Эксплуатационные характеристики и срок службы дорожного покрытия зависят от качества каменного минерального сырья, а также его адгезионных свойств с битумом.
Традиционные асфальтобетонные покрытия, регламентируемые ГОСТом 9128-2013, в качестве заполнителей содержат природное сырье щебень и песок. Однако многочисленные исследования свидетельствуют о положительном применении в качестве таких материалов отходов других производств [1-5], которые позволяют улучшить деформационно-прочностные свойства и долговечность асфальтобетонов.
Так, в качестве заполнителей различного зернового состава применяют природные силикатные породы, которые обладают высокими физико-химическими характеристиками.
В связи с постоянно растущими ценами на традиционное каменное сырье применение в асфальтобетонах отходов, образующихся на предприятиях по производству силикатных керамических материалов, в частности, в производстве керамогранита вызывает большой научный и практический интерес.
Производство керамогранита в России начало активно развиваться в начале 2000 годов. Технология его изготовления из качественного глинистого сырья, полевошпатовых материалов с использованием обжига при температурах 1250…1300°С позволяет получать продукцию с высокими физико-механическими характеристиками: плотностью 2400…2500 кг/м3, водопоглощением и пористостью менее 0,5%, прочностью на сжатие 250…300 МПа, морозостойкостью 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Некоторые из этих показателей превышают свойства традиционно используемого в дорожной отрасли сырья.
Следует отметить, что в производстве керамогранита в значительном количестве (до 10%), образуются отходы, утилизация которых является экологической и экономической проблемой данных предприятий [6].
Одним из основных преимуществ данного материала является низкая пористость, которая позволит исключить изменение компонентного состава битума, так как не будет происходить эффекта фильтрации и разделения битума на высокомолекулярные и низкомолекулярные соединения и в дальнейшем сохранит на более длительное время свойства асфальтобетона [7, 8]. Пористая структура способствует к глубокому проникновению маловязких компонентов (масел и в дальнейшем смол) в микропоры и увеличению концентрации асфальтенов на поверхности битумной пленки, что обусловливает снижение их пластичности и повышение жесткости. Плотная структура каменного материала позволяет использовать более вязкие битумы, а также снизить их количество в смеси.
Однако использование отходов керамогранита, который является кислым материалом с содержанием SiO2 более 65% (усредненный химический состав керамогранита следующий , % по массе :SiO2-70,18; TiО2-0,39, Al2O3-14,47, FeO-1,78, Fe2O3- 1,57, MnO-0,12, MgO-0,88, CaO-1,99, Na2O-3,48, K2O-4,11, P2O5-0,19), оказывает существенное влияние на его адгезионные свойства с битумом.
Ранее проведенные исследования показали, что для улучшения адгезионных свойств наиболее эффективными из ряда полиаминов ДАД-ТА 2, катионно-активных АМДОР-ТС- 1 и циклических имидазолинов Bitaden оказалась добавка Bitaden ТС, которая позволила получить отличную адгезию керамогранита с битумом БНД 60/90.
Улучшение адгезионных свойств при использовании добавки Bitaden объясняется наличием в ее составе полярных гидроксильных групп, способных участвовать в образовании водородных связей, что приводит к их взаимодействию с не поделёнными электронными парами кислорода диоксида кремния, который является основным компонентом керамогранита. Кроме того, более интенсивное взаимодействие керамогранита с битумом может происходить также за счет большей плоскости их соприкосновения в результате конформации гетероцикличного имидазолина и действия Ван-дер Ваальсовых сил.
В связи с вышеизложенным, в данных исследованиях в качестве вяжущего применяли битум (БНД 60/90, ООО Газпром) совместно с адгезионной добавкой Bitaden 10, в качестве крупного и мелкого заполнителей минеральной части использовали песчаник 5-20 мм OOO «Донской камень» Ростовской области, песок OOO «Приазовье» мелкий, 1 класса, минеральный порошок МП-1 активированный, соответствующие требованиям ГОСТов 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон», 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства», 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей», 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие», 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ.
Установлено, что для получения асфальтобетона с улучшенными свойствами оптимальной является фракция керамогранита 0-5 мм. Низкая пористость керамогранита способствует снижению количества битума на 15…20% [9].
В связи с вышеизложенным, большой интерес представляет возможность применения отхода керамогранита в качестве заполнителя асфальтобетонов. В данных исследованиях были приготовлены асфальтобетоны горячие мелкозернистые типа Б марки 1.
Зерновой состав асфальтобетонной смеси представлен на рис. 1, компонентный состав приведен в табл.1.
Рисунок 1 Зерновой состав асфальтобетонной смеси
Таблица 1. Состав асфальтобетонной смеси с использованием отходов
керамогранита
|
№ п/п |
Наименование материалов |
Фракция, мм |
Состав асфальтобетонной смеси |
|
1 |
Щебень |
15-20 |
19,14 |
|
2 |
Щебень |
10-15 |
10,75 |
|
3 |
Щебень |
5-10 |
7,17 |
|
4 |
Песок природный |
- |
4,78 |
|
5 |
Отходы керамогранита |
0-5 |
46,20 |
|
6 |
Минеральный порошок МП-1 |
- |
7,66 |
|
7 |
Битум БНД 60/90+Bitaden 10(0,1% об) |
- |
4,31 |
|
ВСЕГО |
|
100,00 |
|
Методика проведения исследований
Режим производства асфальтобетонной смеси должен обеспечивать однородность, которая достигается применением одних и тех же исходных материалов, точным дозированием их, соблюдением заданной температуры и режима перемешивания минеральных материалов с битумом. При транспортировании смеси к месту укладки, выгрузке и распределении в покрытии возникают новые изменения в микрослоях асфальтовяжущего на поверхности минеральных материалов в результате испарения, поликонденсации, диффузии маловязких углеводородов дисперсионной среды битума в поры минерального материала.
Предварительно, перед началом испытаний происходило просеивание каменных материалов. Наполнители (щебень, песок и отходы керамогранита), составляющие минеральную часть, грели до температуры 180°C. Параллельно с нагреванием инертного материала нагревался битум до температуры 155°C. После нагрева к битуму добавляли адгезионную добавку Bitaden 10 и хорошо перемешивали. После всех подготовительных процедур в лабораторный смеситель загружали каменные материалы и минеральный порошок. После их загрузки в смеситель добавляли битум и перемешивали 30 секунд до получения однородной асфальтобетонной смеси. После всех технологических процессов полученный асфальтобетон отформовывали на прессе для дальнейших испытаний. Для определения свойств асфальтобетона использовали образцы-цилиндры с размерами d=h=71,4 мм для Б1 и 50,5 мм для Г2. Формование образцов проводили в металлической форме с двумя вкладышами, нагретой до температуры 90-100°C. Образцы уплотняли на прессе при давлении 40 МПа в течение 3 мин.
В процессе подбора асфальтобетонной смеси было установлено, что оптимальное содержание битума в смеси Б1 составляет 4,5% (по ГОСТ 9128-2013 5,0-6,5%).
Результаты исследований свойств асфальтобетона приведены в табл. 2.
Таблица 2. Свойства асфальтобетона Б 1 с отходами керамогранита
|
Показатель |
Значение показателя по ГОСТ 9128-2013 |
Асфальтобетон с использованием отходов |
|
Среднее водонасыщение,W, % по объему |
От 1,0 до 4,0 |
2,0 |
|
Прочность на сжатие при 0 °C, R0 , МПа, не более |
13,0 |
7,6 |
|
Прочность на сжатие при 20 °C R20 , Мпа, не менее |
2,5 |
4,5 |
|
Прочность на сжатие при 50 °C R50 , Мпа, не менее |
1,3 |
1,8 |
|
Трещиностойкость- предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °C,МПа |
От 4 до 6,5 |
5,1 |
|
Водостойкость Кв ,не менее |
0,85 |
0,98 |
|
Водостойкость Квд при длительном водонасыщении, не менее |
0,75 |
0,97 |
|
Сдвигоустойчивость: по коэффициенту внутреннего трения, tg φ не менее |
0,83 |
0,94 |
Анализ полученных результатов свидетельствует о повышении водостойкости образцов асфальтобетона на основе керамогранита и значительного повышения прочности на сжатие и сдвигоустойчивости.
Внешний вид образцов на основе асфальтобетона типа Б 1на рис.2.
Рисунок 2. Внешний вид образцов асфальтобетонов
Таким образом, в результате проведенных исследований установлена возможность использования отходов производства керамогранита в качестве минерального компонента асфальтобетонной смеси, что позволяет уменьшить содержание битума в смеси Б 1 на 10…30%. Высокая плотность и прочность отходов снижает фильтрацию битума, обеспечивает сохранение его технологических свойств, водостойкость, а также высокие прочностные свойства.
