Теплый асфальтобетон в дорожном строительстве

Крупные российские дорожно-строительные компании не только поддерживают парк техники на современном уровне, но и активно занимаются самостоятельными исследованиями, а также внедрением новых технологий. Среди них, например, и использование присадок к битумам, и применение геосинтетических материалов. Без введения новинок в производство сейчас не обойтись также и при строительстве мостовых конструкций. У нас с успехом применяются современные способы продления срока их службы. Надо отметить, что внедрение инноваций, как правило, ведет к удорожанию проекта. Но если подрядчик будет заключать комплексный договор и на реконструкцию, и на обслуживание, а также должен будет за свой счет устранять дефекты покрытия в течение длительного гарантийного периода (именно такой законопроект находится сейчас на рассмотрении в Госдуме), то новые технологии в итоге оправдают себя – межремонтный период значительно увеличится.

Одно из перспективных направлений сегодня – применение теплых асфальтобетонных смесей. Теплые асфальтобетоны (ТАБ) – это общий термин, охватывающий множество технологий, позволяющих производить, транспортировать, укладывать и уплотнять асфальтобетонные смеси при более низких, чем предусмотрено для обычных (горячих) смесей, температурах. Данный метод позволяет снизить степень старения материала, увеличить срок службы дорожной одежды в среднем на 2–3 года. Остывание теплой смеси происходит медленнее, что позволяет выйти за пределы обычного сезона и продолжать работы при температуре окружающего воздуха до –5 °С и ниже. Кроме того, исследования специалистов показали, что такая укладка характеризуется меньшей степенью загрязнения окружающей среды. Понижение температуры смеси на 25 °С уменьшает выделение вредных веществ более чем на 70%.

Асфальтовый завод также потребляет меньше энергии и производит меньше выбросов в атмосферу. Битум меньше окисляется, продлевается общий срок его службы. Современные технологии для ТАБ были разработаны в 1998–99 гг. в Германии и Норвегии. Международная строительная индустрия быстро восприняла идею производства и укладки асфальта с пониженной температурой. К концу 2012 г. примерно 77 млн. т теплого асфальтобетона было успешно произведено и уложено в США, что составляет примерно 25% от их общего объема. Значительные объемы были уложены в Европе, особенно во Франции, Голландии и Германии. В Азиатско-Тихоокеанском регионе лидером по внедрению теплого асфальта оказался Китай.

Казалось бы, ничего особенного в такой инновации нет, так как речь идет всего лишь о понижении температуры смеси. Однако США только за счет этого нововведения планируют сэкономить на дорогах к 2020 г. до $3,6 млрд. Европейские стандарты для битумных смесей не ограничивают возможностей использования ТАБ. Они регламентируют только максимальные температуры конкретных смесей. Минимальную температуру укладки смеси должен заявлять сам производитель. Российский ГОСТ 9128 2009 года делит смеси на горячие и холодные по вязкости битума и температуре (соответственно выше или ниже 120 °С). Учитывая, что характерная температура для теплой смеси – 100–130 °С, она может относиться к обеим категориям. В мире существуют десятки различных способов получения теплого асфальтобетона. Самый распространенный в России вариант – это внести добавки в связующее вещество (битум) для понижения его вязкости при температуре выше 90 °С. Нужно учесть, что необходимо тщательно подбирать добавку, которая подойдет лучше всего для конкретного объекта. Температура ее плавления должна быть выше, чем максимально возможная температура асфальтобетона при эксплуатации, иначе может возникнуть остаточная деформация.

Свойства добавки не должны способствовать растрескиванию материала при низких температурах. Органические добавки – это обычно синтетические парафины или амиды жирных кислот. Они могут добавляться как прямо в смесь, так и в битум. Синтетические парафины по свойствам отличаются от собственных парафинов с низкой температурой плавления, которые содержатся в битуме и могут негативно влиять на качество смеси. Другой вид добавок – это поверхностно-активные вещества, которые уменьшают силы трения между наполнителем и связующим. Обычно добавки позволяют снизить температуру смеси на 20–40 °С, а также улучшают сопротивление деформациям.

На первый взгляд никакой сложности в применении этой технологии нет – достаточно высыпать необходимое количество гранул или влить жидкость в бункер со связующим, в зависимости от того, в каком виде выпускается добавка. К недостаткам данного метода необходимо отнести высокие переменные затраты, так как необходимо постоянное приобретение дорогостоящих компонентов. При работе с добавками могут возникнуть сложности с поддержанием нестандартного температурного режима, так как большинство АБЗ настроены на горячие смеси. Для смешивания добавок с битумом тоже не предусмотрено специальных режимов работы. Этот процесс может занять немалое время. Добавки изменяют физические свойства смеси, поэтому может потребоваться корректировка ее рецептуры.

Наиболее известная в России комплексная присадка Evotherm (производитель – MeadWestvaco, США) позволяет снизить рабочие температуры производства и укладки асфальтобетонных смесей, улучшить обволакиваемость щебенок битумом, а также повысить удобство укладки смеси, улучшить адгезию битума к каменному материалу. Смесь с добвалением Evotherm становится более податливой к уплотнению дорожными катками. В состав этой присадки входят продукты конденсации полиаминов жирных кислот. Evotherm в количестве 0,2–0,5% (по массе) может добавляться к битуму как на стадии предварительной подготовки вяжущего в рабочей емкости, так и непосредственно в линию подачи к смесителю АБЗ. Добавка пригодна для любых типов смесей, в том числе приготавливаемых с применением модифицированных битумов. Она совместима с силикатами и известняками, а также эффективно работает при добавлении асфальтобетонной крошки, полученной при переработке старого покрытия. Из особенностей смесей с добавкой Evotherm можно отметить высокую обволакиваемость щебенок и частиц песка, снижение расхода топлива на подготовку материалов и выбросов дыма почти вдвое, а также лучшую уплотняемость по сравнению с обычными смесями.

Другой путь для снижения вязкости битумов – это механическое вспенивание. При инжекции небольшого количества холодной воды (менее 2% по массе) в горячий битум она мгновенно превращается в пар. Объем битума при этом временно увеличивается, и он лучше обволакивает инертный материал. Данная технология получила наиболее широкое распространение в США, где около 90% теплых смесей получают именно этим способом. Дополнительные затраты на покупку дополнительного оборудования полностью оправдывают себя при больших объемах работ. Существует несколько производителей оборудования для вспенивания битума.

Американская компания Stansteel со 100-летним опытом производства асфальтовых заводов разработала систему Accu-Shear, которая позволяет добавлять в смесь до четырех компонентов, включая воду. Она состоит из блока смешивания, который включает миксер с большим сдвиговым усилием, блока подачи воды, который обеспечивает давление в 70 атм., электрического блока и блока управления. Такая система может быть установлена на заводы различных типов любых производителей.

Система AQUABlack от компании Maxam (США) проста в установке и также подходит для большинства АБЗ. «Сердцем» системы является вспенивающая пушка. Ее специальные форсунки предназначены для обеспечения равномерного проникновения воды в битум в виде микропузырьков, так чтобы пена была как можно более стабильной и сохранялась во время перемешивания, перевозки и укладки. Пушка врезается прямо в подающий трубопровод и не требует текущего технического обслуживания.

Для производства теплых асфальтобетонов американская компания Astec предлагает компактную высокоэффективную систему Double Barrel Green System. В мире продано уже более 500 таких установок. В комплект входит сам коллектор Green System, в котором происходит образование пены, и сушильно-смесительный агрегат Double Barrel, хорошо зарекомендовавший себя, в нем также воплощены самые передовые технологии. Double Barrel обеспечивает однородность смеси за счет сочетания последовательного и принудительного смешивания. Процесс происходит без доступа кислорода, который вызывает окисление, и битум дольше сохраняется. Пары углеводорода из зоны смешивания подаются в зону пламени горелки. По желанию заказчика комплекс может быть изготовлен в стационарном, полумобильном или мобильном варианте. Установка Green System – компактный агрегат с самоочищающимися форсунками для воды. Для замены или обслуживания форсунок не требуется разборки, это можно сделать, не снимая крышки коллектора. Камеры, где происходит образование пены, не имеют подвижных частей. Как показывает практика, на вспененном битуме можно также производить и укладывать щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) с температурой на 15–30 °С ниже обычной. При этом отмечается улучшение пластичности и физико-механических свойств ЩМА и уменьшаются потери при перевозке смеси от АБЗ до участка укладки.

Компания Gencor (США), которая также занимается производством АБЗ более 100 лет, разработала простой метод вспенивания с использованием энергии потоков. Установка Ultrafoam GX2 может генерировать пену без смешивающего устройства только за счет раздельного регулирования расхода воды и битума. В результате указанные потоки, сильно различающиеся по температуре и скорости, находятся в тесном контакте, что позволяет эффективно использовать энергию их смешивания. В процессе производства вспененного битума небольшое количество воды (от 1,25 до 2% по массе) впрыскивается в центр битумного потока.

Конструкция системы включает подпружиненный клапан, который открывается, когда давление воды за клапаном возрастает. С внешней части форсунки, расположенной по центру, находится специально разработанная мембрана, которая обеспечивает направление и скорость потока битума при постоянном давлении. Не менее важно, что поток битума направляется прямо к точке впрыска воды. Преимущества такой конструкции: вода смешивается с битумом в точной пропорции в непрерывном режиме, нет потерь давления, генерируются пузырьки одного размера. Функция реверсивной работы насоса позволяет эффективно очищать магистрали при необходимости. Система подогрева насоса предохраняет его от замораживания при низких температурах.

Производство теплого асфальтобетона в последнее время получило широкое распространение и в скандинавских странах. Компактная установка Amofoam для вспенивания битума – разработка финской компании Amomatic OY. Установка включает водяной насос высокого давления и «реактор» для смешивания небольшого количества воды с потоком битума, движущегося из резервуара к мешалке смесителя. Распыленный водяной пар формирует битумную пену с пониженной вязкостью и улучшенными характеристиками обволакивания минеральных материалов, позволяющими понизить температуру при смешивании и укладке.

Amomatic OY обладает большим опытом производства асфальтовых заводов циклического типа производительностью от 160 до 300 т/ч. Продукция компании поставляется в основном в Россию. Особенностью данного бренда является модульный принцип конструкции. Монтаж модулей значительно ускорен за счет оригинальных конструкторских решений и простых соединений. Полный цикл монтажа и пусконаладки такого завода требует меньше недели. Модуль Amofoam может быть легко подключен к уже работающему АБЗ и интегрирован в систему управления асфальтовым заводом Amocontrol.

Теплые асфальтобетонные смеси идеально вписываются в «зеленый» тренд, который охватил уже почти весь мир. Существует мнение, что через несколько лет ТБА полностью вытеснит с рынка традиционный горячий асфальтобетон. Так это или нет, покажет время. Несмотря на успех технологии механического вспенивания в США, рынок добавок, которые могут изменять свойства асфальтобетона, вероятнее всего, будет развиваться опережающими темпами, так как исследования в этой области имеют неограниченный потенциал. Для российских условий необходимы собственные технологии, которые бы учитывали особенности нашего климата. Не исключено, что в ближайшем будущем фактор сезонности при строительстве дорог благодаря теплым смесям будет сведен к минимуму, что станет способствовать ускорению реконструкции дорог, в котором так нуждается Россия.