6. Вяжущие для холодного ресайклинга
Для обработки измельченного материала старого асфальтобетонного покрытия и щебеночного основания в большинстве случаев применяют битумную эмульсию, а иногда вспененный битум.
Идея применения битумных эмульсий состоит в том, что они, оставаясь стабильными при перевозке, хранении и перекачивании, после соприкосновения с поверхностью каменных материалов, быстро распадаются на битум и воду. Как известно, в дорожном строительстве битумные эмульсии применяют взамен битума, чтобы обеспечить возможность смешения с каменным материалом, укладки и уплотнения смеси при пониженных температурах.
Прямая битумная эмульсия представляет собой мельчайшие шарообразные капельки битума, плавающие в воде. Коэффициент вязкости битума даже при температуре 130–140°C равен примерно 1 Па•сек, а при 60°C – примерно 200 Па•сек, тогда как вязкость воды при комнатной температуре составляет около 0,001 Па•сек. Поскольку в прямой эмульсии вода является непрерывной фазой, а капельки битума включениями, вязкость эмульсии зависит в основном от вязкости воды, несмотря на то, что объем битума в ней обычно превышает объем воды или же равен ему. Ясно, что вязкость эмульсии битума в воде меньше вязкости битума как минимум в десятки тысяч раз, что значительно облегчает обработку каменного материала или асфальтовой крошки. В процессе перемешивания эмульсия образует пленку на поверхности твердых частиц. После высыхания смеси вода испаряется, а битум связывает частицы. Таким образом, обеспечивается возможность обработки каменного материала без его предварительного высушивания и нагрева.
Эмульсии делят на три категории: катионные (cationic), анионные (anionic) и нейтральные (non-ionic). В дорожном строительстве применяют эмульсии первых двух категорий. Термины «катионные» и «анионные» относятся к электрическому заряду эмульгатора, окружающего капельки битума и препятствующего их слиянию. Катионные эмульсии характеризуются положительным зарядом поверхности капель битума, анионные – отрицательным. Поскольку противоположные электрические заряды отталкиваются, капли не сливаются. По этой причине анионные эмульсии эффективны при обработке материалов, поверхность которых заряжена положительно, а катионные – при обработке частиц, поверхность которых имеет отрицательный заряд. (Например, отрицательно заряжена поверхность большинства глинистых минералов).
В зависимости от требуемых свойств эмульсия может быть приготовлена на битумах различной вязкости с использованием различных добавок, регулирующих свойства битума, устойчивость эмульсии при транспортировке и хранении, скорость их распада после смешения с твердыми частицами.
Для холодного ресайклинга исходный битум, его концентрацию в эмульсии и ее содержание выбирают на основании предварительных лабораторных испытаний образцов смеси. Обычно используют катионные (реже – анионные) распадающиеся со средней скоростью, или катионные медленно распадающиеся эмульсии на битуме или полимерно-битумном вяжущем с концентрацией битума (ПБВ) порядка 60%. В связи с существенным отличием российских и американских стандартов на эмульсии и чрезвычайной важностью свойств эмульсии в технологии ресайклинга, рассмотрим детально требования американского стандарта к наиболее часто применяемым для холодного ресайклинга катионным эмульсиям.
Технические условия на катионные битумные эмульсии регламентированы одноименным стандартом D 2397-02 Американского Общества Испытаний и Материалов (ASTM). Он переиздается под постоянным номером D 2397 (следующее за номером число обозначает год первоначального или последнего издания). Стандарт охватывает семь марок катионных битумных эмульсий для применения в дорожном строительстве. Эмульсию следует испытывать в течение двух недель после доставки. Она должна быть однородной после перемешивания (если не произошло расслоения, вызванного замерзанием; эмульсию, которая расслоилась вследствие замерзания, испытывать не разрешается) и удовлетворять требованиям, приведенным в таблице 1.
В технической литературе на английском языке применительно к битумным эмульсиям для характеристики процессов, происходящих во времени, используют два термина: «setting time» и «breaking time», а на русском – один – «время распада», что может привести к недоразумениям и затруднениям в понимании маркировки эмульсий.
Термин «setting time» характеризует процесс, обратный эмульгированию (деэмульгирование), т. е. разрушение эмульсии. Капли дисперсной фазы укрупняются вследствие слияния при их столкновениях в процессе броуновского движения и оседания, что приводит к расслоению образующих эмульсию жидкостей. Деэмульгирование происходит, когда действие эмульгатора перестаёт быть эффективным, т. е. образуемые им на поверхности капель защитные оболочки разрушаются или теряют способность предотвращать слияние капель. Термин «breaking time» характеризует время распада битумной эмульсии при взаимодействии с поверхностью минеральных частиц. Именно этот термин – «время распада» – и используется в России. Как правило, чем больше «setting time», тем больше «breaking time», хотя характеризуемые ими процессы различны, т. к. время распада зависит не только от состава эмульсии, но и от минералогического и зернового состава твердых частиц, их влажности и т. д. С этой точки зрения удобнее классифицировать эмульсию по «setting time», поскольку для одной и той же эмульсии «breaking time» может быть различным.
В зависимости от того, как быстро происходит расслоение, в США различают следующие битумные эмульсии:
RS (rapid-setting) – очень быстро оседающие (время их распада составляет от одной до пяти минут);
MS (medium-setting) – оседающие со средней скоростью;
SS (slow-setting) – медленно оседающие;
QS (quick – setting) – быстро оседающие.
Для катионных эмульсий в маркировке добавляют букву C (cationic) и используют обозначения CRS, CMS, CSS, CQS, фигурирующие в таблице 1. Отсутствие буквы «C» означает, что эмульсия является анионной. При переводе технических требований стандарта (таблица 1) использован традиционный термин «время распада» как для «setting time», так и для и «breaking time». Числа после этих буквенных обозначений характеризуют вязкость эмульсии и вязкость эмульгированного битума. Эмульсии, помеченные числом «1», менее вязкие, чем содержащие в маркировке «двойку». Следующая за числом буква «h», означает, что применяется более «твердый» (hard) битум.
7. Технология холодного ресайклинга
Рассмотрим технологию холодной регенерации дорожных покрытий с помощью глубокого ресайклинга подробнее. Ее желательно применять на дорогах со старым асфальтобетонным покрытием, имеющим трещины, ямы и колею. Помимо ликвидации этих дефектов, удается поправить поперечный профиль и одновременно с ремонтом сделать уширение. Есть много старых дорог как с тонким асфальтобетонным покрытием на щебеночном основании, так и с поверхностной обработкой по щебню, к которым уместно применение данной технологии. В процесс ресайклинга может быть также вовлечен (полностью или частично) подстилающий песчаный слой, верхняя часть песчаного и супесчаного грунта земляного полотна. В результате все они будут стабилизированы битумом.
Как и для других дорожных технологий, возможны различные варианты холодного ресайклинга в зависимости от конструкции и состояния старой дорожной одежды, технических требований к ремонтируемой конструкции и условий строительства. Тем не менее, во всех случаях можно выделить 8 основных этапов, от измельчения старого покрытия до укладки нового замыкающего слоя в виде поверхностной обработки или из горячей смеси.
Фривей 405. Фрезерованная поверхность цементобетонного покрытия на крайней правой полосе. Справа – аварийная остановочная полоса с цементобетонным покрытием. Пешеходы не имеют доступа на фривей.
Первым этапом является фрезерование, измельчение покрытия и его перемешивание с материалом основания в заданной пропорции. Размер зерен измельчаемого материала зависит от скоростей движения ресайклера и вращения фрезерующего ротора, а также положений контролирующего максимальную крупность бруса и фронтальной и задней заслонок смесительной камеры. Получить смесь с зернами наибольшего размера 50 мм несложно, для этого достаточно снизить скорость. Обычно при глубоком ресайклинге стремятся обеспечить смесь с 95% зерен мельче 37,5 мм, а в некоторых случаях отсеивают зерна крупнее 25 миллиметров. Ресайклер не является дробилкой, в том смысле, что он не предназначен для получения зерен меньшего размера, чем имеющиеся в том щебне, из которого приготовлены старая асфальтобетонная смесь или основание дорожной одежды. Вместе с тем, получаемая в результате смесь имеет непрерывную гранулометрию, характерную для плотных смесей.
Обычно во время измельчения для охлаждения и обеспыливания добавляется вода (либо непосредственно в ресайклере, либо разбрызгивается на поверхность после его первого прохода). Количество воды определяется заранее на стадии подбора состава смеси с учетом количества эмульсии с тем, чтобы обеспечить оптимальную влажность смеси из условий достижения ею максимальной плотности при укатке.
Если глубина обработки менее 15 см и не требуется введение добавок (цемента, извести, золы уноса, нового щебня), то, в большинстве случаев, можно ограничиться одним проходом ресайклера. Если же необходима более глубокая обработка с уширением проезжей части и существенным исправлением поперечного профиля, а также введение добавок, то требуется несколько проходов ресайклера. Добавку вводят в битумную эмульсию и приготавливают суспензию, которая затем поступает в смесительную камеру для перемешивания с измельченным материалом старого покрытия. В этом случае после первого прохода смеси придается форма и она слегка уплотняется, а на втором проходе вводится добавка. Если нужна третья стабилизирующая добавка (например, при добавлении извести или цемента), делается третий проход.