Асфальтобетон на основе битумного вяжущего с добавкой модифицированного кремнезема

А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, А. И. Юсупов,

И. Н. Дияров

АСФАЛЬТОБЕТОН НА ОСНОВЕ БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО С ДОБАВКОЙ МОДИФИЦИРОВАННОГО КРЕМНЕЗЕМА

Ключевые слова: асфальтобетон, битумное вяжущее, модифицированный кремнезем,

прочность, водонасыщение.

В статье представлены результаты экспериментальных исследований влияния модифицированного кремнезема на адгезионные свойства битумного вяжущего и на основные эксплуатационные свойства асфальтобетона на основе этого вяжущего, а именно на его прочность и водонасыщение.

Keywords: аsphalt concrete, bitumen binder, modified silica, durability, water saturation.

The article presents the results of experimental study of modified silica influence to adhesive properties of bitumen binder and to the main performance properties of asphalt concrete on basis of this binder, particularly, to it’s durability and water saturation.

Дорожная одежда представляет собой твёрдую монолитную конструкцию, хорошо сопротивляющуюся воздействию климатических факторов и колёс транспортных средств. Она призвана обеспечить круглогодично комфортный режим движения автомобилей. В конструкции дорожной одежды верхнему, наиболее прочному слою, отводится роль защиты всей конструкции от ударной и сдвигающей нагрузки транспорта, а также от воздействия природных факторов. Для выполнения своих функций покрытию необходимо иметь сплошность. Появление трещин на покрытии позволяет влаге от дождей и таяния снега проникать в основание дороги. Происходит вымывание материалов из дорожной одежды, заливание и насыщение водой нижних слоёв, и как следствие резкое снижение прочности всей конструкции дорожной одежды. Попавшая в трещину вода при замерзании и ударная нагрузка от колёс транспорта разрушает кромки. Трещина растёт, превращаясь в выбоину. Трещина - это начало цепной реакции разрушения [1].

В настоящее время из числа усовершенствованных дорожных покрытий наибольшее распространение получили асфальтобетонные, создающие максимальные удобства для движения транспортных средств и пассажиров. Эти покрытия применяют на автомобильных дорогах любой грузонапряженности. Асфальтобетонным покрытиям присущи многие положительные свойства. Основные из них:

- достаточная механическая прочность;

- способность к допускаемым упругим и пластическим деформациям, улучшающая условия работы асфальтобетонных покрытий;

- хорошее сцепление автомобильных шин с асфальтобетонным покрытием, обеспечивающее безопасность движения;

- высокая демпфирующая способность (т. е. способность к поглощению колебаний);

- сравнительная простота ремонта покрытий, а также возможность восстановления изношенных покрытий или повторного использования снимаемого старого асфальтобетона;

- возможность широкой механизации работ при производстве асфальтобетонных смесей, строительстве и ремонте покрытий.

Уже давно является осознанным факт, что обычные асфальтобетонные композиции, которые способны обеспечить определенный комплекс физико-механических свойств дорожным покрытиям, не позволяют решить в полной мере вопрос об их долговечности. Срок службы асфальтобетонных покрытий капитального типа из горячих смесей составляет 5-7 лет вместо нормативных 10-15. Как показали проведенные исследования, контактная зона на границе раздела битум - минеральный компонент является очагом дефектов при действии механических нагрузок от движущегося транспорта, увлажнения и высушивания. Интересы дальнейшего развития дорожного строительства нашей страны требуют существенного повышения качества и долговечности асфальтобетонных покрытий. Для нейтрализации возникновения дефектов в асфальтобетонном покрытии необходимо повысить адгезионную прочность крупного заполнителя с органическим вяжущим асфальтобетона, которая в свою очередь позволяет повысить прочность и долговечность материала [2].

Асфальтобетон - это материал, получающийся в результате уплотнения специально приготовленной смеси, состоящей из щебня или гравия, песка, минерального порошка и битума в рационально подобранных соотношениях. Асфальтобетон приобретает необходимые физико-механические свойства лишь после надлежащего уплотнения. При объединении минеральных материалов с битумом происходят сложные физико-химические процессы, характер которых зависит от свойств и особенностей составляющих материалов. Взаимодействие вяжущего и минерального материалов является важным фактором, определяющим свойства асфальтобетона.

Химическое взаимодействие между битумом и каменным материалом может быть улучшено посредством добавления адгезионных добавок, изменяющих природу поверхности каменного материала и битума.

Адгезионные добавки способны повышать активность битумного вяжущего и положительно влиять на силы межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз. Современные данные по этому вопросу объясняют взаимосвязь органических и минеральных материалов как результат действия молекулярных сил на границе раздела между каменными материалами и битумом, например, Ван-дер-ваальсовых сил или образованием комплексов между О, Ы, Р, Э и Мд, Ре, А1, Zn, поскольку полярные группы могут образовывать комплексные соединения с ионами металлов на поверхности минеральной части.

Также адгезионные добавки облегчают распределение связующего вещества по поверхности каменного материала. Результатом является уменьшение количества непокрытых частиц, и улучшение консистентности смеси, что облегчает уплотнение. Это является противоположностью добавления извести и цементных заполнителей, применяемых для улучшения гидравлического сопротивления смеси, придающих жесткость связующему веществу и таким образом, затрудняющих процесс укладки [3].

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что вполне обоснованно подходить к вопросу повышения качества асфальтобетона с позиции улучшения адгезионных свойств битумного вяжущего.

Были проведены эксперименты по аппробации в качестве таких веществ модифицированных спиртами кремнеземов. В таблице 1 приведены результаты оценки адгезии битумных вяжущих по ГОСТ 11508 - 76 методом А - «пассивное» сцепление, сущность

которого заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности минерального материала при воздействии воды [4].

Таблица 1 - Адгезия битумных вяжущих

Кол-во добавки модифицированного кремнезема в битумном вяжущем, %мас. 0 1 2 3 4

Адгезия, в баллах 3 4 4 5 5

Расшифровка баллов при сцеплении вяжущего с поверхностью минеральной части: 3 - «удовлетворительно», пленкой вяжущего покрыто 75% поверхности частиц гравия; 4 - «хорошо», пленкой вяжущего покрыто 90% поверхности частиц гравия; 5 - пленкой вяжущего покрыто 95% поверхности частиц гравия.

На основе экспериментальных данных можно сделать вывод, что введение модифицированного кремнезема в битумное вяжущее увеличивает степень его сцепления с поверхностью минерального материала. Хороший адгезионный контакт между частицами минерального наполнителя и битумным вяжущим исключает внедрение воды в пограничную область раздела фаз, следовательно происходит уменьшение водонасыщения, кроме того хорошая адгезия способствует улучшению прочностных свойств асфальтобетонов. А именно с недостаточной водо- и морозостойкостью связано большое количество разрушений асфальтобетонных покрытий, наблюдаемое обычно в весеннее время. Массовые разрушения таких покрытий во многих районах страны причиняют ущерб дорожному хозяйству.

Свойства асфальтобетонных смесей на основе битумных вяжущих с добавками модифицированного кремнезема, определенные по стандартным методикам [5], приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Свойства асфальтобетонных смесей

Состав битумного вяжущего асфальтобетона Предел прочности при сжатии при 200 С, Р20, МПа Предел прочности при сжатии при 500 С, Рао, МПа Предел прочности при сжатии при 200 С после водонасыщения, ^вод, МПа Водонасыщение, %

Битум БНД 60/90 3,95 2,69 3,74 1,91

Битум БНД 60/90 + 1% 5,40 3,00 5,19 0,85

модифицированного

кремнезема

Битум БНД 60/90+ 2% 5,44 3,05 5,32 0,78

модифицированного

кремнезема

Битум БНД 60/90+ 3% 5,58 3,07 5,41 0,73

модифицированного

кремнезема

Битум БНД 60/90+ 4% 5,71 3,10 5,56 0,69

модифицированного

кремнезема

Проведенные испытания показали, что добавлением в битумное вяжущее модифицированного спиртами кремнезема можно заметно улучшить его адгезию к поверхности минерального материала, тем самым улучшить основные эксплуатационные характеристики асфальтобетона на его основе.

Литература

1. Сюньи, Г.К. Дорожный асфальтовый бетон / Г.К. Сюньи. - Киев: Гос. изд-во по строительству и архитектуре УССР, 1962. - 486 с.

2. Меренцова, Г.С. Методологические и технологические аспекты повышения надежности и долговечности асфальтобетонных покрытий //Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них: Сб. трудов Всероссийской научно-практической конференции. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2003.- с.

3. Адгезионная добавка к битуму для повышения сцепления с кислыми горными породами [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.ntpo.com/patents_building_materials/building_materials_1/building_materials_2.shtml, свободный.

4. ГОСТ 11508 - 76. Битумы нефтяные. Метод определения сцепляемости битума с минералами и песком.

5. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытытаний.

© А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ, ayaz_abdullin@kstu.ru; Е. А. Емельянычева - асп. той же кафедры; А. И. Юсупов - инж. ФГУ «Волго-Вятскуправдор»; И. Н. Дияров - д-р техн. еаук, чл.-корр. РАН, проф. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ.