Ремонт и реконструкция асфальтобетонных покрытий методом холодного ресайклинга



Автомобильная дорога при эксплуатации теряет свои транспортно-эксплуатационные свойства, уменьшается прочность и ухудшается ровность покрытия, все это ведет к созданию аварийной ситуации на дорогах.

Для решения данной проблемы в области дорожного строительства наряду с традиционными методами ремонта и реконструкции автомобильных дорог появились принципиально новые технологии, отвечающие современным требованиям дорожной науки, постоянно возрастающей интенсивности движения, основанные на последних достижениях науки и техники.

Одной из таких технологий, позволяющих выполнить ремонт или реконструкцию автомобильных дорог является технология по методу холодного ресайклинга.

Задачей холодного ресайклинга является восстановление верхнего слоя дорожной одежды с использованием материала полученного от разборки старого покрытия. Имеющиеся разрушения удаляются вместе со слоем асфальтобетона, а высота покрытия практически не изменяется, что позволяет использовать данный метод на городских дорогах, где увеличение вертикальных отметок нежелательно.

Главным преимуществом холодного ресайклинга перед традиционными способами ремонта дорог, является значительная экономия средств на дорожно-строительных материалах. При традиционной технологии разрушенное покрытие фрезеруется, после чего производится укладка дополнительных слоев из асфальтобетонной смеси. После фрезерования остается асфальтовый гранулят, область применения которого значительно ограничена. Холодный ресайклинг же, позволяет использовать весь материал от разборки покрытия для устройства регенерированного слоя. Регенерированный слой, полученный в результате ресайклинга обладает высокими прочностными характеристиками, что позволяет сэкономить на толщине асфальтобетонного покрытия.

Поэтому в условиях постоянного увеличения дефицита и стоимости дорожно-строительных материалов при реконструкции или ремонте дорог, метод холодного ресайклинга наиболее рентабельный.

Рассматриваемая технология включает в себя ряд операций, одна из основных — измельчение покрытия посредством холодного фрезерования, в результате чего образуется асфальтобетонный гранулят (АГ). В полученный асфальтобетонный гранулят (АГ) вводят необходимые компоненты, такие как: скелетный материал, вяжущее, вода и минеральный порошок, затем происходит смешивание всех компонентов с получением асфальтогранулобетонной смеси (АГБ-смеси), ее распределение в виде конструктивного слоя и уплотнение.

Уложенная, уплотненная и полностью сформированная АГБ-смесь называется асфальтогранулобетон (АГБ).

Эта технология позволяет восстановить монолитность пакета асфальтобетонных слоев дорожной одежды на всю толщину или часть ее, без разогрева асфальтобетонного покрытия. Поверх регенерируемого слоя обычно укладывают одно- или двухслойное асфальтобетонное покрытие или устраивают поверхностную обработку.

Кроме того, разрушение старого покрытия позволяет ликвидировать источник возникновения новых отраженных трещин в вышеукладываемых слоях покрытия (копирование трещин), что неизбежно при традиционном методе усиления дорожной одежды.

В зависимости от вида нового вяжущего, вводимого в АГ при приготовлении АГБ-смесей, разделяют 6 типов:

тип А — без добавления вяжущего;

тип Э — с добавлением битумной эмульсии;

тип В — с добавлением вспененного битума;

тип Б — с добавлением разогретого битума;

тип М — с добавлением минерального вяжущего (чаще всего цемента или извести);

тип К — с добавлением комплексного вяжущего (чаще всего битумной эмульсии и цемента).

Физико-механические свойства смеси тип А определяются структурно-механическими свойствами АГ. Вследствие пониженной уплотняемости смеси, АГБ имеет высокую пористость (8–14 %) и низкую прочность. Преимуществом применения такого типа смеси является возможность открытия движения для транспортных средств сразу после уплотнения регенерируемого слоя.

Смесь типа Э наиболее технологична, ее чаще всего применяют для регенерации слоев, преимущественно состоящих из АГ. При применении такого типа смеси открытия движения возможно сразу после уплотнения регенерируемого слоя.

Прочностные свойства АГБ с добавлением минерального вяжущего значительно выше, чем у АГБ с добавлением органического вяжущего. Причем прочность в этом случае возрастает со временем.

Главным недостатком этого типа является то, что открытие движения возможно только после набора минимальной требуемой прочности.

Высоких прочностных качеств отремонтированных покрытий добиваются за счет использования смесей типа К. Данный тип подразумевает укрепление АГ комплексным вяжущим, т. е. укрепление материала одновременно минеральным и органическим вяжущими.

Применение комплексных вяжущих позволяет получить ряд преимуществ: предотвращает склонность смесей, приготовленных только с добавкой цемента, к трещинообразованию, а битумные эмульсии придают покрытию необходимую упругость. Применение этого типа смеси позволяет снизить толщину регенерированного слоя.

В зависимости от массовой доли щебня или гравия (зерна каменного материала крупнее 5 мм), входящего в состав асфальтобетона, из которого получен АГ, АГБ-смеси подразделяют на щебеночные с содержанием щебня 35 % и более и песчаные — менее 35 % содержания щебня.

Для дорог I-II категорий применяют щебеночные смеси, а для дорог III-IV категорий допускается применение песчаных. Если в АГ, используемом для приготовления щебеночных смесей, содержание щебня меньше 35 %, при приготовлении АГБ-смеси необходимо добавление недостающей фракции щебня.

Гранулометрический состав АГБ-смеси должен соответствовать требованиям, установленным в ГОСТ 9128–2013 [5] для пористых и высокопористых щебеночных смесей, за исключением частиц мельче 0,071 мм, содержание которых не нормируется.

Показатели физико-механических свойств АГБ, в зависимости от категории автомобильной дороги и типа смеси, должны соответствовать указанным в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства АГБ-смеси

Наименование показателя	Нормы для категории автомобильной дороги
	I-II				III				IV
	для смесей типа
	Э	М, К	В	Э		М, К	В	Б		Э	М, К	В	Б	А
1. Предел прочности при сжатии, не менее, МПа, при температуре 20 °С в возрасте:
а) 1 суток	-	-	1,4	-		-	1,4	1,2		-	-	1,4	1,2	0,7
б) 7 суток	1,4	2,0	-	1,4		2,0	-	-		1,4	2,0	-	-	-
2. То же, при 50 °С в возрасте:
а) 1 суток	-	-	0,7	-		-	0,6	0,5		-	-	0,6	0,5	0,4
б) 7 суток	0,7	0,8	-	0,6		0,7	-	-		0,5	0,7	-	-	-
3. Коэффициент водостойкости, не менее	0,7		0,7	0,6			0,6			0,6		0,6		06
4. Водонасыщение по объему, %, не более	10		10	12			12			14		14		16

Битум, входящий в состав добавок для смесей типов Э, В, Б и К, устраняет излишнюю жесткость состарившегося пленочного битума, окружающего гранулы, обеспечивает сцепление зерен заполнителя, добавляемого для увеличения содержания щебня или корректировки гранулометрического состава АГБ-смеси, между собой и с АГ, заполняет частично межгранулярные пустоты, уменьшая водонасыщение АГБ, снижает межгранулярное трение, способствуя лучшей упаковке гранул при уплотнении АГБ-смеси, способствует залечиванию микродефектов, возникающих в процессе эксплуатации регенерированного слоя.

Для приготовления смесей применяют вязкие и жидкие нефтяные дорожные битумы, отвечающие требованиям ГОСТ 22245–90 [6] и ГОСТ 11955–82. [7]

Марку битума выбирают в зависимости от типа смеси и дорожно-климатической зоны в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Марка битума взависимости от типа смеси идорожно-климатической зоны

Тип смеси	Марка битума для дорожно-климатической зоны
	I	II, III	IV, V
Б	БНД 200/300 СГ, МГ, МГО 130/200	БНД 200/300 СГ, МГ, МГО 130/200	БНД 130/200 СГ, МГ, МГО 70/130 и 130/200
В	БНД 130/200	БНД 90/130 БНД 130/200	БНД 60/90 БНД 90/130
Э, К	БНД 90/130 БНД 130/200	БНД 60/90 БНД 90/130	БНД 60/90 БНД 90/130

Для приготовления смесей типов Э и К используют эмульсии, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52128–2003 [8]. В смесях типа Э применяют катионные эмульсии классов ЭБК-2, ЭБК-3 и анионные эмульсии классов ЭБА-2, ЭБА-3. В смесях типа К применяют преимущественно катионные эмульсии класса ЭБК-3.

Цемент, входящий в состав смесей типов М и К, образует в присутствии воды цементный камень, который частично заполняет межгранулярные пустоты; армирует битумную пленку, окружающую гранулы; кристаллически связывается с не обработанными битумом зернами, содержащимися в АГ и заполнителе.

Для приготовления смесей в качестве минерального вяжущего чаще всего применяют портландцемент не ниже марки 400, соответствующий требованиям ГОСТ 10178–85 [9].

При необходимости увеличения содержания в АГБ-смеси щебня к АГ добавляют щебень, отвечающий требованиям ГОСТ 8267–93 [10].

Для корректировки гранулометрического состава АГБ-смеси, с целью уменьшения пористости АГБ, иногда целесообразно добавление к АГ песка и (или) минерального порошка. Эти материалы должны отвечать требованиям ГОСТ 8736–2014 [11] и ГОСТ 16557–2005 [12].

Для приготовления смесей всех типов, кроме типа Б, в ряде случаев требуется добавление воды. Обычно применяют воду, пригодную для питья.

Машины для ресайклинга были разработаны несколько лет назад путем модернизации дорожных фрез и машин для стабилизации грунта.

В России основной парк машин для ремонта, реконструкции и усилении дорожных покрытий по методу ресайглинга асфальтобетонных дорог представлен зарубежными производителями, такими как «Wirtgen», «Caterpillar», «Bomag», «MAN», «Hamm», «Bagela», отечественными производителями — «МАЗ».

В настоящее время, крупнейшие машиностроительные компании производят и расширяют выпуск моделей ресайклеров. На рисунке 1 представлен ресайклер фирмы «Caterpillar» RM 500

Рис. 1. Ресайклера фирмы «Caterpillar» RM 500

Ресайклеры предназначены специально для восстановления дорожных одежд на большую глубину за один проход, они представляют собой мощные машины на гусеничном или колесном шасси с высокой проходимостью.

Регенерация асфальтобетонного покрытия может быть двух видов:

‒ Частичная регенерация — это метод создания нового слоя основания или покрытия путем фрезерования части асфальтобетонного покрытия без захвата низлежаших слоев основания. (h _max = 10 см) (Рисунок 2 а);

‒ Глубокая регенерация — это фрезерования существующего слоя покрытия из асфальтобетона на полную толщину с захватом при этом низлежащего слоя основания. (h _max = 30 см) (Рисунок 2 б).

а б

Рис. 2. Возможные варианты регенерации покрытия (а — частичная; б — глубокая)

Основной частью машины является фрезерный барабан. К поверхности барабана приварены держатели для резцов с круглым стержнем. Фрезерный барабан заключен в герметичную рабочую камеру с изменяемым объемом, что повышает качество измельчения материалов и практически ликвидирует выброс пыли в окружающую среду.

Ресайклер имеет автономную систему по подаче и распределению на всю ширину фрезеруемой полосы цементоводной суспензии, и систему по подачи вспененного битума или эмульсии. Для распределения вяжущих на соответствующей гребенке расположено 12 форсунок.

Для распределения регенерированной смеси используются винтовые шнеки, расположенные в специальном коробе. Задание определенного уклона и предварительное уплотнение осуществляется вибробруссом.

Приготовление АГБ — смеси с добавлением вспененного битума представлено на рисунке 3.

Рис. 3. Приготовление АГБ-смеси типа В

Порошкообразные стабилизаторы, например, портландцемент или золы уноса обычно наносятся перед ресайклером непосредственно на существующее покрытие. Ресайклер в процессе фрезерования за один проход смешивает его с измельченным материалом и водой. Технологический процесс смешивание смеси с минеральными вяжущими представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Смешивание смеси с минеральными вяжущими

Рассмотренная технология холодного ресайклинга имеет ряд значительных преимуществ перед другими способами ремонта и реконструкции асфальтобетонных дорог:

‒ Высокое качество регенерированного слоя в силу последовательного эффективного смешивания полученных на месте материалов с водой и стабилизаторами. Жидкости вводятся в точно необходимом количестве благодаря микропроцессорной системе управления насосами. Смешивание отвечает самым высоким требованиям, поскольку компоненты принудительно перемешиваются в рабочей камере ресайклера.

‒ Структурная целостность восстановленного покрытия. Данный метод позволяет получать связанные слои большой толщины, которые отличаются гомогенностью материала.

‒ Уменьшение продолжительности строительных работ. Современные машины для ресайклинга отличаются высокой производительностью, что существенно сокращает время строительных работ по сравнению с традиционными методами восстановления покрытий.

‒ Отсутствие загрязнения окружающей среды благодаря проведению работ без разогрева старого покрытия.

‒ Безопасность дорожного движения. Данная технология позволяет достичь высокий уровень безопасности дорожного движения при восстановлении дорожного покрытия. Все рабочие машины, выполняющие регенерацию, располагаются в пределах ширины одной полосы движения. Благодаря этому на двух полосных дорогах сначала может быть выполнен ресайклинг одной полосы, а затем второй.

Исходя из вышеизложенного, метод ресайклинга асфальтобетонных дорог позволяет получить покрытие с высокими транспортно-эксплуатационными свойствами и увеличить межремонтные сроки эксплуатации дороги.

Также необходимо отметить, что эта технология позволяет применять различные виды вяжущего, а также для реализации данного метода в России представлены разнообразные модификации техники, позволяющие выполнить работы любой сложности, все это делает данный метод универсальным и конкурентоспособным.

Рассмотренная технология была применена для выполнения капитального ремонта автомобильной дороги Р-258 «Байкал» Иркутск — Улан-Удэ — Чита, в Забайкальском крае.

Для данной автомобильной дороги было рассмотрено 3 состава АГБ:

1 состав (укрепление органическим вяжущим (тип Э)):

‒ Асфальтобетонный грануля — 96,30 %;

‒ Битумная эмульсия ЭБК -3–3,70 %.

2 состав (укрепление минеральным вяжущим (тип М)):

‒ Асфальтобетонный грануля — 97,30 %;

‒ Портландцемнт М400–2,70 %.

3 состав (укрепление комплексным вяжущим (тип К)):

‒ Асфальтобетонный грануля — 94,00 %;

‒ Битумная эмульсия ЭБК -3–3,70 %.

‒ Портландцемнт М400–2,30 %;

В таблице 3 представлены результаты физико-механических свойств АГБ, определенных на цилиндрических образцах диаметром 71,4 мм, изготовленных прессованием под давлением 7 МПа, в стандартных формах для изготовления асфальтобетонных образцов, согласно ГОСТ 1280–98 [13], при температуре 20±2 °С. Время выдерживания образца при заданном давлении — 3 мин.

Таблица 3

Физико-механические свойства АГБ

№п/п	Наименование показателя	Тип состава
		Тип Э	Тип М	Тип К
1	Средняя плотность, (, г/см3)	2,32	2,34	2,36
2	Предел прочности при сжатии, (, МПа), в возрасте 7 суток	1,60	2,80	2,90
3	Предел прочности при сжатии, (, МПа), в возрасте 7 суток	0,90	1,60	1,50
4	Водонасыщение (W, %)	9,20	10,20	8,40
5	Коэффициента водостойкости Кв	0,63	0,70	0,75
6	Прочность на раскол по образующей «бразильский метод», при t= 0°C, МПа	3,30	4,90	4,10

Исходя из полученных данных был принят состав АГБ типа К.

Для выполнения капитального ремонта автомобильной дороги был принят способ получения асфальтогранулобетонной смеси с добавлением цементной суспензии в разрыхленный материал старой дорожной одежды. Предварительно перед рыхлением автогудронатор распределяет битумную эмульсию, после чего ресайклер разрыхляет существующую дорожную одежду и впрыскивает цементную суспензию в разрыхленный материал. Цементная суспензия приготавливается в смесительной установке, которая движется в жесткой сцепке с ресайклером. Подача суспензии производится через питающий шланг в распределительную систему ресайклера.

Для реализации данного метода был выбран ресайклер Wirgen RW 2500 и смесительная установка Wirgen RM 1000. Технические характеристики представлены в таблице 4 и таблице 5.

Таблица 4

Технические характеристика ресайклера WirgenRW 2500

Наименование показателя	Ед. измерения	Значение
Рабочая ширина	мм	2438
Рабочая глубина	мм	0–500
Диаметр фрезерного барабана	мм	1480
Скорость движения	м/мин	0–200
Мощность двигателя	кВт/л.с.	500/680
Объем топливного бак	л	1500
Объем водяного бака	л	750
Рабочая масса	кг	32000

Таблица 5

Технические характеристика смесительная установка WirgenRM 1000

Наименование показателя	Ед. измерения	Значение
Максимальная производительность	л/мин	1000
Мощность двигателя	кВт/ л.с.	186/250
Объем бака для цемента	м3	25
Объем водяного бака	л	11000
Объем топливного бака	л	420
Рабочая масса	кг	31200

Для сравнения на рисунке 5 показано состояние покрытия до регенерации (рисунок 5 а) и после (рисунок 5 б)

а б

Рис. 5. Применение метода холодного ресайклинга для автомобильной дороги «Р-258 «Байкал» Иркутск — Улан-Удэ — Чита».

Литература:

1. Эксплуатация автомобильных дорог: в 2 т. — Т. 2: учебник для студ. высш. учеб. заведений / А. П. Васильев. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — 320 с.
2. Строительство и реконструкция автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. I / А. П. Васильев, Б. С. Марышев, В. В. Силкин и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. А. П. Васильева. — М.: Информавтодор, 2005. — 654 с.
3. Методические рекомендации по восстановлению асфальтобенных покрытий и оснований автомобильных дорог способами холодной регенерации (РОСАВТОДОР). — М.: 2002. — 25 с.
4. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. II / А. П. Васильев, В. К. Апестин, В. И. Баловнев и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. А. П. Васильева. — М.: Информавтодор, 2004. — 897 с.
5. ГОСТ 9128–2009 Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия. — М.: 2013.- 50 с.
6. ГОСТ 22245–90 Битумы нефтяные дорожные. — М.:1990. — 77 с.
7. ГОСТ 11955–82 Битумы нефтяные дорожные. — М.: 1982. — 5 с.
8. ГОСТ Р 52128–2003 Порошок минеральный для асфальтобетонных смесей. — М.: 2003. — 24 с.
9. ГОСТ 10178–85 Портландцемент и шлакопортландцемент. — М.: 1985. — 6 с.
10. ГОСТ 8267–93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. — М.: 1993. — 10 с.
11. ГОСТ 8736–2014 Песок для строительных работ. — М.: 2014–7 с.
12. ГОСТ 16557–2005Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. — М.: 2005–24 с.
13. ГОСТ 12801 -98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. — М.: 1998–53 с.