Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Влияние минеральных и органических составляющих на структуру асфальтобетона 9
1.1.1. Структура асфальтобетона 9
1.1.2. Минеральный порошок и его влияние на формирование структуры асфальтобетона 16
1.2. Современные представления о возможности использования техногенного сырья, в том числе известьсодержащего, и влиянии извести на свойства асфальтобетона 31
1.2.1. Использование техногенного сырья в качестве минеральных материалов при производстве асфальтобетонных смесей 31
1.2.2. Опыт использования извести в производстве органоминеральных композитов 34
1.2.3. Процессы взаимодействия извести с компонентами асфальтобетонной смеси 40
1.3. Теоретические предпосылки исследований 43
2. Характеристика исследуемых материалов и методы исследований 46
2.1. Характеристика материалов, принятых для исследований 46
2.2. Методы исследований 52
2.2.1. Методы исследований свойств применяемых материалов 52
2.2.2. Методы исследований свойств асфальтобетона 58
3. Взаимодействие известьсодержащих минеральных порошков при объединении с битумом и влияние на свойства асфальтовяжущего 63
3.1. Исследование адсорбционной способности минеральных порошков, содержащих оксид кальция 63
3.2. Изучение процессов структурообразования и свойств асфальтовяжущего 68
Выводы 87
4. Асфальтобетон с использованием минерального порошка, содержащего различное количество оксида кальция 89
4.1. Физико-механические характеристики асфальтобетона на известьсодержащих минеральных порошках 89
4.2. Зависимость коррозионной устойчивости асфальтобетона от содержания извести в составе минерального порошка 103
4.3. Влияние количества извести в составе минерального порошка на процессы старения битума в асфальтобетоне 113
Выводы 127
5. Использование известьсодержащих отходов в производстве асфальтобетона 130
Выводы 141
6. Производственные испытания и экономическая эффективность применения известьсодержащих пылевидных отходов промышленности в асфальтобетоне 143
Общие выводы 152
Список литературы 154
Приложения 175
- Минеральный порошок и его влияние на формирование структуры асфальтобетона
- Характеристика материалов, принятых для исследований
- Исследование адсорбционной способности минеральных порошков, содержащих оксид кальция
- Физико-механические характеристики асфальтобетона на известьсодержащих минеральных порошках
Введение к работе
Актуальность. Наиболее распространенным материалом для покрытий автомобильных дорог в настоящее время и на ближайшую перспективу остается асфальтобетон. Однако срок службы таких покрытий, рассчитанный из условий износа на 15-18 лет, нередко составляет всего 3-4 года. Одной из основных причин разрушения является несоответствие структуры и свойств асфальтового монолита условиям его работы в покрытии, в результате чего образуются деформации и разрушения.
Оптимизировать структуру и комплекс свойств асфальтобетона в соответствии с эксплуатационными требованиями можно на основе положений физико-химической механики, согласно которым важнейшая роль в вопросах долговечности и работоспособности этого материала принадлежит бинарной системе "битум - минеральный порошок". Использование в асфальтобетонных смесях микронаполнителей, способных при взаимодействии с битумом образовывать устойчивые связи на границе их раздела, позволяет управлять свойствами органоминерального композита в желаемом направлении и повышает его стабильность при эксплуатации. Одним из таких активных микронаполнителей может являться известь.
Актуальность исследования известьсодержащих порошков и поиск рационального содержания оксида кальция в их составе определяется отсутствием в Центрально-Черноземном экономическом регионе собственной сырьевой базы каменных материалов для получения карбонатного минерального порошка, традиционно используемого при производстве асфальтобетона. В то же время развитие промышленности региона КМА способствует накоплению большого количества тонкодисперсных известьсодержащих отходов, которые без дополнительной переработки могут быть использованы при производстве асфальтобетонных смесей, что к тому же позволит улучшить экологическую обстановку в регионе. Химический состав
этих отходов отличается широким варьированием процентного содержания извести. Ограничение действующими нормативными документами содержания оксидов кальция и магния в минеральных порошках для асфальтобетонных смесей препятствует широкомасштабному применению такого техногенного сырья в дорожной отрасли для устройства нежестких дорожных одежд автомобильных дорог, хотя в литературе достаточного обоснования этого ограничения не содержится.
Работа выполнена в рамках НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", шифр 02.01.138.
Цель работы. Получение асфальтобетона высокого качества с использованием известьсодержащих минеральных порошков.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение процессов взаимодействия извести (СаО) с компонентами битума и свойств асфальтовяжущего на их основе;
обоснование рационального содержания СаО в микронаполнителе;
разработка составов органоминеральных композитов с использованием минеральных порошков, содержащих повышенное количество оксида кальция, для устройства нежестких дорожных одежд автомобильных дорог;
исследование физико-механических характеристик, долговечности и коррозионной стойкости полученного асфальтобетона;
подготовка нормативно-технической документации для внедрения в производство результатов работы;
апробация результатов теоретических и лабораторных исследований в промышленных условиях.
Научная новизна. Установлен характер влияния оксида кальция на процессы структурообразования в контактной зоне с органическим вяжущим, заключающийся в повышении сцепления за счет активного взаимодействия
6 оксида кальция с компонентами битума, увеличении структурирующей способности известьсодержащего минерального порошка по сравнению с карбонатным, а также улучшении адгезии битума к кислым минеральным материалам, что позволило разработать алгоритм проектирования асфальтобетона с заранее прогнозируемыми свойствами.
Выявлено образование кристаллов в процессе водонасыщения асфальтовяжущего, что способствует упрочнению структуры органоминерального композита за счет армирования ее новообразованиями и кольматации ими пор, а следовательно, повышению прочности и долговечности асфальтобетона.
Установлены основные зависимости изменения физико-механических показателей, деформативных характеристик и коррозионной стойкости композита от содержания СаО в его составе, заключающиеся в преобладании экстремального характера изменения прочностных и эксплуатационных характеристик асфальтобетона с увеличением содержания оксида кальция в составе минерального порошка и ярко выраженным максимумом при 20-40%, которые явились подтверждением закона створа профессора И.А. Рыбьева.
Доказано, что за счет активного взаимодействия известьсодержащих минеральных порошков с битумом, происходит замедление интенсивности процессов старения битума в асфальтобетоне. Это способствует повышению его долговечности.
Обоснованы рациональные пределы содержания оксида кальция в минеральном порошке (20-40%), обеспечивающее высокое качество асфальтовяжущего и асфальтобетона
Практическая ценность. Разработаны составы эффективного асфальтобетона с использованием минерального порошка с повышенным содержанием СаО.
Проведенные экспериментальные исследования позволили расширить сырьевую базу для получения минеральных порошков за счет увеличения содержания активного СаО в наполнителях для асфальтобетонных смесей до 40% от массы порошка, против 3%, регламентируемых ГОСТ 9128-97.
Показано, что использование известьсодержащих минеральных порошков повышает прочность, водо- и морозостойкость, деформационную устойчивость, замедляет старение битума в асфальтобетоне.
Обосновано содержание оксида кальция в минеральном порошке для асфальтобетонных смесей (20-40%>), что способствует снижению затрат на производство асфальтобетонных смесей и эксплуатацию асфальтобетона в покрытии, а также позволяет улучшить экологическую обстановку региона за счет утилизации тонкодисперсных отходов.
Для широкомасштабного внедрения нетрадиционного минерального порошка разработаны, согласованы и утверждены нормативные документы: технические условия ТУ 5744-009-02066339-2001 "Порошок минеральный из пылевидных известьсодержащих отходов", ТУ 5711-018-02066339-2003 "Порошок минеральный из тонкодисперсных отходов АО «Стройматериалы»"; а также технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей II и III марок с применением минерального порошка из пылевидных отходов мелоизвесткового цеха АО «Стройматериалы».
Реализация работы. Результаты работы внедрены при благоустройстве населенных пунктов в Шебекинском и Ивнянском районах в рамках реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство на 1999-2005 г.г.». Для устройства покрытия автомобильных дорог использован асфальтобетон на минеральных порошках из известьсодержащих отходов АО «Стройматериалы». Выделены опытные участки, за которыми ведутся систематические наблюдения.
Общая протяженность построенных опытных участков - 1700 м, при этом экономическая эффективность составила 110,8 тыс.руб./км.
Научные разработки диссертации использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 29.10.00.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международной студенческой научно-технической конференции г. Белгород, 2001 г; III Международной научно-практической конференции - школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и докторантов "Современные проблемы строительного материаловедения" г. Белгород, 2001 г; Международной научно-технической конференции "Потенциал науки -развитию промышленности, экономики, культуры, личности" г. Минск, 2002г; Всероссийской научно-технической конференции "Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог" г. Краснодар, 2002г; Научно-практическом семинаре "Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологий из вторичных минеральных ресурсов" г. Новокузнецк, 2003г; Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" г. Белгород, 2003г;. 56-ой Международной научно-технической конференции молодых ученых "Актуальные проблемы современного строительства" г. С. - Петербург, 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и приложений и содержит 207 страницы машинописного текста, 26 рисунков и фотографий, 10 таблиц, библиографический список, включающий 193 наименования.
Минеральный порошок и его влияние на формирование структуры асфальтобетона
Решение вопроса регулирования структурно-механических свойств асфальтобетона зависит от направленного структурирования вяжущего в слое, граничащем с минеральным материалом. При этом контакты в асфальтобетоне, обладающем оптимальной структурой, осуществляются по слоям структурированного битума. Особая роль в процессах структурообразования битума асфальтобетонной смеси принадлежит минеральному порошку -полидисперсному материалу, на долю которого приходится до 90-95% суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав композита [4,21,37-38]. Объединяясь с битумом, микронаполнитель образует бинарную систему "битум - минеральный порошок".
Длительное время исследователи полагали, что назначение минерального порошка в асфальтобетоне сводится лишь к заполнению межзерновых пустот, то есть к обеспечению надлежащей плотности.
Механизм действия микронаполнителя на свойства органоминеральных композитов для дорожных покрытий изучали многие ученные [17,33,36-43]. Это способствовало формированию двух принципиально различных концепций о назначении минерального порошка в асфальтобетоне. Однако Сахаров П.В. [40] впервые определил назначение минерального порошка как структурной составляющей, образующей совместно с битумом "асфальтовяжущее вещество", сцепляющее минеральные зерна. Придавая большое значение роли минерального порошка в асфальтобетоне, он предложил именовать его "асфальтирующей добавкой" к битуму, а в качестве минерального порошка рекомендовал применять продукт измельчения естественных асфальтовых пород, так называемый асфальтовый порошок.
Последователи Сахарова П.В [17,33,36-38,41-44] рассматривали, наполнитель отдельно от грубого каменного материала. Установлено, что тонко измельченный материал не просто наполнитель пустоты, - он действует в качестве модификатора битумного связующего.
Высказывалось также мнение [39], что введение минерального порошка является методом повышения качества смеси при более тонком измельчении всего каменного материала, и он действует как заполнитель пустот между частицами мелких фракций. В результате увеличения числа точек контакта между частицами повышается прочность дорожного покрытия.
Исключительная важность системы "битум - минеральный порошок" при формировании свойств и структуры асфальтобетона подчеркивалась в трудах многих ученных: Борща И.М., Волкова М.И., Гезенцвея Л.Б., Горелышева Н.В., Гридчина A.M., Железко Т.В., Кучмы М.И., Лысихиной А.И., Подольского В.П., Растегаевой Г.А., Рыбьева И.А., Рыбьевой Т.Г., Ребиндера П.А., Самодурова СИ., Терлецкой Л.С., Ханиной Ц.Г., Ястребовой Л.Н. и других [4,17-18,24,36,41-42,45-51].
В большинстве случаев практического использования битумы при смешивании с минеральными наполнителями различного типа, способны к образованию первичной или вторичной коагуляционной структуры, прочность которой в значительной степени обусловливается свойствами минерального порошка [26,52-53]. На формирование структуры тонких пленок в пограничных слоях оказывают воздействие силы поляризационного, индукционного и дисперсионного взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, которые определяются их общим потенциалом [54-56].
Отмечается [36-37,57-58], что при определенном соотношении битум-минеральный порошок достигается наивысшая прочность структурированной дисперсной системы, образуемой этими материалами. Вследствие этого повышается сопротивление битума ударным нагрузкам, увеличивается плотность получаемой массы, а также возрастает прочность при напряжениях сдвига и сжатия, снижается хрупкость. Микронаполнители дают возможность регулировать деформацию и уменьшать оседание полотна дорог. Сущность процесса превращения органического вяжущего в асфальтовое вяжущее вещество состоит в повышении вязкости битума при его наполнении минеральным порошком. Повышение вязкости вяжущего увеличивает прочность битумно-минеральной смеси и повышает его теплостойкость, характеризуемую показателем "кольцо и шар" [21]. Вязкость систем коррелируется со средним диаметром пор в плотно упакованном порошке.
Известно [59], что между объемным содержанием минерального порошка и вязкостью битумно-минеральной смеси имеется определенная зависимость. При определенной концентрации порошка резко уменьшается толщина битумных слоев на поверхности минеральных частиц, что приводит к высокой степени структурирования битума, а, следовательно, и к упрочнению контактов между зернами. Однако при небольших концентрациях наполнителя реологическая природа битума не изменяется. Вязкость смеси увеличивается в зависимости от содержания наполнителя. При очень высоком содержании наполнителя у смеси появляется предел текучести, и изменяются свойства исходного битума.
По мнению [60] к свойствам микронаполнителя, имеющим наибольшее значение и определяющим реологические свойства строительных композитов, следует отнести в первую очередь размер его частиц и их распределение по размерам (полидисперсность), а также форму и характер упаковки частиц. На основании этого была предложена классификация наполнителей, основанная на различии в площади поверхности частиц. Однако в данной классификации не учитываются химические свойства, наличие пустот в плотно упакованном порошке и объем этих пустот.
Терлецкая Л.С. [49] отмечает, что в процессах взаимодействия минерального порошка с битумом пористость наполнителя будет играть значительную роль. Причем различные по своей структуре, но одинаковые по химическому составу минеральные порошки будут обладать различной сорбционной способностью. Приводится пример с породами, состоящими в основном из Si02: кварцит, кварцевый песок - имеющие кристаллическое строение, плотные зерна и трепел, опока - обладающие аморфным строением с большим количеством тонких пор. В результате взаимодействия изучаемых пород с битумом установлено, что наличие тонких пор в материале способствует изменению группового состава битума и при определенных концентрациях созданию упругих пленок вяжущего, обладающих высокой клеящей способностью.
Характеристика материалов, принятых для исследований
Отсевы дробления гранита и кварцитопесчаника подвергали испытаниям, предусмотренным ГОСТ 8736-93 "Песок для строительных работ. Технические условия" и ГОСТ 8735-80 "Песок для строительных работ. Методы испытаний".
Фазовый состав исследуемых минеральных материалов изучали с помощью рентгенофазового анализа [167-168], проводимого на дифрактометре ДРОН-ЗН. Сущность рентгеновского метода анализа заключается в изучении дифракционной картины, получаемой при отражении рентгеновских лучей атомными плоскостями в структуре кристаллов. Определение количества какой-либо фазы в многофазных композициях основано на том, что интенсивность дифракционных отражений фазы пропорциональна объемной доле данной фазы в смеси. Анализ основан на количественном сравнении интенсивности линий разных фаз друг с другом или с интенсивностью линии эталона, снимаемого в тех же условиях.
Минеральный порошок испытывали в соответствии с ГОСТ 16557-78 "Порошок минеральный для асфальтобетонных смесей. Технические условия" Битум испытывали в соответствии с требованиями ГОСТ 22245-93 "Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия". При смешении органического вяжущего материала с минеральным порошком могут происходить различные физико-химические процессы: физическая и химическая адсорбция, изменение состава вяжущего под действием минерального порошка и времени, структурообразование, полимеризация. Эти процессы можно классифицировать на две группы: первичные, протекающие при непосредственном объединении минерального порошка с битумом, и вторичные, совершающиеся длительный период времени - процессы старения вяжущего под действием различных факторов.
Интенсивность взаимодействие минеральных материалов и битума является важнейшим элементом структурообразования в асфальтобетоне, во многом определяющим основные эксплуатационные свойства покрытий автомобильных дорог.
На первом этапе свойства органоминерального композита зависят от сорбционных свойств минеральных порошков, качества их взаимодействия с битумом на поверхности раздела, активности действия молекулярных сил притяжения и структурно-механических свойств асфальтовяжущего вещества.
Влияние содержания извести в составе минерального порошка на процессы взаимодействия с битумом изучали по величине адсорбции порошками битума из бензольных растворов различных концентраций, а также по величине десорбции 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, можно судить об активности минеральной поверхности. Показатели адсорбции и десорбции наглядно характеризуют активность процессов взаимодействия минеральных материалов с битумом.
Величину адсорбции минеральными порошками битума из бензольных растворов определяли по следующей методике:
В стеклянные колбы с притертыми пробками емкостью 200 мл помещали навески по 10 г испытуемых порошков, которые заливали 100 см бензольных растворов принятых концентраций и встряхивали на специальной установке в течение одного часа.
Растворы битума готовились на химически чистом неполярном бензоле 3-х различных концентраций: 1 г/литр, 3 г/литр, 6 г/литр. После встряхивания колбы с содержимым оставляли в покое на 24 часа, затем из каждой колбы отбирали часть раствора и центрифугировали до полного оседания частиц порошка. Из центрифугированных растворов отбирали пробы, для которых определяли концентрацию битума с помощью фотометра марки КФК - 3.
Количество битума, химически связанного с поверхностью порошков, определяли по разности величин адсорбции и десорбции адсорбированного битума. Десорбцию производили в аппарате Сокслета чистым бензолом до полного осветления растворителя.
При достаточно хорошем сцеплении отделить вяжущий материал от минерального практически невозможно. Если сцепление битума с поверхностью минерального порошка слабое, битумная пленка в процессе десорбции смещается. Поэтому, согласно [51,131], о химическом взаимодействии минеральной поверхности и вяжущего можно судить по количеству битума оставшегося на поверхности минеральных частиц после десорбции.
Метод определения адсорбции битума на поверхности минерального материала дает представление о процессах взаимодействия, протекающих на их общей границе раздела, однако не характеризуют сцепление между битумом и минеральным материалом в сложных природных условиях, например, при воздействии воды. Известно [3,30], что показатель водостойкости композита является косвенной характеристикой адгезии вяжущего к минеральной подложке. На основании этого, для характеристики процессов взаимодействия битума с различными минеральными порошками, определяли коэффициенты водостойкости асфальтовяжущего на исследуемых известьсодержащих минеральных наполнителях.
Влияния различных концентраций извести в составе минерального порошка на свойства битумов и механизм их взаимодействия исследовался методом ИК - спектроскопии [169-171].
Препараты для спектральных исследований представляли собой пленки органического вяжущего (битума БНД 60/90), нанесенного на стекло. Для их получения готовили 0,5% суспензии, растворяя битум в хлороформе, спектрограмма которого имела вид прямой линии. В стеклянные колбы с притертыми пробками емкостью 100 мл помещали навески по 2 г испытуемых минеральных материалов, которые заливали 20 мл приготовленного раствора принятой концентрации и встряхивали на специальной установке в течение одного часа.
Исследование адсорбционной способности минеральных порошков, содержащих оксид кальция
В процессе формирования структуры асфальтобетона происходит склеивание крупного и мелкого минерального материала битумом по плоскостям контактирующих поверхностей, при этом прочность конгломерата, его деформативность и коррозионная стойкость - обратно пропорциональны толщине пленки вяжущего [33]. Однако в бетоне, вследствие сложной микрогеометрии поверхности минеральных частиц, прослойки битума имеют различную толщину. Для достижения высокой механической прочности образования лишь адсорбционно-сольватных оболочек на поверхности зерен недостаточно, необходимо создать связующие звенья между частицами заполнителя. Изменение физических свойств тонких пленок заключается в значительном увеличении их вязкости и эластической прочности на поверхности твердого тела. Наличие на поверхности полярных компонентов усиливает этот эффект.
Адсорбированные молекулы пограничного слоя, являясь промежуточным звеном между поверхностью твердого тела и всей массой твердой пленки, связаны с молекулами последней силами межмолекулярного сцепления.
При достаточно хорошем сцеплении невозможно отделить вяжущий материал от минерального при помощи механического усилия. Разрыв будет происходить в массе вяжущего вследствие того, что внутреннее сцепление в вяжущем имеет меньшую прочность, чем прочность контакта. Для увеличения когезии вяжущего необходимо предельно снизить количество свободного битума в системе за счет использования минерального порошка, совместно с битумом слагающего асфальтовое вяжущее вещество, являющееся основным структурным элементом асфальтобетона, образующим в нем пространственную коагуляционную сетку. Качество асфальтовяжущего в свою очередь зависит от вязкости битума и в первую очередь - свойств минерального порошка, таких как дисперсность и химико-минералогический состав, сорбционная способность, а также от соотношения этих компонентов [45,47].
В процессе соприкосновения вяжущего или раствора с твердой поверхностью, наблюдается процесс адсорбции, в результате которого происходит связь молекулы жидкого или газообразного вещества с соприкасающейся поверхностью. Характер адсорбционного процесса между поверхностью минеральных частиц и битумом обуславливается действием молекулярных сил и величиной поверхностной энергии. Так на поверхности твердого тела первоначально адсорбируется мономолекулярный слой, который, являясь более упорядоченным, чем в объеме жидкости, простирает силы притяжения на несколько последующих молекулярных слоев жидкости.
С термодинамической точки зрения [26] адгезия битума к минеральному материалу определяется, главным образом, присутствием на поверхности минерала катионов, провоцирующих хемосорбционные процессы имеющихся в битуме кислотных компонентов, и является важным фактором на пути создания качественного и долговечного строительного конгломерата. Различия поверхностных свойств минеральных материалов существенно влияют на характер сорбционных процессов взаимодействия с битумом. Выбор минерального порошка, обладающего высокой сорбционной способностью, -первый шаг на пути создания асфальтового вяжущего заданных свойств. Характер взаимодействия исследуемых минеральных материалов с битумом и сорбционных процессов определялись по максимальной величине сорбции битума из бензольных растворов минеральными порошками и десорбции бензолом сорбированного ими органического материала фотоколориметрическим методом. Для исследований был принят битум БНД 60/90 и минеральные порошки с различным содержанием оксида кальция СаО (10, 20, 30, 40, 50, 60%), а также контрольный - известняк. Все исследуемые порошки имели примерно одинаковую удельную поверхность - около 350 м /кг. Величины адсорбции и десорбции битумов исследуемыми порошками представлены на рис. 3.1. Проведенный эксперимент позволил проследить кинетику изменения адсорбционных свойств исследуемых минеральных порошков с различным содержанием оксида кальция и оценить влияние количества извести в составе минеральных порошков на активность их взаимодействия с битумом. Согласно [30,33,175] известняковый минеральный порошок обладает высокой адсорбционной способностью, что объясняется наличием хемосорбционных процессов при взаимодействии карбоната кальция (СаСОэ) с битумом. Однако полученные результаты свидетельствуют о том, что содержание оксида кальция в минеральном порошке значительно улучшает их адсорбционную способность. Причем величина адсорбции битума на поверхности минеральных порошков, содержащих в своем составе различное количество извести, увеличивается пропорционально росту их активности. Так, например, при концентрации битума в растворе 6%, величина его адсорбции поверхностью известнякового минерального порошка составила -14,4 х 10"3 кгбит/кгпор, наполнитель с содержанием СаО 30 и 50% адсорбировал -17,72 и 18,39 х 10"3 кгбит/кгпор соответственно. Это превысило результаты контрольных испытаний на 23...28%. Можно предположить, что высокая адсорбционная способность известьсодержащих порошков обусловлена взаимодействием оксида кальция (СаО) с асфальтогеновыми и нафтеновыми кислотами органического вяжущего, а также с другими соединениями, например, ароматическими.
Однако первоначальная величина адсорбции минеральной поверхностью компонентов вяжущего не является объективным показателем их сцепления и характера взаимодействия. Адсорбированные молекулы битума при слабой связи в пограничном слое под воздействием внешних факторов могут разрушаться и смещаться с поверхности частиц.
Физико-механические характеристики асфальтобетона на известьсодержащих минеральных порошках
При решении задач по разработке конгломератов из битумоминеральных смесей необходимо иметь основные закономерности изменения их структурно-механических свойств, зная которые можно в широком диапазоне варьировать свойствами асфальтобетонных смесей [1].
Известно, что для всех гетерогенных систем, в том числе и асфальтобетона, существует оптимальная структура, при которой достигаются высокие показатели свойств [7]. На все конгломератные материалы, обладающие оптимальной структурой, распространяется действие закона прочности оптимальных структур, закона створа, закона обязательного соответствия свойств, которыми следует руководствоваться при проектировании оптимальных составов. Однако, необходимо учитывать, что оптимальная структура асфальтобетона характеризуется не наивысшей, а оптимально необходимой прочностью, с которой сочетаются достаточная деформативная способность материала при пониженных температурах и требуемая коррозионная устойчивость.
Основной задачей данного этапа исследований явилось комплексное изучение основных структурно-механических характеристик асфальтобетонов с целью определения оптимального содержания оксида кальция в составе используемого известьсодержащего минерального порошка.
Для изучения влияния оксида кальция на качество асфальтобетона исследовались модельные дисперсные системы, состоящие из известняка (СаСОз) и оксида кальция (СаО) в различных пропорциях. Исследования физико-механических характеристик асфальтобетона проводились на образцах из асфальтобетонной смеси, изготовленных и испытанных по стандартным методикам согласно ГОСТ 12801-98 непрерывного гранулометрического состава (табл. 4.1) подобранного в соответствии с ГОСТ 9128-97, по кривым плотных смесей.
Для обеспечения постоянного гранулометрического состава асфальтобетонных смесей минеральные материалы предварительно рассеивались, а затем для каждой партии смеси из этих отдельных фракций составлялись минеральные части смеси. Остаточная пористость асфальтобетона типа Г составляла 4%. При испытаниях использовался битум БНД 60/90 Новокуйбышевского НПЗ.
Минеральный порошок повышает прочность асфальтобетона, но вместе с тем увеличивает его хрупкость, повышение массовой доли минерального порошка сверх необходимого минимума понижает трещиностойкость покрытий [1,4], поэтому содержание минерального порошка в смеси подбиралось в количестве, достаточном лишь для придания асфальтобетону нормативной плотности и прочности. Исходя из этих требований, содержание минерального порошка тщательно подбиралось и составило для асфальтобетона типа Г - 8%. В зависимости от содержания СаО в составе минерального порошка, для каждой смеси индивидуально подбиралось содержание битума (5,5 - 6,5%). Изменение свойств асфальтобетона под влиянием увеличения содержания СаО в составе минерального порошка, представлено в табл. 4.2.
Как следует из экспериментальных данных (табл. 4.2), асфальтобетон, в состав которого входит минеральный порошок, содержащий оксид кальция, не только полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ и не уступает асфальтобетону на традиционных минеральных материалах, но и по ряду показателей значительно превосходит их.
Прочностные показатели органоминерального конгломерата при сжатии при температуре испытания 20С носят экстремальный характер с максимумом при содержании СаО в минеральном порошке 40%. При данной концентрации извести в составе микронаполнителя наблюдается прирост прочности асфальтобетона на 14% по сравнению с контрольным на известняковом порошке. Увеличение содержания извести до 60% способствует резкому падению прочностных характеристик композита.
Установлено, что с увеличением содержания извести в минеральном порошке прирост прочности при сжатии при 50С носит симбатный характер. Так, содержание извести в минеральном порошке в количестве 60% позволило увеличить прочность на 58%.
Следует отметить, что использование минерального порошка с высоким содержания оксида кальция оказывает положительное влияние на поведение асфальтобетона при пониженных температурах. Представленные данные (табл. 4.2) свидетельствуют об убывающем характере кривой зависимости прочности при сжатии при 0С от содержания извести. Одновременное увеличение механической прочности при температуре испытаний 20 и 50С и снижение прочности при 0С позволяет сделать вывод о способности известьсодержащего минерального порошка взаимодействовать с битумом без обеднения его пленок низкомолекулярными соединениями.
Согласно исследованиям [16,19,33,182], пленки битума, обеспечивающие связь между минеральными частицами, сохраняющие свою первоначальную эластичность и прочность после взаимодействия с их поверхностью, способствуют получению более трещиностойкого органоминерального материала.
Заметно повышается плотность образцов, снижается их водонасыщение и набухание. Улучшение этих показателей асфальтобетонов на известьсодержащих наполнителях свидетельствует о том, что пленки битума на их поверхностях отличаются однородностью и высокой устойчивостью к отслаиванию при воздействии агрессивной среды, что препятствует глубокому проникновению воды в поры и капилляры материала. Вода, диффундирующая под битумную пленку, опасна при формировании традиционного асфальтобетона тем, что приводит к разрушению конгломерата; при контакте с асфальтобетоном на известьсодержащем минеральном порошке активизирует процессы гидратации оксида кальция. В результате этого, в асфальтобетоне с применением известьсодержащего минерального порошка, образуется каркас из асфальтовяжущего вещества, армированного кристаллогидратами (рис. 3.9-3.11), что придает асфальтобетонному покрытию большую прочность, а при отрицательных температурах деформативную способность.
Как следствие, минеральный порошок, включающий известь, положительно влияет на прочность асфальтобетонных образцов после контакта с водной средой. Причем водостойкость такого асфальтобетона тем больше, чем выше содержание извести. Так, введение в минеральный порошок более 30% оксида кальция, способствовало получению органоминерального материала, водостойкость которого превышает единицу.
