Улучшение деформационно-прочностных свойств асфальтобетона базальтовыми волокнами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.964

Д.М. МОГНОНОВ, д-р хим. наук, О.Ж. АЮРОВА, О.В. ИЛЬИНА, инженеры,

Байкальский институт природопользования СО РАН (БИТ СО РАН);

Н.И. ШЕСТАКОВ, инженер, А.Н. МАНГУТОВ, канд. техн. наук,

С.Л. БУЯНТУЕВ, д-р техн. наук, Восточно-Сибирский государственный университет

технологии и управления (ВСГУТУ); А.В. БИТУЕВ, д-р техн. наук, начальник

ФКУ Управление федеральных автомобильных дорог «Южный Байкал» ФДА

(Улан-Удэ, Республика Бурятия)

Улучшение деформационно-прочностных свойств асфальтобетона базальтовыми волокнами

Существенное увеличение доли автомобильного транспорта в общем объеме грузоперевозок значительно повысило интенсивность движения транспортных средств, в связи с чем возросла актуальность проблемы строительства новых и ремонт существующих дорожных покрытий. Практика показывает, что рост масштабов дорожного строительства зачастую сдерживается недостатком высококачественных строительных материалов. Между тем развитие современной науки и техники позволяет значительно расширить базу производства дорожно-строительных материалов за счет создания новых композиций без существенного изменения технологии получения составов и применяемых механизмов.

Учитывая тот факт, что к настоящему времени в экспериментальной науке и практике накоплен большой объем информации, касающейся различных сфер зна-

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Рис. 1. Распределение по годам количества статей с ключевыми словами «дорожный битум»

ТГ, % 100

80

60

40

20

0

— Пик: 505,4оС; 12,51 мВт/мг т

Изменени массы: -10,72 %

Пик: 384,8оС; 7,212 мВт/мг

Пик: 440,5оС; 6,281 мВт/мЬ Л/

Пик: 424,3оС; 5,133 мВт/м^

пикзи.^с^г^^Вт^ _____

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Температура, оС

Рис. 2. Динамический термогравиметрический анализ и ДСК битума при нагревании на воздухе до 1000оС; скорость нагревания 5оС/мин

ний о дорожных битумах, их модификации и применения в асфальтобетонном покрытии автомобильных дорог, авторами проведено наукометрическое исследование имеющихся сведений. Для его выполнения были использованы ресурсы научной базы данных (БД) ®Scopus как наиболее полного источника информации с привлечением такого критерия, как «ключевое слово» в разделах названия статей, резюме, списке авторов, типе публикации и др.

Согласно сведениям БД ®Scopus общий объем научных работ, классифицируемых по ключевому слову «дорожный битум», за период 2000—2011 гг. составляет 487. Распределение количества ссылок по годам свидетельствует о различной степени интереса к данному объекту за последние 10 лет (рис. 1).

Характер распределения статей по ключевым словам (табл. 1) помогает установить наиболее популярные экспериментальные задачи.

Взяв в рассмотрение 11 часто используемых ключевых слов, можно предположить, что наибольший интерес вызывают работы, связанные с такими направлениями, как модификация битума, полимерно-битумные

Ion Current [A]

Е-06 5

Е-07 5

ДСК Экзо, мВт/мг

Е-09 5

Е-10

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Mass [amu]

Рис. 3. Масс-спектры летучих продуктов термоокислительной деструкции битума

научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 28 октябрь 2012 ~ Л1] ®

Таблица 1

Наименование темы Количество статей

Дорожный битум 487

Асфальт 10

Дорожные покрытия 190

Модификация битума 240

Резинобитумные материалы 8

Полимерно-битумные материалы 269

Базальтовые волокнистые материалы 1

Модификация битума минеральными материалами 9

Модификация битума отходами производства 30

Механизм модификации битума 18

Технология получения битума 13

Таблица 2

Показатели По паспорту Фактический

Пенетрация при 25оС ГОСТ 11501-78 98 103

Температура размягчения по кольцу и шару, оС, ГОСТ 11506-73 45 45

Индекс пенетрации -0,8 -0,68

Таблица 3

Показатели Содержание базальтового волокна, мас. %

0,1 0,25 0,5 1

Пенетрация при 25оС 92 89 84 76

Температура размягчения по кольцу и шару, оС 48 48 48 40

Индекс пенетрации -0,12 -0,24 -0,42 -0,18

Марка 90/130 60/90 60/90 60/90

материалы. Единственная статья, посвященная базальтовым волокнистым материалам для армирования композиционных материалов [1], делает актуальным применение базальтового волокна для модификации дорожного битума.

Цель исследования — модификация дорожного битума базальтовым волокном для повышения деформационно-прочностных свойств асфальтобетонов дорожного полотна.

Для получения асфальтобетонной смеси использовали битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 130/90 ГОСТ 222-45-90 производства ООО «Ангарская нефтехимическая компания». В табл. 2 приведены основные показатели битума.

Так как методика определения температуры размягчения условна и научно необоснована, был выполнен динамический термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК) битума при нагревании на воздухе до 1000оС при скорости 5 оС/мин (синхронно-термический анализатор STA 449 C, NETZSCH, Германия). Как видно из рис. 2, потеря массы наблюдается выше 190оС и сопровождается экзотермическими процессами окисления.

Образующиеся на начальной стадии термоокислительной деструкции летучие продукты (рис. 3) представляют продукты окисления (СО, СО2) и фрагменты низкомолекулярных углеводородов с массой ионов 14, 16, 28, 40, 44 (квадрупольный масс-спектрометр QMS 403 C Aeolos, NETZSCH, Германия). Полученные результаты ограничивают верхний предел нагревания битума 160—190оС, что отвечает утвержденному технологическому регламенту.

I 0 1

2

3

4

5

Рис. 4. Остаточная пористость: 1 - асфальтобетон; 2 - асфальтобетон с добавлением 0,1 мас. % базальтового волокна; 3 - асфальтобетон с добавлением 1 мас. % базальтового волокна; 4 - требования ГОСТа, не менее; 5 - требования ГОСТа, не более

Поскольку основная часть разрушения и деформации асфальтобетонов в покрытиях автомобильных дорог происходит из-за битума, наиболее эффективным решением повышения деформационно-прочностных показателей и долговечности асфальтобетонов будет модификация исходного битума.

С этой целью авторами использовано базальтовое волокно, полученное из Судунтуйского месторождения базальта (Забайкальский край) с использованием электродуговой плазмы со следующими физико-механическими характеристиками: плотность 25,03 кг/м3; температура плавления 1140—1400оС; средний диаметр волокон 8 мкм; средняя длина волокон 35 мм; влажность 0,26 мас. %; теплопроводность 0,03 Вт/м.к. (модуль кислотности 3,4); содержание органических веществ 0 мас. % [2].

Было изготовлено четыре образца с содержанием 0,1; 0,25; 0,5; 1 мас. % базальтового волокна и битума марки БНД 130/90. Свойства полученных композиций битума, модифицированного базальтовым волокном, приведены в табл. 3.

Как видно из данных табл. 3, после модификации битума базальтовым волокном с содержанием >0,1 мас. % исходный битум становится более вязким и соответствует марке 60/90.

Использование синергических композиций позволяет добиться существенного повышения основных показателей исходного битума при относительно малом содержании базальтового волокна. Наиболее полно синергизм мы определяем как явление неаддитивного усиления модифицирующего действия на ту или иную композицию. В дальнейшем получали композиции с содержанием базальтового волокна 0,1 и 1 мас. %.

Чтобы изучить влияние модифицированного битума на показатели физико-механических свойств асфальтобетонов, были изготовлены образцы мелкозернистой горячей плотной асфальтобетонной смеси типа Б марки II с содержанием, мас. %: щебень — 44; песок — 47; минеральный порошок — 9; битум — 5,3 от общего количества минеральных компонентов.

После тщательного перемешивания песка и щебня смесь нагревали до 160—165оС, добавляли минеральный порошок и повторно перемешивали до получения однородной массы. Битум разогревали до 120—140оС и тщательно перемешивали с минеральными компонентами. Полученную асфальтобетонную смесь формовали и испытывали по ГОСТ 9128-2009.

Окончательные показатели физико-механических свойств горячего плотного мелкозернистого асфальто-

%

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2012

29

Таблица 4

Материал Прочность при сжатии, МПа Водостойкость Сцепление при сдвиге Водо-насыщение Трещино-стойкость Остаточная пористость Истинная плотность асфальтобетона

Температура нагрева, оС 50оС 20оС 0оС

Асфальтобетон 1,03 3,49 6,96 0,91 0,27 2,18 3,54 2,9 2,41

Асфальтобетон с добавлением 0,1 мас. % базальтового волокна 1,27 3,87 6,94 1,01 0,43 2,28 3,64 1,27 2,37

Асфальтобетон с добавлением 1 мас. % базальтового волокна 1,7 3,91 7,88 1,02 0,52 2,4 3,74 0,85 2,36

Рекомендованные показатели >0,9 >2,2 <10 >0,9 >0,31 1,5-4 2,5-6 2,5-5

бетона типа Б марки II, модифицированного базальтовым волокном, приведены в табл. 4.

Из приведенных данных видно, что прочность при сжатии образцов увеличивается на 65% при 50оС; на 12% при 20оС; на 13% при 0оС (содержание базальтового волокна 1 мас. %). На 59 и 92% повышается сцепление при сдвиге (содержание базальтового волокна 0,1 и 1 мас. % соответственно). Существенно (56—70%) снизилась остаточная пористость, что особенно важно при эксплуатации дорожного полотна в условиях Сибири и Крайнего Севера, характеризующихся резкими суточными переходами температуры через 0оС в весеннее и осеннее время года (рис. 4).

Таким образом, модификация дорожного битума базальтовым волокном при содержании последнего 0,1—1 мас. % существенно улучшит деформационно-прочностные свойства и долговечность асфальтобетона дорожного покрытия в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: дорожный битум, асфальт, дорожные покрытия, модификация битума, полимерно-битумные материалы, базальтовые волокнистые материалы.

Список литературы

1. Artemenko S.E, Arzamastsev S.V., Shatunov D.A., Vyazenkov A.A. Basalt plastics. New materials for road construction // Fibre Chemistry. 2008. Vol. 40. № 6. Pp. 499-502.

2. Буянтуев С.Л., Дондоков А.Ц., Баянсайхан Н. Получение теплоизоляционных материалов из базальта с применением электродуговой плазмы // Строительные материалы. 2007. № 9. C. 32-33.

3. Чухно А.А. Об изменении температуры полимеров при испытании на атмосферостойкость // Сб. материалов «Поведение полимеров при низких температурах». ЯФ СО АН СССР. Якутск, 1974. 46 с.

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ЦЕНТР ПРОЕКТНОЙ ПРОДУКЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ»

(ОАО ЦПП)

ОСУЩЕС ТВЛЯЕТ

ведение Федерального фонда нормативной, методической, типовой проектной документации и других изданий для строительства, архитектуры и эксплуатации зданий и сооружений.

ИЗДАЕТ И РАСПРОСТРАНЯЕТ

ш

□ федеральные нормативные документы (СНиП, ГСН, ГЭСН, ФЕР, ГОСТ, ГОСТ Р, СП, СН, РДС, НПБ, СанПиН, ГН) — официальные издания

□ методические документы и другие издания по строительству (рекомендации, инструкции, указания)

□ типовую проектную документацию (ТПД) жилых и общественных зданий, предприятий, зданий и сооружений промышленности, сельского хозяйства, электроэнергетики, транспорта, связи, складского хозяйства и санитарной техники

ОАО ЦПП осуществляет сертификацию проектной документации на строительные конструкции и объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и сооружений. Центр аккредитован в качестве Органа по сертификации в Системе ГОСТ Р (ОС «ГУП ЦПП» — аттестат аккредитации № РОСС Ш.0001.11СР48).

ТЕЛЕФОНЫ ДЛЯ СПРАВОК

справочно-информационные издания о нормативной, методической и типовой проектной документации (Информационный бюллетень, Перечни нмд и тпд и др.}

Общероссийский строительный каталог (тематические каталоги, перечни, указатели)

проекты коттеджей, садовых домов, бань, хоз-построек, теплиц

m

ш*.

Ш

I '

ОТДЕЛ ЗАКАЗОВ И РЕАЛИЗАЦИИ (495)402-4294 ОТДЕЛ ФОНДА ДОКУМЕНТАЦИИ (495)482-4112

ПРОЕКТНЫЙ КАБИНЕТ {495)492-4297 ОТДЕЛ СЕРТИФИКАЦИИ (495)482-0778

ФАКС: (495)482-4265

Наш адрес: 127238, Москва, Дмитровское шоссе, 46, корп. 2

научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 30 октябрь 2012 ~ Л1] ®