НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫ ДОРОГ – ГАРАНТИЯ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

В последние годы был разработан ряд гидрофобизаторов различного целевого назначения марки «ГИДРОЭФФЕКТ», которые меняют характер взаимодействия между компонентами композиции, придают ей монолитность, гидрофобность и водооталкиваюшие свойства.

Такие характеристики чрезвычайно важны в строительстве и ремонте автомобильных дорог всех категорий различного назначения, карьеров, дорожных откосов, склонов каналов, аэродромного покрытия, открытых и подземных хранилищ, дамб.

Современные автомобильные дороги представляют собой сложный инженерный комплекс из строительных материалов, - это своего рода макрокомпозит, олицетворяющий собой единый монолит.

Строительство автомобильных дорог является одной из наиболее материалоемких и трудоемких отраслей [1-8] .

Основные затраты материальных, трудовых и финансовых ресурсов в дорожном строительстве связаны со строительством дорожной конструкции – земляного полотна и дорожной одежды [9-16].

Одним из основных путей повышения экономической эффективности дорожного строительства является применение новых и местных материалов, а также побочных продуктов промышленности. Новые гидрофобизаторы марки «ГИДРОЭФФЕКТ» направлены на разработку рациональных дорожных конструкций, обеспечивающих снижение материалоемкости и трудоемкости дорожного строительства в широких масштабах.

По данным немецких специалистов, строительство одного километра шестиполосной высококачественной дороги обходится строителям в 21 млн. евро. Поэтому внедрение новых технологий и материалов, снижающих стоимость дорог и повышающих их качество - одна из актуальных задач современности.

Основными природно-климатическими факторами, влияющими на прочность дорожной конструкции, являются влажность и температура

[17-23]. Влажность наиболее сильно влияет на деформированность и прочность грунто - земляного полотна автомобильных дорог. При увеличении влажности увеличивается их деформированность и уменьшается прочность. Так как земляное полотно является основанием дорожной одежды, то это приводит к изменению прочности всей дорожной конструкции.

Увлажнение дорожной конструкции возможно за счет еще двух источников - пленочной и парообразной влаги. Пленочная влага покрывает поверхность минеральных частиц, и – под действием температурных градиентов (перепадов температур) - может перемещаться из теплых мест в более холодные. Этот источник увлажнения действует непрерывно и может вызывать передвижение грунтов полотна. Парообразная влага в виде пара под влиянием температурных градиентов перемещается к верхней части полотна до паронепроницаемых слоев дорожной одежды и служит причиной интенсивного увлажнения грунта основания дорожной одежды.) Температура является одним из основных факторов, определяющих процессы миграции влаги в земляном полотне, характерные периоды водно-теплового режима дорожной конструкции и её физико - механические свойства.

При проектировании дорожных конструкций одним из основных является вопрос о правильном назначении структурно - механических характеристик грунтов: относительная влажность, модуль упругости дорожной конструкции, значение угла внутреннего трения, удельное сцепление грунтов. Эта задача является сложной и ответственной, т.к. необходимо предсказать значение этих характеристик на много лет вперед, поскольку расчетный срок службы дорого - порядка 10-20 лет, в зависимости от районирования территории и с учетов всего комплекса перечисленных выше факторов. Влажность грунтов полотна изменяется под действием геокомплексов не только по сезонам года, но в более длительном периоде и зависит от сложного сочетания многих случайных факторов.

При конструировании одежд необходимо учитывать конкретные условия увлажнения, которые могут сильно изменяться по отдельным участкам вдоль дороги. Кроме того, при проектировании экономичных дорожных конструкций следует учитывать как воздействие на них автотранспорта, так и природно-климатических факторов. Их комплексный учет позволил рассмотреть внедрение гидрофобизатора марки «ГИДРОЭФФЕКТ» в дорожное строительство экономичных конструкций дорожных одежд. На этой основе должны разрабатываться и новые экономичные дорожные конструкции.

Основным путем повышения прочности и долговечности дорожной конструкции является повышение прочности и стабилизация свойств грунтового основания - как наиболее слабой части конструкции [10,15,24]. Наиболее простым методом является увеличение механической прочности грунта основания без существенного изменения водно-теплового режима путем армирования грунта слоем армирующего полимерного материала: полипропилена, полиэтилена, поливинилхлорида и т.д.

Второй, более рациональный путь, заключается в регулировании свойств всей дорожной конструкции. Регулирование теплового режима конструкций изменяется в основном в регионах с суровыми климатическими условиями и направлено на изменение глубины промерзания земляного полотна.

В США и северных западных европейских государствах толщину дорожной одежды принимают близкой к глубине промерзания грунтов. Применение теплоизолирующих слоев позволяет сохранить глубину промерзания и уменьшить толщину одежды. Это достигается за счет применения различных теплоизолирующих слоев в нижней части дорожной одежды. Более рационально применение пенопластов. Такие слои обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, применялись при строительстве автомобильных дорого на Аляске, в Швеции, России (г. Москва, Московская обл., Калининской, Ярославской областях). Недостатком пенопластов является малая механическая прочность и деформированность, что создает угрозу разрушения нижележащих слоев одежды. Для жестких теплоизолирующих слоев используют полистиролбетоны, получаемые добавлением в бетон гранул полистирола. Теплозащитные свойства таких слоев хуже, чем пенопласта, однако прочность намного выше.

Более совершенным и универсальным является способ регулирования воднотеплового режима конструкции. Такое регулирование возможно при использовании пароизолирующих слоёв. Выбор парогидроизоляционных или гидроизоляционных барьеров зависит от конкретных условий и осуществляется изоляцией пленкой из нетканого полимерного материала в слое грунта основания.

Полная изоляция грунта требует большого расхода материала и больших трудозатрат, однако полностью проблему не решает.

Таким образом, стандартные (эталонные) дорожные конструкции, широко применяемые в строительстве, не могут обеспечить повышенные значения прочности грунтовых оснований даже в благоприятных дорожно-климатических условиях, характерных для Украины и южных областей России. Грунт земляного полотна - тяжелый пылеватый суглинок, содержащий 30% песка, 18% пыли и 52% глины. Такие грунты являются характерными для степной зоны Украины. Все вышеперечисленные проблемные ситуации формирования дорожных конструкций можно преодолеть, благодаря применению гидрофобизатора марки «ГИДРОЭФФЕКТ», создающего пароизоляционные, гидроизоляционные или парогидроизоляционные слои, например, создание слоя защитного действия парогидроизоляции обработкой грунта на глубину 1- 1,5 м по специальной технологии соответствующим гидрофобизатором.

Влагосодержание грунта основания зависит от глубины грунтовых вод и относительной влажности среды и времени года. Обработка грунта гидрофобизатором соответствующего состава основана на химическом взаимодействии влаги грунта с ингредиентами гидрофобизатора, приводящего гидрофобизации частиц и пор грунта с проявлением кольматирующего эффекта. В результате образуется гидрофобный гидробарьер, защищающий грунт основания от притока влаги, возможного разжижения или промерзания, т.е. грунт основания приобретает теплозащитные свойства и предохраняет дорожную одежду от разрушения. Это своего рода изолированный грунт с физико - механическими и физико-химическими характеристиками, отличающего его от окружающих грунтов:

• Слой изолированного грунта защищен от увлажнения всеми видами

влаги. Возможно, частично оставшаяся после гидрофобизации влага может распределяться внутри слоя в течение года. Поскольку изолированный грунт содержит следы влаги, он обладает повышенной прочностью, меньшей деформируемостью и вязкостью в течение всего года.

• Вследствие пониженной влажности не происходит промерзание и разуплотнение, влаги слишком мало, чтобы при промерзании, увеличиваясь в объеме, раздвигались частицы грунта.

• Изолированный гидрофобизованный грунт равномерно распределяет нагрузки, обладает повышенной прочностью и меньшей деформированностью.

• Слои изолированного гидрофобного грунта оказывают положительное влияние на водно-тепловой режим всей дорожной конструкции.

В этом случае земляное полотно сверху защищено пароводоизолирующим слоем изолированного грунта. Этот слой является теплоизолятором и ограничивает возможность миграции влаги в полотне. Слой изолированного гидрофобного грунта вследствие пониженной влажности и повышенной плотности является более жестким, чем обычный грунт. Поэтому он перераспределяет и уменьшает нагрузки, передающиеся на полотно.

Таким образом, дорожная одежда защищена снизу этим слоем от всех видов увлажнения. Сверху она защищена водонепроницаемым покрытием, которое сможет быть усилено обработкой поверхности гидрофобизатором марки «ГИДРОЭФФЕКТ». Одежда располагается на более прочном и жестком сновании. В конструкции дорожных одежд могут широко применяться местные материалы. В нижних слоях целесообразно применение гравийных слоев, золошлаков, укрепленных органическим вяжущим.

Другой важной проблемой, влияющей на прочность и долговечность дорожных конструкций, является основной материал для дорожной одежды - асфальтобетон. В Украине в 2006 г., с учетом отечественного и зарубежного опыта проектирования, приготовления щебеночно - мастичного асфальтобетона, разработан государственный стандарт ДСТУ Б. В. 2.7-127: 2006 «Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон щебенево-мастикові. Технічні умови» и введен с 1.01.2007 г.

Разработанный стандарт регламентирует сферу применения щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей - строительство верхних слоев покрытия дорожных одежд. Новый стандарт позволяет использовать щебёночно-мастичные асфальтобетонные смеси с максимальным размером зерен 5 мм (ЩМА-5). По этому стандарту рекомендуется контроль плотности покрытия из ЩМА проводить только по величине остаточной пористости или по водосодержанию отобранных из покрытия кернов, т.к. показатели остаточной пористости и водосодержания образцов асфальтобетонов тесно коррелируют. Поэтому гидрофобизаторы ГИДРОЭФФЕКТ могут в значительной степени улучшить прочностные характеристики щебеночно - мастичных асфальтобетонов за счет гидрофобизации остаточной пористости и уменьшения водосодержания.

Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон ГОСТ 9128-97 разработан Корпорацией «Трансстрой», Государственным дорожным научно-исследовательским и проектным институтом «СоюздорНИИ» Российской Федерации, принят Межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительство (МНТКС ) 10.12.1997 г. и подтвержден ГОСТ 9128 – 2009.

Асфальтобетон, как известно, распространенный строительный материал для устройства автомобильно-дорожных и аэродромных покрытий, плоских кровель, полов промышленных зданий, в гидротехническом строительстве. Асфальтобетонная смесь состоит из оптимально подобранного состава:

• Минеральных материалов - щебня либо гравия, песка, тонкодисперсного минерального порошка либо без него.

• Органического вяжущего материала - битума.

Согласно ГОСТ 9128-2009, асфальтобетонные смеси и асфальтобетоны по виду минеральной составляющей (каменного материала) разделяются на:

• щебеночные (щебень, песок, минеральный порошок),

• гравийные (гравий песок или песчано-гравийный материал, минеральный и порошок и битум).

• песчаные (песок, минеральный порошок, битум).

со строгой регламентацией размеров минеральных наполнителей, процентного содержания, пористости, температур горячей и холодной укладки.

При всем разнообразии методов подбора состава основополагающим является принцип проектирования смеси, обеспечивающей главное требование к качеству асфальтобетона - оптимальные эксплуатационные свой дорожного покрытия и его высокий срок службы [9-12,14]. Специалистам известно два подхода к проектированию состава асфальтобетонных смесей:

1. Подбор смеси с непрерывной гранулометрией каменного

материала [13].

2. Подбор смеси по принципу плотного бетона разрешается использование каменных материалов с окатанной формой зерен и прерывистой гранулометрией.

Важным моментом для этих двух способов имеет правильная дозировка применяемых битумов и хорошая адгезия с поверхностью минеральных наполнителей. Подбор начинается с определения свойств составляющих смеси и проверки соответствия их нормативам, установленным техническими документами. Затем находится оптимальное соотношение между компонентами, гарантирующее получение смеси с определенными свойствами. Так получают искусственный асфальт или асфальтобетонную смесь - строительный материал в виде уплотненной смеси: щебня, песка, минерального порошка и битума. Это своего рода макрокомпозит, от прочности которого зависит долговечность строительного изделия. Влага, вода, перепады температур, годовые циклы замерзания-размерзания в конечном итоге его разрушают.

С развитием автомобилестроения требования к качеству автодорог претерпели существенные изменения. Создание для дорожных одежд монолитных покрытий из органо - минеральных и бетонных смесей сегодня являются первоочередной задачей.

Битум и цемент - весьма дорогие ингредиенты асфальтобетона. Чтобы уменьшить необходимые количества вяжущих и повысить прочность и качество орано-минеральных и цементобетонных смесей, применили ряд поверхностно-активных веществ (ПАВ) и катализаторов, - это своего рода добавки. В результате уменьшились количества необходимых вяжущих без снижения качества изготовленных материалов, причем расходы активного вяжущего для изготовления асфальто - и цементобетонных смесей были минимальны с сохранением качества и прочности. На этой основе производители добавок, активирующих структурообразующий процесс, назвали их стабилизаторами минеральных смесей и грунтов [21-24]. Некоторые из них представлены в таблице 1: Roadbond

Таблица 1

Приведенные стабилизаторы грунтов характеризуются как многокомпонентные системы, имеющие преимущественно кислую среду, обладают свойствами ПАВ; в их состав входят суперпластификаторы, гидрофобизаторы, сложные органические соединения, которые включают сложноэфирные группы и ионогенные комплексы.

Если рассматривать асфальтобетон как пористый (1-18%) макрокомпозит, состоящий из гидрофильных неорганических наполнителей и гидрофобного связующего битума, то срок службы его будет определяться влаго - водосодержанием окружающей среды и температурой. Разрушение будет определяться явлением перколяции гидрофильных неорганических наполнителей и проникновением влаги и воды внутрь асфальтобетона. Надежда практиков на применение импортных стабилизаторов (таблица 1) с целью получения высококачественных влаго-, водостойких асфальтобетонов не оправдалась. Испытания в Украине вышеприведенных стабилизаторов не дали ожидаемых результатов в силу их химического состава и свойств. Они способствуют повышению плотности грунта и прочности в неводонасыщенном состоянии, но не обеспечивают для большинства грунтов высокую водостойкость, которой требует ведение специальных мероприятий, ликвидирующих источники активного увлажнения земляного полотна или добавкой в грунт типа цемента.

Гидрофобизаторы марки «ГИДРОЭФФЕКТ» легко решают вышеприведенные проблемы. В отличие от стабилизаторов, которые физически сорбируются на поверхности гидрофильных наполнителей асфальтобетонной смеси и частиц грунтов, гидрофобизаторы марки «ГИДРОЭФФЕКТ» - в результате химического взаимодействия – создают прочную гидрофобную пленку на неорганических наполнителях и порах. При наличии гидрофобного битума асфальтобетон становится влаго- и водостойким. По той же причине грунты, обработанные гидрофобизатором марки «ГИДРОЭФФЕКТ», в результате гидрофобизации частиц и кольматации пор грунта, образуют гидробарьер. Использование гидрофобизатором марки «ГИДРОЭФФЕКТ» для улучшения состояния качества грунтов значительно расширяет дорожно-климатические зоны.

За счет использования гидрофобизаторов марки «ГИДРОЭФФЕКТ» наблюдается процесс уменьшения количества необходимых вяжущих - без снижения качества материалов. Расходы активного вяжущего для изготовления асфальто - и цементобетонных смесей сводятся к оптимальному минимуму с сохранением качества и прочности материалов.

В связи с возможным достижением оптимальных минимальных расходов как битума, так и цемента при изготовлении асфальтобетонных и цементобетонных смесей благодаря целенаправленному использованию гидрофобизаторов марки «ГИДРОЭФФЕКТ» различной химической природы и оптимизации технологических процессов они проявляют себя самодостаточными компонентами – в плане повышения прочности и стабильности дорожно–строительных материалов и грунтов.

Гидрофобизаторы марки «ГИДРОЭФФЕКТ» - это широкий класс разных по химическому составу веществ, которые в малых дозах положительно влияют на формирование свойств дорожно-строительных ингредиентов за счет активации физико-химических процессов и оптимизации технологических процессов. Эти гидрофобизаторы можно использовать на всех технологических этапах строительства автодорог, начиная от сооружения земляного полотна и заканчивая строительством твердых покрытий, искусственных инженерных сооружений и обустройством дорог. Гидрофобизаторы марки «ГИДРОЭФФЕКТ» увеличивают прочность, влаго - водостойкость и морозоустойчивость.

Применение гидрофобизаторов марки «ГИДРОЭФФЕКТ»

- путь снижения материалоемкости дорожных конструкций.

Снижение материалоемкости является одной из основных задач дорожников ХХІ века. Особо важным является снижением расхода дефицитных и дорогостоящих вяжущих и привозных материалов.

Основными путями снижения материалоемкости, которые могут быть реализованы при использовании прогрессивных конструкций с регулированным тепловым режимом на основе продукции являются:

• Уменьшение расхода вяжущих;

• Широкое использование местных материалов, побочных продуктов промышленности и т.д.

• Уменьшение толщины дорожной одежды.

При выборе композиции материалов для получения гидропароизоляционных слоев нами учитывался ряд специфических требований, основные из которых следующие:

• Материалы должны обеспечить гидро- и пароизоляцию грунтов основания и дорожной конструкции в целом.

• Они должны обеспечить оптимальный режим работы конструкции.

• Они должны быть достаточно долговечными, обладать стабильными во времени свойствами.

• Важно, чтобы эти материалы обладали достаточной прочностью и могли являться распределяющим элементом в дорожной конструкции.

• Эти материалы должны быть распространенными и не дефицитными.

• Материалы должны обеспечить минимальную трудоёмкость дорожного строительства.

Многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых направлены на уменьшение использования дефицитных материалов. В дорожно-строительных материалах наиболее дорогостоящим материалом является вяжущее. Конкретные предложения по уменьшению расхода вяжущих должны основываться на теории структурообразования. Особенность структурообразования в дисперсных материалах, укрепленных вяжущим удобно рассматривать, анализируя изменение двух основных показателей - сопротивления растяжению при изгибе и модуля упругости.

Первый характеризует прочностные свойства материала, второй - деформационные. Нормирование вяжущего необходимо производить с учетом как прочностных так и деформационных показателей. Применение гидрофобизаторов марки «ГИДРОЭФФЕКТ» могут существенно изменить зависимость между модулем упругости и содержанием вяжущего в асфальтобетоне в положительную сторону.

Проведенные исследования свойств асфальтовых бетонов с пониженным содержанием вяжущего хотя и удовлетворяют требованиям соответствующих ГОСТов, но имеют более низкую водостойкость по сравнению с обычными смесями. Поэтому при их применении в верхних слоях покрытий должна предусматриваться поверхностная обработка, которая может быть легко компенсирована применением гидрофобизатора марки «ГИДРОЭФФЕКТ».

Одним из основных резервов снижения материалоемкости дорожного строительства является применение асфальтовых бетонов с пониженным содержанием вяжущего и использованием местных вяжущих материалов, что привело в последние годы к применению бетона на основе полимеров. Например, известно введение в асфальтобетонные композиции отсева поливинилхлорида. Значительное внимание уделялось выбору материала для пленочной изоляции. В основном это - пленки из полиэтилена, поливинилхлорида и, меньше, изобутилена.

Считалось, что они наиболее химически стойкие гидрофобные материалы. В действительности же, полимерные пленки временно защищают дорожные одежды: температурные колебания и условия их эксплуатации со временем приводят к их деструкции и потере защитных свойств [25]. Кроме того, стоимость полимеров исключает их широкомасштабное применение в дорожном строительстве. При уменьшении нормы расхода битума с 6 - 7% до 3% величина модуля упругости и временное сопротивление растяжению при изгибе асфальтовых бетонов изменяется незначительно, однако дальнейшее уменьшение нормы вяжущего приводит к значительному понижению прочности.

Уменьшение количества органического вяжущего может быть достигнуто за счет его активации веществами с активными функциональными группами, приводящими к активному взаимодействию с минеральными наполнителями. Большим резервом снижения потребности в дорогостоящих привозных каменных материалах является применение дресвы - выветренных горных пород; запасы дресвы в России и Украине огромны. Соответствующее их модифицирование и применение гидрофобизаторов марки «ГИДРОЭФФЕКТ» позволит получить достаточно прочный материал. Применение местных каменных материалов, обработанных гидрофобизаторами, особенно эффективно в конструкциях с регулируемым водно-температурным режимом (ВТР), поскольку земляное полотно таких конструкций обладает повышенной жесткостью, вследствие чего в слоях дорожной одежды возникают меньшие растягивающие напряжения.

Таким образом, применение новой технологии в разработке рациональных дорожных конструкций с применением продукции - гидрофобизаторов марки «ГИДРОЭФФЕКТ» - позволит значительно увеличить такие показатели как: