CC BY
37
ТЕХНИЧ|[СКИ1Е нАУКИ
«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», № 3, 2013
удк 625.85-33.2 Ю. Г. Борисенко [Yu. Borisenko], С. О. Казарян [S. Kazaryan], Е. В. Ресть [E. Rest].
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ДОБАВОК ИЗ ПОРОШКОВЫХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОМ АСФАЛЬТОБЕТОНЕ
Effectiveness of using stabilizing additives from powder porous materials in crushed stone-mastic asphalt
В статье обоснована возможность и представлены результаты лабораторных исследований применения высокодисперсных отсевов дробления керамзита в качестве стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА). Показано положительное влияние предложенной добавки (отсевов дробления керамзита) на физико-механические и эксплуатационные свойства ЩМА.
Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, стабилизирующая добавка, высокодисперсные отсевы дробления керамзита, дорожные покрытия, стекание вяжущего.
The possibility is justified and presents the results of laboratory research of using fine crushing screenings of expanded clay gravel as a stabilizing additive for stone mastic asphalt (SMA). The positive effect of the proposed additives (crushing screenings of expanded clay gravel) on the physico-mechanical and performance properties of SMA is shown.
Keywords: stone mastic asphalt, stabilized supplement, fine crushing screenings crushing expanded clay gravel, road surfacing, trickling of astringent.
В настоящее время резкое снижение качества и долговечности дорожных покрытий в РФ происходит в связи с увеличением количества большегрузных транспортных средств, повышением осевых нагрузок на дорожное полотно и увеличением скоростного режима, что обусловлено использованием зачастую устаревших технологий с применением традиционных материалов, которые уже не соответствуют по своим техническим характеристикам возникающим нагрузкам.
Одним из путей решения этой проблемы является внедрение новых, нетрадиционных, эффективных дорожно-строительных материалов. К числу таких перспективных материалов относится щебеночно-мастич-ный асфальтобетон (ЩМА).
Разработанный в Германии еще в конце 60-х годов, ЩМА нашел широкое применение в Европейских странах за счет своего высокого качества, долговечности и устойчивости к деформациям. В нашей стране ЩМА используется не так давно. Однако несмотря на высокие эксплуатационные и физико-механические свойства, ЩМА не нашел такого широкого распространения в России, как в других странах. Одна из причин сложившейся ситуации - это применение в составах ЩМА особо прочного, высококачественного щебня кубовидной формы, который является дефицитным во многих регионах. Также немало важным фактором, сдерживающим производство ЩМА, является использование при производстве щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС) стабилизирующих добавок, применяемых в качестве стабилизатора вяжущего в смеси.
По сравнению с традиционными асфальтобетонами, которые имеют плотную многоуровневую структуру, ЩМА обладает каркасно-щелевой структурой, благодаря чему имеет ряд преимуществ, а именно: высокие сдвигоустойчивость, устойчивость к разрушениям под действием транспорта и климатических факторов, повышенный срок службы покрытий, более высокие эксплуатационные характеристики, а также пониженный уровень шума при движении транспорта [1].
Получение оптимальной структуры ЩМА связано с необходимостью создания как можно более толстых пленок битума на поверхности каждой отдельно взятой частицы щебня. Для того чтобы такое количество горячего вяжущего в процессе приготовления, транспортировки и укладки находилось на поверхности щебня и не вытекало из смеси, необходимо присутствие в составе ЩМА специальных стабилизирующих добавок [2].
Одними из самых широко используемых и качественных стабилизирующих добавок на сегодняшний день являются добавки типа У1АТОР, TEHNOCEL, TPOCEL, поставляемые из-за рубежа и имеющие высокую стоимость. На рынке представлены и отечественные аналоги по более низкой цене, однако, качество таких добавок не столь высоко.
В настоящее время отечественными ученными активно ведутся исследования в направлении разработки новых эффективных добавок, снижающих стекание ЩМА. Были предложены различные варианты исполь-
Таблица 1. СВОЙСТВА ВЬ1СОКОДИСПЕРСНЬ1Х ОТСЕВОВ
дробления керамзита
Наименование материала Удельный вес, г/см3 Удельная поверхность, см2/г Истинная плотность, г/см3 Насыпная плотность, г/см3 Пористость, %
Отсевы дробления керамзита 2,57 5280 0,67 0,88 36
зования в качестве стабилизирующих добавок разнообразных материалов, отходов промышленности, или комплексных стабилизирующих добавок [3-6]. Известны отдельные попытки применить в качестве таких стабилизаторов керамзит, перлит, асбест и др.
По нашему мнению, одним из перспективных направлений решения проблемы расслаивания и стабильности ЩМАС является включение в составы смесей высокодисперсных порошковых отсевов дробления искусственных пористых заполнителей (например, керамзита). Применение таких порошковых материалов в качестве стабилизирующих добавок ЩМА обосновывается следующими соображениями: с одной стороны, керамзит эффективно сорбирует битум, что обуславливается высокой избирательной фильтрацией вяжущего в поры материала, а с другой стороны - использование высокодисперсных отсевов дробления из доступных пористых заполнителей (керамзита) будет способствовать снижению стоимости ЩМА.
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований возможности использования высокодисперсных отсевов дробления керамзита в качестве стабилизирующих добавок для ЩМА. С целью решения поставленных задач были запроектированы составы ЩМА-10 (ГОСТ 31015-2002), включающие: минеральный заполнитель из гранитного щебня фракций 5-10 мм и песка из отсевов дробления щебня; наполнитель - активированный известняковый минеральный порошок; вяжущее - нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90. В качестве стабилизирующей добавки использовали высокодисперсные отсевы дробления керамзита марки 600 фракций менее 0,16 мм, полученные в результате измельчения в лабораторной шаровой мельнице. Свойства высокодисперсных отсевов дробления керамзита представлены в табл. 1.
Технология приготовления смесей была выбрана следующей: битум и минеральный заполнитель разогревались до температур 165-170 °С, затем добавлялись минеральный порошок и стабилизирующая добавка; после чего все компоненты смешивались в лабораторном смесителе до получения однородной массы. Испытания смесей и образцов исследуемых ЩМА проводились в соответствие с ГОСТ 31015-2002.
В ходе реализации данного направления исследований экспериментально было установлено оптимальное содержание в ЩМА предложенных высокодисперсных отсевов дробления. Оптимальное содержание высокодисперсных отсевов дробления керамзита, как стабилизирующей добавки для ЩМА, в первую очередь определялось исходя из значения показателя стекаемости. Второстепенными факторами служили значения показателей прочности и теплостойкости. Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в табл. 2. Наиболее высокие результаты были получены при содержании высокодисперсных отсевов дробления керамзита 2,5 % масс. сверх минеральной части смеси (состав № 1, табл. 2).
Для сравнения приготавливали смеси стандартного состава ЩМА-10 с использованием хорошо зарекомендовавшей себя стабилизирующей добавки У1АТОР (состав № 4, табл. 2).
Зависимости прочностных показателей от содержания высокодисперсных отсевов дробления керамзита в смеси имеют экстремальный характер (рис. 1). Максимумы прочности и теплостойкости соответствуют содержанию отсевов дробления керамзита СК равному 2,5 масс. сверх минеральной части смеси. (рисунок 1).
Зависимость показателя стекаемости СК от содержания в смеси высокодисперсных отсевов дробления керамзита показана на рис. 2.
Стекаемость вяжущего в смесях с высокодисперсными отсевами дробления керамзита составила 0,13 %, а в смесях со стандартной добавкой У1АТОР - 0,11 %. Отсюда следует, что применение предложенных добавок эффективно влияет на стабильность исследуемых смесей.
Наиболее высокие показатели прочности при сжатии при 20 С (R20) получены у образцов ЩМА, включающих отсевы дробления керамзита. То же самое можно сказать и о теплостойкости материала (прочности при сжатии при 50 °С, К-50). Физико-механические показатели ЩМА с добавкой У1АТОР имеют не столь высокие показатели. Так же выявлено, что на величину показателей пористости минеральной части и остаточной по-
Таблица 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЩМА
Наименование показателя ЩМА-10 Состав № 1 (ЩМА-10 со стабилизирующей добавкой на основе отсевов дробления керамзита) Состав № 2 (ЩМА-10 со стабилизирующей добавкой VIATOP) Значение показателя согласно ГОСТ 31015-2002
Пористость минеральной части, VMор, % 16 16 15-19
Остаточная пористость, VSор,% 3 2,9 2,0-4,5
Водонасыщение, % по объему, образцов, отформованных из смесей 1,82 1,65 1,5-4,0
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее: при 20°С, R20 при 50°С, R50 4,6 4,2 2,5 1,9 1,8 0,7
Показатель стекания вяжущего, В, %, не более: 0,13 0,11 0,2
Трещиностойкость -предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С, Rp, МПа: 6,28 5,8 3,0-6,5
Сдвигоустойчивость: коэффициент внутреннего трения, не менее, tgф сцепление при сдвиге при температуре 50 °С, Сп, МПа, не менее 0,95 0,94 0,94 0,2 0,2 0,2
Морозостойкость после указанного количества циклов при 20 °С, Rмпз, МПа: 25 50 100 4,1 3,76 -3,61 3,47 -3,37 3,12 -
Морозостойкость после указанного количества циклов при 50 °С, Rмпз, МПа: 25 50 100 1,83 1,6 -1,62 1,32 — 1,32 1,1 -
_5
4,5
_4
3,5
_2
1,5
_1
0,5
^ прочность при 20°, МПа ■ прочность при 50°, МПа
1- 1-- 1-1 1---
%
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Содержание отсевов дробления керамзита в наполнителе, Ск, % объема
Рис. 1. Зависимость прочности Р20 и теплостойкости Р50 от содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе.
3
0
ристости отформованных образцов тип используемой стабилизирующей добавки практически не влияет (составы № 1, 2; табл. 2).
Согласно испытаниям трещиностойкость, сдвигоустойчивость и морозостойкость составов, содержащих высокодисперсные отсевы дробления керамзита, имеют более высокие показатели, чем составы с добавкой У1АТОР (составы № 1, 2; табл. 2).
Более высокие физико-механические и эксплуатационные показатели предложенных композиций обуславливаются характером взаимодействия предложенной добавки с органическим вяжущим. Высокодисперсные отсевы дробления керамзита являются капиллярно-пористой дисперсной системой и имеют различные по размерам и конфигурации поры (от макропор до микропор). Процесс переноса вещества, а именно органического вяжущего, внутрь порового пространства имеет различные механизмы, которые зависят непосредственно от размера пор. В микропоры проникают наиболее легкие и менее активные составляющие вяжущего (битума) - это масла и ароматические углеводороды, размер которых сопоставим с размерами микропор. Асфальтены и смолы не проникают внутрь микропор, а заполняют макропоры или находятся на поверхности минерального материала. Происходит избирательная фильтрация масел и ароматических углеводородов внутрь пористого тела, тем самым этими компонентами обедняя вяжущее. Соответственно, происходит обогащение вяжущего наиболее активными асфальтенами и смолами. Следствием этого обогащения является повышение прочностных характеристик и теп-
0,25
0,2
^ стекаемость, % к
0,15
0,1
0,05
0 %
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Содержание отсевов дробления керамзита в наполнителе, Ск, % объема
Рис. 2. Влияние содержания Ск в наполнителе ЩМА на показатель стекания.
лостойкости получаемого асфальтобетона, а также изменение молекулярного состава вяжущего в смеси и повышение его вязкости.
Таким образом, резюмируем вышеописанное.
1. В ходе проведенных экспериментальных исследований выявлено, что предложенная добавка для ЩМА (высокодисперсные отсевы дробления керамзита), обладает высокопористой структурой и за счет избирательной фильтрации достаточно эффективно сорбирует и удерживает битум, распределяет его равномерно на поверхности минерального заполнителя ЩМАС по всему объему. Это способствует повышению качества и снижению стекания битума в ЩМАС.
2. Установлено, что применение высокодисперсных отсевов дробления керамзита в ЩМА в качестве стабилизирующей добавки способствует повышению прочности и теплостойкости получаемого материала.
3. Применение предложенных пористых высокодисперсных материалов в щебеночно-мастичных асфальтобетонах позволит отказаться от дорогостоящих импортных и отечественных стабилизирующих добавок, что даст возможность снизить общую себестоимость щебеночно-мастичного асфальтобетона.
ЛИТЕРАТУРА 1. Ульмгрен Н., Дымов С. Зарубежный опыт применения щебеноч-но-мастичных асфальтобетонных смесей (на примере шведского концерна NCC) // Материалы и конструкции. Дорожная техника. 2003. С. 22-31.
2. Стебаков А. П., Кирюхин Г. Н., Гопин О. Б. Щебеночно-мастичный асфальтобетон - будущее дорожных покрытий // Строительная техника и технологии. 2002. № 3. С. 25-29.
3. Ядыкина В. В., Куцына Н. П. Применение волокнистых отходов промышленности в производстве щебеночно-мастичных асфальтобетонов // Строительные материалы. 2007. № 5. С. 28-29.
4. Ядыкина В. В., Гридчин А. М., Тоболенко С. С. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона из отходов промышленности // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 64-66.
5. Илиополов С. К., Мардиросова И. В., Чернов С. А., Дармоде-хин П. О. Модифицированная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь дисперсно армирующей добавкой «FORTA» // Науковедение. 2012. № 3.
6. Аминов Ш. Х., Струговец И. Б., Ханнанова Г. Т., Недовенко И. В., Бабков В. В. Использование пиритного огарка в качестве минерального наполнителя в асфальтобетонах // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 42-43.
ОБ АВТОРАХ Борисенко Юрий Григорьевич, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», доцент кафедры «Строительство», кандидат технических наук. Телефон 8-8652-95-68-44. Е-таП: borisenko2005@yandex.ru.
Казарян Самвел Оганесович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», аспирант кафедры «Строительство». Телефон 8-918-862-13-91. Е-таП: Sam23otr@mail.ru.
Ресть Евгений Владимирович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», аспирант кафедры «Строительство». Телефон 8-8652-95-68-44.
Borisenko Yurii Grigor'evich, FSAOU VPO «North Caucasian Federal University,» Associate Professor of «Construction»Candidate of Technical Sciences. Phone 8-8652-95-68-44. E-mail: borisenko2005@yandex.ru
Samvel Oganesovich Kazaryan, FSAOU VPO «North Caucasian Federal University», graduate student «Construction». Phone 8-918862-13-91.
E-mail: Sam23otr@mail.ru
Rest Evgeny Vladimirovich, FSAOU VPO «North Caucasian Federal University,» graduate student of the Department «Construction». Telephone 8-8652-95-68-44.
