Проблема повышения долговечности асфальтобетонного покрытия и пути её решения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

«Проблема повышения долговечности асфальтобетонного покрытия и пути её решения»

по дисциплине «История и философия науки»

(технические науки)

Выполнил: аспирант I курса

Ястремский Дмитрий Андреевич

Направление:08.06.01 Техника и технологии строительства

Профиль: Строительные материалы и изделия

Научный руководитель: Абайдуллина Т.Н.,

кандидат технических наук

Тюмень 2016

Содержание

асфальтобетон модификация добавка научный

Введение

1. История асфальтобетона

1.1 Предпосылки появления асфальтобетона

1.2 История применения асфальтобетона

2. Зарождение научного подхода к применению асфальтобетона

3. Улучшение свойств асфальтобетона

3.1 Проектирование состава

3.2 Добавки, улучшающие свойства асфальтобетона

Заключение

Список литературы

Введение

Проблема долговечности асфальтобетонных покрытий несомненно обладает актуальностью в настоящее время, как в России, так и за рубежом. Более того, в связи с развитием строительной отрасли, важность этой проблемы возрастает с каждым годом. Асфальтобетон - самый распространённый материал в дорожном строительстве. За период с 2006 по 2015 г., по данным Росстата, объем производства асфальтобетонных смесей в России увеличился на 54% и достиг почти 40 млн т. Несмотря на многочисленные преимущества данного материала, в последнее время очень актуальна проблема повышения его качества. В условиях современного скоростного интенсивного движения, увеличения тоннажа транспортных средств, под влиянием жёсткого климата Западной Сибири (широкий спектр изменения температур в течение всего года, циклы замораживания-оттаивания, значительное количество осадков, суточные перепады температур) наблюдается ускоренное разрушение, интенсивное старение и уменьшение срока службы покрытий, что при учёте объёма производств приводит к огромным затратам. Несомненно, под вопрос встаёт и безопасность движения. В настоящее время, в нашей стране накоплен большой опыт в сфере модификации асфальтобетона. Тем не менее, значительная часть данных разработок осталась на стадии лабораторных исследований и не применяется в производственной деятельности. Целью реферата является исследование проблемы долговечности асфальтобетонного покрытия и предложенных ранее решений в исторической хронологии. По прочтению данной работы, реципиент получит необходимую информацию о том, как возникла эта проблема и о её состоянии в настоящее время. К числу основных задач можно отнести следующие:

Изучить истории возникновения материала

Подчеркнуть пользу его применения

Отметить первые попытки изучения материала

Показать важность научного подхода к процессам производства

Исследовать методы улучшения свойств асфальтобетона

Обратить внимание на приоритетные направления

Проанализировать соответствие проблемы и предложенных путей решения

Вычленить перспективные пути решения данной проблемы

Реферат разделён на 3 части. В первой части рассмотрена история и предпосылки возникновения материала, во второй части обособлены основные факторы перехода к изучению материала на научной основе, третья часть посвящена способам модификации свойств. Такое деление даёт возможность разносторонне изучить материал согласно истории его развития, обозначить важнейшие открытия и разобрать процесс эволюции асфальтобетона. Для успешного выполнения поставленных задачах необходимо обратиться к научным методам и логическим операциям мышления. В процессе работы применён метод анализа для выявления структуры исследования и выделения значимых факторов. Использованы методы сравнения, сопоставления и обобщения. Работа требует чёткого определения понятий. Добиться продвижения позволяет также и метод фальсификации - опровержение некоторых составных частей теорий с целью перехода к более совершенной теории. Подтверждение теорий и закономерностей осуществлено методом верификации, позволяющим при наличии эмпирических данных подтвердить теорию в пределах установленных границ. В ходе работы использована различная литература. Изучены труды многих учёных СССР: Горелышева, Руденской, Геззенцвея, Богуславского, Гельмера, Урьева, Кучмы. Использована нормативная литература. Уделено значительное внимание современной литературе, а именно статьям из журналов, в том числе заграничных: «Строительная Орбита», «Автомобильные дороги», «Superpave series», «Handbook on recycling».

1. История асфальтобетона

1.1 Предпосылки появления асфальтобетона

Асфальтобетон - уплотненная асфальтобетонная смесь. Асфальтобетонная смесь - рационально подобранная смесь минеральных материалов, щебня (гравия) и песка с минеральным порошком и битумом, взятых в определенных соотношениях и перемешенных в нагретых состоянии. Природный асфальтит образуется из нефти. В древности крупнейшим источником асфальта служило Мёртвое море, вплоть до конца XIX века именуемое Асфальтовым. Когда-то глыбы асфальта в большом количестве всплывали прямо на поверхность со дна моря. В последний раз такой случай был зафиксирован в 60-е годы XX века, причем вес куска был более 1 тонны. Ассирийцы, финикийцы и египтяне широко использовали гидроизоляционные и связующие свойства асфальта при строительстве зданий и кораблей. Кроме того, египтяне использовали его при мумификации.

Авиценна в своём трактате "Канон врачебной науки" при описании лечебных свойств мумиё упоминает также и асфальт (кафр ал-йахуд, т.е. битум иудейский) [1].

Сирийский асфальт, добываемый на берегах и со дна Мёртвого моря, является асфальтом наиболее высокого качества. Он тверд, хрупок и почти не содержит минеральных примесей. Благодаря своей высокой чистоте используется для создания живописных красок и лаков.

Материал находил множество применений, как в чистом виде так и в соединении с другими веществами. Именно способность образовывать новые системы с отличными свойствами определила популярность материала. Старые мастера использовали сирийский асфальт в качестве краски и для лессировок. Фламандские и голландские живописцы XVII века соединяли асфальт с шеллаком, быстро сохнувшим маслом и воском, получая прозрачную краску красивого золотисто-коричневого тона.

При соединении с другими красками сирийский асфальт просачивается наверх, вызывая почернение и растрескивание красочного слоя -- кракелюры.

Сирийский асфальт также используется в различных техниках печати гравюр.

Используя свойство асфальта окисляться на свету, делаясь менее растворимым, в 1816 г. Жозеф Ньепс начал свои опыты по гелиографии, что позднее привело к изобретению фотографии. В 1826 г. с помощью камеры-обскуры Жозеф Ньепс получил на металлической пластине, покрытой тонким слоем сирийского асфальта, вид из окна своей мастерской.

Первые попытки промышленного использования асфальтов Пич-Лейка предприняли испанцы в конце XVIII в., однако только в 1850 г. начинается масштабное освоение богатств Асфальтового озера. В 1888 г. была основана The Trinidad Lake Asphalt Company, которая до сих пор осуществляет добычу природного асфальта. В 1978 г. она была преобразована в национальную государственную компанию Lake Asphalt of Trinidad and Tobago, Ltd. В 1990-х гг. ежегодная добыча компании составляла примерно 200 тыс. т. В настоящее время Пич-Лейк является самым значительным коммерческим месторождением в мире, хотя добыча несколько упала. Около 80 % добычи направляется на экспорт. Стоимость экспорта, например, в 1999 г. составила 30 млн дол.

1.2 История применения асфальтобетона

Изначально для мощения улиц городов использовались камни. Тогда распространены были именно булыжные мостовые. Но уже с середины XIX века в ряде стран, к примеру в США и во Франции стали набирать популярность битумоминеральные смеси. Литой асфальт был применён впервые в 1867 г. В США. Важным шагом к п массовому применению асфальтобетона стало покрытие тротуаров Королевского моста в Париже. Развитие дорожной сети выдвигало новые. Более жёсткие требования к покрытиям. Особенно, это касалось скорости их возведения.

Так, в 1904 г. в США была построена дорога, протяжённостью 29 километров. Для строительства применялся гудронатор. В то время подтвердилась пригодность асфальтобетона в дорожной отрасли. Материал обладал очень важными качествами: ровностью, низким уровнем шума и шероховатостью, обеспечивающей необходимое сцепление с шинами транспортных средств. К тому же, при использовании цементобетона приходилось ждать 28 суток до набора им необходимой прочности. По асфальтобетонному покрытию, возможно открытие движения, сразу после завершения всех стадий строительства. Покрытие из асфальтобетона доказало свою ремонтопригодность и способность прекрасно держать разметку.

Также наблюдалась тенденция применения асфальтобетона и в России. За популяризацию данного материала взялся инженер И. Ф. Буттац. Его усилиями было налажено производства асфальтобетона в России. В те времена, 1 мІ покрытия обходился в 14 руб.

Огромный вклад в развитие строительства асфальтобетонных покрытий внёс П.В. Сахаров, разработавший теорию проектирования и производства асфальтобетонных смесей. В итоге асфальтобетон был применён на фортификационных работах, ещё до первой мировой войны.

В России покрытия из измельченных природных сызранских битумосодержащих пород (киров) начали сооружать в 1869 г. Первым местом добычи русского асфальта стал Сызранский завод. (на правом берегу Волги выше Сызрани на 20 км). В отличие от трамбованного асфальта, эти покрытия делали из пород, содержащих большее количество природного битума; измельченную породу разогревали в котлах или на металлических листах, горячую смесь распределяли по основанию и разравнивали вручную (придавливая гладилками), что было достаточно для ее уплотнения. Этот материал получил название «литого асфальтобетона» [2].

Строительство покрытий из горячих смесей, требующих уплотнения получило широкое распространение в начале XX века. Были представлены смесительные установки, в которых минеральные материалы смешивались с битумом, после их подогрева. Благодаря механизации процесса обороты производства ускорялись. Также в начале 20-х годов XX в. в США появились первые лопастные мешалки для получения асфальтобетонной смеси.

В России строительство покрытий такого типа началось в начале 30-х годов ХХ века. Первый участок дорожного асфальтобетонного покрытия в России был сооружен в 1928 г. на Волоколамском шоссе под руководством проф. П.В. Сахарова. Это было связано с появлением в России зарубежных асфальтосмесителей и асфальтоукладчиков.

Следует отметить, что практически при начальных стадиях строительства покрытий из асфальтобетона, была отмечена необходимость создания нормативных документов, контролирующих состав асфальтобетона и все стадии строительства. Становилось ясно, что зарубежный опыт не отражает климатических условий нашей страны.

По окончанию Великой Отечественной Войны значительно возросла интенсивность движения по дорогам, автомобильный парк вырос в количественном и качественном отношении [3].

В настоящее время асфальтобетон является основным материалом для дорожного строительства. Объёмы производства колоссальны.

Первая часть позволяет увидеть, что асфальтобетон использовался с древности. Это можно объяснить тем, что природный асфальт находится в составе пород, что дало возможность отметить его вяжущие свойства и использовать его во многих целях Закономерно, что при повышении уровня развития, материал находил всю большую область применения, что и прогнозируется в будущем.

2. Зарождение научного подхода к применению асфальтобетона

Как показано в Главе 1 асфальтобетон применяли ещё в период до нашей эры. Он являлся довольно распространённым материалом в Древнем Риме, Месопотамии, Египте и Сирии. В то время материал применялся без всякого научного анализа, так как легко выдерживал все транспортные перевозки тех времён и вопросов по его применению не возникало. Но очень важно отметить ту самую границу перехода от простого использования материала к необходимости изучения его свойств. И даже первый шаг к этому направлению был сделан очень нескоро. Это произошло в 19 веке, когда Томас Телфорд, построивший более 900 км дорог на территории Шотландии. Было замечено, что размер камней влиял на качество покрытия. Рабочих заставляли отбирать камни примерно одного размера. Также он предложил разогревать материал, что делало строительство быстрее, проще и качественнее.

Бельгийский химик Эдмунд Дешмедт руководил укладкой асфальтобетонного покрытия в 1870 в Ньюарке. Затем была построена трасса в Вашингтоне. Патент на асфальтобетон был получен в 1871 году.

Примерно 140 лет назад бельгийский химик Edward J De Smedt обнаружил, что сопротивление деформированию смеси песка и битума можно повысить путем надлежащего выбора содержания в ней вяжущего. После эмиграции в США, работая в Колумбийском университете, он в 1870 году запатентовал песчаный асфальтобетон с соотношением содержания битума и песка 1:5 (патент США 103.581) [4]. В том же году под его руководством был устроен небольшой участок с таким покрытием в г. Ньюарке (штат Нью-Джерси), а в 1877 году сделано покрытие на центральной улице столицы США г. Вашингтона площадью 45000 м2 (первая половина которого была построена из смеси песка с природным асфальтом, доставленным с острова Тринидад, а вторая - из горного природного асфальта, импортированного из Франции). Песчаный асфальтобетон в виде смеси песка с тринидадским озерным асфальтом оказался лучше. Тринидадский асфальт содержит 50-57 % битума и коллоидную глину вулканического происхождения, характеризуется плотностью 1,42 г/см3, температурой размягчения 93-97 °С и глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) 3-10.

Первый метод оценки оптимального содержания битума в смеси, предложенный К. Ричардсоном и описанный выше, был чисто визуальным. До 1920 х годов никаких количественных методов, основанных на механических испытаниях смеси, в США не существовало [5]. Первый такой метод предложили в середине 1920 х годов P. Hubbard и F. Field (метод Хаббарда-Филда).

К этому времени асфальтобетон как материал для дорожных покрытий завоевал лидирующее место. В двенадцати крупнейших городах страны 54 % площади покрытий приходилось на асфальтобетон, 13 % на не укрепленный вяжущим щебень, 15 % - каменную мостовую, 13 % - клинкерную мостовую, 2 % - деревянную мостовую и 3 % - на цементобетон. Необходимо было создать стандарт, который бы предъявлял технические требования к асфальтобетону. П. Хаббард в эти годы, работая секретарем комитета по дорогам и дорожно-строительным материалам Американского общества испытаний и материалов (ASTM), основал асфальтовую лабораторию, превратившуюся впоследствии в известный Асфальтовый институт.

Требовалось, чтобы подобранные смеси были приготовлены в лаборатории и испытаны. Метод Хаббарда-Филда состоял в продавливании уплотненного образца из испытываемой смеси. Цилиндрический образец диаметром 50 мм и высотой 25 мм продавливали через круглое отверстие диаметром 44 мм на дне металлического патрубка. Испытание проводили при температуре 66 °С, соответствующей максимальной температуре поверхности покрытия летом на значительной части территории США. Максимальную нагрузку (в килограммах), которую потребовалось приложить к образцу при испытании со скоростью 60 мм/мин, записывали как показатель «устойчивости» смеси. Подразумевалось, что она характеризует сопротивление асфальтобетона образованию колеи при проезде автомобилей. Требуемый показатель устойчивости нормировался в зависимости от интенсивности движения.

Прибор Хаббарда-Филда широко применялся во многих штатах. В 1950 х диаметр образца был увеличен до 150 мм, а высота до 50 мм для испытания смесей с размером зерен до 19 мм, но модифицированная версия прибора использовалась недолго в связи с распространением метода Маршалла в этот период. Любопытно, что в России в 1990 х главный инженер объединения «Дорстройпроект», канд. техн.наук Ю. Е. Никольский предложил использовать аналогичный прибор. Пожалуй, самым распространенным методом проектирования состава асфальтобетонной смеси в мире сейчас, как и в последние 30 лет, является метод, разрабатывавшийся Брюсом Маршаллом (Bruce Marshall) с 1939 г., вначале для дорожного департамента штата Миссисипи.

В 1943 г. известная экспериментальная станция водных путей корпуса военных инженеров приступила к разработке портативных приборов, используемых при проектировании асфальтобетонной смеси применительно к аэродромным покрытиям. Причиной явилось существенное повышение давления воздуха в шинах самолетной тележки во время войны с 0,7 МПа до 1,4 МПа, а в послевоенные годы - до 1,7, а иногда и до 2,5 МПа. Эти давления настолько превышали давление воздуха в автомобильных шинах, что опыт службы асфальтобетонных покрытий и проектирования состава смесей для них, накопленный дорожниками, не мог удовлетворить аэродромщиков.

Военные инженеры считали метод испытаний Хаббарда-Филда полезным, но не исчерпывающим. Они ценили предложенный Хвимом метод оценки требуемого содержания битума, но считали, что стабилометр измеряет, главным образом, внутреннее трение в смеси, а приборы Ф. Хвима пригодны для стационарной лаборатории, но не для полевых условий. Они заинтересовались предложенными Б. Маршаллом методами и приборами для приготовления образцов и их испытания.

Сначала военные инженеры принялись экспериментировать с прибором для уплотнения (подобным применявшемуся Р. Проктором при стандартном уплотнении грунтов), чтобы в лабораторных условиях воспроизвести плотность, достигаемую при строительстве и при последующем действии нагрузок от самолетов. Параллельно с лабораторными исследованиями испытывали опытные участки с асфальтобетонными покрытиями повторными проездами при различных нагрузках на колесо и давлениях в шине. В отличие от метода Ф. Хвима, большое внимание было уделено требуемому зерновому составу смеси. В частности, была выявлена связь высокого содержания природного песка с быстрым образованием колеи. В результате количество природного песка в смесях для аэродромов было ограничено вначале 10 %, а затем увеличено до 15 %. Были разработаны новые методы испытания образцов смеси и критерии выбора ее оптимального варианта.

Метод Маршалла был стандартизирован в ASTM D 1559 и несколько раз модифицировался. В частности, методика механических испытаний образцов смеси была в последний раз изменена в 1996 г. применительно к крупнозернистым асфальтобетонам и переиздана в 2001 г.

В 1901 году Фредерик Воррен зарегистрировал патент на асфальтобетон, описав его как материал из твёрдой части и битума. Тогда же они с братом построили первый асфальтобетонный завод и впервые ввели обязательный контроль качества поступающих материалов.

В 1907 году в связи с увеличением количества транспортных средств, приоритетом стало улучшение качества покрытия. Именно тогда были введены средства механизации производства и укладки. При производстве асфальтобетона начали применять барабанные смесители.

Ко времени Второй Мировой Войны Гитлер включил строительство дорог в список главных направление развития Германии, что дало значительное преимущество в передвижении военной техники. Большое развитие получила механизация строительства и ускорение сроков строительства.

Строительство покрытий из горячих смесей, требующих уплотнения получило широкое распространение в начале XX века. Были представлены смесительные установки, в которых минеральные материалы смешивались с битумом, после их подогрева. Благодаря механизации процесса обороты производства ускорялись. Также в начале 20-х годов XX в. в США появились первые лопастные мешалки для получения асфальтобетонной смеси

В послевоенный период, после долгого застоя, строительная промышленность вновь достигла высоких показателей. Не для кого не секрет, что количество транспорта и объём перевозок в наше время растёт не по дням, а по часам, и соответственно, увеличивается нагрузка на дорожное полотно. В связи с этим инженеры вынуждены искать новые инновационные решения устройства дорог. В 80-90-х годах прошлого века покрытия из асфальтобетона толщиной 10-20 см с основанием из щебня в 18-25 см использовали при строительстве дорог высшей категории. Сегодня подобные конструкции пригодны только для дорог 4 и 5 категории. Высокий темп современной жизни предъявляет к дорогам высокие требования.

В этой части освещены предпосылки зарождения научного подхода к материалу. Это позволило не только контролировать его свойства, но также создать необходимое производство и средства механизации, что ускорило темпы строительства. Были предложены методы испытаний материала и контроля качества строительства. Всё это привело к переходу на совсем новый уровень производства, прогрессирующий с каждым годом.

3. Улучшение свойств асфальтобетона

3.1 Проектирование состава

Следует отметить, что в середине XX века при строительстве покрытий из асфальтобетона, была отмечена необходимость создания нормативных документов, контролирующих состав асфальтобетона и все стадии строительства. Первым этапом стало проектирование состава асфальтобетона.

Целенаправленно проектировать состав горячей асфальтобетонной смеси начали в конце XIX - начале XX столетия. В разных районах мира были разработаны несколько отличающихся друг от друга методов подбора составов смеси. Каждый метод включал методику уплотнения горячей асфальтобетонной смеси, фиксированный уровень работы уплотнения, объемометрическую оценку поровых характеристик и механические испытания асфальтобетона. Из литературных источников известны следующие методы проектирования состава асфальтобетона:

- по объему воздушных пор и минимальному количеству битумного вяжущего в образцах, уплотненных по Проктору (метод Хаббарда-Филда);

- по прочностным показателям лабораторных образцов, испытываемых на приборах Хвима, Смита и др.;

- по остаточной пористости образцов, уплотненных и испытанных на приборах Маршалла;

- по асфальтовому вяжущему веществу (метод проф. П.В. Сахарова);

- по растворной части (метод Московского Ушосдора);

- по предельным кривым плотных смесей на основе исследований проф. Н.Н. Иванова (метод Союздорнии);

- по удельной поверхности и модулю насыщенности смеси вяжущим веществом (метод М. Дюрье);

- по заданным эксплуатационным условиям работы покрытия (метод проф. И.А. Рыбьева и другие современные методы).

При многообразии перечисленных выше методов неизменными остаются основные принципы проектирования смеси, ориентированные на обеспечение требуемых качественных признаков асфальтобетона, которые были сформулированы еще в начале прошлого века [6]. Качество асфальтобетона определяется в конечном итоге эксплуатационными свойствами и долговечностью устраиваемых дорожных покрытий. По способам достижения качественных признаков разрабатываемых составов асфальтобетонных смесей можно выделить два направления.

Первое направление ориентируется на получение асфальтобетонных смесей с непрерывной гранулометрией минеральной части (по типу Макадам) и обеспечивает устойчивость покрытий в основном за счет расклинивания крупных зерен щебня более мелкими фракциями. К положительным качествам таких смесей относят высокую шероховатость и сдвигоустойчивость в покрытии, малую чувствительность свойств асфальтобетона к случайным колебаниям содержания минерального порошка и битума. Достаточно высокую технологичность и удобоукладываемость в процессе устройства дорожного покрытия [7]. Для приготовления смесей типа битумных Макадам рекомендуют применять прочные каменные материалы с дробленой формой зерен. Кривая зернового состава минеральной смеси таких смесей обычно соответствует кубической параболе. Покрытие из уплотненной смеси, как правило, характеризуется открытой пористостью, поэтому особенно важно применять в этих смесях такие битумы, которые являются устойчивыми к старению и обладают хорошим сцеплением с поверхностью минеральных зерен.

Второе направление базируется на подборах асфальтобетонных смесей по принципу плотного бетона. В этих смесях допускается применять минеральные материалы с прерывистой гранулометрией и окатанной формой зерен. При уплотнении таких смесей чаще достигается замкнутая пористость асфальтобетона, которая обеспечивает относительно более высокую водо- и морозостойкость покрытия. В то же время смеси, характеризующиеся прерывистой гранулометрией минеральной части, в большей степени склонны к сегрегации. Им также свойственна более высокая восприимчивость к случайным колебаниям содержания минерального порошка и битума, что негативно отражается на показателях физико-механических свойств асфальтобетона. Устраиваемые из таких смесей дорожные покрытия обычно обладают низкой шероховатостью.

Процесс проектирования состава асфальтобетонной смеси можно условно разделить на три этапа:

- на первом этапе определяют свойства минеральных материалов и битума и устанавливают соответствие их показателей специальным требованиям, которые регламентированы соответствующими техническими документами;

- на втором этапе устанавливают рациональное соотношение между исходными составляющими, которое обеспечивает получение асфальтобетона с заданными свойствами, причем в особых случаях дополнительно проводят сопоставительные исследования и испытания асфальтобетонов доступными нестандартными методами для выявления преимуществ оптимального состава по долговечности и эксплуатационным свойствам;

- на заключительном этапе рекомендуется производить технико-экономическое сравнение вариантов подобранных составов смесей и апробирование их на асфальтобетонном заводе.

Выбор оптимального состава асфальтобетона принято производить в зависимости от свойств исходных материалов, характера автомобильного движения и климатических условий местности, что всегда являлось определяющим условием строительства долговечных асфальтобетонных покрытий [8].

3.2 Добавки, улучшающие свойства асфальтобетона

Но в наше время и этого недостаточно. С каждым годом увеличивается интенсивность движения и нагрузка на ось автомобиля. В таких условиях вполне очевидна необходимость улучшения физико-механических свойство асфальтобетона. Существует два типа добавок по способу введения: в битум, или с асфальтобетонную смесь при сухом перемешивании.

Также можно отметить, что в разное время были актуальны различные добавки. Одни добавки доказали свою эффективность, в то время как другие не выдержали резкой перемены условий и были заменены на более эффективные. Тем не менее нельзя успешно прогнозировать эффективность добавок, не рассмотрев истории их применения.

Еще в СССР было предложено множество добавок. Множество авторитетных учёных посвятили свою труды данной проблемы. Среди них: Сахаров П.В., Гезенцвей Л.Б., Рыбьев И.А., Богуславский А.М., Руденская И.М., Горелышев Н.В., Королёв И.В., Ребиндер П.А., Волков М.И. Для понижения вязкости битума вводят разжижающие добавки. В качестве разжижителей применяют лигроин, бензин, мазут, жидкие крекинг-остатки. В зависимости от требуемой вязкости определяют количество добавки. Причём, при значительном содержании разжижителя наблюдается резкое падение вязкости, так как нарушаются структурные связи в битуме и он приобретает свойства ньютоновской жидкости. При небольшом содержании добавок структура битума сохраняется. Но для огромной территории нашей страны, необходимы не только вяжущие с повышенной температурой размягчения, но и вяжущие с пониженной температурой хрупкости. Для получения таких вяжущих в битум вводят пластифицирующие добавки. В результате увеличивается пластичность, уменьшается хрупкость. В качестве таких добавок может быть использовано масло индустриальное, сырьё для производства битумов, гудрон. Важна совместимость пластификатора с пластифицирующим веществом. Пластификацию можно считать частным случаем растворения. В отдельную группу стоит выделить добавки, улучшающие адгезию. Примеры добавок: Dinoran, Poliran, Сондор, Бикор. Сцепление в данном случае следует рассматривать с точки зрения электростатической теории. То есть, для хорошего сцепления битум и минеральный материал должны быть разноимённо заряжены. Каменные материалы имеют электрическое поле, причём кислые породы (например, гранит и кварц) заряжены отрицательно, а карбонатные породы (например, известняк и доломит) заряжены положительно. Так ка битум анионактивен, теоретически хорошее сцепление будет обеспечено при использовании карбонатных пород. Но не следует забывать о том, что данное представление не является исчерпывающим. Наряду с физическими аспектами нужно учитывать и химические, например процесс хемосорбции.

Довольно распространено применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Эти вещества содержат полярные группы, то есть состоят из неполярной части и полярной, обладающей дипольным моментом. Неполярная часть не является активной, молекулы ПАВ амфотерны, полярной частью ориентируются на битум, а неполярной - на каменный материал, тем самым увеличивая энергию взаимодействия. Анионактивные ПАВ повышают сцепление с основными породами, а катионактивные - со всеми породами, но их применение наиболее эффективно при использовании кислых горных пород.

В наше время технология применения ПАВ отработана. Требования ГОСТ 2245-90 [9] обеспечивают хорошее сцепление с мрамором. Практика и многочисленные исследования в нашей стране показали, что в большинстве случаев этого недостаточно для обеспечения требуемой водо- и морозостойкости. [10] Один из эффективных путей повышения сцепления - введение ПАВ. Широко изучено влияние на сцепление с минеральным материалом следующих добавок: АРМДОР-9 (смесь полиаминоамидов и полиаминоимидазолинов), БП-3М (продукт взаимодействия органических кислот и их кубовых остатков), ДОРОС-АП (смесь имидазолинов). Эти добавки обеспечивают сцепление битума с ультракислыми, кислыми и основными минеральными породами, снижая поверхностное натяжение на границе битум-минеральный материал и улучшая обволакивание. Следует учитывать, что данные добавки уменьшают вязкость битума. Также добавки обладаю неприятным запахом и работать с ними в жаркую безветренную погоду необходимо с применением средств индивидуальной защиты. К тому же, добавка БП-3М обладает низкой пожароопасностью и термостабильностью, в связи с чем имеется необходимость ограничивать температуру битума до 120 - 130 °С. Данная температура является рекомендуемой лишь для жидких битумов и вязких битумов марки БНД 130-200, БНД 200-300 [11].

Для повышения адгезии органического вяжущего к поверхности каменных материалов применяют активацию битума. Существует способ активации ультразвуком и электроимпульсным методом они основаны на возможности перехода механической и электрической энергии в химическую. Повышение адгезионных характеристик битума достигается за счёт ряда эффектов, возникающих при ультразвуковой обработке битума, в частности развитой кавитации и акустических течений различного масштаба. Данный способ изучен широко, в литературных источниках подтверждены положительные результаты. Были проведены испытания асфальтобетона на активированном вяжущем, при этом процесс активации производился непосредственно перед добавлением битума в разогретую минеральную смесь. Увеличение адгезии и снижение вязкости позволяет уменьшить содержание битума в смеси. Сцепление с каменным материалом также повышается, за счёт уменьшения толщины плёнки вяжущего. Отмечено повышение прочности в обычном и водонасыщенном состоянии. Но сам процесс ультразвуковой активации сложен: необходимо выбрать схему колебаний и длительность ультразвуковой обработки. На существующий битумопровод необходимо монтировать излучатель. Адгезия оценивается по показателю диэлектрической проницаемости, который, к тому же, зависит от температуры вяжущего. В связи с этим, достаточно сложно выразить адгезию через этот показатель.

Помимо вышеперечисленных добавок, применяют модифицирующие добавки, которые изменяют физико-химические свойства и структуру битума. Большую популярность получили полимерно-битумные вяжущие (ПБВ). Приготовление вяжущих путем химического объединения битума с полимерным материалом приводит к улучшение многих свойств асфальтобетона. Наблюдается уменьшение пенетрации, расширение температурного интервала пластичности (снижается температура хрупкости и увеличивается температура размягчения битума), также улучшаются усталостные и физико-механические свойства битумного вяжущего, улучшается сцепление битумного вяжущего с поверхностью минеральных зёрен. Но при рассмотрении конкретных составов асфальтобетонов с применением ПБВ можно обозначить и некоторые недостатки. Явным недостатком используемых полимерно-битумных вяжущих является низкая растяжимость. Также эти вяжущие характеризуются низким сцеплением с минеральными зёрнами и пониженной температурой размягчения. Разработано ПБВ на основе вязкого битума и полимерного раствора [12]. Большим плюсом этого вяжущего является то, что оно характеризуется более низкой температурой (-30oС) хрупкости, чем у исходного битума (-23oС). Однако введение полимерной добавки разжижает вяжущее. При этом изменяется глубина проникновения иглы при 25oС от 112 (исходный битум) до 180oС. Также значительно снижается растяжимость (от 81 до 42 см). При этом растяжимость снижается настолько значительно, что проявляется несоответствие ГОСТ 22245-90, согласно которому растяжимость при 25oС должна быть не менее 70 см. Выходит, что при всех выше перечисленных положительных свойствах применение такого материала невозможно. Примером другой проблемы являются вяжущие для дорожного строительства, обладающие высокой температурой размягчения (47-78oС) и хорошим сцеплением. Но битумную основу этих вяжущих составляет не битум нефтяной дорожный, а редко встречающийся асфальтит (25-45%) в сочетании с экстрактом селективной очистки масел (58-71%). Получение данных материалов в достаточно больших производственных объёмах остаётся под вопросом. Недостатки вышеперечисленных вяжущих не присущи битумному вяжущему для дорожного покрытия (Пат. 2394859 Р.Ф. МПК C08L95/00), которое содержит смесь из битума, блоксополимеров алкадиена и стирола, а также добавку, в качестве которой использовано масло индустриальное. Но поскольку масло индустриальное является низкополярным пластификатором, его введение облегчает процесс гомогенизации, с другой стороны, изменяет внутренние структуры битума и полимера, в связи с уменьшением количества полярных соединений. Результатам является низкая адгезионная способность к минеральным материалам дорожного покрытия кислой природы. Помимо этого технология приготовления такого материала не даёт возможности варьировать компонентами. Двухстадийное производство, в свою очередь, вызывает трудности при дозировании и транспортировке. Другое вяжущее, включающее битум и кубовый остаток дистилляции нафтеновых кислот имеет невысокую температура хрупкости (-17...-15oC) и размягчения (47...47,5oC), что не подходит для условий Западной Сибири.

Некоторые ученые подчёркивают эффективность добавок обладающих антиоксидантной активностью. Киселёв В.П., Бугаенко М.Б и Кеменев Н.В. в своей статье [13] «Влияние добавок, обладающих антиоксидантной активностью, на качество асфальтобетонных смесей» подчёркивают негативное воздействие кислородных радикалов на битум. Помимо физико-механических показателей приготовленных смесей, группа авторов изучила антиоксидантную активность семи добавок, амперометрическим методом, основанным на измерении электрического тока при окислении исследуемого вещества на поверхности электрода, который находится под определённым потенциалом. На основании этих исследований были сделаны выводы о том, что введение в битум БНД 90/130 таких добавок, как диафен ФП, амин Б, неозон Д, ОСП ДК, ацетонанил Н, ОСП СКО и ОСП СМО при оптимальной концентрации повышает деформативную способность, износостойкость и морозостойкость полученных составов.

Понижение энергоёмкости производства асфальтобетона также актуально. Известен способ модификации битумов полиэтиленовой оболочкой, предложенный профессором Ковалёвым Я.Н. и доцентом Романюком В.Н. [14]. При данном способе полиэтиленовая капсула в процессе перемешивания контактирует минеральным заполнителем, температура которого составляет 190-200°С и нагревается за счёт энергии минерального заполнителя до требуемой температуры. Отличие этой технологии от традиционной заключается в том, что при традиционном способе битум доводят до необходимой температуры вне смесителя. При данной технологии возможны отклонения некоторых свойств асфальтобетона, так как меняются условия подготовки и перемешивания материалов. Морозостойкость такой смеси повышается на 30°С. Все показатели свойств асфальтобетона соответствуют нормативным документам.

Довольно распространено применение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Эти вещества содержат полярные группы, то есть состоят из неполярной части и полярной, обладающей дипольным моментом. Неполярная часть не является активной, молекулы ПАВ амфотерны, полярной частью ориентируются на битум, а неполярной - на каменный материал, тем самым увеличивая энергию взаимодействия. Анионактивные ПАВ повышают сцепление с основными породами, а катионактивные - со всеми породами, но их применение наиболее эффективно при использовании кислых горных пород.

Наиболее эффективны катионоактивные ПАВ. Но ассортимент их не широк. Эффективность использования кубовых остатков производства аминов С17-С20 подтверждалась не раз. Они представляют собой воскообразную массу, цвет - от жёлтого до светло-коричневого. Они вводятся в количестве 3-6% от массы смеси. Но исследования показали, что оптимальный предел составляет 3-4%. Наряду с повышением сцепления отмечено улучшение свойств битума при низких температурах. Температура хрупкости уменьшилась с 15°С до 15,5°С с попутным увеличением растяжимости при 0°С с 4,3 до 5,3 см [15]. Воздействие высоких температур на протяжении более 5 часов отрицательно влияет на стабильность, так как кубовые остатки не обладают значительной термостойкостью. К тому ж, этот продукт токсичен, что требует строгого соблюдения правил безопаности.

В наше время технология применения ПАВ отработана. Требования ГОСТ 2245-90 [9] обеспечивают хорошее сцепление с мрамором. Для обеспечения долговечности покрытия этого недостаточно. Практика и многочисленные исследования в нашей стране показали, что в большинстве случаев этого недостаточно для обеспечения требуемой водо- и морозостойкости. [10] Один из эффективных путей повышения сцепления - введение ПАВ. Широко изучено влияние на сцепление с минеральным материалом следующих добавок: АРМДОР-9 (смесь полиаминоамидов и полиаминоимидазолинов), БП-3М (продукт взаимодействия органических кислот и их кубовых остатков), ДОРОС-АП (смесь имидазолинов). Эти добавки обеспечивают сцепление битума с ультракислыми, кислыми и основными минеральными породами, снижая поверхностное натяжение на границе битум-минеральный материал и улучшая обволакивание. Следует учитывать, что данные добавки уменьшают вязкость битума. Также добавки обладаю неприятным запахом и работать с ними в жаркую безветренную погоду необходимо с применением средств индивидуальной защиты. К тому же, добавка БП-3М обладает низкой пожароопасностью и термостабильностью, в связи с чем имеется необходимость ограничивать температуру битума до 120 - 130 °С. Данная температура является рекомендуемой лишь для жидких битумов и вязких битумов марки БНД 130-200, БНД 200-300 [11].

Также возможно совместное введение полимеров и адгезионных добавок. Известно, что в полимерных клеях именно функциональные группы определяют качество адгезии. При этом значительное влияние оказывает режим полимеризации, сочетание технологических и физико-химических факторов [16]. Раздельное и комплексное влияние полимера типа СБС и ПАВ изучено группой учёных Харьковского национального автомобильно-дорожного университета [17]. Авторы статьи отметили, что на интенсивность смачивания вяжущим минеральной подложки значительно влияет поверхностное натяжение на границе фаз вяжущее-воздух (увв). Были получены следующие результаты: адгезионная добавка влияет принципиально одинаково на немодифицированные и модифицированные полимером битумы; адгезионная добавка практически не изменяет консистенцию и технические свойства битума; модификация полимером повышает температуру равноценного смачивания на 37-42°С, а адгезионная добавка понижает её на 23-58°С, таким образом температура равноценного смачивания становится практически аналогичной показателям чистого битума; усиливается сцепление битума с каменным материалом; существенно возрастает водостойкость. Чем больше содержание полимера, тем меньшее влияние на сцепление оказывает адгезионная добавка.

Возможно использование каучука в качестве модификатора в количестве около 8% т массы вяжущего. Недостатком является то, что для введения каучуков в битум используют масляные и смоляные растворы, так как они почти нерастворимы в битуме.

Представителями группы олигомеров являются жидкий каучук и олигобутидиен. Они повышают морозостойкость и расширяют температурный диапазон асфальтобетона. При этом улучшается адгезионная способность вяжущего. Но применение их лишь в вулканизированном виде является значительным недостатком. Применение сополимеров стирола и дивинила позволяет повысить теплоустойчивость и эластичность. Эти вещества хорошо растворяются в битуме с высоким содержанием мальтеновой части.

Перспективность модификации битумов полимерными добавками в целях повышения долговечности асфальтобетонных покрытий не вызывает сомнений. Отмечено положительное влияние добавки «Duroflex®» [18]. Возможна подача добавки непосредственно в смеситель. При введении добавки в смесь, требуется вводить большее количество полимера, чем при модификации битума. Тем не менее, снижается энергоёмкость процесса. Добавка «Duroflex®» - смесь термопластичных и термореактивных полимеров, а также целлюлозные волокна. Количество составляет 10-15% от массы битума. Результаты, полученные при введении добавки: повышаются характеристики сдвигоустойчивости (внутреннее сцепление и угол внутреннего трения), не снижается показатель температурной трещиностойкости, продление срока службы покрытий на 3-5 лет, незначительно снижается показатель эластичности битума.

Дорожные битумы содержат асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, которые являются поверхностно активными соединениями. При достаточном количестве, эти вещества способны обеспечить сцепление битума поверхностью минеральных материалов основных и карбонатных горных пород [19]. При использовании минеральных материалов основной породы или влажных минеральных материалов, сцепление неудовлетворительно. Для улучшения сцепления дорожного битума с минеральным материалом возможно применять адгезионные добавки на основе криптоанионных ПАВ [20]. Стоимость этой добавки значительно дешевле аналогичных адгезионных добавок, нетоксична, значительно увеличивает сцепление с минеральными материалами основной породы. Добавка не универсальна, не влияет на сцепление битума с минеральными материалами из кислых горных пород.

Модификация битума полимером повышает устойчивость к образованию колеи. Но, при оценке по методу Хвима или Маршалла, результатне столь однозначен. Например, при использовании в качестве добавки 1,5 % полимера Elvaloy оптимальное содержание вяжущего увеличилось на 0,4 %, показатели стабильности и текучести слегка возросли, но так, что жёсткость - их отношение, уменьшилось [21]. Этот может указывать на недостатки этих методов оценки.

В работе, выполненной советскими учёными была рассмотрена возможность совместного применения ПАВ разных классов [22]. Были исследованы процессы антагонизма и синергизма. Значительный эффект синергизма был получен при использовании следующей комбинации: совместное использование битумов, с введением ПАВ катионного типа и минерального порошка с введением ПАВ анионного типа. Наблюдается значительное повышение морозо- и водостойкости асфальтобетона. При увеличении содержании какого-либо из ПАВ наблюдается отрицательный результат. Существует два основных способа введения ПАВ: введение на минеральный материал и в битум. Введение ПАВ на минеральный материал даёт лучший результат, но является куда более громоздким и энергоёмким, в связи с добавкой технологических операций и дополнительного оборудования. Введение ПАВ в битум несомненно более технологично. Возможно, добавлять ПАВ на нефтеперерабатывающем заводе. Для сокращения количества ПАВ существует способ введения на поверхность зёрен минерального порошка в процессе измельчения. [23]

Значительное влияние на свойства асфальтобетона оказывает технология введения добавок. К примеру, учёными Харьковского национального автомобильно-дорожного университета рассмотрено введение ПАВ в битумо-полимерное вяжущее. Были изучены четыре варианты технологии [24]:

Введение ПАВ в битум, затем полимер, затем смешивание в течение часа при температуре 180°С.

Введение ПАВ в битум, введение полимера, немедленное перемешивание.

Приготовление битумо-полимерного вяжущего, введение ПАВ.

Введение ПАВ за пятнадцать минут до окончания приготовления БПВ.

Битумополимерные вяжущие с ПАВ оценивались по следующим показателям: глубине проникания иглы, температуре размягчения, температуре хрупкости, дуктильности, эластичности. В результате сравнения технологий было отмечено, что наиболее целесообразными являются технология введения ПАВ в битумополимерное вяжущего и введение ПАВ за 15 минут до приготовления полимерного вяжущего. При данных технологиях отсутствует потеря ПАВ в результате значительных перегревов. Можно отметить, что глубина проникания иглы полученных вяжущих различаются незначительно (1,9-2,2%) и меньше данного показателя исходного битума, значения температуры размягчения также близки. Показатель растяжимости низок при применении второй схемы. Сцепление значительно больше, чем у исходного битума - в 8-9 раз. Тем не менее, изменение глубины проникания иглы, эластичности и растяжимости при введение ПАВ требует дальнейших исследований.

Возможна модификация битума при совместном использовании ПАВ и полимеров типа СБС [25]. Автором статьи было изучено влияние терполимера ELVALOY-АМ, катионоактивной добавки Wetfix ВЕ полимерного катионного латекса, линейного полимера 8В8-KRATON 1101 на исходный битум. Марка битума БНД 130/200. Применение эластомера позволяет уменьшить склонность к пластическому деформированию [26]. Исходный битум обладает низким сцеплением со стеклом - 16%. Введение ПАВ Wetfix позволяет увеличить показатель сцепления до 85%. Пенетрация, растяжимость и температура размягчения меняются незначительно. Добавка в битум терполимера ELVALOY-АМ позволяет увеличить сцепление лишь на 5 %, происходит увеличение вязкости. При совместном введении ELVALOY-АМ и Wetfix ВЕ сцепление возрастает до 100%. При введении катионного латекса сцепление доходит до 66%, при этом совместное использование латекса с Wetfix позволяет увеличить сцепление до 99%. Результаты подтверждают, что введение ПАВ в БМП позволяет улучшить сцепление с минеральной подложкой.

Широко применяется резина. В связи с увеличением количества автомобилей, отработанной резины покрышек более чем достаточно для удовлетворения производственных потребностей. Эту добавку предложил Чарльз Макдональд в 1960 году. Он использовал асфальтобетон для быстрой заделки крыши своего трейлера. Под действием солнечных лучей и процесса окисления, материал быстро трескался. Тогда он попробовал добавить резину. Затем такой материал был использован для ремонта магистрали. В 1970 только две компании мире применяли резину в качестве добавки в асфальтобетон. К 1975 году Исследовательский Центр Аризоны подготовил нормативную документацию по применению резины в асфальтобетоне. Затем во Флориде был запатентован асфальтобетон с уменьшенным содержанием резины. К 1990 году 23 штата приняли участие в исследовании данного направления. Развитие этого направления сопутствовала и политика правительства США в данной отрасли, на исследования выделялись значительные средства. Одновременно с улучшением свойств асфальтобетона решается проблема утилизации резины. Разработаны различные технологические схемы, при которых резина размельчается до определённых фракций. Было построено множество экспериментальных участков дорог и аэродромов. Отмечено, вторичные трещины на покрытии менее вероятны. Это связано с уменьшением передачи нагрузки на нижележащие слои. Улучшаются фрикционные свойства, возможно уменьшение количества щебня. [27]. Благодаря вкладам многих учёных, стоимость производства асфальтобетона с резиновой крошкой значительно снизилась. Долговечность такого материала больше, чем немодифицированного асфальтобетона, таким образом, очевидна экономия на содержании и ремонте. Снижается уровень шума и вибрации. Увеличиваюстя показатели морозо- и сдвигоустойчивости. В штате Аризона, США были построены экспериментальные участки трассы с применением дроблённой резины, при этом был модифицирован нижний слой покрытия. В результате было отмечено уменьшение количества трещин. Положительное воздействие резины было подтверждено. Такое покрытие ремонтопригодно, возможна его переработка с повторным использование. В США была предложена технология переработки такого покрытия с помощью микроволн. Выбросы в атмосферу лишь незначительно превышают показатели немодифицированного асфальтобетона и соответствуют всем нормативным требованиям. Для получения материала необходим качественный битум. В России битум получают, в основном, по технологии высокотемпературного барботажного окисления. Нефть переводится в битум, в следствии того, что кислород воздуха забирает водород из углеводородных соединений. При этом образуются свободные радикалы и водные пары. При проведении процесса с медленной скоростью, получаем продукт высокого качества. Но для сокращения времени производства и увеличения объёмов выпуска, на заводах часто поднимают температуру с скорость подачи воздуха [28].Такие битумы стареют значительно быстрей, они менее стойки к воде и солям. Но даже при полном соответствии нормативам, в наше время битумы не обеспечивают необходимых показателей. Часто занижен интервал пластичности и отсутствие упругих свойств. Это вызывает разрушение асфальтобетона при изменении температур и высоких нагрузках. Для производства шин используют резину высокого качества. При этом, шины изнашиваются достаточно быстро - пару лет. Они становятся непригодными для передвижения автомобильного транспорта, но при этом химический состав резины практически не меняется. Объёмы производства и потребления огромны - 15-20 млн. тонн ежегодно. В итоге, отработанная резина оказывается на свалках. Помимо того, что эти свалки занимают значительные площади, необходимо понимать то, что при возгорании выбросы в атмосферу будут огромными. На таких свалках не обеспечена пожаробезопасность. За рубежом существуют законы о запрете складирования шин. Нефтеперерабатывающая промышленность в нашей, в свою, очередь отстаёт по качеству битума от промышленности Западной Европы и США. Требуется модификация битума. Современный модификатор должен хорошо смачиваться битумом, вводиться в него равномерно, термостойкость должна быть достаточна высока, так как смешение с битумом необходимо проводить при высоких температурах. Перспективным вариантом модификатора является именно резина, обладающая свойствами эластомера и устойчивая к окислению. Тем более, что в состав шинной резины входят антиоксиданты. Процессы старения замедляются, резина хорошо переносит высокие температуры. Добавка резины позволяет замедлить окислительную деградацию битума. Она обеспечивает структурирование, делает битум резиноподобным, увеличивает деформируемость. Необходимо ориентироваться на модификаторы, введение которых в битум увеличивает адгезию к минеральным материалам, а также заметное увеличивает температурный интервал пластичности и деформируемости. Следует отметить, что производственные мощности по получению и измельчению любого модификатора битума или асфальтобетона должны обладать достаточно высокой производительностью [29]. Технология измельчения позволяет получать довольно крупные частицы модификатора. Дальнейшее измельчении требует значительных энергозатрат. Перспективнее подвергать резину частичной девулканизации, разрушая межмолекулярные связи в приповерхностном слое.