CC BY
21УДК 625.814
М.А. ВЫСОЦКАЯ1, канд. техн. наук, Д.К. КУЗНЕЦОВ1, канд. техн. наук; Д.Е. БАРАБАШ2, д-р техн. наук
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, Белгород, ул. Костюкова, 46)
2 Военно-учебный научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия» (394064, Воронеж, ул. Старых большевиков, 54а)
Особенности структурообразования битумо-минеральных композиций с применением пористого сырья
Предложены критерии выбора пористых минеральных порошков для асфальтовяжущих. Рассмотрены геометрические характеристики и топология поверхности минеральных порошков различного состава. Выявлено определяющее влияние пористости минеральных порошков на их структурирующую способность в отношении битума. Определены физико-механические характеристики асфальтовяжущих, содержащих минеральные порошки различного состава. Показана взаимосвязь пористости порошков и вероятности образования адсорбционно-сольватных оболочек на границе раздела битум - пористый наполнитель. Доказана эффективность использования пористых минеральных порошков с высоким содержанием кислотных центров для создания плотных структур асфальтобетонов.
Ключевые слова: пористый порошок, удельная поверхность, кислотные центры, адсорбционно-сольватные оболочки.
M.A. VYSOTSKAYA1, Candidate of Technical Sciences, D.K. KUZNETSOV1, Candidate of Technical Sciences; D.E. BARABASH2, Doctor of Technical Sciences
1 The V.G. Shukhov Belgorod State Technological University (46 Kostyukova str., 308012 Belgorod, Russian Federation)
2 Air Force Military Educational and Scientific Center "Air Force Academy" (54a Starykh Bolshevikov str., Voronezh, 394064, Russian Federation)
Peculiarities of Structure Formation of Bitumen-Mineral Compositions with the Use of Porous Raw Materials
Criteria of selecting porous mineral powders for asphalt binders are proposed. Geometrical characteristics and topology of surfaces of mineral powders of different compositions are considered. The decisive influence of the porosity of mineral powders on their structuring capacity in respect of bitumen is revealed. Physical-mechanical characteristics of asphalt binders containing mineral powders of different compositions are defined. Interconnection of powder porosity and possibility of generation of adsorption-solvate shells on the boundary of bitumen--porous is shown. The efficiency of using porous mineral powders with a high content of acid sites for generating dense structures of asphalt concretes is proved. Keywords: porous powder, specific surface, acid sites, adsorption-solvate shells.
Важнейшим компонентом асфальтобетона, во многом определяющим его физико-механические характеристики, является минеральный порошок, который совместно с битумом образует структурированную дисперсную систему — асфальтовое вяжущее вещество (АВВ) в композите.
С развитием строительной отрасли и с возрастающей потребностью в эффективных наполнителях все большую популярность приобретают пористые дисперсные материалы. Востребованность указанных материалов объясняется совокупностью их уникальных свойств, в том числе высокими значениями удельной поверхности и пористости, а также практически неограниченными возможностями вариации их характеристик путем подбора условий обработки сырья или его модификации [1, 2].
Коме того, в условиях значительного роста объемов техногенных отходов и возрастающего спроса на дорожно-строительные материалы исследование новых видов минеральных порошков приобретает все большую актуальность, поскольку специфические свойства этих материалов могут обеспечить качественное изменение характеристик органоминеральных композитов за счет образования устойчивых связей на границе раздела фаз битум — минеральный материал [2, 3].
Выявление особенности структурообразования асфальтобетонов оценивали на примере использования порошков — различных видов техногенных отходов — керамзита, перлита, цеолита [2, 3]. Указанные порошки отличаются от традиционного сырья повышенной пористостью.
Например, пористость порошков перлита и керамзита составляет 39%, цеолита — 55% в сравнении с известняковым порошком, для которого этот показатель не выше 28%.
Пористость напрямую связана с удельной поверхностью, причем ее величина колеблется в зависимости от
метода определения. Сорбционный метод определения удельной поверхности выявил значительные различия величины указанной характеристики (СОРБИ-М) в сравнении с методом использования ПСХ-2. Причем удельная поверхность наполнителей из цеолита и перлита более чем в два раза превышала этот показатель для известняка (рис. 1). Очевидно, что при совмещении исследуемых порошков с жидкой битумной составляющей именно сорбционная активность будет определяющей.
Для получения более полной характеристики исследуемых наполнителей с помощью электронного растрового микроскопа были получены фотографии поверхности, позволяющие оценить различия в формах частиц, характере сколов и поверхности (рис. 2).
Из анализа микрофотографий следует, что геометрия поверхности частиц известняка и керамзита практически идентична, в то время как поверхности частиц
900 800 700
I 600
X
8 500
0 с
1 400 I 300
200 100
Известняк
Цеолит Керамзит
Наполнитель
Перлит
Рис. 1. Удельная поверхность исследуемых наполнителей: 1 - СОРБИ-М; 2 - ПСХ-2
научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 68 январь/февраль 2014 ~ Л1] ®
Рис. 2. Поверхность частиц исследуемых наполнителей: а - известняка; б - керамзита; в - перлита; г - цеолита
перлита и цеолита кардинально различаются. Перлит представляет собой ярко выраженные чешуйки с большим объемом пустот между ними, в то время как частицы цеолита представляют собой разветвленную структуру, в которой на поверхности крупных частиц находятся более мелкие, создающие некоторую «опу-шенность». Подобная топология поверхности свидетельствует о высоком структурирующем потенциале частиц.
Следует отметить, что интенсивность формирования и качество образующейся структуры зависят не только от структурирующей способности наполнителя, но и от его количества.
Установлено, что структурирующее влияние известняка проявляется при 35 мас. % его содержании, а у наполнителей из перлита и цеолита — при 30 и 25 мас. % соответственно. Кроме того, выявлено, что температура размягчения битумных систем, наполненных минеральными порошками в структурообразующих концентрациях, понижается с уменьшением пористости наполнителей, что графически представлено на рис. 3.
Указанное обстоятельство дает основание предполагать, что использование в технологии приготовления асфальтобетонных смесей цеолитсодержащих порошков позволит повысить прочностные показатели при летних значениях температуры и уменьшить вероятность возникновения пластических деформаций асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Наряду с термостойкостью одним из основных критериев, позволяющих прогнозировать работоспособность асфальтобетонного композита, является сцепление битума с минеральными порошками. Оценку указанной характеристики производили по способности наполнителей к адсорбции-десорбции битума из бензольных растворов.
Было установлено, что наиболее высокой адсорбционной активностью обладает цеолит, поскольку при концентрации битума 9 г/л в бензольном растворе величина его адсорбции поверхностью цеолитового порошка составила 8,31 • 10-2 кгбит/кгпор, а поверхностью порошков из известняка и керамзита — 3,9640-2 и 2,9Ы0-2 кгбит/кгпор соответственно.
В результате исследования десорбции битума установлено, что определенная его часть отслаивается с поверхности частиц порошков. Это свидетельствует о том, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности наполнителей состоит из прочно, химически, и обратимо, физически, связанного битума. Доля битума, оставшегося на поверхности частиц различных порошков, в определенной степени зависит от величины удельной поверхности. Так, после десорбции на поверхности цеолита осталось 6,25^ 10-2 кгбит/кгпор, а на поверхности известняка и керамзита 2,4840-2 и 1,9Ы0-2 кгбит/кгпор соответственно.
Вместе с тем высокая структурирующая и адсорбционная способность исследуемых порошков связана не только с их пористостью, но и с активностью поверхно-
сти [1, 2]. Характер распределения центров адсорбции на поверхности исследуемых наполнителей существенно разнится. Наибольшее содержание кислотных центров Льюиса и Бренстеда выявлено у цеолита и керамзита [4]. Полученные нами экспериментальные данные по распределению центров адсорбции представлены в табл. 1.
Суммарное содержание кислотных центров отвечает за реакционную способность наполнителей по отношению к битуму [4]. В системе наполнитель — вяжущее образуются ковалентные связи с ароматическими соединениями битума, которые способствуют увеличению его сцепления с минеральной подложкой, что и подтверждают данные, полученные при исследовании адсорбции-десорбции битума поверхностью минеральных порошков.
Для предварительной оценки эффективности использования пористых минеральных порошков и прогнозирования свойств дорожных композитов на их основе были проведены исследования асфальтовяжу-щего вещества (АВВ). Микроструктурные особенности образцов изучали при помощи растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии.
На основании анализа микрофотоснимков структуры и оценки шероховатости поверхности образцов асфальтовяжущего, содержащего различные порошки, было установлено, что система битум — цеолит характеризуется плотной шероховатой матрицей, тогда как для образцов, содержащих порошки известняка и керамзита, характерна более рыхлая и дефектная структура.
Исследование микрорельефа поверхности асфальто-вяжущего при помощи сканирующего зондового микроскопа NanoEducator показало, что асфальтовяжу-щее, содержащее цеолитовый порошок, имеет степень шероховатости поверхности 14 мкм, а с наполнением известняком — 10 мкм.
Очевидно, что коэффициент внутреннего трения системы, наполненной цеолитсодержащим порошком, будет максимальным в сравнении с рассматриваемыми наполнителями, что должно положительно отразиться на физико-механических показателях асфальтобетона на его основе, особенно при высокой температуре.
Действующая в настоящее время нормативная документация, регламентирующая требования к минеральным порошкам для органоминеральных смесей, нормирует лишь два показателя качества, относящиеся к физико-механическим свойствам асфальтового вяжущего — водостойкость и набухание образцов. Учитывая существенную роль АВВ в формировании структуры асфальтобетона, определенный интерес на стадии подбора состава композита представляет установление влияния на указанные свойства используемого минерального порошка.
Для этой цели после подбора рационального состава АВВ, содержащего исследуемые минеральные порош-
научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Наполнитель Количество центров q103, мг-экв/г
Основания по Льюису Кислоты по Бренстеду Основания по Бренстеду Кислоты по Льюису
Цеолит 2,314 11,079 4,298 4,681 22,372
Керамзит 0,153 9,37 9,022 1,137 19,682
Известняк 0,234 5,818 3,911 4,619 14,582
Таблица 2
Наименование показателя Величина показателя для наполнителя
Цеолит Перлит Керамзит Известняк
Предел прочности при сжатии, МПа, при: 0оС 5,1 6,4 6,6 6,2
20оС 3,9 4,9 4,2 4
50оС 3,7 3,6 3,6 3,4
Водостойкость 0,92 0,89 0,9 0,9
ки, по стандартной методике были изготовлены серии образцов, на которых определяли значения физико-механических характеристик. Некоторые результаты проведенных исследований представлены в табл. 2.
Как видно, генезис применяемого минерального порошка оказывает непосредственное влияние на прочностные характеристики асфальтовых вяжущих, поскольку полученные результаты явились подтверждением существующих теорий [5, 6].
Высокие значения прочности АВВ достигаются при использовании порошков из перлита и цеолита. Более того, эти же наполнители характеризуются наибольшими истинными удельными поверхностями. Подобное обстоятельство позволяет предположить, что применение правильно подобранных пористых минеральных порошков обеспечит эффективную работу асфальтобетонных покрытий в более широком температурном диапазоне.
В связи с этим определение прочностных показателей при 0 и 50оС обусловливает объективную оценку влияния рассматриваемых наполнителей на свойства АВВ. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о стабильности прочностных показателей асфальтовяжущего при использовании цеолито-вого порошка, поскольку снижение его прочности в пределах эксперимента составило 27%, в то время как для АВВ, содержащего порошки перлита, керамзита и известняка, прочность снизилась на 43, 45 и 46% соответственно.
Следует отметить, что при высокотемпературных испытаниях образцов АВВ наибольшую прочность показали составы с цеолитовым наполнителем.
80
70 -
60 -
50 -
40
Цеолит
Перлит
Керамзит
Известняк
Снижение пористости
Рис. 3. Температура размягчения систем битум-наполнитель
Для пористых наполнителей весьма актуальным является вопрос водостойкости, в связи с этим для образцов АВВ с различными порошками определяли указанную характеристику по стандартным методикам.
Максимальная величина водостойкости — 0,92 получена для образцов на цеолитовом наполнителе; для образцов, содержащих перлитовый порошок, водостойкость составила 0,89; у керамзита и известняка величина указанного показателя 0,9.
Обобщение полученных данных позволяет утверждать, что порошки из перлита, и в особенности цеолита, оказывают позитивное влияние на эксплуатационные свойства АВВ. Стабильное сохранение прочности композита при высокой температуре и обеспечение трещиностойкости при низкой, наиболее выраженное при использовании цеолитсодержащего порошка, свидетельствуют о высокоэффективном структурировании битума.
Следует отметить, что перечень исследованных свойств характеризует только качественные показатели АВВ. Наиболее достоверная оценка эксплуатационной надежности разрабатываемых рецептур асфальтобетона возможна лишь при проведении испытаний, максимально полно отражающих особенности эксплуатации дорожных покрытий.
Дорожная одежда, как и большинство строительных материалов, в реальных условиях эксплуатации фактически никогда не работает на одноосное сжатие. Гораздо чаще в покрытии возникают изгибающие моменты, обусловливающие работу слоя материала на растяжение или сжатие при изгибе. Способность сопротивляться подобным нагрузкам — залог эффективной работы покрытия в процессе эксплуатации. Тем не менее в настоящее время нормативная документация не предъявляет существенных требований к деформативным показателям АВВ, хотя согласно современным представлениям [7] установлена важность оценки деформационных характеристик как асфальтовяжущего вещества, так и асфальтобетона.
В связи с этим дополнительно, для оценки влияния исследуемых наполнителей на упругопластические свойства АВВ были проведены динамические испытания по методике [8], заключающиеся в установлении величины предельной деформации в момент разрушения и динамического модуля упругости образцов-балочек размером 40x40x160 мм. Испытания проводили при показателях температуры 0, 20 и 50оС.
Усредненные результаты испытаний образцов приведены в табл. 3.
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 70 январь/февраль 2014
Materials for road construction
Таблица 3
Показатель Вид наполнителя
Известняк Керамзит Перлит Цеолит
Температура испытания образцов, оС
0 20 50 0 20 50 0 20 50 0 20 50
Предельная деформация в момент разрушения е, см 0,36 разрушены в момент нагружения 0,38 разрушены в момент нагружения 0,51 0,54 0,62 0,49 0,61 0,67
Динамический модуль упругости Е, МПа 1,53 2,05 2,31 2,35 2,47 2,28 2,34 2,5
Необходимо отметить, что из-за специфики определения деформационных показателей не все образцы-балочки из асфальтовяжущего позволили зарегистрировать предельную деформацию и динамический модуль упругости. Например, образцы, содержащие порошки известняка и керамзита, при 20 и 50оС разрушились до возникновения регистрируемой деформации на испытательном стенде. В то же время образцы с цеолитовым и перлитовым наполнителями оказались работоспособными во всем диапазоне принятых для испытания значений температуры.
Указанное свидетельствует о том, что сформировавшиеся адсорбционно-сольватные оболочки на границе раздела битум — пористый наполнитель сохраняют свою эластичность в широком диапазоне температуры. В связи с этим есть основание предполагать, что размер пор минеральных порошков таков, что не происходит деления битума на фракции с обогащением поверхности наполнителя асфальтенами. Весьма высока вероятность частичной фильтрации мальтеновой составляющей битума по порам и капиллярам порошка с последующим возникновением демпфирующего эффекта и обратной миграции летучих компонентов битума.
Список литературы
1. Салл М., Ткаченко Г.А. Введение пористого компонента в мелкозернистые дорожные бетоны // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 29—31.
2. Борисенко Ю.Г., Борисенко О.А. Использование керамзитовой пыли в составе легких асфальтобетонов // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 47—49.
3. Борисенко Ю.Г., Солдатов А.А., Яшин С.О. Битумно-минеральные композиции, модифицированные высокодисперсными отсевами дробления керамзита // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 62-63.
4. Танабе К. Твердые кислоты и основания. М.: Мир, 1973. 183 с.
5. Железко Т.В., Железко Е.П. Структура и свойства асфальтовяжущих // Известия вузов. Строительство. 1997. № 3. С. 35-42.
6. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа, 1969. 399 с.
7. Руденский А.В., Галкин А.С. Исследование дефор-мативных свойств асфальтовых вяжущих // Дороги и мосты. 2008. № 20/2. С. 262-272.
8. Руденский А.В. Современный метод проектирования состава асфальтобетона по асфальтовому вяжущему // Дороги и мосты. 2009. № 21/1. С. 201-207.
Все это обусловливает способность АВВ, содержащего цеолитовые или перлитовые порошки, к достаточно высоким деформациям, что в итоге обеспечит эффективную работу конечного композита — асфальтобетона.
Полученные результаты можно объяснить высокой активностью удельной поверхности пористых порошков, контактирующей с битумом, а также образованием на границе раздела эластичных адсорбционно-сольват-ных оболочек битума. Кроме того, установлено, что увеличение пористости коррелирует с динамикой изменения прочностных показателей асфальтовяжущего при 0 и 50оС.
Совокупный анализ экспериментальных данных позволяет сделать заключение о перспективности использования порошков цеолита и перлита в качестве наполнителей эффективных асфальтовяжущих.
В силу того, что микроструктура и свойства асфальтовяжущих непосредственно связаны между собой, полученные закономерности изменения их свойств от вида применяемых минеральных порошков обеспечат проектирование рациональных рецептур асфальтобетонов.
Представленные исследования выполнены в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012—2016 гг.
References
1. Sail M., Tkachenko G.A. Introduction of a porous component in fine-grained road concrete. Stroitel'nye Materialy [ConstructionMaterials]. 2009. No. 2. Pp. 29—31 (in Russian).
2. Borisenko Ju.G., Borisenko O.A. Use of a ceramsite dust as a part of light asphalt concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 9. Pp. 46-49 (in Russian).
3. Borisenko Ju.G., Soldatov A.A., Jashin S.O. The bituminous and mineral compositions modified by high-disperse eliminations of crushing of expanded clay. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 1. Pp. 62-63 (in Russian).
4. Tanabe K. Tverdye kisloty i osnovanija [Firm acids and bases]. M.: Mir. 1973. 183 p. (in Russian).
5. Zhelezko T.V., Zhelezko E.P. Structure and properties of the asphalt knitting. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. 1997. No. 3. Pp. 35-42 (in Russian).
6. Ryb'ev I.A. Asfal'tovye betony [Asphalt concrete]. M.: Vysshaja shkola. 1969. 399 p. (in Russian).
7. Rudenskij A.V., Galkin A.S. Research of deformation properties of the asphalt knitting. Dorogi i mosty. 2008. No. 20/2. Pp. 262-272 (in Russian).
8. Rudenskij A.V. Modern method of design of composition of asphalt concrete on the asphalt knitting. Dorogi i mosty. 2009. No. 21/1. Pр. 201-207 (in Russian).
научно-технический и производственный журнал
