Многократно возросшая в последнее десятилетие нагрузка на автомобильные дороги за счет численности и грузоподъемности автотранспорта приводит, с одной стороны, к преждевременному разрушению в России многочисленных участков дорог, с другой – настойчиво требует от дорожно-строительных предприятий и научных организаций разработки экономически выгодных технологий строительства долговечных дорог, экологически безопасных при строительстве и эксплуатации.
Значительное внимание в этом направлении дорожными специалистами и организациями уделяется использованию для строительства оснований дорог местных грунтов или минеральных смесей от капитально ремонтируемых дорог, подвергнутых холодному ресайклингу и укрепленных добавками минеральных связующих (цемент, известь, активные добавки типа «Дорцем» и др.), специально подобранных смесей минеральных связующих с органическими добавками (битумы, смолы разного состава) или композитами на основе широкого круга полимерных материалов. Возможность применения укрепленных грунтов и минеральных смесей для строительства оснований дорог или дорожных покрытий допускается в соответствии с ГОСТ 30491-97, ГОСТ 30491-2012 и ГОСТ 12801-98.
Из многочисленных связующих добавок и композиций наиболее широко испытанной за рубежом (фирма Poligate, Германия), а также в России, в Казанской архитектурной академии (профессор А. И. Брехман), является водоразбавляемая полимерная добавка Nanostab. По сведениям фирмы Poligate, в 2008 году в Ливии построено более 1 тыс. км дорог с использованием связующих цемента и Nanostab в песчано-грунтовом основании. В России проведены данной фирмой немногочисленные испытания такой технологии в Нижегородской области. Однако из-за высокой стоимости добавки (около 4 евро за 1 кг), услуг фирмы и климатических факторов работы с указанным связующим в России не получили необходимого развития.
С помощью созданного специалистами ООО «Донские дороги» (Воронеж) нанополимерного связующего «Полистаб» и композиций на его основе возможно выполнение работ по укреплению различных грунтов, как связанных, так и несвязанных (в том числе асфальтовый гранулят). Также его можно использовать при приготовлении асфальтобетонных смесей холодным способом, в этом случае достигаются повышенные прочностные показатели. В результате исключаются затраты энергии, направленные на сушку инертных материалов. Особенно важно отметить отсутствие выбросов в воздушную среду от разогретого битума канцерогенных многоядерных соединений, чем обеспечивается безопасность дорожных работников и сохранение их здоровья. Это отвечает решению Правительства РФ объявить 2017 год годом экологии и устранения «убитых» дорог.
Многоплановые возможности применения нанополимерного связующего «Полистаб», выпускаемого в требуемом объеме и в соответствии с ТУ 2241-001-10604851-2014, Сертификатом № РОСС RU 36001.324 и действующим СТО, связаны в первую очередь с выбранным составом полимера, функциональными добавками, определяющими оптимальные коллоидно-химические свойства, и распределением наночастиц полимера по размерам в заданном интервале (рис. 1) в сравнении со связующим Nanostab (рис. 2).
Рис. 1. Типичное распределение полимерных частиц по размерам связующего «Полистаб», нм. Интервал распределения 50–250, преимущественно 80–160 нм
Рис. 2. Распределение полимерных частиц по размерам связующего Nanostab, нм. Интервал распределения 500–9500, преимущественно 750–3900 нм
Для создания высокопрочного дорожного основания, способного устойчиво работать в разных дорожно-климатических зонах, с разными естественными грунтами, в смеси с крупнообломочными грунтами, а также асфальтовым гранулятом необходимо применять жидкое водоразбавляемое связующее «Полистаб». В его составе используются сополимеры с активными функциональными группами, которые располагаются в основе сополимерных наночастиц с размерами в интервале 50–250 нм, преимущественно 8 –160 нм. Состав наносвязующего очень важен, является его особенностью. В результате оптимально выбранные размеры и мономерный состав полимерных глобул обеспечивают способность связующего образовывать высокоразвитую суммарную поверхность полимерной фазы в единице объема укрепляемого грунта, тем самым создавая адгезионное и когезионное взаимодействие между минеральными частицами грунта, цемента, щебня. При этом сополимеры, входящие в состав наносвязующего, образуют сплошную микротонкую эластичную пленку на поверхности минеральных частиц. Она выполняет функцию клеевой фазы и, что особенно важно, обладает амортизирующими свойствами, предотвращающими разрушение жестких связей на межфазной поверхности, образуемых при использовании только минеральных вяжущих, при воздействии на них динамических нагрузок от автотранспорта особенно в зимне-весенний период. Формированию на межфазной поверхности скрепляемых частиц грунта и минеральных наполнителей под действием нанополимерной добавки «Полистаб» совместно с цементом прочных химических связей, обеспечивающих комплекс необходимых прочностных характеристик, водостойкость и морозостойкость основания, способствуют ряд специально подобранных коллоидно-химических факторов и функциональных добавок, входящих в состав «Полистаба» и придающих положительные качества связующему, а именно: отрицательный заряд на поверхности глобул, дзетта-потенциал глобул на уровне 18–35 mv, электрофоретическую подвижность полимерных глобул 2,0–5,0 нм/с на В/см. При этом когезионная прочность сухой сополимерной пленки достигает 8–10 МПА, предельная набухаемость в воде – не более 2,0 % от массы наносвязующего. Распределение по размерам полимерных частиц в нанополимерном связующем и коллоидно-химические характеристики (заряд частиц, дзетта- потенциал, электрофоретическая подвижность) определялись на приборе ZETATRAC (NPA 152-31A) производства компании США Mic Trac ins.
Сочетание этих параметров обеспечивает равномерное распределение связующего «Полистаб» на поверхности частиц грунта, асфальтового гранулята или на частицах минеральной составляющей при приготовлении асфальтобетонных смесей. Высокие адгезионные и когезионные свойства выбранного сополимера придают необходимую прочность, водостойкость и морозостойкость конструктивам земляного полотна и дорожной одежды.
Условия и строгое соблюдение порядка совмещения компонентов грунта или минеральной смеси регламентируются коллоидно-химическими процессами, проходящими в предлагаемой системе. Так, на стадии совмещения минерального зернистого материала с цементом идет только механическое усреднение смеси без каких-либо поверхностных явлений. Но как только в данную смесь вносится нанополимерная добавка, происходит ряд коллоидно-химических процессов, связанных с равномерной сорбцией полимерной фазы на поверхности частиц зернистого материала и цемента. При этом за счет образования прочного гидратного защитного слоя в виде структурно-механического барьера, образуемого при гидратации оксиэтилированных фрагментов, не происходит преждевременной стабилизации и коагуляции нанополимерной дисперсии, а за счет ее сорбции поверхность минеральных частиц приобретает эластичное полимерное покрытие с отрицательным зарядом. Образование на поверхности смеси минерального материала тонкого отрицательно заряженного полимерного слоя функциональными группами при контакте с положительно заряженными частицами битума катионоактивной битумной эмульсии обусловливает более равномерное распределение частиц битума в асфальтобетонной смеси и его участие в компенсационной нейтрализации зарядов между двумя типами связующих, несущих отрицательный и положительный заряды, с образованием сетчатой структуры и новых химических связей между эластомером, частицами грунта, цемента и битума в укрепленных грунтах и асфальтобетонах.
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 ПАВ. При этом происходит образование микрокристаллов игольчатой формы и микроармирование цементного скелета полимерной фазой. Этим и объясняется увеличение прочности при 50 °С, отсутствие микротрещин увеличивает устойчивость покрытия к сдвигу и деформации. Для достижения указанного технического результата используют связующее «Полистаб» в основании из естественного грунта, в слоях дорожной одежды, в том числе и в покрытии автомобильных дорог, городских улиц и аэродромов.
Подтверждением вышесказанному является устойчивое, безремонтное состояние участков дорог после выполненных компанией ООО «Донские дороги» работ по капитальному ремонту в 2013 году с использованием холодного ресайклинга и нанополимерного связующего «Полистаб» в комбинации с цементом в с. Пухово Лискинского района, с. Руская Гвоздевка Рамонского района, с. Казинка Панинского района Воронежской области. После 3–4 лет эксплуатации при высокой автомобильной нагрузке опытные участки дорог, как показали наблюдения, не потребовали какого-либо ремонта (рис. 3–5).
Компания постоянно занимается исследованиями физико-механических свойств добавки «Полистаб» путем проведения различных лабораторных испытаний. Показатели предельного водонасыщения образцов песчано-цементных смесей, укрепленных различными добавками и без них, представлены на рисунке 7. Как видим, водонасыщение образцов, укрепленных добавкой, не имеющей эластических свойств, вместе с цементом или только цементом многократно превышает значение образцов с нанополимерным стабилизатором. Такие грунты также сохраняют жесткость и при отрицательной температуре. По этой причине при испытаниях на прочность в статических условиях сжатия укрепленные цементом грунты могут достигать высоких показателей прочности.
Рис. 3. Состояние дороги у с. Казинка Панинского района. Апрель 2016 г.
Рис. 4. Состояние дороги у с. Русская Гвоздевка Рамонского района. Апрель 2016 г.
Рис. 5. Въезд в с. Пухово Лискинского района. Апрель 2016 г.
Рис. 6. Предельное водонасыщение экспериментальных образцов песчано-цементных смесей, укрепленных различными добавками:
I. Песок мелкозернистый – 100 масс. ч., цемент – 10 масс. ч, нанокомпозитная добавка – 10 л на 1 м3, 7 сут.
II. Песок мелкозернистый – 100 масс. ч., цемент – 10 масс. ч, «Полистаб» – 10 л на 1 м3, 7 сут.
III. Контрольный образец: мелкозернистый песок – 100 масс. ч., цемент (М-400) – 10 масс. ч, вода до влажности –12 %, 7 сут.
IV. Песок мелкозернистый – 100 масс. ч., цемент – 10 масс. ч., «Дорцем» – 1 масс. ч, вода до влажности – 12 %, 7 сут.
V. Песок мелкозернистый – 100 масс. ч., цемент – 10 масс. ч., «Дорцем» – 0,1 %, 7 сут.
VI. Песок мелкозернистый – 100 масс. ч., цемент – 6 %, «Дорцем» – 0,1 %, 7 сут.
В дополнение к результатам использования для укрепления грунтов нанополимерного стабилизатора «Полистаб» приводим экспериментальные данные разработки холодного способа получения асфальтобетонных смесей и асфальтобетона, обладающего повышенной прочностью в сравнении с традиционным асфальтобетоном (ЩМА, литым, «холодным»). Названный способ предполагает в качестве связующего для щебеночно-песчаных смесей использовать битумы разных марок или модифицированные битумы с добавками термоэластопласта типа ДСТ-30, адгезионными и другими материалами. Лишь в некоторых отдельных случаях, как показывает практика, достигают упрочнения и желаемых технологических свойств смесей при их укладке на дорожное основание и работоспособности покрытия. Однако эксплуатационные характеристики существующих асфальтобетонных покрытий требуют дальнейшего упрочнения, особенно при повышенных температурах в летний период (до +50 ˚С) и отрицательных в зимний. Одновременно с этим проявляется недостаточная водостойкость традиционных асфальтобетонов, особенно для «холодных» типов, предназначенных для ямочного ремонта дорог весной.
Разработанные и запатентованные способы производства при обычной температуре с использованием нанокомпозитной добавки на базе «Полистаба» и битумной эмульсии с дополнительным применением функциональных материалов и добавок минерального вяжущего позволяют получать асфальтобетоны более прочные при разных температурах и с большей водостойкостью, чем горячие асфальтобетоны, изготовленные в соответствии с ГОСТ 9128 – 2009 (рис. 7, 8).
Повышенная прочность и водостойкость связаны с высоким адгезионным и когезионным взаимодействием связующего «Полистаб» с поверхностью минеральных материалов, что видно на сколах асфальтобетонных образцов, полученных с применением «Полистаба» (рис. 10) и традиционным горячим способом (рис. 9).
Рис. 7. Сравнительная характеристика изменения прочности при сжатии от температуры испытания мелкозернистых асфальтобетонов различных способов изготовления:
I. Холодная асфальтобетонная смесь типа Бх марки 1 с полимерной нано-композитной добавкой и цементом.
II. Холодная асфальтобетонная смесь типа Бх марки 1 с цементом и полимерной нанокомпозитной добавкой без введения в нее активного компонента.
III. Горячая асфальтобетонная смесь типа Б марки 1 по ГОСТ 9128 – 2009.
IV. Холодная асфальтобетонная смесь типа Бх марки-1 по ГОСТ 9128 – 2009
Рис. 8. Кинетика предельного водонасыщения образцов мелкозернистых асфальтобетонов (данные ООО «Донские дороги»), изготовленных холодным способом в лаборатории ОАО ЦДС «Дорога» с использованием различных количеств остаточного битума (масс. % к 100 масс. % минеральной смеси): I – 2,0; II – 4,0; III – 6,0; IV – 7,0
Рис. 9. Асфальтобетон, изготовленный горячим способом
Рис. 10. Асфальтобетон, изготовленный по предлагаемой технологии
На основании изучения существующего опыта строительства автомобильных дорог в Российской Федерации и других передовых странах, а также выполненных собственных исследований ООО «Донские дороги» предлагает краткое технико-экономическое обоснование на примере строительства дороги IV категории для последующего принятия решений о развитии сотрудничества и выполнения совместных работ на взаимовыгодных условиях по освоению и развитию новой модернизированной инновационной технологии строительства и ремонта автомобильных дорог повышенной прочности.
Ниже приводится заключение о предлагаемых направлениях работ.
Заключение
- Цена горячего асфальтобетона от разных производителей составляет 2200–3000 рублей.
- Цена на щебеночно-мастичную смесь (ЩМА), в зависимости от модифицирующих добавок, вводимых в битум, применяемая для нанесения поверхностного слоя на асфальтобетонное покрытие дороги, – 3400–5500 руб/т.
- Цена асфальтобетона холодного инновационного способа изготовления (ООО «Донские дороги»), при дополнительных накладных расходах 30 % – 3 758 руб/т (2890 + 867), то есть на уровне ЩМА или дешевле.
При цене, сопоставимой со стоимостью ЩМА и другими видами асфальтобетонов, предлагаемая продукция имеет следующие преимущества:
- превышение достигаемой прочности образцов на сжатие при 0, 20 или 50 °С аналогичных показателей, предусмотренных ГОСТ 9128-2009 для асфальтобетонов горячего или тем более холодного способа производства, в 2–2,5 раза;
- повышенная стойкость к колееобразованию;
- стойкость к деформациям при высоких температурах;
- предельное водопоглощение асфальтобетона, полученного по предлагаемому способу, не более 2,0 % по объему в сравнении с 2–4 % по объему серийного асфальтобетона, что обеспечит покрытию повышенную водостойкость и морозостойкость, а следовательно, большую прочность и долговечность дороги;
- снижение энергозатрат при производстве с исключением узла газораспределения и использования природного газа для разогрева до 180–200 ˚С крупнотоннажного объема минеральной смеси;
- повышенное сцепление автомобильных шин с мокрым дорожным покрытием за счет специфических свойств нанокомпозитной добавки;
- при внесении нанокомпозитной добавки обеспечение комплексного повышения адгезионных и когезионных свойств к минеральной части связующего и синергического эффекта от действия минерального и полимерного связующих в холодном асфальтобетоне;
- высокая уплотняемость при проведении дорожных работ;
- простой способ добавления и смешения полимерной нано-добавки с минеральной смесью на производстве;
- возможность использования технологического оборудования существующих асфальтобетонных заводов с монтажом вспомогательных узлов для жидких ингредиентов использовано в новом технологическом процессе;
- экологически совершенно безопасный состав асфальтобетонной смеси, не содержащей токсикантов, способных загрязнять воздух или водный бассейн, не оказывающей каких-либо отрицательных воздействий на организм дорожных работников;
- использование в рецептуре изготовления асфальтобетона по разработанному способу в качестве основного связующего продуктов разных производителей, в том числе российского производства;
- запатентованные технология и рецептура получения холодного асфальтобетона повышенной прочности, технология укрепления грунтов для дорожного строительства и производства асфальтобетона, в том числе ЩМА, с применением разработанного ООО «Донские дороги» полимерного связующего.
На основании приведенных данных и произведенных расчетов можно сделать вывод, что строительство дорог по предлагаемой инновационной технологии может привести к сокращению затрат в 1,8–2 раза.
ООО «Донские дороги» готово к деловому сотрудничеству с проектными и дорожными организациями, заинтересованными в инновационном и экономически выгодном строительстве современных дорог повышенной долговечности с целью совместных всесторонних испытаний и внедрения производства новых материалов, новых технологий строительства дорог в Воронежской области и других регионах России.
П. Т. Полуэктов, кандидат химических наук,
Н. П. Полуэктов, директор ООО «Донские дороги», Воронеж.
Тел.: 8-915-547-06-49, 8-903-030-40-50
Е-mail: polistab@mail.ru
Сайт: www.polistab.ru
