Асфальтобетон (обычно называемый асфальтом , [1] асфальтобетоном или тротуаром в Северной Америке, а также гудронированным покрытием или битумным щебнем в Соединенном Королевстве и Республике Ирландия) — это композитный материал, обычно используемый для покрытия дорог , парковок , аэропортов и сердцевины дамб . [2] Асфальтобетонные смеси используются в строительстве дорожных покрытий с девятнадцатого века. [3] Он состоит из минерального заполнителя, связанного вместе с битумом (веществом, также независимо известным как асфальт, смола или деготь ), уложенного слоями и утрамбованного.
Термины американского английского языка асфальт (или асфальтовый ) бетон , битумный асфальтобетон и битумная смесь обычно используются только в инженерных и строительных документах, которые определяют бетон как любой композитный материал, состоящий из минерального заполнителя, сцепленного со связующим веществом. Сокращение AC иногда используется для асфальтобетона , но может также обозначать содержание асфальта или асфальтовый цемент , ссылаясь на жидкую асфальтовую часть композитного материала.
Натуральный асфальт ( древнегреческий : ἄσφαλτος ( ásphaltos )) был известен и использовался с древних времен в Месопотамии, Финикии, Египте, Вавилоне, Греции, Карфагене и Риме для гидроизоляции храмовых бань, водохранилищ, акведуков, туннелей и рвов, в качестве кладочного раствора, для закупоривания сосудов и наземных дорог. [4] Улица процессий вавилонского царя Набопаласара , ок. 625 г. до н. э., ведущая на север от его дворца через городскую стену, описывается как построенная из обожженного кирпича и асфальта. [5] Натуральный асфальт, покрытый и связанный булыжником, использовался с 1824 г. во Франции в качестве средства для строительства дорог. В 1829 году натуральный асфальт Seyssel, смешанный с 7% заполнителя, для создания асфальто-мастичного покрытия был использован для пешеходной дорожки в Пон-Моран, Лион, Франция, технология распространилась в Париже в 1835 году, в Лондоне, Англия, в 1836 году, и в Филадельфии, США, в 1838 году. [6] Двухмильный участок гравийной дороги, идущий от Ноттингема и Хантингдон- Хай-стрит, был экспериментально покрыт натуральным асфальтом в 1840-х годах. [7] Первая дорога из щебня с асфальтовым покрытием была построена в 1852 году между Парижем и Перпиньяном, Франция, с использованием швейцарского асфальтобетона из горной породы Валь-де-Траверс (натуральный асфальт, покрытый известняковым заполнителем). [8] [5] В 1869 году на улице Треднидл-стрит в Лондоне, Англия, было заново покрыто швейцарским асфальтобетоном из горной породы Валь-де-Траверс. [6] Процесс покрытия уплотненной песчаной дороги путем нанесения нагретого природного асфальта, смешанного с песком, в соотношении 1:5, прокатки и затвердевания путем нанесения природного асфальта, смешанного с нефтяным маслом, был изобретен бельгийско-американским химиком Эдвардом Де Смедтом в Колумбийском университете в 1870 году, получившим два патента США на материал и метод затвердевания. [9] [10] Инженер-строитель, геодезист и член совета по шоссейным дорогам английского графства Эдгар Пернелл Хули создал процесс и двигатель для объединения синтетической, очищенной нефтяной смолы и смолы с заполнителями щебня (гравий, портландцемент, дробленые камни и доменный шлак) в смесителе с паровым нагревом при температуре 212 °F и через нагретый резервуар, трубопроводы и сетки, создав машину и материал, которые можно применять для формирования дорожного покрытия, подав в 1902 году патент Великобритании на свое усовершенствование. [11] [12] Хули основал британскую компанию по продаже этой технологии, где был придуман термин «tar macadam», сокращенный до «tarmac», по названию его компании Tar Macadam (Purnell Hooley's Patent) Syndicate Limited, полученный путем объединения композитных смесей гудрона и щебня. [13]
Смешивание асфальта и заполнителя осуществляется одним из нескольких способов: [14]
В дополнение к асфальту и заполнителю могут быть добавлены добавки, такие как полимеры и противоотслаивающие агенты [ необходимо разъяснение ] , для улучшения свойств конечного продукта.
Участки, покрытые асфальтобетоном, особенно перроны аэропортов , иногда называют «асфальтобетонным покрытием», несмотря на то, что при их строительстве не использовался процесс укладки асфальтобетона . [23]
Для удовлетворения конкретных потребностей были разработаны различные специальные асфальтобетонные смеси, такие как асфальтобетон с щебеночной матрицей , который предназначен для обеспечения прочной износостойкой поверхности, или пористые асфальтобетонные покрытия, которые являются проницаемыми и позволяют воде стекать через покрытие для контроля ливневых вод.
Различные типы асфальтобетона имеют различные эксплуатационные характеристики на дорогах с точки зрения прочности поверхности, износа шин, эффективности торможения и дорожного шума . В принципе, определение соответствующих эксплуатационных характеристик асфальта должно учитывать объем трафика в каждой категории транспортных средств и требования к эксплуатационным характеристикам фрикционного слоя. В целом, вязкость асфальта позволяет ему удобно образовывать выпуклую поверхность и центральную вершину для улиц и дорог для отвода воды к краям. Однако это само по себе не является преимуществом по сравнению с бетоном, который имеет различные степени вязкости и может быть сформирован в выпуклую дорожную поверхность. Скорее, именно экономичность асфальтобетона делает его более часто используемым. Бетон встречается на межгосударственных автомагистралях, где техническое обслуживание имеет решающее значение.
Асфальтобетон создает меньше дорожного шума, чем поверхность из портландцемента , и, как правило, менее шумный, чем поверхности с чип-силом . [24] [25] Поскольку шум шин создается путем преобразования кинетической энергии в звуковые волны , больше шума производится по мере увеличения скорости транспортного средства. Идея о том, что проектирование автомагистралей может учитывать акустические инженерные соображения, включая выбор типа дорожного покрытия, возникла в начале 1970-х годов. [24] [25]
Что касается структурных характеристик, поведение асфальта зависит от множества факторов, включая материал, нагрузку и условия окружающей среды. Кроме того, характеристики дорожного покрытия меняются со временем. Поэтому долгосрочное поведение асфальтового покрытия отличается от его краткосрочных характеристик. LTPP — это исследовательская программа FHWA , которая специально фокусируется на долгосрочном поведении дорожного покрытия. [26] [27]
Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Февраль 2017 ) |
Ухудшение состояния асфальта может включать крокодиловые трещины , выбоины , подъёмы, расслоение [ требуется уточнение ] , кровотечение , колеи , продавливание, снятие, [ требуется уточнение ] и понижения уровня. В холодном климате морозные пучения могут привести к растрескиванию асфальта даже за одну зиму. Заполнение трещин битумом является временным решением, но только надлежащее уплотнение и дренаж могут замедлить этот процесс.
Факторы, которые вызывают ухудшение асфальтобетона с течением времени, в основном попадают в одну из трех категорий: качество строительства, экологические соображения и транспортные нагрузки. Часто повреждения являются результатом сочетания факторов во всех трех категориях.
Качество строительства имеет решающее значение для эксплуатационных характеристик дорожного покрытия. Это включает в себя строительство траншей для коммуникаций и приспособлений, которые размещаются в дорожном покрытии после строительства. Недостаточное уплотнение поверхности асфальта, особенно на продольных стыках, может сократить срок службы дорожного покрытия на 30–40%. Говорят, что траншеи для обслуживания в дорожном покрытии после строительства сокращают срок службы дорожного покрытия на 50% [28] , в основном из-за недостаточного уплотнения в траншее, а также из-за проникновения воды через неправильно герметизированные стыки.
К факторам окружающей среды относятся жара и холод, наличие воды в основании или грунте подстилающего покрытия, а также морозное пучение.
Высокие температуры размягчают асфальтовое связующее, что позволяет тяжелым шинам деформировать дорожное покрытие, образуя колеи. Парадоксально, но высокая температура и сильный солнечный свет также вызывают окисление асфальта, делая его более жестким и менее упругим, что приводит к образованию трещин. Низкие температуры могут вызывать трещины, поскольку асфальт сжимается. Холодный асфальт также менее упруг и более подвержен растрескиванию.
Вода, застрявшая под тротуаром, размягчает основание и земляное полотно, делая дорогу более уязвимой для транспортных нагрузок. Вода под дорогой замерзает и расширяется в холодную погоду, вызывая и увеличивая трещины. Во время весенней оттепели земля оттаивает сверху вниз, поэтому вода задерживается между тротуаром выше и все еще мерзлой почвой ниже. Этот слой насыщенной почвы обеспечивает слабую поддержку для дороги выше, что приводит к образованию выбоин. Это более серьезная проблема для илистой или глинистых почв, чем для песчаных или гравийных почв. Некоторые юрисдикции принимают законы о заморозках, чтобы снизить допустимый вес грузовиков в сезон весенней оттепели и защитить свои дороги.
Ущерб, наносимый транспортным средством, примерно пропорционален нагрузке на ось, возведенной в четвертую степень, поэтому удвоение веса, переносимого осью, на самом деле приводит к 16-кратному увеличению ущерба. [29] Колеса заставляют дорогу слегка изгибаться, что приводит к усталостному растрескиванию, которое часто приводит к крокодиловым трещинам. Скорость транспортного средства также играет роль. Медленно движущиеся транспортные средства нагружают дорогу в течение более длительного периода времени, увеличивая колеи, трещины и неровности на асфальтовом покрытии.
Другими причинами повреждений являются тепловые повреждения от пожаров транспортных средств или воздействие растворителей при разливах химических веществ.
Срок службы дороги может быть продлен за счет надлежащего проектирования, строительства и обслуживания. Во время проектирования инженеры измеряют трафик на дороге, уделяя особое внимание количеству и типам грузовиков. Они также оценивают подпочву, чтобы увидеть, какую нагрузку она может выдержать. Толщина дорожного покрытия и основания рассчитана на то, чтобы выдерживать нагрузки от колес. Иногда георешетки используются для укрепления основания и дальнейшего укрепления дорог. Дренаж, включая канавы , ливневые стоки и нижние дренажи, используется для удаления воды из дорожного полотна, предотвращая ослабление основания и подпочвы. [30]
Герметизация асфальта — это мера по обслуживанию, помогающая предотвратить попадание воды и нефтепродуктов на дорожное покрытие.
Техническое обслуживание и очистка канав и ливневых стоков продлит срок службы дороги при низких затратах. Герметизация небольших трещин битумным герметиком трещин предотвращает увеличение трещин водой из-за выветривания под действием мороза или просачивание ее в основание и его размягчение.
Для более поврежденных дорог можно использовать чип-сил или подобную обработку поверхности. По мере увеличения количества, ширины и длины трещин требуется более интенсивный ремонт. В порядке общего увеличения расходов они включают тонкие асфальтовые покрытия, многослойные покрытия, шлифовку верхнего слоя и наложение покрытия, переработку на месте или полную реконструкцию дорожного полотна.
Гораздо дешевле содержать дорогу в хорошем состоянии, чем ремонтировать ее после того, как она пришла в негодность. Вот почему некоторые агентства отдают приоритет профилактическому обслуживанию дорог в хорошем состоянии, а не реконструкции дорог в плохом состоянии. Плохие дороги модернизируются, если позволяют ресурсы и бюджет. С точки зрения стоимости срока службы и долгосрочных условий покрытия это приведет к улучшению работы системы. Агентства, которые концентрируются на восстановлении своих плохих дорог, часто обнаруживают, что к тому времени, как они отремонтируют их все, дороги, которые были в хорошем состоянии, уже ухудшились. [31]
Некоторые агентства используют систему управления дорожным покрытием , чтобы помочь расставить приоритеты в обслуживании и ремонте.
Асфальтобетон — это перерабатываемый материал, который можно утилизировать и повторно использовать как на месте, так и на асфальтобетонных заводах . [32] Наиболее распространенным перерабатываемым компонентом в асфальтобетоне является переработанное асфальтовое покрытие (RAP). RAP перерабатывается с большей скоростью, чем любой другой материал в Соединенных Штатах. [33] Многие кровельные гонты также содержат асфальт, а асфальтобетонные смеси могут содержать переработанную асфальтовую черепицу (RAS). Исследования показали, что RAP и RAS могут заменить потребность в до 100% первичного заполнителя и асфальтового связующего в смеси, [34] но этот процент, как правило, ниже из-за нормативных требований и проблем с производительностью. В 2019 году новые асфальтобетонные смеси, произведенные в Соединенных Штатах, содержали в среднем 21,1% RAP и 0,2% RAS. [33]
Переработанные асфальтовые компоненты могут быть восстановлены и транспортированы на асфальтобетонный завод для переработки и использования в новых покрытиях, или весь процесс переработки может быть проведен на месте. [32] В то время как переработка на месте обычно происходит на дорогах и является специфичной для RAP, переработка на асфальтобетонных заводах может использовать RAP, RAS или оба. По оценкам, в 2019 году асфальтобетонные заводы в Соединенных Штатах приняли 97,0 миллионов тонн RAP и 1,1 миллиона тонн RAS. [33]
RAP обычно поступает на заводы после измельчения на месте, но дорожные покрытия также могут быть вырваны более крупными секциями и измельчены на заводе. Измельченный RAP обычно складируется на заводах перед включением в новые асфальтобетонные смеси. Перед смешиванием накопленный измельчённый материал может быть высушен, и любой, который агломерировался при хранении, может быть измельчен. [32]
RAS могут быть получены асфальтобетонными заводами как отходы после производства непосредственно с заводов по производству черепицы, или они могут быть получены как отходы после потребления по окончании срока службы. [33] Обработка RAS включает измельчение черепицы и просеивание помола для удаления негабаритных частиц. Помол также может быть просеян с помощью магнитного сита для удаления гвоздей и другого металлического мусора. Затем измельченный RAS высушивается, и связующее асфальтобетона может быть извлечено. [35] Для получения дополнительной информации о переработке RAS, производительности и связанных с этим проблемах здоровья и безопасности см. Asphalt Shingles .
Методы переработки на месте позволяют восстанавливать дороги путем рекультивации существующего покрытия, повторного смешивания и повторной укладки на месте. Методы переработки на месте включают измельчение , горячую переработку на месте, холодную переработку на месте и полноглубинную рекультивацию . [32] [36] Для получения дополнительной информации о методах переработки на месте см. Дорожное покрытие .
В течение срока службы асфальтобетонное вяжущее, составляющее около 5–6 % типичной асфальтобетонной смеси, [37] естественным образом затвердевает и становится жестче. [38] [39] [32] Этот процесс старения в первую очередь происходит из-за окисления, испарения, экссудации и физического затвердевания. [32] По этой причине асфальтобетонные смеси, содержащие RAP и RAS, склонны к снижению удобоукладываемости и повышенной восприимчивости к усталостному растрескиванию. [34] [35] Этих проблем можно избежать, если переработанные компоненты правильно распределены в смеси. [38] [34] Практика надлежащего хранения и обращения, например, хранение запасов RAP вне влажных зон или под прямыми солнечными лучами, также важна для предотвращения проблем с качеством. [34] [32] Процесс старения связующего может также давать некоторые полезные свойства, например, способствуя более высокому уровню устойчивости к образованию колейности в асфальтобетонных смесях, содержащих RAP и RAS. [39] [40]
Один из подходов к балансировке эксплуатационных характеристик RAP и RAS заключается в объединении переработанных компонентов с первичным заполнителем и первичным асфальтовым связующим. Этот подход может быть эффективным, когда содержание переработанного материала в смеси относительно низкое, [38] и имеет тенденцию работать более эффективно с мягкими первичными связующими. [39] Исследование 2020 года показало, что добавление 5% RAS к смеси с мягким, низкосортным первичным связующим значительно увеличило сопротивление смеси колееобразованию, сохранив при этом адекватную стойкость к усталостному растрескиванию. [40]
В смесях с более высоким содержанием переработанного сырья добавление первичного связующего становится менее эффективным, и могут использоваться восстанавливающие добавки. [38] Восстановители — это добавки, которые восстанавливают физические и химические свойства старого связующего. [39] При использовании традиционных методов смешивания на асфальтобетонных заводах верхний предел содержания RAP до того, как восстанавливающие добавки станут необходимыми, оценивается в 50%. [34] Исследования показали, что использование восстанавливающих добавок в оптимальных дозах может позволить смесям со 100% переработанными компонентами соответствовать эксплуатационным требованиям обычного асфальтобетона. [34] [38]
Помимо RAP и RAS, ряд отходов может быть повторно использован вместо первичного заполнителя или в качестве восстанавливающих средств. Было показано, что резиновая крошка, полученная из переработанных шин, улучшает усталостную прочность и прочность на изгиб асфальтобетонных смесей, содержащих RAP. [41] [42] В Калифорнии законодательные предписания требуют от Департамента транспорта включать резиновую крошку в асфальтобетонные материалы. [43] Другие переработанные материалы, которые активно включаются в асфальтобетонные смеси по всей территории Соединенных Штатов, включают стальной шлак, доменный шлак и целлюлозные волокна. [33]
Дальнейшие исследования были проведены для обнаружения новых форм отходов, которые могут быть переработаны в асфальтобетонные смеси. Исследование 2020 года, проведенное в Мельбурне, Австралия, представило ряд стратегий включения отходов в асфальтобетон. Стратегии, представленные в исследовании, включают использование пластика, в частности полиэтилена высокой плотности, в асфальтобетонных связующих, а также использование отходов из стекла, кирпича, керамики и мрамора вместо традиционного заполнителя. [44]
Восстановители также могут быть изготовлены из переработанных материалов, включая отработанное моторное масло, отработанное растительное масло и отработанный растительный жир. [38]
Недавно выброшенные защитные маски были включены в каменную мастику. [45]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )[1]