CC BY
98
УДК 691.16: 678.7
ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРАТНОЙ ИЗВЕСТИ-ПУШОНКИ КРАСНОЯРСКОГО ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЗАВОДА В СОСТАВАХ ДОРОЖНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
1 л 4
© Г.В. Василовская', В.А. Шевченко2, В.П. Киселев3
Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
Цель данной работы заключалась в изучении и использовании гидратной извести-пушонки Красноярского химико-металлургического завода в составах дорожного асфальтобетона. Приведены результаты исследований извести и местных минеральных заполнителей. Показано, что известь-пушонка оказывает активирующее воздействие на поверхность кислых минеральных заполнителей, что приводит к увеличению адгезии битума к этим материалам. Разработаны составы дорожного асфальтобетона, в которых известь-пушонка применялась для замены части минерального порошка и как активатор поверхности минеральных заполнителей. Проведены испытания полученных составов. Установлено, что по основным свойствам разработанные составы намного превосходят требования ГОСТ и свойства асфальтобетона без извести.
Ключевые слова: гидратная известь-пушонка; минеральные порошки; дорожный асфальтобетон; битум; адгезия; активатор поверхности.
APPLICATION OF HYDRATED POWDER LIME PRODUCED BY KRASNOYARSK CHEMICAL AND METALLURGICAL PLANT IN ROAD ASPHALT CONCRETE COMPOSITIONS G.V. Vasilovskaya, V.A. Shevchenko, V.P. Kiselev
Siberian Federal University,
79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The purpose of the paper is to study the use of hydrated powder lime produced by Krasnoyarsk chemical-metallurgical plant in the compositions of road asphalt concrete. Having studied lime and local mineral aggregates, the authors show that lime has an activating effect on the surface of acidic mineral fillers that increases bitumen adhesion to these materials. The compositions of road asphalt concrete using powdered lime as a replacer of the part of mineral powder and as an activator of mineral filler surface have been worked out. Performed tests of the obtained compounds have shown that according to the main properties developed compounds considerably surpass Standard requirements and properties of lime-free asphalt concrete.
Keywords: hydrated powder lime; mineral powders; road asphalt concrete; bitumen; adhesion; surface activator.
Известь - один из наиболее старых материалов, используемых человеком. Она была известна задолго до того, как были изобретены пластиковые панели, лакокрасочные покрытия. Первоначально известь применялась только для приготовления связующих растворов при строительстве зданий. Со временем область ее использования расширилась, и теперь известь и вещества на ее основе употребляются во многих отраслях промышленности, сельском хозяйстве и даже в охране окружающей среды. В настоящее время известь продолжает широко применяться в строительстве, так как является экологически чистым материалом. Современное дорожное строительство также немыслимо без использования извести.
Асфальтобетонные покрытия по сравнению с другими видами покрытий обладают рядом положительных свойств, к которым в первую очередь можно отнести прочность, устойчивость к воздействию климатических факторов и воды, гигиеничность, так как они не пылят и легко очищаются от пыли и грязи, имеют ровную поверхность, медленно изнашиваются.
Известь-пушонку начали использовать в дорожном строительстве в конце 50-х годов прошлого столетия. Испытания показали, что введение извести-пушонки приводит к ускорению приготовления асфальтобетона. Покрытия оказались более устойчивыми к воздействию воды и отрицательных температур. Они также были более устойчивы к возникновению
1 Василовская Галина Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных материалов и технологии строительства, тел.: 89039201424, e-mail: vasgv21n@mail.ru
Vasilovskaya Galina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Building Materials and Construction Technologies, tel.: 89039201424, e-mail: vasgv21n@mail.ru
2Шевченко Валентина Аркадьевна, кандидат технических наук, профессор кафедры строительных материалов и технологии строительства, тел.: 89135292928, e-mail: kafsmi/@tmail.ru
Shevchenko Valentina, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Building Materials and Construction Technologies, tel.: 89135292928, e-mail: kafsmi/@tmail.ru
3Киселев Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры химии, тел.: 89620721805, e-mail:Wkiselev001 @yandex.ru
Kisalev Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Chemistry, tel.: 89620721805, email:Wkiselev001 @yandex.ru
наплывов и пластических деформаций в летний период.
В данной работе исследовалась гидратная известь-пушонка Красноярского химико-металлургического завода. Цель исследования заключалась в использовании этой извести для замены части минерального порошка в составах асфальтового вяжущего для приготовления асфальтобетона и в применении ее в качестве активатора поверхности минеральных заполнителей.
Зерновой состав извести-пушонки приводится в табл. 1, а ее свойства в сравнении с требованиями ГОСТ [1] в табл. 2.
Результаты исследований извести-пушонки показали, что она очень мелкодисперсная и соответствует требованиям ГОСТ [1]. Исследовался минералогический состав извести-пушонки с использованием рент-генофазового и термического анализов. Рентгенофа-зовый анализ (РФА) выполнялся на дифрактометре Д8 AQVANCE в Cu-Kx излучении (фирма Bruker, Германия). Термический анализ проводился на приборе STA 449F1 (фирмы NETZSCH, Германия). Испытания показали, что основными минералами извести являются гидрооксид кальция Са(ОН)2 и карбонат кальция СаСО3, который образовался при карбонизации Са(ОН)2 углекислым газом воздуха. Такой химический
Зерновой состав
и гранулометрический составы извести-пушонки должны оказать существенное влияние на свойства асфальтового вяжущего и асфальтобетона.
В качестве минерального порошка в асфальтобетоне применяли известняковую муку этого же завода. Свойства известняковой муки в сравнении с требованиями ГОСТ Р [2] для порошков марки МП-1 приводятся в табл. 3.
Как видно из табл. 3, по физико-механическим свойствам известняковая мука отвечает требованиям ГОСТ. Для приготовления асфальтобетона использовался щебень Мазульсого карьера г. Ачинска, смешанный песок (природный + дробленый гранитный) и известняковый минеральный порошок. Гранитный песок был получен путем дробления гранитного щебня Громадского щебеночного завода. Такой выбор минеральных заполнителей объясняется тем, что асфальтобетон кроме щебня содержит также минеральный порошок и песок, которые играют существенную роль в обеспечении адгезии битума к минеральным компонентам битума. Следует учитывать, что на долю песка и минерального порошка приходится более 90% поверхности раздела между битумом и минеральной составляющей асфальтобетона. Поэтому необходимо было посмотреть влияние извести-пушонки на адгезию битума к кислому гранитному песку. Гранитный
Таблица 1
извести-пушонки
Размеры сит, мм Частные остатки, г Частные остатки, % Полные остатки, % Прошло через сито, %
2,5 0 0 0 100,00
1,25 0,33 0,33 0,33 99,67
0,63 6,49 6,49 6,82 93,18
0,315 9,10 9,10 15,92 84,08
0,16 16,96 16,96 32,88 67,12
0,071 18,57 18,57 51,45 48,55
0 48,55 48,55 100,00 0
Сумма 100,00 100,00
Таблица 2
Свойства извести-пушонки__
Наименование показателей Свойства Требования ГОСТ
Прошло сквозь сито № 02, % 98,55 98,5
Прошло сквозь сито № 008, % 85,62 85,0
Влажность, % 0,1 Не более 5
Таблица 3
Физико-механические свойства известняковой муки_
Наименование показателей Значения Требования ГОСТ
1. Пористость, % 17,0 Не более 35
2. Набухание образцов из смеси порошка с битумом, % 0,95 Не более 2,5
3. Влажность, % по массе 0,25 Не более 1,0
3 4. Истинная плотность, г\см 2,23 -
5. Средняя плотность, г\см 1,85 -
6. Битумоемкость, г 40,15 Не более 100
7. Суммарная удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Аэфф, Бк/кг 30 Не более 740
щебень не применялся в составах, так как необходимо было приблизить исследованные составы к реальным, используемым в дорожном строительстве. Дорожники г. Красноярска не используют щебень Громадского щебеночного завода из-за плохой адгезии битума к этому щебню.
Для приготовления асфальтобетона применялся нефтяной дорожный битум марки БНД 90/130 Ачинского НПЗ. Испытания проводились по методикам: ГОСТ [3, 4 и 5]. Испытательное оборудование, которое использовалось при проведении испытаний: пенетрометр электронный модели «ПН-1М», аппарат для определения температуры размягчения нефтебитумов модели «КИШ-88», дуктилометр модели «ДАБ-100».
Свойства битума в сравнении с требованиями ГОСТ [6] приводятся в табл. 4.
Исследование адгезии битума к минеральным материалам проводилось в два этапа. На первом этапе изучали адгезию битума марки БНД 90/130 к щебню, полученному из гранита «Громадский щебеночный завод». На втором этапе поверхность гранитного щебня обрабатывали 3% раствором известкового молока. Для закрепления пленки извести на поверхности, полученные заизвесткованные щебенки просушивали в термошкафу при температуре 105—110оС в течение 30 мин. Затем эти два типа щебенок обрабатывались битумом и кипятились в дистиллированной воде. Результаты испытаний приводятся в табл. 5.
Анализ результатов исследований показывает, что битум имеет неудовлетворительный показатель по адгезии к гранитному щебню. Активация поверхности кислого заполнителя известью-пушонкой приводит к увеличению сцепления битума и получению удовлетворительных результатов. Увеличение адгезии битума к поверхности кислого гранитного щебня, вероятно, связано с электростатическими взаимодействиями
отрицательно заряженных молекул асфальтогенных кислот битума с положительно заряженными адсорб-ционно-активными центрами, находящимися на поверхности извести-пушонки, которые, в свою очередь, связаны с поверхностью минерального материала. Известь-пушонка, по-видимому, выполняет роль, подобную катионным ПАВ, образуя на минеральной поверхности специфический адсорбционный слой, способствующий лучшему взаимодействию с битумом. На активной сильно развитой поверхности эффективнее протекают обменные реакции (хемосорбция), и битумные пленки обладают повышенной когезией в связи с изменением свойств битума в тонком слое. На интенсивность этого процесса влияет природа минерального материала. Зерна извести-пушонки более интенсивно взаимодействуют с поверхностью минеральных материалов кислого типа, чем основного типа. Также нужно отметить, что характерная для извести-пушонки весьма высокая дисперсность и, как следствие, сильно развитая поверхность способствует интенсивной адсорбции компонентов битума данной поверхностью. По этой причине наступает упрочнение тонкого слоя битума вблизи поверхности раздела фаз.
Для изучения влияния извести-пушонки на свойства асфальтовяжущего вещества готовились составы, содержащие 2, 5, 10, 15 и 20% извести от массы битума. Вяжущие готовились следующим образом: в выпаренный и нагретый до температуры 160оС битум вводили при непрерывном перемешивании высушенную до постоянной массы известь-пушонку. После введения необходимого количества извести смесь еще перемешивали 15-20 мин. Свойства вяжущих приводятся в табл. 6. Влияние извести-пушонки на глубину проникания иглы и растяжимость асфальтового вяжущего изучали при температурах 25 и 0оС.
Свойства битума
Таблица 4
Наименование показателей Свойства Требования ГОСТ
1. Температура размягчения по методу «Кольцо и шар», °С 49 Не ниже 43
2. Пенетрация, °П, при 25 °С 93 91-130
при 0 °С 16 Не более 28
3. Растяжимость, см, при 25 °С 65,5 Не ниже 65
при 0 °С 10,2 Не ниже 4,0
Таблица 5
Результаты испытаний адгезии битума к щебню
Вид щебеня Требования НД Визуальный показатель
Гранитный щебень Пленка битума полностью сохраняется, вода совершенно прозрачна Хороший
Щебень, активированный известью Пленка битума значительно отслаивается водой. Наблюдается обнажение крупных зерен (около 50%) и слабое помутнение воды из-за вымывания некоторой части мелких фракций Удовлетворительный
Щебень в естественном состоянии Пленка битума большей частью или полностью отслаивается водой. Наблюдается сильное посветление смеси с отдельными каплями свернувшегося и всплывшего на поверхность битума и сильное помутнение воды Неудовлетворительный
Таблица 6
Свойства асфальтовяжущих
Наименование показателей Количество извести, % мас.
2 5 10 15 20
1. Температура размягчения по методу «Кольцо и шар», 0С 49 49 50 53 55
2. Пенетрация, 0 П, при 25 0С 78 68 64 60 55
при 0 0С 15 12 10 7 5
3. Растяжимость, см, при 25 0С 30 29,3 18,5 15,3 10,8
при 0 0С 8,7 6,5 5,0 4,5 4,0
Из таблицы видно, что введение извести-пушонки в битум приводит к плавному увеличению температуры размягчения и снижению пенетрации и растяжимости. Причем наибольший эффект известь-пушонка оказывает на пенетрацию, т.е. с увеличением содержания извести вязкость вяжущего намного увеличивается, а это может привести к увеличению температуры и времени приготовления асфальтобетона. Поэтому для асфальтобетона необходимо рекомендовать составы асфальтовяжущего с умеренным содержанием извести-пушонки. Рекомендуемое нами содержание извести-пушонки в вяжущем составляет 10%.
Затем на выбранном асфальтовяжущем и на местных минеральных заполнителях были подобраны составы горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа А, который обычно применяется для верхнего слоя дорожного покрытия. Подбор составов асфальтобетонов проводился в соответствии с ГОСТ [7] по предельным кривым для плотных смесей. Количество битума определялось опытным путем с учетом получения наилучших показателей по прочности и водопоглощению. Сумма минеральной части асфальтобетона принималась за 100%, а количество битума - сверх 100% минеральной части асфальтобетона.
Приготовление асфальтобетонной смеси в лабораторных условиях производили 2-мя способам. По первой технологии известь-пушонка вводилась на поверхность минеральных заполнителей, по второй -известь вводилась в битум.
По первой технологии (состав № 2):
- щебень, песок, минеральный порошок и известь-пушонка были предварительно высушены, а битум обезвожен;
- щебень, песок, минеральный порошок и известь-пушонку отвешивали в емкость, нагревали (периодически перемешивая) до температуры 160-170°С и добавляли требуемое количество нагретого в отдельной емкости до температуры 140-150°С битума.
Время, необходимое для перемешивания, устанавливали опытным путем. Это время составляло 10-15 мин. Перемешивание считалось законченным, если все зерна минерального материала равномерно были покрыты битумом и в готовой смеси не было его отдельных сгустков.
По второй технологии (состав № 3):
- предварительно высушенную и нагретую до температуры 160-170°С известь-пушонку вводили при непрерывном перемешивании в горячий битум. Перемешивали в течение 15-20 мин;
- полученное асфальтовяжущее смешивали с нагретыми до температуры 160-170°С минеральными заполнителями (щебнем, песком, минеральным порошком).
Количество битума было установлено опытным путем по вышеприведенной методике и составляло 5,5% для составов № 1 и № 3 и 6% для состава № 2 сверх 100 % минеральной части асфальтобетона.
Из подобранных составов была изготовлена горячая асфальтобетонная смесь и отформованы образцы - цилиндры с размерами d = Л = 71,4 мм.
Формование образцов проводили в металлической форме с двумя вкладышами, нагретой до температуры 90-100°С. Образцы уплотнились на прессе при давлении 40 МПа в течение 3 мин.
Для сравнения показателей готовилась стандартная асфальтобетонная смесь без извести (состав № 1). Составы асфальтобетона приводятся ниже (% мас.):
Состав № 1:
Щебень - 59,1;
Песок (природный + дробленый) - 33;
Известняковая мука -7,9;
Битум (сверх 100%) - 5,5.
Состав № 2:
Щебень - 59,1;
Песок (природный + дробленый) - 33;
Известняковая мука - 7,9;
Известь-пушонка (сверх 100%) - 3;
Битум (сверх 100%) - 6,0.
Состав № 3:
Щебень - 59,1;
Песок (природный + дробленый) - 33;
Известняковая мука - 7,9;
Битум + 10% извести-пушонки (сверх 100%) - 5,5.
Полученные образцы испытывали на основные физико-механические показатели по методикам ГОСТ [8]. Свойства асфальтобетонов приводятся в табл. 7.
Как видно из табл. 7, введение гидратной извести-пушонки на поверхность минеральных заполнителей (состав № 2) приводит к повышению прочности при 20 и 50оС, водостойкости, трещиностойкости, снижению водопоглощения и набухания. Водо- и трещиностой-кость являются одними из главных критериев оценки
поведения асфальтобетонного покрытия в процессе
Таблица 7
_Свойства асфальтобетона_
Показатель Состав № 1 Состав № 2 Состав № 3 Требования ГОСТ 9128-2013
Предел прочности при сжатии при 20°С, Р20, МПа 2,5 3,3 2,9 Не менее 2,5
Предел прочности при сжатии при 50°С, Р50, МПа 1,1 1,3 1,2 Не менее 1,0
Предел прочности при сжатии при 0°С, Р0, МПа 6,15 5,3 5,95 Не более 11,0
Коэффициент водостойкости, Квод. 0,91 1,0 0,97 Не менее 0,9
Коэффициент длительной водостойкости, Квод.длит. 0,81 0,92 0,90 Не менее 0,85
Коэффициент теплостойкости, Р20^50 2,27 2,53 2,42 -
Коэффициент эластичности, Р20/Р0 0,41 0,62 0,49 -
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С, МПа 3,6 4,5 4,1 Не менее 3,5 Не более 6
Набухание под вакуумом, % 0,35 0,1 0,15 -
Набухание после длительного водонасыщения, % 0,56 0,17 0,25 -
Водопоглощение под вакуумом, % 2,8 1,7 1,8 1,5-4,0
Длительное водопоглощение, % 3,9 2,8 3,5 -
Остаточная пористость асфальтобетона, % 3,17 4,7 3,17 Свыше 2,5 до 5
Пористость минеральной части, % 14,1 14,2 14,1 От 14 до 19
его замораживания и оттаивания в зимне-весеннее время. Известь-пушонка, повышая прочность асфальтобетона при 50оС, обеспечивает его устойчивость к образованию колеи при летних положительных температурах. Прочность при 0оС меньше, а коэффициент эластичности больше у этого же состава по сравнению с составом без извести, что указывает на повышенную трещиностойкость асфальтобетона при отрицательных температурах. Также коэффициент теплостойкости, показывающий сдвигоустойчивость асфальтобетона при летних положительных температурах, т.е. устойчивость к образованию колеи, больше у состава № 2.
У состава № 3 показатели по прочности, водопо-глощению, набуханию и коэффициентам теплостойкости, водостойкости и эластичности немного ниже, чем
у состава № 2, но превосходят эти показатели для асфальтобетона, приготовленного без извести-пушонки.
На основании проведенных исследований установлено, что известь-пушонка положительно влияет на исследованные свойства асфальтобетона. Поэтому можно рекомендовать активацию поверхности минеральных заполнителей, а также замену части минерального порошка в асфальтовом вяжущем известью-пушонкой Красноярского химико-металлургического завода.
Разработанные составы асфальтобетона были предложены Красавтодору для внедрения в практику дорожного строительства.
Статья поступила 5.02.2015 г.
1. ГОСТ 9179-77 Известь строительная. Технические условия. М.: Изд-во стандартов. 2001. 9 с.
2. ГОСТ Р 52129-2003 Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия. М.: Изд-во стандартов. 2004. 36 с.
3. ГОСТ 11501-78 Битумы нефтяные. Метод определения глубины погружения иглы. М.: Изд-во стандартов. 1979. 8 с.
4. ГОСТ 11506-73 Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару. М.: Изд-во стандартов. 1974. 8 с.
5. ГОСТ 11505-75 Битумы нефтяные. Метод определения
ский список
растяжимости. М.: Изд-во стандартов. 1975. 8 с.
6. ГОСТ 22245-90 Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. М.: Изд-во стандартов. 1991. 9 с.
7. ГОСТ 9128-2013 Смеси асфальтобетонные, полимерас-фальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия. М.: Изд-во стандартов. 2014. 21 с.
8. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний, МНТКС, Москва, 1998. М.: Изд-во стандартов. 1999. 54 с.
