Високомодіфіцірованное в'яжучий і зниження товщини асфальтового покриття.

Високомодіфіцірованное в`яжучий і зниження товщини асфальтового покриття.

Використання високополімера-модифікованого в`яжучого для асфальтового покриття (ВПМС) дозволяє знизити товщину шару покриття при збереженні або перевищенні характеристик потужніших шарів асфальту з традиційними покриттями навіть в умовах надзвичайно щільного руху. До таких результатів прийшов національний центр асфальтових технологій (NCAT) після проведення випробувань.

Четвертий цикл досліджень (2009-2012), проведений на випробувальному полігоні NCAT у м Опеліка, Алабама, США, показує, що на дослідній секції полігону з покладеним асфальтом на базі ВПМС глибина колії в середньому на 1/3 менше, ніж на контрольному відрізку траси (товщина шару на контрольному відрізку на 18% більше, ніж на дослідному). Відрізок з асфальтом на базі ВМПС і контрольний відрізок були забезпечені покриттям, виготовленим за одним технологічним процесом Superave [1].

Результати випробувань були опубліковані на конференції на полігоні (28-29 лютого 2012 року) в Готелі університету Оберн і Конференц-центрі Діксон, м Оберн, Алабама.

Дослідницькі можливості полігону

Випробувальна траса NCAT побудована в 2000 році. Її довжина - 2,7 км, форма траси - еліпс. Призначення траси - прискорені випробування на відрізках по 60 м, на яких знос траси протягом усього терміну служби моделюється протягом 2 років. Випробувальні ділянки дозволяють інженерам і дослідникам вимірювати, реєструвати і аналізувати реакцію покриття на великі навантаження з метою розробки більш економічних і ефективних покриттів.

Ділянки надаються для досліджень таким спонсорам, як Федеральна адміністрація автодоріг (FHWA), департаментам транспорту штатів і приватним компаніям для випробувань сумішей для дорожніх покриттів на кожному циклі. Будівництво, експлуатація і дослідження на полігоні фінансуються за рахунок спільних зусиль агентства і приватних компаній, кожна з яких виконує власні дослідницькі програми.

Об`єктом недавнього циклу досліджень стали структурні і поверхневі характеристики покриття. Підготовка до досліджень включала реконструкцію або восстановленіе17 ділянок траси (із загальної кількості 46). Одним з них стала ділянка N7, на якому був покладений асфальт на основі ВПМС, технології, розробленої спонсором секції, компанією Kraton Performance Polymers.

Тривалість одного дослідницького циклу - три роки. За цей час можливо побудувати або відновити ділянки, моделювати протягом двох років потік вантажного транспорту, аналізувати дані і підготовляти звіти. В даний час на полігоні планується провести п`яту цикл досліджень, в рамках якого будуть демонтовані невикористовувані ділянки (весна 2012) і побудовані нові (кінець літа 2012). Пуск руху по полігону планується виконати в серпні 2012 року.

Екстремальні навантаження, суворі випробування

Моделювання руху виконується за наступною програмою: до секцій полігону прикладається 10 млн циклів по 8,2 т еквівалентної розрахункової осьового навантаження (ESAL) протягом 2 років. Вантажівки виконують рух у 2 зміни. Це 8-осьові 70-тонні вантажівки з причепами, які виконують безперервний рух щодня з 5.00 до 23.00. Кожен з п`яти вантажівок проїжджає близько 1100 км в день.

Для того, щоб полегшити проведення випробувань, на полігоні встановлено різне допоміжне обладнання: термістори, встановлені на різній глибині асфальтового покриття і сполучені з автоматичною метеостанцією на об`єкті. Ці дані допомагають оцінити умови експлуатації кожної з ділянок. Реакція покриття на навантаження вимірюється за допомогою тензодатчиків і датчиків тиску, встановлених на певних глибинах. Бездротова мережа, встановлена по всій трасі, забезпечує високошвидкісну передачу даних на головний сервер.

Щотижня NCAT проводить перевірку за допомогою інерційного профілографа з подвійним сканирующим лазерним вимірювачем колії: вимірюється грубість кожного колісного шляху, макротекстури правого колісного шляху, колія кожного колеса на кожному дослідному відрізку. Беруться й інші виміри: неруйнівні плотностние та профільні розрізи. Щотижня проводяться ударні випробування падаючим вантажем і дефлектометром, а також складаються карти розтріскування поверхні. Раз на місяць проводяться фрикційні випробування (за допомогою повнорозмірного реєстратора тертя). Випробування на цілісність і проникність проводяться раз на квартал. Відбір проб для визначення ущільнення кожного шару покриття також проводиться щоквартально.

Для того, щоб спростити кореляції між виміром параметрів в лабораторії і в полі, персонал NCAT відбирає велику порцію суміші на заводі при будівництві кожного досвідченого ділянки і згодом використовує суміш для виготовлення зразків для лабораторних випробувань. Наприклад, суміш для базового шару піддають випробуванню на втомну навантаження (зразки-палички) і протівофазного навантаження. Суміш для верхнього шару проходить випробування на визначення динамічного модуля, плинність, випробування на аналізаторі асфальтового покриття та колісно-накатну агрегаті для обчислення стійкості до необоротної деформації. Суміші для верхнього шару також відчувають накладенням, перевіряють на повзучу деформацію і розтяг, енергетичний коефіцієнт. Все це дозволяє визначити потенційну здатність суміші до розтріскування.

Дослідження структурних параметрів

У четвертий цикл випробувань NCAT увійшли розширені дослідження ділянок (спонсори продовжували дослідження, розпочаті раніше), дослідження ділянок з покриттями з нових сумішей, структурні дослідження. Реконструкція та відновлення 17 ділянок були закінчені в серпні 2009 року підрядником, призначеним за результатами конкурсу. Серед цих ділянок шостій були призначені для структурних випробувань, спонсорами яких виступили департаменти транспорту шести штатів. Серед них є і ділянка компанії Kraton. Покриття на ділянках виготовлені за технологією гарячих асфальтових сумішей Superpave. Товщина шару для структурних випробувань варіювалася від 175 мм до 140 мм (ділянка компанії Kraton), на окремих ділянках 225 мм (з яких більше 150 мм - база з матеріалу високої щільності і жорстка підкладка). Весь бітум, використаний для реконструкції покриття, містив 0,5% протівозадірочной присадки.

Покриття на ділянці компанії Kraton (N7) виготовлено із застосуванням ВПМС, товщина шару - 140 мм. Речовина містить 7,5% модифікованого стирен-бутадієн-стіренового (SBS) полімеру. Контрольний ділянка має товщину 175 мм, два верхніх шару виготовлені із застосуванням 3% SBS-полімеру.

Федеральна адміністрація по автодорогах підтверджує переваги полімерної модифікації

Сполучні речовини, модифіковані полімерами, такими, як трикомпонентний сополімер SBS, знаходять все більш широке застосування у виготовленні ГС (відомості Федеральної адміністрації по автодорогах). У технічному звіті за вересень 2010 р [2] Адміністрація відзначає, що модифіковане скорозшивач більш еластично і володіє більш високими характеристиками жорсткості (в`язкості) при низьких і високих температурах, які більшою мірою відповідають специфікаціям високоякісних в`яжучих для асфальтів класу Superpave [3] . Ці специфікації прив`язані до екологічних та дорожніх умов конкретного об`єкта. Полімер-модифіковані в`яжучі, як правило, класифікуються і застосовуються в тих випадках, коли індекс PG (сортність при низькій температурі + сортність при високій температурі) перевищує 90 (напр., PG 70-22).

Далі, у звіті вказуються переваги використання полімерів: «Будучи дещо дорожче чистих в`яжучих для асфальтових сумішей, полімер-модифіковані в`яжучі в гарячих сумішах забезпечують явне підвищення характеристик - менше утворення колії, знижене утомлююча розтріскування, знижене розтріскування під впливом температур, - особливо в умовах високих навантажень і складних кліматичних умов. У залежності від вартості та експлуатаційних характеристик, специфічних для конкретної місцевості (тобто географічних умов), вартість сумішей на базі полімер-модифікованого в`яжучого протягом життєвого циклу може бути значно нижче вартості сумішей з немодифікованим в`язким ».

У звіті також говориться про те, що досвід експлуатації таких покриттів позитивний, і що з часу він змінюється в кращу сторону відповідно з розвитком технології.

Подолання обмежень, накладених полімерами, і укладання тонких асфальтових покриттів

Компанія Kraton Performance Polymers розробила технологію DGVC для підвищення міцності покриття і його стійкості до утворення колії, вибоїн і розтріскування при одночасному зниженні товщини покриття.

Для проведення польових випробувань цього продукту компанія видала NCAT підряд на будівництво шару покриття товщиною 140 мм на ділянці N7 для дослідницького циклу 2009-2012 рр.

Зміст модифікованого SBS-полімеру (7,5%), використовуваного в складі зв`язувальної речовини, в 1,5-2 рази перевищує кількість звичайного полімеру, використовуваного для модифікації в`яжучого.

Якщо кількість полімеру в в`яжучому вище цього рівня, в`язкість в`яжучого речовини підвищується настільки, що суміш стає дуже складно виробляти і надзвичайно важко укладати на об`єкті. Компанія Kraton розробила SBS-полімер D0243, який може змішуватися з бітумним в`яжучим в обсязі 7,5% і вище, не збільшуючи при цьому в`язкість в`яжучого.

Розробка нового полімеру є продовженням робіт, розпочатих у 2004 році дослідниками компанії спільно з фахівцями лабораторії дорожньої інженерії Делфтського технологічного університету (Нідерланди), найбільшого і найстарішого державного технічного університету. Основною метою дослідники поставили наступне: з`ясувати, чи можливо збільшити термін служби базових шарів дорожнього покриття за допомогою SBS-модифікації і / або зменшити товщину асфальтового покриття.

Методика дослідження - випробування зразків асфальту на втому і жорсткість шляхом згинання в чотирьох точках, ускладнені механічні випробування на розрив і стиск. Оцінювалися різні типи полімеру (SBS) і його різні концентрації. Втомні випробування показали, що для значної зміни властивостей асфальтової суміші потрібна більша кількість SBS-полімеру. Виходячи з цього, об`єктом останнього етапу випробувань стали в`яжучі з вмістом SBS 6% і 7,5%.

Ускладнені механічні випробування асфальтових сумішей показали поліпшені характеристики сумішей, модифікованих SBS в порівнянні з немодифікованими сумішами. Результати також продемонстрували певні відмінності у поширенні руйнувань (акумульованих необоротних деформацій) для покриттів на основі модифікованого і немодифицированного в`яжучого. Навіть у більш тонкого шару покриття (150 мм) з SBS-модифікованого асфальту пошкодження зафіксовані в об`ємі в 4 рази менше, ніж у 250-мм шару немодифицированного асфальту. Немодифіковані, більш потужне, покриття показало в 4,5 разів більше необоротних деформацій, ніж тонке покриття з модифікованого асфальту.

Будівництво відрізка N7, порівняння з контрольними ділянками

Покриття на відрізку N7 випробувального полігону було побудовано з 3 шарів гарячої суміші (Таблиця 1). Номінальний базовий шар (55 мм) і середній шар (55 мм) були виготовлені на основі суміші з частинками граніту діаметром 19 мм. Верхній шар (30 мм) виготовлений на основі суміші з граніту (9,5 мм). Всі три шари із суміші на базі модифікованого в`яжучого з вмістом 7,5% SBS. Рецептура суміші, ущільнення та інші параметри аналогічні контрольному ділянці (єдині відмінності полягають у в`яжучому речовині і товщині шару).

Покриття контрольного ділянки S9 має загальну товщину 175 мм і складається з трьох шарів - база 75 мм, середній шар 70 мм і верхній шар 30 мм (Таблиця 2). Верхній і середній шари виготовлені з суміші із застосуванням в`яжучого, модифікованого 3% SBS. На випробувальному і на контрольній ділянках суміші приготовлені за методом SUPERPAVE [1] з використанням однакового матеріалу, проте на ділянці N7 покриття на 18% тонше, ніж на контрольній ділянці S9, що використовується в`яжучого - HiMA замість PG 76-22 (використовувалося на контрольному ділянці) . Обидві ділянки побудовані на жорсткому полотні.

Результат: колія меншої глибини

Транспортні випробування на полігоні завершилися у вересні 2011 р, коли була виконана навантаження 10 млн. Циклів еквівалентним розрахунковим осьового навантаження. Персонал NCAT провів експертні дослідження і вивчив зібрані дані. На конференції в лютому 2012 р, крім інших даних, були представлені відомості про середню деформації по шляху накату колесом (утворення колії):

- Деформація контрольного ділянки S9 з покриттям товщиною 175 мм склала 7,1 мм. На ділянці N7 (HiMA) з покриттям товщиною 144 мм глибина колії склала 2,2 мм.

- Карта розтріскування на ділянці N7 не виявила тріщин покриття. Аналіз, виконаний NCAT на підставі даних фактичного навантаження і розрахунків на підставі вимірювань, а також з урахуванням межі втомної витривалості зразків у вигляді бруска, показав, що втомна міцність покриття на ділянці N7 покращилася на порядок. Крім того, характеристики покриття можуть виявитися краще, ніж на контрольній ділянці, у тому числі і з позиції поширення втомних тріщин знизу вгору.

Ремонт пошкодженої ділянки сумішшю на основі HiMA

Можливість знизити товщину асфалтовое покриття при забезпеченні високих експлуатаційних характеристик - одна з переваг в`яжучого HiMA, і воно було виявлено на сусідній ділянці випробувального полігону.

Ділянка N8, спонсором якого є Департамент транспорту штату Оклахома, був пошкоджений під час циклу досліджень 2009-2012 рр. Це було не перше пошкодження, зафіксоване на даній ділянці.

По закінченні циклу досліджень 2006-2009 рр. на ділянці було відзначено обширне утомлююча розтріскування. При будівництві ділянки N8 підрядник уклав покриття товщиною 250 мм на 1,2 м полотна низької якості, яке відрізнялося від жорсткого полотна на контрольній ділянці.

Ще на етапі будівництва Департамент транспорту штату Оклахома зажадав від NCAT використовувати як полотна певний тип грунту, близький за характеристиками грунтам штату Оклахома, відомим своєю низькою несучою здатністю. Покриття зруйнувалося, і пошкоджену ділянку був відремонтований: було зрізано 125 мм верхнього шару, на місце якого була покладена суміш аналогічного складу. Відновлений шар також зруйнувався, цього разу всього за 8 місяців циклу досліджень 2009-2012 рр. При цьому на 6 експериментальних ділянках і на 4 приватно спонсорованих ділянках полігону розтріскування виявлено не було.

Після повторного руйнування ділянки адміністрація NCAT зазначила хороші показники експлуатації сусідньої ділянки N7 і запропонувала використовувати для ремонту ділянки N8 суміш на основі в`яжучого HiMA, що дозволило б проаналізувати її поведінку на пошкодженій ділянці.

Представники Департаменту транспорту штату Оклахома погодилися застосувати суміш з ділянки N7, однак для базового шару використовували суміш з частинками діаметром 9,5 мм (склад, схожий на склад суміші для верхнього шару, проте з товщиною 55 мм). При реконструкції було зрізано 145 мм пошкодженого покриття, близько 105 мм пошкодженого базового шару було залишено. Потім було укладено 145 мм нової суміші на підставі HiMA.

Після укладання нового покриття вантажівки знову проїхали відремонтованою відрізку ділянки N8, а прилади NCAT знову почали реєстрацію даних на експериментальному ділянці.

У вересні 2011 року, коли закінчилася транспортне навантаження 4 циклу, була зафіксована глибина деформації ділянки N8 на рівні 2,7 мм. При безпосередньому порівнянні видно, що після початкового ремонту значна колія і тріщини утворилися вже після 4 млн. Циклів еквівалентної осьового навантаження, в той час як після ремонту в застосуванням в`яжучого HiMA тріщини відсутні, колія мінімальна вже після 5700000. Циклів еквівалентної осьового навантаження . Департамент транспорту штату Оклахома продовжить спонсорування цієї ділянки протягом циклу 2012-2014 рр. для моніторингу експлуатаційних характеристик покриття.

Висновок

Показано, що використання модифікованого високомолекулярним полімером в`яжучого в асфальтової суміші дозволяє знизити товщину покриття навіть при екстремальних навантаженнях. При цьому будуть забезпечені характеристики або зрівнянні, або кращі, ніж у немодифікованих сумішей, приготованих на аналогічному матеріалі і з аналогічною гранулометрією.

Експериментальне покриття з гарячої суміші із застосуванням полімеру HiMA протягом 2 років піддається важким транспортним навантаженням відповідно до умов випробувань, і за цей час було відзначено менше 1/3 від рівня деформації, зафіксованої на більш потужному шарі покриття на контрольній ділянці.

Полімер HiMA був також використаний при будівництві шару зменшеною товщини для ремонту пошкодженого експериментальної ділянки. Тут також була відзначена колія меншої глибини, ніж на контрольній ділянці.

Відмінні показники після випробувань і той факт, що на дільницях, побудованих із застосуванням полімеру HiMA, по теперішній час не зафіксовано тріщин, дозволяє сподіватися на те, що нова технологія перевершить традиційні, в тому числі, в аспекті поширення втомних тріщин знизу вгору.

Стаття: Високомодіфіцірованное в`яжучий і зниження товщини асфальтового покриття.

Апкалімов Денис, ТОВ "ІПК" Ротор "