Оптимизация качества асфальтобетонов с прерывистой гранулометрией заполнителей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 665.775

Е.А. ДАНИЛЬЯН, канд. техн. наук, Северо-Кавказский государственный технический университет (Ставрополь); Б.Ш. АСЕЛЬДЕРОВ, инженер (levass@mail.ru), Дагестанский государственный технический университет (Махачкала, Республика Дагестан); Б.Г. ПЕЧЕНЫЙ, д-р техн. наук, Северо-Кавказский филиал Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (Минеральные Воды, Ставропольский край)

Оптимизация качества асфальтобетонов с прерывистой гранулометрией заполнителей

Гранулометрический состав минеральных заполнителей и минерального порошка в асфальтобетонных смесях подбирается из принципа достижения наиболее плотной их упаковки. Этот принцип выполняется, если диаметры зерен заполнителей последовательно уменьшаются в соотношении 1:16, при этом получаемые кривые гранулометрического состава заполнителей имеют прерывистую зависимость. Однако асфальтобетонные смеси, приготовленные из заполнителей прерывистого зернового состава, отличаются расслаиваемостью и неоднородностью при их транспортировке и укладке. В связи с этим для обеспечения требуемой удобоукла-дываемости асфальтобетонных смесей в отечественных стандартах и нормативной документации зарубежных стран предусмотрены зерновые составы минеральных заполнителей менее прерывистой гранулометрии и с меньшей плотностью упаковки зерен [1, 2]. В ГОСТ 9128—2009 для верхних слоев предусмотрено пять видов плотных непрерывных зерновых составов типов А, Б, В, Г и Д, а также два вида плотных прерывистых зерновых составов типов А и Б и один высокоплотный прерывистый зерновой состав. В практике дорожного строительства асфальтобетонные смеси прерывистых зерновых составов из-за их недостатков практически не применяют, хотя по физико-механическим характеристикам асфальтобетоны с прерывистой гранулометрией заполнителя значительно превосходят асфальтобетоны с заполнителями непрерывных зерновых составов. Так, согласно [3] температура растрескивания асфальтобетонных образцов с прерывистой гранулометрией типа А на 9—11оС ниже, чем у асфальтобетонов такого же типа с непрерывной гранулометрией, и на 10—16оС ниже, чем у асфальтобетонов непрерывной гранулометрии типов Б, В, Г и Д.

Появившиеся в последнее время на российском рынке строительства асфальтобетонных покрытий щебеночно-мастичные асфальтобетоны (ЩМА) также имеют прерывистую гранулометрию минерального заполнителя (ГОСТ 31015—2002). Однако проблема расслаивания и стабильности щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей решена за счет применения стабилизирующих добавок, представляющих собой пористые или волокнистые гранулы, способные сорбировать и удерживать битум равномерно на поверхности заполнителя по всему объему смеси. Такими добавками-стабилизаторами являются обработанные битумом и спрессованные в гранулы целлюлозные волокна Виатоп, Геницел, Хризотол, Тапцел, резиновая крошка, полученная упругодеформационным методом измельчения шинной резины Унирем, керамзит, асбест, перлит, кремневая кислота и др. [4, 5].

Вызывает практический интерес изучение технологических и физико-механических свойств асфальтобетонов с прерывистой гранулометрией заполнителя, содержащих стабилизирующие добавки. С этой целью были

изучены асфальтобетонные смеси с прерывистой гранулометрией заполнителя типов А и Б, а также для сравнения асфальтобетонные смеси типов А и Б с непрерывной гранулометрией заполнителей по ГОСТ 9128—2009 и для сравнения щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси ЩМА-20 по ГОСТ 31015-2002.

В качестве минеральных заполнителей использовали дробленый гравий Надзорненского карьера. Марка щебня по дробимости 1100, марка по морозостойкости F50, содержание зерен пластинчатой и игловатой формы 7,2%, содержание дробленых зерен в щебне 94%. Песчаные фракции дробленого гравия соответствовали требованиям ГОСТ 8736 при содержании глинистых частиц 0,4%. В смесях использовали гидрофобизиро-ванный минеральный порошок Усть-Джегутинского карьера, по физико-механическим показателям он соответствует требованиям ГОСТ Р 52129-2003.

Смеси готовили на битуме БНД 60/90 Саратовского нефтеперерабатывающего завода.

В качестве стабилизирующей добавки использовали Виатоп на основе целлюлозного волокна, которая может оказывать не только стабилизирующее действие на структуру асфальтобетонных смесей, но и положительно влиять на показатели теплотрещиностойкости асфальтобетонов. Для выявления этого эффекта готовили асфальтобетонные смеси как со стабилизирующей добавкой, так и без нее.

Зерновые составы минеральной части прерывистой и непрерывной гранулометрии асфальтобетонных смесей были подобраны по средним значениям содержания фракций, указанных в ГОСТ 9128-2009 и ГОСТ 31015-2002, и представлены в табл. 1 и на рис. 1.

1,25 0,63 0,315 0,16 0,071

Размер зерен минеральной части, мм

Рис. 1. Зерновые составы прерывистой (-) и непрерывной (----)

гранулометрии минеральной части асфальтобетонных смесей типа: 1 - А; 2 - Б; 3 - ЩМА-20

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 54 январь 2012 Ы *

Таблица 1

Тип гранулометрии смеси Размер зерен мельче, мм

20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071

Прерывистая гранулометрия

А 95 88 81 45 39 32 32 (13) 19 11 7

Б 95 90 85 55 49 49 40 (19) 24 15 9

ЩМА-20 95 60 33 25 20 18 16 (9) 14 12 11

Непрерывная гранулометрия

А 95 88 81 45 32 24 17 (28) 13 9 7

Б 95 90 85 55 43 32 24 (31) 18 13 10

Примечание. В скобках - содержание фракции 5-0,63 мм в смеси, мас. %.

Как следует из данных табл. 1 и рис. 1, особенно большое различие (примерно в два раза) в содержании фракции 5—0,63 мм в зерновых составах типов А и Б прерывистой и непрерывной гранулометрии. Содержание этой фракции в смесях типов А и Б прерывистой гранулометрии примерно на 50—100% больше, чем в смеси ЩМА-20.

Содержание фракции заполнителя 5—0,63 мм влияет на раздвижку зерен щебня в асфальтобетонной смеси и, естественно, ее большое содержание не позволяет образовать щебеночный каркас, в значительной степени определяющий сдвиго-, трещиностойкость асфальтобетонов в смесях типов А и Б непрерывной гранулометрии.

В [6] показано приготовление асфальтобетонных смесей по технологии, согласно которой в смеситель загружают сначала щебень, песок, битум, перемешивают в течение 15 с, а затем добавляют минеральный порошок и перемешивают еще 20 с. Это приводит к снижению продолжительности перемешивания смеси и повышению качества асфальтобетонов. В настоящей работе асфальтобетонные смеси готовили по традиционной технологической схеме I: введение компонентов в смеситель в последовательности щебень^ песок^минеральный порошок^битум (перемешивание в течение 60 с) и по схеме II: щебень^песок^битум (перемешивание 15 с)^минеральный порошок (перемешивание 20 с).

Были определены физико-механические показатели свойств асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов, предусмотренных в ГОСТ 9128-2009 и ГОСТ 31015-2002, а также показатели трещиностойкости: внутреннее напряжение и температура растрескивания при охлаждении защемленных по концам образцов по методике, представленной в [7].

Определение устойчивости асфальтобетонных смесей к расслаиванию по показателю стекания вяжущего предусмотрено только для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей по ГОСТ 3105-2002. Сущность метода заключается в определении содержания вяжущего, оставшегося на дне стеклянного стакана после выдерживания в нем в течение 1 ч щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси при температуре ее приготовления и опрокидывания вверх дном в течение 10 с. Однако эта методика не лишена существенных недостатков. Приготовление щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси в отдельном смесителе (в стандарте не оговорено в каком) и тщательное ее перемешивание с последующей загрузкой в количестве 0,9-1,2 кг в стеклянный стакан не исключает расслаивания смеси еще в смесителе, что всегда можно наблюдать по остатку на дне емкости смесителя. При расслаивании асфальтобетонных смесей стекает не вяжущее, а асфальтовяжущее. В связи с изложенным определение устойчивости смесей к расслаиванию производили по стандартной и усовершенствованной методикам. Асфальтобетонную смесь готовили в жестяном стакане емкостью 1 л в количестве 1 кг. Минеральные заполнители, загруженные в жестяной стакан, нагревали до 170оС и вводили в требуемом количестве битум и стабилизатор. Смесь перемешивали механической мешалкой. Стакан с готовой смесью сразу устанавливали в сушильный шкаф и выдерживали при 165оС в течение 1 ч, после чего смесь из стакана выгружали опрокидыванием и определяли содержание оставшегося на дне остатка.

Как следует из рис. 2, показатели стекания, определенные по стандартной и модифицированной методи-

Ст, мас. % 3

2,5 К 2

1,5 -1

0,5 -0

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 С, мас. %

Ст, мас. % 60

50

20

0

\ з

2

1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 С, мас. %

Рис. 2. Зависимость показателя стекания (Ст) асфальтобетонных смесей с прерывистой (-) и непрерывной (----) гранулометрией заполнителя от содержания стабилизатора С, определенного по стандартному (а) и модифицированному (б) методам. Тип гранулометрии: 1 - Б; 2 - А; 3 - ШМА-20

б

а

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® январь 2012 55

Таблица 2

Показатели Схема приготовления смеси Тип гранулометрии заполнителя

прерывистая непрерывная

А Б ЩМА А Б

Предел прочности при сжатии, МПа при 50оС I 0,8/1 0,9/1,2 0,6/0,7 1/1,1 1,1/1,3

II 0,9/1,1 1,1/1,3 0,7/0,9 1,1/1,2 1,3/1,4

при 20оС I 2,7/2,9 2,8/3,1 2,6/2,9 2,8/3,2 3/3,4

II 2,9/3,1 3,1/3,4 3/3,3 3,1/3,5 3,3/3,7

при 0оС I 10/10,1 9.9/10,2 10,1/11 11,2/12 12/12,2

II 11/11,4 10,6/10,9 11/11,5 11,8/12 12/12,3

Водонасыщение, % I 4,4/3,9 3,6/2,9 2,9/2,5 3 , 2/2 , 9 3/2,6

II 4/3,2 2,9/2,4 2,4/2 2,7/2,5 2,5/2,2

Водостойкость I 0,81/0,88 0,82/0,89 0,83/0,9 0,86/0,9 0,88/0,9

II 0,84/0,91 0,89/0,43 0,8/0,94 0,9/0,94 0,9/0,95

Водостойкость при длительном водонасыщении I 0,74/0,85 0,75/0,82 0 ,7/0 , 81 0,74/0,8 0 , 8/0,85

II 0,79/0,95 0 , 84/0 , 88 0,8/0,9 0 , 8/0 , 88 0,85/0,9

Коэффициент внутреннего трения I 0,89/0,92 0,84/0,86 0,9/0,94 0,87/0,9 0,8/0,85

II 0,91/0,93 0,87/0,89 0,9/0,97 0,9/0,92 0,8/0,87

Сцепление при сдвиге при 50оС, МПа I 0,16/0,2 0,2/0,26 0,1/0,12 0,2/0,22 0,2/0,25

II 0,18/0,21 0,23/0,27 0,1/0,16 0,2/0,22 0,28/0,3

Предел прочности при растяжении при расколе при 0оС, МПа I 4,1/4,5 4,1/4,6 4,2/5 4,1/4,4 4,3/4,7

II 4,8/5 4,7/5,1 4,9/5,4 4,8/5,2 5/5,3

Температура растрескивания, оС I - - - - -

II -36/-42 -30/-38 -38/-44 -30/-38 -24/-33

Содержание стабилизатора, мас. % (стандартный метод) I - - - - -

II -/0,25 -/0,2 -/0,37 -/0 ,13 -/0,06

То же (модифицированный метод) I - - - - -

II -/0,22 -/0,12 -/0,37 0 0

Примечание. Перед чертой - без стабилизатора; после черты - со стабилизатором Виатоп.

кам, как и следовало ожидать, существенно различаются. Показатели стекания, определенные по модифицированной методике, значительно превышают показатели стекания, определенные по стандартной методике. Причем значения показателей стекания асфальтобетонных смесей, определенные по модифицированной методике, различаются в большей степени в зависимости от гранулометрического типа заполнителя в смеси при меньшем разбросе результатов испытаний.

Согласно ГОСТ 31015-2002 показатель стекания в щебеночно-мастичных смесях должен находиться в пределах 0,07-0,15 мас. %, то есть остаток от 1000 г смеси должен быть в пределах 0,7-1,5 г. Столь малые значения остатка могут быть случайными, что и приводит к большому разбросу показателей стекания. Содержание стабилизатора (С), определенное по графикам на рис. 2, а при стандартном значении показателя стекания 0,15%, в ЩМА-20 составляет 0,37 мас. % и по мере перехода прерывистых гранулометрий заполнителей от типа А к типу Б составляет 0,32 и 0,25 % соответственно, а для типов А и Б с непрерывной гранулометрией - 0,07 и 0,01%. При определении показателя стекания по модифицированному методу и содержании стабилизатора 0,5% в ЩМА-20 остаток Ст равен 7,1% (рис. 2, б), и содержание стабилизатора при этом значении Ст в смесях с прерывистой гранулометрией равно для типа А - 0,39 % и для типа Б - 0,25 %, а для типов А

и Б с непрерывной гранулометрией - 0%. Значительное различие показателей стекания, определенных по стандартному и модифицированному методам, обусловлено тем, что при стандартном методе определения стекания смесь предварительно готовят в отдельном смесителе, а затем загружают в стакан. На дне, стенках и на валу смесителя остается часть отслоившегося асфальтовяжущего смеси в количестве порядка 1,4-3,2% от массы смеси даже при самой тщательной очистке смесителя. Этот остаток снижает показатели стекания смеси, определенные в стеклянном стакане.

Показатели физико-механических свойств асфальтобетонных смесей закономерно меняются в зависимости от типа гранулометрии заполнителя в них. Так, показатели теплостойкости: прочность при 50оС наиболее высокая у асфальтобетонов с непрерывной гранулометрией типа А и типа Б и наиболее низкая у асфальтобетонов ЩМА-20, а асфальтобетоны с прерывистой гранулометрией типов А и Б имеют средние значения прочности при 50оС (табл. 2). По этому показателю асфальтобетоны с прерывистой гранулометрией типов А и Б не укладываются в требования ГОСТ 9128-2009.

Сдвигоустойчивость асфальтобетонов, характеризуемая коэффициентом внутреннего трения, наиболее высока у щебеночно-мастичных асфальтобетонов, несколько ниже у асфальтобетонов с прерывистой грану-

56

научно-технический и производственный журнал

январь 2012

/Л ®

а б

а Тра, оС б Тра, оС

С, мас. % С, мас. %

Рис. 3. Зависимость температуры растрескивания асфальтобетонов Тр без стабилизатора (а) и со стабилизатором Виатоп (б) от содержания вяжущего С в смеси с прерывистой (-) и непрерывной (----) гранулометрией заполнителя типа: 1 - Б; 2 - А; 3 - ЩМА-20

лометрией типов А и Б и наиболее низкая у асфальтобетонов с непрерывной гранулометрией типов А и Б (табл. 2). Тем не менее по этому показателю все исследованные асфальтобетоны укладываются в требования ГОСТ 9128-2009 и ГОСТ 31015-2002.

Другой показатель сдвигоустойчивости: сцепление при сдвиге имеет наиболее высокие значения у асфальтобетонов непрерывной гранулометрии и наиболее низкие у щебеночно-мастичных асфальтобетонов ЩМА-20 (табл. 2). По этому показателю ЩМА-20, как и все другие исследуемые составы асфальтобетонов, не укладываются в требования ГОСТ 9128-2009 и ГОСТ 310152002. Сцепление при сдвиге (Сл) согласно ГОСТ 12801 определяют по формуле:

1

(1)

где tgф - коэффициент внутреннего трения; Rc - прочность при сжатии при 50оС асфальтобетона. Из этого уравнения следует, что чем выше tgф, тем ниже сцепление при сдвиге и в принципе показатель при сдвиге Сл определяется значениями tgф и Rc, предельные значения которых оговорены в ГОСТ 9128-2009 и ГОСТ 31015-2002. Указанные предельные значения Сл также оговорены в этих стандартах, но они намного превышают пределы, которые определяются по формуле (1) при подставлении стандартных предельных значений tgф и Rc в эту формулу. Отсюда следует необходимость снижения предельного значения сцепления при сдвиге в указанных стандартах или исключения этого показателя из стандартов.

Из данных, представленных в табл. 2, следует, что все показатели свойств рассматриваемых асфальтобетонов, приготовленных по схеме II, значительно превышают показатели свойств асфальтобетонов, приготовленных по традиционной схеме I. Наряду с этим введение стабилизатора в асфальтобетонные смеси кроме улучшения показателей стабильности и одно-

родности повышает качество асфальтобетонов (табл. 2). Особенно это проявляется в повышении показателей трещиностойкости асфальтобетонов. Как следует из данных табл. 2 и графиков на рис. 3, в асфальтобетонах с прерывистой гранулометрией заполнителя температура растрескивания на 5-6оС ниже, чем у асфальтобетонов с непрерывной гранулометрией. Введение стабилизатора Виатоп в асфальтобетонные смеси приводит к дополнительному понижению температуры растрескивания на 6-8оС.

Ключевые слова: асфальтобетон, прерывистая гранулометрия, повышение качества.

Список литературы

1. Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтовый бетон. М.: МинКоммунхозиздат РСФСР, 1960. 402 с.

2. Кирюхин Г.Н. Проектирование состава асфальтобетона и методы его испытаний // Обз. инф. Автомобильные дороги и мосты. Вып. 6. М.: Информавтодор, 2005. 68 с.

3. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. 256 с.

4. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. Нижний Новгород: ННГАСУ, 2009. 66 с.

5. Методические рекомендации по устройству верхних слоев дорожных покрытий из щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА). М.: Согаздорнии, 2002. 37 с.

6. Печеный Б.Г., Данильян Е.А., Галдина В.Д. Влияние режимов приготовления асфальтобетонных смесей на свойства асфальтобетонов // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 36-39.

7. Печеный Б.Г., Курбатов В.Л., Данильян Е.А., Потемкин В.Г. Устройство для определения трещиностой-кости материалов в покрытиях // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 48-49.

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® январь 2012 57"