История асфальта
Содержание
Введение
1. История асфальта
2. Классификации асфальта
2.1. Классификация искусственных асфальтов.
2.2. Виды асфальтобетонных смесей
3. Механические свойства асфальтового бетона.
4. Химические свойства материалов на основе асфальта.
5. Стиролбутадиенстирольные блоксополимеры
5.1. Воздействие стиролбутадиенстирольных блоксополимеров на битумные вяжущие материалы
5.2. Специальные применения в эмульсиях
5.3. Смешивание с асфальтом
6. Эмульсии
6.1. Химические эмульсии
6.2. Глинистые эмульсии
7. Асфальтобетон на модифицированном битуме
9. Асфальтобетон на активированных минеральных порошках
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время стоит вопрос о строительстве более усовершенствованных дорог с асфальтобетонным покрытием, отвечающие всем требованиям по долговечности, ровности, шероховатости
Производство асфальтобетонной смеси - это один из самых энергоемких процессов дорожного строительства. От состояния всего парка машин и оборудования зависит расход топлива - энергетических ресурсов.
Асфальтовый бетон (асфальтобетон) - искусственный строительный материал, получаемый в результате затвердевания уплотненной смеси минеральных заполнителей (щебня, песка, тонкоизмельченного минерального порошка) с органическим вяжущим (битумом или дегтем). Асфальтобетон без крупного заполнителя (щебня) называют песчаным асфальтом или асфальтовым раствором.
Асфальтовые бетоны значительно более стойки к коррозионным воздействиям, чем цементные, но боятся воздействий жидких топлив и масел. Износостойкость асфальтовых бетонов выше, чем цементных.
Наиболее широкое применение асфальтовый бетон находит в строительстве при возведении магистральных, городских, аэродромных, дорожных, кровельных и других покрытий, гидротехнических, мостовых, промышленных, жилищно-гражданских и иных зданий и сооружений.
Для повышения качества дорог необходимо производить качественную и эффективную асфальтобетонную смесь, а поскольку основная часть разрушений и деформаций асфальтобетонов в покрытиях автодорог происходит по битуму, то наиболее эффективным решением признано модифицирование битумов различными минеральными порошками и полимерными добавками. Среди множества полимеров наибольшее распространение получили термоэластопласты типа стирол-бутадиен-стирол (СБС).
1. История асфальта
От булыжной мостовой до заасфальтированных проспектов.
Строительству дорог с твердым покрытием Старый Свет обязан римлянам. До них этого никто не делал. Даже мудрые греки путешествовали по камням и пыли, хотя, природный асфальт им был известен, и даже термин этот произошел от греческого слова Άσφαλτος – горная смола. Римляне также не догадались использовать его, для строительства дорог, они использовали покрытия, из известково-песчаного раствора, камней и крупного гравия. Т.е. – речь идет скорее о бетоне, чем об асфальте. В Новом Свете союз колеса и асфальта также родился поздно, потому что древние индейцы не знали ни колеса, ни асфальта! Грузы они таскали на себе или на волокушах, впрочем, дороги с покрытием они все же строили. Племена майя для этих целей использовали известняк и каток в виде цилиндра.
В общем, горной смолой для строительства дорог нигде не пользовались, но появились первые асфальтовые покрытия на дорогах все-таки в Европе.
Согласно дошедшей до нашего времени информации, первым, кому наскучило трястись по мощеным камнем мостовым своего города, стал французский король Луи-Филипп І. Именно в период его правления асфальт был применен для Королевского моста в Париже, а затем в Лионе такое покрытие было постелено на тротуарах моста Моран через Рону.
Разумеется, в ту пору использовался природный асфальт, для дорожного движения 19 века его было вполне достаточно, материал имел все необходимые для этого свойства. Ему можно было придать идеально ровную форму, что гарантировало беспроблемный проезд по покрытым им дорогам. Многотонных тягачей тогда не было, отсутствие ям и грязи было главной целью, и асфальт позволял ее достичь. Кроме того, скорость строительства такого покрытия была намного выше, чем устройство булыжной мостовой. С этого момента стали всерьез задумываться о таком покрытии дорог для быстрого и удобного сообщения между всеми городами страны. В средние века асфальт пробовали употреблять в качестве черной краски. Были и совсем неожиданные применения, так, путем наложения асфальтовой смолы на оловянную пластину Жозефом Нисефором Ньепсом в 1822 году был сделан один из первых фотоснимков. Впрочем, большинство художественных затей с асфальтом закончились к концу 19-го, началу 20-го века. Асфальт стал дорогой и улицей, естественно покрылся причудливыми трещинами и – художники снова вдохновились и предложили…
Воодушевившись тем, что Франция является первым местом, где было произведено асфальтирование улиц, известная француженка Джулиана Сантакрус Эррьера предложила новаторский способ его ремонта. Мадам Эррьера продемонстрировала как удобно, красиво и просто можно ликвидировать небольшие трещины в асфальте при помощи разноцветных вставок из ткани. Вид парижских улиц становится еще неповторимее, плюс – новый способ недорог и повышает настроение.
Израильские ноу-хау.
Пока французы боролись с трещинами, украшая их тканями, практичные израильтяне решили сделать так, чтобы они вообще не появлялись. Так израильский ученый-разработчик Макс Плитцер вместе со своими коллегами изобрел технологию по улучшению свойств асфальта. Для достижения большей эластичности и прочности асфальтного покрытия используется крошка старых переработанных автомобильных покрышек. В настоящий момент утилизируется около двух тысяч единиц покрышек в процессе изготовления материала для укладки одного километра дороги.
Летом 1839 г. в Санкт-
В 1876 году городская дума Москвы ассигновала 50 тысяч рублей на проведение эксперимента по устройству асфальтобетонного покрытия. На Тверской улице построили несколько участков из нового материала. В основе покрытия так же использовался природный асфальт. К 1900 коду в Москве для благоустройства дорого использовалось уже около 200 тыс. пудов асфальта.
Американские последователи. Оценив на практике опыт французов, американцы усовершенствовали разработки. В 1892 г. в США индустриальным методом была построена первая дорожная конструкция из бетона шириной 3 м, а 12 лет спустя с помощью гудронатора со свободным истечением горячего битума 29 км дороги. Асфальт оказался наиболее подходящим материалом для дорожного покрытия. Во-первых, он становится более ровным, а значит, менее шумным и обладает необходимой шероховатостью. Во-вторых, по уложенному асфальтобетону можно сразу открывать движение и не ждать, пока он затвердеет, в отличие от цементобетона, который набирает необходимую прочность только на 28-й день. В-третьих, покрытие из асфальтобетона легко ремонтируется, моется, убирается, на нём хорошо держится любая разметка. Предприимчивая Америка сразу поставила все на законные рельсы, что касается масштабов применения асфальта, то Европа быстро была оставлена далеко позади. Начало «новой эпохи». В 20-е годы прошлого столетия начинается расцвет эпохи асфальта. В Европе городские улицы покрываются уже только асфальтом, в Америке помимо асфальтирования улиц начинают быстро строиться гудронные шоссе. Массовое производство автомобилей вызвало быстрый рост числа асфальтированных дорог.
Следующий рывок в технологиях произошел в начале 1960 года, с этого момента в Америке, Европе для производства асфальта стали использовать битум. Уровень развития техники позволяет создать мощное и производительное оборудование для асфальтовых заводов с высокой степенью автоматизации. Заглянем вместе в будущее Рост цен на нефть привел к появлению различных добавок и модификаторов, которые позволяют получить качественную асфальтобетонную смесь при меньшем расходе битума. Тем не менее, цена тонны асфальта стремительно увеличивается. Взгляды технологов снова возвращается к бетонным покрытиям. Дорожники усиленно ищут замену стальной арматуре, без которой обойтись невозможно, и которая делает бетонное покрытие дорогим. Если удастся найти дешевую и прочную замену, то вполне возможно, что асфальту придется потесниться [1,2,3].
2. Классификации асфальта
Асфальт (в переводе с греческого — горная смола) представляет собой смесь битумов, достигающих в природном асфальте содержания в 60-75 % и 13-60 % в искусственном с минеральными составляющими – щебнем или гравием, песком и минеральным порошком.
Асфальт, широко применяется при устройстве дорожных покрытий, а также в качестве кровельного, гидро- и электроизоляционного материалов. Из компонентов асфальта производятся замазки, клеи, лаки и т.д.
Асфальт различается прежде всего по типу происхождения – это может быть природный асфальт или материал, полученный искусственным путем. Второе название асфальта – асфальтобетон. Это искусственно созданный материал, получающийся посредством уплотнения асфальтобетонной смеси.
Природный асфальт
Природный асфальт образуют тяжёлые фракции нефти или их остатки – это происходит благодаря испарению лёгких составляющих нефти и ее окисления под воздействием гипергенеза.
Асфальт образует пластовые жильные залежи, а также пропитанные проницаемые пласты (так называемые закирования) или озёра – они находятся в зонах естественных выходов нефти на поверхность земли, процент содержания которой в породах достигает 20%.
Природный асфальт представляет собой твёрдую легкоплавкую массу чёрного цвета, имеющую блестящий или тусклый раковистый излом. Плотность природного асфальта равна 1,1 г/см³, температура плавления составляет в зависимости от остальных характеристик 20-100 °C. В нем содержится от 25 до 40 % масел, а от 60 до 75 % материала составляют смолисто-асфальтеновые вещества.
Природный асфальт в смеси с минеральными материалами (к ним относятся песок, гравий и прочие минеральные компоненты) образует на поверхностях «нефтяных озер» большой протяженности мощную кору различной толщины. Широкое распространение это образование получило в тех районах, где нефтеносные породы залегают близко к поверхности земли, как правило, заполняя трещины и каверны в известняковых, доломитовых и других породах.
Месторождения асфальта расположены на всем пространстве бывшего Советского Союза, а также во Франции, Венесуэле, Канаде, на острове Тринидад и в ряде других стран. Впервые использовать асфальт из богатейшего месторождения на озере Пич-Лейк (юго-запад о. Тринидад) для промышленных целей начали испанцы еще в 18 веке. Сегодняшние богатства Асфальтового озера, по разным данным, составляют от 6 до 10 млн т, а суммарные геологические запасы обнаруженных только на этом острове месторождений асфальта – не менее, чем 180 млн. т. Природный асфальт наиболее популярен в местах его добычи.
Искусственный асфальт (асфальтобетон)
Асфальтобетоном называется строительный материал, образующийся после затвердевания уплотнённой асфальтобетонной смеси. Состав смеси различается по структуре и характеристикам, но всегда содержит минеральные заполнители (щебень, песок, тонкодисперсный минеральный порошок) и органический вяжущий материал – чаще всего им является битум (ранее в качестве связывающего материала широко использовался деготь[13]).
Современные строители нашли асфальтобетону широкое применение: его используют в качестве покрытия взлетных полос аэродромов, настилают на эксплуатируемые плоские кровли, искусственный асфальт используется в гидротехническом строительстве. Асфальтобетоном укрывают дорожное полотно и полы в зданиях промышленного назначения.
Испытываемые нагрузки и климатические условия вынуждают использовать асфальт, отвечающий необходимым требованиям по таким параметрам, как плотность, прочность, сдвигоустойчивость, водостойкость и т.д. В процессе производства асфальтобетона используются фракционированные минеральные составляющие и битумы, имеющие свойства, регламентирующиеся госстандартами[26].
2.1. Классификация искусственных асфальтов.
Дорожное строительство предусматривает использование двух видов асфальтобетона: битумного и дегтевого.
Битумный асфальтобетон
В зависимости от температуры окружающей среды, при которой укладывается и уплотняется смесь в покрытиях, а также вязкости применяемого битума различают три основных вида асфальтобетона:
1. Горячий асфальтобетон, который приготовляется на вязких битумах (температура при этом достигает 140-180 °C) и укладывается в покрытие при температуре не ниже 130 °C. Структура бетона, как правило, заканчивает свое формирование в период уплотнения, при этом горячий дегтебетон при укладке не должен остыть ниже температуры в 80-110 °C;
2. Теплый асфальтобетон, который приготовляется при температуре 90-160 °C на битумах, имеющих пониженную вязкость. Укладывается этот вид асфальтобетона при температуре 30-100 °C – его структура также заканчивает формироваться в период уплотнения;
3. Холодный асфальтобетон приготовляется на жидких битумах, имеющих температуру от 80 до 120 °C и укладывается в покрытие лишь после того, как остынет полностью. Его структура продолжает свое формирование в течение 20-30 суток. К холодным асфальтобетонам относят асфальтобетонную смесь, приготовляемую на битумных эмульсиях, которую укладывают при температуре окружающей среды.
Структура материала. Если минеральный материал состоит из зерен, асфальтобетон с его содержанием делится на:
− крупнозернистый, имеющий наибольший размер зерен – 40мм и применяемый для укладки нижнего слоя в двухслойных асфальтобетонных покрытиях;
− среднезернистый (с крупностью зерен 25мм) и мелкозернистый ( с зернами диаметром в 15мм), применяемый обычно при строительстве крупных магистралей и дорог федерального значения, а также покрытия городских дорог с интенсивным движением;
− песчаный (крупность зерен которого - 5мм), применяемый при устройстве пешеходных дорожек, тротуарного покрытия, а также для заливки автостоянок и торговых площадей.
По структуре (плотности) выделяют 2 типа асфальтобетонов:
− плотный, суммарная пористость которого составляет 3-5% общего объема;
− крупнопористый, пористость которого равна 5-10% объема.
Дегтевый бетон
Дегтебетон – это материал, который по многим свойствам аналогичен асфальтобетону. При его производстве в качестве вяжущего применяется каменноугольный деготь (марки от Д-5 до Д-8), либо деготь, в составе которого находится каменноугольный пек, каменноугольное масло и сырой деготь. Дегтебетон укладывают как горячим, так и холодным.
Существует три типа дегтебетонов (в зависимости от крупности зерен минералов в его составе): различают крупно-, средне- и мелкозернистый дегтебетон. При его приготовлении используются те же минеральные материалы, что и при производстве асфальтобетона, причем отбирают их по аналогичным характеристикам.
Температура горячего дегтебетона при выходе из асфальтобетонной установки составляет 100-120 °C, при этом он уже готов к использованию. И все-таки такой состав менее водоустойчив и пластичен (что приводит к деформации в холодное время), а также менее износостоек и теплостоек, нежели асфальтобетон.
Сегодня дегтебетон запрещено применять в черте города, поэтому он почти не производится – гораздо выгоднее и безопаснее для проведения дорожных работ купить асфальтобетон. Ранее этот материал применялся для ремонта и строительства дорог III категории[25].
2.2. Виды асфальтобетонных смесей
Современные асфальтобетонные заводы производят множество видов смесей различного назначения, применяемых в разных климатических условиях.
Полимерно-битумные смеси
Этот вид смесей существенно увеличивает долговечность покрытий. Битум смешивают с модифицированными полимерами, в результате чего, оставаясь химически стабильным, битум не окисляется и сохраняет целостность покрытия.
Полимерно-битумная смесь, залитая с соблюдением технологии, обеспечивает превосходную адгезию, остается гибкой и эластичной даже в сильные морозы и оказывает высокое сопротивление при циклических нагрузках.
Битумные материалы, модифицированные посредством атактического полипропилена (АПП), устойчивы к солнечному свету и ультрафиолетовому излучению[11]. Еще один полимер, при помощи которого модифицируют битум – это СБС (стирол-бутадиен-стирол), представляющий собой искусственный каучук. Он еще пластичнее, чем АПП, однако менее устойчив к ультрафиолетовому свету.
Холодные складируемые смеси
Холодные смеси применяются для осуществления ямочного ремонта, заделки стыков и швов дорожного покрытия. Материал, расфасованный в полиэтиленовые мешки, может транспортироваться на любое расстояние.
Холодная смесь может использоваться в любой сезон при температуре от -20°С до +30°С и обеспечивает долговременную адгезию к асфальтобетону и цементобетону. Она очень удобна и проста в использовании – не требует использования дорогостоящей техники для укладки, так как вибро- или ручной трамбовки вполне достаточно.
Литые смеси
Литые смеси[27], приготовляемые из мелкого щебня, природного или искусственного песка, минерального порошка, используются в стесненных условиях, где использование тяжелых катков и вибраторов невозможно. Этот материал имеет плотность, близкую к единице, не содержит пор и почти не нуждается в уплотнении. Для укладки литого асфальтобетона необходимо нагреть его до температуры не менее 150°С.
Перевозимые в спецмашинах (кохерах), литые смеси чаще всего используются при ямочном ремонте, а также при проведении работ в зимних условиях.
Щебеночно-мастичные смеси
Сегодня широко распространено применение щебеночно-мастичных смесей для восстановления дорог с асфальтобетонным покрытием. От обычного асфальтобетона такая смесь отличается структурой повышенной жесткости, которая передает основную часть нагрузки с поверхностных слоев покрытия на более глубокие (этому служат крупные каменные части материала). Очень долговечные и трещинностойкие, щебеночно-мастичные смеси существенно уменьшают вероятность деформации дорожного покрытия.
Такая смесь приготовляется при повышенной температуре, однако свойств сегрегации у ЩМА не выявлено ни на одном этапе производственного процесса. Увеличивая сроки эксплуатации дорожного полотна в среднем в три раза, щебенно-мастичный асфальт помогает снизить затраты на ремонт дорог почти в четыре раза.
Помимо перечисленных смесей, на АБЗ изготавливаются также резино-битумные смеси, используемые в качестве покрытий заниженной жесткости (например, на беговых дорожках спортивных стадионов), а также цветные, используемые в качестве декоративного покрытия площадей перед парками, административными зданиями и культурно-просветительными учреждениями.
Асфальтовая крошка
Асфальтовая крошка является продуктом переработки деформированных асфальтовых покрытий. Материал представляет из себя крошку с битумными остатками и нашел широкое применение при строительстве дорог.
В отличие от песка и щебенки, крошка укладывается намного плотнее и, слеживаясь и плавясь на солнце, со временем становится похожей на настоящий асфальт. Она очень устойчива к размытию – битум, являющийся одной из ее составных частей, связывает и уплотняет материал. Кроме того, продукт переработки асфальта дешевле щебня в три раза[25].
3. Механические свойства асфальтового бетона.
Свойства асфальтового бетона могут существенно меняться при изменении температуры материала. Так, при обычной температуре он может быть упругим и пластичным, при повышенной – вязким и пластичным, а пониженная температура может сделать его хрупким.
Вот почему при производстве асфальтобетона, который затем идет на покрытие улиц и магистралей городов, особое внимание обращают на его механические прочностные свойства.
Прочность
Характеристика прочности асфальтобетона зависти от предела прочности при одноосном сжатии стандартных цилиндрических образцов при заданной температуре испытания.
Определяют прочность сжатием асфальтобетона (цилиндрические образцы диаметром и высотой в 50,5 или 71,4 мм, что зависит от крупности заполнителя) при температуре 20° С и 50°С. Предел прочности асфальтобетона при сжатии невысок – так, при 20° С он равен лишь 2,45—2,94 МН/м2 (25—30 кГ/см2).
Чем ниже температура, тем выше сопротивление сжатию, а с ее повышением до 50°С оно падает до 0,98—1,17 МН/м2 (10—12 кГ/см2).
Сопротивление
Очень важная характеристика асфальтобетона при сжатии – это сопротивление растягивающим усилиям. Тестируя, образец обычно располагают на плите пресса по образующей.
Одной из характерных особенностей асфальтобетона является его высокое сопротивление ударным воздействиям.
Пластичность
Асфальтобетон в покрытии часто испытывает деформацию, образуя трещины и волны. На это влияют не только его недостаточная прочность на сжатие, растяжение или сдвиг, но и малая пластичность при низких температурах или, напротив, чрезмерная пластичность в жару.
Именно поэтому для покрытий необходима асфальтобетонная масса с оптимальной структурой, которая исключает повышенную пластичность бетона (при заданной прочности) и обеспечит его высокую способность его к упругоэластичной деформации.
Износостойкость
Износостойкость асфальтобетона – важная характеристика, определяемая потерей в массе материала с квадратного сантиметра покрытия. Потерю можно определить, рассчитав разницу массы образца до и после истирания.
Высокая износостойкость свойственна образцам, в составе которых присутствуют минеральные материалы - щебень, песок из прочных твердых пород.
Асфальтобетон горячей укладки, применяемый на городских дорогах, теряет в среднем от 0,2 до1,5 мм в год.
Водостойкость
Водостойкость асфальтового бетона определяется двумя характеристиками: во-первых, это величина набухания, во-вторых - коэффициент водоустойчивости, определяемый отношением предела прочности при сжатии образцов асфальтобетона при температуре 20° С. Испытания проводятся отдельно с сухим и водонасыщенным асфальтобетоном.
Коэффициент водоустойчивости (еще одно его название - коэффициент размягчения) для асфальтобетона надлежащего качества равен 0,9, но может быть и выше.
Водостойкость целиком зависит состава асфальтобетона: вода, смачивающая
гидрофильные поверхности минеральных зерен, смывает с них битумную пленку, снижая таким образом водостойкость асфальтобетона. Поэтому асфальтовый бетон, произведенный с применением минеральных материалов, обладающих гидрофобными свойствами, наиболее водостоек[25].
Характеристики физико-механических свойств, а также структура асфальтобетонной смеси, применяемой в строительстве, должны соответствовать требованиям ГОСТ 9128—67.
4. Химические свойства материалов на основе асфальта.
Асфальт – это вязкий некристаллический материал, в основной своей массе состоящий из углеводородов. По химическому составу асфальт – это не менее 80% углерода и около 15% водорода, остальные 5% включают кислород, серу, азот и некоторое количество различных металлов.
Больше всего в природном асфальте (до 75%) содержится битумов, представляющих собой искусственный, остаточный продукт переработки нефти, который отличается твёрдой или вязкой консистенцией.
В состав нефтяных битумов входит несколько групп веществ, которые имеют различную растворимость: асфальтены, асфальтогеновые кислоты, нейтральные смолы, нефтяные масла, карбены и карбоиды (вещества, которые невозможно растворить, используя органические соединения).
Асфальтены обеспечивают такие характеристики, как твёрдость и высокая температура размягчения битумов, смолы придают им эластичность и цементирующие свойства, масла — морозостойкость.
Асфальт является сложным материалом: он считается коллоидным и представляет собой дисперсию материала, имеющего высокую молекулярную массу в жидкости с более низкой молекулярной массой.
Асфальт – очень гибкий материал, хорошо склеивается с другими поверхностями, износостоек и водонепроницаем, а также чрезвычайно устойчив к воздействию большого количества солей, кислот и щелочей. При всех своих замечательных свойствах он имеет свойство разрушаться при неправильном использовании. Воздействие воды, влияние перепадов температур и ультрафиолетового излучения приводят к медленному расщеплению асфальта на углекислый газ и воду.
У асфальта отличные термопластические свойства: так, твердые асфальты являются пластмассами, которые легко подвергаются формованию и обработке в форме в горячем или холодном состоянии при оказываемом на них высоком давлении.
При температуре окружающей среды асфальт является жидкостью с очень высокими характеристиками вязкости, непригодной для обработки. При этом можно преобразовать асфальт для придания ему состава, пригодного к обработке. Сделать это можно, используя следующие способы:
• Нагревание: асфальт нагревают для использования на больших и средних площадях (дорожных покрытиях, кровельных покрытиях больших зданий и т.д.);
• Смешивание с нефтехимическими растворителями (разбавление) – это самая дорогостоящая операция, в которой растворители используются для уменьшения вязкости асфальта;
• Эмульгация в воде для создания эмульсии – наиболее дешевый процесс, наносящий меньше всего вреда окружающей среде.
Свойства асфальтовых эмульсий
Асфальтовые эмульсии – это дисперсии из очень тонко измельченного битума, находящегося в водной среде. Такие эмульсии характеризуются низкой вязкостью – их используют при температуре окружающей среды, то есть этот материал идеален для строительной отрасли и применяется очень широко. Существует два класса асфальтовых эмульсий: химические (эмульсии со щелочным эмульгатором) и глинистые.
Асфальтовые эмульсии чаще всего применяют при строительстве дорожных покрытий для автострад, устройстве кровельных покрытий, а также в качестве адгезивных и герметизирующих соединений в строительной отрасли.
