Подобряване на експлоатационното поведение на пътните настилки чрез стабилизация на основни и подосновни пластове

Доц. д-р инж. Валентин Николов – УАСГ, инж. докторант Александър Михов – УАСГ В рамките на това проучване, проведено със съдействието на Център за научни изследвания и проектиране към УАСГ, е изследвано влиянието на различни количества цимент и битумна емулсия при стабилизирането на асфалтов гранулат, както и значението на зърнометрията на сместа за подобряването на механичните й характеристики. Въведение Основните пластове на пътните настилки, стабилизирани със свързващи вещества, притежават повишена носеща способност поради разпределянето на напреженията на по-широка повърхност и значително намалена склонност към деформации вследствие на по-ниската си еластичност. При тази технология за строителство на основни пластове е възможно използването на наличните минерални материали и екологично оползотворяване на рециклирани строителни материали чрез влагането им в смеси с определен зърнометричен състав. По този начин е възможно спестяване на транспортните разходи за доставка, както и опазване на висококачествени минерални материали. При стабилизациите се постига повишаване на съпротивлението на механични и физични натоварвания и увеличаване на продължителността на живот на конструкцията. Стабилизацията позволява производство и използване на хомогенни, трайни и устойчиви материали с механични характеристики, сравними с тези на трошен камък с подбрана зърнометрия, обработен със свързващи вещества. Стабилизираните пластове се характеризират с голяма твърдост и отлична устойчивост на умора. Те показват добри резултати в горещо време, без деформация или коловози, и добро представяне при излагане на замразяване – размразяване. Този строителен метод, благодарение на своите технически и икономически предимства, както и неговото положително влияние върху околната среда има все по-голямо значение за България. С вече натрупания опит е желателно да се върви както в посока на утвърждаването им в пътното строителство, така и към доразвиване с цел намаляване на производствените и експлоатационни разходи. Изследване на физикомеханичните характеристики на стабилизираните смеси В рамките на проведеното изследване беше проектирана студена смес, стабилизирана с битумна емулсия с добавка на цимент. При процеса на проектиране на сместа бяха оптимизирани количествата на използваните материали, оцени се приложимостта на влаганите и се определи процентното отношение при смесването им. От полученото бяха приготвени пробни тела, на които бяха установени физикомеханичните характеристики с цел оценка на влиянието им върху поведението на пътните настилки. Приемания при проектирането на студените смеси Тъй като не съществува специализирано оборудване за проектирането на студени смеси, беше използвано познатото оборудване за горещи смеси с някои модификации. Измененията са необходими, тъй като студени смеси са тези, които се държат като несвързани гранулирани материали в своя начален етап от набиране на якост (поради наличието на влага), докато те достигнат състоянието на свързани, както горещите смеси след втвърдяване (поради изпаряване на по-голяма част от съдържанието на влага в сместа). Експериментален план Целта на изпитванията е да се проектира студена смес от асфалтов гранулат, допълнителни скални материали за подобряване на зърнометрията, стабилизирана със свързващи вещества цимент и битумна емулсия, след което да бъде оценено тяхното влияние. Процедурата по проектирането на сместа следва следните етапи: 1. Доставка на асфалтов гранулат от фрезован асфалт в лабораторията; 2. Определяне на зърнометричния състав на асфалтовия гранулат; 3. Определяне на зърнометричния състав на добавяните скални материали. Определяне на необходимите количества за смесване на асфалтов гранулат и добавъчни материали за постигане на оптимален зърнометричен състав; 4. Определяне на вида и качеството на битумната емулсия, съвместимостта с инертните материали. Характеризиране на битумната емулсия; 5. Първоначално определяне на ориентировъчното количество битумна емулсия и добавен цимент по емпиричната формула на Асфалтовия институт на САЩ; 6. Определяне на оптималното количество флуиди, а оттам и на необходимото количество добавъчна вода. Използвайки прогнозното първоначално количество свързващо вещество, заедно с промяната на водното съдържание се определя общото съдържание на флуиди. Първоначално се приема общото съдържание на флуид – оптималното водно съдържание; 7. Избор на подходящ смесител и съотношение на смесване въз основа на зърнометрията на сместа; 8. Избор на подходящ уплътняващ уред – съгласно изискванията уплътнението на пробните тела се извършва със стандартен Маршалов чук; 9. Изготвяне на пробни тела и създаване на подходящи условия за отлежаването им (трябва да се симулират условията, очаквани на обекта); 10.Втвърдените пробни тела (сухи и водонапити) се изпитват на якост на индиректен опън; 11. Повтаряне на изпитвания до пълно оптимизиране на сместа; 12. Проверка за спазване на съответните стандарти за изпълнение; 13. Оценка на проектираната смес; 14. Проучване на физикомеханичните свойства – умора, образуване на коловози, еластичен модул, абсорбция, стареене и температурна чувствителност; 15. Проектиране на пътната конструкция. Материали Инертни материали – асфалтовият гранулат, който беше използван за това изследване, е доставен от реален обект от предвидени за рециклиране на пластове на настилката. На материала бяха проведени изследвания за определянето на зърнометричния му състав и водното му съдържание. На скалните материали беше определен зърнометричен състав чрез пресевен анализ по БДС EN 933-1. Целта беше проверка дали използваните минерални материали отговарят на изискванията за зърнометричен състав, както и тяхната пригодност за приготвянето на сместа. Пресевният анализ се проведе, като изсушеният асфалтов гранулат беше пресят през поредица от сита с размери от 0,063 до 63 mm. По този начин бяха разделени различните по големина зърна в сместа, след което се определиха тегловните проценти на преминалите зърна спрямо общото количество. След проведения пресевен анализ на асфалтовия гранулат беше получен следният зърнометричен състав, показан в табл. 1. Полученият зърнометричен състав на фрезования асфалт, както и долната и горната граница за оптималния зърнометричен състав, са показани на фиг. 1. За подобряване на зърнометрията на асфалтовия гранулат е необходимо добавяне на материал с по-фина такава. За целта първоначално беше избран натрошен пясък. Наличният на обекта се оказа равнозърнест и с ниско съдържание на прахови частици, т.е. неподходящ като зърнометрична добавка. Поради това за целта беше доставен собствен прах от минералната смес на асфалтосмесител. За установяване на зърнометричния му състав беше проведен пресевен анализ, резултатите от който са показани в табл. 2. Съответното графично изображение на зърнометричната крива е показано на фиг. 2. Битумна емулсия – за провеждане на изпитването беше използвана нормална тип C60 B4. На базата на вида на стабилизирания материал беше избрана катионна с удължено време за разпад. Основните характеристики на избрания тип емулсия са показани в табл. 3. Цимент и вода – циментът, който беше използван за това изследване, е портланд клас 32.5R. Добавеното количество 1,0% и 2,0% (тегловни) е отнесено към сухата маса на сместа. За хидратация и постигане на оптималното съдържание на флуидите в сместа беше използвана чешмяна вода. Приготвяне на сместа За достигане на оптималния зърнометричен състав бяха използвани нефракционирани асфалтов гранулат и собствен прах от минералната смес на асфалтосмесител. След проведен анализ се установи, че за оптималното подобряване на зърнометрията е необходимо добавянето на 8% маса от собствения прах. В табл. 4 е показана постигнатата подобрена зърнометрия от фрезован асфалт и съответното количество собствен прах. Зърнометричната крива, получена при смесването на фрезован асфалт и собствен прах, може да бъде видяна на фиг. 3. Определяне на максималната плътност на скелета и оптимално водно съдържание Както е известно от земната механика, уплътнителните качества на минералната смес зависят преди всичко от водното й съдържание. С повишаване на водното съдържание на материала се увеличава първоначално и неговата уплътняемост, защото триенето между зърната намалява. Същевременно след запълване на свободния обем на порите повишаването на водното съдържание води до намалено триене и лошо уплътнение. По тази причина е необходимо лабораторното определяне на оптималното водно съдържание, при което може да бъде постигнато максимално уплътнение на сместа. Максималната обемна плътност на скелета се определя по модифициран проектор и полученото от изпитването оптимално водно съдържание. За установяване на зависимостта на обемната плътност на скелета на сместа и нейното водно съдържание се проведоха пет броя отделни частни изпитвания при постепенно повишаване на водата. Съобразно граничните максимални размери на сместа изпитването се проведе в пробен цилиндър с размери 150/110 mm посредством уред при модифицирано уплътняване с маса на падащата тежест от 4,5 kg от височина 450 mm. Уплътнението се извърши на 5 пласта с 59 удара върху всеки. От проведените изпитвания се установи, че максималното уплътнение се постига при оптимално съдържание на флуиди в размер на 5,5% по маса. Получените резултати са показани графично на фиг. 4. Определяне на максималната плътност на скелета и оптималното водно съдържание При стабилизацията с битумна емулсия е необходимо да бъде взето под внимание и влиянието й върху общото количество на флуиди в сместа. Това количество се състои от естествената влажност на минералния материал, добавяната битумна емулсия, както и необходимата добавъчна вода. Преди свързването си емулсията е течност, чийто вискозитет е малко по-висок от този на водата. Както битумът, така и делът на водата в емулсията водят до намаляване на триенето между зърната и по този начин спомагат за уплътнението на материала. Поради тази причина и двата компонента трябва да бъдат включени като течности при изчислението на общото количество флуиди. Тази особеност е илюстрирана на фиг. 5. За определянето на максималната обемна плътност на стабилизирания материал първоначално се приема, че оптималното водно съдържание е равно на оптималното съдържание на флуиди. Изхождайки от полученото ориентировъчно количество битумна емулсия и естествената влажност на стабилизирания материал, може да бъде установена добавъчна вода за достигане на оптималното съдържание. При проведените изпитвания на сместа беше установено, че максимално уплътнение може да бъде достигнато при оптимално количество на флуидите от 5,5%. При отчитане на количеството на добавяната емулсия се установи, че при добавена 3,5% емулсия е необходима 2,0% добавъчна вода, при 4,5% емулсия 1,0% вода, а при максималното количество емулсия не е необходимо добавянето на вода. При тези количества е възможно едновременно постигане на добра обработваемост на сместа, както и осигуряване на необходимата влажност за протичането на хидратационните процеси в цимента за постигане на съответната механична якост. Приготвяне на пробните тела Бяха приготвени Маршалови пробни тела с приблизително количество от изпитвания материал от 2,5 kg. Към предварително приготвената смес от асфалтов гранулат и трошен пясък бяха дозирани необходимите количества битумна емулсия и цимент, отнесени към масата на сместа. Бяха извършени различни комбинации от съответните свързващи вещества: Битумна емулсия - 3,5%; 4,5%; 5,5%; Цимент - 1,0%; 2,0%. При приготвянето на пробния материал сместа беше първо изсушена в пещ до достигане на константна маса на приготвяния замес. След това сместа беше разделена на съответните дози за предвидените комбинации свързващо вещество и към тях беше добавено съответното количество вода, отнесено към масата на всяка доза. Така приготвените смеси бяха опаковани в полиетиленови водоплътни пликове и бяха оставени за 24 часа за постигане на равномерно овлажняване на материала. Замесването на сместа се извърши ръчно, като към предварително хидратирания материал беше добавяно на порции съответното количество цимент. След едноминутно бъркане беше добавяно съответното количество битумна емулсия и бъркана в продължение на още една минута. Така приготвената смес беше насипана в цилиндричните форми. Изготвените пробни тела бяха уплътнени чрез стандартен Маршалов чук, съгласно БДС EN12697-30. След уплътняване пробните тела бяха извадени от цилиндричните форми и бяха опаковани в полиетиленови водоплътни пликове, за да се предотврати загубата на влага. Така приготвените пробни тела бяха съхранявани във влажна среда при температура 20 ÷ 250 в продължение на 7 и 28 дни. Изпитване на пробните тела Приготвените пробни тела бяха изпитани по показателя „Якост на индиректен опън“ съгласно БДС EN 12697-23. Преди изпитването пробните тела бяха поставени в сушилня за 72 часа при температура 40 0С до достигане на постоянна маса. При провеждането на изпитванията беше установено, че пробните тела с по-малко количество битумна емулсия се отличават с по-чиста разрушена повърхност във вертикално натоварената посока в сравнение с останалите. Това говори за едно по-слабо дуктилно поведение на смесите с минимално количество битумна емулсия. От резултатите (фиг. 6) на проведените изпитвания е видно, че пробните тела с подобрена зърнометрия притежават по-голяма якост на опън. Увеличаването на циментовото съдържание от 1,0% на 2,0% не води до осезателно подобряване на показателя „Якост на индиректен опън“. Най-голямо увеличение на якостта на пробните тела в периода на отлежаване от 7-ия до 28-ия ден се наблюдава при тези, приготвени от смеси с подобрена зърнометрия и минимално количество битумна емулсия. При сравнение на изпитаните пробни тела на 28-ия ден е видно, че най-високите стойности са получени при смесите с подобрена зърнометрия, както и с максималното количество битумна емулсия. Това доказва, че битумът в сместа играе централна роля за осигуряването на якостта на опън на пробните тела. Изводи и заключения С цел оптимизиране на технологията за студено рециклиране на асфалтов гранулат е от съществено значение обстойният лабораторен анализ на ролята на зърнометрията на стабилизирания материал, свързващото вещество и добавъчните материали. Като се вземат предвид проведените лабораторни изпитвания на приготвените пробни тела от материал с по-едра и такъв с подобрена зърнометрия, както и при различни количества на свързващите вещества цимент и битумна емулсия, могат да бъдат направени следните изводи: Зърнометричният състав на асфалтовия гранулат има най-важно значение при сместа за стабилизирани основни пластове. Равномерното му разпределение позволява да бъде постигната възможно по-голяма плътност на скелета и съответно по-малък обем на порите в положения пласт. Така се постигат повече допирни точки между отделните зърна, както и по-равномерно разпределение на свързващото вещество, което води до изграждането на т.нар. свързан пласт. При стабилизираните пластове циментът създава връзки, които работят заедно с битума най-вече при по-ниски количества на битумна емулсия в сместа. От проведените изпитвания е видно, че при увеличаването на количествата на битумна емулсия в сместа промяната в количеството на цимента не оказва съществено значение за якостните характеристики. При по-ниско съдържание на битумна емулсия (3,5%) циментът и битумът работят относително самостоятелно във връзките между отделните зърна. С увеличаването на съдържанието на битумна емулсия в сместа битумът осигурява в по-голяма степен опънната якост за сметка на цимента, тъй като битумът обвива циментовите зърна и изолира тяхното действие. Увеличеното количество емулсия осигурява повече контактни точки, което води до увеличена опънна якост. Количеството битумна емулсия оказва по-голямо влияние в случаите, когато битумът има свързваща функция между отделните зърна в сместа, т.е. при неравномерна зърнометрия по-малко съдействие на цимента в сместа. ЛИТЕРАТУРА 1. Eisenmann, J. Bau von Verkehrsflächen – Teil 2, Verlag Wilhelm Ernst, 1987. 2. Fröbel, T. Wirtgen Straßenbau Handbuch. Wirtgen, 2002. 3. Jenkins. Wirtgen kaltrecycling – Handbuch. Wirtgen, 2006. 4. Montepara, A. “Kaltrecycling von asphaltgranulat“ stabilisiert mit bituminösen emulsionen. 2004. 5. Neußner, E. Kaltrecyclingbauweisen im Test – Ergebnisse des Projekts Neuberg. Straße + Autobahn 55, 2004. 6. Oluwaseyi, O. A study on the development of guidelines for the production of bitumen emulsion stabilised raps for roads in the tropics. University of Nottingham, 2010. 7. Schubenz, D. Straßenbau heute. Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln, Bundesverband der deutschen Zementindustrie, Köln, 1990. 8. Sommer, H. Straßenforschung – Überarbeitung der RVS 08.05.13 Zementstabi-lisierung, Bundesministerium für Verkehr. Innovation und Technologie, 2002. 9. Velske, S. Straßenbau Straßenbautechnik. Werner Verlag, 2009.