Оптимизация рецептурных и технологических факторов при изготовлении битумоминеральных композиций на пористом заполнителе

основании // Образование, наука и техника: XXI век (Сборник научных статей). Выпуск 6 /Сост. и науч. ред. О.А.Яворук. - Ханты-Мансийск: ЮГУ, 2008. -С.121-126.

3. Киселев В. А. Расчет пластин. М., Стройи-здат, 1973. - 151 с.

4. Александров А. В., Потапов В. Д. Основы теории упругости и пластичности. - М.: Высш. шк., 1990. - 400 с.

5. Степушин А. П. Исследование несущей способности жестких аэродромных покрытий на двухслойных основаниях при многократном воздействии самолетных нагрузок: Дис. канд. техн. наук / МАДИ. - М., 1973. - 228 с.

6. Матвеев С. А. Расчет жестких аэродромных покрытий численным методом на действие самолетных нагрузок и температуры: Дис. канд. техн. наук / МАДИ. - М., 1979. - 144 с.

7. Коренев Б. Г., Черниговская Е. И. Расчет плит на упругом основании. М., Госстройиздат, 1962. - 355 с.

8. Тимошенко С. П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М., Наука, 1966. -636 с.

MODELLING AND CALCULATION OF MULTILAYERS REINFORCED PLATE ON THE ELASTIC BASE.

S. A Matveev

The mathematical model of the elastic layer of a multilayered plate reinforced by a geonet (geogrid), as layer composit is developed. On the basis of the energy approach expressions for definition of modules of elasticity of a composit layer are received. Between separate layers there is a rigid contact. For a case of a bending of the polyreinforced plate on the elastic basis the analytical decision by a method of Bubnova - Galerkina are used. The numerical results is considered. Accuracy of the decision is estimated by comparison to the results received by other methods and experimentally. Influence of reinforcing of separate layers on the its intense-deformed condition of all design is considered on a concrete example of a bend of a single-layered plate with the reinforcing layer located in its basis.

Матвеев Сергей Александрович - доктор техн. наук профессор, декан ф-та АДМ СибАДИ. Основные направления научной деятельности: прочностные расчеты многослойных дорожных конструкций, расчеты мостовых и дорожных конструкций методами строительной механики и теории упругости. Общее количество опубликованных работ: 107.

УДК 625.В

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЦЕПТУРНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ПОРИСТОМ ЗАПОЛНИТЕЛЕ

В. С. Прокопец, В. Д. Галдина, Г. А. Подрез

Аннотация. Исследована термостабильность битумоминеральной композиции и оптимизированы основные рецептурные и технологические факторы при изготовлении и уплотнении битумоминеральных смесей на пористом заполнителе из вулканического шлака.

Ключевые слова: битумоминеральная композиция, пористый заполнитель, рецептурные и технологические факторы, термостабильность.

Введение

Эффективными дорожно-строительными материалами для районов с резкоконтинентальным климатом являются битумоминеральные композиции на пористых заполнителях. Преимущество битумоминеральных композиций (БМК) на пористых заполнителях обусловлено их повышенной деформативно-стью, температурной трещиностойкостью, термостабильностью и теплоизолирующей

способностью по сравнению с асфальтобетонами на традиционных плотных заполнителях [1 - 6]. Долговечность БМК на пористых заполнителях при эксплуатации в дорожном покрытии существенно зависит от типа макроструктуры БМК, технологии приготовления и уплотнения смесей [1 - 3]. В работах, посвященных исследованию технологических факторов при уплотнении битумоминеральных смесей с пористыми заполнителями, изуча-

лось влияние отдельных технологических факторов на физико-механические свойства БМК [2, 3, 7]. Не выявлены эффекты комплексного воздействия рецептурных и технологических факторов на свойства БМК.

Постановка и решение задачи

Цель работы заключалась в определении оптимальных рецептурных и технологических факторов приготовления битумоминеральных смесей на основе пористого заполнителя из вулканического шлака для обеспечения максимальной термостабильности битумоминеральной композиции.

Щебень из вулканического шлака (в зависимости от фракции) имеет истинную плотность 2,85 - 2, 87 т/м3, насыпную плотность 0,83 - 0,86 т/м3, пористость 33,4 - 35,3 % об. %, водопоглощение 29,9 - 32,2 об.%, дроби-мость при сжатии в цилиндре 28,7 - 33,8 мас. %. Пористость песка из вулканического шлака составляет 38,87 об. %, удельная поверхность пор, определенная по адсорбции азота в токе гелия (ГОСТ 23401-90), равняется 0,7 м2/г. Щебень из вулканического туфа характеризуется более однородной мелкопористой структурой, но имеет показатели физикомеханических свойств, весьма близкие к свойствам заполнителей из вулканического шлака [6].

Простая замена традиционных плотных заполнителей пористыми заполнителями, естественно, приведет к ухудшению физикомеханических свойств БМК и сокращению сроков их службы. Однако анализ исследований по применению пористых естественных и искусственных заполнителей в дорожных битумоминеральных материалах позволил определить основные пути повышения их структурно-механических и эксплуатационных свойств [1, 3]:

- проектирование составов БМК с бесконтактной (базальной или порово-базальной) макроструктурой при наибольшем размере зерен щебня для верхнего слоя покрытия не более 15 мм;

- уплотненный асфальтовый раствор должен создавать условия для всестороннего объемного обжатия пористого щебня при уплотнении и эксплуатации дорожного покры-

Наличие в Забайкалье огромных запасов вулканических шлаков и туфов является одним из путей обеспечения дорожностроительной отрасли недорогими и эффективными заполнителями для БМК. Вулканический шлак - пористая каменная порода из уплотняющихся и сцементированных между собой продуктов вулканического выброса в виде пепла, песка, щебня и более крупных кусков. По химическому составу вулканический шлак относят к кислым эффузивным горным породам (табл. 1).

тия. Высокая прочность асфальтового раствора обеспечивается его контактно-поровой ме-зоструктурой и поровой структурой асфальтовяжущего;

- в смесях предпочтительно использовать мелкие и очень мелкие природные пески, мелкие зерна которых соизмеримы с неровностями поверхности зерен пористого заполнителя и поэтому заполняют их, способствуя закрытию устьев открытых пор и повышению плотности упаковки песчаных зерен в межзер-новом пространстве крупного пористого заполнителя.

Исследование влияния рецептурных и технологических факторов: содержания битума в смеси; величины уплотняющей нагрузки; вязкости битума, характеризуемой пенетрацией при температуре 25 °С; температуры смеси при уплотнении; длительности воздействия уплотняющей нагрузки; содержания минерального порошка в битумоминеральной смеси на термостабильность БМК выполнено с использованием метода математического планирования эксперимента. Был выбран многофакторный план, составленный по типу «латинский смешанный квадрат» [8].

Минеральная часть БМК базально-поровой макроструктуры с гранулометрией типа В по ГОСТ 9128-2009 содержала, мас.%: щебень из вулканического шлака фракции 5 - 15 мм -30; песок природный с модулем крупности Мк = 1,03 - 35; отсев гранитный фракции 0 - 10 мм - 15 - 31; минеральный порошок активированный - 4 - 20. Свойства битумов, использованных в эксперименте, представлены в табл.2.

Таблица 1 - Химический состав вулканического шлака

Горная порода Содержание на сухое вещество, % по массе

SiO2 АІ2О3 Fe2Oз FeO СаО МдО R2O п.п.п

Шлак вулканический 70,8 10,8 1,12 1,7 0,4 отс. 6,4 6,59

Таблица 2 - Свойства битумов

Показатель Марка битума

БНД 40/60 БНД 90/130 БНД 130/200 БНД 200/300 БНД 200/30 0

Глубина проникания иглы, 0,1 мм: а) при 25 °С 60 120 180 240 300

б) при 0 ОС 15 32 40 45 48

Растяжимость при 25 °С, см 55 82 75 - -

Температура размягчения, °С 54 47 42 38 36

Температура хрупкости, °С -13 -18 -21 -23 -26

Индекс пенетрации +0,2 +0,5 +0,3 0,0 +0,2

Сцепление: Выдерживает по контрольному образцу

- с мрамором № 1 № 1 № 2 № 2 № 2

- с песком природным № 2 № 3 № 3 № 3 № 3

Асфальтобетонные смеси готовили в лабораторном смесителе с принудительным перемешиванием по традиционной технологии. С учетом марочной вязкости битума минеральные материалы нагревали до 140 - 170 °С, битумы - до 110 - 150 °С. Время перемешивания минеральных компонентов с битумом составляло 3 мин. Требуемую температуру смеси при уплотнении создавали охлаждением или нагреванием предварительно приготовленной асфальтобетонной смеси. Из асфальтобетонных смесей формовали образцы размером d = h = 71,4 мм, которые испытывали через сутки после изготовления.

В качестве функции отклика, характеризующей свойства БМК, был принят коэффициент термостабильности [5]:

Кт = R50 / Ro ,

где R50 и R0 - пределы прочности асфальтобетона при сжатии, МПа, при температурах соответственно 50°С и 0°С.

Выбор коэффициента термостабильности для характеристики технических свойств БМК обусловлен следующими соображениями [1 -6]. Битумоминеральные композиции на пористых заполнителях и наполнителях (по сравнению с БМК на плотных заполнителях) обладают более высокой теплоустойчивостью вследствие изменения группового химического состава битума за счет фильтрации легких компонентов в поры каменного материала. Кроме того, пористые заполнители повышают теплоустойчивость БМК за счет возрастания угла внутреннего трения между зернами и трещиностойкость вследствие повышенной деформативности минерального остова и снижения внутренних напряжений в битуме.

Предел прочности при сжатии при температуре 50 °С косвенно характеризует сдвиго-устойчивость, прочность при 0 °С косвенно характеризует трещиностойкость асфальтобетона. Чем меньше изменяется прочность асфальтобетона в интервале температур от +50 °С до 0 °С и чем выше прочность R50 и ниже R0, тем термостабильнее асфальтобетон и ниже значение Кт.

Независимые факторы, уровни и интервалы их варьирования приведены в табл. 3. Влияние основных факторов на функцию отклика показано на рисунке.

следует из данных рис. (а), зависимость коэффициента термостабильности от количества битума экстремальна. При содержании битума в смеси менее 8 % его недостаточно для полного покрытия поверхности зерен и заполнения межзернового пространства. При малом содержании битум находится в структурированном состоянии и снижается его клеящая способность. В результате Кт повышается (левая ветвь кривой). Увеличение количества битума более 8,5 - 9 % также приводит к росту Кт. В структуре БМК увеличивается содержание свободного битума, что приводит к повышению пластичности и снижению прочности БМК при 50°С (правая ветвь кривой). При содержании битума, близком к 8,5 % достигается наиболее высокая термостабильность БМК и минимальное значение КТ.

Уплотнение является завершающей стадией активного структурообразования асфальтобетона, от эффективности которой зависят его эксплуатационные свойства. При малых величинах уплотняющей нагрузки (Ру менее 30 МПа) не происходит должного сближения зерен минерального материала, что приводит к повышенной пористости и невысокой прочности БМК (рис. б).

Таблица 3 - Факторы, уровни факторов и интервалы их варьирования

Фактор Значение фактора Уровни факторов Интер- вал варьи- рования

коди- рован- ное нату- раль- ное 1 2 3 4 5

Содержание битума в смеси, % (сверх 100 % минеральной части) Х! Б 8 9 10 11 12 1

Уплотняющая нагрузка, МПа Х2 Ру 20 25 30 35 40 5

Пенетрация битума при 25 °С, 0,1 мм Хз П25 60 120 180 240 300 60

Температура смеси при уплотнении, С Х4 Т 80 100 120 140 160 20

Длительность действия уплотняющей нагрузки, с Х5 t 80 120 160 200 240 40

Содержание минерального порошка, мас. % Хб МП 4 8 12 16 20 4

Повышение уплотняющей нагрузки выше 30 МПа способствует повышению плотности и прочности БМК вследствие сближения частиц смеси и увеличения числа контактов между зернами разной крупности. Под действием Ру происходит частичное дробление слабых зерен пористого заполнителя, приводящее к увеличению количества зерен песка и минерального порошка в смеси. Увеличение Ру свыше 35 МПа вызывает повышенное дробление зерен пористого заполнителя, образование зерен, не обработанных битумом, что отражается на пористости, прочности и термостабильности БМК.

Степень покрытия минеральных материалов битумом в значительной степени зависит от его вязкости. В общем случае, чем ниже вязкость битума, тем быстрее и равномернее зерна минерального материала покрываются битумом. Вязкие дорожные битумы пониженной вязкости содержат в своем составе больше масляных и смолистых фракций и меньше асфальтенов. В битумах с пониженной вязкостью увеличивается количество дисперсионной среды и снижается концентрация дисперсной фазы. Благодаря понижению поверхностного натяжения и вязкости битума, улучшаются условия объединения битума с пористыми минеральными материалами, поверхностные оболочки битума на минеральных зернах становятся менее вязкими. В резуль-

тате повышается плотность асфальтового раствора и улучшаются физико-механические и деформативные свойства асфальтобетона на пористых заполнителях.

Из данных рис. (в) следует, что при увеличении пенетрации П25 битума от 600,1 мм до 1500,1 мм, происходит постепенное понижение Кт. Увеличение П25 битума до 200 0,1 мм и выше приводит к понижению прочности БМК, главным образом при температуре 50 °С, и повышению КТ вследствие уменьшения когезионной прочности битума.

Следовательно, в целях предотвращения излишней жесткости и компенсации избирательной диффузии битума в пористый минеральный материал в битумоминеральных смесях на пористом заполнителе следует применять битумы с пенетрацией П25 не ниже 140 0,1 мм. Установленный эффект согласуется с результатами ранее проведенных исследований [1], в которых рекомендовано в смесях с пористыми заполнителями применять битумы с П25 на (20 - 40) 0,1 мм выше, чем в битумах, рекомендуемых к применению в конкретных климатических условиях.

Значительное влияние на термостабильность и прочность асфальтобетона оказывает температура смеси при уплотнении [9]. Качество уплотнения можно регулировать изменением температуры битумоминеральной смеси. Превышение оптимальной температуры

уплотнения приводит к уменьшению прочности когезионных связей битумных пленок между зернами минерального материала, что сказывается на невозможности фиксации частиц в момент их наибольшего сближения. Поэтому после снятия нагрузки из-за возникающих упругих деформаций и расклинивающего давления воздуха в замкнутых порах, происходит отталкивание частиц друг от друга и система разуплотняется.

С понижением температуры увеличивается толщина слоя ориентированного битума за счет уменьшения количества свободного битума на минеральных зернах. Этот битум при уплотнении почти не перемещается в межзерновое пространство. Контактные напряжения на соприкасающихся частицах релаксируются битумной пленкой, и минеральные зерна мало дробятся, что особенно важно при уплотнении смесей на пористых заполнителях.

Данные рис. (г) показывают, что оптимальная температура смеси, позволяющая получить наиболее высокую термостабильность БМК, составляет примерно 120 °С.

При более низкой температуре уплотнения термостабильность резко уменьшается вследствие недостаточного уплотнения смеси при повышенной вязкости битумных пленок. Повышение температуры до 140 - 150 °С способствует снижению термостабильности и прочности БМК. При таких температурах вязкость битума понижается и происходит его выдавливание при уплотнении из зоны контакта между зернами. Кроме того, повышенные температуры при уплотнении смеси способствуют возникновению пластических деформаций и волосяных трещин в образцах из БМК.

Зависимость прочности БМК от продолжительности воздействия уплотняющей нагрузки, которую изменяли от 80 до 240 с, имеет экстремальный характер. При этом КТ имеет минимальные величины при длительности действия нагрузки 160 - 180 с (рис. д).

При малой продолжительности уплотнения (от 80 до 120 с) не достигается требуемой плотности БМК. Длительное действие Рупл (более 180 с) вызывает понижение термостабильности, но менее выраженное, чем при малом времени уплотнения.

Уплотняемость битумоминеральных смесей зависит не только от вязкости битума и технологических режимов, но и от природы

минерального материала, его пористости и формы частиц, а также от количества асфальтовяжущего. Известно, что лучше уплотняются смеси, содержащие природный окатанный песок, так как песчинки служат шарнирами, по которым перекатываются более крупные шероховатые частицы щебня или дробленого песка [9].

При базальной или порово-базальной макроструктуре БМК щебенки не имеют взаимных контактов и механические свойства асфальтобетона обусловливаются свойствами растворной части БМК - мезоструктурой. Прочность мезоструктуры (асфальтового раствора) зависит от качества и формы зерен, соотношения между составляющими, взаимодействием песчаных частиц с асфальтовяжущим и свойствами микроструктуры. Зависимость Кт от содержания минерального порошка имеет четко выраженный экстремум (рис.

е).

Малое количество минерального порошка (4 - 8 мас. %) недостаточно для структурирования битума и перевода его в пленочное состояние, а в асфальтовом растворе при недостатке дисперсного наполнителя формируется пористая структура с недостаточным количеством контактов. Это приводит к понижению прочности и термостабильности. Увеличение количества минерального порошка до 13 - 14 мас. % способствует образованию контактно-поровой структуры асфальтового раствора, что сопровождается понижением КТ. Дальнейшее увеличение содержания минерального порошка в асфальтовом растворе приводит к повышению вязкости битумоминеральной смеси, ухудшению удобообрабатываемости и снижению термостабильности БМК вследствие значительного повышения прочности Ro. Присутствие оптимального количества минерального порошка способствует увеличению плотности и прочности асфальтового раствора и повышению термостабильности БМК.

В результате математической обработки результатов эксперимента по методикам [8, 10] получены адекватные математические модели в виде уравнений регрессии и определены оптимальные значения рецептурных и технологических факторов, при которых КТ достигает минимальных величин (табл. 4), а БМК - максимальной термостабильности.

Таблица 4 - Уравнения регрессии и оптимальные значения факторов

Уравнение регрессии Достоверность Оптимальное

аппроксимации значение фактора

КТ = 0,2571 Б2 - 4,4286 Б + 21,864 0,9893 Б = 8,61 %

КТ = 0,0097 Ру2 - 0,6189 Ру + 12,217 0,9843 Ру= 31,3 МПа

КТ = 6Е-05 П252 - 0,0181 П25 + 4,32 0,9765 П25 = 151 0,1 мм

КТ = 0,0002 Т2 - 0,0506 Т + 6,5919 0,9673 Т = 126 °С

КТ = 0,0002 ^ - 0,0655 t + 8,4 0,9754 t = 166 с

КТ = 0,0089 МП2 - 0,1923 МП + 4,014 0,9583 МП = 13,9 %

а)

Содержание битума, мас. %

в)

50 100 150 200 250 300

Пенетрация при 25 о С , 0,1 мм

б)

н

*

<и

8

Я

8

-е

-Є

т

&

8

н

о

о

*

Л

ч

8

ю

й

н

о

о

а

а

<и

н

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

V

г

20 25 30 35

40

Уплотняющая нагрузка, МПа

н

к

К

к

о

о

к

н

о

о

к

нР

ч

к

ю

сЗ

н

а

0^

н

80

100

120 140

160

Температура уплотнения, оС

д)

е)

ё

о

К

К

о

о

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

V \ч

NN.

80 120 160 200 240

Время уплотнения, с

я

а

я

!Г)

О

Ы

3,5

ю 3,0

2,5

ч NN

4 8 12 16 20

Содержание минерального порошка, мас. %

Рис. 1. Зависимость коэффициента термостабильности асфальтобетона от содержания битума

Заключение

С применением метода математического планирования эксперимента на основе плана «латинский смешанный квадрат» и уравнения М.М. Протодъяконова [8] по показателю термостабильности БМК определены и оптимизированы основные рецептурные и технологические факторы при изготовлении и уплотнении битумоминеральных смесей на пористых заполнителях из вулканического шлака.

Учет особенностей пористых заполнителей, целенаправленное регулирование структуры материала и технологических режимов при приготовлении и уплотнении смеси позволяют получать БМК для дорожных покрытий с повышенной термостабильностью.

Опыт применения битумоминеральных смесей на пористых заполнителях [1 - 3, 6] позволяет рекомендовать БМК на основе щебня из вулканического шлака в конструкциях дорожных одежд в качестве конструкционнотеплоизоляционного и конструкционного материалов. Такие смеси могут использоваться для покрытий и верхних слоев оснований на автомобильных дорогах III - IV категорий, нижних слоев покрытий и верхних слоев оснований на дорогах I и II категорий во всех дорожноклиматических зонах, что будет способствовать увеличению сроков службы дорог, особенно в суровых климатических условиях.

Библиографический список

1. Дорожный асфальтобетон / Л. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, А. М. Богуславский, И. В. Королев / Под ред. Л Б. Гезенцвея. - М.: Транспорт, 1985. -350 с.

2. Сухоруков Ю. М. Пористые каменные дорожностроительные материалы / Ю. М. Сухоруков. - М.: Транспорт, 1984. - 143 с.

3. Соколов Ю. В. Дорзитоасфальтобетон / Ю. В. Соколов, Г. М. Погребинский // Информ. листок № 93 - 40. - Омск: Омский ЦНТИ, 1993. - 4 с.

4. Печеный Б. Г. Битумы и битумные композиции / Б. Г. Печеный. - М.: Химия, 1990. - 256 с.

5. Борисенко О. А. Битумоминеральные композиции, модифицированные отсевами дробления керамзита для асфальтовых материалов с повышенными термостабильностью и трещиностойко-стью - Автореф. диссертации ... канд. техн. наук / О.А. Борисенко. - Воронеж: ВГАСУ, 2008. - 23 с.

6. Прокопец В. С. Асфальтобетоны на основе пористых заполнителей Западной и Восточной Сибири

/ В. С. Прокопец, В. Д. Галдина, Г. А. Подрез // Строительные материалы. - 2009. - № 11. - С. 26 - 28.

7. Ратнер Л. С. Исследование измельчаемости керамзита при уплотнении его в битумоминеральных смесях / Л. С. Ратнер // Повышении эффективности применения цементных и асфальтовых бетонов в Сибири: сб. науч. тр. - Омск: СибАДИ, 1974. -Вып. 2. - С. 57 - 63.

8. Протодъяконов М. М. Методика рационального планирования эксперимента / М. М. Протодьяконов, Р. И. Тедер. - М.: Наука, 1970. - 70 с.

9. Дорожный теплый асфальтобетон / И. В. Королев, Е. Н. Агеева, В. А. Головко, Г.Р. Фоменко -Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1984. - 200 с.

10. Бондарь А. Г. Планирование эксперимента в химической технологии / А. Г. Бондарь, Г. А. Статю-ха. - Киев: Вища шк., 1976. - 184 с.

OPTIMIZATION THE RECIPE AND TECHNOLOGY FACTORS AT MANUFACTURING BITUMEN-MINERAL OF COMPOSITIONS ON THE POROUS FILLER

V. S. Prokopets, V. D. Galdina, G. A. Podrez

It is investigated thermal-stability bitumen-mineral compositions and the cores recipe both technology factors are optimized at manufacturing and condensation bitumen-mineral mixes on a porous filler from volcanic slag.

Прокопец Валерий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные материалы и специальные технологии».Основные направления научной деятельности: повышение эффективности дорожных и строительных материалов и изделий применением наноструктурных веществ механохимическо-го способа получения. Общее количество опубликованных работ: 200.

Галдина Вера Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент. Основные направления научной деятельности: органические вяжущие материалы и бетоны на их основе.Общее количество опубликованных работ: 130.

Подрез Галина Алексеевна - начальник отдела дорожных сооружений и транспортной безопасности. Основные направления научной деятельности эффективные асфальтобетоны на основе эффузивных горных пород. Общее количество опубликованных работ: 10.