Особенность структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) позволяет создать материал, устойчивый к образованию  трещин, деформации сдвига и повышенной водостойкости. Эти приобретаемые качества   расширяют область применения ЩМА. Так, начиная с 2000 года в различных регионах России стали применять щебеночно-мастичный асфальтобетон. Его количество к 2006 году составило 3 млн т, который уложен в виде покрытий на 25 млн м2 дорог (Кирюхин Г. И. Опыт устройства дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона в России // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2006. № 34–35). Требования к показателям физико-механических свойств ЩМА включают в себя практически весь набор показателей, установленных ГОСТ 9128–2009 для асфальтобетонов на основе горячих смесей, применяемых в верхних слоях покрытия, а коэффициент внутреннего трения значительно выше, чем для самых сдвигоустойчивых асфальтобетонов традиционного типа.

Специфическим требованием,   характерным только для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, температура изготовления которых практически равнозначна (150–180 °С) смесям по ГОСТ 9128–2009, является устойчивость к расслаиванию, поскольку по сравнению  с традиционными асфальтобетонными смесями этот материал содержит значительно больше битума (относительно мелкодисперсной фракции минеральных материалов в 1,5–2 раза) при высоком содержании щебня. Устойчивость к расслаиванию смесей, от которой зависит их однородность и в конечном итоге качество покрытия, характеризуется показателем «стекание вяжущего», который должен быть не более 0,2 % по массе. В дополнение к этому битумное связующее должно обладать высокой смачивающей способностью поверхности минерального материала и адгезией. В технической литературе наиболее часто отмечаются следующие положительные эксплуатационные свойства покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона:

  • сдвигоустойчивость при высокой температуре до +50 °С эксплуатации;
  • шероховатая структура поверхности и хорошее сцепление с колесами автомобилей;
  • высокая износостойкость, в том числе к воздействию шипованных шин;
  • водонепроницаемость;
  • термостойкость при деформациях покрытия и механических воздействиях транспорта;
  • устойчивость к старению.

Указанные свойства наиболее важны для верхних замыкающих слоев дорожных покрытий, что предопределяет применение ЩМА на автомагистралях, аэродромах и городских улицах с высокой интенсивностью движения. Особо важное значение имеет качество высоковязкого битума БНД60/90, БНД90/130, БДУ 70/100 или полимерно-битумного вяжущего ПБВ60, придающих монолитность покрытию без использования адгезионных добавок или с введением их. При выпуске щебеночно-мастичных смесей применяют разнообразные стабилизаторы, придающие высокую вязкость битуму в смесях при температуре 150–180 °С, предотвращающие стекание горячего битума с минеральных зерен и расслоение ЩМА в процессе изготовления, транспортировки или нанесения дорожного покрытия. Основной объем смесей выпускается в России и за рубежом с применением дорогостоящих   гранулированных добавок на основе целлюлозных волокон типа WIATOP 66 или их модификаций. Наиболее полно требования к исходным материалам и режимам приготовления ЩМА представлены в ГОСТ 31015–2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичный. Технические условия».

Таким образом, структура ЩМА должна оптимально сочетать максимальную жесткость в условиях трехосного сжатия и сдвига и одновременно максимальную податливость и высокую деформативность материала при растяжении. Исходя из напряженно-деформированного состояния дорожных покрытий,  эти, казалось бы, противоположные качества асфальтобетона особенно важны. Примечательные свойства щебеночно-мастичных асфальтобетонов достигаются строгим соблюдением разного рода требований к исходным материалам и добавкам:

  • щебень из горных пород в минеральных смесях, принимающих на себя основную нагрузку автотранспорта, должен иметь  зерна размером 5–0 мм, 10–15 или 15–20 мм в количестве 65–80 % по массе  с минимальным отклонением от указанных размеров;
  • мастика связующего готовится на основе песка отсевов дробления щебня горных пород (5–30 %) с зернами крупностью до 2,5 мм и содержанием минерального порошка в пределах 10–20 %, битума дорожного – 6,5–,5 % и стабилизирующей добавки – 0,2–0,5 %.

При изготовлении мастик наибольшее значение уделяется в известных патентах выбору различного рода добавок на основе волокнистых материалов растительного или синтетического происхождения с модифицированием их разными приемами, поверхностью и размерами волокон, а также модификаторов к битуму, улучшающих его адгезионные свойства к наполнителям в минеральных смесях или вызывающих при повышенных температурах асфальтобетонной смеси образование дополнительных химических связей в битуме и повышающих его вязкость,   предотвращая при этом стекание горячего битума с поверхности щебня и расслоение асфальтоминеральной смеси.

Наиболее полно опыт производства и применения щебеночно-мастичных дорожных покрытий представлен в учебном пособии В. И. Костина «Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий» (Нижний Новгород, 2009). В указанной работе рассмотрены щебеночно-мастичные смеси с применением различных составов и стабилизаторов на основе целлюлозных волокон, соответствующие технические особенности приготовления смесей и их влияние на качество покрытий. Стабилизирующие добавки представлены на основе целлюлозы, асбеста, резины и полимеров, причем волокнистые материалы могут применяться как при совмещении с битумом, так и в гранулированном виде с распределением битумной пленки на поверхности волокон (VIATOP-66, VIATOP-Premiume) или между волокнами (Technogel-1004). Основным недостатком при получении щебеночно-мастичных смесей и асфальтобетонов с применением текстильных волокнистых материалов, несмотря на их эффективность для стабилизации битумных мастик, является то, что асфальтобетон при таком способе производства обладает сравнительно низкими прочностными свойствами, особенно при 50 °С (0,6–0,7 МПа), что определяет возможность образования колеи на дорогах. Поэтому для улучшения физико-механических свойств, а именно расширения температурного интервала работоспособности дорожного покрытия, выполненного с помощью такого материала, понижения хрупкости с повышением трещиностойкости и эластичности в ряде патентов предлагается использовать битум с различными модифицирующими добавками.

Известны многочисленные битумные смеси, применяемые для покрытия дорог, в которых чаще всего в битум  вводят термопластичные сополимеры стирола с бутадиеном (ПБВ-60), эластомеры, полиолефины. Для повышения адгезионных свойств в битум или  мастику добавляют специальные полимерные материалы в активированном функциональными группами  виде (патент РФ № 2405796, 2009 г.), полученные с применением малеинового ангидрида или необходимых сомономеров  (акриловая, метакриловая и другие кислоты) (патент РФ № 2297990, 2006 г.) или за счет частичной окислительной деструкции полиолефинов, например атактического полипропилена (патент РФ № 2348662, 2008 г.). Для снижения затрат на приготовление щебеночных мастик вместо дорогостоящих термоластопластов в качестве адгезионных и стабилизирующих добавок в мастике применяют резиновую крошку с размером частиц менее 0,1 мм, получаемую переработкой изношенных шин совместно с вторичным линейным полиэтиленом  (патент РФ № 2415165, 2009 г.; патент Японии № 279573; патент США № 5683498).

Недостатком данных композиций для асфальтовых покрытий является то, что сравнительно  крупная резиновая крошка, ничем не закрепленная, может выделяться из покрытия в процессе эксплуатации.

Для предотвращения указанного недостатка предлагалось использовать в качестве связующего композицию, состоящую из битума, масла, резиновой крошки (европейский патент № 0439232), или добавку, включающую битум, полимеры, минеральное масло, резиновую крошку (патент РФ № 2158742) и получаемую в виде твердой массы, которая режется и вводится в заданном соотношении в разогретый битум. Существенным  недостатком указанной технологии является использование большого количества энергии на разогрев смеси, дорогих синтетических полимеров, высокой температуры и  хрупкости от  –6 до –15 °С (патент США № 48299109) или за счет большого количества указанных в патентах жидких масел – большая липкость вяжущего. Совмещение в составе  ЩМА битума и резиновой крошки от переработки изношенных шин или в виде композиционного материала УНИРЕМ-01, волокнистых добавок и азотсодержащих адгезионных соединений (патенты РФ № 2476397, № 2474595, 2011 г.) позволяет увеличить однородность ЩМА смеси и ЩМА, его длительную водостойкость. Приобретаемые прочностные характеристики, соответствующие требованиям ГОСТ 31015–2002, обеспечиваются в основном за счет адгезионных добавок, улучшающих сцепление битума с кислыми горными породами,  которые содержат катионоактивные ПАВ, а также добавок, включающих амины, амиды, диамины, полиамины, четвертичные аммониевые соединения, амидоамины, имидоазолины и их производные и смеси этих соединений. Молекулы аминосодержащих ПАВ и аминосоединений частично адсорбируются на поверхности дисперсных битумных частиц (асфальтенов и их ассоциатов) и частично находятся в углеводородной дисперсионной среде, а также сорбируются на поверхности минеральных материалов, придавая им гидрофобные свойства, то есть обеспечивают сродство их с битумом.

В патентах, указанных ранее, в качестве адгезионных добавок используются «Амдор-10», «Сандор-А», обладающие, как и другие аминоорганические производные, высокой токсичностью, тем более что приготовление с ними ЩМАС и ЩМА осуществляют при температуре более 150 °С.

Наиболее перспективным для получения щебеночно-мастичного асфальтобетона повышенной прочности является патент РФ № 2377262, в котором предлагается для асфальтобетонных смесей, в том числе ЩМАС, использовать модифицирующие композиции, содержащие активный резиновый порошок с размером частиц не более 0,8 мм и величиной удельной  геометрической поверхности до 5000 см2/г, полученный путем термомеханического измельчения резинового вулканизата на основе натурального, изопренового, бутадиенстирольных иди этиленпропиленовых каучуков в присутствии антиагломератора,  выбранного из группы: парафин, озокерит и галогенсодержащие спирты – теломеры в количестве 0,1–2,09 % от массы резинового вулканизата.  Композиция содержит также метасиликат игольчатой структуры, инициатор гелеобразования, выбранный из группы: 4-нитро-N- метиланилина, N-4-динитрозоанилина, N-(2)-метил-2-нитропропил-4-нитрозоанилина, N-нитрозодифенилдиамина, и по меньшей мере один структурирующий агент с повышенным индукционным периодом структурирования не менее 30 мин при температуре 160 °С, выбранный из группы олигомеров:  эпоксиэфирная смола, эпоксидиановая смола, поликонденсационная смола, способная к образованию  разветвленных или сетчатых структур при выбранном соотношении реакционноспособных  компонентов. Модифицирующие композиции определяют прочностные свойства, водо- и морозостойкость покрытий в соответствии с ГОСТами для традиционных асфальтобетонных смесей горячего способа изготовления и асфальтобетонов типа ЩМА.

Основным фактором, определяющим широкие возможности применения модифицирующей композиции, полученной согласно патенту РФ № 2377262, является принципиальный подход в решении технической задачи – устойчивости дорожного покрытия к тяжелым деформационным  воздействиям автотранспорта, водостойкости за счет образования на границе раздела адгезива и минеральных материалов  не только водородных связей с энергией 6–8 ккал на моль, но и прочных химических связей с энергией до 40 ккал на моль. При этом известные гелеобразующие добавки на основе алкилароматических аминов и нитрозоаминов в сочетании с термореактивными алкилрезорциновыми  и эпоксидными смолами образуют сетчатую структуру за счет химического взаимодействия функциональных эпоксидных, метилольных, амино- и нитрозоаминных групп с функциональными группами битума и оксидными группами минеральных материалов.

Указанные особенности являются наиболее значимыми в подходе к выбору эффективных связующих для асфальтобетонных смесей, как это и используется в клеевых составах различного назначения при производстве автомобильных шин, а также в нанотехнологиях производства современных материалов с особенными свойствами.

Таким образом, потери прочностных свойств традиционных асфальтобетонов при повышении температуры дорожных покрытий до 50 °С и их склонность к образованию колеи  и разрушению связаны в первую очередь с ослаблением или распадом основной части водородных связей, определяющих поверхностное взаимодействие битума с минеральными частицами асфальтобетонных смесей до и после их уплотнения. Наряду с достигаемыми положительными качествами, указанными в патенте, у известного способа есть существенные недостатки:

– в качестве гелеобразующей добавки  предлагается использовать нитроанилины, производные нитрозоанилинов, N-нитрозодифениламины, которые в качестве ускорителя вулканизации имеют ограничения в их применении из-за проявления активных канцерогенных свойств;

  • применение смол с активными функциональными группами –метилольными и эпоксидными – может существенно удорожать дорожное покрытие из ЩМА, так как предлагаемые в патенте смолы хотя и выполняют целевое  назначение для эффективных клеев и относятся к стандартизированным продуктам, имеют высокие цены,  в десятки раз превышающие цены битума, минерального порошка и других составных частей ЩМА;
  • рекомендуемые в патенте температурные режимы приготовления модифицирующей композиции ЩМАС и устройства дорожного покрытия требуют существенных энергозатрат (температура 150–180 °С) на многотоннажный объем дорожного материала.

Техническая задача, решаемая предлагаемым ООО «Донские дороги» способом получения щебеночно-мастичного асфальтобетона, состоит в возможности изготовления соответствующей асфальтобетонной смеси и применения асфальтобетона типа ЩМА в обустройстве дорожного покрытия при температуре окружающей среды с повышенными прочностными  свойствами в широком интервале температур (5–50 °С), с высокой водостойкостью без использования в асфальтобетонной смеси токсичных соединений и их выделения в окружающую среду при выполнении дорожных работ.

При этом исключаются затраты на энергопотребление для разогрева минерального материала и модифицирующих добавок, как это предусмотрено в других известных способах. Предел прочности при сжатии полученного асфальтобетона типа ЩМА по предлагаемому способу повышается на 40–60 % по сравнению с требованиями ГОСТ 31015–2002, показатель водостойкости при длительном водонасыщении по объему – в 1,3–1,6 раза. Приготовленная при обычной температуре асфальтобетонная смесь характеризуется однородностью во времени по распределению битума, щебня  и других материалов во всей массе, а холодный способ ее приготовления полностью исключает применение стабилизирующих асфальтобетонную смесь добавок  и показателя «стекание вяжущего», действующего для горячих смесей.

Использование в предлагаемом способе вяжущей  композиции с полимерной добавкой меняет обычную форму кристаллогидратов цементного камня. В присутствии полимерных цепей, окруженных гидратным структурным барьером из молекул воды в адсорбционном слое происходит образование микрокристаллов игольчатой формы и микроармирование скелета связующего полимерной фазой. Этим и объясняется увеличение прочности при 50 °С, прочности на растяжение асфальтобетона при изгибе, а отсутствие микротрещин увеличивает устойчивость покрытия к сдвигу и деформации.

Для достижения указанного технического результата используют холодную смесь для ремонта или устройства верхних слоев покрытий автомобильных дорог, аэродромов и городских улиц, содержащую минеральные материалы:

  • повышенное количество высокопрочного щебня горных пород кубовидной формы (60–80 %) с размером зерен 5–10 (ЩМА-10), 10–15 (ЩМА-С15) и 15–20 мм (ЩМА-С20), ГОСТ 8267–93;
  • песок из отсевов дробления горных пород или гранита отвечающий требованиям ГОСТ 8736 – 13–27 %;
  • минеральный порошок по ГОСТ 52129–2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонов и органоминеральных смесей» – 7–13 %;
  • цемент ГОСТ Р 52119–2003, марка М400 или М500, – 3–6 %.

К полученной минеральной смеси (100 масс.%)  в составе вяжущих компонентов при перемешивании и температуре 20±10 °С добавляют (масс.%): цемент – 3–6, нанополимерное водоразбавляемое   связующее «Полистаб» –   0,1–0,5, битумную эмульсию в пересчете на битум – 3–5. Предлагаемое техническое решение отличается  от известного следующими признакми:

  1. Используется в составе асфальтобетонной смеси типа ЩМАС и асфальтобетона на ее основе холодный способ получения с применением наномодифицирующих связующих «Полистаб» на основе сополимеров, содержащих полярные мономеры и функциональные группы. При этом наночастицы полимерной фазы в выбранном среднем размере диаметра 50–300 нм обладают при указанной степени дисперсности суммарной поверхностью, превышающей в 1000 раз поверхность минеральных частиц и щебня, способны создавать за счет сорбции полимерных частиц с отрицательным дзетта-потенциалом эластичное, на уровне толщины мономолекулярного слоя, равномерное покрытие на частицах щебня, песка отсевов, минерального порошка и цемента. Создание прочных химических связей на границе раздела «минеральный материал – нанополимерная добавка» обусловливается взаимодействием функциональных групп карбоксилсодержащих  добавок с оксидами кальция, магния, кремния и других элементов, входящих в состав цемента и материалов минеральной смеси по механизму прочных солевых связей.
  2. Минеральное вяжущее цемент в комбинации с нанополимерной добавкой и битумной эмульсией создают необходимые условия для максимальной реализации адгезионного и когезионного взаимодействия в системе: частицы минеральных материалов (классифицированный щебень, цемент, песок отсевов, минеральный порошок) и органических вяжущих добавок, включая сополимер битум и основания, входящие в состав  эмульгатора.
  3. В условиях приготовления щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей и асфальтобетона по предлагаемому способу с применением полимерно-минеральной вяжущей композиции с учетом достигаемых повышенных прочностных свойств и водостойкости получаемого асфальтобетона необходимое количество битума в виде эмульсии может быть снижено до 3–5 масс.% вместо требуемого объема 6,5–7,5 масс.% при производстве ЩМА горячим способом.

Условия и строгое соблюдение порядка совмещения компонентов регламентируются коллоидно-химическими процессами, проходящими в предлагаемой системе. Как только в данную смесь вносится полимерное связующее, происходит ряд коллоидно-химических процессов, связанных с равномерной сорбцией полимерной фазы на поверхности частиц зернистого материала и цемента. При этом образуется прочный защитный слой в виде структурно-механического барьера, предотвращающий преждевременную стабилизацию и коагуляцию нанополимерной дисперсии «Полистаб», и поверхность минеральных частиц приобретает эластичное покрытие с отрицательным зарядом. Образование на поверхности смеси минерального материала отрицательно заряженного слоя с функциональными группами при контакте с частицами битума битумной эмульсии обусловливает более равномерное распределение частиц битума в асфальтобетонной смеси и его участие в компенсационной нейтрализации зарядов между двумя типами связующих с образованием сетчатой структуры и новых химических связей. Прочное адгезионно-когезионное взаимодействие каждого из вяжущих, в том числе при участии цемента, в предлагаемом составе щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси предопределяет монолитность всей композиции, подтверждением чего является повышенная прочность при сжатии при 20 и 50 °С, водостойкость, низкие значения предельного водонасыщения и полное соответствие требованиям ГОСТ 31015–2002 на ЩМА по показателям сдвигоустойчивости, трещиностойкости и водостойкости.

Испытания щебеночно-мастичных асфальтобетонов, полученных по предлагаемому способу с использованием различных по химической природе и количеству связующих добавок и минеральных составов, осуществлялось в строго одинаковых условиях и при одинаковой нагрузке при прессовании образцов, равной 30 МПа, в течение 2 мин (размеры: высота – 71,4 мм, диаметр – 71,4 мм по ГОСТ 12801–98 и ГОСТ 31015–2002). Распределение по размерам полимерных частиц в нанополимерном связующем «Полистаб» и  коллоидно-химические характеристики его (заряд частиц, дзетта-потенциал, электрофоретическая подвижность) определяли на приборе ZETATRAC (NPA152-31A) производства компании США Microtrac Ins. Для изготовления промышленных партий щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей по предлагаемому холодному способу может быть использовано стандартное оборудование действующих асфальтобетонных заводов, имеющих необходимые узлы эффективного смешения сыпучих и жидких материалов, дозирующее устройство для их подачи на смешение, а также современные установки для качественного производства холодных асфальтобетонных смесей ведущих компаний мира: AMMAN WIRTGEN (Германия); SAF (Франция); KOLOTIKONE (Финляндия). Предлагаемые установки могут быть представлены в стационарном или мобильном исполнении производительностью от 120 до 400 т/ч. В Скандинавии более половины дорог построены при использовании холодных асфальтобетонов с повышенной прочностью и использованием полимерно-битумных смесей (Холодный асфальт / В. В. Силкин [и др.] // Строительная техника и технологии. 2012. № 7(91). С. 52–56).

Асфальтобетонные смеси типа ЩМА-15 для испытаний готовят при температуре 20±10 ᵒC в количестве 10 кг с учетом указанного в таблице 1 соотношения. При этом  смешиваются щебень с отсевами дробления горных пород, минеральным порошком.

Таблица 1

Состав испытываемых асфальтобетонных смесей типа ЩМА-15

После этого вводят навеску цемента, перемешивают и добавляют навеску водоразбавляемого полимерного связующего «Полистаб»  с диаметром частиц полимера 80–160 нм, перемешивают дополнительно. Затем вводят рассчитанное количество битумной эмульсии, перемешивание продолжают 5–10 мин с доведением при необходимости суммарной влажности рыхлой смеси
до 6–8 масс.%. Подготовленные асфальтобетонные смеси имеют однородный характер с равномерным распределением на поверхности минеральных материалов сополимера и битума без признаков расслоения смеси и стекания вяжущего  битума  с поверхности щебня и других минеральных материалов.

Результаты испытаний по отдельным показателям, наиболее ответственным за эксплуатационные свойства дорожного покрытия, таких как прочность при сжатии при 20 и 50 °С, предельное водонасыщение и водостойкость, трещиностойкость, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Свойства холодных асфальтобетонов типа ЩМА-15 из предлагаемых смесей

Приведенные в таблице 2 значения свойств асфальтобетонов типа ЩМА-15, полученных на минеральных смесях, содержащих от 60 до 80 масс.% щебня гранитного и других в разных количествах дисперсных добавок, указанных в таблице 1, составляющих каркасную основу поверхности асфальтобетонного дорожного покрытия, при всех соотношениях компонентов с добавками цемента, полимерного связующего и битумной эмульсии указывают на превышение прочностных характеристик предлагаемых опытных образцов в сравнении с требованиям для горячего способа получения ЩМА по ГОСТ 3105–2002 как при 20 °С, так и при 50 °С с более высокими показателями трещиностойкости, водостойкости и  более низкими, примерно в 1,3–1,6 раза, значениями предельного водонасыщения.

В дополнение к указанному следует заметить, что условия производства и укладки традиционных горячих асфальтобетонных смесей и ЩМА по ГОСТ 31015–2002 при температуре 150–180 °С сопряжены не только с большими энергозатратами на многотоннажное производство асфальтобетонов, но, что особенно недопустимо, с выбрасами в окружающую среду и рабочее пространство дорожных работников при указанной температуре в парообразном состоянии и в виде аэрозоля типичных канцерогенных веществ из класса многоядерных ароматических углеводородов: пирена, бензпирена, хризена, антрацена и других видов, входящих в состав битума. Таким образом, предлагаемый способ получения щебеночно-мастичного асфальтобетона  обладает явными преимуществами по технико-экономическим и экологическим показателям в сравнении с существующим производством щебеночно-мастичного асфальтобетона.

 

Для дальнейшего развития технологии ООО «Донские дороги» готово к сотрудничеству с организациями, заинтересованными в экологически безопасном и экономически выгодном способе производства щебеночно-мастичного асфальтобетона повышенной прочности, на условиях лицензионного соглашения с получением в соответствии с Патентным законом Российской Федерации права пользования интеллектуальной собственностью – патентом на изобретение и технической документацией на проектирование и освоение инновационной технологии производства ЩМА.

П. Т. ПОЛУЭКТОВ, нучный руководитель ООО «Донские дороги», канд. хим. наук

Н. П. ПОЛУЭКТОВ, директор ООО «Донские дороги»

www.polistab.ru