Расчетно-экспериментальная оценка битумоемкости минеральных материалов для приготовления асфальтобетонных смесей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.168

Э.В. КОТЛЯРСКИЙ, канд. техн. наук, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ); А.М. ГРИДЧИН, д-р техн. наук, Белгородский государственный университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)

Расчетно-экспериментальная оценка битумоемкости минеральных материалов для приготовления асфальтобетонных смесей

Традиционная методика определения оптимального количества битума в асфальтобетонных смесях предполагает изготовление не менее трех пробных замесов с различным количеством вяжущего и определение для каждого состава всех нормируемых показателей физико-механических свойств уплотненного асфальтобетона.

Методика расчета определения оптимального содержания битума в битумоминеральных материалах по «битумоемкости» [1, 2] существенно сокращает время получения результата, близкого к оптимальному значению, практически исключает экспериментальную часть подбора составов асфальтобетонных смесей, позволяет оперативно корректировать составы смесей на предприятиях дорожно-строительной индустрии в процессе приготовления асфальтобетонов на основе материалов из различных сырьевых источников. Она неплохо зарекомендовала себя в производственных условиях и при проведении научно-исследовательских работ [3].

Было установлено, что расчеты, производимые по этой методике, в ряде случаев приводят к заниженным результатам. При дальнейшей экспериментальной проверке эти составы обычно обладают более высокими пористостью и водопоглощением, чем составы, подобранные экспериментально по стандартной методике пробным замесом.

Эксперименты, проведенные авторами в БГТУ им. В.Г. Шухова и в МАДИ, позволили установить, что основной причиной этого несоответствия является то, что, определение битумоемкости фракций различных по природе и генезису минеральных материалов, проводили с различными каменными материалами, используемыми для приготовления асфальтобетонных смесей, с размерами частиц 0,071—20 мм. [3].

Тонкодисперсный наполнитель (минеральный порошок), формирующий микроструктуру асфальтобетона, имеет частицы величиной до 1 мкм и менее. У этих

1

частиц самая развитая поверхность, обеспечивающая в асфальтобетоне физико-химическое взаимодействие с органическими вяжущими материалами.

Расчетное сравнение значений удельной поверхности минеральной части различных типов асфальтобетонных смесей, полученных по методике, показали, что при прочих равных условиях относительная доля поверхности минерального порошка (от общей удельной поверхности минеральных частиц) при учете дисперсности частиц мельче 71 мкм возрастает с 80—85% до 95—98%.

Проведению таких расчетов препятствует отсутствие сведений о битумоемкости тонкодисперсных частиц размером 1—71 мкм для различных минеральных материалов. Получить их экспериментальным путем не представляется возможным из-за отсутствия надежных методик, специальных приборов и оборудования.

Авторами было решено воспользоваться статистическими методами математического прогнозирования. В качестве исходной информации использовали значения битумоемкости, экспериментально полученные И.В. Королевым [1, 2] и А.М. Гридчиным [3].

При помощи корреляционного и регрессионного анализа построенных различных математических моделей на ЭВМ находили наиболее точное и адекватное аналитическое описание этой зависимости. Выражения, имеющие коэффициент корреляции менее 0,7, при дальнейшем анализе не рассматривали. Для различных каменных материалов были опробованы и проанализированы линейные, логарифмические, экспоненциальные, степенные, многочленные и более сложные математические модели.

В полулогарифмических координатах на ЭВМ для каждого материала были построены регрессионные модели, связывающие размеры минеральных частиц и показатели битумоемкости.

Анализ результатов расчетов позволил установить,что наименее точные результаты получаются при использо-

4

Г

0,9

к 0,8 ^

о>

о.

&0,7

¡5 0,6

4 0,5

05

£ 0,4 0,3

№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5 № 6 № 7 № 8 № 9 № 10 № 11 № 12 № 13 № 14 № 15

Материал

Рис. 1. Коэффициенты множественной корреляции регрессионных моделей, полученные для различпых материалов: 1 - степенная; 2 - логарифмическая; 3 - экспоненциальная; 4 - линейная

1

к

научно-технический и производственный журнал Q'ffDMT^iJbHbJ'

февраль 2011

Таблица 1

Регрессионная модель № 1 № 2 № 3 № 4 № 5 № 6 № 7 № 8 № 9 № 10 № 11 № 12 № 13 № 14 № 15

Плотный известняк М-1000 Гранит М-1200 Диорит М-1200 Песчаник М-600 Известняк-ракушечник М-400 Кварцевый песок Доломитовая пыль обожженная Металлургический шлак М-1000 Металлургический шлак основной с продуктами силикатного распада М-600 Сталеплавильный шлак кислый М-1000 Диорит М Малорудный кварцит Кристаллические сланцы Гравиеподобный Известняковый

Степенная 0,969 0,953 0,985 0,864 0,856 0,843 0,877 0,779 0,987 0,955 0,931 0,933 0,858 0,954 0,931

Логарифмическая 0,956 0,915 0,995 0,797 0,831 0,729 0,75 0,726 0,987 0,848 0,829 0,801 0,74 0,83 0,761

Экспоненциальная 0,629 0,575 0,755 0,449 0,704 0,448 0,552 0,464 0,757 0,574 0,739 0,592 0,399 0,643 0,592

Линейная 0,52 0,489 0,63 0,351 0,497 0,332 0,358 0,399 0,632 0,395 0,455 0,359 0,278 0,4 0,342

вании линейной и логарифмической зависимостей, наиболее точные — у многочленов 4-го и более высоких порядков. Степенная зависимость позволила получить для разных материалов различной природы, минералогии и петрографии в широком диапазоне дисперсности минеральных частиц, коэффициент корреляции 0,27—0,99.

При этом учитывалась и вероятная метрологическая погрешность опытов, проведенных И.В. Королевым [2, 3] и А.М. Гридчиным.

Полученные коэффициенты множественной корреляции регрессионных моделей для различных материалов и приведенные в табл.1 и на рис.1 показывают, что зависимость, наиболее точно и адекватно описывающая

изменение битумоемкости различных материалов, имеет общий вид:

Б; = Ь,^1 , (1)

где: Б; — битумоемкость фракции; d — размер частиц материала, мм; Ь0 и Ь1 — коэффициенты регрессии.

Коэффициент множественной корреляции для различных каменных материалов составил 0,86—0,98.

В табл. 2 и на рис. 2 приведены результаты расчетного определения битумоемкости с прогнозом значений для тонкодисперсных частиц.

Установлено, что материалы, полученные из изверженных горных пород и техногенных отходов, имеющих

Таблица 2

Размеры частиц, мм Наименование материала

Плотный известняк М-1000 (№ 1) Гранит М-1200 (№ 2) Диорит М-1200 (№ 3) Песчаник М-600 (№ 4) Известняк-ракушечник М-400 (№ 5)

25 2,2 4,02 2,96 3,39 2,95

15 2,5 4,23 3,26 3,64 2,5 3,21

10 2,9 2,7 4,5 4,41 3,3 3,51 4 3,84 3,9 3,43

5 3 3,2 4,7 4,73 4 4 4,5 4,22 4,6 3,85

2,5 3,2 3,7 5,2 5,08 4,5 4,55 4,8 4,64 4,9 4,32

1,25 4,6 4,3 5,6 5,45 5,6 5,18 5 5,09 4,9 4,85

0,63 5,3 5 5,7 5,84 5,9 5,88 5,2 5,59 5 5,43

0,315 6 5,8 5,9 6,27 7 6,69 5,4 6,14 5,4 6,1

0,14 7 6,9 6,4 6,81 7,9 7,78 5,8 6,85 6,2 6,98

0,071 7,3 8,7 7,4 7,3 8,7 8,83 8,5 7,51 7,7 7,81

0,036 9,4 9,2 8,4 7,8 9,5 10 9,3 8,2 10,1 8,7

0,018 10,7 8,4 11,4 9,1 9,8

0,009 12,5 9 13 9,9 11

0,005 14,2 9,6 14,5 10,8 12,2

0,002 17,3 10,5 17,2 12,2 14,2

0,001 20,1 11,3 19,5 13,4 15,9

0,001 23,3 12,1 22,2 14,7 17,8

февраль 2011

41

Продолжение табл. 2

Размеры частиц, мм Наименование материала

Кварцевый песок № 6 Доломитовая пыль обожженная № 7 Металлургический шлак М-1000 № 8 Металлургический шлак основной с продуктами силикатного распада М-600 № 9 Сталеплавильный шлак кислый М-1000 № 10

25 4,6 4,6

15 5,1 5,1

10 2,9 11,9 4 4,2 5,6 5,5 5,6 5,5

5 3,6 12,9 4,8 4,7 6,1 6,2 6,1 6,2

2,5 2,9 4,4 14,1 5,4 5,3 7,2 7 7,2 7

1,25 4,3 5,5 13,5 15,3 6,2 5,9 7,8 7,9 7,8 7,9

0,63 4,5 6,8 14,3 16,6 6,8 6,6 9,3 9 9,3 9

0,315 4,5 8,5 15,2 18 7,5 7,4 10,5 10,2 10,5 10,2

0,14 5,4 11 15,6 19,8 8,1 8,4 11,2 11,8 11,2 11,8

0,071 8,1 13,6 16 21,5 9 9,3 12 13,3 12 13,3

0,036 14 16,8 22,5 23,3 10,4 10,4 13,5 15,1 13,5 15,1

0,018 20,9 25,4 11,6 20,5 17,1 20,5 17,1

0,009 26 27,6 12,9 19,3 19,3

0,005 31,3 29,6 14,2 21,5 21,5

0,002 41,8 33 16,4 25,3 25,3

0,001 52 35,8 18,3 28,7 28,7

<0,001 64,7 38,9 20,4 32,5, 32,5

более высокую плотность и прочность (диорит М-1200, плотный известняк М-1000, металлургические шлаки М-600-1000), гранит М-1200, имеют коэффициент корреляции не менее 0,95.

Материалы осадочного происхождения с пористой структурой показали корреляцию 0,85—0,88. Из опыта применения в асфальтобетонных смесях, эти материалы проявляют с битумом хорошие адгезионные свойства.

По полученным математическим выражениям расчетным путем был произведен прогноз битумоемкости различных материалов, применяемых в асфальтобетоне в качестве тонкодисперсных заполнителей, для частиц размером от 1 мкм до 40 мм.

При сравнении расчетных и экспериментальных значений битумоемкости для различных материалов наибольшие абсолютные и относительные отклонения наблюдаются для частиц менее 0,071 мм. Это объясняется тем, что И.В. Королев не дифференцировал значения показателя битумоемкости для более мелких частиц и экспериментально найденные им значения являются интегральной характеристикой для всего высокодисперсного диапазона таких частиц.

В последние годы появилось много алгоритмов и программ, позволяющих с использованием ЭВМ быстро и надежно производить проектирование зернового состава асфальтобетонных смесей.

Тонкость помола минерального порошка существенно влияет на физико-механические свойства асфальтобетонных смесей. В разные годы установлено, что минеральный порошок выполняет в асфальтобетоне три основные функции:

1. Является тонкодисперсным наполнителем [2], заполняющим микропустоты и повышающим плотность минерального остова асфальтобетона.

2. В силу развитой поверхности (90—98% от общей поверхности минеральных частиц, входящих в состав асфальтобетона) порошок, образуя асфальтовяжу-

щее вещество, способствует формированию структурированной дисперсной системы [4, 5, 6]. 3. Высокодисперсные минеральные частицы высокодисперсного наполнителя, взаимодействуя по прослойкам, переводят асфальтобетон в структурированное состояние —из «объемного — в пленочное» [6, 7]. Дисперсность минерального порошка характеризуется его зерновым составом или удельной поверхностью.

Гранулометрический состав порошка определяется ситовым или седиментационным методом. Первый прост в реализации и включен в большинство нормативных документов. Основной его недостаток — невозможность оценить соотношение по массе частиц менее 71 мкм. Второй метод требует использования более сложного лабораторного оборудования и привлечения специалистов высокой квалификации, менее производителен, что не позволяет рекомендовать его для массового применения в строительных лабораториях.

Существует ряд методов определения удельной поверхности твердых дисперсных материалов, основанных на воздухо- и водопроницаемости, адсорбции масла, адсорбции красителей, а также различные расчетные методы [2]. Экспериментальные методики имеют те же недостатки, что и седиментационный метод определения гранулометрического состава. Расчетные методы отличаются неопределенностью, связанной с оценкой плотности зерен и формы минеральных частиц различного размера, петрографическими и минералогическими особенностями исходной горной породы.

Методика определения зернового состава минерального порошкадля асфальтобетонных смесей (ГОСТ 12784) предусматривает использование ситового метода для количественной оценки соотношения частиц 2,5— 0,071 мм по массе. Одним из основных критериев является количество частиц мельче 0,071 мм (ГОСТ 16557).

Для практической реализации методики И.В. Королева необходима полная кривая зернового состава порошков, включая частицы до 1 мкм и менее.

Окончание табл. 2

Размеры частиц, мм Наименование материала

Диорит № 11 Малорудный кварцит № 12 Кристаллические сланцы № 13 Гравиеподобный № 14 Известняковый № 15

25 2,5 2,2 3,1 2,20 2,25

15 2,9 2,5 3,4 2,51 2,58

10 2,8 3,2 2,6 2,8 4,1 3,7 2,7 2,8 3 2,87

5 3,8 3,9 3,8 3,3 4,8 4,3 3,5 3,36 3,2 3,46

2,5 5,6 4,6 4,3 3,9 5 4,9 4,1 4,04 4,6 4,17

1,25 5,9 5,5 4,5 4,6 5,2 5,6 5,7 4,85 5,3 5,02

0,63 7 6,6 4,9 5,5 5,4 6,3 5,2 5,82 6 6,03

0,315 7,9 7,9 5,6 6,5 5,8 7,3 6,6 6,99 7 7,25

0,14 8,7 9,8 7,5 8 8,3 8,5 8,1 8,67 7,3 9,01

0,071 9,5 11,6 8,7 9,4 9,2 9,7 9,1 10,4 9,4 10,8

0,036 16,5 13,9 14 11,2 14,5 11 15 12,4 17 13

0,018 16,6 13,3 12,6 14,9 15,6

0,009 19,9 15,8 14,4 17,9 18,8

0,005 23,2 18,3 16,1 20,9 22

0,002 29,4 22,9 19,2 26,7 28,1,

0,001 35,1 27,2 21,9 32,1 33,8

<0,001 42,1 32,4 25 38,5 40,7

Примечание к табл. 2. - в колонке 1 - экспериментально полученные значения частных остатков, в колонке 2 - расчетные значения.

Авторами выдвинуто предположение, что полная кривая зернового состава тонкодисперсного наполнителя может быть описана математическим выражением. Для проверки использованы экспериментальные данные, полученные И.И. Додхоевым (МХТИ им. Менделеева) (табл. 3, рис. 2).

Математической обработкой этих экспериментальных данных получены уравнения, описывающие изменения зернового состава известнякового минерального порошка, портландцемента и шлакопортландце-мента. Наиболее точно и адекватно изменение гранулометрического состава тонкодисперсных материалов описываются полиномом 2-ой степени. Коэффициент множественной корреляции при этом составляет 0,97-0,98.

Это позволило предположить, что изменение зернового состава любого тонкодисперсного минерального порошка также подчиняется полученной закономерности в широком диапазоне дисперсности частиц.

МАДИ апробирована расчетно-экспериментальная методика определения зернового состава порошка. В соответствии с ней на первом этапе определяется зерновой состав по ГОСТ 12784. Полученные экспериментальные результаты аппроксимируют при помощи ЭВМ до размеров 0,001 мм и менее. Для этого используется математический аппарат с применением корреляционного и регрессионного анализов, что позволяет получить математическое описание и произвести оценку статистической надежности полученных математических выражений как экспериментальной части кривой, так и

100

80

60

40

20

0,036

0,009

0,002 0,001

Размеры частиц, мм

Рис. 2. Экспериментальные кривые зернового состава тонкодисперсных наполнителей и их математическое описание (по данным И.И. Додхоева): 1 - график построен по экспериментальным данным; 2 - по приведенной формуле для минерального порошка: у=0,1238х2+9,9125х-16,874, Я2=0,9802, где Я - коэффициент корреляции

100

80

60

40

20

2,5 0,63 0,14 0,036 0,009 0,002 0,001 Размеры частиц, мм

Рис. 3. Сравнение экспериментальных и расчетных значений зернового состава порошка асфальтобетонного завода № 1, ОАО АБЗ 1 (Москва): 1 - график, построенный по расчетным значениям; 2 - по экспериментально полученным данным; 3 - в соответствии с требованиями стандарта

0

^ научно-технический и производственный журнал

® февраль 2011 43~

Таблица 3

Размер частиц, мм (di) Остатки, мас.% Абс. ошибка Значения

Полные (A|) Частные (AJ Треб. ГОСТ Расчетные значения

полные (Арасч) частные (арасч)

2,5 0 0 0 0 0 0 Экспериментальные

1,25 4 4 5 5 5 -1

0,63 13 9 12 12 7 2

0,315 19 6 20 19 7 -1

0,14 25 6 25 26 7 -1

0,071 34 9 30 34 8 1

0,036 43 9 Расчетные

0,018 52 9

0,009 61 9

0,005 71 10

0,002 81 10

0,001 92 11

< 0,001 100 8

ее прогнозируемой части, а также статистические характеристики, позволяющие оценить точность и адекватность прогноза. По полученному математическому выражению рассчитывают значения полных, а затем частных остатков частиц минерального порошка 2,5— 0,001 мм и менее. Расчетные значения сравнивают с экспериментально полученными ранее для грубоди-сперсных частиц, после чего оценивают ошибку прогноза по каждой фракции. При апробации методики в расчетах использовали линейные, логарифмические, экспоненциальные, совмещенные, многочленные второго и более высоких порядков регрессионные математические модели. При обработке экспериментальных результатов И.И.Додхоева удовлетворительную точность и адекватность показал полный полином 2-й степени (рис. 1).

Лабораторные испытания и обработка результатов, произведенная по предлагаемой методике, подтвердили, что удовлетворительная точность и адекватность для реальных минеральных порошков могут быть получены при описании зернового состава минеральных порошков регрессионной моделью в виде многочлена второго порядка (табл. 3, рис. 2).

На рис. 3 показан зерновой состав 10 случайных неактивированных минеральных порошков, используемых на асфальтобетонных заводах Москвы, полученных по предлагаемой расчетно-экспериментальной методике.

Данные значения были использованы для расчета удельной поверхности минеральной части асфальтобетонной смеси.

Это позволило:

— более точно определить долю поверхности минерального порошка от общей удельной поверхности минеральной части асфальтобетонных смесей;

— определять по методике профессора И.В. Королева оптимальное содержание битума по битумоемкости фракций 2,5—0,001 мм включительно;

— количественно оценить параметры структуры асфальтобетона (среднее число контактов между частицами в единице объема, геометрические размеры единичного контакта, среднюю силу сцепления в контакте между частицами, среднюю прочность единичного контакта), и объяснить изменение этих критериев на различных этапах формирования и разрушения асфальтобетонной смеси и асфальтобетона: на технологической

стадии при перемешивании, транспортировании, укладке и уплотнении; на эксплуатационной стадии при разрушении материала под действием различных эксплуатационных факторов.

Предлагаемая методика позволяет более точно расчетным путем определять оптимальное содержание битума в асфальтобетонной смеси. Она хорошо вписывается в методику проектирования асфальтобетонных смесей, по предельным расчетным кривым, принятую в России и странах СНГ, увеличивая надежность расчетов и многократно повышая производительность труда сотрудников дорожно-строительных лабораторий.

Экспериментальная проверка показала, что предлагаемая расчетная методика позволяет получить результаты определения оптимального содержания битума в асфальтобетонных смесях с высокой сходимостью с лабораторным, рекомендованным стандартом способом.

Ключевые слова: асфальтовый бетон, битумоем-кость, прогноз дисперсности, проектирование составов, оптимальное содержание битумов.

Список литературы

1. Королев И.В. Дорожный теплый асфальтобетон. Киев: Вища школа, 1977. 155 с.

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

3. Гридчин А.М. Повышение эффективности дорожного строительства путем использования анизотропного сырья. М: АСВ, 2006. 486 с.

4. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуславский А.М., Королев И.В. Дорожный асфальтобетон. М.: Транспорт, 1985. 385 с.

5. Соломатин В.И., Селятин В.П. Химическое сопротивление композиционных строительных материалов. М.: Стройиздат, 1987. 264 с.

6. Шалыт С.Я., Михайлов Н.В., Ребиндер П.А. Влияние активного наполнителя и растворителя на свойства битумов // Коллоидный журнал, 1987. № 2. Т. 19. С. 244-251.

7. Котлярский Э.В. Строительно-технические свойства дорожного асфальтового бетона. М.: ООО «Техполи-графцентр», 2004. 194 с.