В статье рассмотрено влияние дорожных адгезионных добавок на качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня. Показано, что введение поверхностно-активных веществ улучшает смачивание минеральной поверхности, повышает устойчивость битумной пленки к отслаиванию под действием воды и увеличивает долговечность асфальтобетонных покрытий. Особое внимание уделено практическим рекомендациям по применению адгезионных модификаторов в дорожном строительстве.
Долговечность асфальтобетонного покрытия в значительной степени определяется прочностью связи между органическим вяжущим — битумом — и минеральным заполнителем, прежде всего щебнем. Именно на границе раздела «битум — каменный материал» возникают наиболее уязвимые зоны структуры асфальтобетона: при проникновении воды, температурных колебаниях и механических нагрузках пленка вяжущего может отслаиваться от поверхности зерен. Это приводит к выкрашиванию щебня, образованию выбоин, снижению сдвигоустойчивости и ускоренному разрушению дорожного покрытия. [1]
Проблема особенно актуальна при использовании щебня из кислых изверженных пород, таких как гранит, кварцит или некоторые виды песчаников. Такие материалы обладают гидрофильной поверхностью и слабо взаимодействуют с битумом без дополнительной активации. В результате даже качественный битум может не обеспечивать надежного сцепления с минеральной частью смеси.
Одним из наиболее распространенных и технологичных способов повышения адгезии является введение в битум специальных дорожных адгезионных добавок. Они представляют собой преимущественно поверхностно-активные вещества, которые изменяют условия взаимодействия на границе битум — щебень, улучшают смачивание и способствуют формированию более устойчивой связи.
Целью настоящей статьи является анализ влияния дорожной адгезионной добавки на качество сцепления битума с поверхностью щебня, выявление основных факторов, определяющих эффективность модификации, и формулирование практических рекомендаций по выбору и применению таких материалов.
Природа сцепления битума со щебнем
Сцепление битума с минеральным материалом представляет собой сложный физико-химический процесс. Оно зависит не только от свойств самого битума, но и от минералогического состава, шероховатости, влажности и химического состояния поверхности щебня.
В общем случае адгезия формируется в две стадии. На первой стадии происходит первоначальное прилипание битумной пленки к сухой или слабо увлажненной поверхности камня. На второй стадии эта связь должна сохраняться в течение всего срока эксплуатации покрытия, несмотря на воздействие воды, кислорода, ультрафиолетового излучения, перепадов температур и транспортных нагрузок.
Сухой щебень, как правило, достаточно хорошо смачивается битумом. Однако в реальных условиях производства асфальтобетонных смесей минеральный материал нередко имеет остаточную влажность. Вода на поверхности зерна препятствует непосредственному контакту битума с камнем, поскольку молекулы воды образуют промежуточный слой, ослабляющий адгезионную связь.
Особенно неблагоприятно влияние влаги проявляется у кислых горных пород. Их поверхность содержит значительное количество кремнезема и других кислых оксидов, которые плохо взаимодействуют с углеводородными компонентами битума. Поэтому гранитный щебень часто демонстрирует более низкую адгезию по сравнению с основными породами, например габбро-диабазом.
Различают два основных вида адгезионного действия добавок:
· активная адгезия — способность добавки способствовать вытеснению воды с поверхности щебня и обеспечивать контакт битума с минералом даже при наличии влаги;
· пассивная адгезия — способность сохранять уже образовавшуюся связь и препятствовать проникновению воды в пограничную зону в процессе эксплуатации.
Таким образом, качественная адгезионная добавка должна не только улучшать первоначальное смачивание щебня битумом, но и способствует оказывать следующее влияние:
· снижать поверхностное натяжение битума;
· уменьшать количество непокрытых битумом зерен минерального материала;
· улучшать обволакивание щебня вяжущим;
· способствовать более равномерному распределению битума в смеси;
· облегчать уплотнение асфальтобетонной смеси;
· повышать водо- и морозостойкость покрытия.
Вместе с тем механизм действия добавки не является универсальным. Ее эффективность зависит от совместимости с групповым химическим составом битума, природой щебня, температурой приготовления смеси и технологией хранения вяжущего. В отдельных случаях химически несовместимая добавка может не улучшить, а даже ухудшить адгезионные свойства битума.
Виды адгезионных добавок
В дорожном строительстве применяется несколько групп адгезионных модификаторов. Наиболее распространенными являются катионные и анионные поверхностно-активные вещества. [2].
Катионные добавки обычно представляют собой производные аминов. Они наиболее эффективны при работе с кислыми породами, включая гранит, поскольку образуют прочные химические связи с кремнекислородными группами на поверхности камня.
Анионные добавки чаще применяются с основными и ультраосновными породами, поверхность которых содержит щелочноземельные оксиды и карбонаты. Для известняков и доломитов они могут обеспечивать хорошее сцепление, однако с гранитным щебнем их эффективность обычно ниже.
Таким образом, выбор добавки должен осуществляться с учетом типа щебня, марки битума, условий производства смеси и требований к долговечности дорожного покрытия.
Методы оценки сцепления битума со щебнем
Качество сцепления битума с поверхностью щебня оценивается как визуальными, так и инструментальными методами. В отечественной практике широко используется методика, предусмотренная ГОСТ 12801, согласно которой проводится визуальная оценка степени сохранности битумной пленки на поверхности зерен после выдерживания в воде.
Суть метода заключается в следующем. Щебень определенной фракции покрывается битумом, после чего образцы выдерживаются в воде при заданной температуре. Затем проводится осмотр поверхности зерен и оценка степени сохранения битумной пленки по балльной шкале.
Пятибалльная шкала обычно интерпретируется следующим образом:
|
Балл |
Состояние битумной пленки |
|
1 |
Пленка практически полностью отслоилась |
|
2 |
Пленка сохраняется менее чем на 50% поверхности щебня |
|
3 |
Пленка сохраняется более чем на 50% поверхности |
|
4 |
Пленка сохранилась полностью, но частично отделилась с острых ребер и углов |
|
5 |
Пленка полностью сохранилась на всей поверхности зерна |
Чем выше балл, тем лучше адгезионные свойства системы «битум — щебень». Оценка 4–5 баллов обычно свидетельствует о высоком качестве сцепления и пригодности вяжущего для применения в дорожных покрытиях.
Дополнительно могут применяться методы определения остаточной прочности сцепления после водонасыщения, испытания на термостабильность адгезии, а также оценка изменения свойств битума после старения. Последний метод позволяет установить, сохраняет ли добавка адгезионную активность после длительного нагрева битума в тонкой пленке.
Влияние добавки на адгезию к гранитному щебню и габбро-диабазу.
Гранитный щебень относится к наиболее распространенным, но одновременно наиболее сложным для обеспечения адгезии минеральным материалам. Его поверхность имеет кислый характер, поэтому битум без модификации часто не образует с ней достаточно прочной связи.
Оценка влияния дорожной адгезионной добавки ДАД-К на адгезионные свойства нефтяного битума была проведена на базе производственной лаборатории ПK АБЗ «Курьяново» ГБУ «Автомобильные дороги».
При испытаниях были использованы:
Щебень гранитный фракции10-20, Белоруссия;
Щебень габбро-диабаз фракции 10-20, Карелия;
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 60/900, МНПЗ;
Дорожная адгезионная добавка ДАД-К, ООО «Селена» [3].
Рис. 1. – Визуальная оценка качества сцепления битумного вяжущего со щебнем:
А - сцепление с щебнем гранитным (розовым) по ГОСТ 12801-98 без ПАВ: качество 2 балла. Покрытие поверхности щебня вяжущим не менее 50%;
Б - сцепление с щебнем гранитным (серым, мытым) по FOCT 12801-98 без ПАВ: качество 2 балла. Покрытие поверхности щебня вяжущим не менее 50%. Наблюдаются отдельные капельки битума на обнажившейся поверхности щебня;
В - сцепление с щебнем габбро-диабаз по ГОСТ 12801-98: качество 2 балла. Пленка вяжущего сохранилась на 50% поверхности щебня.
Практические испытания показывают, что введение адгезионной добавки способно существенно улучшить сохранность битумной пленки. Например, при испытании битума БНД 60/90 с гранитным щебнем без добавки качество сцепления оценивалось в 2 балла: пленка вяжущего сохранялась менее чем на 50% поверхности зерна.
Рис. 2. – Визуальная оценка качества сцепления битумного вяжущего со щебнем:
А - сцепление с щебнем гранитным (розовым) по ГОСТ 12801-98 с адгезионной добавкой ДАД-К (0,3%): качество 4 балла. Битумная пленка на щебне сохраняется, но наблюдается частичное отделение с острых углов и ребер;
Б - сцепление с щебнем гранитным (серым, мытым) по FOCT 12801-98 с адгезионной добавкой ДАД-К (0,3%): качество 5 баллов. Пленка вяжущего полностью сохраняется на поверхности, при неравномерной её толщине;
В - сцепление с щебнем габбро-диабаз по ГОСТ 12801-98 с адгезионной добавкой ДАД-К (0,3%): 5 баллов. Полное сохранение пленки вяжущего по поверхности щебня, толщина пленки равномерная.
После введения дорожной адгезионной добавки ДАД-К в количестве 0,3% адгезионные показатели заметно выросли. Для розового гранитного щебня оценка увеличилась до 4 баллов, а для серого мытого гранитного щебня — до 5 баллов. При этом битумная пленка полностью сохранялась на поверхности зерен, лишь местами уменьшаясь по толщине.
Для габбро-диабазного щебня, который изначально показал оценку 3 балла без добавки, введение ДАД-К также позволило достичь 5 баллов. Это подтверждает, что адгезионные добавки эффективны не только для кислых, но и для основных горных пород.
Влияние дозировки добавки
Дозировка адгезионной добавки является одним из ключевых технологических параметров. Недостаточное количество ПАВ не обеспечивает полного смачивания поверхности щебня и устойчивости пленки, а избыточное может привести к нежелательным побочным эффектам.
Как правило, адгезионные добавки рекомендуется вводить в битум в количестве от 0,5 до 1,5% по массе вяжущего. Однако для отдельных современных добавок эффективная дозировка может быть ниже. Например, в испытаниях ДАД-К положительный результат был получен уже при содержании 0,3%, Превышение оптимальной концентрации ПАВ может оказать отрицательное влияние. Нескомпенсированный минеральным материалом избыток поверхностно-активного вещества способен солюбилизировать воду, то есть удерживать ее в структуре асфальтобетона. Это может привести к снижению водостойкости и морозостойкости покрытия.
Кроме того, избыточное количество добавки может изменить вязкость и технологические свойства битума, повлиять на процесс смешения и уплотнения смеси, а также увеличить стоимость материала без пропорционального повышения качества.
Термостабильность и старение битума
При производстве асфальтобетонной смеси битум длительное время находится при высокой температуре, обычно около 150–170°C. Поэтому адгезионная добавка должна сохранять активность не только в свежем вяжущем, но и после термического воздействия.
Исследования показывают, что эффективность некоторых добавок снижается при длительном нагреве. Например, при выдерживании битума с добавками ДАД-К при температуре 160°C в течение 72 часов адгезионная способность уменьшилась на 15–20%.
Это означает, что при выборе добавки необходимо учитывать не только ее первоначальную адгезионную активность, но и термостабильность. Добавка, эффективная сразу после введения, может частично терять свои свойства при длительном хранении горячего битума или затягивании технологического процесса.
Старение битума также влияет на адгезию. При окислении и испарении легких фракций увеличиваются жесткость и вязкость вяжущего, что может ухудшить смачивание поверхности щебня. Поэтому оценку адгезионных свойств целесообразно проводить как для исходного битума, так и для вяжущего после лабораторного старения.
Практические рекомендации
Для обеспечения высокого качества сцепления битума с поверхностью щебня рекомендуется соблюдать следующие положения.
Во-первых, тип добавки следует выбирать с учетом минералогического состава щебня. Для гранитного и другого кислого щебня предпочтительны катионные ПАВ и аминовые соединения, образующие прочные связи с кремнеземсодержащей поверхностью.
Во-вторых, дозировку необходимо определять лабораторными испытаниями. Для большинства добавок рабочий диапазон составляет 0,5–1,5%, однако современные составы могут быть эффективны при 0,3–0,6%.
В-третьих, следует контролировать чистоту и влажность щебня. Даже наиболее эффективная добавка не обеспечит надежного сцепления при сильном загрязнении или избыточном увлажнении минерального материала.
В-четвертых, необходимо оценивать адгезию не только в исходном состоянии, но и после термостатирования и водонасыщения. Это позволяет прогнозировать поведение покрытия в реальных эксплуатационных условиях.
В-пятых, применение адгезионной добавки должно сочетаться с соблюдением технологии приготовления и укладки асфальтобетонной смеси: контролем температуры, времени перемешивания, степени уплотнения и качества основания дорожной одежды.
Заключение
Дорожные адгезионные добавки являются эффективным инструментом повышения качества сцепления битума с поверхностью щебня. Их введение улучшает смачивание минерального материала, способствует вытеснению воды из зоны контакта, повышает устойчивость битумной пленки к отслаиванию и увеличивает водостойкость асфальтобетона.
Наибольший эффект добавки обеспечивают при работе с кислыми горными породами, в частности с гранитным щебнем. Практические испытания показывают, что введение адгезионного модификатора в количестве 0,3% способно повысить оценку сцепления с гранитом с 2 до 4–5 баллов, а с габбро-диабазом — с 3 до 5 баллов.
Вместе с тем эффективность добавки зависит от ее химической природы, дозировки, совместимости с битумом, состояния поверхности щебня и температурно-временных параметров технологического процесса. Избыточное количество ПАВ может привести к снижению водо- и морозостойкости асфальтобетона, поэтому дозировка должна определяться экспериментально.
Таким образом, рациональное применение дорожных адгезионных добавок в сочетании с качественным минеральным сырьем и соблюдением технологии производства позволяет существенно повысить долговечность асфальтобетонных покрытий, снизить риск преждевременного разрушения дорожной одежды и улучшить эксплуатационные характеристики автомобильных дорог.
Список литературы и источников:
1. Чистяков И.В. «Разработка научных и технологических основ гидрологического обоснования проектных решений автомобильных дорог» Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук М.: МАДИ, 42 с.
2. Ерофеев В.Т., Сальникова А.И. Исследование реологических свойств модифицированного битума // Вестник МГСУ. 2016. №8. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-reologicheskih-svoystv-modifitsirovannogo-bituma (дата обращения: 14.10.2022).
3. Сертификат соответствия № РОССRU.HB61.H19081 № 0007459 НА ПРОДУКЦИЮ: добавка адгезионная дорожная ДАД-К. Срок действия с 27.01.2025 по 26.01.2027
Статью подготовил:
Коваль И.Д., зксперт по инспекционному
контролю в строительстве
Отдела обследования грунтов и конструктивных слоёв дорожных одежд ГБУ "ЦЭИИС".