Дорожный асфальтобетон на основе модифицированного битумного вяжущего

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

1

УДК 625.856

ДОРОЖНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО

Николаева Лира Александровна к.т.н., с.н.с.

Буренина Ольга Николаевна к. т.н., в. н.с.

Попов Савва Николаевич д.т.н.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем нефти и газа СО РАН, Якутск, Россия

В работе представлены данные по разработке технологии модификации битума механоактивированными органо-минеральными добавками, обеспечивающими значительное повышение прочности и водостойкости асфальтобетона

Ключевые слова: АСФАЛЬТОБЕТОН,

МОДИФИКАЦИЯ БИТУМА,

МЕХАНОАКТИВАЦИЯ, ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЖАТИИ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время в дорожном строительстве остро стоит вопрос разработки и внедрения в практику асфальтобетонов улучшенного

качества, способных обеспечивать более высокую прочность,

долговечность дорожных покрытий. Важным условием работоспособности асфальтобетонных покрытий для регионов с холодным климатом, к которым относится Республика Саха (Якутия), является высокая устойчивость к воздействию низких температур (до -60о С), суточных и сезонных температурных циклов, максимальное сопротивление

усталостным разрушениям.

Важнейшим составляющим асфальтобетона является связующее, от качества которого зависят не только технические и эксплуатационные характеристики дорожного полотна, но и стоимость его устройства. В настоящее время для укладки асфальтобетонных покрытий используются высокомарочные дорожные битумы, которые хоть и отвечают требованиям

UDC 625.856

ROAD ASPHALT CONCRETE ON THE BASIS OF THE MODIFIED BITUMEN KNITTING

Nikolaeva Lira Aleksandrovna Cand.Tech.Sci., senior researcher

Burenina Olga Nikolaevna Cand.Tech.Sci., leading researcher

Popov Savva Nikolaevich Dr.Sci.Tech.

Science federal state budgetary institution Institute of Oil and Gas problem of SB RAS,

Yakutsk, Russia

The article presents the data of the development of the technology of bitumen modification of mechanically activated organic and mineral supplements that provide a significant increase in strength and water resistance of asphalt

Keywords: ASPHALT CONCRETE, UPDATING OF BITUMEN, MECHANICAL ACTIVATION, COMPRESSIVE STRENGTH OF MATERIALS

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

2

ГОСТ, но эксплуатационные характеристики и долговечность дорожного покрытия из них остаются крайне невысокими. Одним из существенных недостатков производимых битумов является их низкая адгезия к поверхности связываемых материалов, приводящая, в свою очередь, к сокращению срока службы конструкций.

Анализ опыта применения модификаторов для улучшения качества битумов показал, что для повышения реологических и физикомеханических характеристик битумов и асфальтобетонов, таких как водо-и морозостойкость, прочность, пластичность и упругость обычно используют различные виды полимеров, синтетические каучуки, резиновую крошку, катионные и анионные поверхностно-активные вещества, адгезионные добавки, которые в большинстве своем являются не только канцерогенными веществами, оказывают негативное влияние на здоровье операторов производства и укладки асфальтобетонной смеси, но и значительно увеличивают стоимость и без того дорогостоящих битумов [1-2].

В связи с этим появляется острая необходимость применять при проектировании объектов новые технические решения и технологии, которые направлены на снижение затрат на проведение строительных и ремонтно-восстановительных работ, увеличение сроков эксплуатации. Поэтому создание стойких к растрескиванию, старению и атмосферным воздействиям долговечных битумов и асфальтобетонов на их основе является актуальной и своевременной задачей.

Одним из наиболее эффективных методов улучшения свойств связующего, позволяющим оптимизировать основные технологические свойства в направлении повышения адгезионной активности и механической устойчивости, является структурно-химическая

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

3

модификация связующего путем введения активированных органоминеральных наполнителей.

Технология изготовления асфальтобетонов из модифицированных связующих не отличается от принятой на асфальтобетонных заводах, однако возможно снижение температуры приготовления смеси и при этом свойства разработанных модифицированных асфальтобетонов не будут уступать традиционным, а при направленном выборе технологических режимов и оптимальных рецептур возможно и их улучшение.

Исследования проводились на традиционном щебне 20-40 мм производства ОАО Производственное объединение «Якутцемент», полученный на дробильно-сортировочной фабрике (ДСФ) по производству товарного щебня. В качестве связующего применялся битум марки БНД 90/130.

С целью улучшения адгезионной способности системы «щебень-связующее» в качестве структурно-активных добавок были выбраны природные сорбенты - бурый уголь, сапропель.

Предпосылкой использования дисперсных веществ органического и минерального происхождения в качестве модифицирующих добавок при наполнении связующего вещества в технологии получения асфальтобетонов, помимо обширной сырьевой базы и дешевизны, являлись их специфические свойства, обусловленные повышенной удельной поверхностью, развитой поровой структурой, а также высокими адсорбционными характеристиками. Наличие указанного комплекса свойств и характеристик перспективно для существенного снижения себестоимости производства и улучшения свойств асфальтобетонов.

Для усиления структурной активности наполнители перед введением в связующее высушивались при 110°С для удалении части остаточной влаги и подвергались механической активации на планетарной мельнице

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

4

АГО-2. При механической активации одновременно с диспергированием и увеличением удельной поверхности частиц происходит их перевод в высоковозбужденное состояние, характеризуемое повышенными значениями поверхностной энергии [3].

Изучение текстурных характеристик наполнителей методом одноточечного БЭТ показывает, что активированные наполнители характеризуются меньшим размером частиц, повышением удельной поверхности, а также увеличением количества пор, о чем можно судить по изменениям удельного объема пор, по сравнению с наполнителями в неактивированном состоянии и это будет способствовать усилению адсорбционных свойств и увеличению адгезионного взаимодействия в граничных областях асфальтобетонной смеси (табл.1).

Таблица 1 - Текстурные характеристики наполнителей

Показатели Неактивированный Активированный

сапропель уголь сапропель уголь

Удельный объем пор, см3/г 0,002 0,013 0,012 0,14

Удельная геометр ическая поверхность, м2/г 1,257 2,704 7,156 5,440

Приготовление предлагаемой асфальтобетонной смеси не требует дополнительных устройств и приспособлений. Смесь легко получается смешением входящих в ее состав ингредиентов на стандартном оборудовании, имеющемся на асфальтобетонных заводах.

Технология получения связующей композиции заключалась в механоактивации предварительно высушенных при 110°С и измельченных органо-минеральных наполнителей в планетарной мельнице АГО-2 в течение 1-10 мин и последующем соединении с предварительно нагретым

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

5

при 120°С битумом в количестве от 5 до 20мас.%. В предварительно нагретый при 110°С и измельченный известняковый щебень (размер фракции 0-5 мм) вводится приготовленная связующая композиция и смесь перемешивается при температуре 140 - 150oC до образования однородной смеси. Давление на уплотняемую смесь составляло 40 МПа, выдержка -3,0±0,1 мин. По истечении 3-х суток образцы были готовы для проведения испытаний.

Исследования механических свойств асфальтобетонов показали, что прочность при сжатии образцов повышается с увеличением количества вводимого битума до 7 мас.%, а затем снижается (рис.1). Значение прочности при сжатии асфальтобетонных образцов достигает 1,8 МПа, что не соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009 и характеризует низкое качество товарного битума, поэтому для достижения требуемых показателей необходима его модификация.

Рисунок 1. Зависимость прочности композиции (при соотношении щебень:

связующая композиция 93:7 мас.%)

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

6

Введение органо-минерального наполнителя в связующее положительно сказывается на прочностные свойства асфальтобетонов. Показано, что с увеличением концентрации наполнителя в битуме происходит увеличение прочности в 1,5 раза по сравнению с образцами, содержащими исходный битум. При введении 10 мас.% наполнителя прочность увеличивается в случае использования сапропеля - 1,3 раза, бурого угля -1,6 раза.

Положительный эффект влияния наполнителя на прочностные характеристики асфальтобетонов, вероятно, объясняется улучшением адгезионных взаимодействий на границе «щебень-связующее» за счет повышения содержания асфальтенов и смол, уменьшения содержания масел в связующей композиции.

Показано, что увеличение концентрации наполнителя до 20 мас.% в битуме приводит к резкому падению прочности асфальтобетонов. Причиной выраженной инактивности структурно-активных наполнителей при больших концентрациях, вероятно, связано с ослаблением адгезионных связей на границе «щебнь-связующее», по сравнению с составами, содержащими небольшое количество наполнителя, создающего условия для релаксационных процессов в тонких прослойках дисперсионной среды. Данное обстоятельство не только влияет на прочность асфальтобетонов, но и определяет оптимальное содержание связующего.

Таким образом, показано, что введение органо-минеральных добавок вносит существенный вклад в упрочнение асфальтобетонов Показана взаимосвязь состава и прочностных характеристик: максимальное упрочнение обеспечивается при использовании состава, содержащего 93 мас.% щебня, 7 мас.% битума и наполнителя (10 мас.% от массы связующей композиции).

Результаты исследования влияния активации наполнителей в

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

7

планетарной мельнице АГО-2 и продолжительности ее воздействия на прочностные свойства асфальтобетонов приведены на рис. 2.

Рисунок. 2. Зависимость прочности при сжатии асфальтобетонов от

продолжительности активации наполнителя связующей композиции

Из рис.2. видно, что введение в связующее активированного наполнителя приводит к существенному улучшению прочности при сжатии образцов, по сравнению с образцами, содержащими

необработанный наполнитель. Установлено оптимальное время механоактивации органо-минеральных наполнителей, равное 2 мин, позволяющее достичь максимального повышения прочности при сжатии асфальтобетонов, обеспечивающее получение частиц критического размера, необходимых для активных процессов структурообразования асфальтобетонов. Прочность увеличивается в 1,1 - 1,4 раза по сравнению с асфальтобетонами, содержащими неактивированный наполнитель той же концентрации, что, по-видимому, обусловлено переходом наполнителей в метастабильное состояние, характеризуемое повышением поверхностной энергии частиц в ходе операции активирования.

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

8

Превышение оптимального времени активации в планетарной мельнице АГО-2 до 5 мин приводит к существенному диспергированию исходных наполнителей с образованием высокодиспергированных порошков, которые легко агломерируются, что и приводит к уменьшению прочностных характеристик асфальтобетонов. Агломерированные частицы наполнителя проявляют меньшую активность в процессах структурообразования асфальтобетонов вследствие снижения поверхностной энергии частиц.

Для разработанных асфальтобетонных смесей: 1) щебень 93 мас.% + битум 7 мас.% +акт. сапропель (10 мас.% от массы связующей композиции); 2) щебень 93 мас.% + битум 7 мас.% +акт. бурый уголь (10 мас.% от массы связующей композиции) определены следующие

основные физико-механические характеристики: средняя плотность,

остаточная пористость, водонасыщение, прочность при сжатии.

Таблица 2 - Основные технические характеристики асфальтобетонов

Наименование смеси pm, г/см3 , % W, % ^,, МПа Ещ, МПа

0°С 20°С 50°С

Щебень 93 мас.% +битум 7 мас.% 2,42 10,25 0,59 10,4 546 18 230 09 101

Щебень 93 мас.% + битум7мас.%+ акт. сапропель (10 мас.% от массы с.к.) 2,10 8,56 0,34 10,8 657 29 371 1,3 145

Щебень 93 мас.% + битум 7мас.% + акт. бурый уголь (10 мас.% от массы с.к.) 2,10 8,96 0,35 157 956 4,2 537 28 314

ГОСТ 9128-2009 - - - 9,0 25 10

Примечание: рт -средняя плотность; -остаточная пористость; W -

водонасыщение; - прочность при сжатии; Em -модуль упругости, МПа

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

9

Полученные данные свидетельствуют о том, что введение в битум активированного бурого угля и сапропеля приводит к значительному улучшению технических характеристик разработанных асфальтобетонов. Так, значение прочности при сжатии образцов при содержании активированного бурого угля в битуме повышается в 2,3 раза, активированного сапропеля в битуме - 1,6 раз по сравнению с образцами, содержащими исходный битум. Плотность образцов уменьшается, но не значительно. Водопоглощение образцов асфальтобетонов с

модифицированным связующим в 1,7 раза ниже, чем у исходных образцов. Остаточная пористость образцов асфальтобетонов с исходным битумом равна 10,25%, тогда как с модифицированным связующим - всего 8,56 и 8,96%. Значение модуля упругости образцов асфальтобетонов с модифицирующим связующим, при 20о С равно 371 МПа и 537 МПа, что больше значения модуля упругости образцов с исходным связующим на 1,6 и 2,4 раза соответственно.

Таким образом, на основании проведенных исследований показана перспективность применения активированных органо-минеральных наполнителей (бурого угля, сапропеля) с высокой удельной поверхностью частиц и адсорбционной способностью в качестве структурно-активных добавок для создания дорожных покрытий с улучшенными техническими характеристиками; разработаны оптимальные рецептуры и технология производства асфальтобетонов с высоким уровнем физико-механических свойств.

Полученные результаты создают хорошую предпосылку для организации промышленного внедрения в дорожной отрасли.

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf

Научный журнал КубГАУ, №85(01), 2013 года

10

Список использованной литературы

1. Копылов В.Е., Николаева Л.А. Повышение качества асфальтобетона за счет использования модифицированного нефтяного вяжущего // Живые системы и конструкционные материалы в условиях криолитозоны. Сб. тр. Всеросс. науч.-пр. конф. Якутск: Изд-во СВФУ, 2011. С. 304-307.

2. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон. -М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2008. 117 с.

3. Николаева Л.А. Брикетирование бурого угля с использованием

модифицированного гудрона: Дисс. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2011. 135 с.

http://ej.kubagro.ru/2013/01/pdf/35.pdf