка щебня по дробимости в цилиндре должна быть не ниже 1200 для изверженных и метаморфических горных пород и не ниже 1000 - для осадочных горных пород и гравия. Марка щебня по истираемости должна соответствовать И 1, марка по морозостойкости должна быть не ниже F 50.

Для приготовления смесей щебеночно-мастичного асфальтобетона необходимо использовать песок только из отсевов дробления горных пород с прочностью не ниже 1000, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-93.

Зерновой состав песка должен обеспечивать требования к зерновому составу минеральной части щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси. Содержание глинистых частиц в песке, определяемое методом набухания, не должно превышать 0,5 %, при этом содержание зерен мельче 0,16 мм в песке из отсевов дробления не нормируется.

Каменная пыль, содержащаяся в песке из отсевов дробления, может быть использована в полном объеме при приготовлении щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей вместо части минерального порошка, тем более что относительное содержание ее в составе смеси, как правило, не превышает 30 % от требуемого количества частиц мельче 0,071 мм.

Минеральный порошок для приготовления ЩМА должен отвечать требованиям ГОСТ Р 52129-2003. Стандартный минеральный порошок для асфальтобетонных смесей марки МП-1 получают в результате помола карбонатных горных пород (известняка или доломита) в специальных мельницах. Он может быть как неактивированным, так и активированным, содержащим небольшое количество добавок поверхностно-активного вещества и гидрофобизатора, введенных в процессе помола минерального сырья.

При использовании в ЩМА активированного минерального порошка следует принимать во внимание, что если для активации применялись маловязкие продукты, то может наблюдаться пластифицирующее действие, проявляющееся в снижении показателей сцепления при сдвиге и прочности при сжатии. Некоторые активаторы негативно влияют на показатель стекания вяжущего, что вынуждает увеличивать содержание стабилизирующей добавки в смеси.

При соответствующем технико-экономическом обосновании допускается применять в качестве минерального порошка не только пыль из системы пылеулавливания асфальтосмесительной установки (зерна из отсевов дробления горных пород мельче 0,16 мм), но и другие техногенные отходы промышленного производства, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52129-2003 к порошку марки МП-2. Их пригодность в качестве минерального порошка должна обосновываться соответствующими лабораторными испытаниями как самого порошка, так и образцов ЩМА, приготовленных на его основе.

Стабилизаторы

Чтобы удерживать горячий битум на поверхности зерен минерального материала во время промежуточного хранения и транспортирования щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, в их состав вводят специальные структурирующие (стабилизирующие) добавки, позволяющие повысить толщину пленок вяжущего.

Вид и свойства этих добавок имеют большое значение для обеспечения требуемого содержания вяжущего и повышения качества смеси. Стабилизирующее действие проявляется в способности препятствовать сегрегации и отслоению (стеканию) битумного вяжущего при высоких технологических температурах.

В настоящее время широко применяются стабилизирующие добавки на основе целлюлозных волокон благодаря своей технологичности и относительно низкой себестоимости.

К стабилизирующим добавкам чаще всего предъявляют технические требования по термостойкости, влажности и однородности. Иногда приводятся рекомендации по геометрическим размерам волокон, удельной поверхности и распределению размеров фибр по длине. Действие стабилизирующих добавок заключается в увеличении толщины пленок битума, что обеспечивает качество и однородность асфальтобетонных смесей.

Как стабилизирующую добавку в смесях ЩМА рекомендуется использовать однородное короткофибровое целлюлозное волокно, имеющее в составе не менее 50 % фибр длиной от 0,5 до 1,9 мм. Пригодность неапробированных волокон (акриловых, минеральных, стеклянных и пр.), как и других добавок (резинового порошка, полимеров и пр.), следует предварительно обосновывать лабораторными испытаниями.

Волокнистая добавка должна быть однородной, без примесей, устойчивой к нагреву до температуры 220 °С и иметь влажность не более 8 % по массе. Она должна соответствовать требованиям соответствующей технической документации производителя, согласованной и утвержденной в установленном порядке.

Битумные вяжущие

Для приготовления щебеночно-мастичных смесей применяют битумы нефтяные дорожные вязкие, отвечающие требованиям ГОСТ 22245-90, полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) по ГОСТ Р 52056-2003, а также другие, выпускаемые по технической документации, согласованной и утвержденной в установленном порядке.

Нефтяной дорожный битум представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из смеси разнообразных высокомолекулярных соединений нефти, которые по величине молекулярного веса и характеру растворимости в селективных растворителях объединяют в группы углеводородов (масел) смол и асфальтенов.

В районах с теплым и умеренно-континентальным климатом предпочтительно использовать остаточные битумы, в том числе битумы II структурного типа марок БН, коллоидная структура которых «золь».

Битумы I структурного типа применять не рекомендуется, так как они не устойчивы к старению. Обычно к I структурному типу или типу гель относятся сильно окисленные и состарившиеся битумы, присутствующие в старом асфальтобетоне, которые не отвечают требованиям ГОСТ 22245-90.

Независимо от условий применения необходимо ориентироваться на такие битумные вяжущие в ЩМА, которые имеют наиболее высокую адгезию с поверхностью применяемого щебня.

При плохом сцеплении вяжущего со щебнем рекомендуется использовать добавки активаторов или поверхностно-активные вещества, например, катионного типа в случае применения кислых каменных материалов.

В целях повышения устойчивости к воздействию тяжелых транспортных нагрузок и экстремальных температур рекомендуется применять ЩМА на основе полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), особенно для устройства покрытий на мостах и городских улицах. Наиболее широкое применение в дорожном строительстве получили ПБВ, содержащие добавки трехблочного сополимера типа «стирол-бутадиен-стирол» (SBS) в количестве до 6,5 % от массы битума.

Различная физико-химическая природа структурных блоков сополимера обеспечивает образование самоорганизующейся трехмерной полимерной сетки в объеме ПБВ вследствие физической сшивки макромолекул полимера при охлаждении. За счет этого битумное вяжущее приобретает свойства, присущие эластомерам, что приводит к большей упругой деформативности (эластичности), к снижению хрупкости при низких температурах и к повышению сдвигоустойчивости покрытия при высоких температурах эксплуатации. Выбор марки полимерно-битумного вяжущего для ЩМА рекомендуется производить с учетом ОДМ.218.2.003-2006.

При использовании в смеси полимеров иногда допускается отказ от волокнистых добавок или уменьшение их процентного содержания, если показатель стекания вяжущего, как и другие показатели физико-механических свойств ЩМА, соответствуют регламентируемым действующим нормам.

Следует отметить, что ГОСТ 31015-2002 распространяется на щебеночно-мастичные смеси, содержащие стабилизирующую добавку, которая вводится на стадии приготовления смеси. В то же время в последнее время исследователи асфальтобетона и рационализаторы уделяют большое внимание технологиям приготовления щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей без применения специальных битумоудерживающих добавок. К этому подталкивают соображения экономии и стремление упростить технологический процесс.

Одно из направлений - изменение состава минеральной части за счет повышения содержания минерального порошка.

Другое - модификация структуры битумного вяжущего до начала приготовления смеси. Однако в первом случае может ухудшаться удобоукладываемость асфальтобетонной смеси.

Асфальтобетонные смеси в зависимости от наибольшего размера зерен щебня (гравия) или песка подразделяются на крупнозернистые — размер зерен до 40 мм; среднезернистые — до 20 мм; мелкозернистые — до 15 (10) мм; песчаные — до 5 мм.

По условиям укладки смеси подразделяют на горячие, укладываемые нагретыми до температуры не ниже 100—120° С; теплые — не ниже 70—80° С; холодные — не ниже 5—10 °С.

Материалы, применяемые для асфальтобетонных смесей, должны обладать определенными свойствами. Составляющими смесей служат щебень, гравий, песок, битум, минеральный порошок, поверхностно-активные вещества. Для приготовления смеси щебень или гравий сортируют по следующим фракциям: 20—40, 10—20, 10-15, 5(3)—25, 5(3)—15, 5(3)—10 мм.

Песок является мелкой составляющей смеси. Он может быть природным или искусственным, получаемым в результате дробления горных пород. Частицы песка должны быть прочными, содержание в его составе пылевидных и глинистых частиц не должно превышать 3%.

Частицы щебня (гравия) и песка в смесях окружены вяжущим материалом, который состоит из битума, минерального порошка и мельчайших пузырьков воздуха. Удобоукладываемость смеси и качество дорожной одежды зависят от пластичности вяжущего материала и прежде всего от свойств битума.

Применяют нефтяные вязкие и жидкие битумы. Используют в основном вязкие битумы следующих марок: БНД200/300; БНД 130/200; БНД90/130; БНД60/90; БНД40/60. Нефтяные дорожные жидкие битумы применяют в основном следующих марок: БГ70/130; СПЗО/200; СГ70/130 и МГ70/130. При отсутствии жидкого битума его приготовляют из вязкого битума путем смешивания с растворителем.

Минеральный порошок представляет собой смесь твердых частиц преимущественно размером мельче 0,071 мм. Распространен ны искусственно измельченные известняки и доломиты. В качестве минерального порошка можно использовать металлургические шлаки и другие породы.

Минеральный порошок должен содержать определенное количество частиц заданной крупности. Через сита (для шлака и цементной пыли) с указанными размерами отверстий должно проходить по массе: 0,25 мм — 100% порошка; 0,315 мм — не менее 90%; 0,071 мм — не менее 70%.

Битум не одинаково прилипает к поверхности частиц разных горных пород. Для улучшения его прилипания в минеральный порошок при необходимости вводят активирующую смесь, которая представляет собой сочетание поверхностно-активных веществ. Эти вещества улучшают в асфальтобетонной смеси связь битума с поверхностью частиц минерального порошка, повышают производительность смесителей, удобоукладываемость, уплотняемость. В качестве поверхностно-активных веществ используют, например, карбоновые кислоты и соли тяжелых металлов.

Асфальтобетонные смеси приготовляют на асфальтобетонных заводах, основным агрегатом которых является асфальтосмеситель. Составляющие смесей на заводах строго дозируют. Качество приготовления смесей контролируют, проверяя соблюдение установленного времени перемешивания, а также определяя равномерность перемешивания как по внешним признакам, так и лабораторным путем.

Подвижность смеси при выходе из смесителя зависит от вязкости применяемого битума

Горячие смеси обладают наибольшей подвижностью и удобо-укладываемостью и для их уплотнения требуется меньшая работа. Уплотнение этих смесей заканчивается тяжелыми катками. Холодные смеси уплотняются катками, а окончательная плотность достигается под воздействием движущегося транспорта. Преимущество холодных смесей — способность находиться в рыхлом, не слеживающемся длительное время состоянии перед раскладкой.

Материал, полученный в результате уплотнения асфальтобетонной смеси, называется асфальтобетоном. Асфальтобетоны, получаемые из горячих и теплых смесей, разделяются на плотные с остаточной пористостью 2,5—5% и на пористые с остаточной пористостью 5—10%.

Плотные горячие и теплые асфальтобетоны в зависимости от его типа, вида каменного материала и его прочности выпускают марок I, II, III и IV, а холодные — марок I и II.

Основными показателями, которые определяют при контроле качества асфальтобетона в покрытии, являются объемная масса, остаточная пористость, водонасыщение, прочность на сжатие.

Водонасыщение асфальтобетона характеризует количество воды, поглощенное образцом в вакууме. При испытании на водонасыщение используют образцы после определения объемной массы.

Прочность на сжатие определяют, изготовляя несколько образцов. Образцы в сухом состоянии испытывают при температуре 50, 20 или 0 °С, а в водонасыщенном состоянии при 20 °С.