СОСТАВ ЦЕМЕНТОАСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
COMPOSITION OF CEMENT ASPHALT CONCRETE MIXTURE FOR ROAD-BUILDING PURPOSE

Изобретение относится к дорожно-строительным материалам и может быть использовано для устройства различных конструктивных слоев дорожных одежд.
Из уровня техники известны различные композиции дорожно-строительных материалов, предназначенных для использования в качестве дорожного покрытия.
Из уровня техники известны различные композиции строительного назначения, предусматривающих сниженное содержание цемента за счет замены его части минеральными материалами из отходов производств, предназначенных, в том числе, и для устройства конструктивных слоев автомобильных дорог.
2
Известен состав композиционного вяжущего (по патенту № 2658416 МПК C04B 7/19, C04B 14/26, C04B 22/08, C04B 111/20, опубл. 21.06.2018) для получения строительных материалов различного назначения, в котором около 50 % цемента заменяется на минеральную добавку, включающую: доменный гранулированный шлак – 32-40; карбонатную муку – 4-8; карбонат калия – 6,8 -10,8; сухой суперпластификатор – 0,2. При этом смесь подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов до удельной поверхности 510-560 м/кг. Несмотря на повышение физико-механических характеристик, композиционное вяжущее представляет собой много компонентную систему, к недостаткам которой следует отнести поиск и доставку нетрадиционного сырья для получения минеральной добавки, а так же затраты на механохимическую активацию.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является патент № 2436888 МПК Е01С 7/18, опубл. 2012.2011, (прототип). Состав цементоасфальтобетонной смеси включает: щебень фракции 5-20 мм – 48, песок – 41,5, портландцемент – 10,5, битумную эмульсию (сверх 100 % мин. части) – 1,0, вода – 4,2. Недостатком данной смеси является высокий расход цемента, обуславливающий высокую стоимость продукции.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является снижение количества цемента в составе материала при сохранении прочностных характеристик, таких, как: трещиностойкость по пределу прочности при растяжении при расколе; водостойкость; предел прочности при растяжении при изгибе; модуль деформации; модуль упругости; снижение прочности при попеременном замораживании оттаивании за 50 циклов.
Задача решается за счёт замены части цемента (25 %) на кислую топливную золу, выступающую в роли пуццолановой добавки.
Технический результат от использования предлагаемого состава цементоасфальтобетона с пониженным содержанием цемента состоит в том, что под воздействием различных видов нагружений, при различных условиях, прочностные характеристики заявляемого цементоасфальтобетона практически не изменяются.
Сущностью изобретения является то, что состав цементоасфальтобетона включает минеральную часть в виде щебня и песка, цемента, кислой топливной золы, а также битумную эмульсию и воду, при этом, кислая топливная зола составляет не более 25 % от массы цемента в составе эмульсии. Таким образом, состав цементоасфальтобетонной смеси имеет следующее соотношение компонентов, мас.% (Таблица 1): щебень гранитный фр. 5-20 мм – 48; песок – 41,5; композиционное цементное вяжущее – 10,5, включающее портландцемент – 7,3-8,9 и кислую топливную золу Троицкой ГРЭС – 1,6-3,2; битумная эмульсия – 1 (сверх 100%); водоцементное соотношение – 0,4; вода (сверх 100% минеральной части без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) – 4,2.
Таблица 1
Наименование компонента
Количество, %
Щебень
48
Песок
41,5
Портландцемент
7,3-8,9
Кислая топливная зола
1,6-3,2
Битумная эмульсия (сверх 100%)
1
Водовяжущее соотношение (без учета воды,присутствующей в битумной эмульсии)
0,40
Состав цементоасфальтобетона
Заявляемая смесь готовится известным способом:
Для приготовления цементоасфальтобетонной смеси используют раздельно-последовательную технологию, в соответствии с которой предварительно готовят смесь минеральных компонентов (песок, цемент, кислая топливная зола). В отдельном смесителе готовят черный щебень, т.е. щебень смешивают с битумной эмульсией. Затем затворяют водой предварительно подготовленную смесь минеральных компонентов, добавляют черный щебень и перемешивают.
Для экспериментальной проверки прочностных показателей состава цементоасфальтобетонной смеси были подготовлены 4 состава цементоасфальтобетонной смеси (Таблица 2); сравнение проводили с ранее указанным ближайшим аналогом (патент № 2436888), состав которого взяли в пределах, указанных в его описании, мас.%: щебень фракции 5-20 мм – 48, песок – 41,5, портландцемент – 10,5, битумная эмульсия (сверх 100 % мин. части) – 1,0, вода – 4,2.
Таблица 2
Наименованиекомпонентов
Соотношение компонентов в составе цементоасфальтобетона, %
Ближайший аналог
Состав №1
Состав №2
Состав №3
Состав №4
Щебень гранитный,фр. 5-20 мм
48,00
48,00
48,00
48,00
48,00
Песок
41,50
41,50
41,50
41,50
41,50
Портландцемент
10,50
8,90
8,40
7,90
7,30
Кислая зола Троицкой ГРЭС
–
1,60
2,10
2,60
3,20
Битумная эмульсия
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
Вода
4,2
4,2
4,2
4,2
4,2
Примечание:
- сумма минеральных компонентов смеси (100 %);
- битумная эмульсия (сверх 100 % минеральной части)
Вариативность составов цементоасфальтобетона в зависимости
от количества добавки для замены цемента
Физико-механические свойства определяли в соответствии с методиками ГОСТ 12801-98. Изготовленные образцы по прошествии 7 суток твердения в условиях абсолютной влажности испытывали на (таблица 3): предел прочности при растяжении при изгибе; водостойкость; модуль деформации; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов.
Таблица 3
Свойства
Наименование состава цементоасфальтобетона:
Ближайший аналог
Состав №1
Состав №2
Состав №3
Состав №4
Предел прочности на растяжениепри изгибе, МПа
3,84
3,81
3,65
3,79
2,99
Водостойкость
1,04
1,04
1,02
1,01
0,98
Модуль деформации, МПа:
1150
1130
1100
1110
940
Снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов, %
16,51
16,74
16,83
16,71
17,54
Характеристики цементоасфальтобетона с использованием кислой топливной золы Троицкой ГРЭС
Подготовка образцов и применяемое оборудование регламентируется ГОСТ 12801-98. Значения указанных характеристик цементоасфальтобетона определяли на образцах 4-х составов при следующем соотношении компонентов в составах:
1. Образцы, изготовленные из состава смеси № 1
(мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 8,9; зола Троицкой ГРЭС – 1,6; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,81 МПа; водостойкость – 1,04; модуль деформации – 1130 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,74 %.
2. Образцы, изготовленные из состава смеси № 2
(мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 8,4; зола Троицкой ГРЭС – 2,1; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 2,99 МПа; водостойкость – 1,02; модуль деформации – 1100 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,83 %.
3. Образцы, изготовленные из состава смеси № 3
(мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 7,9; зола Троицкой ГРЭС – 2,6; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,79 МПа; водостойкость – 1,01; модуль деформации – 1110 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,71 %.
4. Образцы, изготовленные из состава № 4
(мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 7,3; зола Троицкой ГРЭС – 3,2; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,79 МПа; водостойкость – 0,98; модуль деформации – 940 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 17,54 %.
Как видно из результатов испытаний образцов приведенных составов, отличием рассматриваемых составов является варьирование количеством пуццолановой добавки в виде кислой топливной золы Троицкой ГРЭС, введенной взамен части цемента в количестве 1,6 – 3,2 % от массы смеси минеральных компонентов (15 – 30 % от массы цемента с шагом 5 %), влияющее на прочностные показатели образцов (Таблица 2, 3).
Так, составы №1 - 4 содержат 8,9; 8,4; 7,9 и 7,3 % цемента и 1,6; 2,1; 2,6 и 3,2 % (т.е. 15, 20, 25 и 30 % от массы цемента) кислой топливной золы Троицкой ГРЭС соответственно (таблица 2).
Таким образом, были получены и испытаны образцы цементоасфальтобетона с учетом особенностей вяжущего гидратационного типа твердения под воздействием разных нагружений при различных условиях, в соответствии с ГОСТ 12801-98). Количество цемента варьируется от 7,3 до 8,9 %, а пуццолановой добавки в виде кислой топливной золы варьируется от 1,6 до 3,2 %, а соотношение других компонентов смеси оставалось неизменным.
Как показывают результаты экспериментов, наиболее эффективной концентрацией является 7,9 % цемента и 2,6 % кислой топливной золы Троицкой ГРЭС (Таблица 2, состав № 3), когда прочностные характеристики образцов цементоасфальтобетона достигают максимальных значений по сравнению с прототипом (Таблица 3).
Предложенный состав смеси позволяет достигнуть заявленного результата (снижение количества потребляемого цемента, без снижения прочностных характеристик цементоасфальтобетона) за счет того, что взамен части цемента используется пуццолановая минеральная добавка в виде кислой топливной золы Троицкой ГРЭС в количестве 1,6 – 3,2 % от массы минеральных компонентов (или 15 – 30 % от массы портландцемента). Это позволяет снизить количество цемента в составе цементоасфальтобетонной смеси, при этом характеристики цементоасфальтобетона практически не изменяются.
2
Роль топливной золы заключается в ее химической (пуццолановой) активности. При оптимальном соотношении в системе «цемент+минеральная добавка» компоненты кислой топливной золы, представленные в основном аморфной фазой, вступают в реакцию с продуктами гидратации цемента (Са(OH)), связывая их в устойчивые гидратные фазы. Данное обстоятельство способствует достижению необходимых прочностных показателей конструктивных слоев из цементоасфальтобетона при сниженном содержании цемента.
В результате экспериментов, установлено, что достижение необходимых прочностных показателей цементоасфальтобетона на основе заявленного состава цементоасфальтобетонной смеси возможно за счет состава (таблица 4), степени дисперсности и активности (индекс активности по ГОСТ 25818-2017) (таблица 5) кислой топливной золы Троицкой ГРЭС, позволяющих сохранить прочность цементного вяжущего.
Таблица 4
Содержание, %
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SO<sub>3</sub>
MgO
Na<sub>2</sub>O
K<sub>2</sub>O
п.п.п.
пр.
62,53
28,75
0,61
4,10
0,21
1,06
1,05
0,29
4,95
1,40
Химический состав кислой топливной золы Троицкой ГРЭС
Таблица 5
Наименованиепоказателя
Нормируемые значения для зол IV вида по ГОСТ 25818-2017
Фактические
Удельная поверхность по ПСХ, м<sup>2</sup>/кг
> 300
495
Индекс активности на 28 сут.
≥ 75
84
Индекс активности на 90 сут.
≥ 85
95
Физико-механические свойства кислой топливной золы Троицкой ГРЭС
Согласно анализу научно-технической литературы, использование реакционно активных зол в системе «цемент – зола» в разных случаях позволяет улучшить удобоукладываемость бетонных смесей, их прочностные характеристики, снизить стоимость бетона за счет замены части цемента и повысить его долговечность. Для замены части цемента используется кислая топливная зола Троицкой ГРЭС в количестве 15 – 30 % от массы цемента в составе цементоасфальтобетонной смеси. Использование указанной золы в качестве пуццолановой добавки позволяет при сниженном количестве цемента сохранять активность вяжущего, что дает возможность получать композиционный материал с показателями прочности близкими к показателям образцов состава без добавки. Следует отметить, что топливная зола используется в том виде в котором поступает с производства и, в данном случае, не требует дополнительной активации. Введение большего количества активной минеральной добавки в виде кислой топливной золы приводит к значительной потере активности вяжущего, выражающейся в снижении прочностных показателей. Введение меньшего количества активной минеральной добавки не позволит добиться необходимой активности вяжущего ввиду сниженного его количества и недостаточной концентрации пуццоланового компонента.
Предложенный состав смеси позволяет достигнуть заявленного результата – снижение количества цемента без потери прочности.
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.