Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Задачи исследования 7
2. Теоретические предпосылки исследования 25
3. Экспериментальные исследования
3.1. Материалы. Методики исследований 61
3.2. Исследование диспергирования битума 81
3.3. Исследование процесса уплотнения 89
3.4. Исследование кинетики формирования холодного вибролитого регенерированного асфальта 99
3.5. Исследование дорожно-технических свойств холодного вибролитого регенерированного асфальта и методов их улучшения 105
3.6. Исследование шумовыделения холодного вибролитого регенерированного асфальта 120
3.7. Исследование процесса создания защитного слоя термообработкой поверхности холодного вибролитого регенерированного асфальта 123
3.8. Исследование доуплотнения холодного вибролитого регенерированного асфальта транспортом в процессе эксплуатации покрытий
4. Производственный опыт 137
5. Эффективность применения холодного вибролитого регенерированного асфальта 151
Общие выводы 161
Библиографический список
- Исследование диспергирования битума
- Исследование кинетики формирования холодного вибролитого регенерированного асфальта
- Исследование процесса создания защитного слоя термообработкой поверхности холодного вибролитого регенерированного асфальта
- Эффективность применения холодного вибролитого регенерированного асфальта
Введение к работе
Актуальность темы. Самым распространенным материалом для устройства усовершенствованных покрытий на автомобильных дорогах является асфальтобетон. Проблема повторного использования старого асфальтобетона возникла с момента появления первых асфальтобетонных покрытий и в настоящее время становится все более актуальной. Это вызвано тем, что по окончании срока службы в покрытии сохраняется до 90% полезной массы асфальтобетона, пригодной для дальнейшего использования. Объем ежегодно снимаемого старого асфальтобетона в нашей стране исчисляется миллионами тонн и в ближайшее время будет расти в связи с большими объемами предстоящих ремонтных работ, которые требуют предварительного снятия слоя старого покрытия. Наиболее эффективным способом повторного использования старого асфальтобетона является его регенерация.
В настоящее время регенерация осуществляется главным образом горячим способом, обладающим рядом существенных недостатков: повышенный расход энергии, загрязнение окружающей среды, необходимость специального оборудования и др. Альтернативная холодная регенерация основана, в частности, на применении битумных эмульсий, заблаговременно приготавливаемых с использованием дорогостоящих поверхностно-активных эмульгаторов и оборудования эмульсионных баз. Отставание в производстве отечественных высокоэффективных поверхностно-активных эмульгаторов нередко вынуждает приобретать их за рубежом, что существенно удорожает их использование, в частности, для регенерации асфальтобетонов.
В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) разработана холодная технология производства регенерированного асфальта с дисперсным битумом, исключающая необходимость применения битумных эмульсий. Битумная эмульсия на твёрдом эмульгаторе (БЭТЭ) образуется в объёме асфальтовой смеси в процессе её приготовления. Проблемой технологии являются организационные трудности связанные с длительным уплотнением смесей катками, которое в зависимости от погодных условий может длиться до суток.
Изложенное свидетельствует о необходимости исследований по производству и применению в дорожном строительстве холодных регенерированных смесей, позволяющих открывать движение транспорта по покрытию сразу после распределения и первичного уплотнения смеси асфальтоукладчиком. Работа выполнялась в соответствии с программой НИР Саратовского государственного технического университета (внутривузовская программа 12В.02 «Разработка методов строительства, ремонта, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог», код ГРНТИ 73.31.09).
Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований является разработка составов, технологии производства и применения холодного вибролитого регенерированного асфальта. Для достижения указанной цели должны быть решены следующие задачи:
– проанализировать современное состояние проблемы литых и литых регенерированных асфальтовых бетонов;
– проанализировать теоретические вопросы структурообразования холодных вибролитых регенерированных асфальтовых смесей;
– исследовать уплотняемость холодного вибролитого регенерированного асфальта в покрытии;
– исследовать процессы формирования холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– исследовать дорожно-технические свойства холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– разработать способы улучшения дорожно-технических свойств холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– исследовать шумовыделение холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– разработать способы ускорения формирования покрытий из холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– обосновать технико-экономическую эффективность применения холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– выполнить опытно-производственное внедрение технологии холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– разработать технические рекомендации по производству холодных вибролитых регенерированных асфальтовых смесей и применению холодного вибролитого регенерированного асфальта для устройства и ремонта дорожных покрытий.
Рабочая гипотеза базируется на представлениях физической химии о поверхностных явлениях в органоминеральных системах как основы направленного влияния на процессы структурообразования и технологические приемы производства и применения холодного вибролитого регенерированного асфальта, получения асфальтов с наперед заданными необходимыми свойствами.
Научная новизна. Теоретически проанализированы процессы структурообразования холодного вибролитого регенерированного асфальта с учетом особенностей его состава и свойств. Исследован процесс диспергирования и стабилизации вязкого нефтяного битума в присутствии гидрофобного старого асфальтобетона в процессе приготовления вибролитых регенерированных смесей. Исследован процесс вибрационного уплотнения холодных литых регенерированных смесей и доуплотнения холодного вибролитого регенерированного асфальта в покрытии под действием движения транспорта. Изучены основные дорожно-технические свойства холодного вибролитого регенерированного асфальта. Разработаны способы холодной регенерации асфальта с добавкой цемента и с применением составленных вяжущих. Изучены основные дорожно-технические свойства холодного вибролитого регенерированного асфальта с добавкой цемента и на составленных дисперсных органических вяжущих. Разработан способ устройства защитных слоёв дорожных покрытий термообработкой поверхности свежеуложенных холодных органоминеральных смесей с дисперсными органическими вяжущими. Исследовано шумовыделение холодного вибролитого регенерированного асфальта. Разработаны технические рекомендации по производству и применению холодного вибролитого регенерированного асфальта.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением методически обоснованных средств измерений, методов математического планирования и обработки экспериментальных данных, опытно-производственными экспериментами.
Практическая и социальная ценность. Разработана эффективная технология производства и применения холодного вибролитого регенерированного асфальта исключающая необходимость применения битумных эмульсий, позволяющая устраивать покрытия без уплотнения укаткой. Практическое применение результатов исследования позволяет снизить расход топлива и электроэнергии, исключить расходы на уплотнение покрытий катками, исключить применение дорогостоящих дефицитных эмульгаторов и оборудования для регенерации асфальтобетона, практически полностью исключить нанесение экологического ущерба окружающей среде, уменьшить трудозатраты, получить народнохозяйственный эффект 63,3% в сравнении с литым асфальтобетоном горячего приготовления.
Положения, выносимые на защиту:
– теоретический анализ процессов структурообразования холодного вибролитого регенерированного асфальта;
– результаты экспериментальных исследований процессов диспергирования битума, уплотнения вибрацией, доуплотнения движением транспорта, динамики формирования структуры, дорожно-технических свойств холодного вибролитого регенерированного асфальта и шумовыделения;
– технология приготовления холодных вибролитых регенерированных смесей с добавкой цемента и с составленными дисперсными органическими вяжущими;
–устройство защитных слоёв дорожных покрытий термообработкой поверхности свежеуложенных холодных органоминеральных смесей с дисперсными органическими вяжущими;
– принципиальная возможность и целесообразность применения холодных вибролитых регенерированных смесей для ямочного ремонта и устройства дорожных покрытий на дорогах II-IV категорий во II-V дорожно-климатических зонах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы по мере их разработки докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых СГТУ (Саратов, 2007-2010), заседаниях кафедры «Строительство дорог и организация движения» СГТУ (2007-2010), Всероссийских заочных электронных научных конференциях «Энергосберегающие технологии» (2008) и «Производственные технологии» (2008), XVI Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2009), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2009), I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2009). VIII Международной научно-технической конференции «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии (Гродно, 2009), а также в двух патентах и одном положительном решении о выдаче патента. Выполнены работы по ямочному ремонту асфальтобетонных покрытий холодными вибролитыми регенерированными асфальтовыми смесями.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 22 работы, из них две публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ, два патента и одно положительное решение о выдаче патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 153 наименований, изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 45 таблиц, 47 рисунков и два приложения.
Исследование диспергирования битума
Литые смеси хранению в обычном накопительном бункере не подлежат. При необходимости хранения литой смеси асфальтосмесительную установку оборудуют специальным накопительным термосом-бункером- с мешалкой и системой обогрева смеси [1,4].
Во избежание охлаждения и расслоения, литую смесь I и V типов перевозят в термос-миксерах, где при непрерывном перемешивании поддерживается температура смеси 220-240С [3, 5]. Примерно за 30 минут до загрузки термос-миксера его внутренние стенки нагревают до температуры 140-160С [1]. Смеси II, III и IV типов допускается транспортировать автомобилями-самосвалами, как правило, большой грузоподъёмности с обогреваемыми кузовами. Продолжительность транспортировки смеси в автомобилях-самосвалах, не должна превышать 30-40 мин. [5]. Смесь хранению не подлежит и укладывается в покрытие сразу после её доставки на место работ [5].
Покрытия из литых смесей I типа устраивают при температуре воздуха не ниже +5С, II и III типа не ниже +10 С, V типа не ниже —10С [1]. При укладке литой смеси в тёплую и сухую погоду (10-20С), нижний слой достаточно только очистить от загрязнений и высушить, в холодную погоду (до -10С) по-верхность грунтуется горячим битумом с расходом 0,2-0,5 л/м [1]. Покрытия из смеси I и II типов рекомендуется устраивать толщиной не более 40 мм [1]. Перед укладкой литой смеси I и V типов необходим монтаж опалубки, предотвращающей оплывание кромок слоя [1, 26].
Смеси II и III типа распределяют при температуре 200-220С асфальтоукладчиком. Эти смеси согласно [5] относят к вибролитым, поскольку их окончательное уплотнение осуществляется вибробрусом асфальтоукладчика с амплитудой колебаний до 5 мм, при числе оборотов вала вибратора 2500-3000 об/мин [1]. Литую смесь I типа распределяют при 220-240С асфальтоукладчиком с выключенным трамбующим брусом [1, 26]. Литую смесь V типа укладывают при 200-220С непосредственно из термос-миксера без уплотнения [1].
После укладки покрытие из литого асфальтобетона имеет гладкую зеркальную поверхность, не отвечающую требованиям безопасности движения [27]. Для придания шероховатости по уложенному слою производят распределение чёрного щебня фракции 5-10 или 10-15 мм, в количестве 6-8 кг/м . После остывания слоя литого асфальтобетона до 40-50С щебень втапливают лёгким катком [1, 3, 26]. Шероховатость может придаваться распределением по поверхности литого асфальтобетона сухого песка или высевок [1, 2]. После остывания уложенной смеси до температуры 40С открывается движение транспорта [1, 28]. Для придания шероховатости покрытию из литого асфальта в Германии применяют катки с рифлёными вальцами [3, 28].
Срок службы покрытий из литого асфальтобетона в 2-2,5 раза выше [29], чем покрытий из горячего асфальтобетона. За счёт более высоких температур смеси при её приготовлении и укладке, более высокого содержания битума и минерального порошка стоимость литого асфальтобетона на 20-25% выше [30], чем асфальтобетона горячего типа.
В России большие объёмы работ выполняются по ремонту и реконструкции существующих дорог. При этом осуществляется частичное или полное снятие слоя старого асфальтобетона, объёмы которого исчисляются миллионами тонн в год. Проблема утилизации старого асфальтобетона с каждым годом становится всё более приоритетной. Наиболее эффективным способом повторного использования старого асфальтобетона является его регенерация.
Исследованиями в области регенерации асфальтобетона занимались Г. К. Сюньи, А. М. Алиев, И. И. Леонович, Г. С. Бахрах и др. [31, 32, 33, 34]. Среди зарубежных исследователей известны работы С. Харбера, К. Росберга, И. Ка-заль [35, 36, 37]. Большинство отечественных исследователей признают горячие регенерированные смеси материалом более низкого качества, чем смеси горячего приготовления идентичного состава [31, 32, 3].
Существуют различные способы регенерации. В зависимости от температуры, при которой происходит регенерация, все способы можно разделить на две группы: горячие способы, которые основаны на передаче тепла от более нагретых внешних поверхностей вглубь регенерируемого материала и холодные (без нагрева компонентов регенерированного асфальтобетона). Горячие и холодные способы регенерации могут быть реализованы как на дороге, так и в заводских условиях.
Старый асфальтобетон применяют в виде асфальтобетонного лома и фрезерованного асфальтобетона (асфальтовый гранулят), снимаемого с помощью специальных дорожных фрез. Применение дорожных фрез значительно упрощает все технологические операции, связанные со снятием слоев асфальтобетона. Измельчать асфальтовый лом рекомендуется с помощью молотковых дробилок при температуре не выше +15С [38, 39].
Полимеризация битума в процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия обуславливает возрастание его вязкости [40], что приводит к интенсивному трещинообразованию и разрушению покрытий. Для уменьшения вязкости битума в регенерированные смеси рекомендуется вводить различные пластификаторы в количестве 7-12% от массы битума [31]. В качестве пластификаторов используются гудроны, экстракты селективной очистки и др.
Установлено [38, 41], что гранулометрический состав фрезерованного асфальтобетона остаётся достаточно постоянным. Свойства минеральных материалов также в основном остаются без изменений [42].
Количество битума определяется всоответствии с рекомендациями ГОСТ 9128-97 на соответствующую асфальтобетонную смесь с учётом количества добавляемого минерального материала и фактического содержания битума. Количество добавляемого битума обычно составляет 1-4% по массе [34, 38]. Предпочтение отдаётся маловязким битумам БНД 130/200, БНД 200/300 [31].
В нашей стране наибольшее распространение получила горячая регенерация. Современные технологии горячей регенерации являются сложными и трудоемкими. При этом старый асфальтобетон разогревают в специальных сушильных барабанах в течение 12-14 минут.
Исследование кинетики формирования холодного вибролитого регенерированного асфальта
Сразу после введения в смесь разогретого битума происходит механическое разделение его на грубые капли с последующим вытягиванием их в нити. Этому способствует активная диффузия воды в разогретый,битум. С увеличением температуры вводимого битума с 70 до 150С его влажность.увеличивается почти в семь раз [66]. Образовавшиеся битумные капли под действием сил поверхностного натяжения и растягивающих сил превращаются в нити.
Способность любой жидкости вытягиваться в нить характеризуют условным термином «прядомость». Метод определения дуктильности битумов свидетельствует о том, что они обладают способностью к прядомости. Прядомость битума определяется прежде всего скоростью деформирования, его вязкостью и температурой.
Вытягивание капель битума в нити возможно только при воздействии на них достаточно высоких напряжений сдвига, зависящих от скорости перемешивания и состава смеси [76]. Однако, повышение скорости перемешивания ведёт к нарушению сплошности перемешиваемой массы и ухудшению дисперсности. Более приемлемым методом регулирования напряжений сдвига, по-видимому, является изменение консистенции смеси главным образом за счёт влажности и содержания минерального порошка.
Приготовление асфальтовых смесей с дисперсным битумом непрерывным способом с использованием шнекового смесителя-диспергатора разработанного Н. А. Горнаевым и В. И. Калашниковым [78] позволяет получать степень дисперсности битума в 2-3 раза выше [65], чем в идентичных смесях, полученных циклическим способом. Дисперсность повышается из-за отсутствия разрывов сплошности среды и больших сдвигающих напряжений в сравнении с лопастными мешалками циклического типа. Более высокая степень дисперсности будет способствовать более быстрому формированию асфальта с более высокими физико-механическими свойствами, ускорению открытия движения.
Не менее важным вопросом после диспергирования, является механизм стабилизации битума частицами твёрдого эмульгатора. В этом вопросе нет единого мнения. Теоретически возможны две схемы стабилизации: 1) непосредственный контакт битума с твёрдым, 2) контакт через граничный слой воды. Согласно представлений академика П. А. Ребиндера, стабилизация эмульсий происходит за счёт непосредственного прилипания твёрдых частиц, гидрофобными участками к глобулам жидкости с образованием защитного слоя (бронирование). Наибольшая часть поверхности твёрдых частиц, образованная наиболее гидрофильными её участками, остаётся во внешней водной [76, 79].
По мнению А. Б. Таубмана и А. Ф. Корецкого [80, 81], стабильность эмульсии обеспечивается образованием на поверхности глобул многослойной коагуляционной структуры из твёрдых частиц эмульгатора. При этом указывается, что коагуляционная структура может состоять из многослойных до 6-8 защитных слоев твёрдого эмульгатора.
С. И. Романов [82], учитывая что между скачком потенциала двойного электрического слоя, величиной электрического заряда на поверхности раздела фаз и поверхностным натяжением существует зависимость, обосновывает стабилизацию тем, что в системе выгодно сближение твёрдого эмульгатора и глобулы битума, если на поверхности эмульгатора существует двойной электрический слой, образующийся в результате растворения поверхности эмульгатора в воде с образование ионов. Таким образом, стабилизация битума объясняется образованием непосредственного контакта между битумом и частицами твердого эмульгатора.
Н. А. Горнаев считает, что контактирование частиц твердого эмульгатора с капельками битума осуществляется по верхней границе ориентированного слоя воды на поверхности твердых частиц, что соответствует минимальной поверхностной энергии системы [83]. Причем, стабилизация осуществляется одночастичным слоем эмульгатора. Такой взгляд подтверждается экспериментальными исследованиями [84].
Представления о стабилизации битумных частиц твердыми эмульгаторами через водную пленку находят подтверждение в экспериментальных исследованиях И. И. Раба [85], который отмечает, что при хранении битумных паст под слоем воды битумные частицы всплывают на поверхность, происходит отрыв эмульгатора от битумных глобул. Это возможно при наличии водной прослойкимежду битумной глобулой и частицей твёрдого эмульгатора.
Расчеты показывают, что частиц твердого эмульгатора в холодной вибролитой регенерированной смеси недостаточно для образования сплошного одно-частичного слоя. Для расчетов принята дозировка битума 8%, минерального порошка - 20%, средний диаметр битумных глобул - 80 мкм, размеры частиц минерального порошка -ЦхЦх15 мкм. В этом случае на одну частицу битума приходится 49 частиц минерального порошка, которые способны покрыть лишь 15% поверхности битумной глобулы.
Анализ процессов прилипания показывает, что наиболее вероятны объединения, в которых отдельные частицы одновременно прилипают к двум глобулам битума (рис. 2.4, а), образуя пространственные ассоциаты. Возможны также объединения, в которых к каждой битумной глобуле прилипает группа твёрдых частиц (рис. 2.4, б). При этом гидрофильные частицы будут контактировать с битумом через водную плёнку, а гидрофобные способны образовывать непосредственные контакты с битумными глобулами. Процессы прилипания минеральных частиц с битумом имеют статистический характер, так как вместе с прилипанием частиц к битуму происходит их отрыв.
Исследование процесса создания защитного слоя термообработкой поверхности холодного вибролитого регенерированного асфальта
Наличие в альтернативных вяжущих (кроме нефтяных битумов) большого количества полярных веществ предопределяет их высокую реакционную способность и поверхностную активность, что обеспечивает быстрое по сравнению с нефтяными битумами формирование плёнки вяжущего и хорошую адгезию.
В холодной вибролитой регенерированной смеси с составленным дисперсным вяжущим по мере испарения воды происходит сближение глобул вяжущих между собой. Можно предположить, что при этом имеют место диффузионные процессы, которые позволяют получить гомогенное вяжущее. Кроме физического процесса диффузии не исключена возможность реакционного взаимодействия за счёт наличия функциональных групп (фенольные группы, карбоновые кислоты и др.) в молекулах различных дёгтей, смол, гудронов и т.п.
Необходимо учитывать, что при обычных эксплуатационных температурах III-V дорожно-климатических зон процесс формирования гомогенной плёнки составленного вяжущего будет происходить длительное время. Ускорению процесса будет способствовать применение жидких альтернативных вяжущих, которые могут выполнять роль пластификатора на границе с поверхностью старого асфальтобетона. Следует предположить, что в результате структурных изменений составленное вяжущее будет обладать улучшенными свойствами, отличающимися от исходных материалов. Использование составленных (с жидкими альтернативными вяжущими) и жидких вяжущих может способствовать эффективному уплотнению.
Применение в асфальтовых смесях минеральных порошков способных твердеть при взаимодействии с водой (цементы, порошкообразные отходы промышленности) будет способствовать ускорению структурообразования холодного вибролитого регенерированного асфальта, улучшению его дорожно-техни-ческих свойств, более раннему открытию движения. Цемент является эмульгатором битума и вводится в смесь взамен части минерального порошка. Благодаря присутствию органического вяжущего в асфальте будут образовываться коагуляционные связи. При взаимодействии цемента с водой в результате твердения наряду с существующими коагуляционными связями также будут образовываться кристаллизационные, что будет способствовать повышению прочности, износостойкости, водостойкости и теплоустойчивости. Протекающие реакции гидратации цемента, связывая свободную воду, содержащуюся в смеси, будут способствовать сокращению сроков формирования асфальта в покрытии. Изменяя соотношение битума и цемента можно получать материал со свойствами в широком диапазоне от цементных бетонов до асфальтов.
Серьёзной экологической проблемой в настоящее время является акустическое (шумовое) загрязнение окружающей среды в результате движения потоков автомобилей. В крупных городах затраты на борьбу с шумовым загрязнением составляют огромные суммы и непрерывно растут. Для снижения шумо-выделения при качении колёс автомобиля по поверхности покрытия, применяют высокопористые асфальтобетоны с открытой текстурой (дренирующие). При остаточной пористости дренирующего асфальтобетона 10-20% шумовыделение при движении автомобилей снижается на 2-4 дБ [40] по сравнению с покрытиями из горячего плотного асфальтобетона.
Серьёзным недостатком покрытий из дренирующих асфальтобетонов является практически полная потеря ими шумопоглощающих свойств при эксплуатации покрытия в течение 2-3 лет [40]. За это время мелкие минеральные частицы (в основном пыль, занесённая на проезжую часть с прилегающего почвенного слоя) практически полностью забивают поры. Естественное загрязне-ние поверхности покрытия составляет около ЮОг/м в год. На покрытиях из высокопористых асфальтобетонов, затруднена борьба с гололедицей, затруднено удаление снега и льда, попадающего в поры асфальтобетона. Стоимость покрытий из дренирующего асфальтобетона в среднем в 2-3 раза выше [40], чем покрытий из плотного асфальтобетона.
Холодный вибролитой регенерированный асфальт может иметь остаточную пористость свыше 10% и относится к высокопористым, что обуславливает меньшее шумовыделение по сравнению с горячим плотным асфальтобетоном. Асфальтовяжущее вещество имеет тонкопористую структуру, в которой большая часть пор закрыта, что обеспечивает защиту от проникновения мелких минеральных частиц в глубь материала. Известно [115], что уровень интенсивности звука L определяется по фор муле: (EpTV1 Z = 101gV Ут , (2.18) z/0 где Е — модуль упругости материала; р — плотность материала; 1о — стандартный порог слышимости; Vm — колебательная скорость частиц. Величина снижения шумовыделения AL покрытием из холодного вибролитого регенерированного асфальта по сравнению с покрытием из горячего плотного асфальтобетона может быть определена из выражения: AL=L,-L2, (2.19) где Li — уровень интенсивности звука при движении автомобилей по покрытиям из горячего плотного асфальтобетона, дБ; L2 — то же для покрытий из холодного вибролитого регенерированного асфальта, дБ.
В зависимости от относительного содержания и свойств составляющих сравниваемых асфальтов показатели плотности и модуль упругости могут изменяться в широких пределах. В теоретических расчётах сравним плотный асфальтобетон типа Б с модулем упругости /=5000 МПа и плотностью /?/=2370 кг/м [116], и холодный вибролитой регенерированный асфальт также типа Б с модулем упругости 2=2200 МПа и плотностью р2=2\60 кг/м3. Поскольку сравниваемые материалы являются однородными, колебательные скорости частиц Vm будут незначительно отличаться друг от друга [115] при одинаковых параметрах транспортного потока.
Эффективность применения холодного вибролитого регенерированного асфальта
Установка состоит из смонтированного на раме (2) стола (1), перемещающегося в горизонтальной плоскости по ползунам (3), рабочего органа (4), выполненного в виде сектора с обрезиненной рабочей поверхностью, шарнирно закрепленного на грузе (6), помещенном в вертикальных направляющих (7), и формы (5) закреплённой на столе с помощью болтов. Привод стола выполнен в виде электродвигателя (8), редуктора (9) и цевочной передачи с внутренним зацеплением, ведомое звено (10) которой выполнено О-образным в плане и жестко закреплено на столе. Смена направления движения стола с формой осущест 79 вляется автоматически. На раме смонтированы газовые инфракрасные излучатели ГИ-1,0 (13) с помощью которых при испытаниях можно задавать стабильную температуру асфальтовых образцов соответствующую летним температурам дорожного покрытия. Инфракрасные излучатели обеспечивают облучение образца по всей длине хода формы. Для контроля температуры асфальтовых образцов во время испытаний в стенке формы установлена (с возможностью касания асфальтового образца) термопара (14) в виде биметаллической пластины, имеющая вывод на мультиметр Mastech М830 (15) с функцией определения температуры. Регулирование температуры асфальтовых образцов производится с помощью газового регулятора (на рис. 3.11 не показан) за счёт изменения количества газа поступающего к излучателям (13).
Устройство позволяет задавать стабильный, воспроизводимый режим уплотнения при определённой температуре с заранее заданным контактным давлением на образец. Опыты производились при контактном давлении на образец 0,6 МПа, создаваемым нагрузкой 0,9 кН равномерно распределённой по по-верхности контакта (обрезиненного сектора с образцом) площадью 16 см (4x4см). Выбранная по условиям опыта величина контактного давления) обрезиненного сектора на образец согласно ОДН 218.046-01 [116] соответствует предельному удельному давлению колеса автомобиля на покрытие. Поскольку летом в III-V дорожно-климатической зоне температура асфальтобетонного покрытия может достигать 50-80С [40, 92, 104], в процессе исследований температура асфальтовых образцов составляла 60С.
Образцы-балочки размером 4 4 16 см изготавливались следующим образом: в форму загружалась навеска холодной вибролитой регенерированной асфальтовой смеси массой 580-620 гр. (в зависимости от состава смеси); смеси уплотнялись в форме в течение 20 секунд по вышеописанной методике, параметры вибрационного процесса соответствовали параметрам работы виброплиты асфальтоукладчика при скорости укладки 3 м/мин; при помощи выжимного приспособления смонтированного в форме образцы извлекались из формы; через сутки образцы выдерживались в сушильном шкафу 12 часов при 100С. Сформировавшийся образец устанавливался в форму, которая закреплялась на столе установки. Асфальтовые образцы с помощью инфракрасных излучателей нагревались до температуры 60С, которая в ходе эксперимента поддерживалась постоянной. На поверхность образца с помощью лебёдки опускался рабочий орган (обрезиненный сектор) и включался электродвигатель. Через заданное количество циклов приложения нагрузки электродвигатель и излучатели выключались, поднимался рабочий орган, и с помощью выжимного устройства, смонтированного в форме, извлекался образец. После остывания асфальтового образца определялись его физико-механические свойства.
Для исследования акустических свойств холодного вибролитого регенерированного асфальта был разработан и изготовлен прибор, позволяющий сравнивать шумовыделение различных типов асфальта (рис. 3.12).
Определение шумовыделения выполнялось следующим образом.
1. Стальной шарик (4) массой 0,1 кг сбрасывался на поверхность асфальта (7). При этом звук от удара записывался с помощью микрофона (5) на звукозаписывающее устройство (б). 2. С помощью компьютерной программы Cool Edit Pro 7.0 по звукозаписи определялся уровень звука при ударе шарика об асфальт.
Для сведения к минимуму влияния постороннего шума на результаты испытаний уровень шума при ударе шарика об асфальт определялся внутри звукоизолированной трубы (2), закрытой крышкой (1). За результат испытаний принималось среднеарифметическое трёх измерений уровня звука. При этом среднеквадратическое отклонение во всех случаях не превышало 0,5 дБ, что соответствует требованиям ГОСТ 30457-97 (ИСО 9614-1-93) [126]. Возможны многократные измерения на одном и том же образце или на одном и том же участке покрытия т. к. определение уровня звука производится без разрушения асфальта.
Исследования проводились на мелкозернистой смеси типа В, содержащей: старого асфальтобетона — 50%, известнякового щебеня фр. 5-10 мм - 10%, известнякового искусственного песка - 22%, минерального порошка — 18% (табл. 3.14, смесь 3). Содержание агрегатов старого асфальтобетона крупнее 5 мм, выполняющих роль щебня, составляло 25,1%. Влажность смеси — 9%. Содержание битума БНД 90/130 - 8%.
Установлено, что в смеси, перемешивание которой длилось 5 с, наблюдались нити диаметром 300-1200 мкм, длиной до 30 мм. Через 15 с перемешивания в смеси обнаруживались нити диаметром 90-800 мкм и длиной до 15 мм. После 30 с перемешивания нитей не наблюдалось, битум находился в виде глобул средним диаметром 80 мкм. Увеличение времени перемешивания до 1 минуты не улучшило степень дисперсности битума. Следовательно, несмотря на присутствие в смеси частиц гидрофобного старого асфальтобетона, щебня и песка, диспергирование осуществляется в результате вытягивания битума в нити с последующим их распадом на глобулы. Для определения влияния старого асфальтобетона на степень дисперсности битума была приготовлена смесь типа В на основе известняка с гранулометрическим составом идентичным составу холодной вибролитой регенерированной смеси (табл. 3.14, смесь 3). В смеси без старого асфальтобетона средний диаметр битумных глобул составил 65 мкм, в то время как в регенерированной смеси - 80 мкм. Следовательно, степень дисперсности в литых регенерированных смесях несколько ниже, чем в литых смесях без старого асфальтобетона, однако, остается достаточно высокой. При увеличении содержания в смеси старого асфальтобетона до 80% (за счёт исключения щебня и песка) средний диаметр битумных глобул составил 100 мкм. Видимо из-за повышенного содержания твёрдого гидрофильного эмульгатора (минерального порошка) в вибролитой смеси влияние присутствия гидрофобного эмульгатора антагониста (частиц старого асфальтобетона) практически не имеет место. Поэтому для обеспечения введения в смесь достаточного количества минерального порошка, который обеспечивает диспергирование битума и образует вместе с ним асфальтовяжу-щее вещество, необходимо ограничить содержание старого асфальтобетона в смеси до 80%.
При принятых выше параметрах процесса диспергирования для вибролитой регенерированной смеси типа В, содержащей 50% старого асфальтобетона исследовалась диспергируемость вязких битумов марок БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 в зависимости от влажности смеси, содержания битума и минерального порошка в смеси (табл. 3.11-3.13). Влажность смеси, содержание минерального порошка и битума назначались основываясь на предварительных экспериментах. Интервал варьирования влажности смеси 5-13%. Для обеспечения показателей физико-механических свойств холодного вибролитого регенерированного асфальта, близких к свойствам горячего асфальтобетона I марки [6], содержание битума назначалось в пределах 6-10% , минерального порошка 14-20%.
