Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса 8
1. Применяемые методы повторного использования старого асфальтобетона 8
2. Нагрев асфальтобетона в электрическом поле высокой частоты 20
Выводы по главе I 27
ГЛАВА II. Основные теоретические предпосылки и задачи исследования 29
1. Учет особенностей старого асфальтобетона, как материала для регенерации 29
2. Рассмотрение процесса регенерации асфальтобетона с позиций теории искусственных строительных конгломератов И.А.Рыбьева 37
3. Основные принципы улучшения структуры и свойств битума, содержащегося в старом асфальтобетоне 39
4. Природа высокочастотного нагрева битумов и асфальтобетонов и пути его регулирования 47
5. Цель и задачи исследований 52
ГЛАВА III. Исследование особенностей длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов ,54
1. Общие положения 54
2. Деформация и разрушение асфальтобетонных покрытий 55
3. Старение асфальтобетона 57
4. Структура и структурночлеханические свойства длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов 59
5. Исследование компонентов длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов 63
Выводы по главе III. 79
ГЛАВА IV. Исследование способов улучшения свойств регенерируемого асфальтобетона 81
1. Общие положения 81
2. Влияние улучшающих добавок на свойства битума 84
3. Исследование структурно-механических свойств регенерированного асфальтобетона 98
4. Исследование деформативной способности регенерированных асфальтобетонов 104
Выводы по главе ІV 108
ГЛАВА V. Исследование диэлектрических характеристик асфальтобетона и его компонентов 110
1. Общие положения и методика исследования НО
2. Исследования диэлектрических характеристик битумов 115
3. Влияние добавок пластифицирующих веществ на диэлектрические характеристики битумов 122
4. Исследование диэлектрических характеристик минеральных компонентов асфальтобетона 131
5. Исследование диэлектрических характеристик асфальтобетонов 149
6. Влияние пористости и содержания влаги на диэлектрические свойства асфальтобетона 154
7. Влияние добавок пластифицирующих веществ на диэлектрические характеристики асфальтобетона 170
Выводы по главе V 172
ГЛАВА VІ. Высокочастотный нагрев асфальтобетона 176
1. Исследование интенсивности высокочастотного нагрева битума 176
2. Исследование интенсивности нагрева бинарных смесей 177
3. Исследование влияния пластифицирующих веществ на интенсивность нагрева асфальтобетонов 181
4. Влияние комплексных добавок на высокочастотный нагрев асфальтобетонов 185
5. Влияние пористости асфальтобетонов на режим высокочастотного нагрева 190
6. Влияние условий нагрева на его интенсивность и энергоёмкость 194
Выводы по главе УІ 201
ГЛАВА VII. Анализ температурного ршш асфальтобетона при высокочастотном нагреве 203
Выводы по главе VII 220
ГЛАВА VIII. Опытно-экспериментальные работы по регенераций асфальтобетона. экономическая эффективность 222
1. Опытно-экспериментальная машина для регенерации асфальтобетона 222
2. Экспериментальный стенд для нагрева асфальтобетонного покрытия 228
3. Опытные работы 233
4. Экономическая эффективность 237
Выводы по главе УШ 238
Общие выводы 240
Литература 245
Перечень публикаций и изобретений 260
Приложения 267
- Применяемые методы повторного использования старого асфальтобетона
- Учет особенностей старого асфальтобетона, как материала для регенерации
- Структура и структурночлеханические свойства длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов
- Исследование структурно-механических свойств регенерированного асфальтобетона
Введение к работе
В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усиле -нии работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов" (июль, 1981 г.), а также в материалах ноябрьского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС выдвигаются задачи по созданию и развитию ресурсосберегающих технологий, эффективному использованию имеющихся резервов. Одним из таких резервов, практически неиспользуемым до последнего времени, является старый асфальтобетон, огромные запасы которого омертвляются в покрытиях городских и внегородских дорог. Практикуемая в настоящее время система ремонта и восстановления дорожных асфальтобетонных покрытий предусматривает периодически повторяющиеся перекрытия изношенных покрытий новыми слоями ас -фальтобетона. Вместе с тем, в перекрываемом покрытии, утратив -шем необходимые эксплуатационные качества, обычно сохраняется до 80-90!? массы старого асфальтобетона. Вследствие этого на многих дорогах, особенно городских, толщина асфальтобетонного по -крытия нередко достигает 30-50 см и более. Таким образом, омертвляется огромное количество ценнейшего материала. Подсчеты показывают, что только в 10 наиболее крупных городах Советского Союза на дорогах накопились "запасы" старого асфальтобетона, объем которых исчисляется сотнями миллионов тонн. К этому следует добавить многомиллионные запасы старого асфальтобетона, ежегодно снимаемого при реконструкции и ремонте дорог, прокладке подземных коммуникаций и вывозимого в отвалы. Этот материал в боль -пшнстве случаев не используется и загрязняет окружающую среду.
Госпланом СССР в соответствии с поручением Совета Министров Союза СССР "принято решение о включении в утвержденную на
_ 6 -
I98I-I985 годы научно-техническую программу 0.85.ОВ дополнительного задания по разработке и внедрению в народном хозяйстве те -хнологии ремонта дорожных покрытий с повторным использованием асфальтобетона".
Практикующиеся в весьма ограниченных масштабах методы переработки старого асфальтобетона как в СССР, так и за рубежом, связаны с его разогревом горячими газами форсунок (на асфальто -бетонных заводах) или горелками инфракрасного излучения перед -вижных машин. Эти способы нагрева, связанные с передачей тепла от более нагреваемых внешних поверхностей в глубь материала, сопряжены со значительными местными перегревами, что неизбежно приводит к термической деструкции битума и порче асфальтобетона. Технический уровень применяемых методов переработки этого мате -риала не соответствует современным требованиям.
Рациональное применение старого асфальтобетона, в результате которого удалось бы использовать заклиненные в нем материалы, в том числе дефицитный битум, представляет одну из важнейших научно-технических проблем. Ее решение позволит резко снизить по -требность дорожного хозяйства, особенно в городах, в асфальтобетоне и в битуме. Эта проблема обсуждалась в числе важнейших на ХУІ Международном дорожном конгрессе (Австрия, 1979 г.).
Проведенные исследования, основанные на современных научных достижениях, в том числе на теории искусственных строительных конгломератов (ИСК), развиваемой проф. И.А.Рыбьевым и его шко -лой /I/, позволили разработать принципиально новую технологию регенерации асфальтобетона, осуществляемую непосредственно в дорожном покрытии или в стационарных условиях. Новой технологией предусматривается: нагрев регенерируемого асфальтобетона (до необходимых технологических температур) в высокочастотном элект-
_7 -
рическом поле; введение в него реагентов, способствующих улучшению структуры и CBOfcTB битума; повторное уплотнение обновленного слоя асфальтобетонной смеси.
Применительно к поставленной цели высокочастотный нагрев оказался наиболее эффективным, поскольку в этом случае тепловая энергия генерируется непосредственно в нагреваемом материале» Молекулярная природа высокочастотного нагрева, обуславливающая возникновение в нагреваемом материале внутренних источников тепла, приводит к образованию однородного температурного поля. Вследствие этого весь нагреваемый объем асфальтобетона одновре -менно приобретает требуемую температуру, что исключает местные перегревы и деструкцию битума.
В целях установления оптимальных условий нагрева оказалось необходимым исследование диэлектрических характеристик асфальтобетона и его компонентов в широком интервале температур и частот изменения направления электрического поля. Были выявлены способы искусственного изменения диэлектрических характеристик с целью интенсификации высокочастотного нагрева асфальтобетона.
Детально изучены особенности длительно эксплуатируемого асфальтобетона, необходимые для учета при его регенерации. Уста -новлено, в частности, что содержащиеся в нем минеральные мате -риалы, в результате длительных процессов взаимодействия с битумом, приобретают свойства, приближающие их к активированным.
Проведенные исследования показали, что в результате рациональной регенерации может быть получен высококачественный ас -фальтобетон для дорожных и аэродромных покрытий. Исследовательские работы проводились как в лабораторных, так и в натурных условиях - с применением опытной установки, изготовленной ба -кинским заводом электротермического оборудования. Техническое
задание на проектирование указанной установки разработано на основе проведенных нами исследований.
Основные исследования выполнены в Спецдортресте г.Баку, Всесоюзном дорожном научно-исследовательском институте (Союз -дорНИИ), научно-исследовательском институте нефтехимических процессов Академии наук Азербайджанской ССР.
Г Л А Б A I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
I. Применяемые методы повторного использования старого асфальтобетона
Асфальтовый бетон получил в настоящее время исключительно большое распространение в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве. Ежегодное производство этого материала только для целей дорожного строительства превышает 70-80 млн. т и по -глощает подавляющее количество производимого в СССР нефтяного битума. Асфальтобетонные покрытия являются ведущим типом покрытий, устраиваемых как на городских, так и на внегородских дорогах. Широкое распространение таких покрытий вызвано тем, что они обеспечивают наиболее благоприятные условия движения транспортных средств и обладают высокими эксплуатационными свойствами. Одним из важных свойств асфальтобетона, отличающих этот материал от многих других, используемых в дорожном строительстве, является возможность его повторного использования. Тем не менее, это свойство, приобретающее в последнее время особую актуаль -ность, используется очень мало или вовсе не используется.
Реальные сроки службы асфальтобетонных покрытий, в сред -нем, составляют 10-12 лет и в большинстве случаев они опреде -ляются возникновением различных деформаций (наплывы, сдвиги) или очаговых разрушений (выкрашивания, трещины, выбоины), препятствующих нормальному движению транспортных средств. Однако, по истечении этих сроков, в покрытии сохраняется до 80-9С$ массы асфальтобетона. Применяемая же технология ремонта и -восста -новления покрытия обычно сводится к наращиванию слоя асфальто -
бетона. Это приводит к тому, что за период эксплуатации толщина асфальтобетонных покрытий увеличивается. На ряде городских и внегородских дорог толщина слоя асфальтобетона достигает 30-50 см и более. Таким образом, омертвляются огромные количества материалов. Нередки случаи, когда наращивание покрытий ухудшает систему водоотвода и приводит к нарушению нормальных условий эксплуатации автомобильных дорог. Только в 10-ти наиболее крупных городах СССР на дорогах накопились "запасы" старого асфальтобетона, объем которых исчисляется сотнями миллионов тонн. Эти запасы содержат большое количества битума и минеральных материалов. Рациональное применение старого асфальтобетона, в результате чего удалось бы использовать заключенные в нем материалы, в том числе дефицитный битум, представляет собой одну из важнейших научно-технических проблем. Эта проблема в последнее время привлекает большое внимание многих зарубежных ученых и обсуждалась в числе важнейших на UI международном дорожном конгрес -се, состоявшемся в Австрии в 1979 г. Во многих городах нашей страны накапливается большое количество старого асфальтобетона, снимаемого при реконструкции и ремонте дорог, а также при про -кладке и ремонте подземных коммуникаций. По имеющимся данным /2/ только в г.Москве ежегодно можно использовать 200 тыс. т снимаемого старого асфальтобетона, в других городах РСФСР - до I млн.т, в городах УССР - до 350 тыс.т. По данным Академии коммунального хозяйства Министерства жилищно-коммунального хозяйства РСФСР за период 1969-1975 г.г, в отвалах городов РСФСР ежегодно скапливалось 1,8-2 млн.т старого асфальтобетона. Этот материал не только не перерабатывается, но в большой мере загрязняет окружающую среду.
Таким образом, на дорогах и в отвалах к настоящему времени
- II -
образовались огромные резервы асфальтобетона.
Решение проблемы повторного рационального использования этих резервов позволило бы во многих городах страны резко сни -зить потребность в асфальтобетоне и в битуме. Отметим, что проведенный нами анализ по ряду крупных городов СССР (Москва, Ле -пинград, Баку и др.) показывает, что из общего объема выпускаемых асфальтобетонных смесей около 50$ затрачивается на ремонт -но-восстановительные работы. То есть это примерно тот объем, который мог бы быть восполнен за счет рационального повторного использования асфальтобетона, имеющегося непосредственно в по -крытиях ремонтируемых или восстанавливаемых объектов.
Для того, чтобы представить масштабность этой проблемы мы отметим, что только по 10-ти наиболее крупным городам страны ежегодный выпуск асфальтобетона достигает 20 млн.т с расходом битума около 1,2 млн. т.
Резко может быть снижен расход асфальтобетона и битума для ремонта и восстановления асфальтобетонных покрытий на внегородских дорогах.
Проблема регенерации асфальтобетона на протяжении ряда лет привлекает внимание исследователей и производственных организаций как в СССР, так и за рубежом.
К настоящему времени наметились следующие направления в повторном использовании старого асфальтобетона.
I. Переработка снимаемого с дорожных одежд асфальтобетона в специальных стационарных установках. В результате такой переработки получают горячую асфальтобетонную смесь, которую используют для строительства оснований дорожных одежд или покрытий (обычно - нижних слоев), а в некоторых случаях - для изготовления штучных изделий (тротуарные плиты, бортовые камни).
дробление старого асфальтобетона в дробильных установках с целью получения щебня, предназначенного для устройства оснований дорожных одежд (по типу оснований из черного щебня).
Разогрев старого асфальтобетона непосредственно в до -рожном покрытии с его последущим частичным восстановлением.
Наибольшее число исследовательских и практических работ относится к первому направлению. Одна из первых работ в этой области принадлежит Г.А.Московцеву, который в начале 50-х годов сконструировал специальную машину для переработки старого асфальтобетона /3/* Эта машина на одном из московских заводов перерабатывала старый асфальтобетон в течение 15-20 лет.
Обоснование основных положений переработки старого ас -фальтобетона впервые было дано в работе /4/. Затем различные аспекты этой проблемы развиваются в работах /5-7/, разрабатываются другие конструкции машин для переработки старого ао -фальтобетона /8/.
Суть методов, предлагаемых в цитированных работах, состоит в том, что снимаемый с дорожных одежд материал вывозится на заводы и перерабатывается в специальных установках. Крупные куски асфальтобетона предварительно подвергают дроблению в камнедробильных установках.
Основные трудности в переработке старого асфальтобетона следующие:
а) непостоянство состава и вида асфальтобетона, поступающего для переработки. При реконструкции или ремонте дорожной одежды часто одновременно снимается верхний и нижний слои. Каждый из них часто содержит разные минеральные и вяжущие материалы. На склад завода обычно поступает материал, снимаемый с различных объектов. Таким образом, обычно перерабатывается
- ІЗ -
случайная смесь различных видов асфальтобетона. Вследствие этого получаемый материал может быть использован только для уст -ройства основания или нижнего слоя покрытия - на наименее от -ветственных объектах.
б) Нагрев асфальтобетона должен осуществляться таким об -разом, чтобы исключить вредное воздействие этого процесса на свойства битума: температура не должна превосходить оптималі*-ной для данного битума, а продолжительность ее действия должна быть минимальной.
Наряду с этим, рациональная переработка старого асфальтобетона требует хотя бы частичного восстановления структурно-механических свойств битума. В результате длительной эксплуатации дорожного покрытия битум претерпевает значительные изменения, что и диктует необходимость улучшения свойств вяжущего материала.
С учетом отмеченных положений создавались специализированные машины для переработки старого асфальтобетона. Так, в ма -шине конструкции Г.А.Московцева /3/, созданной на базе смеси -теля Г-І (Д-І38), нагрев измельченного асфальтобетона осуществлялся горячими газами с температурой 500~600С. Контакт перерабатываемого материала с пламенем или с горячими газами, вы -ходящими из топочного канала,исключался. Однако эта машина, изготовленная в одном экземпляре, дальнейшего применения не нашла.
В последние годы для переработки старого асфальтобетона создана более совершенная оштно-промытленная установка /9/, отмеченная в 1979 г. премией Совета Министров СССР, что, кстати, подчеркивает и важность проблемы.
В создании этой установки, работающей на одном из асфальтобетонных заводов г.Москвы, участвовали специалисты СКБ Мое-
строя, ШИПИ "Теплопроент", треста "Мосасфальтстрой" Главмосинж-строя. В составе установки: линии для подачи кускового асфальтобетона ж дополнительных новых материалов - песка и щебня, двух-барабанная печь для плавления подаваемого асфальтобетона, при -способления для разгрохотки смеси, смесительное отделение. На -грев асфальтобетона осуществляется до 160-Г70С. Температура горячих газов, циркулирующих в барабанах, доходит до 800-900С.
Для улучшения свойств и повышения пластичности битумов, содержащихся в старом асфальтобетоне, многими исследователями рекомендуется вводить в расплавленную асфальтобетонную смесь ра -зличные пластифицирующие добавки, Г.К.Сюньи рекомендует вводить госсиполовую смолу, антраценовое масло, различные нефтепродукты. Трест "Мосасфальтстрой" рекомендует использовать для пластифи -нации раствор термопластичного полимера в жидком битуме /2/. Введение пластифицирующих добавок, увеличивающих объем вяжущего материала в разогретой асфальтобетонной смеси, требует введения и дополнительных минеральных материалов. К этому следует доба -вить, что при расплавлении асфальтобетона в нем всегда ощущается избыточное количество битума. Таким образом, выявляется не -обходимость во введении значительного количества новых минеральных материалов для поглощения избыточного вяжущего материала.
Упоминавшаяся выше новая установка для переработки старого асфальтобетона выпускает материал, используемый в нижних слоях дорожных покрытий а также для устройства оснований: непостоянство состава и вида перерабатываемого асфальтобетона наряду с другими недостатками технологического процесса резко ограничи -вает качество получаемых смесей. К технологическим недостаткам следует отнести то, что битум в разогреваемом асфальтобетоне испытывает влияние чрезмерно высоких температур, что не исключает
его термической деструкции.
Попытки переработки старого асфальтобетона в обычных смеси» телях с температурой газов до Ю0О~13ООС, как правило, конча -лись неудачно. Речь идет не только о губительном влиянии такой температуры на свойства битума. При переработке старого асфаль -тобетона, например, в смесителях Д-І38 типа Г-І в барабане сме -сителя часто происходили воспламенения, сопровождавшиеся взрывами /4/.
Опыт использования старого асфальтобетона в США /10/ отли -чается тем, что старый асфальтобетон дробят и рассеивают на грохоте, нагревают во вращающемся барабане. Затем в обычной мешал -ке материал смешивают с добавками. Добавка битума редко превышает 1,25$ по массе,
В США также нашел практическое применение химический способ повторного использования старого асфальтобетона. По данным жур -нала американского общества гражданских инженеров ("Гражданское строительство". Февраль 1975 г.- Материалы реконструируемых ас -фальтобетонных покрытий) этот способ основан на применении ра -створителей, извлекающих битум из старого асфальтобетона. В дальнейшем в специальных установках производится вторичное перемешивание полученного разжиженного битума с минеральной частью, и,таким образом, получается новый битумоминеральный материал, пригодный для устройства оснований.
Сообщается также /II/ о способе ремонта городских дорог с использованием материала старого дорожного покрытия, применен -пом фирмой " МарСе ~ Wood Mcnh " (США). Изготовление но -вого материала из старого производится на асфальтобетонном за -воде. Измельченный асфальтобетон и гравий засыпают в специализированную установку в соотношении 1:1, где эти материалы на -
греваются до температуры 232 С и интенсивно перемешиваются в течение 20 сек. Затем добавляют 3% битума и перемешивание продолжают еще 30 сек,
В целом, в США /95/ существует 3 метода восстановления старых асфальтобетонных покрытий. По первому методу верхний слой старого покрытия (иногда с частью основания) снимают, транспортируют к асфальтобетонному заводу, где куски дробят до определенных размеров, а затем подогревают и перемешивают в смесителях с до -бавлением битума, а иногда и минеральных материалов. По второму способу верхние слои снимают, дробят и перемешивают на месте или в установке без подогрева. Для восстановления свойств битума в смеси иногда добавляют восстанавливающий реагент "Рекламит", который запатентован. Такие смеси используют в качестве оснований с последующей укладкой верхних защитных слоев. По третьему спо -собу верхний слой рыхлят, перемешивают (иногда с добавкой битума и минеральных материалов), планируют и уплотняют.
Стоимость приготовления I т асфальтобетонных смесей из но -вых материалов составляет 14,68 долл., а при использовании материалов старых покрытий 11,04 долл.
Б последнее время в практике текущего ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий начал применяться разогрев последних с помощью энергии инфракрасного излучения. Проведенные исследования /12/ и практика экспериментального применения этого способа выявила некоторые его особенности.
При инфракрасном нагреве из технологического цикла исключаются операции по удалению старого асфальтобетона и подгрунтовке ремонтируемого участка, что сокращает продолжительность ремонта и его стоимость. При работе с инфракрасными разогревателями снижается загрязнение окружающей среды, что весьма важно при прове-
дении ремонтных работ в пределах населенных пунктов.
Во всех разработанных инфракрасных нагревателях /13,14/ в качестве источников инфракрасного излучения используются радиационные газовые горелки. Однако наряду с известными достоинствами таких источников в машинах для текущего ремонта дорог имеется и ряд недостатков: значительный расход топлива, громоздкость газобаллонной установки, сложность регулирования нагрева покрытия и др.
Применение инфракрасного нагрева в технологии текущего ремонта асфальтобетонных покрытий требует еще решения ряда научных и технических вопросов. В литературе по режимам нагрева и назначению мощности нагревательных установок /15-21/ встречаются противоречивые результаты, касающиеся режимов и условий нагрева.
Известно, что механизм инфракрасного нагрева асфальтобетона осуществляется за счет теплопередачи с поверхности материала в глубь покрытия. Следовательно, достижение заданной температуры в теле асфальтобетона сопряжено с перегревом этого материала и содержащегося в нем битума. В связи с низкой теплопроводностью бетона, достижение необходимой температуры (140-160С) на глубине 4-6 см, вызывает необходимость нагрева поверхностного слоя до 200-250С, а иногда и выше.
Исследования, относящиеся к воздействию высоких температур на битумы (о них подробней сказано ниже), свидетельствуют о том, что в результате таких воздействий происходят глубокие измене -ния структуры и свойств битумов, снижающие эксплуатационные качества асфальтобетонных покрытий. В работе /12/ показано, что при нагреве битума в течение 5 мин при температуре до 300С глубина проникания стандартной иглы в битум (при температуре +25С) снизилась почти в 2 раза. Соответственно снизилась и пе-
нетрация при 0иС, что свидетельствует о нарастании хрупкости при низких температурах. Эти исследования, выполненные по общепринятой методике /22/, вероятно показали заниженные результаты. При инфракрасном нагреве покрытия, в котором нагреваемый битум присутствует в виде весьма тонких слоев, изменения структуры и свойств вяжущего материала будут несомненно более значительными, особенно если учесть каталитическое действие поверхности, на которой адсорбирован битум. Заметим, что по данным И.В.Королева /23/, изучавшего распределение битума в асфальтобетоне, толщина битумных слоев колеблется в зависимости от размера зерен от 0,26 микрон (на частицах до 0,(771 мм) до 64 микрон (на зернах 5-Ю мм),
В упоминавшейся выше работе /12/ приведены также результаты исследований стандартных асфальтобетонных образцов (диаметром и высотой - 71,4 мм), подвергавшихся термообработке инфракрасным излучением в специальной лабораторной установке. Показано, что с увеличением температуры нагрева резко изменяются все нормируемые показатели асфальтобетона. Так, например, в результате нагрева асфальтобетона в течение I мин при температуре 250С и 300С величина водонасыщения возросла соответственно в 1,9 и 2,2 раза, а величина набухания в 2 и 2,5 раза. С увеличением продолжительности нагрева эти показатели, естественно, растут.
Прочность асфальтобетона (при 20С), нагревавшегося при температуре 250 и 300С снижается соответственно на 65$ и 240^ (!). Примерно такое же снижение прочности зафиксировано и при температуре +50С. Отмечается, что нагрев асфальтобетона до температуры 160-180С способствует даже некоторому повышению прочности.
Приведенные показатели изменения свойств асфальтобетона,
-За-
являющиеся средними для нагреваемого образца, не отражают свойств асфальтобетона в поверхностных слоях, где вследствие местных перегревов процессы деструкции более интенсивны.
Проведенные нами исследования асфальтобетона после нагрева покрытия инфракрасными излучателями, а также испытания, выполненные в Главмосдоруправленйи, показали, что происходящие изменения свойств носят более резкий характер (сопоставительные характе -ристики приводятся ниже).
Несмотря на это выпуск и применение машин, снабженных ин -фракрасными излучателями, до последнего времени продолжается и притом, возможно, в возрастающих объемах. Это лишь свидетельствует об актуальности проблемы повторного использования старого асфальтобетона, но не свидетельствует о поисках новых прогрессивных решений в этой области.
Ряд зарубежных фирм- например, " KATLER " (США), «WIRT С Eh/ " и " VOGELE " (ФРГ) и др. - выпускает передвижные машины, снабженные инфракрасными горелками (работающими на сжиженном газе) и приспособлениями, необходимыми для разогрева покрытия, рыхления, перемешивания и предварительного уплот -нения асфальтобетонной смеси. Для окончательного уплотнения применяются обычные катки. При необходимости, укладывается поверх этого слоя также слой нового асфальтобетона. Б результате по -вторно используется до 60-70$ старого материала.
Машина "Супер 1700 АРФ" фирмы " VO&ELE " создана на базе асфальтоукладчика "Супер 1700", у которого вместо бункера установлена цистерна на 6000 л для сжиженного пропана; впереди цистерны закреплен четырехсекционный складывающийся инфракрасный нагреватель. Вместо шнеков смонтирован многозубчатый рыхлитель.
Рабочая скорость передвижения машины - 0,5-5,7 м/мин. Общее количество инфракрасных горелок - 120 с максимальной теплоизлу-чающей мощностью 1320000 Ккал/час. Расход сжиженного газа -216 кг/час. Температура в зоне горелок 600-800С. Наибольшая производительность около 1000 м^/час при глубине слоя рыхления 4 см.
Несколько подобных машин приобретено московскими дорожно--экоплуатационными организациями. Во время их работы нередко наблюдается дым от выжигаемого битума. В многих случаях отжигае -мый асфальтобетон удаляется "фрезеровочными" приспособлениями, имеющимися в машине. О деструкции асфальтобетона в результате обработки покрытия машиной подобного типа свидетельствуют ре -зультаты испытаний, выполненных в Главмосдоруправлении в 1979 г. Остаточная пористость увеличилась с 2,8$ (объема) до 9,3$, во-донасыщение - с 1,7 до 7,7$, набухание - с 0,28 до 0,82$, прочность при сжатии при 50С снизилась с 1,7 до 0,7 МПа, прочность при 20С снизилась с 2,92 до 1,2 МПа.
Анализ выполненных к настоящему времени работ в области повторного использования старого асфальтобетона показывает, что применяемые методы не обеспечивают полноценного использования этого материала и получения доброкачественного дорожного покрытия. Существующая технология, по существу, не предусматривает восстановления свойств битумов, содержащихся в длительно-эксплуатируемом асфальтобетоне, а применяемые методы нагрева этого материала в немалой степени ухудаают свойства битумов и асфальтобетонов. Применяемые технологические приемы, по своему техни -ческому уровню не соответствуют современным требованиям. До сих пор отсутствует научно-обоснованная технология регенерации асфальтобетона.
Проведенный анализ показывает, что наиболее экономичной, как по транспортным затратам, тан и по затратам материальных ресурсов и рабочей силы, является технология регенерации асфальтобетона, осуществляемой непосредственно в дорожном покрытии с помощью передвижных машин. Эта технология применима только в тех случаях, когда возникает необходимость продления сроков эксплуатации дорожных покрытий на действующих объектах. Что же каса -ется старого асфальтобетона, снимаемого с дорожных одежд (в связи с реконструкцией дорог, подземных сетей или по другим причинам), то его переработка должна осуществляться на стационар -ных установках (заводах). Применительно к этим целям и рассматривается ниже новая технология регенерации асфальтобетона в линейных и стационарных условиях.
2. Нагрев асфальтобетона в электрическом поле высокой частоты
Сопоставление различных способов нагрева материалов показывает, что применительно к целям переработки асфальтобетона наиболее эффективным является высокочастотный нагрев.
Известно» что этот материал характеризуется весьма низкой теплопроводностью. Вследствие этого, как уже отмечалось, затрудняется использование для нагрева асфальтобетона внешних источ -ников тепла: создание требуемой температуры во внутренних зонах материала, удаленных от нагреваемой поверхности, сопряжено со значительным перегревом материала в приповерхностных слоях. Как было показано выше, термическая деструкция битума под влиянием высоких температур резко снижает качество разогреваемого асфальтобетона.
При высокочастотном нагреве тепловая энергия генерируется
непосредственно в нагреваемом теле.
Молекулярная природа высокочастотного нагрева, обуславливающая возникновение в нагреваемом материале внутренних источников тепла, приводит к образованию однородного температурного поля. Вследствие этого весь нагреваемый объем материала одно -временно приобретает требуемую температуру, что исключает местные перегревы материала.
К достоинствам высокочастотного нагрева, кроме отмеченных, относятся безинерционность и возможность точного (в необходи -мых случаях - автоматического) регулирования температурного режима.
Одной из важных особенностей высокочастотного нагрева диэлектриков является также возможность получения высокой концентрации мощности в единице объема, недостижимой при других методах нагрева.
Отмеченные особенности обусловили широкое применение токов высокой частоты для нагрева разнообразных материалов с плохой электропроводимостью в различных отраслях промышленности. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов послужил основой ряда новых технологических процессов. В настоящее время токи высокой частоты широко применяют при производстве изделий из пластмасс /25-29/, полимерных материалов /30-34/, для сушки различных материалов /35-38/ в деревообрабатывающей /39/, пище -вой, легкой промышленности и ряде других отраслей народного хозяйства.
Возрастающие с каждым годом объемы применения высокочастотного нагрева обусловили широкое развитие исследований в этой области. Развиты представления о молекулярном механизме нагрева различных сред /40,41/, разработаны теоретические основы во-
здействия высокочастотного электрического поля на диэлектрики, обоснованы технологические процессы, включающие высокочастотный нагрев.
На первых этапах применения стоимость высокочастотной энергии была достаточно высокой: коэффициент полезного действия по отношению к электроэнергии обычной промышленной частоты - при превращении в тепловую - едва достигал 0,30; применяемое оборудование было весьма громоздко и недолговечно. Все это обусловило появление в СССР и за рубежом ряда исследований, относящихся к экономическим аспектам, а также к выявлению рациональных об -ластей применения токов высокой частоты /42/.
Несмотря на то, что современное оборудование для диэлектрического нагрева значительно усовершенствовано, вопросы экономики, а также трудовых затрат (они, как правило, резко снижаются с применением высокочастотного нагрева) обсуждаются и анализируются в ряде работ последних лет /43,44/, Справедливо подчеркивается,что применение высокочастотного нагрева особенно эффективно лишь в тех случаях, когда достигается новый технологический эф -фект или существенно улучшается качество получаемой продукции. Именно в этих случаях особенно широко и используется высокочас -тотная энергия.
Заметим, что в нашем случае - для регенерации асфальтобетона - применение высокочастотной энергии, как это будет показано ниже, дает возможность получить значительную экономию материальных и энергетических ресурсов.
Высокочастотные установки для диэлектрического нагрева изготовляют на лампах - триодах с воздушным и водяным охлаждением. Энергия, теряемая в лампе, выделяется в виде тепла на ее аноде. Существуют разные способы снижения этих потерь.
Лампы с воздушным охладителем выпускаются мощностью до 10 квт, а более мощные лампы (до 250 квт) - с водяным охлаждением. Срок службы генераторных ламп доходит до 10000 ч, а расходы на замену перегоревших ламп обычно составляют 5-10$ стоимости пре -образуемой ими энергии,
Трехэлектродные генераторные лампы вырабатывают переменный ток от длинноволнового диапазона до метрового, т.е. примерно до 100 Мгц.
Для высокочастотного нагрева - мощная генераторная лампа --триод работает при высоком напряжении переменного тока (до 15Кв). В условиях малой мощности подводят более низкое напряжение - от 2 до 5 Кв.
Как известно, для нагрева в электрическом поле высокой частоты, материал помещают между металлическими пластинами; эту систему принято называть рабочим конденсатором.
Подаваемое напряжение от генераторов к рабочему конденсатору легко регулировать и изменять, таким образом, скорость нагрева. Воздушный зазор между нагреваемым материалом и пластиной рабочего конденсатора позволяет нагревать материалы с неровной поверхностью.
При нагреве материалов, отличающихся большими размерами, используют пластины, расчлененные на отдельные полосы. Нагрев ас -фальтобетонных покрытий, по-видимому, потребует секции расчле -ненных накладных пластин, расположенных с одной стороны (одно -сторонний нагрев площади). В этом случае нагрев производится в рассеянном поле высокой частоты.
В решениях Всесоюзного семинара "Пути развития высокочас -тотного оборудования и технологии диэлектрического нaгpeвa,', состоявшегося в марте 1978 г. в г.Ленинграде, отмечается, что в
настоящее время в Советском Союзе разработано 25 типов промыш -ленных высокочастотных установок диэлектрического нагрева новейших моделей, в том числе для разогрева высоковязких органических материалов. Отмечается возросший интерес к применению высокочастотного нагрева и его высокая экономичность. Созданы и ведется подготовка новых стандартов, предписывающих использование высокочастотного нагрева в ряде областей. Для осуществления новых технологических процессов разрабатываются высокочастотные установки с колебательной'мощностью до 1000 КВт.
Различного назначения и высокой мощности высокочастотные установки созданы за рубежом (США, Япония, ФРГ, Франция и др. страны). Во Франции созданы технологические линии, в которые входят по 8 мощных высокочастотных установок /45/. В работе /46/ сообщаются данные о сверхвысокочастотных установках японского производства. Подчеркиваются преимущества применения СВЧ нагрева при сушке: равномерность нагрева и высокий тепловой коэффициент полезного действия.
Известен ряд работ, относящихся к применению высокочастотного нагрева в области строительства и строительных материалов /47/. Особый интерес, по нашему мнению, представляют исследова -ния и опытно-экспериментальные работы по нагреву влажных мате -риалов капиллярно-пористого строения а также по применению высокочастотного (или комбинированного) нагрева при производстве бетонных и железобетонных изделий, керамзитобетона, керамзите -пластобетона.
Показано /47/, что в сравнении с обычными методами термо -влажностной обработки бетонных изделий, нагрев токами высокой частоты (15-25 Мгц) с хорошо регулируемой температурой резко снижает образование трещин. Расход электроэнергии на тепловую об -
работку бетона составляет около 80 квт-ч/м . Расход электроэнергии при высокочастотном нагреве керамзитошіастбетона не превышал 35-40 квт-ч/м3>
В работе /48/ отмечается, что в Японии были предприняты исследования с целью выявления возможности нагрева битумов и ас -фальтобетонных смесей с помощью микроволн (имеются в виду электрические волны с диапазоном частот, превышающих 300 МГц). Автор указывает, что "в Японии для нагрева допускается применение только частот в пределах 2450 МГц". Отмечается, что битум, в отличие от асфальтобетонных смесей "с трудом нагревается микроволнами, а поэтому он не перегревается". Сопоставление физических характеристик битумовдоказывает, что в результате нагрева микроволнами они не изменились. Одна из трудностей нагрева асфальтобетона, по мнению автора, состоит в преодолении неравномерности нагрева. Из описания трудно понять почему это происходит. Автор пишет "Принято считать, что самой большей трудностью, с которой приходится сталкиваться при нагреве микроволнами, это поддержание равномерности нагрева материала. Несмотря на фундаментальные поиски методов равномерного нагрева асфальтовой смеси микроволнами, нам до сих пор не удалось разработать подходящей нагревательной машины, которая удовлетворяла бы упомянутому выше требованию" .
Отметим, что в наших исследованих, о которых сказано ниже, подобного явления (в диапазоне частот от 15 до 70 МГц) не на -блюдалось.
Исходя из существующих представлений о высокочастотном нагреве диэлектриков следует, что битумы и асфальтовые бетоны характеризуются способностью н поглощению энергии высокочастотного поля. Ориентация в направлении поля входящих в состав биту -
мов полярных молекул асфальтенов и поверхностно-активных соединении (асфальтогеновых кислот), т.е. дипольная поляризация -приводит при изменениях направления поля к выделению тепла. Это связано с тем, что дипольная поляризация не является чисто упругим процессом, а происходит с некоторым запаздыванием в сравнении с изменением направления поля. Это обусловлено преодолением поляризующимся диполем сопротивления соседних молекул, особенно ощутимого в вязкой среде. В связи с этш дипольная поляризация вызывает необратимые потери тепла, возрастающие с увеличением числа полярных молекул или групп атомов (в высокомолекулярных соединениях) и ростом величины дипольного момента.
Проведенные нами исследования показали, что в высокочастотном поле (исследования проводились в области частот, принятых для нагрева диэлектриков - от 15 до 70 МГц) битумы и асфальто -бетоны интенсивно нагреваются. Этот процесс, как уже отмечалось, протекает без местных перегревов.
Нагрев асфальтобетона осуществляется до температуры, необходимой для уплотнения и безопасной для свойств битума. В ре -зультате нагрева, сопровождающегося разуплотнением материала, образуется слой асфальтобетонной смеси, характеризующейся достаточной удобообрабатываемостыо, что обеспечивает выполнение по -следующих технологических операций.
На этой основе и были разработаны принципы1J новой техно -логии восстановления дорожных асфальтобетонных покрытий с при -менением высокочастотного нагрева и соответствующих реагентов для улучшения свойств битумов и асфальтобетонов /49/.
I) Алиев A.M. и др. Авторское свидетельство J6 542779 с приоритетом от 19.УШ.1974 г.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ I
Повторное, рациональное использование старого асфальтобетона, "омертвляющегося" на дорогах (при существующих методах ремонта и восстановления дорожных покрытий) или в отвалах, представляет собой одну из важнейших научно-технических проблем. Ее решение позволит высвободить значительные ресурсы строительных материалов (в том числе - дефицитных дорожных битумов) и сни -зить потребность дорожного хозяйства в рабочей силе и транспортных средствах.
Анализ выполненных ранее работ в области регенерации асфальтобетона показывает, что применяемые методы не обеспечивают полноценного использования этого материала и получения доброкачественного дорожного покрытия. Применяемые технологические приемы, по своему техническому уровню не соответствуют современным требованиям. Применяемые для нагрева внешние источники тепла, в связи с низкой теплопроводностью асфальтобетона, как правило, приводят к значительным перегревам, что сопряжено с термической деструкцией асфальтобетона и содержащегося в ней битума.
Наиболее рациональным способом нагрева асфальтобетона -до требуемых условиями регенерации температур - является высокочастотный, при котором тепловая энергия генерируется непосредственно в нагреваемом материале, что создает однородное регулируемое температурное поле, исключающее вредное воздействие высоких температур на асфальтобетонное покрытие.
Применяемые методы повторного использования старого асфальтобетона
Асфальтовый бетон получил в настоящее время исключительно большое распространение в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве. Ежегодное производство этого материала только для целей дорожного строительства превышает 70-80 млн. т и по -глощает подавляющее количество производимого в СССР нефтяного битума. Асфальтобетонные покрытия являются ведущим типом покрытий, устраиваемых как на городских, так и на внегородских дорогах. Широкое распространение таких покрытий вызвано тем, что они обеспечивают наиболее благоприятные условия движения транспортных средств и обладают высокими эксплуатационными свойствами. Одним из важных свойств асфальтобетона, отличающих этот материал от многих других, используемых в дорожном строительстве, является возможность его повторного использования. Тем не менее, это свойство, приобретающее в последнее время особую актуаль -ность, используется очень мало или вовсе не используется.
Реальные сроки службы асфальтобетонных покрытий, в сред -нем, составляют 10-12 лет и в большинстве случаев они опреде -ляются возникновением различных деформаций (наплывы, сдвиги) или очаговых разрушений (выкрашивания, трещины, выбоины), препятствующих нормальному движению транспортных средств. Однако, по истечении этих сроков, в покрытии сохраняется до 80-9С$ массы асфальтобетона. Применяемая же технология ремонта и -восста -новления покрытия обычно сводится к наращиванию слоя асфальто бетона. Это приводит к тому, что за период эксплуатации толщина асфальтобетонных покрытий увеличивается. На ряде городских и внегородских дорог толщина слоя асфальтобетона достигает 30-50 см и более. Таким образом, омертвляются огромные количества материалов. Нередки случаи, когда наращивание покрытий ухудшает систему водоотвода и приводит к нарушению нормальных условий эксплуатации автомобильных дорог. Только в 10-ти наиболее крупных городах СССР на дорогах накопились "запасы" старого асфальтобетона, объем которых исчисляется сотнями миллионов тонн. Эти запасы содержат большое количества битума и минеральных материалов. Рациональное применение старого асфальтобетона, в результате чего удалось бы использовать заключенные в нем материалы, в том числе дефицитный битум, представляет собой одну из важнейших научно-технических проблем. Эта проблема в последнее время привлекает большое внимание многих зарубежных ученых и обсуждалась в числе важнейших на UI международном дорожном конгрес -се, состоявшемся в Австрии в 1979 г. Во многих городах нашей страны накапливается большое количество старого асфальтобетона, снимаемого при реконструкции и ремонте дорог, а также при про -кладке и ремонте подземных коммуникаций. По имеющимся данным /2/ только в г.Москве ежегодно можно использовать 200 тыс. т снимаемого старого асфальтобетона, в других городах РСФСР - до I млн.т, в городах УССР - до 350 тыс.т. По данным Академии коммунального хозяйства Министерства жилищно-коммунального хозяйства РСФСР за период 1969-1975 г.г, в отвалах городов РСФСР ежегодно скапливалось 1,8-2 млн.т старого асфальтобетона. Этот материал не только не перерабатывается, но в большой мере загрязняет окружающую среду.
Таким образом, на дорогах и в отвалах к настоящему времени образовались огромные резервы асфальтобетона. Решение проблемы повторного рационального использования этих резервов позволило бы во многих городах страны резко сни -зить потребность в асфальтобетоне и в битуме. Отметим, что проведенный нами анализ по ряду крупных городов СССР (Москва, Ле -пинград, Баку и др.) показывает, что из общего объема выпускаемых асфальтобетонных смесей около 50$ затрачивается на ремонт -но-восстановительные работы. То есть это примерно тот объем, который мог бы быть восполнен за счет рационального повторного использования асфальтобетона, имеющегося непосредственно в по -крытиях ремонтируемых или восстанавливаемых объектов. Для того, чтобы представить масштабность этой проблемы мы отметим, что только по 10-ти наиболее крупным городам страны ежегодный выпуск асфальтобетона достигает 20 млн.т с расходом битума около 1,2 млн. т. Резко может быть снижен расход асфальтобетона и битума для ремонта и восстановления асфальтобетонных покрытий на внегородских дорогах. Проблема регенерации асфальтобетона на протяжении ряда лет привлекает внимание исследователей и производственных организаций как в СССР, так и за рубежом. К настоящему времени наметились следующие направления в повторном использовании старого асфальтобетона. I. Переработка снимаемого с дорожных одежд асфальтобетона в специальных стационарных установках. В результате такой переработки получают горячую асфальтобетонную смесь, которую используют для строительства оснований дорожных одежд или покрытий (обычно - нижних слоев), а в некоторых случаях - для изготовления штучных изделий (тротуарные плиты, бортовые камни). 2, дробление старого асфальтобетона в дробильных установках с целью получения щебня, предназначенного для устройства оснований дорожных одежд (по типу оснований из черного щебня). 3, Разогрев старого асфальтобетона непосредственно в до -рожном покрытии с его последущим частичным восстановлением. Наибольшее число исследовательских и практических работ относится к первому направлению. Одна из первых работ в этой области принадлежит Г.А.Московцеву, который в начале 50-х годов сконструировал специальную машину для переработки старого асфальтобетона /3/ Эта машина на одном из московских заводов перерабатывала старый асфальтобетон в течение 15-20 лет. Обоснование основных положений переработки старого ас -фальтобетона впервые было дано в работе /4/. Затем различные аспекты этой проблемы развиваются в работах /5-7/, разрабатываются другие конструкции машин для переработки старого ао -фальтобетона /8/. Суть методов, предлагаемых в цитированных работах, состоит в том, что снимаемый с дорожных одежд материал вывозится на заводы и перерабатывается в специальных установках. Крупные куски асфальтобетона предварительно подвергают дроблению в камнедробильных установках.
Учет особенностей старого асфальтобетона, как материала для регенерации
Принятый в данной работе термин "старый асфальтобетон" охватывает всю группу асфальтобетонов, прослуживших или не про -служивших установленных сроков, но утративших (или резко ухудшивших) свои эксплуатационные свойства в дорожных покрытиях, требующих, в связи с этим, ремонтных или восстановительных работ.
К рассматриваемой группе материалов относится и асфальтобетон из дорожных покрытий, снимаемых в связи с ремонтом или прокладкой подземных коммуникаций.
Ниже, в главе III рассмотрены основные особенности длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов и происходящие в них изменения в связи с процессами старения. Интенсивность протекания этих процессов в большой мере зависит от свойств исходных компонен -тов асфальтобетона, особенностей взаимодействия битума с мине -ральными материалами, климатических условий и режима эксплуатации дорожного покрытия.
Рассмотрение выполненных ранее работ, относящихся к переработке и повторному использованию старого асфальтобетона как в специализированных заводских установках, так и путем разогрева материала в покрытии показывает, что обычно применяемый для этих процессов термин "регенерация асфальтобетона" не является обо -снованным: в результате принятой технологии не достигается во -сстановление первоначальных свойств материала.
Восстановление же свойств асфальтобетона связано, прежде всего, с восстановлением или улучшением свойств содержащегося в нем битума. Известно /51,71,75/, что с течением времени в условиях эксплуатации дорожных покрытий битум под влиянием процес -сов старения становится более хрупким: повышается вязкость, снижается эластичность, ухудшаются резко низкотемпературные свойства (повышается температура хрупкости» снижается растяжимость и ненетрация при ОС).
Бее это приводит к усиленному образованию трещин на асфальтобетонных покрытиях, интенсификации коррозионного разрушения и снижению морозостойкости асфальтобетона.
Совершенно очевидно, что повторное использование подобного асфальтобетона не может дать положительного эффекта. К этому следует добавить, что битумы, подвергавшиеся воздействию высо -ких температур, не только испытывают изменения свойств, проис -ходящие во время воздействия этих температур, но обнаруживают впоследствии повышенную склонность к старению. Это было показано в работах /71,76/.
Таким образом, нагрев асфальтобетона, осуществляемый обычно применяемыми методами, принятыми при переработке этого материала, сопровождаемый действием высоких температур, существенно ухудшает свойства битума, претерпевшего к этому времени значи -тельные изменения свойств под влиянием процессов старения.
Несмотря на ряд выполненных ранее исследований, сыгравших немаловажную роль в развитии технологии переработки старого асфальтобетона и привлечении внимания к повторному использованию этого материала, многие коренные вопросы этой проблемы остаются нерешенными. Не созданы основы рациональной технологии регенерации асфальтобетона, позволяющей в известной мере восстановить первоначальные свойства этого материала и существенно продлить срок его эксплуатации. В предыдущих работах, к сожалению, не уделено должного внимания изучению особенностей и свойств ста -рого асфальтобетона. Подход к этому материалу не отражает его специфических особенностей, обусловленных протекавшими в нем многолетними процессами взаимодействия минеральных и вяжущих материалов.
Создание научных основ регенерации асфальтобетона диктует необходимость нового подхода к этому материалу.
Выполненные нами исследования позволяют рассматривать старый асфальтобетон, как монолит, состоящий из связанных битумом минеральных зерен, поверхность которых модифицирована (активирована) в результате физико-химических процессов взаимодейст -вия с содержащимися в битуме поверхностно-активными веществами /79/. Таким образом, минеральную часть асфальтобетона можно представить как совокупность минеральных частиц, прошедших естественную активацию и приближающихся по своим свойствам к активированным материалам.
Нагрев асфальтобетона приводит к получению асфальтобетон -ной смеси, к которой применимы основные закономерности, прису -щие подобным смесям, приготовленным на основе активированных минеральных материалов /78-БО/.
Известно, в частности, что асфальтобетонные смеси на основе активированных материалов характеризуются пониженным опти -мальным количеством битума. Поэтому, то количество битума, ко -торое было введено в асфальтобетонную смесь при ее приготовле -нии из неактивированных материалов, оказывается не оптимальным Сзавышенным) в новой смеси, полученной при разогреве старого асфальтобетона.
Только этим можно объяснить кажущийся "феномен", состоящий явление, отмечавшееся рядом исследователей, в одних случаях принималось за ошибку опыта, а в других случаях неправильно объяснялось. Так, например, в работе /2/ отмечается, что поскольку при разогреве асфальтобетона вначале нагревается битум, а затем - каменный материал "битум стекает с каменного материала, пленка его утоньчается и образуется определенное количество "лишнего объемного битума".
В действительности же, как это наблюдается при использова -нии активированных материалов или применении поверхностно-активных веществ, подобная асфальтобетонная смесь характеризуется повышенной уплотняемостыо, лучшей взаимной упаковкой минераль -ных зерен, а повышенная смачиваемость минеральных поверхностей битумом способствует распределению последнего более тонкими слоями. Все это приводит к снижению объема пор (с преобладанием мелко-пористой структуры порового пространства) и уменьшению количества потребного битума.
Из вышеизложенного следует, что переработка старого асфальтобетона неизбежно сопряжена с введением дополнительного коли -чества минеральных материалов для поглощения "излишков" битума.
Структура и структурночлеханические свойства длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов
Воздействие кислорода воздуха способствует окислению и полимеризации, при которых меняется групповой химический состав битума /122/,
Этот процесс приводит к нарушению компонентного состава битума - увеличивается количество асфалътенов, а следовательно, повышается вязкость битума, что приводит в дальнейшем к повыше -ншо хрупкости и разрушению покрытия.
На основании многочисленных данных следует полагать, что кислород является главным фактором, изменяющим свойства битума, в результате его термоокислительной деструкции- Температура при этом играет роль катализатора, ускоряя или замедляя реакцию окисления углеводородов. Исследования показали /121,123/, что реологические характеристики битума после кратковременного его пребывания в зоне высоких температур при объединении с каменными материалами изменяются весьма значительно. Отметим, кстати, что упомянутые и другие исследования в этой области свидетельствуют и о том, что обычно применяемый при переработке нагрев асфальтобетона, основанный на переносе тепла от сильно нагретых поверхностей в глубь материала, является неприемлемым из-за резких изменений свойств битума.
Ряд исследователей показывает /122-125/, что вода и солнечная радиация безусловно оказывают влияние на ход процесса старения битума. Минеральный материал в асфальтобетоне не является инертной средой: степень дисперсности минеральных частиц и их химическая природа оказывает существенное влияние на свойства битума, а также на ход процессов, происходящих на границе раздела каменный материал-битум,
В процессе окислительной полимеризации битума» входящего в состав асфальтобетона, минеральный материал оказывает каталити -ческое воздействие, приводдщее к увеличению количества высокомолекулярных соединений. Немаловажным фактором, определяющим кинетику процесса старения битумоминеральных смесей, является адсорбция органических веществ, которая возрастает по мере роста молекул вещества. Исходя из этого, предполагается, что адсорбция высокомолекулярных асфальтенов превышает адсорбцию других компонентов битума.
Основываясь на общих теоретических представлениях о кинетике адсорбционных процессов и взаимодействии с минеральным мате -риалом можно полагать, что адгезия битума к минеральным зернам по мере старения асфальтобетона увеличивается. Одна из форм старения битума заключается в избирательной диффузии его компонен -тов при взаимодействии с пористыми материалами /126/» Б этом случае адсорбция битумов может происходить не только на внешней, но и на внутренних поверхностях частиц. При этом было зафиксировано зональное распределение битума. Избирательная диффузия в наибольшей степени проявлялась для масел, проникающих наиболее глубоко внутрь минеральных частиц. Ближе к поверхности располагаются смолы и асфальтены. Структура и структурно-механические свойства длительно-эксплуатируемых асфальтобетонов
В связи с отмеченными выше процессами изменяются о течением времени структура и структурно-механические свойства асфальтобетона. Степень и характер этих изменений в болміой мере зависят от свойств битума, особенностей асфальтобетона, погодно-кли-матических условии района и характера движения транспорта.
Асфальтобетон, как известно, характеризуется ярко выраженными тиксотропними свойствами /127-130/, благодаря чему он способен частично "самозалечиваться". Некоторые дефекты - мелкие трещины, раковины и т.д. летом, в теплую погоду под влиянием движения исчезают ("закатываются").
Тиксотропия асфальтобетона способствует, в известной мере, улучшению структуры асфальтобетона. Особенно это касается устранения мелких трещин в теле асфальтобетона и других дефектов структуры, возникших и развившихся в результате морозных воздействий. Большое значение приобретает способность асфальтобетона доуплотняться под нагрузкой в летнее время. Выполненными ранее исследованиями /131/ установлены сезонные изменения свойств асфальтобетона в дорожном покрытии. Показано, в частности; что наименьшей плотностью, наибольшей водонасыщаемостью асфальтобетон обладает в весеннее время, т.е. в период после или во время протекания интенсивных процессов деструкции.
Тиксотропные свойства в наибольшей степени проявляются в районах с жарким климатом у асфальтобетонов с повышенным содержанием битума. В районах умеренного климата и у щебенистых ас -фальтобетонов с повышенным содержанием щебня эти csofcTBa менее выражены.
Несмотря на то, что часть дефектов структуры может благо -даря тиксотропним свойствам залечиваться, процесс деструкции, как и процессы старения, с течением времени протекает и изменяет свойства асфальтобетона. К сожалению, происходящие изменения свойства асфальтобетона в зависимости от срока службы изучены недостаточно.
Нами были изучены свойства старого асфальтобетона из дорожных покрытий г.Баку, прослуживших свыше 20 лет, в том числе из покрытий улиц С.Вургуна и 28 Апреля. Были исследованы абразщн -вырубки, взятые из верхнего слоя покрытия, а также стандартные и специально приготовленные нестандартные образцы, изготовлен -ные (переформованные) из разогретого материала образцов-вырубок. Критерием для выбора объектов исследования служили свойства битума, экстрагированного из образцов-вырубок, взятых из покрытия. Представляло интерес исследование разных типов асфальтобетонов, ощутимо различающихся по свойствам содержащихся в них битумов. Исходя из этих соображений были детально исследованы асфальтобетоны из покрытий упоминавшихся выше улиц.
Исследование структурно-механических свойств регенерированного асфальтобетона
Вше, в главе И, были изложена основные принципы, лежащие в основе улучшения структуры и структурно-механических свойств битумов, содержащихся в длительно эксплуатируемых асфальтобетонах. Без улучшения битумов, как было показано, не может быть осуществлена рациональная технология регенерации асфальтобетона и восстановления дороаных асфальтобетонных покрытий.
Ранее были такяе рассмотрены протекающие в битумах и асфальтобетонах процессы в период эксплуатации, приводяїцие к старении этих материалов. Отметим лишь некоторые дополнительные позиции.
При регенерации асфальтобетона и выборе средств улучшения свойств старых битумов следует, разумеется, учитывать степень изменения этих свойств. На интенсивность процессов старения битумов наряду с особенностями их структуры большое влияние оказывает пористость асфальтобетона; характер каменных материалов, на кото -рых адсорбированы битумные слои; толщина последних; температура воздуха (или температура покрытия).
Как отмечалось выше, для наших исследований были приняты асфальтобетоны, эксплуатировавшиеся в г.Баку, т.е. в условиях жаркого климата. Таким образом, нами приняты наиболее тяхелые или одни из наиболее тяжелых условий эксплуатации асфальтобетонных дорошшх покрытий- Представляло большой интерес именно для этих условий исследовать эффективность действия тех или иных реаген -тов, способных оказать деструктурирующее действие на старые би -тумы.
В условиях р Баку (со среднегодовой температурой 28 С) дорожные покрытия работают при температуре асфальтобетона, достигающей 6О750С. Согласно /137/ установлена эквивалентная температура (принимаемая при исследованиях старения битумов), при которой изменения битума в течение года будут такими же, как и в реальных условиях при меняющейся температуре. По данным /133/ эта эквивалентная температура примерно на ЮС вкше средней годовой и для районов умеренного климата составляет около 20С. Можно в связи с этим полагать, что при моделировании температурных условий г.Баку, эквивалентная температура оказалась бы значительно выше. Исследуя процессы старения Г.С.Бахрах /137/ вводит коэффициент "воздуходоступности", представляющей собой отношение величины открытой пористости (характеризуемой водонасыщением ас -фальтобетона) к средней толщине битумной пленки (определяемой расчетным путем). Показано влияние доступа воздуха в асфальтобетон на интенсивность старения битума, С этой точки зрения принятые нами асфальтобетоны можно отнести к оптимальным.
Как рте было показано, в результате процессов старения в битуме увеличивается количество асфальтенов, образующих увеличивакн щиеся с течением времени комплексы. Одна из важнейших задач, связанных с улучшением структуры и свойств битумов,состоит в дроблении (пептизации) асфальтеновых комплексов.
Влияние дисперсности асфалътснов на структурно-механические свойства битумов и на их долговечность отмечается в ряде работ /52,139/. Это мнение разделяется многими исследователями; хотя по поводу влияния компонентов на свойства битума и роли асфалъте-нов имеются все еще противоречивые взгляды. Основные противоречия касаются следующего. Часть исследователей придавало и придает преимущественное значение количественному соотношению компонентов битума, не уделяя должного внимания их качественным особенностям, обусловленным, в частности, их природой /140/. С другой стороны ряд исследователей убедительно показал, что структура и свойства битумов наряду с компонентным составом в большой мере определяется природой компонентов и их взашодействием /I4I-I43/.
Подобно другим дисперсным системам, в битумах приобретает особое значение взаимодействие дисперсной фазы, т.е, асфальтенов с адсорбированной ими частью смол - с дисперсионной средой, роль которой выполняют масла А СМОЛЫ. Известный американский ученый Дж.Гиббс Б свое зремя сформулировал понятие о фазах, как о мае -сах вещества, однородных по составу и свойствам во всех частях, за исключением тонких поверхностных слоев на гранщах с соседними фазами. Это положение, по-видимому, применимо и к битумам, хотя и асфальтени с адсорбированными ими смолами и масла со смолами не являются однородными средами.
Если асфальтени лиофильны к данной дисперсионной среде, они способны частично растворяться (диспергироваться) в ней, образуя более однородную структуру битума. По мнению И.М.Руденсной /144/ растворимость асфальтенов является одним из основных свойств, определяющих эксплуатационные характеристики битумов.
По данным /144/ структурную характеристику битумов мотто выражать "показателем дисперсности". Последний представляет собой отношение суммарного количества смол и циклических веществ к суммарному количеству асфальтенов и насыщенных веществ. Если "пока -затель дисперсности" невелик 0,49-0,55), то асфальтени плохо диспергированы, что и предопределяет низкое качество битума.
