Щебеночно-мастичные асфальтобетоны, модифицированные высокодисперсными отсевами дробления керамзита и перлита

УДК 625.06/.07:625.85-33.2

Ю.Г. БОРИСЕНКО, канд. техн. наук, М.Ч. ИОНОВ, канд. эконом. наук, С.О. КАЗАРЯН, инженер, Е.В. ГОРДИЕНКО, инженер

Северо-Кавказский федеральный университет

Щебеночно-мастичные асфальтобетоны модифицированные высокодисперсными отсевами дробления керамзита и перлита

Представлены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА), модифицированных стабилизирующими добавками на основе высокодисперсных отсевов дробления керамзита и перлита. Показана возможность модификации минерального наполнителя ЩМА высокодисперсными отсевами дробления керамзита, что позволит эффективно решить проблему стабилизации смеси и экономии минерального наполнителя. Совокупный анализ экспериментальных данных позволил сделать заключение о перспективности использования порошков цеолита и перлита в качестве наполнителей эффективных асфальтовяжущих.

Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, стабилизирующая добавка, отсевы дробления керамзита и перлита, дорожные покрытия.

Yu.G. BORISENKO, Candidate of Technical Sciences, M.Ch. IONOV, Candidate of Economic Sciences, S.O. KAZARYAN, engineer, E.V. GORDIENKO, engineer, The North-Caucasus Federal University

Crushed Stone-Mastic Asphalt Concretes Modified with Highly Dispersed Siftings of Claydite and Perlite Crushing

Results of the experimental study of physical-and-mechanical properties of crushed stone-mastic asphalt concretes (CMSC) modified with stabilizing additives on the basis of highly dispersed siftings of claydite and perlite crushing are presented. The possibility of modifying the mineral filler of CMSC with highly dispersed siftings of claydite crushing and, as a result, the possibility to solve the problem of mix stabilization and mineral filler saving are shown. The combined analysis of the experimental data makes it possible to come to conclusion about prospectiveness of using the zeolite and perlite powders as fillers for efficient asphalt binders. Keywords: crushed stone-mastic asphalt concrete, stabilizing additive, siftings of claydite and perlite crushing, road pavement.

Рост деформаций, выбоин, повышенное трещино-образование, колейность дорожных асфальтобетонных покрытий в РФ являются прямым следствием резкого увеличения интенсивности движения транспорта и возросших нагрузок на дорожное полотно. Снижение эксплуатационных характеристик в свою очередь обусловливает снижение межремонтных сроков и долговечности асфальтобетонных покрытий. Внедрение новых дорожно-строительных материалов, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, является одним из эффективных направлений решения этой проблемы.

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) в настоящее время перспективный дорожно-строительный материал, который довольно успешно справляется с этими проблемами.

ЩМА появился в конце 1960-х гг. в Германии и вскоре время стал широко использоваться в других странах. В России щебеночно-мастичный асфальтобетон применяется с начала 2000-х гг. Положительные качества щебеночно-мастичных асфальтобетонов, перспективы его совершенствования и применения вызывают высокий научный и практический интерес у многих современных отечественных и зарубежных ученых. В нашей стране изучением составов, свойств, структуры и технологии щебеночно-мастичных асфальтобетонов активно занимались Г.Н. Кирюхин, Е.А. Смирнов, В.М. Карамышева, Л.А. Горелышева, М.Б. Сокальская, В.М. Юмашев и другие ученые [1—4].

ЩМА обладает жесткой каркасной структурой, состоящей в основном из крупного заполнителя фракций 10—20 мм (70—80%), а пустоты между отдельными зернами заполняет мастика, состоящая из дробленого песка (5—20%), минерального порошка (10—20%), битума (6—7,5%) и стабилизирующей добавки (0,2—0,5%).

Именно за счет своей структуры, высокого содержания крупного заполнителя и мастики для щебеночно-мастичного асфальтобетона характерны следующие свой-

ства: прекрасная износостойкость, устойчивость к старению, напряжениям сдвига при повышенных значениях эксплуатационной температуры; шероховатая текстура поверхности и, как следствие, хорошее сцепление с колесами автомобиля; повышенная водонепроницаемость и трещиностойкость при деформациях и механических воздействиях транспортных средств на покрытие.

Однако несмотря на все плюсы, у данного материала имеются недостатки. Так как температурный режим укладки и количество используемого битума в ЩМА выше, чем у обычных горячих асфальтобетонов, наблюдается и повышенное вытекание связующего из смеси на всех технологических этапах — в процессе приготовления, хранения в бункере-накопителе, транспортировки и укладки смеси. Для борьбы с этим негативным фактором используют различные стабилизирующие добавки, которые благодаря своим свойствам адсорбируют неструктурированный битум и позволяют ему удерживаться на поверхности зерен щебня, предотвращая его стекание. Широко применяемыми добавками для снижения показателя стекаемости являются ^а^р, Торсе1, Genicel, ТеЛпосе1 1004 и др., которые импортируют из-за рубежа, что повышает общую стоимость ЩМА. Используются и отечественные стабилизаторы типа Хризотоп, Гасцел, СД-3 ГБЦ и др.

В настоящее время отечественными ученными активно ведутся исследования в направлении разработки новых эффективных добавок, снижающих стекание ЩМА. Например, В.В. Ядыкиной и Н.П. Куцыной исследовалась возможность использования в качестве стабилизирующих добавок волокнистых отходов промышленности [5—6]. С.К. Илиополовым, С.А. Черновым, П.О. Дармодехиным и др. показана возможность применения Ртэп и FoIta для снижения расслаивания смесей ЩМА [7]. В.В. Баб-ковым, Г.Т. Ханнановой, И.Б. Струговцом и др. предложено использовать в составах ЩМА пиритные огарки [8]. Известны отдельные попытки применить в качестве таких стабилизаторов керамзит, перлит, асбест и др.

Materials for road construction

Таблица 2

Таблица 1

Материалы Удельная масса, г/см3 Удельная поверхность, см2/г Истинная плотность, г/см3 Насыпная плотность, г/см3 Пористость, %

Отсевы дробления керамзита 2,57 5280 0,67 0,88 36

Отсевы дробления перлита 2,24 6453 0,53 0,28 42

Наименование показателя ЩМА-10 Состав 1 (ЩМА-10, стабилизирующая добавка на основе отсевов дробления керамзита) Состав 2 (ЩМА-10, стабилизирующая добавка на основе отсевов дробления перлита) Состав 3 (ЩМА-10, наполнитель, модифицированный отсевами дробления керамзита) Состав 4 (ЩМА-10, стабилизирующая добавка Viatop Значение показателя согласно ГОСТ 31015-2002

Пористость минеральной части,% 16 16 17 16 15-19

Остаточная пористость, % 3 3 4 2,9 2-4,5

Водонасыщение, об. %, образцов, отформованных из смесей 1,82 1,6 2,3 1,65 1,5-4

Предел прочности при сжатии, МПа, не менее: при 20оС при 50оС 4,6 1,9 OD ^ СО т— 3,9 1,4 4,2 1,8 2,5 0,7

Показатель стекания вяжущего, %, не выше: 0,13 0,1 0,12 0,11 0,2

По мнению авторов, одним из перспективных направлений решения рассматриваемой проблемы является включение в составы смесей ЩМА высокодисперсных порошковых отсевов дробления искусственных пористых заполнителей, например керамзита или перлита. Возможность применения таких порошковых материалов в качестве стабилизирующих добавок для ЩМА обосновывается следующими соображениями:

— керамзит и перлит эффективно сорбируют битум, что обусловливается высокой избирательной фильтрацией вяжущего в поры материала;

— высокодисперсные порошковые отсевы дробления пористых материалов, таких как керамзит или перлит, по ряду основных параметров (зерновому составу, удельной поверхности и др.) соответствуют нормативным требованиям, предъявляемым к минеральным порошкам для асфальтобетонов. Поэтому существует возможность частичной замены минерального порошка в смесях ЩМА на такие отсевы дробления, что позволит повысить стабильность смесей и одновременно экономить минеральный порошок;

— использование высокодисперсных отсевов дробления доступных пористых заполнителей (керамзита, перлита) способствует некоторому снижению стоимости ЩМА.

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных по двум направлениям:

— первое — влияние использования высокодисперсных отсевов дробления керамзита и перлита в качестве стабилизирующих добавок для ЩМА;

— второе — возможности применения высокодисперсных отсевов дробления искусственных пористых заполнителей (на примере керамзита) как стабилизирующей добавки в составе модифицированного этими отсевами минерального порошка ЩМА.

С целью решения поставленных задач были запроектированы составы ЩМА-10 (ГОСТ 31015-2002), включающие: минеральный заполнитель из гранитного щебня фракций 5-10 мм и песка из отсевов дробления щебня; наполнитель — активированный дроблением известняковый минеральный порошок; вяжущее - нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90. В качестве стабили-

зирующих добавок использовали высокодисперсные отсевы дробления керамзита марки 600 фракций менее 0,16 мм и перлита марки 100 фракций менее 0,16 мм, полученные в результате измельчения в лабораторной шаровой мельнице. Свойства высокодисперсных отсевов дробления керамзита и перлита представлены в табл. 1.

В ходе реализации первого направления исследований экспериментально было установлено оптимальное содержание в ЩМА предложенных высокодисперсных отсевов дробления. Оптимальное содержание высокодисперсных отсевов керамзита как стабилизирующей добавки для ЩМА составило 2,5 мас. % сверх минеральной части смеси (состав 1, табл. 2), оптимальное содержание отсевов перлита — 1 мас. % сверх минеральной части смеси (состав 2, табл. 2).

Для сравнения приготавливали смеси стандартного состава ЩМА-10 с использованием хорошо зарекомендовавшей себя стабилизирующей добавки ^аШр (состав 4, табл. 2).

Выбранная технология приготовления смесей: битум и минеральный заполнитель разогревали до 165—170оС, затем добавляли минеральный порошок и стабилизирующую добавку, после чего все компоненты смешивали в лабораторном смесителе до получения однородной массы. Испытания смесей и образцов исследуемых ЩМА проводили в соответствии с ГОСТ 31015—2002. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Согласно данным экспериментальных исследований выявлено, что предложенные композиции отвечают требованиям ГОСТа и имеют достаточно высокие физико-механические показатели.

Применение предложенных добавок эффективно влияет на стабильность исследуемых смесей. Так, наиболее низким показателем стекания вяжущего (0,1%) обладают смеси ЩМА, включающие отсевы дробления перлита. Это обусловлено повышенными пористостью и удельной поверхностью высокодисперсных отсевов перлита. Показатель стекаемости вяжущего в смесях с отсевами дробления керамзита составил 0,13%, а со стандартной добавкой ^а^р имеет промежуточное значение (0,11%).

Наиболее высокие показатели прочности при сжатии при 20оС ^20) и теплостойкости (прочность при сжатии

при 50оС, R5o) зафиксированы у образцов ЩМА, включающих отсевы дробления керамзита. Самой высокой водостойкостью, которую оценивали по водонасыще-нию, обладают ЩМА с отсевами дробления перлита. Физико-механические показатели ЩМА с добавкой ^а^р занимают промежуточное положение. На величину показателей остаточной пористости и пористости минеральной части отформованных образцов исследуемых составов тип используемой стабилизирующей добавки практически не влияет (составы 1, 2 и 4, табл. 2).

При разработке второго направления — исследования возможности применения высокодисперсных отсевов дробления керамзита как стабилизирующей добавки в составе минерального порошка ЩМА оптимизировали содержание высокодисперсных отсевов дробления керамзита в наполнителе щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. В результате проведенных исследований установлено, что замена 20% минерального порошка в смеси на высокодисперсные отсевы керамзита является оптимальной. Данные испытаний предложенного состава ЩМА приведены в табл. 2 (состав 3).

Анализируя результаты полученных экспериментальных данных, следует отметить, что все физико-механические показатели модифицированного отсевами дробления керамзита ЩМА (состав 3, табл. 2) несколько уступают аналогичным показателям ЩМА со стабилизирующей добавкой ^а^р (состав 4, табл. 2), но полностью соответствуют нормативным значениям. Показатель стекания вяжущего ЩМА, модифицированного отсевами дробления керамзита, имеет достаточно низкое значение (0,12%) и близок к показателю стекания ЩМА с добавкой ^а^р (0,11%). Выводы

1. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что предложенные порошковые материалы (высокодисперсные отсевы дроб-

Список литературы

1. Кирюхин Г.Н., Смирнов Е.А. Покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона. М.: Элит, 2009. 176 с.

2. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. Н. Новгород.: ННГАСУ, 2009. 66 с.

3. Данильян Е.А., Асельдеров Б.Ш., Печеный Б.Г. Оптимизация качества асфальтобетонов с прерывистой гранулометрией заполнителей // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 54—55.

4. Савельев А.Н. Влияние введения полимеров в состав комплексной добавки на свойства щебеночно-мастичных асфальтобетонов // Строительные материалы. 2013. № 10. С. 36-37.

5. Ядыкина В.В., Куцына Н.П. Применение волокнистых отходов промышленности в производстве щебеночно-мастичных асфальтобетонов // Строительные материалы. 2007. № 5. С. 28-29.

6. Ядыкина В.В., Гридчин А.М., Тоболенко С.С. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона из отходов промышленности // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 64-66.

7. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Чернов С.А., Дармодехин П.О. Модифицированная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь дисперсно-армирующей добавкой FORTA // Науковедение. 2012. № 3. С. 1-9.

8. Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Ханнанова Г.Т., Недовенко И.В., Бабков В.В. Использование пирит-ного огарка в качестве минерального наполнителя в асфальтобетонах // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 42-43.

ления керамзита и перлита), обладающие высокопористой структурой, за счет избирательной фильтрации достаточно эффективно сорбируют и удерживают битум, распределяя его равномерно на поверхности минерального заполнителя по всему объему смеси, и могут успешно и эффективно применяться в качестве стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичных асфальтобетонов. ЩМА, изготовленные с их использованием, обладают хорошей устойчивостью к расслоению и низкими показателями стека-ния. Выявлено, что применение отсевов дробления перлита в наибольшей степени влияет на снижение показателя стекания вяжущего смеси ЩМА. Применение отсевов дробления керамзита в качестве стабилизирующей добавки для ЩМА в большей мере способствует повышению прочности и теплостойкости получаемого материала.

2. Показана возможность эффективной замены части минерального порошка ЩМА на высокодисперсные отсевы дробления керамзита, которые выступают как в роли наполнителя смеси, так и в роли стабилизирующей добавки, что позволяет получать щебе-ночно-мастичные асфальтобетоны с физико-механическими свойствами, полностью удовлетворяющими нормативным требованиям.

3. Применение предложенных пористых высокодисперсных материалов в щебеночно-мастичных асфальтобетонах позволит отказаться от дорогостоящих импортных и отечественных стабилизирующих добавок. Модификация минеральных порошков ЩМА высокодисперсными отсевами дробления керамзита не только поможет решить проблему расслаивания смеси, но и обеспечит экономию дефицитного во многих регионах минерального порошка, что в совокупности дает возможность снизить общую себестоимость щебеночно-мастичного асфальтобетона.

References

1. Kiriukhin G.N., Smimov E.A. Pokrytiia iz shchebenoch-nomastichnogo asfal'tobetona [Coverings from stone-mastic asphalt concretes]. M.: Elit. 2009. 176 p. (in Russian).

2. Kostin V.I. Shchebenochno-mastichnyi asfal'tobeton dlia dorozhnykh pokrytii [Stone-mastic asphalt concretes for pavings]. N. Novgorod.: NNGASU. 2009. 66 p. (in Russian).

3. Danil'ian E.A., Asel'derov B.Sh., Pechenyi B.G. Optimization of quality of asphalt concrete with discontinuous granulometry of fillers. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012. No. 1. Pp. 54-55 (in Russian).

4. Savel'ev A.N. Influence of injection of polymers into the composition of a complex additive on properties of stone-mastic asphalt concretes. Stroitel'nye materialy [ Construction Materials]. 2013. No. 10. Pp. 36-37 (in Russian).

5. Yadykina V.V., Kutsyna N.P. Application of fibrous waste of the industry in production of stone-mastic asphalt concretes. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 5. Pp. 28-29 (in Russian).

6. Yadykina V.V., Gridchin A.M., Tobolenko S.S. A stabilizing additive for crushed stone-mastic asphalt concrete from industrial waste. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012. No. 8. Pp. 64-66 (in Russian).

7. Iliopolov S.K., Mardirosova I.V., Chernov S.A., Darmodekhin P.O. The modified stone-mastic asphalt concrete mix dispersno-reinforcing additive of «FORTA». Naukovedenie. 2012. No. 3. Pp. 1-9 (in Russian).

8. Aminov Sh.Kh., Strugovets I.B., Khannanova G.T., Nedovenko I.V., Babkov V.V. Use of a pyritic candle end as a mineral filler in asphalt concrete. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 9. Pp. 42-43 (in Russian).