Структура и свойства асфальтовых вяжущих на основе минеральных порошков различной природы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 625.861

Г.И. НАДЫКТО, В.Д. ГАЛДИНА, кандидаты техн. наук, В.С. ПРОКОПЕЦ, д-р техн. наук, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия — СибАДИ (Омск)

Структура и свойства асфальтовых вяжущих на основе минеральных порошков различной природы

Свойства асфальтобетона существенно зависят от структуры, адгезионно-когезионных и реологических свойств асфальтового вяжущего (асфальтовяжущего), ставшего предметом многих исследований, например [1-4].

В обычных асфальтобетонных смесях, состоящих из щебня, песка, минерального порошка и битума, каркасную основу составляют зерна щебня и песка, а промежутки между ними заполняют более мелкие частицы, в частности минеральный порошок. Чем плотнее структура минеральной части, тем выше показатели плотности, прочности и водостойкости асфальтобетона. При этом большое влияние на свойства асфальтобетона оказывает соотношение содержания битума и минерального порошка. Показано [1], что наилучшие свойства асфальтобетона соответствуют некоторому оптимальному соотношению содержания битума и минерального порошка.

Цель работы — изучение структурирующей способности минеральных порошков, полученных из сырья различной природы, а также взаимосвязи между структурой и свойствами асфальтовых вяжущих на основе анализа объемных соотношений компонентов.

За основу методики исследования приняты исходные предпосылки.

1. Асфальтовяжущее — бинарная дисперсная система, в которой твердой фазой является минеральный порошок, а средой — битум.

2. Битум в асфальтовяжущем может находиться в следующих состояниях:

— свободный битум, заполняющий межзерновое пространство фазы и находящийся вне зоны влияния физико-химических процессов на границе раздела фаза — среда;

— пленочный битум, представленный адсорбцион-но-сольватной пленкой с высокой степенью структурирования за счет физико-химических процессов на поверхности фазы.

3. Структура асфальтовяжущего является оптимальной, то есть обладает наилучшим комплексом свойств при такой концентрации минерального порошка, которая обеспечивает перевод битума в пленочное состояние.

При установлении взаимосвязи между структурой и свойствами асфальтовяжущих на основе анализа объемных соотношений компонентов использованы следующие формулы [2]:

Уб+ К= 1; (1)

Уб = Гб0 + Гбп, (2)

Уип= оав/ смп(1 + Б/МП); (3)

Р = 1 — V (4)

А мп 1 г мп

где Уб, V,, — объемное содержание соответ-

ственно минерального порошка, битума, остаточных

Таблица1

Минеральный порошок

й ы известняк гранит й ый

нй 1 3

Показатель ан ки m о О ш ре иь m 5J- а о о- ро- й Й g в то т

N кт а ав е н * i 1 1 ти а кт в а N кт а ав е н ир ны ив нн ти а кт в а ои ир ри ив ве ил кт а а

Зерновой состав, мас. %: мельче 1,25 мм мельче 0,315 мм мельче 0,071 мм 100 98 76,7 100 100 97,1 100 100 99,2 100 100 99,2 100 100 97,4 100 100 86,3

Удельная поверхность, м2/кг 490 816 482 752 521 434

Пустотность, об. % 29,2 32,8 32,5 36 33,2 32,8

Битумоемкость, г/100 см3 32,8 60,5 55,4 66,9 54,7 57

Набухание, об. % 1,67 2,14 1,67 2,3 1,43 1,61

Коэффициент водостойкости 0,88 0,78 0,85 0,74 0,83 0,81

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (g.^ rj ^ Г f 2 j | Lj;. | LJ й

32 май 2010

пор, объемного и пленочного битума, доля единицы объема; бт — фактическая средняя плотность асфальто-вяжущего при массовом соотношении битума и минерального порошка Б/МП, кг/м3; бмп — истинная плотность минерального порошка, кг/м3; Рмп — пустотность минерального порошка в структуре асфальтовяжущего при текущем значении Б/МП, доля единицы объема.

В результате эксперимента предполагалось проверить следующие рабочие гипотезы.

Абсолютный максимум (или минимум) значений показателей структуры и свойств асфальтовяжущего находится в одном вертикальном створе, соответствующем образованию его оптимальной структуры (закон створа) [5].

Пустотность минерального порошка в уплотненном асфальтовяжущем оптимальной структуры всегда ниже пустотности сухого минерального порошка при том же режиме уплотнения.

Остаточная пористость асфальтовяжущего начинает формироваться при сближении зерен порошка до контакта через пленочный битум и при объеме свободного битума, недостаточном для заполнения межзернового пространства, то есть в момент образования оптимальной структуры асфальтовяжущего.

Значение Б/МП для активированных минеральных порошков, соответствующее оптимальной структуре асфальтовяжущего, должно сдвигаться в сторону уменьшения по сравнению с неактивированными порошками.

В результате физико-химической активации существенно усиливается структурообразующая роль минерального порошка в асфальтобетонах и улучшаются их структурно-механические свойства [6].

В эксперименте были использованы активированные минеральные порошки гурьевский и из алеврита, неактивированные и активированные минеральные порошки из известняковых и гранитных отсевов и битум марки БНД 60/90.

При получении активированного минерального порошка из известнякового отсева в качестве активирующей добавки использовали смесь вязкого дорожного битума с каменноугольной смолой. Минеральный порошок из гранитных отсевов активировали смесью вязкого дорожного битума с кубовыми остатками аминов. Активацию минерального порошка из алеврита проводили цементом и битумом (ТУ 5716-005-02068982-2002). Активирующую обработку проводили при совместном помоле сырьевых компонентов.

Свойства полученных минеральных порошков определяли по ГОСТ Р 52129, удельную поверхность — на приборе ПСХ-2. В табл. 1 представлены свойства минеральных порошков при оптимальном для каждого вида количестве активирующей добавки.

Сравнивая полученные данные с требованиями ГОСТ Р 52129 к активированным минеральным порошкам марки МП-1, следует отметить повышенные пустотности известняковых, гранитных и алевритового порошков.

Для изучения структурирующей способности минеральных порошков проведены исследования асфальто-вяжущих при различном массовом соотношении битума и порошка Б/МП. Приготовление смесей порошков и битума и формовка образцов диаметром и высотой 25,2 мм произведены при температуре 140—150оС и уплотняющем давлении 40 МПа. Предел прочности при сжатии определяли при 20оС и скорости деформирования 3 мм/мин; средняя плотность определена гидростатическим взвешиванием образцов асфальтовяжущего. При определении прочности при сжатии образцов (Л20) и средней плотности были использованы стандартные методики (ГОСТ 12801). Все измерения и испытания выполнены на 3—5 параллельных образцах.

14

- 2300 о

- 2000 § о.

о

- 2100

0

0,1

2000

0,12 0,14

0,16 0,1 Б/МП

0,12 0,14

0,16

Рис. 1. Зависимость прочности (1) и средней плотности (2) асфальтовяжущего от массового соотношения Б/МП для минеральных порошков из основных горных пород а: 1 - гурьевского; 2 - известнякового неактивированного; 3 - известнякового активированного и кислых горных пород; б: 1 - гранитного неактивированного; 2 - гранитного активированного; 3 - алевритового активированного

Обработку результатов эксперимента и их анализ выполняли по методике, приведенной в работе [2]. Анализ показателей, представленных на рис. 1 и 2, позволил выявить следующие закономерности.

1. Наибольшие прочность, плотность и наименьшая пустотность асфальтовяжущего располагаются в одном створе, соответствующем оптимальному значению Б/МП, которое для всех исследованных активированных минеральных порошков оказалось в узких пределах 0,13—0,143.

0,35

0,25 -

3 0,15 -

0,05 -

0,14

0,16 0,1 Б/МП

0,12 0,14

Рис. 2. Зависимость объемных содержаний компонентов и пустотности минеральных порошков от массового соотношения Б/МП из основных горных пород а: 1 - гурьевского; 2 - известнякового неактивированного; 3 - известнякового активированного и кислых горных пород; б: 1 - гранитного неактивированного; 2 - гранитного активированного; 3 - алевритового активированного; 1 - пустотность минерального порошка; 2 - битума; 3 - битума свободного; 4 - остаточных пор

научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы' ® май 2010 33

Таблица 2

№ состава Минеральный порошок Содержание компонентов, мас. %

МП Песок БНД 90/130

1 Гурьевский активированный 21,6 73,4 5

2 Известняковый неактивированный 21,5 73,3 5,2

3 Известняковый активированный 21,7 73,2 5,1

4 Гранитный неактивированный 20,6 73,3 6,1

5 Гранитный активированный 21,2 73,3 5,5

6 Алевритовый неактивированный 20,5 72,6 6,9

7 Алевритовый активированный 21,1 73,1 5,8

Таблица 3

№ состава Средняя плотность, кг/м3 Водонасыщение, % Набухание, % Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре, оС Коэффициент водостойкости

0 20 50 кратковременный длительный

1 2338 3,78 0,14 8,75 4,32 1,85 1 0,82

2 2273 7,33 0,29 8,07 3,66 1,57 1 0,63

3 2345 3,77 0,2 9,18 4,26 1,65 1 0,75

4 2233 6,11 0,28 6,18 3,22 1,77 1 0,57

5 2267 5,27 0,02 6,75 3,73 1,8 1 0,71

6 2215 8,45 2,35 5,75 2,3 0,65 0,65 0,25

7 2243 5,76 0,61 7,5 3,5 1,25 1 0,82

2. Оптимальное значение Б/МП* зависит от вида исходного сырья, увеличиваясь при повышении его пористости.

3. Отношение Б/МП асфальтовяжущих оптимальной структуры из активированных минеральных порошков во всех случаях меньше, прочность и средняя плотность асфальтовяжущих выше, а пустотность ниже, чем у асфальтовяжущих на неактивированных минеральных порошках.

4. Активированные минеральные порошки из известняка, гранита, и алеврита в асфальтовяжущих оптимальной структуры обладают достаточно высокой структурирующей способностью (прочность от 7,5 до 13,4 МПа).

5. Наибольший эффект дала активация гранитного минерального порошка. Существенно повысились прочность, средняя плотность асфальтовяжущих оптимальной структуры, снизились пустотности порошков и отношения Б/МП.

6. Пустотность минеральных порошков в оптимальной структуре асфальтовяжущих ниже пустотности уплотненных сухих порошков, что объясняется участием пленочного битума, проявляющего эффект смазки и способствующего более плотной паковке зерен порошка при его уплотнении. Этот эффект подтверждается снижением пустотности уплотненных активированных порошков в сравнении с такими же неактивированными порошками (табл. 1 и рис. 2).

7. Асфальтовяжущие оптимальной структуры содержат максимальное количество объемов порошка и пленочного битума.

При Б/МП < Б/МП* остаточная пористость интенсивно падает, на этом участке объемный битум отсут-

ствует, происходит формирование битумной пленки и одновременно повышается плотность упаковки зерен порошка. При Б/МП > Б/МП* остаточная пористость медленно уменьшается, на этом участке пористость ас-фальтовяжущего обусловлена в основном наличием защемленного воздуха, доля которого снижается по мере роста объемного битума.

Для проверки поведения исследованных минеральных порошков в асфальтобетонах были определены свойства пористых песчаных асфальтобетонов. В асфальтобетонах использовали активированные и неактивированные минеральные порошки, песок природный с модулем крупности 2 и битум БНД 90/130. Составы асфальтобетонов (табл. 2) были рассчитаны по методике СибАДИ [7, 8].

Показатели физико-механических свойств песчаных пористых асфальтобетонов представлены в табл. 3. Как следует из данных табл. 3, при меньшем оптимальном расходе битума асфальтобетоны на активированных минеральных порошках обладают более высокой плотностью, прочностью и водостойкостью. Асфальтобетоны на минеральных порошках из алеврита имеют более низкие показатели прочности, что хорошо согласуется с исследованиями свойств этих порошков в ас-фальтовяжущих. Это показывает, что по структурно-механическим показателям свойств асфальтовяжущего можно с большой долей вероятности судить о некоторых свойствах асфальтобетона, полученного с их применением.

Влияние активированных минеральных порошков на свойства асфальтобетонов проявляется в упрочнении структурированной дисперсной системы битум — мине-

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (g.f rj ^ Г f 2 j | Lj ;. | LJ й

34 май 2010

ральный порошок, что способствует повышению плотности, прочности и водостойкости асфальтобетонов. Таким образом, применение активированных минеральных порошков существенно улучшает важнейшие эксплуатационные свойства асфальтобетона, определяющие его долговечность.

Ключевые слова: асфальтовое вяжущее, минеральный порошок, структурно-механические свойства.

Список литературы

1. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа. 1969. 399 с.

2. Соколов Ю.В., Надыкто Г.И. Структура и свойства асфальтовяжущего // Применение цементных и асфальтовых бетонов в Сибири: Межвуз. сб. науч. тр. Омск: СибАДИ, 1982. С. 100—107.

3. Руденский А.В., Шумчик А.Л. Прочностные свойства асфальтовых вяжущих // Строит. материалы. 2008. № 6. С. 61—64.

4. Железко Т.В., Железко Е.П. Структура и свойства ас-фальтовяжущих / Изв. вузов. Строительство, 1997. № 3. С. 35—42.

5. Рыбьев И.А. Научные и практические аспекты закона створа // Строит. материалы. 1981. № 6. С. 23.

6. Дорожный асфальтобетон / Под ред. Л.Б. Гезенцвея. М.: Транспорт, 1985. 350 с.

7. Соколов Ю.В. Расчет и оптимизация состава дорожного асфальтобетона. Омск: СибАДИ, 1989. 36 с.

8. Надыкто Г.И. Уточнение методик проектирования состава песчаных асфальтобетонов // Исследование цементных и асфальтовых бетонов: Межвуз. сб. науч. тр. Омск: ОмПИ, 1984. С. 43—46.

_ВВФВВВВВВВ

Всероссийский научно-практический семинар

«Применение перспективных технических решений при строительстве автомобильных дорог»

Академия транспорта Российской Федерации, ФГУП «Российский дорожный научно-исследовательский институт «РОСДОРНИИ» при участии ООО «ФОРТЕК» и ООО «ЕВРОДОР» провели 17-19 марта 2010 г. в г. Саратове Всероссийский научно-практический семинар «Применение перспективных технических решений при строительстве автомобильных дорог».

Семинар проводился в рамках мероприятий, посвященных празднованию 75-летия видного российского ученого, доктора технических наук, профессора, академика Академии архитектуры и строительных наук РФ, члена Президиума Академии транспорта РФ, ректора Саратовского государственного технического университета (1989-1998 гг.) В.В. Петрова.

Руководители семинара д-ра техн. наук, профессора, академики транспорта А.В. Кочетков (заведующий отделом ФГУП «РОСДОРНИИ») и И.Г. Овчинников (СГТУ). Информационную поддержку мероприятия проводили журналы «Красная линия. Дороги» и «Строительные материалы».

Участники конференции: эксперты государственной экспертизы, поставщики программных продуктов для проектирования, строительства, ремонта и диагностики автомобильных дорог, руководители подрядных организаций, руководители предприятий по выпуску геосинтетических материалов, оборудования и материалов дорожной разметки, главные инженеры проектов проектных организаций, научные работники, сотрудники вузов, студенты СГТУ.

Обсуждаемые вопросы: разработка технических регламентов, ГОСТов, стандартов организаций и методы гармонизации старой и новой систем технического регулирования; база данных применения прогрессивных технологий дорожного хозяйства; лучшие инновации дорожного хозяйства; применение геосинтетических материалов и геоимплантов при строительстве автомобильных дорог и мостовых сооружений; десятилетний опыт бездефектной эксплуатации моста через реку Волгу в составе внеклассного мостового сооружения у с. Пристанное в Саратовской области, ремонт и содержание автомобильных дорог.

В докладе А.В. Кочеткова (ФГУП «РОСДОРНИИ», Москва), было рассказано о базе данных перспективных технических решений дорожного хозяй-

ства, созданной по заданию Федерального дорожного агентства.

В.В. Столяров («Строительство дорог и организация движения», СГТУ) сделал пленарный доклад о методах сравнительной оценки проектных решений на основе принципов технического регулирования, изложенных в новой редакции ФЗ «О техническом регулировании» 2009 г.

Н.Е. Кокодеева, канд. техн. наук, доцент СГТУ, рассказала о результатах деятельности научной школы по применению теории риска в дорожном хозяйстве, созданной В.В. Столяровым, а также о методах проектирования дорожных одежд с учетом влажности на основе оценки степени риска.

В дискуссии обсуждалось, что идея изменения принципов технического регулирования заключается в отходе от превалирующего удовлетворения потребностей собственников объектов и сооружений (дорог, мостов, объектов дорожной инфраструктуры и средств наружной рекламы) через применение аппарата теории надежности с учетом возможности взаимной компенсации влияющих факторов (при нормировании интегральных показателей - сроков службы) к более полному удовлетворению потребностей их пользователей

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы- ® май 2010 35