Обсуждение проектирования состава модифицированного битума SBS

　　Аннотация: При правильном подборе состава и соблюдении условий строительства SBS-битум способен значительно улучшить долговечность и высокотемпературную стабильность асфальтобетонного покрытия. В данной статье на основе результатов строительных испытаний на дороге Юньэр-лу мы кратко расскажем о технологических требованиях к устройству покрытия из модифицированного SBS-битума.

　　Ключевые слова: асфальтобетонная смесь SBS, проектирование состава, технические требования

　　Полимерно-модифицированный асфальт — это новый высокотехнологичный и высокоценный строительный материал для дорог. Он улучшает эксплуатационные характеристики путём введения полимеров в дорожный асфальт, что позволяет значительно продлить срок службы покрытия, снизить уровень шума, повысить комфорт и безопасность движения. Асфальтовый вяжущий материал SBS, как разновидность модифицированного асфальта, появился ещё в 1990-х годах. Поскольку SBS представляет собой термопластичный каучуковый сополимер, его применение требует больших объёмов и обходится дороже; из-за ограничений экономического характера он до сих пор не получил широкого распространения в Китае. В 2002 году Институтом Восточно-Китайского университета нефти был разработан модификатор SBS для асфальта. В сотрудничестве с Отделом материалов Управления автомобильных дорог города Дунинг было налажено производство смесей SBS-модифицированного асфальта, и были проведены опытные работы по строительству на южной второй дороге города Дунинь. Ниже, опираясь на данные о строительстве и надзоре за первым этапом проекта южной второй дороги города Дунинь, мы рассмотрим вопросы проектирования состава асфальта SBS, а также особенности технологического процесса строительства.

　　1 Обзор модифицированного битума SBS

　　СБС-модифицированный битум получается путём добавления 2,5%, 3,0% и 4,0% модификатора СБС к исходному базовому битуму (АХ-70). По сравнению с исходным битумом, модифицированный битум обладает повышенной вязкостью при высоких температурах и более высокой температурой размягчения. При правильном подборе состава смеси и соблюдении надлежащих условий строительства долговечность и высокотемпературная стабильность асфальтобетонного покрытия заметно повышаются. В процессе производства СБС-модифицированного битума было проведено большое количество лабораторных испытаний; после изготовления были выполнены полевые испытания его технических показателей. Результаты испытаний показали, что модифицированный битум с добавлением 3,0% СБС соответствует нормативным требованиям по таким показателям, как температура размягчения и глубина проникновения иглы, и может быть использован для проектирования состава асфальтобетонных смесей.

　　2 Проектирование состава асфальтобетонной смеси SBS

　　Чтобы разработанная смесь достигла желаемого результата при реализации, необходимо сформулировать следующие требования, касающиеся таких аспектов, как требования к материалам, технология строительства, стандарты контроля качества и методы контроля качества; надеемся, что эти требования привлекут внимание.

　　(1) Требования к сырью

　　1-1 крупный заполнитель:

　　Для верхнего слоя асфальтобетонной смеси с модифицированным битумом целесообразно использовать щебень или дроблёный гравий; их размеры фракций и требования к качеству должны соответствовать положениям «Технических нормативов по строительству асфальтовых покрытий автомобильных дорог» (JTJ032-94).

　　1) Крупный заполнитель должен быть чистым, сухим, не подвергшимся выветриванию, без вредных примесей и обладать определённой твёрдостью и прочностью.

　　2) Крупный заполнитель должен обладать хорошей формой зёрен; при использовании дроблёного гравия на автомагистралях и дорогах первого класса следует применять дробление крупного гравия с не менее чем двумя рабочими поверхностями.

　　3) Для крупного заполнителя скользкозащитного слоя следует выбирать твёрдые горные породы (нейтральные или основные магматические породы). Поскольку адгезия твёрдых горных пород с асфальтом существенно отличается, степень адгезии крупного заполнителя с асфальтом должна быть не ниже 4-го класса. Что касается фракции каменной крошки размером 3–5 мм, то, поскольку её содержание относительно невысокое и эта фракция играет определённую роль в формировании замковой структуры асфальтовой смеси, рекомендуется использовать крошку из твёрдых горных пород (базальта).

　　1-2 мелкий заполнитель

　　Мелкий заполнитель включает искусственный и природный песок. Для верхнего слоя асфальтового покрытия целесообразно использовать искусственный песок в качестве мелкого заполнителя; мелкий заполнитель должен быть чистым, сухим, не подвергшимся выветриванию, без вредных примесей, обладать соответствующим гранулометрическим составом и обеспечивать хорошее сцепление с модифицированным битумом. Природный песок, обладая большим разбросом по качеству (в основном это средне-крупный песок) и более округлой формой, характеризуется плохим сцеплением с битумом и оказывает значительное влияние на асфальтобетонную смесь. Для асфальтобетонных смесей на автомагистралях и дорогах первого класса содержание природного песка не должно превышать 20%; вместо природного песка допускается использовать каменную крошку размером 0–3 мм.

　　1-3 наполнитель

　　Заполнитель, используемый для верхнего слоя модифицированных асфальтобетонных смесей, должен быть чистым и сухим; его качество должно соответствовать техническим требованиям, установленным «Техническими нормами для асфальтовых покрытий автодорог».

　　1. В качестве наполнителя для модифицированных битумных смесей целесообразно использовать минеральный порошок, полученный путём тонкого измельчения водопроницаемых горных пород с преимущественно основным составом (известняк, магматические породы). Минеральный порошок должен быть сухим и чистым; не рекомендуется использовать回收ный порошок, полученный методом сухой очистки от пыли в процессе производства смесей.

　　2. При использовании цемента и гашёной извести в качестве наполнителя их доля не должна превышать 2% от общей массы минеральных материалов.

　　3. Для асфальтобетонных смесей верхнего слоя не рекомендуется использовать в процессе производства смеси отходы, полученные при переработке. Однако при условии, что индекс пластичности менее 4 и коэффициент гидрофильности меньше 0,8, после проведения испытаний допускается частичное использование таких отходов; при этом доля отходов, используемых на одну партию, не должна превышать одной четверти от общего количества минерального порошка.

　　1-4. Технические требования к модифицированному битуму SBS

　　Технические показатели модифицированного битума SBS

　　Глубина проникновения при 25℃, 100 г, 5 с (0,1 мм) — минимально 60

　　Индекс проникновения иглы PI, минимальное значение «1» — 0,2

　　Длина растяжения 5℃, 5 см/мин (см) — минимальное значение 30

　　Температура размягчения, TR&B (℃), минимум 55

　　Содержание воска (метод дистилляции) (%), максимум 3

　　Динамическая вязкость при 135℃ (Па·с): максимум «2» 3

　　Температура вспышки (℃), минимальная 230

　　Растворимость (%) минимум 99

　　Разделение, разница температур размягчения (℃) максимум «3» 2,5

　　Упругое восстановление при 25℃ (%) — минимум 65

　　Остатки после испытания в ротационной пленочной сушилке (RTFOT) «4»

　　Потеря массы (%) — максимум 1,0

　　Показатель проникновения иглы при 25℃ (%) — не менее 60

　　Длина при растяжении 5℃ (см), минимальная 20

　　Примечание: [1] Показатель проникновения иглы PI определяется путём линейной регрессии значений проникновения иглы при трёх или более различных температурах — 15℃, 25℃, 30℃ и других — по формуле 1Gp = AT + K. После вычисления параметра A он определяется по следующей формуле. Коэффициент корреляции R при линейной регрессии не должен быть ниже 0,997.

　　PI = (20 - 500A) / (1 + 50A)

　　[2] Для определения динамической вязкости при 135℃ в таблице можно использовать метод определения вязкости асфальта (метод вискозиметра Брокфильда), описанный в «Правилах испытаний асфальта и асфальтовых смесей для дорожных работ» (JTJ052-93).

　　Провести определение. Если модифицированный битум легко перекачивается и перемешивается при температуре, не изменяющей его физико-механические свойства и соответствующей условиям безопасности, или если испытания подтверждают, что при надлежащем повышении температуры перекачивания и перемешивания качество модифицированного битума сохраняется, а выполнение работ становится удобным, то проведение такого определения может быть необязательным. При наличии возможности следует определять динамическую вязкость модифицированного битума при 60℃ методом капиллярного вискозиметрического анализа.

　　[3] Если модифицированный битум изготавливается непосредственно на месте и сразу же используется либо при хранении подвергается непрерывной циркуляции перемешивания или перекачки, требования к показателям испытания на расслоение могут не предъявляться.

　　[4] (Китайский сайт по асфальту) В качестве эталонного метода для испытаний на старение следует использовать метод испытания в ротационной сушильной камере с тонкой пленкой (RTFOT); допускается замена на испытание нагреванием тонкой пленки (TFOT), однако это должно быть указано в отчете и не может использоваться в качестве арбитражного решения.

　　1-5. Важные моменты, на которые следует обратить внимание при испытаниях модифицированного битума SBS

　　1. Отбор проб для испытаний

　　Каждая партия модифицированного битума, используемого в процессе строительства, должна обязательно проходить проверку. Отбор проб должен быть равномерным и репрезентативным. Каждую пробу необходимо нагреть и сразу же полностью залить в требуемую форму для испытаний; повторное нагревание для использования не допускается. Температура при заливке форм в ходе испытаний должна превышать 160℃, а перед заливкой форм и подготовкой смеси необходимо тщательно перемешать материал до однородности.

　　2. При проведении испытания на температуру размягчения образец необходимо нагреть до полного расплавления в соответствии с методикой испытаний, после чего залить его в образцовый кольцо. Заполнять образцовое кольцо другими способами недопустимо, иначе результаты испытания окажутся сильно искажёнными.

　　(2) Проектирование состава асфальтобетонной смеси:

　　При проектировании состава модифицированных асфальтобетонных смесей следует придерживаться трёх этапов, указанных в «Технических нормах строительства асфальтовых покрытий автомобильных дорог»: целевого состава, производственного состава и пробного приготовления и укладки, чтобы определить гранулометрический состав минеральных материалов и оптимальное количество модифицированного битума.

　　Градация 2-1

　　При проектировании состава асфальтобетонной смеси следует использовать метод Берра для определения гранулометрического состава. Принципы выбора гранулометрического состава: для смеси типа AC-13I доля частиц размером менее 2,36 мм, проходящих через сито, должна соответствовать нижнему пределу гранулометрической кривой, чтобы обеспечить плотность и межзерновую укладку.

　　Пропорция порошкового материала 2-2

　　Количество частиц размером менее 0,075 мм оказывает значительное влияние на объемные показатели асфальтобетонной смеси и её эксплуатационные характеристики. При проектировании гранулометрического состава смеси необходимо учитывать, что часть пыли, которая должна содержаться в крупных заполнителях, включается в долю частиц размером менее 0,075 мм. Требуется, чтобы содержание минерального порошка не превышало содержания битума; отношение доли частиц размером менее 0,075 мм к содержанию битума, или так называемый коэффициент минерального порошка, должно находиться в пределах от 1 до 1,2. Для асфальтовых покрытий рекомендуется принимать содержание минерального порошка в диапазоне 4,5–5%.

　　Технические показатели смеси 2-3

　　Для эффективного повышения эксплуатационных характеристик асфальтобетонного покрытия асфальтовая смесь верхнего слоя, с одной стороны, должна отвечать условиям водоотдачи, а с другой — предотвращать появление чрезмерной плотности. Поэтому необходимо дополнительно ограничить объемные показатели асфальтовой смеси, как указано в таблице ниже.

　　Технические требования к экспериментальному проекту. Примечания.

　　Число ударов (раз) — по 75 с обеих сторон

　　Теоретическая максимальная относительная плотность асфальтобетонной смеси определяется методом измерения.

　　Стабильность (кН) >7,5

　　Растекаемость (0,1 мм) 20–40

　　Пористость AV (%) 3–6

　　Насыщенность VFA (%) 70–85

　　Пространство для минеральных материалов VMA (%) — согласно нормативным требованиям в зависимости от максимального размера зёрен.

　　Температура уплотнения (℃) 160

　　Остаточная устойчивость (%) >80

　　Динамическая устойчивость по испытанию колеи (число циклов/мм) >2000

　　2–4 Меры предосторожности

　　В процессе проектирования модифицированных асфальтовых смесей обращают внимание на следующие вопросы.

　　А. Температура при смешивании и уплотнении смеси должна определяться в соответствии с техническими нормами по устройству покрытий из модифицированного битума и на основе кривой зависимости вязкости битумного вяжущего от температуры. При проведении лабораторного проектирования состава смеси температура смешивания и уплотнения должна соответствовать температуре смешивания на заводе и температуре уплотнения на объекте. Рекомендуемые температуры приведены в таблице ниже:

　　Испытания и температуры при укладке модифицированного битума

　　Асфальтобетонная смесь с температурной градацией плотности

　　Температура смешивания не менее 160℃

　　Начальная температура прессования — не менее 150℃

　　Температура повторного прессования не менее 140℃

　　Конечная температура прессования — не менее 120℃.

　　Б. При отборе проб для испытаний и при замешивании необходимо обеспечить однородность битумного вяжущего. Подготовленное вяжущее следует тщательно перемешать перед отбором проб и подготовкой смеси.

　　C. Определение объёмных показателей смеси должно быть стандартизировано; для определения плотности образцов асфальтобетонной смеси с плотной компактностью следует единогласно применять метод насыщенного сухого состояния.

　　D. Водостойкость модифицированных асфальтовых смесей должна соответствовать двум указанным ниже показателям; в случае несоответствия необходимо принять меры по предотвращению отслаивания:

　　(1) Остаточная устойчивость, определяемая методом испытания на устойчивость Маршалла для асфальтовых смесей после 48-часового погружения в воду, не должна быть менее 80%.

　　(2) Коэффициент прочности на раскалывание, определённый методом «испытания асфальтовой смеси на растяжение при замораживании и оттаивании», не должен быть менее 80%.

　　3 Строительство асфальтобетонной смеси SBS

　　Асфальт SBS — это модифицированный асфальт на основе эластомерных пластиков. При правильном применении он может значительно улучшить устойчивость асфальтового покрытия к колейности, повысить его долговечность, увеличить стойкость к старению и продлить срок службы автомобильных дорог. По сравнению с базовым асфальтом AH-70, асфальт SBS обладает значительно более высокой вязкостью и температурой размягчения. Транспортировка, хранение и устройство верхнего слоя дорожного покрытия с использованием асфальта SBS предъявляют некоторые особые требования, отличные от тех, что применяются к базовому асфальту; только при правильном использовании можно добиться желаемого результата.

　　1) Технические требования к транспортировке

　　Температура асфальта SBS при погрузке на производственном заводе должна поддерживаться не ниже 160℃; температура при доставке на место смешения асфальтовой смеси не должна опускаться ниже 140℃. Транспортные средства должны доставить асфальт к указанному месту в течение 24 часов и своевременно перекачать его в резервуары для хранения асфальта.

　　2) Технические требования к хранению на асфальтобетонном заводе

　　Температура хранения битума SBS должна поддерживаться в районе 150℃. Если температура опускается ниже требуемой, вязкость битума SBS становится чрезмерно высокой, что приводит к засорению трубопроводов резервуаров для битума и, в конечном счёте, к остановке производства для ремонта.

　　На асфальтобетонном заводе с горячим смешением следует по возможности минимизировать хранение SBS-асфальта: принимать его в небольших количествах и использовать сразу после поступления, при необходимости увеличивать запасы, а при отсутствии потребности — сокращать их. Срок хранения не должен превышать 24 часов.

　　Когда дневные строительные работы завершены, следует по возможности полностью использовать асфальт из цистерны, либо заполнить цистерну асфальтом до полного уровня, либо перекачать оставшееся небольшое количество асфальта в другую резервуарную емкость, чтобы уменьшить площадь поверхности контакта асфальта с воздухом и тем самым предотвратить его старение.

　　Большинство резервуаров для хранения в асфальтосмесительных заводах имеют горизонтальное расположение. Чтобы обеспечить однородность модифицированного битума SBS, на верхней части резервуара следует установить мешалку либо использовать встроенный в резервуар мешалку; мешалка должна работать каждые 3 часа, каждый раз в течение 20 минут.

　　3) Технические требования к перекачке

　　Температурные требования к транспортировке и хранению битума SBS достаточно высоки. При производстве смесей битум необходимо подавать в смеситель с помощью битумного насоса. Поскольку битумные насосы оснащены фильтрами, их сетки легко забиваются некоторыми веществами, что снижает эффективность перекачки битума. Рекомендуется использовать фильтры с более крупными ячейками (более 9,5 мм), а также усилить теплоизоляцию трубопроводов, по которым транспортируется битум SBS, чтобы предотвратить снижение температуры битума в трубопроводе и последующее его засорение.

　　4) Технические требования к смешиванию и транспортировке

　　Для обеспечения более стабильного качества асфальтобетонной смеси и более точного дозирования битума целесообразно использовать интервальный смеситель. Смешивание должно быть равномерным; только при полном распределении модификатора битума SBS в битуме можно полностью раскрыть его эффективность. В случае плотных композиций (АС-13I) необходимо добиться однородности смеси после перемешивания, исключив разделение мелких и крупных фракций, а также появление белёсых участков или сгустков. Поскольку температура укладки асфальтобетонной смеси с модифицированным битумом SBS должна быть достаточно высокой, рекомендуется поддерживать температуру смешивания на уровне 160℃. Транспортные средства для перевозки должны быть накрыты тентами или другими теплоизоляционными материалами, чтобы предотвратить затвердевание верхнего слоя вяжущего. Для обеспечения непрерывности укладки и соответствия уровню ровности требованиям технических норм необходимо, чтобы перед асфальтоукладчиком как минимум две машины ожидали разгрузки; ни в коем случае нельзя допускать остановки асфальтоукладчика в ожидании. Остальные требования должны соответствовать техническим нормам по устройству покрытий из модифицированного битума.

　　5) Технические требования к укладке

　　При укладке асфальтобетонной смеси SBS следует стараться обеспечить максимально непрерывное выполнение работ, чтобы минимизировать остановки укладчика и катка. Необходимо по возможности сократить количество поперечных швов и повысить ровность верхнего слоя. Для повышения ровности поверхности рекомендуется использовать метод контроля толщины укладки с помощью саней, при котором высота укладываемого слоя остаётся неизменной как до, так и после укладки. Поскольку асфальтовый битум SBS обладает высокой вязкостью и сильной адгезией, задние сани некоторых укладчиков имеют резиновые колёса, которые легко налипают на мелкие частицы смеси, что ухудшает ровность покрытия. Поэтому необходимо заменить резиновые колёса задних саней укладчиков на стальные скользящие лыжи. Скорость укладки должна быть ограничена 2 метрами в минуту, обеспечивая медленную, равномерную и непрерывную укладку без произвольных изменений скорости или прерываний в процессе работы.

　　Повысить степень предварительной уплотненности в процессе укладки. В модифицированной асфальтовой смеси SBS при высоких температурах основная роль отводится сцеплению крупных заполнителей; можно несколько увеличить частоту вибрации трамбующего молотка, что позволит снизить остаточный коэффициент уплотнения и практически исключить следы первичного уплотнения, тем самым обеспечивая окончательную ровность поверхности дороги.

　　6) Технические требования к уплотнению

　　Для смесей с плотной компактностью оптимальный диапазон температур уплотнения составляет 130℃–150℃; конечная температура уплотнения не должна быть ниже 110℃.

　　Технология уплотнения асфальтобетонной смеси SBS осуществляется на основе следующих принципов: уплотнение проводится в соответствии с «восьмёркой» — «следовать плотно, уплотнять медленно, с высокой частотой и малой амплитудой». Уплотняющий каток должен двигаться непосредственно вслед за асфальтоукладчиком. Лучшие результаты достигаются только при уплотнении в условиях высокой температуры; скорость уплотнения должна быть в пределах 4–5 км/ч. Скорость уплотнения должна быть равномерной; при движении назад вибрация отключается, направление изменяется плавно, повороты с закручиванием недопустимы. В начале или конце каждого прохода допускается незначительное скручивание колёс для исключения стыковых следов откатки. Категорически запрещается разворачиваться, разворачивать машину или менять положение на только что уложенной асфальтобетонной смеси. Резкое торможение или остановка для отдыха также недопустимы. На участках испытания асфальтобетонной смеси SBS, проходящих через первые и вторые контрактные участки дороги Южная Два, установленная технология уплотнения предусматривает использование катков DD110 или DD130 на 2–3 передаче по 3 прохода: первый проход — начальное уплотнение, второй проход — уплотнение с высокой частотой и малой амплитудой, третий проход — финишное уплотнение. Особое внимание: если во время работ обнаружится, что каток прилипает к поверхности, лучше использовать раствор стирального порошка.

　　7) Контроль качества асфальтобетонной смеси SBS

　　Что касается асфальтобетонных смесей для верхнего слоя, на месте уплотнение должно контролироваться с учётом как пористости, так и степени уплотнения. Максимальная теоретическая плотность, необходимая для расчёта пористости, определяется на основе ежедневных фактических замеров; испытания проводятся в соответствии с «Методом определения максимальной относительной плотности асфальтобетонных смесей (вакуумный метод) (T0711-93)». Пористость асфальтобетонных смесей на месте составляет от 3% до 6%. Проверка степени уплотнения асфальтобетонных смесей поверхностного слоя осуществляется на основе фактических проб, взятых из сердцевины.

　　4 Заключительное слово

　　По мере дальнейшего распространения модифицированного битума SBS в Китае он обязательно сыграет важную роль в строительстве дорог страны. Надеемся, что приведённые выше требования к технологическим аспектам производства и строительства модифицированного битума SBS окажутся полезными для всех. Если в вышеприведённом материале есть недостатки, просим коллег высказать свои ценные замечания.