Дороги прослужат дольше

Древние китайцы говорили: если хочешь достичь благосостояния, строй хорошие дороги. Эта восточная мудрость не потерялась в веках - по сей день ученые ищут ответ на вопрос: как построить дорогу так, чтобы потом ее не ремонтировать?

Именно об этой проблеме пойдет речь и в статье заведующего лабораторией органических вяжущих материалов, члена рабочей группы по битумным органическим вяжущим материалам при Минтрансе России Союздорнии Леонида Гохмана, который считает, что главная беда российских дорог - в недоучете нескольких факторов при их расчете, проектировании, строительстве и реконструкции.

Наши дороги работают в экстремальных условиях

Недопустимое положение, которое сегодня сложилось в части сроков службы дорожных покрытий и связанных с этим объемами недоремонта, обусловлено не только недостаточной капитальностью дорожных одежд нежесткого типа, но и недоучетом некоторых факторов в расчете дорожных одежд, а следовательно, и в проектировании, в строительстве, ремонте и реконструкции дорожных одежд.

Сегодня не учитывается качество органических вяжущих материалов, используемых для материалов покрытия и для склеивания конструктивных слоев между собой. Широко применяемые дорожные битумы приводят к образованию температурных трещин на покрытии, т.к. их температура хрупкости значительно выше температуры наиболее холодных суток района эксплуатации более чем на 96% территории России. По этой же причине образуются отраженные трещины на покрытии, т.к. в соответствии с нашими экспериментами подгрунтовка из битума, которая должна была бы компенсировать локальные напряжения, возникающие в покрытии над трещиной или швом в основании, растрескивается не только в поперечном, но и в продольном направлении. Происходит отслоение покрытия. На практике такое отслоение наиболее вероятно именно в области отраженной трещины.

В связи с этим в покрытии под колесами автомобилей возникают напряжения, значительно превышающие расчетные, а, следовательно, срок службы его резко уменьшается. Кроме того, сама трещина - это очаг интенсивного разрушения, образования выкрашиваний по ее кромкам, а затем выбоин. Асфальтобетон характеризуется минимальной прочностью при максимальных эксплуатационных температурах, когда вязкость и прочность битума минимальна, поэтому именно в этот период следует ожидать зарождения дефектов, ведущих к разрушению кромок выбоин.

Второй период, когда возможны аналогичные разрушения - температура, при которой асфальтобетон переходит в упруго-хрупкое реологическое состояние (т.к. битум становится хрупким), т.е. при температурах воздуха ниже температуры хрупкости битума. При этом края кромки трещины откалываются.

Обращает на себя внимание следующий факт. При расчете дорожной одежды, который призван обеспечить ее требуемую капитальность, модуль упругости асфальтобетона принимается равный тому, каким асфальтобетон характеризуется при 0° С, а при положительных, особенно максимальных температурах фактический модуль упругости асфальтобетона значительно ниже чем при 0° С, приближается к модулю несвязных материалов, следовательно, фактическая капитальность дорожной одежды значительно ниже расчетной. Если это так, то покрытие летом работает в экстремальных условиях, не предусмотренных расчетом по следующим причинам:

- амплитуда прогиба покрытия выше расчетной, т.к. капитальность дорожной одежды ниже расчетной;

- слой покрытия не приклеен, отсутствует сцепление с нижележащим слоем, так как первой же зимой подгрунтовка треснула;

- материал покрытия работает в водонасыщенном состоянии, ввиду наличия трещин на покрытии и в связи с тем, что ГОСТом 9128-97 разрешено проектировать асфальтобетон для покрытий с водонасыщением, превышающим 2,5%, что резко снижает его долговременную прочность.

Если исключить из расчета верхний слой асфальтобетонного покрытия, а рассматривать его только как слой износа, отделить его от нижних слоев подгрунтовкой - трещинопрерывающей прослойкой, вместо битумов для верхнего слоя покрытия применять вяжущие, обеспечивающие его температурную трещиностойкость и установить требования по водонасыщению покрытия не более 2,5% можно значительно увеличить сроки службы покрытий и в ближайшие годы резко сократить, а может быть и ликвидировать недоремонты.

Для этой же цели необходимо по верхнему слою покрытия - слою износа - устраивать высококачественную и долговечную (срок службы не менее 5 лет) поверхностную обработку, возобновляемую каждые (4-5) лет.

Получен органически вяжущий материал, идеальный для эксплуатации в России

Во всех указанных мероприятиях необходимо заменить битумы на органические вяжущие требуемого качества.

При условии обеспечения требуемой капитальности дорожной одежды и исключении возможности образования отраженных трещин на покрытии, качество органических вяжущих материалов, на основе которых приготавливаются смеси оптимальных составов, используемые для устройства покрытий, является главным фактором, определяющим сроки службы покрытий без дефектов в виде трещин (температурных и усталостных), сдвигов (колей, волн, наплывов), шелушений, выкрашиваний, выбоин.

Качество органических вяжущих материалов характеризуется комплексом свойств, определяющих его технологичность, которая обеспечивает требуемые условия приготовления смесей с минеральными материалами, условия их транспортирования на заданные расстояния, режимы укладки и уплотнения, а также физико-механическими показателями, которые характеризуют эксплуатационные свойства и должны обеспечивать требования условий эксплуатации данного покрытия - температурную и усталостную (от многократного воздействия динамической нагрузки, создаваемой колесами автомобилей) трещиностойкость, сдвигоустойчивость, водо- и морозостойкость, устойчивость к старению.

В целях обеспечения возможности применения органических вяжущих при существующей технологий необходимо, чтобы они по своим технологическим свойствам - текучести при принятых температурных режимах перемешивания с минеральными материалами, однородности, способности к смачиванию и обволакиванию поверхности минеральных материалов, вязкости в процессе укладки и уплотнения смесей, по токсичности и пожароопасности, не ухудшали бы условия производства работ, техники безопасности, охраны окружающей среды по сравнению с применением дорожных битумов по ГОСТ 22245-90.

Дорожные битумы по ГОСТ 22245-90, получаемые в России окислением или компаундированием, выше по качеству зарубежных, изготавливаемых, как правило, методами вакуумной дистилляции (остаточные) в части деформативности при низких и отрицательных температурах, но уступают в части устойчивости к старению. При этом ни отечественные, ни зарубежные битумы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним условиями эксплуатации дорожных, мостовых, аэродромных покрытий в России.

Климат России резко континентальный, характеризуется повышенной влажностью и большим числом переходов температуры через 0 градусов. Так, в соответствии со СНиП 23-01-99 температура воздуха наиболее холодных суток колеблется от минус 21° С до минус 59° С, а температура хрупкости дорожных битумов всех марок колеблется в пределах от -6° С до -20° С. Расчетная температура сдвигоустойчивости покрытий, полученная на основе температуры наиболее теплого месяца при скорости ветра, равной 0 м/с, колеблется в пределах от 50° С до 67° С, а температура размягчения битумов находится в пределах 33° С до 51° С. При этом наличие объемного битума в покрытии очевидно.

Условия эксплуатации покрытии дорог, мостов и аэродромов, а именно климат России и условия движения автомобилей обусловливают следующие минимальные требования к основным эксплуатационным показателям свойств органических вяжущих материалов для покрытий:

Температура хрупкости по Фраасу должна быть равна или ниже температуры наиболее холодных суток (СНиП 23-01-99) района эксплуатации покрытия с обеспеченностью 0,98 для дорог 1 и II категорий движения мостов и аэродромов и 0,92 - для дорог более низких категорий.

Температура размягчения по методу «кольцо и шар» должна быть не ниже расчетной температуры сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий, определенной по формуле Я.Н. Ковалева, учитывающей радиационный и тепловой баланс на их поверхности при отсутствии ветра на основе температуры воздуха наиболее теплого месяца (СНиП 23-01-99) района эксплуатации покрытия; органические вяжущие, применяемые для дорог I и II категорий, мостов и аэродромов по нормам на температуру размягчения должны быть на 2 градуса выше.

Эластичность, определяемая в соответствии с методикой, опубликованной в ГОСТ Р 52056-2003, должна быть не менее 80-85% в зависимости от консистенции вяжущая при 25° С и не менее 70-75% при 0° С; для покрытий на объектах I и II категорий движения нормы на этот показатель рекомендуется повысить на 5%.

Адгезия к поверхности минеральных материалов, оцениваемая по показателю сцепления в соответствии с ГОСТ 11508 (метод А), должна удовлетворять требованию - «выдерживает по контрольному образцу № 2» как для эталонного мрамора, характеризующего материалы основных пород (в частности, минеральный порошок), так и для щебня и песка, представляющих собой, как правило, материалы кислых пород.

Устойчивость к старению, оцениваемая по изменению показателя температуры размягчения после прогрева, должна быть не ниже требований, регламентированных для битумов марок БНД.

Соблюдение этих требований к органическим вяжущим материалам и условий их применения, позволит в перспективе обеспечить сроки службы покрытий, равные срокам службы дорожных одежд.

Очевидно, что дорожные битумы по ГОСТ 22245-90 не соответствуют требованиям, предъявляемым к вяжущим, а изменение их консистенции либо сырья или технологии их производства существующим в России и в мире способами не позволяют получить вяжущим требуемого для условий России качества. Так, например, органическое вяжущее для Москвы и области должно соответствовать по температуре хрупкости по Фраасу норме не выше -36° С, а температура размягчения по методу «кольцо и шар» не ниже 59° С. Многолетние исследования, проведенные в Союздорнии, экспериментальные, опытные работы и большой объем внедрения полимерно-битумных вяжущих на основе блоксополимеров типа СБС (ПБВ) в России (более 3500 км покрытий и поверхностных обработок) позволяют заключить, что подготовлен для широкого внедрения новый органический вяжущий материал и способ его производства, позволяющий обеспечить все требования, предъявляемые ему условиями эксплуатации покрытий в любом регионе России. Наиболее важными объектами, где было применено ПБВ, являются автодороги: МКАД, Москва - Санкт-Петербург, Петрозаводск - Мурманск, Москва - Рига, «Беларусь», Краснодар - Майкоп, МКАД - Кашира, Киевский мост «Северный», а также аэропорты: Нефтеюганск, Рощино, Нижневартовск, Ноябрьский, Усинск и подъезд к аэропорту Шереметьево.

Срок службы покрытий и поверхностных обработок с применением ПБВ в 1,5-4 раза выше, чем с применением битумов.

ПБВ на основе СБС, представляющее собой эластомер, состоит из битума-термопласта, блоксполимера бутадиена и стирола типа СБС, пластификатора и ПАВ и характеризуется в отличие от битумов наличием самостоятельной, не связанной с коагуляционным каркасом из асфальтеновых комплексов, пространственной структурной эластичной сеткой из трехблочных макромолекул полимера во всем объеме вяжущего. Указанная сетка находится в дисперсионной среде ПБВ, являясь специфической эластичной арматурой, работающей на молекулярном уровне.

В настоящее время подготовлена научно-техническая документация, обеспечивающая возможность широкого внедрения ПБВ на основе СБС в России.

Основными нормативами являются ОСТ 218.010-98 Стандарт отрасли «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа СБС. Технические условия», введенный в действие ФДС России приказом № 91 от 12 мая 1998 г. и ГОСТ Р 52056-2003 Государственный стандарт Российской Федерации «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия», введенный в действие с 01.01.2004 г. Постановлением Госстандарта России № 157-ст от 23 мая 2003 г.

В этих стандартах регламентированы минимальные значения показателей свойств. Варьируя соотношением компонентов можно одновременно снижать температуру хрупкости ПБВ и повышать температуру размягчения.

Кроме того, разработано и издано «Руководство по применению комплексных органических вяжущих (КОВ), в том числе ПБВ на основе блоксополимеров типа СБС в дорожном строительстве» (Утверждено распоряжением Минтранса России № ОС-134-Р от 11.03.2003 г.)

Необходимо подчеркнуть, что важнейшими требованиями, предъявляемыми к ОВМ, является хорошая совместимость компонентов, однородность, устойчивость к старению. Большое значение имеет размер первичных частиц дисперсной фазы ОВМ. Ранее нами совместно с к.т.н. Е.М. Гурарием показано, что при деформировании в области практически не разрушенной структуры битумов или ПБВ в процесс деформирования включаются именно первичные частицы дисперсной фазы. Доказательством этого являются рассчитанные на основании указанных выше реологических измерений размеры частиц дисперсной фазы битумов - асфальтеновых комплексов, известные из данных по малоугловому рентгеновскому рассеянию. Для обеспечения полного смачивания и обволакивания минеральных частиц вяжущим достижения высокой адгезии с целью получения однородного битумоминерального материала, максимальный размер частиц дисперсной фазы в ОВМ должен быть не более 0,1 мкм или 1000Ао, что соответствует размерам коллоидных частиц (1). Таким образом, изменив дисперсную, коллоидную структуру битумов или создав новую, но не менее однородную, чем битум, мы можем получить вяжущее, которые смогут обеспечить все требования, предъявляемые условиями эксплуатации в России или других странах, к органическим вяжущим материалам как в части технологических свойств, так и эксплуатационных.

К таким вяжущим относится ПБВ на основе СБС. Размер первичных частиц дисперсной фазы в них не превышает (300-500)Ао.

Дисперсные системы, содержащие в качестве первичных частиц дисперсной фазы частицы размером более 1000Ао, относятся к грубодисперсным (1), и их следует рассматривать как мастики, а не органический вяжущий материал.

Минимальное содержание полимера, при котором в ПБВ образуется эластичная структурная сетка, составляет (2-2,5%) полимера по массе. Повышение содержания полимера повышает прочность сетки, а следовательно, эластичность и теплостойкость ПБВ и за счет ориентационного эффекта его трещиностойкость. Наличие пластификатора позволяет регулировать трещиностойкость ПБВ, обеспечивая температуру хрупкости вплоть до -60° С, и требуемые технологические свойства смеси.

В виду более высоких, чем у битума пределов текучести, вязкости и модуля деформации при высоких эксплуатационных температурах полимерасфальтобетон обеспечивает требуемую сдвигоустойчивость при фактическом водонасыщении кернов из покрытия менее 2,5%, а следовательно, обеспечивается требуемая водо- и морозостойкость покрытия.

В соответствии с распоряжением Росавтодора разработаны блоксополимеры типа СБС, содержащие в своем составе ПАВ двойного действия, позволяющие обеспечить требуемую адгезию к минеральным материалам как основных, так и кислых пород. Таким образом, дорожное строительство получило универсальное ПБВ на основе СБС, способное обеспечивать любые, предъявляемые ему условиями эксплуатации и сырьевой базой минеральных материалов требования.

«Слабое место»

Важно отметить, что, варьируя соотношениями компонентов битума полимера и пластификатора, могут быть получены ПБВ на основе СБС, обеспечивающие требования, предъявляемые к герметикам, гидроизоляциям, кровлям, подгрунтовкам - трещинопрерывающим прослойкам.

Расчет нежестких дорожных одежд предполагает, что конструктивные слои дорожной одежды должны быть склеены между собой. Однако подгрунтовкам, использующимся для этой цели, уделяется явно недостаточное внимание. Используются, как правило, битумы, разжиженные битумы или их эмульсии. Очевидно, что эти материалы становятся хрупкими при низких температурах воздуха, а при возникновении деформаций растяжения под действием колес автомобилей, температурных напряжений в склеенных слоях трескаются и отслаиваются от конструктивных слоев. В результате слои оказываются не склеенными, а следовательно, резко возрастает напряжение в слое покрытия, значительно превышая расчетные. Это, естественно, приводит к преждевременному разрушению дорожных покрытий, так как они работают в условиях никак непредусмотренных расчетом. Кромка трещины в асфальтобетоне является всегда слабым местом, т.к. асфальтобетон именно здесь испытывает сдвигающие и растягивающие напряжения заведомо выше тех предельных, которые он может выдержать, и кромка разрушается. Это происходит, по-видимому, в жаркое время года, когда прочность асфальтобетона, особенно на растяжение и сдвиг весьма и весьма мала, а также весной и осенью из-за высокого водонасыщения. Поэтому наличие трещин в асфальтобетонном покрытии недопустимо. Заливка трещины мастиками мало меняет ситуацию, так как при высоких температурах прочность мастики ниже прочности асфальтобетона, а иногда и ухудшает ситуацию, когда предел прочности мастики на растяжение при низких температурах оказывается выше предела прочности на растяжение асфальтобетона и в результате на покрытии появляются трещины условно параллельные имеющимся и на небольшом расстоянии от них, что ведет к быстрому образованию выбоин.

Из сказанного ясно, что существующая подгрунтовка не выполняет отведенной ей роли. Следует применять в качестве подгрунтовки такие материалы, которые бы не только склеивали конструктивные слои дорожной одежды, в частности слои покрытия и основания, но и играли бы роль трещинопрерывающей прослойки. Это позволит исключить отраженные трещины на покрытии.

Такая подгрунтовка - трещинопрерывающая прослойка - должна выполняться из специально подобранного для данных условий ПБВ на основе СБС. При этом температура хрупкости такого ПБВ должна быть равна температуре наиболее холодных суток района эксплуатации данной дорожной одежды (СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»), эластичность при 0° С не менее 70%, относительное удлинение при разрыве при любой эксплуатационной температуре должно быть в несколько раз больше раскрытия шва или трещины, температура размягчения не ниже 80 °С. Технические требования к такой подгрунтовке, которая должна служить трещинопрерывающей прослойкой, разработаны в Союздорнии (ТУ 5718-041-01393697-2000).

Основная проблема возникает при устройстве таких прослоек - весьма непросто сохранить ее толщину как минимум (1,5-2) мм, т.к. обычные подгрунтовки практически полностью впитываются горячей асфальтобетонной смесью. Чтобы сохранить указанную толщину прослойки по ней после остывания либо рассыпают слой крупнозернистого песка или отсева дробления. В качестве такой прослойки может быть использован разработанный в Союздорнии двухкомпонентный материал марки КОВ-190 (ТУ 5775-031-01393697-99) мастика холодная гидроизоляционная.

Эти варианты прослоек-подгрунтовок предполагается опробовать в ближайшее время в рамках опытного строительства. Лабораторные эксперименты показывают, что при применении такой подгрунтовки напряжения в слое покрытия при раскрытии шва или трещины в нижнем слое на (500-600 %) равны нулю, а при использовании в качестве подгрунтовки вместо битума ПБВ на основе СБС ширина раскрытия шва или трещины в нижнем слое оказывается в несколько раз больше, чем при применении битума до образования трещины в покрытии.

Таким образом, показано, что применение ПБВ на основе СБС в качестве вяжущего в полимерасфальтобетоне позволяет обеспечить требуемые сдвигоустойчивость, трещиностойкость, устойчивость к динамическим воздействиям на дорожное покрытие, водо- и морозостойкость, т.е. уменьшить или исключить образование волн, сдвигов, температурных и усталостных трещин выкрашиваний, шелушениям выбоин на нем. При одновременном использовании ПБВ на основе СБС, специального состава или другого органического вяжущего материала с аналогичными свойствами в качестве подгрунтовки - трещинопрерывающей прослойки удастся устранить также и отраженные трещины, исключить в покрытии напряжения, не предусмотренные расчетом, сохранив надежный контакт между покрытием и основанием на весь период эксплуатации покрытия. Такая подгрунтовка - прослойка, по сути дела, дает возможность материалу покрытия справиться с теми напряжениями, на которые он и рассчитан, а не выполнять функцию конструктивного слоя, отвечающего за все грехи нижележащих слоев и всей конструкции дорожной одежды в целом.

Необходимо отметить, что высказанные выше предложения и соображения в определенном смысле вступают в противоречие с существующим методом расчета дорожных одежд нежесткого типа, а следовательно не могут быть им обоснованы и включены в проекты строительства, реконструкции и ремонта дорожных одежд нежесткого типа. Это является основной причиной низких сроков службы дорожных покрытий, огромных объемов недоремонта, больших затрат на ремонты, сдерживания развития сети дорог в России.

Предложения

Считаю целесообразным и необходимым с целью повышения сроков службы дорожных покрытий осуществить следующие мероприятия.

1. Исключить из расчета дорожных одежд верхний слой покрытия в качестве конструктивного, рассматривая его как слой износа толщиной не менее 6 см. Внести соответствующие изменения в расчеты. Это существенно повысит капитальность дорожных одежд, а следовательно, срок службы покрытий за счет снижения его амплитуды прогиба, а следовательно, и относительного удлинения. Это не исключает применения асфальтобетона в слоях основания для обеспечения требуемого эквивалентного модуля, но предполагает при этом образование трещин в нем, что потребует обязательного устройства трещинопрерывающей прослойки-подгрунтовки.

2. Включить в качестве одного из основных в расчет дорожных одежд критерий трещиностойкости покрытия: от воздействия температурных напряжений, вызывающих как температурные, так и усталостные трещины, обусловленные качеством применяемых в покрытии вяжущих; отраженные и усталостные трещины, обусловленные напряжениями вызванными недостаточной капитальностью дорожной одежды и локальными напряжениями, связанными с деформацией слоев основания и нижнего слоя покрытия в областях трещин и швов.

3. Узаконить и включить в расчет дорожных одежд, а следовательно, и в проекты строительства, ремонта и реконструкции дорожных одежд нежесткого типа сплошную подгрунтовку - трещинопрерывающую прослойку - под верхним слоем покрытия. Температура хрупкости такой подгрунтовки должна быть не выше температуры наиболее холодных суток района эксплуатации покрытия, а эластичность при 0° С не ниже 70%.

4. При расчете дорожных одежд и верхнего слоя покрытия по критериям трещиностойкости необходимо учесть качество применяемого органического вяжущего материала, а именно в требованиях проекта должна быть заложена температура хрупкости вяжущего по Фраасу не выше температуры наиболее холодных суток района эксплуатации по СНиП 23-01-99, а комплекс показателей свойств должен быть не ниже регламентированного ОСТ 218.010-98.

5. Освоить технологию устройства долговечной (срок службы не менее 5 лет) поверхностной обработки с применением КОВ или ПБВ на основе СБС специального состава и узаконить ее устройство сразу после строительства, ремонта и реконструкции покрытий.

Наталья Быкова

Перечень дорожных битумов, рекомендуемых Росавтодором к применению