Нефтяной битум является общепринятым вяжущим для строительства и ремонта автомобильных дорог.

Однако‚ с технологической точки зрения‚ его следует применять при минимально возможной вязкости‚ что может быть достигнуто тремя принципиальными способами:

•разогрев битума до технологических температур (горячий способ);

•разжижение вязких битумов специальными‚ как правило‚ легкими растворителями;

•эмульгирование битума в воде в присутствии специальных веществ (битумные эмульсии).

Первый способ используется обычно для производства горячих смесей с предварительным нагревом исходных минеральных материалов или розливом горячего битума на холодную поверхность при производстве подгрунтовки или устройстве поверхностной обработки. Этот способ имеет достоинства и недостатки. К достоинствам следует отнести возможность получения конгломерата (асфальтобетона) с высокой прочностью при использовании высоковязких битумов для дорог с тяжелым и интенсивным движением‚ а к недостаткам – затраты энергии на нагрев минеральных материалов при производстве горячих смесей‚ ограниченный период времени на устройство конструктивных слоев дорожной одежды и отрицательное воздействие на окружающую среду в процессе всего цикла производства работ.

Второй способ‚ как правило‚ дороже из-за весьма дорогостоящих растворителей‚ которые за относительно короткий период времени должны испариться‚ что приводит к загрязнению окружающей среды и к повышенной пожароопасности при производстве работ.

Третий способ‚ с использованием битумных эмульсий‚ не требует нагрева и может использоваться с холодными и даже влажными минеральными материалами‚ что позволяет снизить расход энергоносителей до 40% по сравнению с традиционными «горячими» технологиями.

Принципиальная схема производства битумной эмульсии

Эмульсия – неоднородная‚ термодинамическая неустойчивая система с двумя или несколькими жидкими фазами‚ представляющими одну постоянную жидкую фазу (дисперсионную среду) и‚ по меньшей мере‚ вторую жидкую фазу‚ рассеянную в первой в форме мелких капелек (дисперсная фаза). В зависимости от формы‚ битумные эмульсии классифицируются на прямые и обратные.

Прямые эмульсии – это когда битум в виде мелких капелек (от 1 до 20 мк) находится в водной среде.

Обратная эмульсия – это когда вода в виде мелких капелек находится в битумной среде.

В дорожной практике наибольшее применение находят прямые битумные эмульсии.

В зависимости от требуемых технологических и эксплуатационных свойств связующего материала эмульсии могут быть приготовлены на битумах различной вязкости как с использованием различных добавок (растворители‚ ПАВ‚ полимеры)‚ так и без них. При этом в зависимости от назначения и условий применения могут приготавливаться эмульсии с различной скоростью их распада и устойчивостью при транспортировке и хранении.

Относительно низкая вязкость прямых битумных эмульсий‚ обусловленная наличием водной среды (от 31 до 50%)‚ обеспечивает хорошую способность обработки каменных материалов без их сушки и нагрева. Такие технологические свойства битумных эмульсий обусловливают благоприятное их применение в дорожном строительстве с позиций охраны труда дорожных рабочих и охраны окружающей среды.

В зависимости от применяемых эмульгаторов эмульсии могут быть анионного и катионного видов. При этом за последние годы в мировой практике дорожного строительства производятся и используются главным образом (почти 100%) эмульсии катионного вида‚ как наиболее универсальные и обеспечивающие достаточную адгезию вяжущего к поверхности минеральных материалов кислой и основной природы.

За более чем 60-летний период производства битумных эмульсий катионного вида за рубежом в совершенстве отработаны различные составы и технологии их применения в дорожном строительстве и налажен промышленный выпуск большого ассортимента эмульгаторов для различных составов эмульсий применительно к их назначению.

Наибольший опыт в теоретических разработках и в практическом использовании битумных эмульсий накоплен во Франции‚ которая считается мировым лидером в этих вопросах и где более 30% от общего объема органических вяжущих для дорожных целей применяется в эмульгируемом виде.

В России в середине 60-х годов на основании научно-исследовательских работ и небольшого опыта практического применения были разработаны технические и нормативные документы по приготовлению и использованию битумных эмульсий в дорожном строительстве.

Однако главным образом эти документы отражали вопросы применения эмульсий анионного вида‚ так как химическая промышленность России и в целом Союза ССР не производила катионные эмульгаторы применительно к дорожному строительству. За весь этот период отечественной машиностроительной промышленностью не был налажен выпуск всего комплекта оборудования для эмульсионных баз‚ и только на энтузиазме отдельных специалистов и коллективов дорожников создавались такие базы для производства эмульсий анионного вида. За последние годы в условиях рыночных отношений и открытости границ в России и странах СНГ целый ряд дорожных организаций начал создавать базы по производству катионных битумных эмульсий‚ главным образом‚ на основе импортного оборудования с использованием импортных эмульгаторов. Наряду с этим‚ ряд наших заводов‚ и в частности АО «Дормаш» (г. Верхний Уфалей)‚ начал выпуск комплекта оборудования для приготовления битумных эмульсий.

Несмотря на то‚ что государственный стандарт на эмульсии битумные дорожные действует с 1982 года (ГОСТ 18659-81)‚ первые технические условия на промышленный выпуск отечественных эмульгаторов катионного вида для дорожных целей были разработаны в 1996 году фирмой «Дорос» (г. Ярославль) и фирмой ЗАО «Амдор» (Санкт-Петербург)‚ испытания проб которых показали их конкурентную способность по отношению к лучшими зарубежным аналогам.

Промышленные установки по производству битумных эмульсий имеют производительность‚ как правило‚ от 5 до 40 т/ч. Производство эмульсий обычно осуществляется с помощью коллоидных мельниц‚ основными характеристиками которых являются:

•наличие воздушного зазора‚ регулируемого или постоянного‚ находящегося между статором и ротором‚ что непосредственно влияет на тонкость эмульсии;

•скорость вращения ротора‚ которая имеет значение для гранулометрической формулы битумных частиц.

При этом в разных установках подготовка дисперсионной среды (водной фазы) производится либо заранее в отдельной емкости и в готовом виде подается параллельно с битумом в коллоидную мельницу‚ либо с помощью насосов-дозаторов все компоненты эмульсии в определенной пропорции‚ согласно рецепту‚ подаются в коллоидную мельницу с постоянным измерением водородного потенциала рH как дисперсионной среды‚ так и готовой эмульсии.

Прямые битумные эмульсии катионного вида применяются для следующих видов дорожных работ:

•устройство подгрунтовки при строительстве конструктивных слоев дорожных одежд из асфальтобетонных смесей;

•приготовление холодных эмульсионно-минеральных смесей для покрытий на автомобильных дорогах III–IV категорий;

•устройство оснований по подбору холодного ресайклинга;

•устройство покрытия (основания) по способу пропитки;

•устройство поверхностной обработки;

•ямочный ремонт покрытий с использованием машины типа «РОСКО»;

•приготовление специальных смесей для ямочного ремонта асфальтобетонных покрытий.

Устройство подгрунтовки

Эмульсия наносится разбрызгиванием равномерным слоем на очищенную поверхность основания (покрытия) с помощью гудронатора из расчета 0‚20–0‚30 л/м2 в зависимости от состояния обрабатываемой поверхности. По подгрунтованной полосе нельзя открывать движение‚ так как это может привести к авариям. Однако движение построечного транспорта при устройстве слоя покрытия не вызывает опасений.

После распада эмульсии и испарения воды на поверхности остается равномерная тонкая пленка битума‚ исключающая явление сдвига при уплотнении уложенной по ней асфальтобетонной или подобной ей смеси и обеспечивающая хорошее сцепление между слоями дорожной одежды.

Для подгрунтовки используется быстрораспадающаяся эмульсия 50-процентной концентрации следующего ориентированного состава:

•битум марки БНД 90/130 – 50% масс.;
•эмульгатор марки «Амдор-М» – 0‚25% масс.;
•хлориcтый кальций –0‚2% масс.;
•технический керосин – 1‚0%;
•соляная кислота – 0‚2–0‚3% масс.;
•вода – остальное

Подгрунтовка наносится за 1–3 часа до начала устройства слоя покрытия из условия времени распада эмульсии и испарения воды. Следует избегать того‚ чтобы обработанная поверхность длительное время оставалась открытой‚ так как из-за пыли и загрязнения связующая роль подгрунтовки ухудшится.

При относительно небольшой скорости технологического потока устройства асфальтобетонного слоя целесообразно иметь в наличии высокоманевренный минигудронатор небольшой прозводительности.

В прохладную и влажную погоду эмульсии целесообразно подогревать до 40–50°С.

Приготовление холодных эмульсионно-минеральных смесей

Холодные эмульсионно-минеральные смеси предназначены для устройства конструктивных слоев дорожных одежд‚ в том числе покрытий на автомобильных дорогах III–IV категорий. Верхние слои оснований допускается устраивать из эмульсионно-минеральных смесей и на автомобильных дорогах II категории. Для устройства оснований рекомендуются смеси с максимальным размером зерен до 40 мм и содержанем частиц менее 0‚071 мм до 4%‚ а для покрытий с максимальным размером зерен до 20 мм и содержанием частиц менее 0‚071 мм – до 9%. При этом глинистых частиц не должно быть более 2 %‚ а содержание органических примесей в составе минеральной части смеси не должно превышать 0‚2% по массе.

Ориентировочный состав эмульсий следующий:

•битум марки БДУ 200/300 или (БНД 200/300) – 60–65%;
•пластификатор – 5–10%;
•эмульгатор типа «Амдор-М» – 1‚0%;
•соляная кислота – 0‚3%;
•хлористый кальций –‚3%;
•технический керосин – 1‚0%;
•вода – остальное

Минеральная часть смеси должна иметь непрерывную плавную гранулометрию.

Анализ зернового состава минеральной части смеси для эмульсионно-минеральных материалов‚ по нормативным и информационным документам России‚ Белоруссии‚ Франции и Финляндии‚ позволил составить кумулятивную таблицу гранулометрии минеральной части таких смесей (табл. 1).

Смеси‚ в зависимости от назначения‚ могут быть щебеночно-песчаные или гравийно-песчаные. Для обеспечения хорошей обрабатываемости минеральная смесь должна иметь влажность порядка 2–4%.

В качестве исходного битума для эмульсий предпочтение следует отдавать нефтяным битумам из малопарофинистых высокосмолистых тяжелых нефтей‚ обеспечивающих стабильность свойств вяжущего во времени.

Из отечественных битумов предпочтение следует отдавать битумам марки БДУ производства АО «Битран» (г. Ухта).

Условная вязкость исходного битума должна быть в пределах 200–300 ед. пенетрации. При этом в зависимости от срока хранения готовой смеси в штабеле и содержания мелких частиц в минеральной части смеси при производстве эмульсии следует вводить пластификаторы из условия достижения и сохранения требуемой удобоукладываемости приготовленной смеси в течение необходимого периода времени. В качестве пластификатора могут использоваться маловязкие гудроны‚ топочный мазут или моторное топливо.

Количество пластификатора устанавливают опытным путем при лабораторных испытаниях. Эмульсия должна быть медленнораспадающаяся с содержанием битума 60–65% по массе.
В случае неудовлетворительного сцепления вяжущего с каменным материалом следует дополнительно в эмульсию вводить ПАВ. Состав эмульсии в каждом конкретном случае уточняется в лаборатории. Расход эмульсии для приготовления холодных смесей составляет 5‚5–6‚5% по массе минеральных материалов. В каждом конкретном случае расход эмульсии уточняется на стадии проектирования состава смеси.
Готовая смесь должна отвечать требованиям табл. 17 ВСН 115-75 (Технические указания по приготовлению и применению дорожных эмульсий. М.‚ 1976 г.).
Работы по устройству конструктивных слоев из эмульсионно-минеральных смесей следует производить при температуре воздуха не ниже 5OС.
Максимальная толщина слоя‚ укладываемого за один технологический цикл‚ должна составлять не более 10 см.
Смесь укладывают асфальтоукладчиком или любым другим финишером‚ например автогрейдером.
Уплотнение смеси целесообразно производить катками на пневмошинах с последующим выравниванием поверхности слоя 2–3 проходами катком с металлическими вальцами. В случае переувлажненной смеси ее после укладки следует подсушить‚ а затем производить уплотнение.
Движение по уплотненному слою можно открывать сразу же‚ но при этом в течение нескольких дней ограничивают скорость движения транспорта до 30–40 км/ч.
Устройство последующих конструктивных слоев или поверхностной обработки допускается после формирования слоя из эмульсионно-минеральной смеси‚ но не ранее чем через 5–7 суток при сухой теплой погоде.
Работы следует вести в соответствии с положениями СНиП 3.06.03-85 и ВСН 115-75.
Устройство оснований по способу холодного ресайклинга
Холодный ресайклинг представляет собой укрепление (стабилизацию) грунтов‚ каменных материалов и асфальтовой крошки различными вяжущими‚ в том числе битумной эмульсией путем предварительного фрезерования и смешения на дороге.
Технология холодного ресайклинга весьма эффективна при ремонте и реконструкции существующих дорог‚ когда старая дорожная одежда сфрезеровывается частично или на всю глубину с помощью ресайклера и материал используется для укрепления вяжущим‚ в частности‚ битумной эмульсией в качестве основания.
По оценкам специалистов‚ холодный ресайклинг на 20% дешевле традиционной технологии ремонта и на 40–50% сокращает затраты времени.
Для получения достаточно плотного и прочного укрепленного основания кривая гранулометрического состава смеси отфрезерованного материала должна быть плавной и находиться в пределах‚ указанных в табл. 2.

Для стабилизации по способу холодного ресайклинга используются средне- или медленнораспадающиеся эмульсии с содержанием битума порядка 60–65%.

Выбор исходного битума‚ концентрацию эмульсии и ее содержание в смеси осуществляют в каждом конкретном случае на основании предварительных лабораторных испытаний и требований к конечному материалу.

Ориентировочный расход 60-процентной эмульсии находится в пределах 3‚5–5‚5%.

Устройство покрытия (основания) по способу пропитки

Для устройства слоев дорожных одежд по способу пропитки используют среднераспадающуюся эмульсию.

Устройство конструктивных слоев дорожной одежды по способу пропитки следует производить при температуре воздуха не ниже 5°C. При этом при температуре воздуха ниже 10°C эмульсии необходимо подогревать до температуры 40–50°C.

Ориентировочный состав эмульсии следующий:

•битум марки БДУ l100/130 (БНД 90/130) – 55–65%;
•эмульгатор типа «Амдор-М» – 0‚6%;
•соляная кислота – 0‚3%;
•хлористый кальций – 0‚3%;
•технический керосин – 1‚0%;
•вода – остальное

Покрытие по способу пропитки следует устраивать из щебня изверженных пород марки не ниже 800 или осадочных и метаморфических пород не ниже 600. Щебень‚ используемый для устройства оснований‚ должен быть марки не ниже 600. Каменные материалы должны быть чистыми и не должны содержать частиц менее 1 мм больше‚ чем 3%.

Количество эмульсии‚ необходимое для пропитки‚ назначается из расчета:

•полная пропитка (h=8–10 см) известнякового щебня – 11 - 14 л/м2;
•полупропитка (h=5–7 см) известнякового щебня – 7 - 10 л/м2;
•полная пропитка (h=8–10 см) гранитного щебня – 9‚5 - 12 л/м2;
•полупропитка (h=5–7 см) гранитного щебня – 6 - 9 л/м2

При применении известнякового щебня концентрация эмульсии должна быть 55–60%‚ а гранитного щебня – 60–65%.

Размер фракций и расход щебня‚ а также порядок работы осуществляют в соответствии с положениями СНиП 3.06.03-85 и ВСН 115-75 в зависимости от толщины слоя пропитки.

В каждом конкретном случае необходимо опытным путем уточнять расход эмульсии.

Эмульсию следует разливать по влажному щебню.

Устройство покрытий следует заканчивать за 5–7 суток до наступления осенних дождей.

Поверхностную обработку можно устраивать через 3–5 дней после выполнения работ по пропитке.

Современное устойство поверхностной обработки

Устройство поверхностной обработки

Поверхностную обработку с использованием эмульсии устраивают на автомобильных дорогах II–IV категорий‚ как правило‚ на покрытиях из асфальтобетонных или подобных им смесей.

Для устройства поверхностной обработки используют быстрораспадающуюся эмульсию с концентрацией 67–69%.

Для приготовления эмульсий в Северо-Западном регионе России рекомендуется использовать битум марки БДУ 100/130.

Историческое устойство поверхностной обработки

Ориентировочный состав эмульсии следующий:

•битум марки БДУ 100/130 – 67–69%;
•эмульгатор типа «Амдор-М» – 0‚3%;
•соляная кислота – 0‚3%;
•хлористый кальций – 0‚3%;
•технический керосин – 1‚0%;
•вода – остальное

Исходя из жесткости асфальтобетонных покрытий и наличия производимого щебня для поверхностной обработки с использованием эмульсий возможно применение прочного щебня фракций 10–15 мм и 15–20 мм. В связи с тем‚ что возможны закрупнение щебня‚ повышенные поперечные уклоны проезжей части и большой расход эмульсии при применении щебня фракции 15–20 мм‚ целесообразно использовать щебень фракции 10–15 мм. Щебень по форме зерен должен соответствовать группе 1‚ т. е. содержание зерен игловатой и лещадной формы не должно превышать 15% по массе. Замельчение и закрупнение фракции щебня 10–15 мм не должно нарушать правило Паво и Линкенхейля‚ когда d=0‚6Д (d – наименьший размер зерен‚ а Д – наибольший).

По нормам Франции‚ содержание зерен лещадной и игловатой формы допускается на дорогах с малой интенсивностью движения до 20–25%‚ на дорогах с интенсивным движением – до 15%‚ а на дорогах с высокой интенсивностью движения – до 10% по массе щебня.

Щебень должен быть очень чистым‚ что обсуловливает его тщательную мойку либо в процессе производства‚ либо на строительной площадке.

Количество частиц‚ проходящих через сито 0‚5 мм‚ не должно быть больше 2% для дорог с малой интенсивностью движения‚ не более 1‚0% – для дорог с интенсивным движением и не более 0‚5% – для дорог с высокой интенсивностью движения.

При этом в остатке менее 0‚5 мм не должно быть частиц менее 0‚005 мм более чем 0‚05%. Наличие глины исключается совершенно.

Норма расхода щебня фракции 10–15 мм составляет 11‚5–13 кг/м2‚ а эмульсии – 1‚6–1‚8 л/м2.

Перед устройством поверхностной обработки покрытие должно быть тщательно очищено от грязи и пыли.

В необходимых случаях следует промывать покрытие водой. Перед розливом эмульсии поверхность покрытия не должна быть мокрой‚ но может быть слегка влажной.

На подготовленную поверхность автогудронатором с хорошо прочищенными форсунками производят розлив эмульсии всего объема в один прием. Практические дозирования вяжущего в указанных выше объемах являются средними значениями для средних условий состояния покрытия. Сложность состоит в том‚ чтобы оценить конкретное состояние поверхности покрытия: «жирная» и гладкая поверхность‚ пористая‚ шероховатая и очень шероховатая поверхность. Отсюда и норма розлива эмульсии должна быть дифференцирована по отношению к среднему значению‚ равному 1‚7 кг/м2.

В случае с гладкими и «жирными» поверхностями покрытия может быть уменьшение дозировки порядка на 10–20%.

Во всех других случаях возможно увеличение нормы розлива на 10–20% от среднего значения‚ что позволит избежать негативных последствий‚ обусловленных пористой‚ шероховатой или покрытой микротрещинами поверхностью.

В прохладную и пасмурную погоду (менее 20°C) предпочтительно производить розлив эмульсии при ее температуре 40–70°C. В жаркую сухую погоду (25°C и выше) специальный подогрев эмульсии не требуется.

Щебнераспределитель должен следовать за гудронатором не позже чем через 20–40 с. Этот временной промежуток не следует увеличивать‚ так как‚ во-первых‚ это определяется временем распада эмульсии‚ а во-вторых‚ при деформированном (неровном) покрытии эмульсия может стекать в пониженные места.

Особое внимание следует уделять сопряжениям на стыках. Не схватившийся во время обработки предыдущего участка щебень должен сметаться перед розливом эмульсии на последующем участке.

Скорейшее распределение щебня за розливом эмульсии определяет качество будущего слоя поверхностной обработки и дневную производительность отряда на объекте.

Уплотнение поверхностной обработки обеспечивает упаковку зерен щебня и их закрепление на поверхности покрытия посредством пленки вяжущего. Пневматические катки хорошо обеспечивают эти функции. Пневматические шины приспосабливаются к неровностям поверхности и не раздавливают зерна щебня. Этот эффект достигается при давлении в шинах от 7 до 8 бар и нагрузках от 2 до 2‚5 т на колесо за 3–5 проходов по следу со скоростью порядка 3 км/ч в начале укатки и со скоростью до 10 км/ч при последних проходах.

В течение 1–2 суток следует ограничивать скорость движения транспорта для исключения выброса зерен щебня из несформировавшегося полностью слоя поверхностной обработки.

В процессе формирования слоя необходимо тщательно следить за выбросом зерен щебня и вовремя производить их удаление. В противном случае‚ наличие незакрепленных зерен щебня на поверхности «коврика» провоцирует его разрушения и создает опасность для участников движения.

Ямочный ремонт покрытий с использованием машин типа «РОСКО»

Машины типа «РОСКО» работают по принципу подачи на ремонтируемый участок (в выбоину) эмульсии и щебня‚ обработанного эмульсией в специальной камере с большой скоростью‚ что обеспечивает плотную упаковку смеси‚ благодаря чему не требуется ее последующее уплотнение другими средствами.

Машина типа «РОСКО» позволяет производить продувку выбоин сжатым воздухом‚ предварительную подгрунтовку места ремонта эмульсией и затем подавать обработанный эмульсией мелкий щебень для заделки выбоин и других подобных дефектных мест небольшой площади.

Для технологии ямочного ремонта с использованием машин этого типа в Финляндии используются быстрораспадающиеся эмульсии‚ приготовленные на вязких битумах со значением пенетрации при 25°C порядка 110–130 ед.

При производстве работ в холодное время года желательно применять эмульсию с температурой +30–60°C.

Исходя из этого‚ состав эмульсии может быть следующий:

•битум марки БНД 90/130 – 65–67%;
•эмульгатор типа «Амдор-М» – 0‚3%;
•соляная кислота – 0‚3%;
•хлористый кальций – 0‚3%;
•технический керосин – 1‚0%;
•вода – остальное

Кроме того‚ ямочный ремонт асфальтобетонных покрытий с использованием эмульсий может производиться способом пропитки либо с применением складируемых и нескладируемых эмульсионно-минеральных смесей.

Для способа пропитки следует использовать щебень различных фракций в зависимости от глубины и площади поврежденных мест‚ при этом максимальный размер зерен щебня‚ как правило‚ должен составлять не более 20–25 мм.

Состав битумных эмульсий для указанных способов ремонта аналогичен составам эмульсий‚ изложенных в соответствующих разделах данной статьи.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка нефтяных битумов можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок нефтяных битумов в России».

Никольский Ю. Е.
к.т.н., главный инженер объединения «Дорстройпроект»

www.newchemistry.ru