Влияние стабилизирующих добавок из отходов целлюлозно-бумажной промышленности на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Ядыкина В. В., д-р техн. наук, проф., Гридчин А. М., д-р техн. наук, проф., Траутваин А. И., канд. техн. наук, ст. преп., Юрьев П. С., инженер

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ВЛИЯНИЕ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ДОБАВОК ИЗ ОТХОДОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА СВОЙСТВА ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА*

[email protected]

В данной статье приведены результаты исследований физико-механических свойств щебеноч-но-мастичного асфальтобетона с различными стабилизирующими добавками. Для выявления преимуществ и недостатков данного материала для сравнения показателей приняли щебеночно-мастичный асфальтобетон с добавкой У1АТОР-66. Испытания образцов, заформованных в лабораторных условиях, проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 31015-2002.

Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА), стабилизирующие добавки, битум, физико-механические характеристики, стекание

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) - это материал, разработанный специально для устройства верхних слоев покрытия на дорогах с высокой интенсивностью движения транспорта [1]. В процессе его производства широко используется стабилизирующая добавка, поскольку именно с ее помощью ЩМА приобретает свои уникальные свойства.

Применение стабилизирующей добавки обусловливается повышенным содержанием битума в ЩМА смеси (6,5% - 7,5%). Для предотвращения вытекания вяжущего в смесь вводят битумоноситель (т.е. стабилизирующую добавку), который впитывает в себя неструктурированное вяжущее. Характер адсорбционного процесса между поверхностью волокон и битумом обусловливается действием молекулярных сил и величиной поверхностной энергии. В результате адсорбции на поверхности волокна образуется адсорбционный слой повышенной вязкости, обеспечивающий сцепление битума с поверхностью. Поэтому необходимо уделять особое внимание правильности выбора стабилизирующей добавки.

Первоначально в качестве стабилизатора использовались так называемые свободные целлюлозные волокна, нарезанные и «распушенные» специальным образом. Однако после перехода от единичного производства ЩМА к массовому все чаще и чаще стали проявляться определенные дефекты смеси, в частности, сегрегация и появление битумных пятен различной величины (иногда обширной площади) на

вновь уложенной дорожной поверхности непосредственно в процессе уплотнения. После дополнительных исследований было обнаружено, что, несмотря на прекрасный стабилизирующий эффект, свободные волокна обладают серьезными недостатками:

- повышенная гигроскопичность;

- свободные волокна затрудняют распределение в смесителе;

- склонность к комкованию, что затрудняет дозирование и дальнейшее распределение в смесителе;

- высокая вероятность обгорания, когда свободные волокна попадают в смеситель на перегретый инертный материал (190-200 °С), то, в первую очередь, происходит обгорание интермолекулярных ОН-мостиков, которыми молекула целлюлозы связывается с молекулами вяжущего и каменного материала [2].

Дальнейшим эволюционным развитием семейства стабилизаторов стало появление гранулированных добавок. Гранулированные добавки представляют собой волокна, спрессованные в гранулы с их обработкой модифирующими составами или без нее [3]. Волокнистая добавка должна быть однородной, без примесей, устойчивой к нагреву до температуры 220°С и обладать влажностью не более 8% по массе [4]. Следует различать три вида гранулированных добавок: гранулы, состоящие из чистой целлюлозы, гранулы с добавлением парафинов (воск, стеарин) для уменьшения гигроскопичности и гранулы, в которых каждое целлюлозное волокно

имеет битумное покрытие. Последнее исключает насыщение влагой целлюлозных волокон, что обеспечивает простую и надежную систему дозирования, прекрасное распределение в смесителе без увеличения времени сухого перемешивания и, как результат, - стабильную смесь. Кроме этого, наличие битумного покрытия предотвращает обгорание волокон при их подаче на горячий инертный материал.

Нами были разработаны и исследованы стабилизирующие добавки различных составов

с условными названиями: БЛ-80-1, БЛ-80-2, БЛ-70-1, БЛ-70-2, БЛ-70-3, БЛ-70-4, БЛ-70-5, БЛ-70-6 в сравнении с известной добавкой, имеющей коммерческое название «У1ЛТОР-66». Исходным сырьем для для производства добавок явились отходы целюлозно-бумажной промышленности. Фотографии перечисленных добавок представлены на рис. 1.

Результаты определения показателя стека-ния вяжущего приведены в табл. 1.

Рис. 1. Исследуемые стабилизирующие добавки а - БЛ-80-1; б - БЛ-80-2; в - БЛ-70-1; г - БЛ-70-2; д - БЛ-70-3; е - БЛ-70-4; ж - БЛ-70-5; з - БЛ-70-6; и - Уш1ор-66.

в

е

Таблица 1

Показатель стекания вяжущего с волокон____

Наименование показателя ГОСТ 310152002 У1ЛТОР БЛ-80-1 БЛ-80-2 БЛ-70-1 БЛ-70-2 БЛ-70-3 БЛ-70-4 БЛ-70-5 БЛ-70-6

Содержание добавки в смеси, % 0,2-0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

Содержание битума в смеси, % 6,5-7,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5

Показатель стекания не более 0,20

вяжущего, % по 0,13 0,14 0,15 0,10 0,11 0,09 0,07 0,12 0,13

массе

Так как смеси ЩМА должны быть устойчивыми к расслаиванию в процессе транспортирования, а также при загрузке - выгрузке, то при разработке стабилизирующей добавки важнейшим показателем ее качества является стекание,

которое определяется согласно ГОСТ 310152002.

Согласно данным табл. 1, по показателю стекания вяжущего все добавки соответствуют

требованию ГОСТ 31015-2002 и пригодны для дальнейшего исследования.

С целью изучения влияния стабилизирующих добавок на физико-механические характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона были произведены испытания образцов, приготовленных с использованием щебеня гранитного фракции 5-10 мм ЗАО «Кировоградгранит» Новопавловского ГК и песка из отсева дробления фракции 0-5 мм ОАО «Павловскгранит». В качестве минерального порошка применялся тонкомолотый известняк МП-1 ОАО «Гурово-Бетон». В работе использовался нефтяной битум марки БНД 60/90 ЗАО «Рязанская нефтеперера-

батывающая компания», удовлетворяющий требованиям ГОСТ 22245-90.

Для обеспечения постоянного зернового состава испытываемых асфальтовых бетонов материал предварительно рассеивался, затем для каждого замеса из этих отдельных фракций составлялась минеральная часть смеси.

Результаты испытаний физико-механических характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона приведены в табл. 2, из которых следует, что исследуемые смеси по всем показателям удовлетворяют требованиям ГОСТ 31015-2002.

Таблица 2

Наименование показателя Норма по ГОСТ 31015-2002 БЛ-80-1 БЛ-80-2 БЛ-70-1 БЛ-70-2 БЛ-70-3 БЛ-70-4 БЛ-70-5 БЛ-70-6 У1ЛТОР- 66

Водонасыщение, % по объему образцов, отфор- От 1,0 до 4,0 1,8 1,2 1,6 1,1 1,3 1,4 1,8 1,3 1,4

мованных из смесей

Предел прочности при сжатии, МПа, не менее: 2,2 3,8 3,7 3,7 3,3 3,4 3,4 3,9 3,6 3,9

при температуре 20 оС

при температуре 50 оС 0,65 1,4 1,1 1,2 1,1 1,1 1,1 1,3 1,2 1,3

Трещиностойкость - пре-

дел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 оС, МПа От 2,5 до 6 3,8 3,2 4,4 4,3 4,3 4,2 4,5 4,1 4,0

При сравнении показателей свойств ЩМА с добавками У1ЛТОР-66, БЛ-80-1, БЛ-80-2, БЛ-70-1, БЛ-70-2, БЛ-70-3, БЛ-70-4, БЛ-70-5, БЛ-70-6 видно, что смесь с исследуемыми добавками БЛ-70-1 и БЛ-70-5 имеют лучшие физико-механические характеристики, что связано с их составом. Так, например, предел прочности при сжатии образцов ЩМА с волокнистой добавкой БЛ-70-5 при температуре 20 °С такая же, как и с добавкой У1ЛТОР-66. При испытании образцов на трещиностойкость ЩМА с добавками БЛ-70-1, БЛ-70-2, БЛ-70-3, БЛ-70-4, БЛ-70-5, БЛ-70-6 имеет большую прочность на растяжение при расколе в сравнении с добавкой У1ЛТОР-66. Значения пределов прочности при сжатии при температуре 50 °С у всех ЩМА смесей, кроме БЛ-80-1 и У1ЛТОР-66, оказалась приблизительно одинаковым.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что наиболее перспективным для дальнейших исследований являются стабилизирующие добавки с условными названиями БЛ-70-1 и БЛ-70-5 в качестве стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Основным недостатком любого типа асфальтобетона как дорожно-строительного материала является большая зависимость его прочности и деформативных свойств от температуры. При повышении температуры вязкость битума, содержащегося в асфальтобетоне, понижается, связи между минеральными частицами ослабевают, что влечет за собой уменьшение прочности.

Такие изменения прочности ухудшают условия работы дорожных покрытий. С изменением показателей прочности изменяется и деформационное поведение асфальтобетона. Условия работы дорожных покрытий предъявляют к этому материалу требования достаточной деформационной устойчивости при высоких летних температурах, т. е. теплоустойчивости, которая характеризуется изменением его прочности от температурных колебаний.

Коэффициент теплоустойчивости

(^20/^50) ЩМА при использовании опытных

образцов добавок имеет приблизительно такие же значения, как и при введении традиционных добавок, что свидетельствует о высоких эксплуатационных качествах композита как при низких

зимних, так и при высоких летних температурах (рис. 2).

Важнейшим свойством ЩМА, предопределяющим долговечность этого материала, является устойчивость его структуры в условиях изме-

няющегося влажностного и температурного режимов. Подобно большинству других пористых строительных материалов, ЩМА разрушается, главным образом, при длительном увлажнении.

^20 1

3,3

3,2

3,1

3

2,9

2,8

2,7

2,6

■ 8А-80-1 И8А-80-2 П8А-70-1 □ 8А-70-2 ■ 8А-70-3 □ 8А-70-4 И8А-70-5 П8А-70-6 ИУ1АТОР

Рис. 2. Коэффициент теплоустойчивости

Асфальтобетонные покрытия при длительном увлажнении вследствие ослабления структурных связей могут разрушаться за счёт выкрашивания минеральных зёрен, что приводит к повышенному износу покрытий и образованию выбоин [5-6]. Водостойкость асфальтобетона зависит от плотности и устойчивости адгезионных связей. Вода, как полярная жидкость, хорошо смачивает все минеральные материалы, а это значит, что при длительном контакте с минеральными зёрнами, обработанными битумом, возможна диффузия воды под битумную плёнку. Кроме того, вода проникает в микродефекты структуры асфальтобетона, что приводит к адсорбционному понижению прочности материала за счёт снижения поверхностной энергии стенок трещин и ослаблению структурных связей у вершины трещины по мере её развития.

Показатели прочности и водостойкости асфальтобетона в значительной степени зависят от свойств применяемых минеральных материалов.

Различия поверхностных свойств волокнистых материалов также существенно влияют на характер сорбционных процессов при взаимодействии с битумом. Выбор волокнистого материала, обладающего высокой сорбционной способностью, - первый шаг на пути создания ще-беночно-мастичного асфальтобетона с высокой водостойкостью.

Испытания проводились на щебеночно-мастичном асфальтобетоне с максимальной крупностью щебня 10 мм. Определяли водостойкость после кратковременного насыщения и через 15 суток водонасыщения. Полученные показатели приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что водостойкость ЩМА на исследуемых волокнистых добавках сопоставима с этим показателем составов на традиционном волокне.

Длительная водостойкость асфальтобетона

Таблица 3

1 1 3 -4 5 чо - См

Длительность водо- Требование 000 000 0г- 0г- 0г- 0г- 0г- 0г-

насыщения, сут ГОСТ < < < < < < < < < ю

т т т т т т т т >

0 - 0,95 0,97 0,97 0,94 0,95 0,97 0,98 0,98 0,97

15 0,85 0,91 0,93 0,93 0,91 0,89 0,92 0,94 0,93 0,92

Таким образом, повышение физико-механических свойств битумоминерального

композита с использованием добавок из отходов целлюлозно-бумажной промышленности в ка-

честве стабилизатора позволит получать щебе-ночно-мастичный асфальтобетон с высокими физико-механическими характеристиками, тепло- и водостойкостью.

8Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ №7.4049.2011, а также проекта стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова №2011-ПР-146.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Броницкий Е.И., Гуменюк Ю.А., Комиков А.В. Использование щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси при капитальном ремонте участков автомобильной дороги Москва -Санкт - Петербург (км 29 - км 62, км 72 км - 85) / Науч.-техн. информ. сб.: «Новости в дор. деле». 2003. Вып. 1. С.22-32.

2. Эфа А.К., Жураускас А.В., Акулов А.П. Щебеночно-мастичный асфальтобетон теоретические основы, практика применения // Строительные материалы. 2003. №1. С.22.

3. Ильина Т.Н., Севостьянов М.В., Шкар-петкин Е. А. Конструктивно-технологическое совершенствование агрегатов для гранулирования порошкообразных материалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. №2. С. 100-102.

4. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. // Учебное пособие по курсу «Новые технологии в дорожном строительстве» для студентов специальности 270205 - «Автомобильные дороги и аэродромы» и слушателей системы дополнительного профессионального образования. Н. Новгород, издание ННГАСУ, 2009. С.65.

5. Печеный Б.Г., Железко Е.П. Об изменении состава и свойств битумов в процессе старения при различных температурах // Нефтепереработка и нефтехимия. 1975. №8. С. 10-13.

6. Анализ органоминеральных композитов с учетом генезиса и размерных уровней минерального сырья // В.В. Строкова, И.В. Жернов-ский, А.О. Лютенко, М.С. Лебедев / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. №2. С. 28-32.