- Асфальтобетонный завод №1

Инновации
А.В. Покровский,
заместитель генерального директора по технологии и качеству работ ЗАО «Экодор»
(группа компаний «АБЗ-1», Санкт-Петербург)
Температура, вязкость,
удобоукладываемость
В 2011 году в журнале «Автомобильные дороги» рассматривались наиболее актуальные в мировой
дорожно-строительной индустрии темы о так называемых теплых асфальтобетонных смесях (Warm
Asphalt Mixes). Речь идет о специальных добавках – дефлегматорах. Это обычные асфальтобетонные
смеси стандартных гранулометрических составов с добавками, снижающие вязкость как битумного
вяжущего, так и всей смеси.
П
рименение дефлегматоров или готового вяжущего
на их основе позволяет одновременно снизить температуру приготовления смеси, сохранить ее удобоукладываемость и способность к уплотнению при более низких температурах. Снижение температуры производства
снижает и эффект старения битумного вяжущего.
По данным Германской ассоциации по укладке асфальтобетонов, снижение температуры производства и
укладки материала на 30°C экономит 9 кВт/час энергии
на тонну асфальтобетонной смеси. Это соответствует
0,9 литрам на тонну топлива, используемого на асфальтосмесительной установке. Из отчета European Asphalt
Pavement Association ясно, что: в 2010 году в мире уложено около 48 млн тонн теплых смесей, в том числе в
Европе – около 4,8 млн, в США – 42 млн, в Японии 0,12
млн тонн.
Тема снижения вязкости, температуры укладки и объема вредных выбросов в атмосферу не обошла и производителей литых асфальтобетонов.
В соответствии с действующим в Евросоюзе стандартом EN 13108-6 «Асфальтные смеси – Технические
характеристики материалов – Часть 6: Литой асфальтобетон» требования к температурам производства и укладки определяются предельными температурами литой
смеси (табл. 1).
Таблица 1. Предельные температуры литой асфальтобетонной смеси
№
1.
2.
3.
Категория битума дорожного
20/30
30/45, 35/50, 40/60
50/70, 70/100
Температура, (°C)
от 210 до 250
от 200 до 240
от 190 до 230
Для модифицированного битума или добавок могут применяться и другие температурные режимы, что
обязательно документируется и заявляется как часть
нормативной маркировки. Таким образом, применение
низкотемпературных литых смесей не противоречит
требованиям EN 13108-6. Кроме того, страны Евросоюза могут вносить изменения в национальные гармонизированные нормы, отличающиеся от требований
Евронорм с учетом национальной специфики и эколо-
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ 48
гического законодательства. Максимальная температура смеси в EN 13108-6 ограничена 250°C. В то же время, максимальные температуры, например в Германии,
были значительно снижены.
В начале 2008 года германский Комитет по опасным
веществам ввел ограничение на допустимый предел
эмиссии, равный 10 мг/м3 паров и аэрозолей, высвобождающихся из битума и всех видов применяемых
горячих асфальтобетонных смесей. С этого момента литой асфальтобетон (независимо от типа вяжущего) может производиться и укладываться при температуре не
выше 230°C. Особенно снижение максимальных температур сказалось на организациях, укладывающих литые
асфальтобетоны в промышленных и жилых помещениях. Как правило, они работают со смесями, имеющими
в составе твердые или хрупкие битумы с пенетрацией
менее 20 ед. Такие смеси обладают высокой температурой размягчения асфальтового вяжущего вещества, что
требует крайне высоких температур при укладке, достигающих 240–260°C. Добиться радикального снижения
температуры и не потерять возможность уложить литую
асфальтобетонную смесь можно лишь используя «разжижающие» добавки: амидные воски, парафины Фишера-Тропша, природные воски и т.д.
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 54401 «Асфальтобетон дорожный литой горячий. Технические
требования» определены максимальные температуры
для литого асфальтобетона: 230°C для асфальтобетона
на немодифицированном вяжущем и 215°C для смесей
на полимерно-битумном вяжущем. Температура литой
полимерасфальтобетонной смеси выше 215–220°С критична для сохранения его эластических и реологических
свойств в течение максимально допустимого срока хранения (транспортирования) – 12 часов. При повышении температур в течение продолжительного времени
происходит разрушение полимерной сетки, образованной в результате физико-химических взаимодействий
между звеньями сополимеров – бутадиена и стирола.
При этом происходит изменение коллоидной структуры
полимерно-битумного вяжущего и, как следствие, ут-
Инновации
рата эластичных свойств литого асфальтобетона и снижение усталостной долговечности. С учетом отсутствия
практики применения в литых асфальтобетонах битумов с пенетрацией менее 30 единиц, температуры смеси
в 230°C достаточно для гомогенизации и укладки при
применении немодифицированного вяжущего (БНД
40/60, БНД 60/90). В этих смесях такая температура не
приводит к критическим потерям запроектированных
свойств в течение допустимых сроков хранения. Что касается смесей для покрытий полов в помещениях, то для
них необходим отдельный стандарт, разработка которого могла бы дать «новую жизнь» литьевой технологии в
промышленном и гражданском строительстве.
Согласно гармонизированным с европейскими стандартами серии EN «Финским нормам на асфальт 2011»,
температура литой полимерасфальтобетонной смеси не
должна превышать 200°C (на вязких битумах – 230°C).
На короткое время до укладки (менее или равно одному
часу) указанные максимальные температуры допустимо
увеличивать до 210°C для смесей на ПБВ и до 240°C для
смесей на обычном битуме.
Современная тенденция снижения температуры производства и укладки литых асфальтобетонов и литых
полимерасфальтобетонов неизбежно приводит к ухудшению удобоукладываемости литых материалов, применять
которые привыкли при неконтролируемо высоких температурах. Очевидно, что именно требования по снижению
температур производства и укладки смеси вынуждает
научно-исследовательские учреждения Европы находить
методы контроля удобоукладываемости (вязкости) с определением ее конкретных числовых значений.
Опыт работы с литыми смесями показывает, что оценить адекватно степень их вязкости на основе вязкости
применяемого вяжущего не представляется возможным.
Устройство покрытия из литого полимерасфальтобетона на
обогреваемом пандусе въезда в подземный паркинг, Санкт-Петербург
Укладка верхнего слоя полимерасфальтобетонного покрытия в зоне
трамвайных путей, Сампсоньевский проспект, Санкт-Петербург
Для этого необходимо учитывать свойства бинарных систем, то есть асфальтового вяжущего вещества. Эта составляющая литого асфальтобетона (микроструктура) является основной в формировании физико-механических и
реологических свойств литых смесей и литых асфальтобетонов. Вязкость АВВ зависит не только от свойств вяжущего, но и от природы каменного материала, удельной
поверхности минерального порошка, соотношения количества битума и минерального порошка (Б/МП), степени гомогенизации системы, температуры.
Инженеру-лаборанту при подборе литого асфальтобетона и литого полимерасфальтобетона необходимо
добиться одновременного выполнения условий соблюдения оптимальности состава с точки зрения экономики производства, прочностных характеристик, надлежащей вязкой текучести при ограничении допустимых
температур. В лабораторных условиях это достигается на
основе лабораторного опыта инженера, «чувствующего
руками» степень растекаемости смеси, ее способность к
обработке вручную. Свойства смеси, полученные в лабораторных условиях, необходимо еще раз проверять
при промышленном производстве.
О приборе или методе, способном определять степень удобоукладываемости (подвижности) и оценивать
численно ее величину в испытательных лабораториях
узнали сравнительно недавно. В СССР такие попытки
проводились с конца 80-х годов, при введении в действие ТУ 400-24-158-89* «Смеси асфальтобетонные литые и литой асфальтобетон». Принцип определения
подвижности заимствовали из технологии производства
бетона. Подвижность характеризовалась способностью
литой смеси под собственным весом расплываться после высвобождения из усеченной формы конуса высотой
70 мм. Температура смеси при испытании должна быть
200–210°C, время осадки конуса – 1 минута, замерялась
величина осадки конуса в мм. Такая методика введена
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ 49
Инновации
как обязательная при проведении приемо-сдаточных
испытаний литых смесей для организаций, выпускающих их по ТУ 400-24-158-89*. Этот метод предоставляет
дорожникам минимально необходимую информацию
при сравнительных испытаниях литых смесей на различных типах вяжущих, с разными значениями соотношения Б/МП и т.д.
К сожалению, применение таких испытаний в лабораторной практике производства литого асфальтобетона
в Северо-западном регионе связано с определенными
сложностями. Например, производители литых асфальтобетонов в Санкт-Петербурге работают в особой для
России ситуации. Более 90% выпускаемых смесей – литые полимерасфальтобетоны, причем, не так называемые вибролитые смеси, а материалы, укладываемые по
Восстановление верхнего слоя покрытия из литого
полимерасфальтобетона, Большой Обуховский мост, Санкт-Петербург
литьевой технологии. Литые полимерасфальтобетоны,
обладая повышенной когезией применяемого вяжущего и липкостью АВВ, не позволяют произвести надлежащее снятие конуса с образца смеси. При его снятии
происходит вытягивание смеси, разрыв по боковым
поверхностям с налипанием на стенки конуса. Экспериментирование с температурой конуса и типами антиадгезионных смазок результатов не дает. При такой
точности испытаний невозможно добиться адекватной
сходимости и воспроизводимости результатов.
В 2006 году на ежегодной конференции Европейской
Ассоциации производителей литого асфальтобетона
впервые представлен прибор, разработанный для определения показателя удобоукладываемости (Workability)
литой смеси. Разработку представил профессор Шелленберг из института Роттвейл (Германия). Этот метод
получил в Европе обозначение IFM VIS-GA Test. Его
сущность заключается в определении показателя сопротивления вращению специального ротора, погруженного в образец смеси массой 10 кг. Испытания проводились
при скорости вращения 13 об/мин, при трех температурах – 180°C, 210°C и 240°C. Вначале испытания про-
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ 50
водили на асфальтовом вяжущем для определения его
принципиальной пригодности для производства смеси.
Затем их стали применять для определения показателя
на полноценно подобранной рецептуре.
Для качественного подбора состава, снижения рисков
и издержек от производства неудобоукладываемых смесей необходимо создание прибора, основанного на этом
принципе. Кроме того, прибор позволит проводить сравнительные испытания и накапливать статистические
данные по целому ряду функциональных зависимостей.
А также исследовать различные виды дефлегматоров с
решением задачи: «необходима ли добавка в данный состав для сохранения ее удобоукладываемости».
В августе 2011 года в Германии опубликовано описание похожего метода и более совершенного прибора («Merkblatt fur Temperaturabsenkung von Asphalt», M
TA-Ausgabe 2011). Руководил разработкой прибора и
методики испытаний профессор, доктор Раденберг из
университета Бохум. Прибор позволяет проводить испытания вязкости непосредственно на литой смеси без
предварительного испытания вязкости АВВ.
Смеситель состоит из трех установленных друг над
другом пар лопастей их расположение противодействует
расслоению. При этом нижняя пара выдавливает асфальтобетонную смесь вверх, в то время как верхняя пара лопастей направляет асфальтобетонную смесь вниз (рис. 1).
Для проведения испытаний необходим лабораторный
прибор с регистратором сопротивления перемешиванию (чувствительность: < 1 Нсм) и с регулировкой числа
оборотов вала смесителя.
Смеситель устанавливается на скорость в 25 оборотов в минуту. Для испытаний предварительно нагретая
до 240°C смесительная чаша наполняется асфальтобетонной смесью на высоту в 11 см (соответствует объему
литого асфальтобетона в примерно 2,25 куб. см). Когда
смесь полностью нагревается до 240°C и сопротивление
перемешиванию в течение более 5 минут остается постоянным (±5 Нсм), получено первое значение. В заключении постоянно регистрируется сопротивление перемешиванию при отключенном разогревающем кожухе
до тех пор, пока асфальтобетонная смесь не остынет до
температуры 190°C.
Эксперименты разработчиков указывают на то, что
литой асфальтобетон считается крайне приемлемым для
укладки при сопротивлении перемешиванию в 100 Нсм.
Данные о функциональных зависимостях с применением этого прибора уже получены несколькими лабораториями Европы.
Одна из крупнейших французских компаний в сфере
дорожной индустрии Eurovia и организация Office des
asphalts провели ряд научно-практических изысканий
с целью разработать составы, наладить производство и
оценить эффект от применения низкотемпературных
литых асфальтобетонов. Предполагалось, что температура выпуска и укладки таких смесей будет снижена
от максимально допустимых на 50°C и даже 90°C. Это
должно резко снизить как потребление топлива на асфальтосмесительной установке, так и количество парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу, как при
Инновации
Рис. 1
производстве, так и при укладке смесей. Как отмечалось
в докладе, патентованные технологии производства
позволили выпускать литую смесь с температурой в диапазоне от 150°C до 180°C.
Производство смесей проводилось на современном
асфальтобетонном заводе, производительностью 25000
тонн литой смеси в год. Завод работает на природном
газе, при этом в расчет принималась лишь экономия
энергозатрат на просушку материала в сушильном барабане. Исследования показали, что годовые энергозатраты по традиционной технологии приготовления литого
асфальтобетона составили 189 мегаджоулей на тонну, а
при работе по низкотемпературной технологии 119 мегаджоулей на тонну, что дало экономию в 37%.
Изучая вопросы снижения температуры производства
смесей, некоторые немецкие специалисты высказывают
опасение, что это изменяет (продлевает) адсорбционные
процессы взаимодействия битумного вяжущего с минеральным порошком. Физико-химические процессы (так
называемая «химическая свадьба») между этими компонентами требуют, по их мнению, уже большего продолжения во времени. При игнорировании этого процесса
возможны нестабильные показатели литого асфальтобетона по глубине вдавливания штампа или недостижения смесью требуемых показателей свойств.
При производстве низкотемпературных смесей не
следует допускать, чтобы температура отработанных газов, попадающих в фильтры АСУ, находилась ниже точки росы. Необходимо избегать остаточной влажности во
фракциях горных пород, при необходимости нужно увеличить длительность нахождения каменных материалов
в сушильном барабане. Работу завода по выпуску таких
материалов следует оптимизировать, учитывая возможное снижение производительности при увеличении времени перемешивания или скорости прохождения минеральных материалов через барабан.
В России массовое применение всех видов смесей с
пониженными температурными характеристиками произойдет еще не скоро. Теплые уплотняемые смеси с современными добавками, тем не менее, уже используются
в ОАО «Асфальтобетонный завод № 1», г. Санкт-Петербург. Такие смеси отлично уплотняются с сохранением
всех эксплуатационных свойств даже при пониженных
температурах наружного воздуха.
Применение добавок дефлегматоров, снижающих
вязкость, температуру укладки и являющимися дополнительными модификаторами увеличивает и без того
немалую стоимость литой смеси. Практика работы подрядных организаций России показывает, что вопросы
снижения издержек и снижения влияния производства
на окружающую среду на данном этапе не является первоочередными. До их понимания необходимо «дойти»
естественным путем, и путь этот будет эволюционным.
А прибор для определения вязкости литой смеси уже
сегодня востребован дорожными лабораториями Евросоюза и России. Его повсеместное общеевропейское
распространение вопрос скорого времени.
Иллюстрации предоставлены
группой компаний «АБЗ-1»
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ 51