CC BY
107
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2016, Т 2, №2
УДК 691.16:541.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ГОРЯЧЕГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
В.В. Алексеенко, Ю.В. Салтанова
ASPHALT MIX MODIFIED BY POLYMERS AND NANOPARCTICLE OF THE CARBON
V.V. Alekseenko, Y.V. Saltanova
Аннотация. В статье проведёны исследования физико-механических характеристик асфальтовяжущих материалов. Изучено влияние различных мелкодисперсных наполнителей на свойства битума. Практически значимые результаты получены для минеральных порошков модифицированных полимерами и адгезионными добавками. Показано, что асфальтовяжущие на модифицированных порошках по качеству не уступают полимербитумным вяжущим по ГОСТ Р 52056-2003.
Ключевые слова: асфальтовяжущие; полимербитумные вяжущие; температура хрупкости; температура размягчения.
Abstract. In article researches of physic-mechanical characteristics asphalt mix materials are conducted. Influence various powders on properties of bitumen is studied. Almost significant results are received for mineral powders modified by polymers and adhesive additives. It is shown that asphalt mix on the modified powders on quality do not concede bitumen-polymer binder in accordance with GOST Р 52056-2003.
Key words: asphalt mix; bitumen-polymer binder; temperature fragility; temperature of a softening.
Минеральный порошок (мелкодисперсный заполнитель) является необходимой составляющей асфальтобетона. Обладая очень большой удельной поверхностью, минеральный порошок в большой степени влияет на физико-механические показатели битума, а значит и на срок службы асфальтобетона [1-4]. Поэтому модификация минерального порошка может служить магистральным направлением в деле улучшения качества и увеличения сроков службы асфальтобетонных покрытий.
Для определения эффективности того или иного способа модификации минерального порошка необходимо задаться критерием качества. Для практических целей, критерием может служить изменение реологических характеристик вяжущего при добавлении в него мелкодисперсного заполнителя. После ряда экспериментов по изучению влияния порошков на свойства битума было выбрано соотношение наполнитель: битум = 1:1. При меньшей концентрации порошка его влияние на реологию вяжущего уменьшается, а слишком большие концентрации мелкодисперсного заполнителя не встречаются в реальных подборах асфальтобетона. Поэтому лучше всего изучать влияние минерального порошка на свойства битумного вяжущего при максимально возможной концентрации порошка. Мы проводили исследования основных реологических характеристик асфальтовяжущих материалов: температуры размягчения по КиШ - характеризует теплостойкость асфальтобетона, температуры хрупкости по Фраасу - характеризует моростойкость асфальтобетона.
На первом этапе изучалось влияние простого механического измельчения (активация) на свойства порошков из различных материалов. Нами были проведены исследования по влиянию механической обработки в планетарной мельнице на свойства различных заполнителей. В качестве заполнителей были выбраны породы, отсевы от которых часто используются дорожниками в качестве мелкодисперсного заполнителя в асфальтобетоне: гранит, диабаз и доломит. Гранулометрический состав минерального заполнителя соответствовал требованиям ГОСТ Р
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2016, Т. 2, №2
52129-2003 на минеральный порошок для асфальтобетонных покрытий. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Температура размягчения и хрупкости асфальтовяжущих на обычных и
Номер состава 1 2 3 4 5 6 7 8
Температура размягчения по КиШ, °С 49 49 49 50 50 52 52 53
температуры хрупкости по Фраасу, °С -23 -22 -22 -23 -23 -24 -24 -25
Состав № 1 - исходный битум, состав № 2 - битум+мелкодисперсные частицы из гранитных пород, состав № 3 - битум+мелкодисперсные частицы из гранитных пород обработанные в мельнице, состав № 4 - битум+мелкодисперсные частицы из диабазовых пород, состав № 5 -битум+мелкодисперсные частицы из диабазовых пород обработанные в мельнице, состав № 6 -битум+мелкодисперсные частицы из доломита, состав № 7 - битум+мелкодисперсные частицы из доломита обработанные в мельнице, № 8 - битум+активированный минеральный порошок (состав этого порошка будет описан ниже). Обработка в мельнице проводилась при небольшой интенсивности воздействия и существенно не изменяла гранулометрический состав материала. Таким образом, механическая активация при небольших интенсивностях воздействия не оказывает заметного влияния на свойства асфальтовяжущего.
Далее мы исследовали порошки, содержащие не только минеральные материалы, но и органические полимеры. Дело в том, что улучшение теплостойкости и морозостойкости битума можно достичь добавляя в него каучукоподобные полимеры. Известная в России и в мире технология предполагает растворения полимеров в битуме [5] на специализированных установках. Этот процесс связан с большими экономическими затратами в связи со сложностью процесса растворения полимера. К тому же полимербитумные вяжущие нельзя долго хранить в нагретом состоянии из-за процессов деструкции полимера и расслоения вяжущего. Мы предлагаем иной способ распределение полимера в асфальтобетоне: полимер тонко измельчается и распределяется по поверхности минерального порошка, а затем, при производстве асфальтобетона с использованием модифицированного порошка, происходит равномерное распределение полимера и его растворение в битуме при изготовлении горячего асфальтобетона. Как показали дальнейшие исследования, одного-двух часов нахождения асфальтобетона в горячем состоянии хватает для хорошего совмещения битума и полимера.
Наилучший эффект даёт совместная механическая активация минерального наполнителя, полимера, пластификатора и адгезионных добавок. Исследовались три смеси: состав № 1-доломитовая мука + 0,4% адгезионная добавка + 3% ДСТ-30 + 4% пластификатор, состав, № 2 -доломитовая мука + 0,8% адгезионная добавка + 3% ДСТ-30 + 8% пластификатор, состав № 3-доломитовая мука + 1% адгезионная добавка + 3% ДСТ-30 + 10% пластификатор. Модифицированный порошок добавлялся в битум и прогревался при температуре 165 °С в течении 2-х часов, раз в полчаса производилось небольшое перемешивание стеклянной полочкой. Были получены следующие результаты при добавлении модифицированных порошков в битум в соотношении 1: 1 при исследовании температуры размягчения и температуры хрупкости (табл. 2).
Таблица 2 - Температура размягчения и хрупкости асфальтовяжущих на модифицированных
порошках
Номер опыта 1 2 3 4
Температура размягчения по КиШ, °С 49 62 64 55
температуры хрупкости по Фраасу, °С -23 -26 -28 -31
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2016, Т 2, №2
Номер опыта 1 - исходный битум, номер опыта 2 - состав № 1, номер опыта 3 - состав № 2, номер опыта 4 - состав № 3. Таким образом, мы видим, что добавление пластификатора приводит к растворению полимерных молекул в битуме, что даёт улучшение физико-механических показателей Состав № 3 соответствует полимербитумному вяжущему марки ПБВ 130 по ГОСТ Р 52056-2003, составы № 1-2 значительно превосходят характеристики ПБВ марок 90, 60 и 40. Таким образом модифицированные полимерами порошки позволяют получать асфальтовяжущее по свойствам полностью аналогичное полимербитумным вяжущим по ГОСТ Р 52056-2003.
Возникает вопрос, в чём преимущество использования модифицированных порошков по сравнению со стандартным методом получения полимербитумных вяжущих ведь ингредиенты и физико-механические характеристики все те же самые. Ответ заключается в следующем: во-первых, в качестве пластификатора мы использовали отходы производства, а не индустриальное масло, что раза в два снижает стоимость продукта, во-вторых, и это, пожалуй, самое важное исчезает проблема деструкции ПБВ. Одним из основных препятствий использованию ПБВ является то, что его нельзя более 10 часов хранить в нагретом состоянии [5], так как происходит деструкция полимера и расслоение вяжущего. Если вяжущее доставлять на асфальтобетонный завод в холодном состоянии, то только на его разогрев затрачивается около суток, а в случае плохих погодных условий мы вынуждены хранить вяжущее в нагретом состоянии много дней (что реально наблюдается на асфальтобетонных заводах). Таким образом, ПБВ желательно производить и использовать в течении нескольких часов, а битумные котлы должны быть оснащены очень эффективной системой перемешивания вяжущего. Тогда как хранение, использование и дозирование модифицированного порошка осуществляется на стандартном оборудовании, и у модифицированного порошка нет ограничения по срокам хранения.
Следующий этап исследований был посвящён изучению активированных порошков, получаемых в результате совместного измельчения (активации) минерального заполнителя и гидрофобной органической составляющей. Активированные порошки известны давно и достаточно широко применяются в дорожном строительстве, а их свойства регламентируются в ГОСТ Р52129-2003. Основным достоинством таких порошков является уменьшенное набухание смеси порошка и битума в воде. Это в свою очередь приводит к уменьшению количества битума при изготовлении асфальтобетона и к улучшению его удобоукладываемости. Модифицирующая добавка, используемая нами, имела в своём составе адгезионную присадку, пластификатор и полимер-загуститель (на основе целлюлозы). Результаты испытаний асфальтовяжущего на активированном порошке (масса органических ингредиентов составляла 3% от массы минеральной части) представлены в табл. 1, восьмой столбец. Конечно, изменение показателей асфальтовяжущего не такое значительное, как для модифицированных порошков, но наша цель заключалась в другом. Активированный порошок, получаемый с помощью комплексной добавки должен улучшать водостойкость и удобоукладываемость асфальтобетона, а хорошие физико-механические показатели асфальтобетона должны наблюдаться при меньшем, чем на обычном порошке, содержании битума. Кроме того, в качестве минеральной составляющей в активированном порошке можно использовать отходы производства, в этом случае стоимость активированного порошка практически равна стоимости обычного порошка из мрамора или доломита. Ещё одной целью эксперимента была проверка возможности получения, хранения и дозирования активированного порошка в промышленных масштабах на стандартном оборудовании. Ниже представлены результаты испытаний асфальтобетона выпущенного на асфальтосмесительной установке и содержащего активированный порошок (на различных минеральных заполнителях) или обычный минеральный порошок. Содержание битума марки БНД 90/130 в асфальтобетоне на активированных порошках было на 6% меньше, чем в асфальтобетоне на обычном порошке (табл. 3).
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2016, Т. 2, №2
Таблица 3 - Результаты испытаний мелкозернистой асфальтобетонной смеси тип Б марка II
Вид порошка в асфальтобетоне Плотность г/см3 W^, % R20 (водное) МПа R20, МПа R50, МПа Кв, водостойкость
Обычный мраморный порошок 2,34 3,74 3,74 4,27 1,1 0,88
Активированная пыль уноса из кислых пород 2,35 3,03 3,94 4,43 1,2 0,89
Активированный мраморный порошок 2,35 3,02 3,89 3,97 1,33 0,98
где - водонасыщение, Яго- прочность на сжатие при 20°С, Я20(водное)- прочность на сжатие при 20°С после выдержки в воде, Я50- прочность на сжатие при 50°С. Результаты испытаний подтвердили наши предположения о повышении водостойкости, экономии битума и улучшении удобоукладываемости, об этом говорит повышение плотности, асфальтобетона на активированном минеральном порошке. Полимер-загуститель использовался нами для повышения теплостойкости асфальтобетона, при высоких концентрациях он может использоваться в качестве стаби-лизирующей добавки в щебёночно-мастичном асфальтобетоне.
В заключении следует отметить, что модифицирование минеральных порошков приводит к значительному улучшению реологических показателей асфальтовяжущего. Фактически мы получаем вяжущее в асфальтобетоне аналогичное полимербитумным вяжущим, но без проблем с адгезией к минеральным наполнителям. Это естественно приводит заметному положительному изменению свойств асфальтобетона: увеличению долговечности, морозостойкости и стойкости к перепадам температур. Конкретный состав модифицированного порошка желательно подбирать для каждой марки битума.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Дедюхин А.Ю., Кручинин И.Н., Еремян А. А. Структурированные минеральные порошки для асфальтобетонов с улучшенными эксплуатационными показателями // Автомобильные дороги, 2013. № 10. С. 54-56.
2. Ижорин Г. Л. Порошок порошку рознь // Автомобильные дороги, 2013. № 5. С.
61-62.
3. Котлярский Э.В. Битум+минеральный порошок = ? // Дороги России XXI века, 2002. № 4. С. 74-77.
4. Петрянин Б.И., Субботин И.В. Механоактивация битума и асфальтовяжущего вещества // Наука и техника в дорожной отрасли, 2009. № 4. С. 17-19.
5. Гохман Л.М. Битумы, полимер-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимер-асфальтобетон. М.: Экон, 2008. 118 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Алексеенко Виктор Виктрович Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия, доцент кафедры автомобильные дороги. E-mail: alavic59yahoo.com
Alekseenko Victor Victorovich Irkutsk State Technical University, Irkutsk, Russia, Associate Professor of roads . E-mail: alavic59yahoo.com
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2016, Т. 2, №2
Caлmaновa Юлия Владимировна. Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия, магистрант.
E-mail: [email protected]
Saltanova Yuliya Vladimirovna. Irkutsk State Technical University, Irkutsk, Russia , undergraduate E-mail: [email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 664074, г. Иркутск, Иркутская обл., ул. Академика Курчатова, 2, кв. 22. Салтанова Ю.В. Тел. 8-904-13-15-148
