Влияние добавок низкокальциевой золы-уноса тэсна характеристики дорожного битумного вяжущего

УДК 691.16

М.С. ЛЕБЕДЕВ1, канд. техн. наук

1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

2 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет

Влияние добавок низкокальциевой золы-уноса ТЭС на характеристики дорожного битумного вяжущего*

Рассматривается возможность модифицирования битумного вяжущего тонкодисперсной золой-уносом. Установлено влияние различных дозировок золы на свойства битума, определяемые по методам российских стандартов. Предложено оценивать реологические характеристики битумов и мастик по методу Superpave (США) в интервале температуры 46-76оС. Установлены зависимости в изменении комплексного модуля и параметра колееобразования при добавлении различных процентов наполнителя. Выявлена корреляция между реологическими характеристиками и результатами физико-механических испытаний, проводимых по российским стандартам. Показано, что введение 15% золы-уноса позволяет существенно повысить температуру, при которой выполняется минимальное условие по параметру колееобразования. Этот факт можно использовать для прогнозирования улучшения сдвигоустойчивости асфальтобетонной смеси, приготовленной с использованием мастики с 15%-м содержанием золы-уноса.

Ключевые слова: зола-унос, битумная мастика, колееобразование, реологические характеристики.

M.S. LEBEDEV1, Candidate of Sciences

1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

2 Moscow State Automobile and Road Technical University

Effect of Additives of CHP Low-Calcium Fly Ash on Characteristics of a Road Bitumen Binder*

A possibility of modification of a bitumen binder with fine fly ash is considered. The influence of different dosages of fly ash on properties of bitumen, which is determined according to the methods of the Russian standards, is established. It is proposed to evaluate the rheological characteristics of bitumen and mastics according to the Superpave method (USA) within the temperature interval of 46-760C. Dependences in changes both of the complex module and the parameter of rutting in the course of adding different percents of the filler are established. The correlation between the rheological characteristics and results of the physical-mechanical tests carried out by Russian standards is revealed. It is shown that the introduction of 15% of fly ash makes it possible to significantly increase the temperature at which the minimum condition for rutting parameter is fulfilled. This fact can be used to predict improvement of shear resistance of asphalt concrete mix prepared with the use of mastic with 15% fly ash content.

Keywords: fly ash, bitumen mastic, rutting, rheological characteristics.

В настоящее время накоплен большой опыт применения золы-уноса тепловых электростанций при производстве строительных материалов, в частности вяжущих веществ. Например, их применяют в качестве сырьевых компонентов портландцементного клинкера и активных минеральных добавок [1], известково-кремнеземистых вяжущих [2], алюмосиликатного компонента геополимерных вяжущих [3] и др. Также имеется достаточно много сведений, связанных с вопросами использования этих пылевидных отходов в асфальтобетонных смесях [4—6]. Однако противоречивые данные о влиянии золы-уноса на свойства дорожных композитов позволяют говорить о недостаточной изученности поднимаемого вопроса. Это, вероятно, связано с отсутствием четко сформированных представлений о составе, структуре и свойствах золы-уноса, выполняемой ею роли в структуроо-бразовании асфальтовых композиций, и, самое главное, с отсутствием системного подхода при анализе изучаемых материалов. В связи с этим представляется важным проведение исследований, направленных на изучение влияния фазовых и размерных характеристик дисперсного сырья на свойства битумов и асфальтобетонов. В представленной работе зола-унос используется в качестве модифицирующей добавки к битуму, улучшающей

реологические характеристики органического вяжущего и снижающей его стоимость. Золу-уноса в битумах можно рассматривать как наполнитель в вязкоупругих системах. При этом смешивание битума с наполнителем создает смесь, именуемую мастикой.

В работе использовались: битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90 (производство ОАО «Газпром-нефть — Московский НПЗ»), низкокальциевая зола-уноса Рефтинской ГРЭС, химический состав которой представлен в табл. 1. Зола-уноса обладает следующими свойствами: истинная плотность — 2020 кг/м3, влажность — 0,15%, удельная поверхность по Блэйну — 327 м2/кг, по БЭТ - 500 м2/кг.

Мастики приготавливались путем смешивания предварительно нагретого до температуры 150-160оС битума и золы-уноса в количестве 5, 10 и 15% от массы смеси. Влияние добавки и ее количества на свойства битума устанавливали по показателям ГОСТа.

При введении наполнителя в битум понижается его условная вязкость и растяжимость при 25 и 0оС (П25, П0 и Д25, До соответственно), повышается температура размягчения (Тр) (рис. 1). Изменения в свойствах не очень значительны, например температура размягчения возрастает менее чем на 4%, пенетрация при 25оС понижается

Оксиды SiO2 AI2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 Na2O K2O TiO2 ППП

Содержание, % 60,2 30,92 1,28 3,35 0,577 0,153 0,525 0,75 1,17 1,9

* Работа выполнена при финансовой поддержке: РФФИ, договор № НР 14-33-50402/14; в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

* Work is executed under financial support: RFFI, Agreement № НР 14-33-50402/14; within the frames of Program of strategic development of V.G. Shukhov BSTU.

8

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2014

iA

51

5 10

Содержание золы, мае. %

50,5

50

49,5

49

ИГк

/ ч

Рис. 1. Влияние добавки золы-уноса на свойства битумного вяжущего марки БНД 60/90: а размягчения и индекс пенетрации

5 10 15

Содержание золы, мае. %

на пенетрацию и растяжимость; б - на температуру

а

б

на 14%, при 0оС — на 28%. По этим характеристикам мастики со всеми концентрациями добавки (от 5 до 15%) соответствуют требованиям ГОСТ 22245—90 по марке битума БНД 60/90. Уменьшение значений пенетрации характеризует повышение вязкости системы, что определенным образом сказывается и на других характеристиках.

Увеличение вязкости системы при добавлении наполнителя отражается на растяжимости (рис. 1, а). Снижение растяжимости при 250С (с 91 до 30 см) с увеличением содержания золы-уноса свидетельствует о возрастающем отклонении вяжущего от ньютоновской жидкости [7]. Несмотря на то что растяжимость при 25оС не отвечает требованиям ГОСТа, этот параметр не отражает реальных условий работы органического вяжущего в покрытии.

Введение дисперсного компонента в битум способствует небольшому повышению его индекса пенетрации (ИП) (с -0,63 до -0,53), что может характеризовать некоторое повышение теплоустойчивости битума (рис. 1, б).

Наряду с исследованием влияния добавок золы-уноса на основные нормируемые в России показатели были изучены реологические характеристики битума и мастик на его основе в соответствии со спецификацией TP538 SHRP [8] и AASHTO T315 [9] по методу Superpave (США) в диапазоне температуры от +46 до +760C (с шагом 60C плюс дополнительная точка 490C, близкая к температуре размягчения исходного битума) с использованием вибрационного ротационного вискозиметра Rheotest RN4.1 (Германия). Реологические испытания битумов в России как метод нормирования показателей не рассматривают и практически не применяют. Однако характеристики, получаемые в результате этих исследований, являются фундаментальными, такие как комплексная и динамическая вязкость, в отличие от эмпирических свойств, определяемых по российским стандартам. Поэтому реологические испытания по методу Superpave можно рассматривать как факультативные, но в перспективе они могут стать регламентируемыми для оценки качества нефтяных битумов, что является важным с точки зрения пол-

ноты описания потребительских свойств органического вяжущего и асфальтобетона [10].

Суть методики состоит в колебательных испытаниях с радианной частотой 10 рад/с, что соответствует скорости движения транспорта около 80 км/ч, таблетки битума толщиной 1 мм, заключенной между двумя параллельными пластинами диаметром 36 мм. Измерения проводили в режиме с контролируемым напряжением сдвига, при котором задавали напряжение сдвига в виде функции времени гармонических колебаний синусоидальной формы и измеряли получаемое в результате изменение деформации во времени. На основании полученных значений напряжений и деформаций определяли угол сдвига фаз б между ними и комплексный модуль G*, рассчитываемый как отношение амплитуды напряжений к амплитуде деформации.

В результате реологических испытаний было выявлено, что характер кривых для битума без добавок и мастик с наполнителем существенно не меняется (рис. 2, 3), но разнятся численные значения получаемых показателей. В частности, установлено, что введение золы-уноса в битум снижает возникающие деформации и повышает модуль жесткости G* (рис. 2). При этом замечено, что небольшое содержание золы-уноса (5 и 10%) повышает стойкость к деформациям незначительно по отношению к исходному битуму (на 11—38%). Наибольший эффект наблюдается при введении 15% наполнителя, при котором комплексный модуль G* повышается при температуре испытаний 460С на 67%, а при 76оС — на 46%. Полученные данные в интервале температуры 46—760С в достаточно большой степени коррелируют с результатами физико-механических испытаний, таких как условная вязкость (пенетрация) и растяжимость (дуктиль-ность) при 25 и 00С. Отмечаемые изменения свидетельствуют об улучшении стойкости битума, наполненного золой-уносом, к периодическим нагрузкам, что должно положительным образом влиять на сдвигоустойчивость асфальтобетона, приготовленного на основе такой мастики, при высоких эксплуатационных температурах.

fj научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2014

35000 30000 25000 ! 20000 M 5000 10000 5000

/

Gra G? r5„ '10..

1 .g;

35 30 25 20 15 10

46 49 52

55 58 61 64 67 Температура, °С

70 73 76

Рис. 2. Зависимость деформации у и комплексного модуля в* от содержания золы-уноса в мастике и температуры

Другим параметром, регистрируемым по результатам колебательных испытаний, является фазовый угол — временная задержка между приложенными напряжениями сдвига и возникающей деформацией, выраженная в градусах или радианах. Он является индикатором того, насколько в материале выражены эластичные или вязкостные свойства. Согласно полученным данным введение золы-уноса в битум в среднем уменьшает угол сдвига фаз на 1—20, что свидетельствует о незначительном, но увеличении эластичной составляющей комплексного модуля и соответствующей доли деформации.

В соответствии с американским стандартом ТР538 SHRP [8] нормируемым показателем является так называемый параметр колееобразования G*/Sinб, который для несостаренных вяжущих должен составлять не менее 1 кПа при соответствующей температуре испытаний, например для битума PG-64-28 при температуре испытаний 640С. Согласно полученным данным исследуемый битум БНД 60/90 удовлетворяет этому критерию при максимальной температуре 640С (рис. 3). При добавлении 5 и 10% золы-уноса параметр колееобразования повышается на 15 и 10% соответственно, но при следующей температуре 70оС не достигает значения 1 кПа. Повышение содержания наполнителя до 15% позволяет увеличить G*/Sinб при 640С на 85%, а при 70оС получить 1,253 кПа, что теоретически соответствует более высокой марке битума по американским нормам. Полученные данные находят подтверждение в работах зарубежных ученых [11].

Обращает на себя внимание тот факт, что обнаруженное повышение жесткости и температуры колееобразования (на 60С — с 64 до 70оС) по американскому стандарту лишь в малой степени коррелирует с изменением температуры размягчения битума (на 1,8оС — с 49 до 50,80С). Это дает основания согласиться с мнением

10000 9000 8000 7000

с: 6000 1 5000 f 4000

"зооо 2000 1000 0

/

_---" 49^0 /..........................

G'/Sïno =1000 Па

........v......................:

:- \

------ ------

76°С

5 10

Содержание золы-уноса, %

15

Рис. 3. Зависимость параметра колееобразования от содержания золы-уноса в мастике и температуры

других авторов о том, что понятие температуры размягчения условно, переход из относительно твердого состояния в жидкое происходит в определенном интервале размягчения [7]. В связи с этим температуре размягчения каждого состава соответствуют разные величины комплексного модуля G*.

Отмечаемое повышение жесткости вяжущего свидетельствует о его большей механической стабильности при определенной температуре и увеличении температурного диапазона эксплуатации связующего без образования остаточных деформаций. Смещение температуры, соответствующей параметру колееобразования, на 60С (с 64 до 700С) можно использовать для прогнозирования улучшения сдвигоустойчивости и сопротивления образованию колеи у асфальтобетонной смеси, приготовленной на мастике, полученной путем 15% замены битума на золу-уноса Рефтинской ГРЭС. Это согласуется с повышением индекса пенетрации битума.

Представленные в настоящей статье исследования выполнялись на битуме с достаточно большой вязкостью. Дальнейшее развитие работы может быть связано с апробацией предлагаемого метода модификации применительно к дорожным битумным вяжущим с меньшей вязкостью, включая гудроны и неокисленные битумы, для получения связующего, близкого по свойствам к более высоким маркам по вязкости, но имеющего при этом значительно меньшую стоимость.

Таким образом, проведенные реологические исследования по влиянию введения низкокальциевой золы-уноса в количестве 5—15% позволяют говорить об эффективной замене части битума на дисперсный компонент. Эту добавку можно рассматривать как своего рода расширяющую часть битумного вяжущего с низкой стоимостью, которая в определенной степени позволяет регулировать его вязкость и свойства.

Список литературы

1. Овчаренко Г.И., Хижинкова Е.Ю., Музалевская Н.В., Алексеенко В.В. Прогнозирование собственных деформаций цементно-зольных композиций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 3. С. 45-47.

2. Воронин П.В., Заровнятных В.А., Шикирянский А.М. Эффективный силикатный кирпич на основе золы ТЭС и порошкообразной извести // Строительные материалы. 2000. № 8. С. 24-25.

3. Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Строкова В.В. Оценка биопозитивности геополимерных вяжущих на основе низкокальциевой золы-уноса // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 84-85.

References

1. Ovcharenko G.I., Hizhinkova E.Ju., Muzalevskaja N.V., Alekseenko V.V. Forecasting of internal strain in cement-ash composites. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2010. No. 3, pp. 45-47. (In Russian).

2. Voronin P.V., Zarovnjatnyh V.A., Shikirjanskij A.M. Effective silicasand brick based on ash from power station and lime powder. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2000. No. 8, pp. 24-25. (In Russian).

3. Kozhuhova N.I., Zhernovskij I.V., Strokova V.V. Assessment of biopositiveness of geopolymeric binders on the basis of low calcium fly ash. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 9, pp. 84-85. (In Russian).

научно-технический и производственный журнал QTfJfJ^JTi JJbllbJ" 10 ноябрь 2014 ~ Ы

4. Путилин Е.И., Цветков В.С. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог: обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. М.: Союздорнии. 2003. 60 с.

5. Ярмолинская Н.И., Цупикова Л.С. Повышение коррозионной стойкости асфальтобетона на основе отходов ТЭС // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 46-47.

6. Zimmer F.V. Fly ash as a bituminous filler. Proceedings of the Second ash utilization symposium. 1970, pp. 49-76.

7. Руденская И.М., Руденский А.В. Реологические свойства битумов. М.: Высшая школа, 1967. 118 с.

8. Standard test method for determining rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer (DSR). AASHTO Designation: TP5, based on SHRP Product 1007. September 1993.

9. AASHTO T315-10: Standard method of test for determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer. American Association of State Highway and Transportation Officials. 2010. 32 p.

10. Рапопорт П.Б., Кочетков А.В., Евтеева С.М., Погуляйко В.А. Нормирование показателей битума // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 14-17.

11. Sobolev K., Ismael F., Saha R.,Wasiuddin N.M., Saltibus N.E. The effect of fly ash on the rheological properties of bituminous materials. Fuel. Vol. 116. January 2014, pp. 471-477.

4. Putilin E.I., Cvetkov V.S. Primenenie zol unosa i zoloshlakovyh smesej pri stroitel'stve avtomobil'nyh dorog: obzornaja informacija otechestvennogo i zarubezhnogo opyta primenenija othodov ot szhiganija tverdogo topliva na TJeS. [Application of fly-ash and bottom-ash mixture when road construction: review information of domestic and abroad experience of application of solid fuel combustion wastes]. Moscow: Sojuzdornii. 2003. 60 p.

5. Jarmolinskaja N.I., Cupikova L.S. Improving ofresistance to corrosive attack for asphalt concrete based on power station wastes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 9, pp. 46-47. (In Russian).

6. Zimmer F.V. Fly ash as a bituminous filler. Proceedings of the Second ash utilization symposium. 1970, pp. 49-76.

7. Rudenskaja I.M., Rudenskij A.V. Reologicheskie svojstva bitumov [Rheological properties of bitumens]. Moscow: Vysshaja shkola. 1967. 118 p.

8. Standard test method for determining rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer (DSR). AASHTO Designation: TP5, based on SHRP Product 1007. September 1993.

9. AASHTO T315-10: Standard method of test for determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer. American Association of State Highway and Transportation Officials. 2010. 32 p.

10. Rapoport P.B., Kochetkov A.V., Evteeva S.M., Poguljajko V.A. Standardization of bitumen indicators. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 5, pp. 14-17. (In Russian).

11. Sobolev K., Ismael F., Saha R.,Wasiuddin N.M., Saltibus N.E. The effect of fly ash on the rheological properties of bituminous materials. Fuel. Vol. 116. January 2014, pp. 471-477.

Активатор

ИЗМСЛЬЧСНИС сЖТИВаЦШ! синтез

Планетарные мельницы «Активатор» для заводских и исследовательских лабораторий

Мельница «Активатора» «Активатора» «Ашватор-4М»

Количество [обьем) барабанов 2

Скорость вращения барабанов 0-1500 об/мин 0-2800 об/мин 0-1650 об/мин

Потребляемая мощность 2,2 кВт/ч 2 по 2,2 кВт^ч 18 кВт/ч

Применение Профподготовка Меканокимические исследования Наработка материала

Размеры частиц кварцевого песка, помолотого в течение 5 мин на лабораторных планетарных мельницах «Активатор»

«Ашватор-251» 30 % < 1 JJ 60 % < 2 ц 92 % < 5 ц

«Активатора» 40 % < 1 и 77 % < 2 ц 96 % < 5 ц

«Активатор-4М» 26 % < 1 и 60 % < 2 ц 86 % < 5 ц

www.activator.ru

Машиностроительный Завод «Активатор» Новосибирская обл., р.п. Дорогино, 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: +7 (38345) 710-61 Тел.; +7(913)9429431 e-mail: belyaev@activator.ru

Реклама

Ы

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2014

11