Практический опыт применения щебеночно-мастичного асфальтобетона с использованием активированного минерального порошка

УДК 625.855.41:691.168

М.А. ГОНЧАРОВА, д-р техн. наук (magoncharova777@yandex.ru), И.А. ТКАЧЕВА, инженер

Липецкий государственный технический университет

Практический опыт применения щебеночно-мастичного асфальтобетона с использованием активированного минерального порошка

В работе приведен опыт применения активированного минерального порошка в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). Проведены и показаны результаты лабораторных испытаний различных составов ЩМА. В заключение описаны основные преимущества асфальтобетона, выявленные в процессе укладки смеси и эксплуатации асфальтобетонного покрытия, а именно хорошие физико-механические свойства смеси, отсутствие колейности и других разрушений покрытия.

Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, активированный минеральный порошок, опыт устройства.

M.A. GONCHAROVA, Doctor of Sciences

Practical Experience in Applying the Crushed Stone-Mastic Asphalt Concrete with the Use of Activated Mineral Powder

The article presents the experience in using the activated mineral powder in the composition of crushed stone-mastic asphalt concrete (CMA). Results of the laboratory tests of various composition of CMA are presented and shown. In conclusion, main advantages of asphalt concrete indentified in the process of concrete mix placing and operation of the asphalt concrete pavement are described; they are good physical-mechanical properties of the mix, absence of rutting and other pavement distresses. Keywords: crushed stone-mastic asphalt concrete, activated mineral powder, experience in making.

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) стали применять на территории России начиная с 2000-х гг. для устройства верхних слоев покрытий автомобильных дорог. Уже в 2002 г. вышел ГОСТ 31015 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные», регламентирующий основные параметры, технические требования и методы контроля материалов и асфальтобетонной смеси. К настоящему времени уложено более 25 млн м2 покрытий такого вида [1—4].

Опыт устройства дорожных покрытий из ЩМА в Липецкой области развивается в нескольких направлениях. Так, в 2012 г. разработаны и оптимизированы составы ЩМА на основе шлакового щебня, которые применили при капитальном ремонте пр. Победы в Липецке. В 2015 г. в городе был произведен ремонт асфальтобетонного покрытия по ул. Катукова с заменой верхнего слоя щебеночно-мастичным асфальтобетоном марки ЩМА-20.

К основным материалам, применяемым для производства ЩМА, относятся щебень различных фракций (до 80 мас. %), отсев дробления каменного материала, битумное вяжущее, минеральный порошок, адгезионная добавка и стабилизирующая добавка как обязательный компонент. Для экспериментального исследования были выбраны битум вязкий дорожный БНД 60/90, гранитный щебень фр. 5—20 мм, песок из отсевов дробления гранитного щебня фр. 0—5 мм, активированный минеральный порошок марки МП-1ГФ, адгезионная добавка ДАД-С, стабилизирующая добавка «Стилобит».

При выборе марки минерального порошка учтен опыт работы с неактивированным минеральным порошком. В качестве объекта исследования выбрана горячая плотная мелкозернистая смесь типа Б марки II. В результате проведения пробных замесов выявлено снижение количества битума на 0,5% при применении активированного минерального порошка.

На основе вышеперечисленных материалов разработано пять составов асфальтобетонной смеси с различным содержанием минерального порошка для проведения эксперимента. Количество материалов в каждом составе приведено в табл. 1.

В качестве наполнителя выбран активированный минеральный порошок, так как он лучше смачивается битумом (имеет улучшенную адгезию), не впитывает влагу, т. е. обладает гидрофобными свойствами, не слеживается при хранении и транспортировании, обладает пониженной пористостью.

Сущность активации минерального порошка марки МП-1ГФ на основе известнякового щебня заключается в том, что процесс измельчения исходного сырья сопровождается его обработкой активирующими веществами: катионными поверхностно-активными веществами (ПАВ) и битумом. Устанавливаются прочные химические связи на поверхности частиц размером 70 мк, обработанных активатором. Впрыснутое в измельчитель-ную камеру особым образом вещество обволакивает каждую частицу минпорошка пленкой толщиной порядка 15 нм. В результате вся масса заполнителя приобретает новые свойства.

Основные показатели и характеристики порошка представлены в табл. 2.

В качестве стабилизирующей добавки выбран материал марки «Стилобит» на основе комбинированного минерального волокна — хризотилового и базальтового, пропитанного битумным вяжущим. Данная добавка повышает усталостную прочность асфальтобетона, имеет высокую термостойкость (до 700оС), следовательно, не меняет своих свойств при перегреве и при повышенной влажности, что увеличивает срок ее хранения и использования.

Подобранные составы были испытаны на основные показатели, такие как средняя плотность, водонасыще-ние, предел прочности при сжатии при 20 и 50оС (табл. 3).

В результате проведенных испытаний был выбран состав № 3 вследствие наилучших значений по всем показателям для проведения дальнейшего комплекса исследований (табл. 4).

Оптимальный состав взят за основу при строительстве дорожного полотна по ул. Катукова в Липецке (в количестве 500 т). При производстве щебеночно-ма-стичной асфальтобетонной смеси тщательно следили

L-J!

научно-технический и производственный журнал 80 сентябрь 2016

Results of scientific research

Таблица 4

Физико-механические показатели смеси ЩМА-20

Таблица 1

Составы ЩМА-20

Наименование материалов, % 1 2 3 4 5

Битум БНД 60/90 6,2 6 5,8 5,6 5,4

Щебень гранитный фр. 5-20 мм 75 75 75 75 75

Отсев дробления гранитный фр. 0-5 мм 22 21,5 21 20,5 20

Минеральный порошок активированный марки МП-1ГФ 3 3,5 4 4,5 5

Адгезионная добавка ДАД-С 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Стабилизирующая добавка «Стилобит» 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35

Наименование показателей Среднее значение Требование ГОСТ 31015

Средняя плотность, г/см3 2,38

Пористость минеральной части, % 16,6 15-19

Остаточная пористость 3,5 1,5-4,5 %

Водонасыщение по объему, % 2,4 1-4%

Прочность при сжатии, МПа: при 20оС при 50оС 2,5 0,9 Не менее 2,2 Не менее 0,65

Водостойкость при длительном водонасыщении 0,87 Не менее 0,85

Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения 0,94 Не менее 0,93

Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50оС, МПа 0,2 Не менее 0,18

Трещиностойкость по пределу прочности при растяжении при расколе при температуре 0оС, МПа 3,1 Не менее 2,5, не более 6

Сцепление битума с поверхностью минеральной части Выдерживает

Стекание вяжущего, % 0,08 От 0,07 до 0,15

Таблица 2

Основные физико-химические показатели активированного минерального порошка марки МП-1ГФ

Таблица 3

Физико-механические показатели смесей ЩМА-20

за температурным режимом (К170°С) как для битума, так и для минеральной части смеси, так как перегрев мог привести к старению битума и последующему повышению хрупкости и уменьшению пластичности. У асфальтобетона снизилась бы трещиностойкость, ухудшились технологические свойства. Точное дозирование компонентов, а именно стабилизирующей добавки, количества пыли, правильная подача смеси в кузов автомобиля для предотвращения расслоения (сегрегации смеси) и минимальное время для транспортирова-

Структура ЩМА-20 в керне

ния смеси обеспечили необходимое качество смеси на месте укладки.

Укладка производилась в августе при температуре воздуха 20оС. Нижний слой покрытия был ровным, чистым, сухим. Все дефекты заделаны. Подгрунтовка была выполнена эмульсией ЭБК-1 через распределительную систему автогудронатора под давлением. Скорость асфальтоукладчика при укладке составляла 2—3 м/мин. Последующая укатка осуществлялась с помощью глад-ковальцовых катков в статическом режиме (без вибрации), так как было возможно разрушение отдельных зерен каменного материала или всего скелета. Масса катков составляла 8—10 т; скорость 5—6 км/ч; производилось 4—6 проходов по одному следу.

Вид поверхности и структура ЩМА-20 представлены на рисунке. Отличительной чертой ЩМА от обычного асфальтобетона является ужесточение допуска на размер применяемого щебня. Это обусловлено наличием в щебеночном скелете большого объема пустот, заполняемых битумной мастикой. Каркас или макроструктуру

Наименование показателей По требованиям ГОСТ Р 52129 Фактическое значение

Зерновой состав, мас. %: < 1,25 мм < 0,315 мм < 0,071 мм Не менее 100 Не менее 90 Не менее 80 100 100 88,42

Пористость, % Не более 30 17

Набухание образцов из смеси порошка с битумом, % Не более 1,8 0,5

Средняя плотность, г/см3 Не нормируется 2,14

Истинная плотность, г/см3 Не нормируется 2,57

Влажность, мас. % Не нормируется 0,2

Показатель битумоемкости, г Не нормируется 31

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг Не более 740 0,25

Коэффициент водостойкости Не нормируется 0,9

Содержание полуторных окислов (А120^е203), мас. % Не более 7 1-1,5

Наименование показателей 1 2 3 4 5 Требование ГОСТ 31015

Средняя плотность, г/см3 2,37 2,37 2,38 2,38 2,36 -

Водонасыщение, % по объему 2,7 2,7 2,5 2,6 2,2 1-4%

Предел прочности при сжатии, МПа: при 20оС при 50оС 2,2 0,7 СО см о 2,5 0,9 СП СМ О ^ аэ см о Не менее 2,2 Не менее 0,65

. иг)'.: > ^ ; ];' научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2016 81

составляет фракционированный (одномерный) щебень кубовидной формы размером 5—10, 10—15 или 15—20 мм в количестве 70—80% по массе. Именно наличие в зерновом составе двух составляющих позволяет ЩМА одновременно обеспечивать оптимальную плотность, повышенную шероховатость поверхности и низкую водонепроницаемость слоя [4—8].

При последующем наблюдении за участком выявлено возникновение битумных пятен. Их появление могло быть вызвано несколькими причинами: недостаточным количеством стабилизирующей добавки, большим количеством вяжущего, недостаточным количеством мелкого щебня (отсева), чрезмерно высокой температурой смеси или повышенной влажностью основания. Но после остывания смеси каких-либо разрушений или появления колейности не обнаружено.

Таким образом, опыт использования ЩМА при устройстве верхних слоев покрытий дал положительные результаты. Были выявлены такие основные преимущества, как хорошие физико-механические показатели, высокая долговечность. Кроме того, укладка подобной смеси не требует дополнительного ручного труда, т. е. возможна без доработки. Результатом станет увеличение межремонтных сроков службы дорожного полотна.

Список литературы

1. Корнеев А.Д., Гончарова М.А., Андриянцева С.А., Комаричев А.В. Оптимизация строительно-технических свойств асфальтобетонов с применением отходов металлургического производства // Фундаментальные исследования. 2015. № 2—8. С. 1620—1625.

2. Гончарова М.А., Копейкин А.В., Ачкасов М.А. Исследование физико-механических свойств карбонатной породы // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. № 38. С. 34-39.

3. Гончарова М.А. Использование шлаков черной металлургии в составах асфальтобетонов// Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. 2014. Т. 1. С. 395-398.

4. Иливанов В.Ю., Салихов М.Г. Исследование долговечности модифицированного щебеночно-мастич-ного асфальтобетона при действии агрессивной среды // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2013. № 2 (18). С. 38-45.

5. Иноземцев С.С., Королев Е.В. Эксплуатационные свойства наномодифицированных щебеночно-ма-стичных асфальтобетонов // Вестник МГСУ. 2015. № 3. С. 29—39.

6. Салихов М.Г., Вайнштейн В.М., Вайнштейн Е.В. Обоснование применения в щебеночно-мастичных асфальтобетонах отсевов дробления малопрочных известняков // Современные наукоемкие технологии. 2008. № 4. С. 74-76.

7. Батракова В.П. Особенности применения, технологии приготовления и укладки щебеночно-мастично-го асфальтобетона // Вестник ХНАДУ. 2009. № 47. С. 22.

8. Ядыкина В.В., Гридчин А.М., Тоболенко С.С. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастич-ного асфальтобетона из отходов промышленности // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 64-65.

References

1. Komeev A.D., Goncharava M.A., Andriyantseva S.A., Komarichev A.V. Optimization of the composition and properties of asphalt concrete from waste dust produc-

tion. Fundamental'nye issledovaniya. 2015. No. 2—8, pp. 1620—1625. (In Russian).

2. Goncharova M.A., Kopeikin A.V., Achkasov M.A. Research of physical and mechanical properties of carbonate rock. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo iarkhitektura. 2014. No. 38 (57), pp. 34—39. (In Russian).

3. Goncharova M.A. Use of ferrous slags in the compositions of the asphalt concrete. Modernizatsiya i nauchnye issledovaniya v transportnom komplekse. 2014. Part 1, pp. 395-398. (In Russian).

4. Ilivanov V.Y., Salikhov M.G. Investigation of the durability of the modified stone mastic asphalt under the action of aggressive environment. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. Seriya: Les. Ekologiya. Prirodopol'zovanie. 2013. No. 2 (18), pp. 38-45. (In Russian).

5. Inozemtsev S.S., Korolev E.V. Operational properties of nanomodified stone mastic asphalt. Vestnik MGSU. 2015. No. 3, pp. 29—39. (In Russian).

6. Salikhov M.G., Vainshtein V.M., Vainshtein E.V. Justification of application in crushed-stone and mastic asphalt concrete of eliminations of crushing of low-strong limestones. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2008. No. 4, pp. 74-76. (In Russian).

7. Batrakova V.P. Features of application, technology and placement of stone mastic asphalt. Vestnik KhNADU. 2009. No. 47, pp. 22. (In Russian).

8. Yadykina V.V., Gridchin A.M., Tobolenko S.S.. The stabilizing additive for stone mastic asphalt from industry waste. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 8, pp. 64-65. (In Russian).

научно-технический и производственный журнал fà-f jitjf \ \ ( S f [ijJJ1jJî< 82 сентябрь 2016 ni