CC BY
9УДК 691.16:625.855.4
Ю.Г. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук, ГОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет (СевКавГТУ); В.В. ЛЫННИК, инженер (borisenko2005@yandex.ru), НОУ ВПО Северо-Кавказский гуманитарно-технический институт (СевКавГТИ); О.А. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук, ГОУ ВПО Северо-Кавказский государственный технический университет (СевКавГТУ) (Ставрополь)
Повышение качества легких битумоминеральных композиций путем совершенствования подбора минеральных составов
Одним из перспективных и актуальных направлений развития композиционных материалов на органических связующих является создание эффективных битумоми-неральных композиций на природных и искусственных легких пористых заполнителях (вулканическая пемза, вспученный перлит, вспученный вермикулит, керамзит и т. д.) [1—4]. Такие битумоминеральные композиции перспективно применять в дорожном, промышленном и гражданском строительстве в качестве конструкционных слоев дорожных и мостовых покрытий и др. Известные легкие битумоминеральные композиции наряду с положительными качествами, которые обусловливаются легким пористым заполнителем (невысокие плотность и масса, низкие коэффициенты теплопроводности и линейного температурного расширения, повышенные деформативность и демпфирующая способность, низкие модули упругости, неплохие гидроизоляционные качества), имеют и ряд серьезных отрицательных аспектов, препятствующих их широкому промышленному внедрению.
При использовании вулканических стекол и пемзы в качестве минерального заполнителя битумоминераль-ных смесей выявлены невысокие водостойкость и прочностные показатели, повышенная битумоемкость [1], что также присуще и битумоминеральным композициям на основе вспученных перлита и вермикулита [2, 3]. Битумоперлитовые композиции с течением времени становятся водо- и паропроницаемыми, что значительно снижает их долговечность. Они также обладают невысокой коррозионной стойкостью.
Наиболее эффективным, на взгляд авторов, легким пористым заполнителем для применения в битумоми-неральных композициях является керамзит. Согласно проведенным исследованиям [4] использование в качестве заполнителя дробленого керамзита значительно повышает физико-механические и деформативные свойства таких композиций. Однако существенным их недостатком является повышенная битумоемкость, которая обусловлена наличием большого количества открытых пор в дробленом материале [4].
С целью изучения влияния зернового состава, особенностей формы и поверхности дробленых и недробленых керамзитовых гранул на физико-механические и эксплуатационные характеристики легких битумомине-ральных композиций с заполнителем на основе керамзита был проведен ряд экспериментальных исследований.
Разработаны составы легких битумоминеральных композиций мелкозернистого состава типа Б и песчаного — типа Г (составы №№ 1, 2, 4, 5, таблица). В составах № 1 и 4 в качестве крупного заполнителя (соответственно фракции 20—5 мм и 5—2,5 мм) использовали недробленый керамзитовый гравий марки 600. Песчаные фракции — отсевы дробления керамзитового гравия, фракции менее 0,16 мм — неактивированный известняковый порошок. Минеральная часть составов № 2 и 5 — отсевы дробления керамзитового гравия фракций соответственно 20—0,16 и 5—0,16 мм, а фракции менее 0,16 мм — неактивированный минеральный порошок. Для сравнения были запроектированы составы — прототипы асфальтобетонных смесей зернового
№ состава Тип смеси Содержание битума, С, об. % Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Водонасыще-ние, % Набухание, % Коэффициенты водостойкости Показатели сдвиго-устойчивости Прочность при растяжении при расколе, МПа
^20 ^50 К квд tgф Сп, МПа
1 Мелкозернистая, тип Б 10 1530 10,6 6,4 3,06 3,8 0,4 0,94 0,9 0,96 0,41 4,36
2 10,5 1510 10,3 5,9 2,47 3,6 0,45 0,92 0,9 0,95 0,4 4,06
3 6 2310 7 4,7 2 2,9 0,5 0,92 0,9 0,94 0,4 3,05
Требования ГОСТ 9128-2009 Тип Б, I марка, IV, V дорожно-климатическая зона 5-6,5 - <13 >2,5 >1,3 1,5-4 - >0,85 >0,75 >0,83 >0,38 4-6,5
4 Песчаная,тип Г 10,4 1720 10,5 6,48 3,3 2,35 0,38 0,9 0,9 0,92 0,4 5, СО
5 11 1680 10,4 6,45 3,15 2,85 0,39 0,91 0,9 0,9 0,39 4,93
6 7,5 2250 8,9 5,3 3,1 3,1 0,4 0,93 0,91 0,89 0,38 3,55
Требования ГОСТ 9128-2009 Тип Г, I марка, IV, V дорожно-климатическая зона 6-9 - <13 >2,5 >1,6 1,5-4 - >0,85 >0,75 >0,82 >0,38 4-6,5
54
научно-технический и производственный журнал
август 2011
состава, тип Б и Г на плотном минеральном заполнителе (отсевах дробленого гранитного щебня) и на неактивированном известняковом порошке (составы № 3 и 6 соответственно). В качестве вяжущего применяли вязкий дорожный битум марки БНД 60/90. Отсевы дробления керамзита получали размолом керамзитового гравия в лабораторной шаровой мельнице и рассеиванием на фракции. Предварительно экспериментально было определено оптимальное количество битума для каждого состава.
Для оценки влияния зернового состава, особенностей поверхности, формы легкого пористого заполнителя на свойство предложенных легких битумоминераль-ных композиций определяли их физико-механические показатели, водостойкость, сдвигоустойчивость и тре-щиностойкость в соответствии с ГОСТ 12801—98. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.
Как известно, битумоминеральные композиции на легких пористых заполнителях имеют достаточно высокую битумоемкость, и снижение этого показателя для таких материалов является одной из актуальных проблем. В результате проведенных исследований выявлено, что снизить битумоемкость легких битумоминераль-ных смесей из отсевов дробления керамзита возможно за счет снижения открытой пористости дробленого заполнителя, т. е. включения в его состав фракций недробленого керамзитового гравия. Так, при включении недробленых гранул керамзита в мелкозернистую смесь типа Б (состав № 1) битумоемкость (в сравнении с составом № 2) снизилась на 4,8%, а для песчаной смеси типа Г (состав № 4) — на 5,5% (в сравнении с составом № 5).
Плотность (р) предложенных легких битумомине-ральных композиций при включении в их состав фракций керамзитового гравия незначительно повышается (на 1,3—2,4%). В среднем же плотность легких битумо-минеральных композиций примерно на треть ниже плотности асфальтобетонов на плотном заполнителе.
Прочностные показатели (прочность при сжатии при 0оС Я0 и прочность при сжатии при 20оС Л2о) и теплостойкость (прочность при сжатии при 50оС Л50) предложенных легких битумоминеральных композиций значительно превышают аналогичные показатели асфальтобетонов-прототипов. Наибольшей прочностью и теплостойкостью обладают композиции с заполнителем, включающим фракции керамзитового гравия (составы № 1 и 4). Более низкие прочность и теплостойкость композиций из отсевов дробления керамзита обусловливаются, по всей видимости, наличием микродефектов и микротрещин дробленого пористого заполнителя.
Водостойкость предложенных композиций оценивали по водонасыщению V, набуханию Н, коэффициентам водостойкости к^ и коэффициентам водостойкости при длительном водонасыщении Водонасыще-ние мелкозернистых легких битумоминеральных композиций соответствует требованиям ГОСТа и имеет наиболее низкое значение для композиции с заполнителем из отсевов дробления керамзита (состав № 2). Для песчаных составов наиболее низкое значение V, равное 2,35%, зафиксировано у легкой битумоминеральной композиции с заполнителем, включающим фракции керамзитового гравия (состав № 4). Показатели набухания Н имеют достаточно низкие значения для всех исследуемых смесей и сопоставимы. Коэффициенты к^ и
легких битумоминеральных композиций составляют в среднем 0,9—0,94 и не уступают аналогичным показателям асфальтобетонов-прототипов.
Определение характеристик сдвигоустойчивости — коэффициента внутреннего трения tgф и показателя сцепления Ся производили по двум схемам: при одноосном сжатии образцов и сжатии образцов специаль-
ным обжимным устройством по схеме Маршала (ГОСТ 12801—98). Установлено, что мелкозернистые легкие битумоминеральные композиции обладают повышенной сдвигоустойчивостью. Наиболее высокие показатели коэффициента внутреннего трения и сцепления зафиксированы у композиции с заполнителем, включающим фракции керамзитового гравия (для состава № 1 tgф равен 0,96, а Ся равен 0,41 МПа), что обеспечивается более высокой жесткостью минерального остова композиций. Для песчаных смесей сдвигоу-стойчивость характеризуется аналогичным образом, но показатели tgф и Ся незначительно ниже.
Трещиностойкость оценивали прочностью на растяжение при расколе Лр. Наиболее высокие значения показателей Лр зафиксированы у легких битумоминераль-ных композиций с заполнителем, включающим фракции керамзитового гравия. Максимальное значение показателя Лр, равное 5,23 МПа, соответствует композиции с зерновым составом песчаного типа Г (состав № 4).
Анализируя вышеизложенные результаты экспериментальных исследований легких битумоминеральных композиций, можно сделать выводы:
1. Введение в состав заполнителя легких битумомине-ральных смесей фракций керамзитового гравия позволяет снизить битумоемкость за счет низкой открытой пористости гранул керамзита, при этом наблюдается незначительный прирост плотности композиций.
2. Замена в легких битумоминеральных композициях фракций отсевов дробления керамзита (фракции 20 — 2,5 мм) на керамзитовый гравий повышает прочность и теплостойкость. Водостойкость таких композиций достаточно высока и сопоставима с водостойкостью асфальтобетонов-прототипов на плотном заполнителе.
3. Присутствие в составах легких битумоминеральных композиций фракций керамзитового гравия улучшает показатели сдвигоустойчивости и повышает показатели трещиностойкости, что, возможно, объясняется отсутствием у гранул керамзитового гравия многочисленных дефектов и микротрещин, которые возникают в дробленом пористом заполнителе в результате его размола.
4. Исходя из сравнения физико-механических и эксплуатационных показателей легких битумомине-ральных композиций и асфальтобетонов-прототипов на плотном заполнителе выявлено превосходство предложенных композиций по большей части исследуемых параметров, что свидетельствует об их повышенной эффективности и качестве.
Ключевые слова: легкие битумоминеральные композиции, керамзит, зерновой состав, битумоемкость, трещиностойкость, сдвигоустойчивость.
Список литературы
1. Рудь В.П. Строительные материалы из вулканических водосодержащих стекол // Строительные материалы. 1982. № 10. С. 18.
2. Шмелева Л.А. Физико-химические превращения в битумоперлите и битуме в условиях эксплуатации // Строительные материалы. 1984. № 4. С. 23.
3. Агейкин В. Н., Свинтицких Л.Е., Шабанова Т.Н., Клюсов А.А. Исследования влияния вспученного вер-микулитового песка на свойства битумных композиций и асфальтобетона // Строительные материалы. 2003. № 7. С. 40-42.
4. Борисенко Ю.Г., Борисенко О.А. Особенности структуры легких асфальтобетонов // Строительные материалы. 2007. № 10. С. 64-65.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
август 2011
55
