Статьи

Стабилизирующие добавки для щебеночно-мастичных асфальтобетонов на основе высокодисперсных пористых минеральных материалов

English version -->        Русская версия -->

Проведен анализ исследований перспектив применения пористых порошковых минеральных материалов в качестве стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. Исследовано взаимодействие высокодисперсного дробленного керамзитового порошка с битумным вяжущим.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлена эффективность применения керамзитового порошка в качестве стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичных асфальтобетонов, позволяющей успешно решать проблему сегрегации смеси. Выявлено, что модификация ЩМА керамзитовым порошком позволяет повысить прочностные свойства, теплостойкость и водостойкость битумоминерального материала.

Показано влияние высокодисперсного пористого минерального порошка на устойчивое повышение трещиностойкости, морозостойкости и сдвигоустойчивости ЩМА. В ходе исследований реологических характеристик щебеночно-мастичных асфальтобетонов выявлено, что структура разработанных модифицированных ЩМА позволяет обеспечить максимальную жесткость при трехосном сжатии и сдвиге и одновременно максимальную податливость и высокую деформативность покрытия из предложенного материала при растяжении.

I.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Одним из наиболее перспективных материалов для устройства покрытий автомобильных дорог в настоящее время является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). ЩМА обладает следующими важными преимуществами в сравнении с традиционными плотными асфальтобетонами: повышенными водонепроницаемостью, трещиностойкостью, сдвигоустойчивостью и теплостойкостью, высокими износостойкостью и устойчивостью к старению.

Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси (ЩМАС) отличаются повышенным содержанием битума и фракционированного щебня (порядка 70-80 % по массе), который должен обладать улучшенной (преимущественно кубовидной) формой зерен для создания максимально устойчивого каркаса в уплотненном слое покрытия. Крупный щебень образует жесткую каркасную структуру материала, что обеспечивает эффективную передачу нагрузок на нижележащие слои дорожной одежды.

Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси приготавливают и транспортируют к месту укладки при повышенных температурах (порядка 160-170 оС). Укладка  в дорожное покрытие таких смесей осуществляется также при повышенных при температурах – порядка 145-150 оС. При таких высоких технологических температурах повышенное содержание битума приводит к неизбежному расслоению смеси и стеканию вяжущего с поверхности каменного минерального материала.

Кроме того, в процессе эксплуатации покрытий из ЩМА при определенных условиях создаются предпосылки к возникновению битумных пятен и колейности, что снижает прочность, сдвигоустойчивость дорожных одежд и сокращает межремонтные сроки эксплуатации дорог. В таких условиях для обеспечения однородности щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей и предотвращения негативных процессов, описанных выше, применяются стабилизирующие добавки.

Наибольшее распространение для изготовления стабилизирующих добавок ЩМАС получили материалы на основе целлюлозы, асбеста, резины, полимеров. Одними из самых востребованных являются добавки на основе целлюлозы (около 90 % всех применяемых добавок). Они выпускаются как в виде волокон (TECHOCEL), так и в виде гранул (Viatop, GENICEL, TOPCEL). Так же, при производстве ЩМА, используют: ХРИЗОТОП – гранулы на основе асбеста; UNIREM – резиновый модификатор; DOLANIT – модификатор на основе высокопрочных акриловых волокон.

Основной объем применяемых стабилизирующих добавок импортируется из-за рубежа. Высокая стоимость применяемых на сегодняшний день добавок актуализирует поиск новых эффективных и недорогих стабилизаторов для снижения стекаемости вяжущего в ЩМАС. 

Отечественные и зарубежные ученые активно ведут исследования по разработке добавок, снижающих показатель стекания (В) и повышающих качество щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. В настоящее время для удешевления стоимости щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей исследуются возможности введения в их составы различных отходов промышленности [1-4].

В работах [5, 6] в качестве стабилизирующих добавок для ЩМА предлагается использовать волокнистые отходы промышленности или картон. В последнее время появилось большое количество публикаций, посвященных исследованиям применения стабилизирующих добавок на основе резины и различных полимеров для модификации битумного вяжущего ЩМАС [7, 8] и др.

Имеется ряд работ, в которых для улучшения свойств ЩМА предлагается использовать различные нано модификаторы смеси [9, 10]. Определенный интерес в настоящее время представляют битумоминеральные композиции с применением высокопористых тонкодисперсных минеральных порошков.

Согласно экспериментальных исследований, применение пористых порошков на основе  керамзита, перлита, вермикулита в битумоминеральных композициях позволяет повысить ряд физико-механических и эксплуатационных свойств.

Так, в работе [11] проанализировано влияние ряда пористых наполнителей на свойства асфальтовяжущих. Выявлено определяющее влияние пористости минеральных порошков на их структурирующую способность по отношению к битуму и доказана эффективность использования пористых минеральных порошков с высоким содержанием кислотных центров для создания плотных структур асфальтобетонов.

В работах [12, 13] исследовано битумное вяжущее, модифицированное вспученным вермикулитом и вулканическим пеплом. Полученные результаты указывают, что включение в состав асфальтовяжущего данных материалов повышает тепло- и трещиностойкость. Введение вспученного вермикулита в битум позволяет получить вяжущее с расширенным интервалом пластичности. 

Анализ этих работ позволяет предположить, что применение тонкодисперсных пористых минеральных материалов в составах щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей может оказать положительное влияние на улучшение свойств асфальтовяжущего и позволит повысить сегрегационную устойчивость ЩМА-смесей, физико-механические и эксплуатационные свойства ЩМА.

II. МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В представленной работе рассмотрено влияние тонкодисперсного керамзитового порошка на структуру и свойства асфальтовяжущих щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, а также на их технологические параметры ЩМА-смесей, физико-механические, эксплуатационные и реологические показатели ЩМА различных марок. 

В экспериментальных исследованиях использовали следующие материалы: щебень кубовидной формы из плотных горных пород, песок из отсевов дробления, активированный минеральный порошок, нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90, стандартные стабилизирующие добавки Viatop-66, керамзитовый порошок. Высокодисперсный керамзитовый порошок получали путем измельчения керамзита марки 600 в лабораторной шаровой мельнице и отбором фракций менее 0.16 мм. Свойства керамзитового порошка следующие: удельная масса – 2.57 г/см3, удельная поверхность – 5280 см2/г, насыпная плотность – 0.88 г/см3, пористость – 36 %.

Влияние керамзитового порошка на свойства асфальтовяжущих оценивали по изменению показателей пенетрации и температуры размягчения  асфальтовяжущего на основе смеси из битума, активированного известнякового минерального порошка и керамзитового порошка (при их оптимальном соотношении), и сравнивали со свойствами асфальтовяжущего на стандартном наполнителе (активированном известняковом минеральном порошке) (см. таблица I). 

Были проведены экспериментальные исследования возможности применения высокодисперсных отсевов дробления керамзита в качестве стабилизирующей добавки ЩМАС, а также определение их влияния на свойства ЩМА. Запроектированы и приготовлены смеси щебеночно-мастичных асфальтобетонов ЩМА-15 (см. таблица II), модифицированные керамзитовым порошком, который в оптимальном количестве вводился в составы ЩМА. Для сравнения испытывали образцы щебеночно-мастичных асфальтобетонов ЩМА-15 с использованием стандартных стабилизирующих добавок Viatop-66 (см. таблица II). Испытания образцов исследуемых ЩМА проводились в соответствии с ГОСТ Р 31015-2002 и ГОСТ 12801-98.

С целью выявления особенностей напряженно-деформированного состояния ЩМА при различных эксплуатационных температурах были проведены реологические исследования предложенных составов (по известной методике Я. Н. Ковалева). Испытывали цилиндрические образцы щебеночно-мастичных асфальтобетонов ЩМА-15 размерами 71.5×71.5 мм, модифицированных керамзитовым порошком. Для сравнения испытывали стандартные ЩМА со стабилизирующей добавкой Viatop-66.

Образцы подвергались испытанию на сжатие при различных температурах. Для расчета реологических характеристик измеряли геометрические параметры образцов (высоту и диаметр) до и после испытания, а также фиксировали предел прочности при сжатии. Скорость движения плиты пресса при испытании принимали ν = 0.05 см/с. В ходе экспериментальных исследований определяли следующие реологические параметры исследуемых ЩМА: коэффициент вязкости  , время релаксации  , время ретардации  , модули упругости Е. Результаты испытаний представлены в таблице III.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты испытаний влияния керамзитового порошка на свойства асфальтовяжущих представлены в таблице I. 

Согласно полученным данным (таблица I), включение в асфальтовяжущее высокодисперсного керамзитового порошка приводит к снижению показателя пенетрации и повышению температуры размягчения. Это обуславливается повышением вязкости и теплостойкости вяжущего, что может положительно повлиять на снижение стекаемости битума в ЩМАС. 

Определяющим фактором, влияющим на увеличение вязкости асфальтовяжущего на основе высокопористых наполнителей, очевидно, является избирательная фильтрация легких компонентов битумного вяжущего (масел, ароматических углеводородов) в соизмеримые по размерам микропоры минерального материала.

Таблица 1

В результате избирательной фильтрации происходит структурное изменение органического вяжущего, изменение состава и количества различных по молекулярному весу и реакционной способности соединений, входящих в состав битума.

Избирательная фильтрация обуславливает повышение концентрации в вяжущем более тяжелых и активных компонентов битума, таких как асфальтены и смолы, а также наиболее активных соединений: асфальтогеновых кислот и их ангидридов. Это определяет изменение структуры и свойств битума и, соответственно, асфальтовяжущего, при этом повышаются физико-химическая и химическая активность на границе раздела фаз битум – минеральный материал. Кроме того, повышенная удельная поверхность и развитая пористость керамзитового порошка также могут способствовать обеспечению высокой сорбирующей способности.

Результаты испытаний физико-механических и эксплуатационных свойств ЩМА представлены в таблице II.  В результате исследований физико-механических и эксплуатационных свойств ЩМА установлено, что пористость минеральной части, остаточная пористость и водонасыщение исследуемых ЩМА полностью соответствуют требованиям ГОСТ. Водонасыщение W  модифицированных керамзитовым порошком ЩМА, характеризующее открытую пористость материала, несколько выше, чем у стандартных составов и также отвечает нормативным требованиям.

Водостойкость оценивали по коэффициентам водостойкости kв и коэффициентам водостойкости при длительном водонасыщении kвд. Показатели водостойкости ЩМА с предложенной добавкой (таблица II) значительно превышают аналогичные показатели для ЩМА с добавкой Viatop-66. Следует отметить, что на повышение водостойкости положительно влияет применение более высокомодульного минерального заполнителя в составе ЩМАС.

Применение керамзитового порошка эффективно влияет на стабильность исследуемых ЩМА-смесей. Показатели стекаемости (В) модифицированных смесей хотя и несколько выше аналогичных показателей смесей со стандартной добавкой Viatop-66, но полностью соответствуют требованиям стандарта.

Анализируя полученные данные (таблица II), необходимо отметить, что включение в состав ЩМА-смесей керамзитового порошка способствует повышению прочности (R20) и теплостойкости (R50) ЩМА. Так же стоит отметить повышенные показатели трещиностойкости и сдвигоустойчивости модифицированных ЩМА, что обусловлено особенностями физико-химического взаимодействия органического вяжущего с пористым материалом.

На повышение трещиностойкости ЩМА также оказывает влияние некоторое снижение внутренних температурных напряжений в результате применения пористых порошковых материалов.

Таблица 2

При использовании в составе модифицированных ЩМАС более высокомодульного крупного минерального заполнителя обеспечивается более высокое сопротивление сдвиговым деформациям получаемого покрытия, что отражается в увеличении коэффициента внутреннего трения и повышении показателя сцепления при сдвиге.

Результаты реологических испытаний ЩМА представлены в таблице III. Согласно полученным данным, ЩМА-15, модифицированные керамзитовым порошком при низких температурах обладают меньшей вязкостью и меньшим временем релаксации напряжений, чем составы со стабилизирующей добавкой Viatop-66. Следовательно, модифицированные составы при отрицательных температурах обладают большей деформативностью, меньшей хрупкостью, то есть более трещиностойки. 

Выявлено, что при высоких эксплуатационных температурах вязкость ЩМА-15, модифицированных керамзитовым порошком, выше, чем у стандартных составов ЩМА-15. При повышении вязкости асфальтобетона увеличивается его теплостойкость и сдвигоустойчивость.

Время релаксации напряжений модифицированных ЩМА выше, чем у стандартных составов, следовательно, снижается вероятность появления пластических деформаций при высоких эксплуатационных температурах.

Таблица 3

Изменение структуры битума в ЩМАС, за счет введения керамзитового порошка, обеспечивает повышение структурно-механических характеристик материала, в частности: увеличение модуля упругости Е и некоторое снижение деформативности ЩМА при эксплуатационных температурах. 

IV.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований асфальтовяжущих ЩМА выявлено, что применение керамзитового порошка в щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесях позволяет эффективно сорбировать битумное вяжущее в смеси, что дает возможность использовать предложенный материал в качестве стабилизирующей добавки. 

Исследованиями физико-механических и эксплуатационных свойств ЩМА установлено, что включение керамзитового порошка в состав щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси способствует повышению прочности, теплостойкости и водостойкости. Наличие высокодисперсных отсевов дробления пористого наполнителя в ЩМАС снижает внутренние температурные напряжения материала дорожного покрытия, и тем самым, способствует повышению трещиностойкости и морозостойкости. 

Анализ исследований реологических характеристик щебеночно-мастичных асфальтобетонов выявил следующее: при отрицательных эксплуатационных температурах ЩМА, модифицированные керамзитовым порошком, обладают более высокой трещиностойкостью и низкой хрупкостью по сравнению со стандартными ЩМА со стабилизирующей добавкой Viatop-66, а при высоких эксплуатационных температурах – имеют повышенную сдвигоустойчивость, теплостойкость и сопротивление к возникновению пластических деформаций.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: структура разработанных модифицированных ЩМА в зависимости от напряженно-деформированного состояния оптимально сочетает максимальную жесткость при трехосном сжатии и сдвиге и одновременно максимальную податливость и высокую деформативность при растяжении.

Указанные реологические свойства асфальтобетона особенно важны для обеспечения сдвигоустойчивости, трещиностойкости и долговечности дорожных покрытий в условиях реального напряженно-деформированного состояния конструктивных слоев дорожных покрытий при эксплуатации.

Кроме того, одним из важных аспектов проведенного исследования является и тот факт, что возможность замены дорогостоящих зарубежных стабилизирующих добавок на предложенные  на основе местных пористых минеральных материалов, будет способствовать снижению стоимости щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, что в сложившейся сложной экономической ситуации в России и с учетом проводимой против нашей страны международной санкционной политики будет способствовать решению задач по импортозамещению в очень материалоемкой отрасли –индустрии производства дорожно-строительных материалов.

Казарян С.О.
Кафедра “Строительство”
Северо-Кавказский федеральный университет
Ставрополь, Россия
sam23otr@mail.ru

Борисенко Ю.Г.
Кафедра “Строительство”
Северо-Кавказский федеральный университет
Ставрополь, Россия 
 
Лукьяненко В.В.
Автономная некоммерческая организация в области технического регулирования и подтверждения соответствия в строительстве “Исследователь”
Краснодар, Россия

Воробьев Д.А.
Кафедра “Строительство”
Северо-Кавказский федеральный университет
Ставрополь, Россия

Рудак С.В.
Кафедра “Строительство”
Северо-Кавказский федеральный университет
Ставрополь, Россия

Швачев Д.П.
Кафедра “Строительство”
Северо-Кавказский федеральный университет
Ставрополь, Россия

Азан Р.М.
Кафедра “Строительство”
Северо-Кавказский федеральный университет
Ставрополь, Россия

ИСТОЧНИКИ

[1]    E. Ahmadinia, M. Zargar, M. Karim, M. Abdelaziz, P. Shafigh, “Using waste plastic bottles as additive for stone mastic asphalt”, Materials & Design, vol. 32, pp. 4844-4849, December 2011.
[2]    A. Karakuş, “Investigating on possible use of Diyarbakir basalt waste in Stone Mastic Asphalt”, Construction and Building Materials, vol. 25, pp. 3502-3507, August 2011.
[3]    E. Ahmadinia, M. Zargar, M. Karim, M. Abdelaziz, E. Ahmadinia, “Performance evaluation of utilization of waste Polyethylene Terephthalate (PET) in stone mastic asphalt”, Construction and Building Materials, vol. 36, pp. 984-989, November 2012.
[4]    S. Fernandes, H. Silva, J. Oliveira, “Recycled stone mastic asphalt mixtures incorporating high rates of waste materials”, Construction and Building Materials, vol. 187, pp. 1-13, October 2018.
[5]    В.В. Ядыкина, Н.П. Куцына, “Применение волокнистых отходов промышленности в производстве щебеночно-мастичных асфальтобетонов ”, Строительные материалы, вып. №5, С. 28–29, 2007.
[6]    V. Yadykina, S. Tobolenko, A. Trautvain, A. Zhukova, “The Influence of Stabilizing Additives on Physical and Mechanical Properties of Stone Mastic Asphalt Concrete”, Procedia Engineering, vol. 117, pp. 376-381, 2015.
[7]    H. Nguyen, T. Tran, “Effects of crumb rubber content and curing time on the properties of asphalt concrete and stone mastic asphalt using dry process”, International Journal of Pavement Research and Technology, vol. 11, pp. 236-244, May 2018.
[8]    A. Liphardt, J. Król, P. Radziszewski, “Influence of Polymer Modified Binder Content from RAP on Stone Mastic Asphalt Rutting Resistance”, Procedia Engineering, vol. 153, pp. 407-413, 2016.
[9]    A. Chelovian, G. Shafabakhsh, “Laboratory evaluation of Nano Al2O3 effect on dynamic performance of stone mastic asphalt”, vol. 10, pp. 131-138, March 2017.
[10]    M. Ameri, R. Mohammadi, M. Vamegh, M. Molayem, “Evaluation the effects of nanoclay on permanent deformation behavior of stone mastic asphalt mixtures”, Construction and Building Materials, vol. 156, pp. 107-113, December 2017.
[11]    4. М.А. Высоцкая, Д.К. Кузнецов, Д.Е Барабаш, “Особенности структурообразования битумо-минеральных композиций с применением пористого сырья ”, Строительные материалы, вып. №1-2, С. 68–71, 2014.
[12]    6. Л.Е. Свинтицких, Т.Н. Шабанова, А.А. Клюсов, В.Н. Агейкин, “ Влияние дисперсности вспученного вермикулита на свойства битумного вяжущего и асфальтобетона”, Строительные материалы, вып. №9, С. 32–33, 2004.
[13]    X. Liu, M. Zhang, L. Shao, Z.Chen, “Effect of volcanic ash filler on thermal viscoelastic property of SBS modified asphalt mastic”, Construction and Building Materials, vol. 190, pp. 495-507, November 

English version -->        Русская версия -->