Исследование сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетона с пористыми минеральными порошками

Исследование сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетона с пористыми минеральными порошками

БГТУ им. В.Г. Шухова, Россия

УДК 544,678

Исследование сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетонна с пористыми минеральными порошками

Research shear resistance and crack resistance asphaltic concrete with porous mineral powders

Д.А. Кузнецов, к.т.н, доцент, М.А. Высоцкая, к.т.н, доцент,

Б.С. Агамян, аспирант

В работе выявлены особенности использования пористых дисперсных наполнителей для дорожного асфальтобетона и оценено их влияние на сдвигоустойчивость, трещиностойкость в разрезе моделирования различных технологических и эксплуатационных факторов.

In this paper, the peculiarities of porous particulate fillers for road asphalt and assess their impact on the slide and crack modeling in the context of various technological and operational factors.

На современном этапе развития технологии асфальтобетона проблема дальнейшего улучшения его свойств во многом связана с существенным изменением его структуры (включая и структуру битума). В частности, изменение условий взаимодействия минеральных и вяжущих материалов, в результате которых между ними появляются химические связи, может приблизить асфальтобетон к конденсационным структурам, отличающимся более высокой прочностью.

Большую роль в формировании структуры асфальтобетона играет структура материалов, образующих минеральный остов. Одну из ведущих ролей в обеспечении прочной структуры асфальтобетона играет минеральный порошок. асфальтобетон наполнитель сдвигоустойчивость

В последнее время значительный интерес представляет использование в составе асфальтобетона пористых минеральных материалов. Проводятся исследования по возможности их использования в качестве минерального порошка для дорожной отрасли [1-4].

Важным элементом взаимодействия битума с пористыми минеральными порошками, является избирательная фильтрация битума. В пористых материалах концентрируется значительное количество смол в поверхностных микропорах, а часть масел за счет избирательной диффузии проникает внутрь материала. Таким образом, при применении пористых материалов адсорбционные слои битума на поверхности частиц несколько обедняются смолами и маслами. При этом из-за обеднения битума маслами будет происходить увеличение вязкости битума, а следовательно и прочности смеси. Одни исследователи считают, что обеднение органического вяжущего маслами будет способствовать ускорению процесса старения органического вяжущего, а следовательно и снижению сроков службы дорожного покрытия. Другие отмечают, что следствием избирательной фильтрации масел внутрь пор будет раскрытие наиболее активных компонентов битума, скрытых под этой инертной оболочкой. В результате чего битум будет модифицироваться за счет обнажения наиболее активных его компонентов - асфальтенов и стабильных радикалов, которые могут взаимодействовать с минеральным материалом с образованием химической связи, что приведет к упрочнению структурных связей и увеличению долговечности покрытия.

Поверхность пористого минерального порошка характеризуются очень развитой системой микропор и, как следствие, наличием на его поверхности микрошероховатостей в виде ребер и пиков, что должно способствовать большему сцеплению минерального материала с органическим вяжущим. Кроме того, использование пористых минеральных порошков, согласно ряду исследований, будет способствовать увеличению сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, что становится особенно актуальным для дорог, работающих при высоких летних температурах с высокими транспортными нагрузками.

Таким образом, повышение качества асфальтобетона за счет использования в его составе пористого техногенного минерального порошка представляет определенный научный и практический интерес.

В данной работе представлены результаты исследований тонкодисперсных керамзита и цеолита с точки зрения их использования в составе асфальтобетона. Для проведения исследований использовались минеральные порошки из известняка Елецкого месторождения, тонкодисперсного керамзита и цеолита Холинского месторождение, гранитный щебень и отсев Янцевского гранитного карьера - Украина, битум нефтяной дорожный вязкий БНД 60/90, Саратовского нефтеперерабатывающего завода.

Известно, что взаимодействие минерального порошка с битумом обусловливается физико-химическими процессами, происходящими на границе раздела битум - минеральный материал, в силу которых на поверхности минеральных частиц образуется тонкая битумная пленка, не только обволакивающая их, но и способная прочно сцепляться с ними [5,6].

Связи, возникающие между битумом и поверхностью минеральных частиц, имеют первостепенное значение для свойств асфальтобетона. Поэтому важнейшей характеристикой минерального порошка является его способность к прочному сцеплению с вяжущим [7,8].

Активность минерального морошка при взаимодействии с битумом изучали по величине адсорбции порошками битума из бензольных растворов различных концентраций, а также по величине десорбции из них битума. Количество битума, химически связанного с поверхностью минерального порошка, определяли по разности величины адсорбции и десорбции адсорбированного битума. По количеству битума, оставшегося на поверхности минеральных частиц после десорбции, судили об активности поверхности минерального материала. Величины адсорбции и десорбции характеризуют активность процессов взаимодействия минеральных материалов с органическим вяжущим. Десорбция производиться в аппарате Сокслета чистым бензолом до полного осветления растворителя.

Рисунок 1 - Показатели адсорбции - десорбции битума на поверхности минеральных порошков

Как видно из рисунка 1 наиболее активная адсорбция компонентов битума идет на поверхности цеолита. Так при концентрации битума в 9%-ном растворе величина его адсорбции поверхностью цеолита составляет 8,55*10^-3 КГбит/КГпор, а поверхностью известняка и керамзита 4,10*10^-3 КГбит/КГпор и 3,30*10^-3 КГбит/КГпор. Это может объясняться высокой пористостью наполнителя и, очевидно, большим количеством адсорбционных центров на его поверхности, способных адсорбировать компоненты битума. Капиллярно- пористая структура минеральных зерен при прочих равных условиях значительно увеличивает количество адсорбированного битума.

Наибольшая десорбция адсорбированного слоя вяжущего происходит с поверхности известняка и цеолита. Однако даже после десорбции на поверхности цеолита остается больше битума, чем на поверхности известняка и керамзита. После десорбции количество органического нижущего, оставшегося ни поверхности цеолита составило 6,25*10^-3 КГбит/КГпор, а на поверхиости известняка и керамзита 2,1*10^-3 КГбит/КГпор и 2,7*10^-3  КГбит/КГпор .

Для изучения влияния исследуемого наполнителя на свойства композита были приготовлены асфальтобетонные образцы типа Б. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики асфальтобетона с пористыми минеральными порошками

Прочностные характеристики асфальтобетона с использованием цеолита выше, чем при использовании известняка и керамзита. Однако, задача создания асфальтобетона, устойчивого против образования деформаций при наивысших температурах, неразрывно связана с сохранением устойчивости к образованию трещин в зимнее время, то есть с сохранением необходимой деформативности. Образцы асфальтобетона на наполнителе из керамзита, при температуре 50°С, имеют прочность при сжатии несколько выше, чем этот показатель для асфальтобетона на известняке. Прочность при сжатии при 50°С является косвенным показателем сдвигоустойчивости органоминерального композита. Поэтому опираясь на полученные результаты можно предположить, что при эксплуатации дорожного покрытия в летнее время риск возникновения сдвигающих деформаций в виде волн, наплывов, сдвигов у асфальтобетона на наполнителе из керамзита будет несколько меньше, чем у асфальтобетона на известняке. При сравнении такого показателя, как предел прочности при сжатии при 0°С видно, что самой низкой прочностью обладают образцы асфальтобетона на цеолитовым наполнителе. Предел прочности при сжатии при 0°С считают косвенным показателем образования трещин при отрицательных температурах. Поэтому чем меньше этот показатель, тем меньше будет вероятность образования трещин при отрицательных температурах, вследствие большей пластичности асфальтобетона.

Важными характеристиками дорожного композита являются показатели коэффициентов теплостойкости и трещиностойкости. Эти показатели определяют степень стабильности прочностных характеристик асфальтобетона при изменении температуры. Как известно, недостатком асфальтобетона является большая зависимость его свойств от температуры. При положительных температурах асфальтобетон обладает свойствами вязко-пластического материала, а при отрицательных упругого. Поэтому важно, чтобы при колебаниях температуры дорожный композит сохранял свои прочностные характеристики без существенных изменений.

Рисунок 2 - Показатели коэффициентов теплостойкости (а), трещиностойкости (б) асфальтобетона с минеральном порошком:

- известняк; 2 - керамзит; 3 - цеолит

Показатели коэффициента теплостокости асфальтобетона на наполнителе из цеолита превышают аналогичный показатель дорожного композита на известняка на 9.2%, и керамзита на 7.4%.

Показатель коэффициента трещиностойкости дорожного композита на известняке, выше, чем этот показатель у образцов асфальтобетона на керамзите на 14.3%, и цеолита на 37.1%.

Анализируя полученные соотношения можно заключить, что дорожный композит с цеолитом отличаются большей стабильностью свойств при перепадах температур по сравнению с асфальтобетоном на известняке, и на керамзите, а следовательно, и большим сроком службы дорожного покрытия.

Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий во многом определяется сдвигоустойчивостью асфальтобетона в летнее время и его температурной трещиностойкостью зимой. Эти качества асфальтобетона могут оцениваться по пределам прочности при +50 и 0 °С. Однако повышение прочности асфальтобетона, как правило, сопровождается снижением его трещиностойкости в период отрицательных температур.

Поэтому были исследованы сдвигоустойчивость, трещиностойкость и коррозионная стойкость асфальтобетона, так как эти характеристики оказывают существенное влияние на долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий.

Трещиностойкость асфальтобетона оценивалась по пределу прочности на растяжение при расколе. Результаты испытаний представлены на рисунке

Рисунок 3 - Предел прочности асфальтобетона на растяжение при расколе с минеральным порошков: 1 - цеолит; 2 - известняк; 3- керамзит

Для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона были определены максимальные нагрузки и соответствующие предельные деформации стандартных цилиндрических образцов при двух напряженно деформированных состояниях: при одноосном сжатии и при сжатии по схеме Маршалла. Затем был рассчитан лабораторный показатель сцепления при сдвиге асфальтобетонных образцов на исследуемых материалах.

Таблица 2

Показатели сдвигоустойчивости асфальтобетона

Исследование трещино- и сдвигоустойчивости асфальтобетона позволило установить, что при использовании керамзитовой пыли и известнякового минерального порошка эти показатели близки, а при использовании цеолита более высокие, что свидетельствует о том, что этот минеральный порошок лучше позволяет сохранять стабильность свойств асфальтобетона при колебаниях температур от 0 до + 50 С.

Коррозионную устойчивость асфальтобетона оценивали по длительной водостойкости и морозостойкости - до 50 циклов замораживания - оттаивания.

Испытания асфальтобетона на морозостойкость показали, что образцы с минеральным порошком из цеолита имеют более высокие показатели морозостойкости, чем на известняке и керамзита. После 15 циклов замораживания-оттаивания падение прочности дорожного композита относительно первоначальной прочности доставило: у образцов на керамзите - 57% ,на известняке - 33,8%, на цеолите - 9,2%. По окончании испытаний снижение прочности образцов асфальтобетона с наполнителем из керамзита составила - 62,6%, на известняке - 45%, а из цеолита - 22,2%.

Изменения прочности асфальтобетона после 0, 25 и 50 циклов замораживания и оттаивания показана в рисунке 4

Рисунок 4 - Изменения прочности асфальтобетона при сжатии, после 0, 25 и 50 циклов замораживания и оттаивания с исследуемыми минеральными порошками

Высокие показатели коэффициентов длительной морозостойкости подтверждает полученные ранее результаты по образованию на границе раздела фаз битум-наполнитель устойчивых связей, способных противостоять действию воды.

Опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий показал, что они особенно интенсивно разрушаются в период длительного увлажнения, а также во время оттепелей, которым предшествовало значительное количество знакопеременных колебаний температур. Поэтому, применение асфальтобетонов, более устойчивых к воздействию воды, является одним из важнейших факторов, способствующих увеличению сроков службы дорожных покрытий.

На основе полученных результатов по определению морозостойкости асфальтобетона можно сделать вывод, что асфальтобетон на наполнителе из цеолита на всем протяжении испытаний имеет достаточно высокие показатели коррозионной устойчивости, чем асфальтобетон на наполнителях из известняка и керамзита.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что взаимодействие вяжущего с исследуемыми пористыми порошками, особенно цеолитом, идет более активно. Особенности взаимодействия пористых минеральных материалов с битумом приводят к тому, что связи между минеральными частицами, происходящие через тонкие слои вязкого битума, становятся менее эластичными и более стабильными по отношению к температуре. Поэтому информативным испытанием, позволяющим получить адекватную картину об эластичности или хрупкости битумных прослоек на зернах наполнителя будет являться исследование сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетона после попеременного замораживания-оттаивания.

Таблица 3

Показатели сдвигоустойчивости асфальтобетона после циклов замораживания - оттаивания образцов

Как и следовало ожидать наименьшее изменение показателей через 50 циклов испытания характерно для составов асфальтобетона на цеолите, что может свидетельствовать о сохранении эластичности вяжущего.

Таким образом, проведенные исследования показали, что пористые порошки оказывают более сильное структурирующее действие на битум. Кроме того, битум может модифицироваться за счет обнажения наиболее активных его компонентов - асфальтенов и стабильных радикалов, которые могут взаимодействовать с минеральным материалом с образованием химической связи, что приведет к упрочнению структурных связей и увеличению долговечности покрытия.

При использовании в качестве минерального порошка цеолита улучшается устойчивость физико-механических характеристик асфальтобетона при изменении температуры окружающей среды и покрытия, что подтверждает полученные ранее данные о том, что пористые минеральные порошки могут являться эффективным сырьем для производства асфальтобетонных смесей.

литература

1 Борисенко Ю.Г., Борисенко О.А. Использование керамзитовой пыли в составе легких бетонов// Строительные материалы. 2007. - №9. - С. 48-49.

2 Борисенко О.А. Битумоминеральные композиции, модифицированные отсевами дробления керамзита для асфальтовых материалов с повышенными термостабильностью и трещиностойкостью : автореф. дис. … канд. техн. наук : спец. 05.23.05 «Строительные материалы и изделия» / О.А. Борисенко - Ставрополь. - 2008. - 23 с.

Оценка эффективности наполнителей в бинарной системе / Высоцкая М.А., Кузнецов Д.А, М.Ю. Федоров // Дорожная держава - 2013 - № 48 - С. 56-59

Устойчивость к образованию трещин при старении асфальтобетона с пористыми минеральными порошками / Кузнецов Д.А., Агамян Б.С., Баранов Т.Р. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова: - Белгород, 2013.- №6. - С.

. Волков М.И. Структурообразование и взаимосвязь структур в асфальтобетоне / М.И. Волков, И.В. Королев // В сб. Материалы работ симпозиума по структуре и структурообразованию в асфальтобетоне. Союздорнии, Балашиха, 1968. - С. 105-109.

. Иваньски М. Асфальтобетон как композиционный материал (с нанодисперсным и полимерным компонентами) / М. Иваньски, Н.Б. Урьев. Под общей редакцией профессора, доктора химических наук Н.Б. Урьева - М.: Техполиграфцентр, 2007. - 668 с. - ISBN.

. Колбановская А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. - М.: Транспорт, 1973. - 261 с. - ISBN.

. Руденская И.М. Органические вяжущие для дорожного строительства / И.М. Руденская, А.В. Руденский. - М.: Транспорт, 1984. - 226 с. - ISBN.