CC BY
10УДК 625.855.53 DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-760-6-53-56
Ю.Г. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук (borisenko2005@yandex.ru), С.В. РУДАК, инженер, О.А. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук
Северо-Кавказский федеральный университет (355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1)
Влияние содержания и зернового состава легких пористых заполнителей на физико-механические свойства битумоминеральных композиций
Показано, что перспективным направлением развития и совершенствования битумоминеральных композиций на основе легких пористых минеральных заполнителей является дифференцированный подбор их зерновых составов. Проведен сравнительный анализ влияния различных фракций и содержания пористого заполнителя на физико-механические свойства горячих мелкозернистых асфальтобетонов и битумоминеральных композиций. Выявлено, что наиболее эффективным легким пористым заполнителем, позволяющим существенно снизить плотность и массу битумоминерального дорожного покрытия, является минеральный заполнитель на основе керамзитового гравия. Разработаны составы битумоминеральных композиций с пониженной плотностью и массой, высокими прочностными показателями, теплостойкостью, термостабильностью и хорошей водостойкостью. Установлено, что наибольшее влияние на физико-механические свойства и структуру указанных композиций оказывают фракции керамзитового гравия с размером зерен 10-5 мм.
Ключевые слова: битумоемкость, битумоминеральная композиция, зерновой состав, керамзит, легкий пористый заполнитель.
Для цитирования: Борисенко Ю.Г., Рудак С.В., Борисенко О.А. Влияние содержания и зернового состава легких пористых заполнителей на физико-механические свойства битумоминеральных композиций // Строительные материалы. 2018. № 6. С. 53-56.
Yu.G. BORISENKO, Candidate of Sciences (Engineering) (borisenko2005@yandex.ru): S.V. RUDAK, Engineer, O.A. BORISENKO, Candidate of Sciences (Engineering) North-Caucasus Federal University (1, Pushkin Street, 355009, Stavropol, Russian Federation)
Influence of the Content and Grain Composition of Light Porous Fillers on Physical and Mechanical Properties of Bitumen-Mineral Compositions
It is shown that the perspective development direction and improvement of bitumen-mineral compositions on the basis of light porous mineral fillers is the differentiated selection of their grain structures. The influence of various fractions and content of porous filler on physical and mechanical properties of hot fine-grained asphalt concrete and the bitumen-mineral compositions has been analyzed comparatively. It is revealed that the most effective light porous filler for significant decrease of density and weight of the bitumen-mineral road paving is a mineral filler on the basis of expanded clay gravel. Structures of bitumen-mineral compositions with reduced density and weight, high strength rates, heat resistance, heat stability and good water resistance are developed. It is established that the greatest influence on physical and mechanical properties and structure of the offered bitumen-mineral compositions have fractions of expanded clay gravel with grains of 10-5 mm size.
Keywords: bitumen content, bitumen-mineral composition, grain composition, expanded clay, light porous filler.
For citation: Borisenko Yu.G., Rudak S.V., Borisenko O.A. Influence of the content and grain composition of light porous fillers on physical and mechanical properties of bitumen-mineral compositions. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 6, pp. 53-56. (In Russian).
Совершенствование материалов покрытий нежестких дорожных одежд — одна из актуальных задач в дорожном строительстве. Перспективным направлением решения этой проблемы является разработка новых легких, высокопрочных и недорогих конструкционных материалов на основе органических вяжущих. Снижение массы и плотности материалов дорожных покрытий позволит снизить расчетные нагрузки на основание и массу всей конструкции дорожного покрытия в целом. Достичь этого возможно за счет применения в их составах природных и искусственных легких пористых заполнителей. Кроме того, наличие легких пористых заполнителей в материале дорожного покрытия позволит обеспечить снижение внутренних температурных напряжений (т. е. повысить термостабильность и трещи-ностойкость), снизить теплопроводность, повысить де-формативность и демпфирующую способность.
Имеющийся опыт применения пористых и легких пористых материалов в битумоминеральных композициях [1—8] выявил следующее: использование вулканических стекол и пемзы, вспученных перлита и вермикулита и других подобных пород в составах битумомине-ральных композиций существенно снижает плотность и массу композита, обеспечивает низкую теплопроводность, но наряду с этим снижает прочность, водостой-
кость, водо- и паропроницаемость, значительно повышает битумоемкость. Анализ исследований битумоми-неральных композиций на основе керамзита (керамзитового гравия или отсевов его дробления) в битумоминеральных смесях [1, 7 и др.] показал, что применение именно этого легкого пористого минерального заполнителя в битумоминеральных композициях наиболее перспективно и рационально. Благодаря своей структуре керамзит (в сравнении с другими пористыми материалами) в совокупности обладает положительными качествами — малой плотностью и массой, низкой теплопроводностью и высокой механической прочностью. Немаловажно и то, что сырье (легкоплавкие глины), пригодное для производства керамзита, имеет широкое распространение и доступность в различных регионах России, технология его производства хорошо отработана, а стоимость в ряде случаев сопоставима со стоимостью высококачественных плотных минеральных заполнителей. Однако применение керамзита в битумоминеральных смесях сдерживается высокой би-тумоемкостью. В ряде работ [7—10] приведены пути снижения этого показателя, сущность которых сводится к сокращению открытой пористости заполнителя (керамзитового гравия и керамзитового песка) предварительной обработкой пористого материала остаточными
Таблица 2
Таблица 1
№ состава Фракции керамзита (К*) и щебня (Щ**) в составе смеси, мас. % Размер зерен, мм, не более
20-15 15-10 10-5 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071
1 К Щ Щ 100 95,5 90,2 58,3 45,6 35 25,5 19,1 13,8 5,3
2 Щ К Щ 100 89,7 87,6 56,7 44,3 34 24,7 18,5 13,4 5,2
3 Щ Щ К 100 88,3 82,4 64,5 50,5 38,7 28,2 21,1 15,3 5,9
4 К К Щ 100 95,3 93,1 60,2 47,1 36,1 26,3 19,7 14,2 5,5
5 Щ К К 100 87,8 85,3 66,8 52,3 40,1 29,2 21,9 15,8 6,1
6 К Щ К 100 94,6 88,3 69,2 54,1 41,5 30,2 22,7 16,4 6,3
7 К К К 100 94,4 91,7 71,8 56,2 43,1 31,4 23,5 17 6,5
8 Щ Щ Щ 100 90 85 55 43 33 24 18 13 5
Примечание: К* - керамзитовый гравий, Щ** - гранитный щебень.
Используемый заполнитель Фракция заполнителя Насыпная плотность, кг/м3 Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа
Гранитный щебень (ГУП СК «Кочубеевский карьер», Ивановское месторождение, Ставропольский край) 20-15 1100 -
15-10 1200 -
10-5 1300 -
Керамзитовый гравий (ОАО «Комбинат производственных предприятий», г. Ипатово, Ставропольский край) 20-15 600 100
15-10 600 100
10-5 700 100
продуктами нефтепереработки или модификацией битумных вяжущих этими продуктами, что существенно усложняет технологию производства и стоимость конечного продукта. Однако наличие песчаных фракций (5—0,315 мм) отсевов дробления керамзита в предложенных смесях не позволяет существенно снизить биту-моемкость композиций в силу не только высокой их открытой пористости, но и высокой удельной поверхности. Еще одним направлением снижения битумоем-кости является совершенствование подбора минерального состава смеси. Развитие этого направления имеет наибольшие практические перспективы.
Существенно снизить битумоемкость битумомине-ральных композиций на основе легких пористых заполнителей позволит включение в их составы только крупных фракций керамзитового гравия, соответствующих фракциям щебня (20—15, 15—10 и 10—5 мм), которые обладают пониженными показателями открытой пористости и удельной поверхности, в сравнении с более мелкими фракциями керамзита, соответствующими фракциям песка (менее 5 мм), и тем более с отсевами его дробления. Таким образом, из состава композиций следует исключить керамзитовый песок и отсевы его дробления и применять вместо него, как и в стандартных асфальтобетонах, песок или отсевы дробления плотных горных пород.
Влияние фракционного состава и каждой фракции керамзита на свойства таких битумоминеральных композиций требует изучения, так как этот вопрос является одним из ключевых и определяющих при разработке и оптимизации минеральных составов смесей.
Авторы исследовали горячие мелкозернистые биту-моминеральные композиции на основе керамзита, так как в настоящее время для дорожных покрытий наиболее широко применяются горячие плотные мелкозернистые асфальтобетоны типов Б и В. Были разработаны составы горячих битумоминеральных композиций непрерывной гранулометрии типа Б, в которых заменяли крупные фракции плотного заполнителя (20—5 мм) на аналогичные фракции керамзитового гравия (составы № 1—7, табл. 1). В предложенных составах битумоми-
Таблица 3
Наименование показателя Норма по ГОСТ 22245-90 для БНД 60/90 Фактическое значение
Глубина проникновения иглы, 0,1 мм: при 25оС при 0оС 61-90 не менее 20 65 22
Температура размягчения по КиШ, оС не ниже 47 50
Растяжимость, см при 25оС при 0оС не менее 55 не менее 3,5 > 150 3,8
Температура хрупкости, оС не выше минус 15 минус 18
Температура вспышки, оС не ниже 230 270
неральных композиций варьировали содержание крупных фракций легкого пористого заполнителя. Замену фракции плотного заполнителя на пористый осуществляли исходя из равенства объемов долей проектируемых зерновых составов и зернового состава-прототипа на плотном заполнителе. Для этого определяли насыпную плотность каждой фракции щебня и соответствующей фракции керамзитового гравия. Для сравнения была взята стандартная мелкозернистая асфальтобетонная смесь-прототип типа Б (ГОСТ 9128—2013) на плотном минеральном заполнителе (состав № 8, табл. 1). В табл. 1 приведены зерновые составы экспериментальных битумоминеральных композиций.
В разработанных составах битумоминеральных смесей использовали: легкий пористый заполнитель — керамзитовый гравий марки 600 фракции 20—5 мм; гранитный щебень и отсевы его дробления фракции 20—0,16 мм; активированный известняковый минеральный порошок МП-1. В качестве вяжущего применяли дорожный нефтяной битум марки БНД 60/90. Свойства керамзитового гравия, щебня и битума представлены в табл. 2 и 3.
Из предложенных битумоминеральных смесей изготавливали образцы-цилиндры 71,4x71,4 мм и испытывали согласно ГОСТ 12801—98. Для установления
54
июнь 2018
Таблица 4
№ состава Содержание битума в смеси С, мас.% Содержание битума в смеси Соб., об.% Масса заменяемого щебня, % Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Коэффициенты водостойкости Водонасыщение W, мас. % Коэффициент термостабильности ктс
Ro R20 R50 кв квд
1 5,5 12,91 10 2,34 9,85 4,60 1,73 0,97 0,76 3,8 0,17
2 5,5 12,76 5 2,38 9,45 4,69 1,68 0,98 0,76 2,5 0,18
3 6 13,81 30 2,1 9,98 5,32 1,92 0,95 0,78 7,2 0,19
4 5,5 13,06 15 2,29 10,07 5,99 2,03 0,91 0,77 3,5 0,2
5 6,5 14,28 35 1,95 9,65 5,31 2,11 0,96 0,77 7,6 0,22
6 6,5 14,68 40 1,94 9,8 5,64 2,17 0,95 0,77 7,3 0,22
7 6,5 14,64 45 1,87 11,3 6,06 2,36 0,95 0,77 8,8 0,17
8 5,5 12,67 - 2,43 11,02 5,2 2,06 0,98 0,78 1,5 0,19
Требования ГОСТ 9128-2009 для асфальтобетона тип Б, I марка; IV, V дорожно-климатические зоны 5-6,5 - <13 >2,5 >1,3 >0,85 >0,75 1,5-4 -
оптимального содержания битума в композициях ориентировались на максимальные прочностные характеристики (прочность при сжатии Л2о и ^5о) и приемлемые показатели водостойкости (кв, квд и водонасыще-ния V). Физико-механические свойства предложенных составов битумоминеральных композиций и состава-прототипа на плотном заполнителе с оптимальным содержанием битума представлены в табл. 4.
В результате исследований было установлено,что замена только одной фракции щебня на керамзит в составе композиции практически не влияет на содержание битума в смеси (составы № 1, 2) и лишь в смеси с фракцией керамзита 10—5 (состав № 3) содержание битума выше на 0,5 мас. % , что можно объяснить высоким содержанием данной фракции (17,9 мас. %). С другой стороны, наличие такого количества керамзитового гравия в смеси обеспечило: снижение плотности композиции в сравнении с прототипом (состав № 8) на 13,5%; высокую прочность при сжатии (Л20) и теплостойкость (Л50); водостойкость, сравнимую с кв и квд прототипа. Показатель водонасыще-ния V состава № 3 не соответствует требованиям ГОСТ 9128—2013. Однако, как известно, при применении пористых заполнителей в асфальтобетонах и битумоми-неральных композициях повышенное водонасыщение (8—10 мас. %) не следует считать недостатком. Замена крупных фракций щебня на керамзит в составах № 1 и 2 незначительно повлияла на свойства композиций. Несколько снизились прочность и теплостойкость; водостойкость практически соответствует водостойкости состава-прототипа; водонасыщение соответствует требованиям ГОСТа; плотность снизилась совсем незначительно — на 2—4 мас. %. Это обусловлено тем, что содержание фракций керамзита 20—15 и 15—10 в этих составах незначительно (4,5 и 2,1 мас. % соответственно).
Более значительное влияние на свойства битумоми-неральных композиций оказывает замена двух и более фракций плотного заполнителя на легкий пористый. Важно, что битумоемкость предложенных композиций не выходит за рамки требований ГОСТ 9128—2013 (5,5—6,5 мас. %). Установлено, что даже при замене трех фракций плотного заполнителя (фракции 20—15, 15—10 и 10—5 мм) на керамзитовый гравий содержание вяжущего в смеси соответствует рекомендованным ГОСТом и составляет 6,5 мас. %. Наиболее существенное снижение плотности композиции на 23 мас. % зафиксировано при замене на керамзит всех трех крупных фракций (28,2 мас. %). Плотность композиции № 7 составила
1,87 против 2,43 кг/м3 состава-прототипа № 8. Прочность и теплостойкость предложенной композиции значительно выше аналогичных показателей прототипа и других композиций (составы № 1—6). Выявлена также повышенная (на 16%) в сравнении с прототипом термостабильность ктс составов с более высоким содержанием керамзитового гравия (составы № 5—7), что свидетельствует о повышении тепло- и трещиностойко-сти материала. Водостойкость этих композиций хоть и несколько ниже прототипа, но полностью удовлетворяют требованиям ГОСТа.
Замена двух крупных фракций в составах № 5 (15—10 и 10—5 мм) и № 6 (20—15 и 10—5 мм) обеспечивает снижение плотности в среднем на 20 %, показатели прочности и теплостойкости выше аналогичных показателей прототипа на плотном заполнителе, показатели водостойкости кв и квд практически соответствуют водостойкости композиции № 7 с максимальным содержанием керамзита. Достаточно близкие по значениям и сопоставимые показатели физико-механических свойств составов № 5—7 обусловливаются сопоставимым содержанием керамзита в их композициях (21; 24,5 и 28,2 мас. % соответственно).
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что определяющее влияние на структуру композита оказывает фракция керамзитового гравия 10—5 мм, содержание которой в смеси наиболее высокое.
Физико-механические показатели состава № 4, в котором наиболее крупные фракции плотного заполнителя 20—15 и 15—10 мм заменены на пористый, показали, что наличие керамзитового гравия положительно влияет на повышение прочности и теплостойкости материала, но оказывает незначительное влияние на снижение его плотности.
Выводы
1. Применение легких пористых заполнителей в би-тумоминеральных композициях является перспективным направлением в развитии дорожно-строительных материалов, что позволяет снизить плотность и массу дорожного покрытия, а также существенно снизить расчетные нагрузки на основание дорожной конструкции.
Показано, что наиболее эффективным пористым заполнителем для таких композиций является керамзитовый гравий, который в сравнении с другими искусственными и природными пористыми заполнителями (вспученный вермикулит, вспученный перлит, вулканическая пемза и т. д.) обладает преимуществами: ма-
лои плотностью и массой, низкои теплопроводностью и высокой механической прочностью, имеет широкое распространение и доступность сырья в различных регионах России.
2. На основании проведенных экспериментальных исследований доказано, что снижение битумоемкости битумоминеральных композиций на основе пористых заполнителей возможно за счет регулирования минерального состава смесей, в частности путем замены крупных фракций щебня (20—5 мм) на пористый заполнитель. Предложенные битумоминеральные композиции на основе легкого пористого заполнителя (керамзитового гравия) характеризуются битумоемкостью, соответствующей нормативным требованиям ГОСТ 9128—2009.
3. Выявлены пути регулирования свойств биумомине-ральных композиций, модифицированных легкими пористыми заполнителями. Наибольшее влияние на физико-механические свойства и структуру оказывает керамзитовый гравий фракций 10—5 мм, что обусловлено высоким содержанием этой фракции в композициях (18—20 мас. %). Установлено, что композиции с повышенным содержанием керамзита обладают высокими прочностными показателями, теплостойкостью, термостабильностью при хорошей водостойкости. Плотность таких битумоминеральных композиций ниже на 20—23%) плотности стандартных прототипов на плотном минеральном заполнителе и составляет 1,87—1,95 кг/м3.
Список литературы
1. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. 256 с.
2. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуславский А.М., Королев И.В. Дорожный асфальтобетон. М.: Транспорт, 1985. 350 с.
3. Высоцкая М.А., Кузнецов Д.А., Барабаш Д.Е. Особенности структурообразования битумоминераль-ных композиций с применением пористого сырья // Строительные материалы. 2014. № 1—2. С. 68—71.
4. Высоцкая М.А., Кузнецов Д.А., Федоров М.Ю. Оценка качества битумоминеральных композитов с применением пористых наполнителей // Дороги и мосты. 2012 . № 27/1. С. 241-250.
5. Иноземцев С.С., Королев Е.В. Выбор минерального носителя наноразмерной добавки для асфальтобетона // Вестник МГСУ. 2014. № 3. С. 158-167.
6. Борисенко Ю.Г., Казарян С.О., Селимов М.А., Борисенко О.А. Физико-химические основы применения пористых минеральных порошков в биту-моминеральных композициях // Дороги и мосты. 2016. № 35/1. С. 263-281.
7. Борисенко Ю.Г., Лынник В.В., Борисенко О.А., Гордиенко Е.В. Пути снижения битумоемкости би-тумоминеральных композиций с заполнителем на основе керамзита // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 24-26.
8. Патент РФ 2603310. Дорожная одежда / Борисенко Ю.Г., Казарян С.О. Заявл.25.05.2015. Опубл. 27.11.2016. Бюл. № 33.
9. Патент РФ 2504612. Дорожная одежда / Борисен-ко Ю.Г., Лынник В.В., Борисенко А.Ю. Заявл. 05.06.2012. Опубл. 20.01.2014. Бюл. № 2.
10. Патент РФ 2470048. Битумоминеральная смесь / Печеный Б.Г., Галдина В.Д. Заявл. 30.05.2011. Опубл. 20.12.2012. Бюл. № 35.
References
1. Pechenyi B.G. Bitumy i bitumnye kompozitsii [Bitumens and bituminous compositions]. Moscow: Khimiya. 1990. 256 p.
2. Gezentsvei L.B., Gorelyshev N.V., Boguslavskii A.M., Korolev I.V. Dorozhnyi asfal'tobeton [Road asphalt concrete]. Moscow: Transport. 1985. 350 p.
3. Vysotskaya M.A., Kuznetsov D.A., Barabash D.E. Peculiarities of structure formation of bitumen-mineral compositions with the use of porous raw materials. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2014. No. 1-2, pp. 68-71. (In Russian).
4. Vysotskaya M.A., Kuznetsov D.A., Fedorov M.Yu. Quality assessment the of bitumen-polymer compositions with use of porous fillers. Dorogi i Mosty. 2012. No. 27/1, pp. 241-250. (In Russian).
5. Inozemtsev S.S., Korolev E.V. The choice of the mineral carrier of nanodimensional additive for asphalt concrete. Vestnik MGSU. 2014. No. 3, pp. 158-167. (In Russian).
6. BorisenkoYu.G., KazaryanS.O., SelimovM.A., Bori-senko O.A. Physico-chemical basis for the use of porous mineral powders in bituminous mineral compositions. Dorogi Imosty. 2016. No. 35/1, pp. 263-281. (In Russian).
7. Borisenko Yu.G., Lynnik V.V., Borisenko O.A., Gordienko E.V. Ways to reduce bitumen content of bitumen mineral compositions with a filler on the basis of claydite. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 5, pp. 24-26. (In Russian).
8. Patent RF 2603310. Dorozhnaya odezhda [Road surfacing]. Borisenko Yu.G., Kazaryan S.O. Declared 25.05.2015. Published 27.11.2016. Bulletin No. 33. (In Russian).
9. Patent RF 2504612. Dorozhnaya odezhda [Road surfacing]. Borisenko Yu.G., Lynnik V.V., Borisenko A.Yu. Declared 05.06.2012. Published 20.01.2014. Bulletin No. 2. (In Russian).
10. Patent RF 2470048. Bitumomineral'naya smes' [Bituminous mineral mixture]. Pechenyi B.G., Galdi-na V.D. Declared 30.05.2011. Published 20.02.2012. Bulletin No. 35. (In Russian).
22-25 января 20191 Красноярск
ПРИГЛАШАЕМ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ В XXVII СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ВЫСТАВКЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
АРХИТЕКТУРА
Итоги 2018
5 146 посетителей, 3 320 специалистов отрасли, 1 700 компаний.
175 экспонентов из России, Китая, Южной Кореи, Беларуси.
Совместно с выставкой строительной и складской техники
«ТехСтройЭкспо. Дороги»
Официальная поддержка:
[ ] 61 ] р h ^
МВДЦ «Сибирь», ул. Авиаторов, 19 +7 (391) 200-44-00 www.krasfair.ru
56
июнь 2018
J ®
