Текст книги "Композиционные составы для локализации очагов разрушения дорожного покрытия"

Л. А. Иванова, В. А. Шевченко, В. П. Киселев
Композиционные составы для локализации очагов разрушения дорожного покрытия

Введение

В настоящее время на автомобильных дорогах Сибирского региона и в целом по всей России преобладающим видом дорожного покрытия является асфальтобетон. В России протяженность дорог с усовершенствованным покрытием капитального типа составляет более 95 %, в странах Европы дорог с асфальтобетонным покрытием 97 % от общей протяженности, в Америке их более 90 %.

Дорожное покрытие в процессе эксплуатации подвергается многократным статическим и динамическим воздействиям механических нагрузок, вызывающим нормальные, растягивающие и сдвигающие напряжения, действию погодно-климатических факторов, а также агрессивному влиянию горючесмазочных материалов, которые обусловливают большое разнообразие дефектов, образующихся на дорожном покрытии. В большинстве случаев основными видами дефектов являются механические разрушения (износ, шелушение, выкрашивание, трещины, выбоины) и пластические деформации (волны, сдвиги, наплывы, колейность, просадки).

Для обеспечения транспортно-эксплутационных показателей автомобильных дорог ежегодно на дорогах страны, в том числе и Красноярского края, выполняются значительные объемы работ по ликвидации появляющихся дефектов и разрушений.

Для устранения дефектов на асфальтобетонных покрытиях в основном применяют мастичные составы на основе органических вяжущих с добавками, повышающими деформативность составов. Учитывая климатические условия Сибирского региона, можно предположить, что деформационные свойства мастик и асфальтобетона несовместимы при отрицательных температурах. Это может привести к преждевременному разрушению мастичных составов и ежегодному ремонту покрытий.

Подбор материалов и разработка композиций, сочетающихся в определенной степени с положительными параметрами мастичных составов и исключающих их негативные свойства, является актуальной задачей в разработке эффективных методов ремонта и восстановления асфальтобетонного покрытия дорог.

Широкие перспективы в этой области имеет технологическое направление с применением сухих строительных смесей (ССС) заводской готовности на основе минеральных вяжущих веществ, в том числе с использованием местных попутных продуктов теплоэнергетической и металлургической отраслей промышленности.

В связи с этим целью настоящей работы являлась разработка составов и исследование возможности применения сухих строительных смесей на основе отходов промышленности с эффективными полимерными добавками для ремонта асфальтобетонного покрытия и обеспечения его долговечности.

Глава 1. Анализ современных методов ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий

Своевременный ремонт асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации является обязательным условием обеспечения надежности и долговечности конструкций дорожных одежд, способствует экономии эксплуатационных и транспортных затрат, повышает безопасность движения. Использование традиционных материалов и технологических приемов при ремонте не позволяет устранять появление новых деформаций и разрушений в течение длительного периода. В этой области в настоящее время используются технологии, основанные на применении материалов с нефтяными битумами или эмульсиями на их основе в виде мастичных составов с добавками, повышающими деформативные свойства. Практика эксплуатации покрытий с локализацией трещин и неглубоких выбоин указанными составами показывает, что деформативные свойства мастик и асфальтобетона практически несовместимы при низких отрицательных температурах. Это приводит к преждевременному разрушению мастичных композитов, что требует заделки трещин практически ежегодно. В наибольшей степени указанные обстоятельства приходится учитывать в суровых климатических условиях Красноярского края. Сложившаяся ситуация привела к поиску путей получения новых материалов и технологий, позволяющих повысить надежность и долговечность покрытия. Анализ литературных данных и практика эксплуатации автомобильных дорог показывают, что основной причиной возникновения разрушений на дорожном покрытии являются механические и пластические деформации, отсутствие достаточно надежного материала и технологии ремонта покрытия.

Широкие перспективы в этом направлении имеет ремонт покрытий эксплуатируемых автомобильных дорог с помощью композиций на основе сухих строительных смесей.

1.1. Виды деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий

В качестве основных причин возникновения дефектов на дорожном покрытии следует указать старение материала покрытия, перегруженность эксплуатируемых автомобильных дорог и качество строительства, характеризующееся неполноценным и неравномерным выполнением отдельных технологических операций, в частности уплотнения покрытия, (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Виды и причины деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог

Требования к эксплуатационному состоянию покрытия, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения согласно ГОСТ 50597–93 [33], предельно допустимые площади повреждений покрытия и сроки их устранения приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Требования к эксплуатационному состоянию дорожного полотна

Примечание. В скобках указаны значения повреждений для весеннего периода.

Устранение мелких повреждений в виде выбоин и трещин проводят в весенний период с момента наступления теплой и устойчивой погоды.

Установлено, что если требуемая площадь поверхности покрытия, нуждающегося в проведении ремонтных работ, находится в пределах до 10 % от общей площади, то эффективным является проведение локальных ремонтных работ. При превышении указанного предела поврежденной площади на участках протяженностью до 1–1,5 км целесообразнее выполнять работы по всей площади покрытия рассматриваемого участка.

В Красноярском крае в настоящее время находится в эксплуатации около 12 тыс. км автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием. По результатам ежегодных весенних обследований, начиная с 2000 г., выявлено, что по всей площади требуется ремонт покрытий около 120– 140 участков общей протяженностью по всей сети до 1 500 км при протяженности отдельных участков от 1 до 8 км. Кроме того, ежегодная потребность локального ремонта на оставшейся протяженности сети автомобильных дорог составляет от 4–8 % от площади покрытия [93].

1.2. Методы ремонта дорожного покрытия

Для обеспечения надежности и долговечности дорожных покрытий ежегодно требуется выполнение большого объема локального ремонта, который в дорожной практике принято называть ямочным.

Ямочный ремонт является самым распространенным методом заделки ям, выбоин, трещин и устранении других дефектов горячей асфальтобетонной смесью соответствующего состава ввиду его доступности. Распространенность этого метода можно объяснить широкой сетью асфальтобетонных заводов, находящихся в ведении дорожной эксплуатационной службы, наличием и доступностью исходных материалов для приготовления асфальтобетонной смеси и достаточным опытом выполнения технологических операций по ремонту асфальтобетонных покрытий.

Для выполнения требований ГОСТ 50597–93 [33] при ремонте дорожного полотна необходимо выполнять работы в следующей технологической последовательности: заделка выбоин и сколов; заделка трещин; восстановление эксплуатационных качеств (поверхностная обработка).

Приведенная последовательность основана на использовании традиционных ремонтных материалов. В целом к результатам ремонтных работ предъявляются следующие требования:

1. Восстановление до нормативных показателей плотности, прочности, ровности и шероховатости ремонтируемой части покрытия;

2. Обеспечение достаточного продолжительного срока службы до проведения повторных ремонтных работ с учетом общей протяженности дорог региона;

3. Доступность применяемых материалов и оборудования;

4. Выполнение технологических операций независимо от погодных условий и протяженности автомобильных дорог региона;

5. Сокращение срока ремонтных работ и открытие движения;

6. Высокая экономическая эффективность.

Как показывает практика эксплуатации участков после выполнения ремонтных работ с использованием горячих асфальтобетонных смесей, в большинстве случаев качество ремонта не отвечает требуемым показателям, в частности, не достигается нужное уплотнение смеси (коэффициент уплотнения не выше 0,96), что приводит к снижению прочностных показателей и долговечности за счет повышения водопоглощения. Ровность покрытия при совокупном анализе всего участка снижается. Выполнение технологических процессов напрямую зависит от погодно-климатических условий. Даже незначительные отклонения от учета температурного режима и погодных условий (в основном влажностных) приводят к резкому снижению качества ремонта и последующей работоспособности покрытия. Температурный режим при этом определяется не только погодными условиями, но и удаленностью ремонтируемых участков от завода по производству асфальтобетонной смеси. Кроме того, требование учета температурного режима существенно ограничивает период проведения ремонтных работ, что особенно актуально для Сибирского региона и в первую очередь для центральных и северных районов, климат которых характеризуется весьма непродолжительным периодом положительных температур и повышенной продолжительностью времени с жидкими атмосферными осадками. Следует отметить, что применение горячих асфальтобетонных смесей повышает общую продолжительность ремонтного времени за счет длительного набора эксплуатационных качеств смесью.

В последние годы заметно повышена доля ремонтных работ с использованием струйно-инъекционной холодной технологии, заделки выбоин и трещин на покрытии автомобильных дорог с применением битумной эмульсии [88]. Эта технология в настоящее время является наиболее передовой и прогрессивной для нашего региона, хотя в зарубежных странах применяется уже более 15 лет. По этой технологии используется чистый мелкий щебень фракции 5–10 мм и быстрораспадающаяся катионная или анионная битумная эмульсия с концентрацией 60 %. В зависимости от типа функциональной группы и свойств, проявляющихся в водных растворах, эмульсии разделяют на анионоктивные с образованием отрицательно заряженного иона органического остатка молекулы:

и катионоактивные с образованием положительно заряженного иона органического остатка молекулы:

где Х^– – сульфат, хлорид, бромид, ацетат-гидроксильные ионы.

В катионоактивных эмульсиях содержатся соли первичных, вторичных и третичных аминов, а также четвертичные аммониевые соли. Принято считать, что катионоактивные эмульсии являются наиболее редкими и дефицитными для дорожной отрасли.

Катионная эмульсия обеспечивает надлежащее сцепление с каменными материалами из кислых горных пород (гранита и др.), анионная – эффективна при использовании материалов карбонатных и основных горных пород (известняк и др.) [71]. При этом необходимо в лабораторных условиях проверить степень прилипаемости битума к каменным материалам и время распада эмульсии, которое не должно превышать 30 мин.

Заделка выбоин и трещин струйно-инъекционным методом, как показывает отечественная и зарубежная практика, обеспечивает крепкую и долговечную заделку даже при температуре воздуха 10–15 °С, но проводить ремонтные работы этим методом во время дождя, снегопада невозможно, так как в этот период исключена очистка поверхности выбоин и трещин от влаги, пыли и мусора, то есть невозможна подгрунтовка ее битумной эмульсией. Указанные технологические особенности ремонта струйно-инъекционным методом приводят к существенному ограничению области его использования. В частности, требуется строго дозированный состав компонентов, существенно снижается период производства работ. Для сети дорог Красноярского края этот показатель, как правило, в 2– 4 раза меньше, что указывает на низкую эффективность этого метода.

В настоящее время разработаны технологии ремонта асфальтобетонных покрытий с использованием энергии инфракрасного [79, 136, 138], электромагнитного [2, 3] и сверхвысокочастотного нагрева [4, 5], что позволяет выполнять работы практически в любую погоду. Однако данные технологии требуют значительных затрат энергии, длительного разогрева выбоин и смеси (способ ИК-разогрева). Кроме того, в России не выпускается промышленное оборудование.

Предложенные технологии ремонта дорожных покрытий в США [98, 99] и Японии [100] с использованием пара нецелесообразны ввиду значительных затрат и отсутствия специальной техники.

В последнее время ограниченное применение для ремонта асфальтобетонных покрытий находит технология ресайклинга. Она позволяет наиболее эффективно использовать материал старой дорожной одежды, устранять трещины в старом покрытии на всю или большую часть глубины, что замедляет появление трещин на новом покрытии [133]. Сдерживает применение этой технологии отсутствие специальной техники. Качество ремонта и срок службы при этом находятся на уровне применения технологии горячей асфальтобетонной смеси.

Заслуживает внимания технология ремонта с применением литого асфальта, в котором важнейшей компонентой является мастика, состоящая из высоковязкого твердого битума, относительно большого количества минерального порошка и песка. Ремонтный материал, то есть приготовленный литой асфальт, содержит до 13 % битума и до 35 % минерального порошка, что делает его значительно дороже обычных горячих асфальтобетонных смесей. Кроме того, литой асфальт требует высокой температуры укладки, не ниже 220 °С, однако и срок его службы в 1,5–2 раза выше, чем по ранее рассмотренной технологии [25].

Известен способ ремонта дорожного покрытия, включающий нанесение на поверхность поврежденного дорожного покрытия увлажненной минеральной смеси и битума, разогретого до температуры 160–200 °С.

Компоненты для смешивания подают по разным шлангам под давлением 7–10 атм в сопло эжекционной торкретустановки, затем полученную битумоминеральную смесь под давлением наносят на дорожное покрытие [97].

Недостатком этого способа является дороговизна, обусловленная потребностью в специальном оборудовании и энергетическими затратами на разогрев битума.

Как отмечено выше, качество подготовки ремонтируемого участка оказывает существенное влияние на качество конечного процесса, поэтому применение вакуумно-струйно-инъекционной технологии заметно повышает качество ремонта, но требует усложнения всего технологического процесса и дополнительной специальной техники.

Отсюда следует, что технологии ремонта, основанные на применении органических вяжущих, не могут обеспечить всю полноту требований, предъявляемых к качеству ремонта, поэтому возникает необходимость применения альтернативных материалов, в частности использования ремонтных составов на минеральных вяжущих с введением некоторых специальных, в том числе органических, добавок. Кроме того, ремонтный состав должен отвечать требованиям стационарного приготовления с удлиненными сроками хранения, а также обеспечивать требуемую долговечность при эксплуатации и приведение смеси в рабочее состояние на месте ремонта.

1.3. Опыт применения композиционных составов из сухих строительных смесей в ремонтно‐строительных технологиях

Перспективным направлением в области ремонта дорожного покрытия является применение составов из сухих строительных смесей как материала полной заводской готовности.

Это позволит отказаться от традиционных составов на битумном вяжущем, которые используются в горячем виде, а также существенно расширит спектр технологий сухих строительных смесей на минеральных вяжущих для ремонта и восстановления асфальтобетонных покрытий эксплуатируемых дорог.

Композиционные составы, которыми по сути являются все строительные растворные смеси на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, известь, гипс, использовались в строительной практике многие тысячелетия. Эти строительные растворные смеси применяются главным образом для кирпичной кладки, кладки из природного камня и для штукатурных работ.

До 50-х гг. ХIХ в. минеральные строительные смеси производились и применялись исключительно по технологии приготовления на строительной площадке, которая предполагает транспортировку отдельных сырьевых материалов на строительную площадку и их перемешивание в соответствующей пропорции. Практика строительного производства показала, что применение такой технологии, особенно в крупномасштабном производстве, не позволяет в полной мере обеспечить качество приготовления смеси, поэтому она была вытеснена заводским приготовлением строительных растворных смесей, которые вошли в практику как сухие растворные смеси. Сухие строительные растворные смеси производятся на специализированных заводах, где минеральные вяжущие, заполнители и соответствующие добавки проходят процесс глубокого перемешивания. Сухие строительные смеси заводского приготовления доставляются на строительную площадку в упакованном виде (бункер, мешки). На строительной площадке производится только затворение сухих строительных смесей водой и использование их по назначению.

Целями технологии применения сухих строительных смесей является высокий уровень качества и его общая стабильность, оптимизация затрат на транспортировку, повышение производительности труда, достижение требуемых свойств продукции, согласованных со способами конкретных видов работ на строительном объекте и требованиями к готовым объектам [13].

Целесообразность использования сухих смесей как материала полной заводской готовности подтверждена зарубежной и отечественной практикой строительства. В 1950–60-е гг. в странах Западной Европы, особенно в Германии, Северной Америке, в строительной промышленности наблюдался быстрорастущий спрос на сухие строительные смеси и технологии, связанные с ними. Это можно объяснить следующими причинами: сокращением сроков и расходов на строительство, уменьшением затрат на рабочую силу, повышенным спросом на здания и сооружения более высокого качества [78]. Технология приготовления смесей на строительной площадке не всегда соответствовала этим требованиям.

Как практическое следствие в указанный период на развитие химической промышленности в области строительных материалов существенное влияние оказали ряд факторов, которые в наше время известны всему миру. Основными из них являются следующие:

1) вытеснение строительных смесей, приготовленных на рабочей площадке, предварительно приготовленными и расфасованными сухими строительными смесями;

2) механизация строительных процессов, включая системы транспортировки сухих строительных смесей для автоматизированного затворения, а также их машинная укладка;

3) модификация сухих строительных смесей с использованием полимерных вяжущих, в том числе редисперсионных порошков, специальных добавок и присадок для улучшения качества продукции.

Так, внедрение технологии приготовления сухих строительных смесей, использование тарной транспортировки, автоматизированного затворения и механизированной укладки полученных растворов с 1960 по 2000 г. позволило увеличить объем штукатурных растворов всех видов в Германии на 600 % с одновременным снижением количества работников, занятых в этой отрасли, на 25 %, что обеспечило повышение производительности труда на 800 % [15,68].

В настоящее время производство и применение сухих строительных смесей составляет в Швеции 20 кг, в Германии 30 кг на одного жителя, в России немногим превышает 2 кг в год на жителя [119]. Сухие строительные смеси появились на российском строительном рынке во второй половине 1990-х гг. Во многом причина слабого использования сухих смесей заключалась в том, что промышленность строительных материалов не была ориентирована на выпуск сухих смесей, поэтому и не разрабатывалось специальное оборудование и технологические линии [65, 89, 96].

Вплоть до 2000 г. на нашем рынке доминировала импортная продукция сухих строительных смесей либо эти смеси выпускались в России на предприятиях, принадлежащих иностранным фирмам [19].

Ведущими зарубежными фирмами, производящими сухие строительные смеси, являются «Simpelkamp», «Babkok-BSKH», «Sakret-Zentrale», «PCI», «Knauf» (Германия), «Partek», «Fexima», «Lohja» (Финляндия), «Sika AG» (Швеция), «Serett» (Франция), «Atlas» (Польша) и др. [54, 103].

В последнее десятилетие ситуация существенно изменилась, внутреннее производство интенсивно растет, открылись десятки новых предприятий (рис. 1.1). До 2003 г. темпы роста объемов выпуска сухих строительных смесей находились в пределах 45–50 %. В результате доля зарубежного производства сухих строительных смесей в 2010 г. снизилась с 60 % до 15 % (рис. 1.2) [19].

Ведущими предприятиями по выпуску сухих строительных смесей являются производственные комплексы в городах Москве и Санкт-Петербурге, производящие более 52 видов смесей в объеме 190 тыс. т в год [87]. Лидирующую позицию в странах СНГ занимает Республика Беларусь [114]. Кроме того, в России эксплуатируется порядка 10–15 заводов на зарубежном оборудовании фирм «Vetonit», «Atlas», «Pufas», «Semin», «Knauf», «Дюфа», «Юнис», «Боларс», «Шитрок», «Паунит», «Паун», «Пакаис», «Парем», «Пафас», «Паунс» – фирмы «Лаком Групп», «Emaco», «Mastertop», «Macflow» производительностью 10–50 тыс. т. смесей в год, работающих под торговыми марками по лицензии «MAC SPA» (Италия), а также ЗАО «Ирмаст Холдинг» и «Юнирбау», «Sopro» – концерна Deckerhoff Sopro (Германия) [54].

Рис. 1.1. Рост числа предприятий по выпуску сухих строительных смесей

Рис. 1.2. Темпы прироста объемов производства сухих строительных смесей

В настоящее время как за рубежом, так и в России выпускается широкая номенклатура сухих смесей для различных видов строительных работ. В основном рынок готовых сухих строительных смесей представлен такими ремонтными материалами, как штукатурные, кладочные и клеевые смеси, то есть материалами для отделочного ремонта. Классификация сухих смесей представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Классификация сухих строительных смесей

Рис. 1.4. Потребление сухих строительных смесей в России в 2010 г.

С учетом внутреннего производства, импорта и экспорта структура потребления сухих строительных смесей в России на 2010 г. выглядит следующим образом: клеи для керамической плитки занимают около 40 % рынка, чуть более четверти рынка приходится на модифицированные штукатурки. Сухие шпатлевки, ровнители и прочие виды смесей (затирки, монтажные клеи и т. д.) в сумме обеспечивают около трети потребления [8] (рис. 1.4).

Анализ современного состояния производства сухих строительных смесей показывает, что в их разнообразной номенклатуре практически отсутствуют композиционные материалы для ремонта покрытий автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, пролетных строений и покрытий мостов.

Одним из признанных лидеров в производстве материалов для ремонтных работ является фирма «Mac Spa» (Италия), выпускающая материалы серии «Emaco» [56,83]. На строительном рынке в настоящее время появились и отечественные высокопотенциальные материалы для ремонтно-восстановительных работ. Так, на предприятии ООО «Консолит» разработан и налажен промышленный выпуск быстротвердеющих сухих ремонтных смесей «Барс», которые по своим техническим характеристикам не уступают материалам «Emaco» и дешевле их в 2–2,5 раза [77].

Промышленным выпуском сухих строительных смесей на основе собственных разработок и технологий в Красноярском крае занимаются компании «Сибирская пальмира», «Альфа» и «Акродекор-К». Эти предприятия в основном специализируются на выпуске смесей на цементной, гипсовой и полимерной основе для штукатурных, шпатлевочных и бетонных работ. Вопросами ремонта дорожно-мостового покрытия занимается компания «Акродекор-К», которая широко использует местное сырье и отходы промышленности при производстве ремонтных смесей [63].

Анализ зарубежного и отечественного опыта производства сухих строительных смесей показал, что рост объемов ремонтно-строительных работ приводит и к увеличению производства сухих строительных смесей как общестроительного, так и специального назначения. В смесях общестроительного назначения применяются традиционные вяжущие (цемент, известь, гипс), а также функциональные добавки, придающие смесям специальные свойства. Примечательно, что зарубежные и отечественные производители чаще всего в качестве вяжущего используют цемент или гипс [111].

К смесям специального назначения предъявляются дополнительные требования (высокая адгезия, прочность при сжатии, изгибе в ранние сроки твердения, водопоглощение, пористость). Перечисленные свойства, а также другие свойства смесей специального назначения определяются свойствами применяемого вяжущего по основному назначению и условиям эксплуатации.

Для ремонта дорожных покрытий требуется разработка новых эффективных материалов на основе сухих строительных смесей специального назначения, отвечающих требованиям стационарного приготовления с удлиненными сроками хранения и приводимых в рабочее состояние на месте производства работ.