КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ЗНАЧЕНИЯМИ КОЭФФИЦИЕНТА СТАРЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ И БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Корреляционные связи между значениями коэффициента старения образцов из асфальтобетонных и битумоминеральных смесей

Салихов Мухаммет Габдулхаевич

д.т.н., профессор кафедры «Строительных технологий и автомобильных дорог» Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Веюков Евгений Валерианович

к.т.н., доцент кафедры «Строительных технологий и автомобильных дорог» Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Марасанов Василий Александрович

магистрант Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Кошкин Алексей Владимирович

магистрант Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Старение асфальтов изучаются различными методами. Наиболее часто используется метод изучения изменения их свойств после старения прогреванием при высоких температурах. Анализ достоинств и недостатков известных методов ускоренного изучения старения асфальтобетонов позволил разработать новую методику, позволяющую одновременно изучать влияние на процессы старения структурных элементов - щебня, песка и минерального порошка с битумом по отдельности, возможно при присутствии и других компонентов. Такой подход к изучению старения битумоминеральных материалов позволяет точнее построить модели процессов старения, раскрыть их индивидуальную роль и механизмы управления ими. В результате выполненных лабораторных экспериментов рассчитаны значения коэффициента старения образцов асфальтобетона типа Б, уплотненных смесей битума с гранитным щебнем, дробленым песком из отсевов дробления прочных пород и известняковым минеральным порошком по отдельности. Установлены математические зависимости значений коэффициента старения по показателю прочности при сжатии при +150 °С от продолжительности прогревания. Далее получены корреляционные зависимости между значениями коэффициента старения асфальтового бетона и смесей его минеральных компонентов с битумом по отдельности в программной среде CurveExpert 1.4. Полученные зависимости позволяют выполнить анализ влияние отдельных минеральных компонентов на процессы старения асфальтобетона во времени и составить их рейтинг по степени влияния на динамику этого процесса. Полученные результаты выполненных экспериментов и расчетов позволяют провести поиск возможных воздействий на процессы подбора составов, приготовления и укладки асфальтобетонных смесей с целью прогнозирования и противодействия процессам старения конструктивных слоев из асфальтобетонов и других битумоминеральных материалов. Ключевые слова: Асфальтобетоны, асфальтобетонные и би-тумоминеральные смеси - битум с щебнем, песком и минеральным порошком, коэффициент старения, высокая температура, продолжительность прогревания, рейтинг компонентов.

Введение. По результатам многочисленных исследований [1-5] установлено, что одним из главных факторов снижение работоспособности дорожных одежд автомобильных дорог является неизбежное снижение их эксплуатационных свойств во времени. Особенно, это проблема обострена в конструкциях с использованием нефтяных битумов - асфальтобетонов, черного щебня и других битумоминеральных материалов. Из-за нахождения в них битума в пленочном состоянии процессы старения происходят интенсивнее [6-1116]. В то же время многие исследователи обращают внимание на то, что толщина и структура пленок битума на поверхностях минеральных частиц, адгезионная и когезионная прочности и групповой состав зависят от вида, размера минеральных частиц и фракционного состава.

Рабочая гипотеза. Логично предположить, что характеристики пленок битума будут меняться во времени в зависимости от внешних механических воздействий, температуры, доступности воздуха, воздействия агрессивных и биологических сред, процессов старения легких составляющих, самопроизвольных преобразований в углеводородах и т.д. [17-18]. Эти динамические процессы могут привести и приводят к изменению, точнее говоря, к снижению клеящей способности битумов.

Соответственно, это приводит к расслаблению взаимосвязей дисперсных минеральных компонентов битумоминеральных материалов, внешне проявляемое как снижение их свойств во времени [19].

Материалы и методики исследований. Достоверность получаемых результатов выполнения экспериментов по изучению влияния на процессы старения би-тумоминеральных смесей их отдельных компонентов может быть достигнута путем проведения опытов по единой методике - как для сложных (асфальтобетонных), так и для простых (битумо-щебеночных, битумо-песчаных, битумо-порошковых) смесей и т.д [20]. Полученные таким образом результаты экспериментов позволят выполнить анализ влияния отдельных компонентов на процесс старения сложных систем. В этом состоит цель и задачи данного исследования.

Для экспериментов были взяты образцы асфальтобетона типа Б следующего состава:

- щебень гравийный М1200 фр. 5 ... 20 мм - 45,0 % (мас.);

- песок дробленый из отсевов дробления гранитов фр. 0,14 ... 5,0 % - 45,0 %;

- известняковый минеральный порошок М1 - 10,0 %;

- битум нефтяной вязкий БНД 70/100 - 5,6 % (свыше 100 %).

После тщательного перемешивания компонентов при рабочих температурах смеси раскладывались равномерным слоем на стальных подносах, размещались в вентилируемую электрическую печь с автоматической

X X

о

го А с.

X

го т

о

м о м м

сч сч

0

сч ^

01

о ш Ш X

<

т о х

X

системой выдерживания температуры. Прогревание смесей в данных опытах происходило при температуре + 150 °С в течение 0, 1, 3, 5, 7 часов. После каждого этапа прогревания из смесей формировались стандартные цилиндрические образцы диаметром и высотой 71,4 и 50,5 мм. Подготовленные таким образом образцы через одни сутки хранения при комнатных температурах испы-тывались по стандартным методикам ГОСТ 12801 - 98 [21]. Далее для каждой серии испытаний рассчитывали значения коэффициента старения по показателю пре-

п + 50°

дела прочности при сжатии при +50° (К^ ). Выбор показателя я;жо°, как главного, ранее было обосновано специальными опытами [22].

Значения коэффициента старения по показателю Rсзк0c определяется по формуле:

К,

К+5 0"

Я

+5о°с(1пр=д

+50°С(1пр=0)'

(1)

Я.

где ^ - предел прочности при сжатии при

+50° у образцов из смеси прогретых при +150° в течение времени ^ =0...7 час.; Ясж 4 р ' для не прогретых при +150° образцов.

- то же самое,

Проведение экспериментов и анализ результатов. По вышеупомянутым методикам было выполнено ряд лабораторных опытов, обработаны их результаты. Некоторые из них представлены в табл. 1.

Таблица 1.

№ п/п Наименование смесей к+50П(1пр.1,) Значения Кстсж для образцов, прогретых в течение, час

0 1 3 5 7

1 2 3 4 5 6 7

1 Асфальтобетон типа Б 1,0 0,67 0,71 0,67 0,67

2 Смеси битума с:

- гранитным щебнем (1:25) - известняковым щебнем 1,0 1,0 0,32 1,26 0,15 1,71 0,01 1,23 0,01 1,03

(1:9) 1,0 1,02 1,44 2,01 1,07

- дробленым песком (1:10) 1,0 1,0 1,13 1,63 1,38

- минеральным порошком (1:1,67)

Кс

= ае

п + 50° Ь!

к™ _ е а1спр;

(2)

К.

2) у смеси известнякового щебня с битумом:

КТж = а2 +Ь2

3) у смеси гранитного щебня с битумом:

К;™ = с3е"йз'пр;

4) у смеси дробленого песка с битумом:

п + 50°

^Кс:

(3)

(4)

(5)

(6)

находится в пределах 0,9796.0,9999, а ошибка подбора S = 0,00432.0,11380.

Как видно из табл. 1, после выдерживания при высокой температуре +150° образцы из асфальтобетонной смеси и гранитного щебня непрерывно теряют свою прочность по экспоненциальной зависимости от времени прогревания. У образцов из смесей с мелкозернистыми минеральными материалами (дробленого песка, известняковых минерального порошка и щебня) в начальный период прогревания (до 3.5 часов) наблюдается упрочнение структуры, затем идет обратный процесс - спад прочности. Это, видимо, связано с изменением структуры битумных пленок на поверхности минеральных составляющих, и это особенно заметно при снижении размеров минеральных частиц. При этом старение битума на поверхностях гранитного щебня происходит быстрее, чем на известняковом щебне.

На основании полученных данных, с целью выяснения роли каждого минерального компонента в старении асфальтобетона. Далее, в программной среде СигуеЕхре!! 1.4 получены корреляционные зависимости значений коэффициента старения по показателю прочности при сжатии при +50° у образцов из асфальтобетонной смеси (АБС) и из смеси минеральных компонентов (щебня, дробленого песка, известнякового минерального порошка) с битумом по отдельности:

1) Между значениями коэффициента старения асфальтобетона и смесью гранитного щебня с битумом (Б:Гр.щ. =1:25):

р +5 0° А-1 Лксж __1

((8)

К"

ст(АБ) к+5о°с '

— С К сж

1+ Аге ст(Гр.щ.+Б)

где А1, В1, С1 - постоянные коэффициенты: А1=0,000504; В1=-1,025176;С1=0,025627; при этом г=0,83058; S=0,27939.

п + 50°С

2) Между значениями Кстсж асфальтобетона и смесью дробленого песка с битумом (Б:Др.п. =1:10):

р +50° р +5 0°

сж сж (9)

К

ст(АБ)

где А2=-0,03374; S=0,27174.

= А2 +В2Ксп В2=1,09812;

при этом г=0,92946;

тэ + 501 _

3) Между значениями КсТж асфальтобетона и смесью минерального порошка с битумом (Б:МП =1:5,67):

р +50° Ао

сж

((10)

После расчета значений коэффициента старения для всех изучаемых смесей в программной среде CurveExpert 1.4 [23] были получены корреляционные зависимости их от времени предварительного прогревания. Они выглядят следующим образом: 1) у асфальтобетона типа Б:

р+50°

_ __-Мпр

К

ст(АБ)

к+5 0°'

К£ж = а4 +Ь4 cos(c4tпр + d4); 5) у смеси минерального порошка с битумом:

КГж50° = а5е('пр-02/2с| , (7)

где a,b,a1,b1,a2,b2,c2,cз,dз,a4,b4,c4,d4,a5,b5,c5 - значения постоянных коэффициентов отыскиваются при аппроксимации математических моделей в среде СигуеЕхре|1 1.4. Точность подбора (ранг приближения, г)

1+А3е 3 "(М)

где Аэ=0,6639; Вэ=-557,14; Сэ=7,91237; при этом г=0,9486; S=0,1348.

Как видно из анализа динамики изменения значений коэффициента старения и зависимостей (7-9) в пределах периода прогревания при температуре +150° в течение 0.7 часов построен следующий рейтинг влияния на процесс старения минеральных составляющих (по мере снижения роли в старении АБС): гранитный щебень - известняковый щебень - дробленый песок - известняковый минеральный порошок.

Такой вывод не противоречит положению о том, что на поверхности частиц меньших размеров устойчивость битумных пленок выше, чем на более крупных [10-11], а на поверхности известняковых пород старение пленки битума происходит более интенсивно.

На следующем этапе исследования этот вывод потребуется уточнить с точки зрения влияния количественного состава каждого из минеральных составляющих и толщины пленок битума, составов смесей на процесс старения всей сложной системы (асфальтобетона).

Общие выводы.

1. Получены математические модели, описывающие закономерности старения асфальтобетона типа Б и простых битумоминеральных смесей при температуре + 150°С, т.е. смесей на основе отдельных минеральных составляющих по отдельности.

2. Установлены корреляционные связи между значениями коэффициента старения по показателю предела прочности при сжатии при +50° асфальтобетона типа Б и простых битумоминеральных смесей на основе отдельных его минеральных компонентов (битумо-ще-беночных, битумо-песчаных, битумо-порошковых).

3. Обоснован рейтинг влияния на процесс старения асфальтобетона его отдельных компонентов - щебня, дробленого песка и минерального порошка.

Литература

1. Бахрах Г.С. Учет процесса старения, при проектировании состава битумоминеральных смесей // Автомобильные дороги. - 1973. - № 9. - С. 8-9.

2. Братчун В.И. Гуляк Д.В., Беспалов В.Л. О некоторых закономерностях старения бетонных смесей и бетонов на органических вяжущих на примере дегтебетонов. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры.

3. Братчун В.И. Гуляк Д.В., Беспалов В.Л. Тепловое старение дегтебетонных смесей дегтебетонов // Современные проблемы строительства, 2005 №3(8). С. 213-218.

4. Печеный Б.Г. Долговечность битумных и битумоминеральных покрытий. - М: Стройиздат, 1980. - 123 с.

5. Иваньски М. Леонович И.И. Влияние процесса старения на физико-механические показатели асфальтобетона / Вестник БНГТУ, 2002. - №5. - С. 17-22.

6. Иваньски М. Урьев Н.Б. Исследование процесса старения сегодня щебнемастичного асфальтобетона // Наука и техника в дорожной отрасли, 2002. - №4. - С. 2629.

7. Железко Е.П. О механизме термоокислительного старения битумоминеральных материалов и факторах, влияющих на долговечность // Известия ВУЗов. Серия «Строительство и архитектура», 2005. - №9. - С. 60-64.

8. Стукалов А.А. Старение асфальтобетонных смесей, асфальтобетонов и способы повышения термоокислительной стойкости: дис. ... канд. техн. наук. - Макеевка (Донецкая обл.): Дон. НАСА. - 179 с.

9. Скрипкин А.Д., Старков Г.Б., Колесник Д.А. Старение битума в технологическом процессе его подготовки для производства асфальтобетонных смесей // Сб. статей и докладов ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона. - М.: МАДИ гТу (МАДИ), 2010. - С. 46-53.

10. Илиополов С.К., Мардирисова Б.В., Углова Е.В. Развитие процесса старения битума в асфальтобетонных покрытиях автомобильных дорог // Известия ВУЗов. Серия «Строительство», 1994. - №3. - С. 48-52.

11. Гуляк Д.В. Технологическое и эксплуатационное старение дегтебетонных смесей и дегтебетонов и способы замедления: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Макеевка (Донецкая обл.): Дон. НАСА, 2010. - 20 с.

12. Чан Нят Тан. Регулирование термоокислительной стабильности дорожных битумов и битумных материалов: дис. ... канд. техн. наук. - М: 2010. - 121 с.

13. Анасукэ М. Способ предотвращения охрупчива-ния и разрушения асфальтобетонных покрытий. Патент Японии № 51-41766; Кл. Е01, 07/18, 1971.

14. Хобеда П. Лабораторные исследования старения и восприимчивости влаге битуминозной смеси. VIT, 1993. - Nr. 194. - p.p. 68-82. Ци Ютай. Изучение и оценка эффективности старения нефтяных асфальтов и их компонентов в процессе поглощения кислорода и кинетики // Нефтяная наука и техника, 2003. - у 21, № 1-2. - С. 283-299.

15. Ци Ютай. Изучение и оценка эффективности старения нефтяных асфальтов и их компонентов в процессе поглощения кислорода и кинетики // Нефтяная наука и техника, 2003. - у 21, № 1-2. - С. 283-299.

16. Salikhov Mukhammat, Veyukov, Evgeniy. Thermal aging of bitumen mixtures with crushed sand / IOP Conference Series. Materials Science and Engineering; Bristol Том 896, Изд. 1, (Jul 2020). D0I:10.1088/1757-899X/896/1/012073.

17. Печеный Б.Г., Железко Е.П. Об изменении состава и свойств битумов в процессе их старения // Научно-техн. журнал «Нефтепереработка и нефтехимия», 1975. - №8. - С. 10-13.

18. Королев И. В. Пути экономии битума в дорожном строительстве.- М.: Транспорт, 1986.- 149 с.

19. Касаткин Ю.Н. Старение и структурная долговечность битумоминеральных материалов в конструкции // Строительные материалы, 2001. - №9. - С. 30-33.

20. Салихов М.Г., Веюков Е.В., Сабиров Л.Р., Маля-нова Л.И. Способ определения скорости и интенсивности старения асфальтобетонов. Патент на изобретение №2654954 от 13.02.2017. СПК. G01N 17/00 (2017/08); G01N33/42 (2017/08). - Опубл. 23.05.2018. Бюл. № 15.

21. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний / Введен в действие Постановлением Госстроя России 24.11.1998 г., №16 с 01.01.1998 г. - М.: ГУП ЦПП, 1999. - 39 с.

22. Иливанов В.Ю., Малянова Л.И. Предложения к изучению процессов старения органических бетонов при воздействии высоких температур. Вестник ГПТУ. «Лес. Экология. Природопользование». - Йошкар-Ола: ПГТУ. 2015. - №1(25). - С. 59-65.

23. Мазуркин П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учеб. пособие / П.М. Мазуркин, А.С. Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.

Correlations between the values of the aging coefficient of samples

from asphalt concrete and bitumen mineral mixtures Salikhov M.G., Veyukov E.V., Marasanov V.A., Koshkin A.V.

Volga State Technological University JEL classification: L61, L74, R53

Asphalt concretes consisting of compacted rationally selected mixtures of mineral materials - crushed stone, sand and mineral powder with bitumen, in the process of preparation and operation irrevocably reduce their mechanical properties, which is called aging. This process depends on the composition, structure and size of mineral materials, temperature and other factors.

Asphalt aging is studied by various methods. The most commonly used method is to study changes in their properties after aging by heating at high temperatures. The analysis of the advantages and disadvantages of the known methods of accelerated study of the aging of asphalt concretes allowed us to develop a new technique that allows us to simultaneously study the effect on the aging processes of structural elements - crushed stone, sand and mineral powder with bitumen separately, possibly in the presence of other components. This approach to the study of the aging of bitumen-mineral materials allows us to more accurately build models of aging processes, reveal their individual role and mechanisms of their management. As a result of the performed laboratory experiments, the values of the aging coefficient of asphalt concrete samples of type B, compacted mixtures of bitumen with granite crushed stone, crushed sand from the crushing

X X О го А С.

X

го m

о

to о м м

screenings of strong rocks and limestone mineral powder were calculated separately. The mathematical dependences of the values of the aging coefficient in terms of compressive strength at +150 ° C on the duration of heating are established. Further, correlations were obtained between the values of the aging coefficient of asphalt concrete and mixtures of its mineral components with bitumen separately in the CurveExpert 1.4 software environment. The obtained dependencies allow us to analyze the influence of individual mineral components on the processes of asphalt concrete aging over time and to make their rating according to the degree of influence on the dynamics of this process. The obtained results of the experiments and calculations allow us to search for possible impacts on the selection of compositions, preparation and laying of asphalt concrete mixtures in order to predict and counteract the aging processes of structural layers of asphalt concrete and other bitumen-mineral materials.

Keywords: Asphalt concrete, asphalt concrete and bitumen mineral mixtures - bitumen with crushed stone, sand and mineral powder, aging coefficient, high temperature, heating duration, rating of components.

References

1. Bakhrah G.S. Taking into account the aging process when designing the composition of bi-mineral mixtures // Highways. - 1973. - No. 9. - pp. 8-9.

2. Bratchun V.I. Gulyak D.V., Bespalov V.L. On some regularities of aging of concrete mixtures and concretes based on organic binders based on tar concrete. - Donbass National Academy of Construction and Architecture.

3. Bratchun V.I. Gulyak D.V., Bespalov V.L. Thermal aging of tar-concrete mixtures of tar-concrete // Modern problems of construction, 2005 -№3(8). - Pp. 213-218.

4. Pecheny B.G. Durability of bitumen and bitumen mineral coatings. -Moscow: Stroyizdat, 1980. - 123 p.

5. Ivansky M. Leonovich I.I. The influence of the aging process on the physical and mechanical parameters of asphalt concrete / Bulletin of BNSTU, 2002. - No. 5. - pp. 17-22.

6. Ivansky M. Uryev N.B. Investigation of the aging process today of crushed-non-plastic asphalt concrete // Science and Technology in the road industry, 2002. - No. 4. - pp. 26-29.

7. Zhelezko E.P. On the mechanism of thermooxidative aging of bitumenmineral materials and factors affecting durability // Izvestia. Series «Construction and Architecture», 2005. - No. 9. - pp. 60-64.

8. Stukalov A.A. Aging of asphalt concrete mixtures, asphalt concrete and ways to increase thermal oxidation resistance: dis. ... Candidate of Technical Sciences. - Makeyevka (Donetsk region): Don. NASA. - 179 p.

9. Skripkin A.D., Starkov G.B., Kolesnik D.A. Bitumen aging in the technological process of its preparation for the production of asphalt concrete mixtures // Collection of articles and reports of the annual scientific session of the Association of Asphalt Concrete Researchers. -Moscow: MADI GTU (MADI), 2010. - pp. 46-53.

10. Iliopolov S.K., Mardirisova B.V., Uglova E.V. Development of the bitumen aging process in asphalt concrete road coverings // Izvestiya. Series «Construction», 1994. - No. 3. - pp. 48-52.

11. Gulyak D.V. Technological and operational aging of tar-concrete mixtures and tar-concrete and methods of deceleration: Abstract of the dissertation of the Candidate of Technical Sciences. - Makeyevka (Donetsk region): Don. NASA, 2010. - 20 p.

12. Chan Nyat Tan. Regulation of thermal-oxidative stability of pre-rozhny bitumen and bitumen materials: dis. ... Candidate of Technical Sciences. - Moscow: 2010. - 121 p.

13. Anasuke M. A method for preventing embrittlement and destruction of asphalt concrete coatings. Japanese Patent No. 51-41766; Cl. E01, 07/18, 1971.

14. Khobeda P. Laboratory studies of aging and moisture susceptibility of a bituminous mixture. VIT, 1993. - Nr. 194. - p.p. 68-82. Qi Yutai. Study and evaluation of the aging efficiency of petroleum asphalts and their components in the process of oxygen absorption and kinetics // Oil Science and Technology, 2003. - u 21, No. 1-2. - pp. 283-299.

15. Qi Yutai. Study and evaluation of the aging efficiency of petroleum products and their components in the process of oxygen and kinetic absorption // Oil Science and Technology, 2003. - u 21, No. 1-2. - pp. 283-299.

16. Salikhov Mukhammat, Veyukov, Evgeniy. Thermal aging of bitumen mixtures with crushed sand / IOP Conference Series. Materials Science and engineering; Bristol Volume 896, Ed. 1, (Jul 2020). DOI:10.1088/1757-899X/896/1/012073.

17. Pechenyi B.G., Zhelezko E.P. On changes in the composition and properties of bitumen in the process of their aging // Scientific and technical. Journal "Oil Refining and Petrochemistry", 1975. - No. 8. - pp. 10-13.

18. Korolev I. V. Ways to save bitumen in road construction. - M.: Transport, 1986.- 149 p.

19. Kasatkin Yu.N. Aging and structural durability of bitumen-mineral materials in construction // Building Materials, 2001. - No. 9. - pp. 3033.

20. Salikhov M.G., Veyukov E.V., Sabirov L.R., Malianova L.I. Method for determining the rate and intensity of aging of asphalt concrete. Patent for invention No. 2654954 dated 13.02.2017. SEC. G01N 17/00 (2017/08); G01N33/42 (2017/08). - Publ. 23.05.2018. Byul. No. 15.

21. GOST 12801-98. Materials based on organic binders for road and airfield construction. Test methods / Put into effect by the Decree of the State Construction Committee of Russia on 24.11.1998, No. 16 from 01.01.1998 - Moscow: GUP CPP, 1999. - 39 p.

22. Ilivanov V.Yu., Malianova L.I. Proposals for studying the aging processes of organic concrete under the influence of high temperatures. Bulletin of the State Technical Technical University. "The forest. Ecology. Nature management". - Yoshkar-Ola: PSTU. 2015. - №1(25). - Pp. 59-65.

23. Mazurkin P.M. Mathematical modeling. Identification of single-factor statistical patterns: Textbook / P.M. Mazurkin, A.S. Filonov. - Yoshkar-Ola: MarGTU, 2006. - 292 p.

cs cs o cs

o m m

X

<

m o x

X