Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Структура асфальтобетона 9
1.2. Состав и структура щебеночно - мастичного асфальтобетона 19
1.2.1. Особенности состава и структуры ЩМА 19
1.2.2. Стабилизирующие добавки в составе ЩМА 23
1.3. Преимущества дорожных покрытии из ЩМА, требования к ним 27
1.4. Опыт применения ЩМА за рубежом и в России 30
2. Характеристика исследуемых материалов и методы исследовании 36
2.1. Характеристика материалов, принятых для исследовании 36
2.2. Методы исследований 46
2.2.1. Методы исследований свойств применяемых материалов 46
2.2.2. Методы исследований свойств ЩМА 51
3. Взаимодействие волокнистых .материалов с битумом 57
3.1. Определение показателя стекания вяжущего 57
3.2. Исследование адсорбции битума поверхностью волокнистых материалов 58
3.3. Механизм взаимодействия добавки П - 2 с органическим вяжущим 61
Выводы 66
4. ЩМА с использованием минеральных материалов из кварцитопссчаника и волокнистой добавки П - 2 67
4.1. Физико - механические характеристики ЩМА 67
4.2. Сдвигоустойчивость щебеночно - мастичных асфальтобетонов разработанных составов 79
Выводы 83
5. Долговечность щебеночно - мастичного асфальтобетона на основе техногенного сырья 85
5.1. Исследование водо- и морозостойкости ЩМА 85
5.2. Влияние стабилизирующих добавок на процессы старения ЩМА 94
5.3. Изменение свойств ЩМА под влиянием погодно - климатических факторов 102
Выводы 105
6. Производственные испытании и экономическая эффективность применения волокнистого отхода промышленности П - 2 в составе ЩМА 106
Основные выводы 116
Список литературы 118
Приложения 137
- Структура асфальтобетона
- Характеристика материалов, принятых для исследовании
- Определение показателя стекания вяжущего
- Физико - механические характеристики ЩМА
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время необходимо уделять особое внимание современным материалам и технологиям, значительно повышающим качество дорожного покрытия и увеличивающим межремонтные сроки. Одним из наиболее перспективных материалов для строительства дорожных покрытий является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА), который обеспечивает высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, уменьшение водяных брызг и аквапланирования шин, высокое сопротивление постоянной деформации, наивысшую долговечность, низкий уровень шума, снижение расходов на обслуживание.
Особенностью структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона является наличие щебеночного каркаса, в котором все пустоты между щебнем заполнены смесью битума с дробленым песком и минеральным порошком.
Значительные запасы попутно добываемых горных пород, в-частности, кварцитопесчаника Лебединского горно-обогатительного комбината (ЛГОКа), могут служить исходным сырьем для производства щебеночно-мастичного асфальтобетона. Щебень и отсев дробления обладают высоким качеством, не уступая по важнейшим показателям заполнителю из гранита, а по сцеплению с битумом даже превосходят его.
Обязательным компонентом щебеночно - мастичной асфальтобетонной смеси (ЩМАС) является стабилизирующая волокнистая добавка, чаще всего из целлюлозы. Обоснование возможности применения отходов промышленности в качестве стабилизирующей добавки позволяет не только повысить качество
5 дорожного покрытия из ЩМА, но и снизить его стоимость, а также решает очень важный вопрос утилизации промышленных отходов.
Цель работы. Повышение эффективности дорожных покрытий за счет использования ЩМА на основе техногенного сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение свойств волокнистых отходов промышленности по
сравнению с традиционно используемыми и обоснование
целесообразности их применения в качестве стабилизирующей добавки
в щебеночно - мастичном асфальтобетоне;
- разработка составов щебеночно-мастичного асфальтобетона на
местных материалах;
выявление влияния волокнистых добавок на физико-механические характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона;
исследование долговечности разработанных составов щебеночно-мастичного асфальтобетона;
апробация результатов лабораторных исследований в промышленных условиях и обоснование экономической эффективности использования предложенных составов.
Научная новизна. Предложены принципы повышения качества щебеночно - мастичного асфальтобетона, заключающиеся в применении волокнистой добавки, которая является эффективным стабилизатором битума, а также щебня и отсева дробления кварцитопесчаника
Установлено, что на предложенном волокне, содержащем в своем составе амидные группы, происходит химическая адсорбция битума, приводящая к образованию прочных связей и обеспечивающая необходимый показатель стекания битума.
Показано, что волокнистый отход П-2 адсорбирует своей поверхностью в среднем на 24 % битума больше, чем традиционная
добавка TOPCEL и на 14 % больше, чем добавка VIATOP, что позволяет использовать его в качестве эффективной стабилизирующей добавки для производства ЩМА.
Установлен характер влияния исследуемой стабилизирующей добавки на физико-механические характеристики ЩМА, заключающийся в том, что при использовании предложенного волокнистого материала наблюдается значительное уменьшение водонасыщения смеси, повышение прочности при 20С и 50С, а также водо-, морозо- и теплостойкости композита.
Показано, что предложенная стабилизирующая добавка замедляет процесс старения битума по сравнению известными волокнистыми добавками, что подтверждает ее активное взаимодействие с битумом.
Практическая ценность. Разработаны составы ЩМА из местного сырья, что позволит расширить номенклатуру минеральных материалов и волокнистых добавок.
Показано, что полученный щебеночно-мастичный асфальтобетон обладает повышенной водо- и морозостойкостью и устойчивостью к воздействию атмосферных факторов по сравнению с аналогичным материалом традиционного состава, что дает возможность повысить качество асфальтобетонного покрытия автодорог.
Доказана экономическая целесообразность использования ЩМА разработанных составов в конструкциях дорожных одежд. Для широкомасштабного внедрения результатов диссертационной работы при строительстве автодорог разработан технологический регламент.
Реализация работы. В 2005 году был устроен опытный участок -площадка для разворота транспортных средств с покрытием из [цебеночн'о-мастичного асфальтобетона разработанного состава в с.
7 Репное Белгородской области. Наблюдение в течение двух лет показало, что покрытие характеризуется высокими и стабильными показателями ровности, шероховатости, сцепления с колесом автомобиля. На нем не образовались трещины, наплывы, волны.
В 2007 году заложен опытный участок с покрытием из ЩМА по ул. Белгородского полка в г. Белгороде, за которым также установлено наблюдение.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров специальности 270205.
Апробация работы. Основные положения, разработанные в диссертации, представлены на Международной научно-практической конференции . «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005), III Международной студенческой конференции «Образование, наука, производство» (Белгород, 2006 г), Международной научно-практической Интернет - конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (Белгород, 2007 г.), Всероссийской научно - практической конференции «Современные научно - технические проблемы транспортного строительства» (Казань, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, подана заявка на выдачу патента №2006108490.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и приложений, содержит 151 страницу машинописного текста, 20 рисунков и фотографий, 17 таблиц, библиографический список, включающий 157 наименований.
Автор искренне признателен, научному руководителю доктору технических наук, профессору Гридчину A.M.; доктору технических наук, профессору Ядыкиной В.В. за помощь, ценные советы и замечания.
Автор благодарен сотрудникам кафедры автомобильных дорог и аэродромов за поддержку и помощь в экспериментальных исследованиях, особенно Кузнецову Д.А, Высоцкой М.А.
Структура асфальтобетона
Развитие экономики Российской Федерации сопровождается расширением масштабов строительства ее транспортной сети, особенно автомобильных дорог. Огромные просторы нашей страны, многообразие климатических, геоморфологических и тектонических условий существенно усложняют создание автомобильных дорог высокого класса, при этом следует отметить, что темпы снижения производства практически во всех отраслях промышленности меньше всего затронули дорожное строительство [1].
Для поддержания в рабочем состоянии существующей сети и строительства новых автомобильных дорог в условиях ограниченного финансирования необходимо повышение качества дорожного полотна, снижение его стоимости, сокращение расходов на его ремонт и эксплуатацию.
В настоящее время асфальтобетонные покрытия составляют 92% от общей протяженности автомобильных дорог с твердым покрытием [1]. Применение щебёночно-мастичного асфальтобетона позволяет получать покрытие с высокой прочностью, водостойкостью, сдвигоустойчивостыо, трещиностойкостью.
Основные свойства асфальтобетона тесно связаны с его структурой. Поэтому большинство исследователей, изучавших те или иные свойства асфальтобетона, стремились к установлению взаимосвязи этих свойств с определенными признаками структуры материала [2-4].
При изучении строительных материалов и выявлении путей оптимизации качественных показателей возникает необходимость четкой схемы их описания с оценкой структуры композита на всех уровнях его формирования [2-4].
На основе исследований закономерностей изменения свойств материалов с конгломератным типом структуры, И.А. Рыбьев [2] сформулировал две концепции в структурообразовании искусственных строительных конгломератов. Один из пунктов концепции искусственных строительных конгломератов гласит, что существует «закономерность в общем виде между прочностными показателями искусственного конгломерата и его вяжущим веществом при оптимальных структурах». Ценным достоинством оптимальных структур является подобие их между собой. Таким образом, закономерность, вскрытая в отношении одного материала, может распространяться на другие, при условии оптимальности структур. Подбор состава, при котором структура оказывается не только оптимальной, но и рациональной, позволяет запроектировать материал, показатели качества которого в полной мере соответствуют заданным характеристикам в реальных условиях производства и эксплуатации [5-6].
В работе [7] дано обобщенное определение структуры строительных конгломератов, типичным представителем которых является асфальтобетон и сформулированы теоретические положения, составляющие общую теорию асфальтобетона, которые могут быть распространены на весь класс битумоминеральных материалов: «Под структурой или внутренним строением искусственных строительных конгломератов понимают пространственное расположение кристаллов, кристаллических обломков и агрегатов, аморфных частиц различной формы и степени дисперсности с их взаимными связями и порядком сцепления между собой».
Асфальтобетон является типичным представителем строительных материалов, обладающих конгломератным типом структуры. Как и в других подобных материалах, его структура характеризуется наличием грубозернистой смеси, сцементированной в искусственный конгломерат специально выбранным вяжущим веществом.
Структура асфальтобетона или совокупность признаков, определяющих его строение, пространственное расположение компонентов и характер связи между ними, характеризуется плотностью и пористостью минерального остова и самого асфальтобетона, структурой и объемом битума, склеивающего минеральные зерна и заполняющего пустоты каркаса, образованного минеральными составляющими. При этом под структурой минерального остова понимается размер, форма, характер поверхности и относительное расположение минеральных частиц.
Поиски теоретических обоснований оптимальных гранулометрических составов минеральных смесей, т.е. наилучшего соотношения компонентов начаты еще в начале XX столетия и продолжаются до сих пор [8-12]. Предложено множество способов расчета гранулометрии, однако цель всех методов одна - получение плотных минеральных смесей с наименьшим объемом пор, заполнять которые должен наиболее дорогой компонент асфальтобетона -нефтяной дорожный битум.
Структура конгломератов из битумоминеральных щебеночных и песчаных смесей обычно характеризуется объемом и характером их норового пространства, которые принято определять по методикам для оценки однородных структур. Однако асфальтобетон нельзя отнести к конгломерату с однородным типом структуры, так как он состоит из нескольких по однородности фаз [2,7,8].
В соответствии с вышеизложенным, определенный интерес, для более полного анализа структуры и свойств асфальтобетона, представляет рассмотрение элементов полиструктурной теории полимербетонов, разработанной В.И. Соломатовым [13]. В этой теории структура композиционных материалов рассматривается как составленная из. многих структур (от грубых макроструктур до молекулярных и атомных), переходящих одна в другую по принципу «структура в структуре». Такой подход перспективен для анализа причин образования неоднородностеи в микроструктуре асфальтобетона, по аналогии с кластерным механизмом их образования в полимербетонах [14].
При формировании органоминеральных структур (как на вяжущих из полимеров, так и из битума) большое влияние на качество композита оказывают не только свойства вяжущего и заполнителей (наполнителей), но и характер взаимодействия между ними [15-19]
Рассматривая основные положения работы И.Б. Урьева [20], асфальтобетон можно представить как высококонцентрированную систему, относящуюся к самостоятельному классу объектов современной коллоидной химии.
Способность асфальтобетона разделяться на составные компоненты и последующее формирование их в монолит с сохранением первоначальных свойств показывает, что твердые и жидкие компоненты в асфальтобетоне контактируют, в основном, по поверхности раздела [7].
Характеристика материалов, принятых для исследовании
Щебеночно - мастичный асфальтобетон приготавливается как смесь минеральных материалов разной крупности (щебня, песка из отсева дробления и минерального порошка) с волокном и нефтяным битумом.
Выбор именно этих компонентов не случаен и определяется их ролью в обеспечении необходимой прочности, долговечности и эксплуатационных качеств ЩМА. Так, щебень образует основной каркас, способствующий устойчивости ЩМА при воздействии нагрузки и необходимой шероховатости покрытия, песок и минеральный порошок повышают устойчивость каркаса и образуют вместе с ним минеральный остов щебеночно - мастичного асфальтобетона. Битум является основой вяжущего вещества, необходимого для склеивания зерен минерального остова в единый монолит, способный противостоять воздействию внешних сил. Волокнистая добавка оказывает стабилизирующее влияние на ЩМА - смеси, обеспечивая устойчивость ее к расслаиванию.
Битум нефтяной дорожный БНД 60/90 Сызранского НПЗ. Рис, 2.1. Принятые для исследоианий материалы. Для приготовления щебеночно - мастичного асфальтобетона используется щебень, получаемый дроблением горных пород. Марки по дробимости должны быть из изверженных и метаморфических горных пород не менее 1200, из осадочных - не менее 1000. ЩМА является многощебенистой смесью, поэтому для ее приготовления следует применять дробленые пески, прочность которых должна быть не ниже прочности горной породы, из которой получен щебень. Результаты испытаний минеральных заполнителей в соответствии с требованиями ГОСТ 8267 - 93 [96], ГОСТ 8736 - 93 [97], ГОСТ 52129 - 2003 [98], приведены в таблицах 2.1 - 2.6.
Кварнитопесчаники, как горная порода, обладают весьма совершенной геологической структурой, определяющей их высокую прочность относительно других горных пород. Анализ результатов физико-механических испытаний кварцитопесчаников Лебединского месторождения свидетельствуют об их высоком качестве (табл. 2.1). Наряду с кварцитопесчаником использовали гранит, как традиционный и наиболее часто используемый в производстве асфальтобетона материал. Граниты представляют собой полнокристаллические полевошпатные глубинные (интрузивные) породы равномерно зернистые, иногда порфировидиые. Гранит является полиминеральной породой, поэтому имеет развитую поверхность, так как каждый минерал имеет свойственную ему форму поверхности, спайность и излом.
Согласно таблице 2.1, щебень из кварцитопесчаника и гранита пригоден для приготовления образцов ЩМА для дальнейших исследований. Для приготовления ЩМА - смесей применялся щебень фракции от 5 до 10 мм, св. 5 до 15 мм, св. 5 до 20 мм, песок из отсевов дробления фракции до 5 мм. Таблица 2.1
Гранулометрический состав песка обеспечивает получение смеси с другими минеральными материалами, обладающей оптимальной плотностью. Таблица 2.4 Зерновой состав применяемого песка из отсева дробления
Стабилизирующие добавки TOPCEL и VIATOP рекомендованы ГОСТ 31015 - 2002 [54] для приготовления щебеночно- - мастичных асфальтобетонных смесей. Это специальные гранулы на основе целлюлозы, имеющие ленточную структуру нитей. Гранулы TOPCEL обработаны воском для уменьшения гигроскопичности, каждое волокно гранул VIATOP покрыто битумной прослойкой для обеспечения полной влагоненроиицаемости и сохранности при длительном хранении.
Щебень из кварцитопесчаника и гранита испытывали согласно ГОСТ 8267-93 «Технические условия» [96] и ГОСТ 8269 -97 «Методы испытаний» [100].
Песок из отсева дробления кварцитопесчаника и гранита подвергали испытаниям, предусмотренным ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия» [97] и ГОСТ 8735-80 «Песок для строительных работ. Методы испытаний» [101].
Минеральный порошок испытывали в соответствии с ГОСТ 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия» [98].
Битум испытывали в соответствии с требованиями ГОСТ 22245-93 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия»[99]. Таблица 2.8 Физико — механические показатели стабилизирующих добавок Наименование показателей Значение показателей TOPCEL VIATOP П-1 П-2 П-3 А-1 А-2 А-3 Средняя длина гранулы, мм 2-Ю 2-10 5-10 5-Ю 5-Ю 2-5 2-5 2-5 Объемная плотность, г/л 480-530 480-530 200-300 200-300 200-300 800-900 800-900 800-900 Термическое разрушение, С Около 200 Около 200 235 230 200 300 300 300 Температура возгорания, С Около 500 Около 500 Около 500 Около 500 Около 500 Около 500 Около 500 Около 500 Растворимость в воде (при 20 С) нераствор. нераствор. нераствор. нераствор. нераствор. нераствор. нераствор. нераствор. Стабилизирующие добавки испытывали в соответствии с ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия» [54].
Величину адсорбции волокнами битума из бензольных растворов определяли по следующей методике:
Растворы битума готовили на химически чистом неполярном бензоле 4-х различных концентраций: 1 г/литр, 3 г/литр, 6 г/литр, 9 г/литр. В стеклянные колбы с притертыми пробками емкостью 200 мл помещали навески по 5 г испытуемых волокон, которые заливали 50 см" бензольных растворов принятых концентраций и встряхивали на специальной установке в течение одного часа.
Определение показателя стекания вяжущего
Большое влияние на свойства ЩМА оказывает взаимодействие битума с волокнистыми материалами. Характер адсорбционного процесса между поверхностью волокон и битумом обуславливается действием молекулярных сил и величиной поверхностной энергии. В результате адсорбции на поверхности волокна образуется адсорбционный слой повышенной вязкости, обеспечивающий сцепление битума с поверхностью. С термодинамической точки зрения [32] адгезия битума к минеральному материалу (в т. ч. и к волокну) определяется, главным образом, присутствием на поверхности материала активных групп, провоцирующих хемосорбционные процессы имеющихся в битуме кислотных компонентов, и является важным фактором на пути создания качественного и долговечного строительного конгломерата.
Различия поверхностных свойств волокнистых материалов существенно влияют на характер сорбциониых процессов при взаимодействии с битумом. Выбор волокнистого материала, обладающего высокой сорбционной способностью, - первый шаг на пути создания щебеночно - мастичного асфальтобетона заданных свойств.
Смеси ЩМА должны быть устойчивыми к расслаиванию в процессе транспортирования и загрузки - выгрузки. Устойчивость к расслаиванию определялась по показателю стекания вяжущего согласно ГОСТ 31015-2002 [54]. Сущностью метода является оценка способности горячей щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси удерживать содержащееся в ней вяжущее. Результаты испытаний приведены в таблице 3.1. Таблица 3.1 Показатель стекания вяжущего с волокон
Для уменьшения показателя стекания вяжущего необходимо в смеси либо увеличить содержание волокна, либо уменьшить содержание битума. При испытаниях использовалось минимально допустимое стандартом содержание битума и максимально допустимое содержание волокна. Таким образом, волокна П-2 и А-1 показали свою пригодность для производства ЩМА при содержании в смеси 0,35 % и 0,25 % соответственно, поэтому для дальнейших исследований использовались именно эти волокнистые отходы наряду с традиционными стабилизирующими добавками.
Одним из основных факторов, влияющих на процессы структурообразования ЩМА и обеспечивающие качество дорожного покрытия, является взаимодействие битума с поверхностью стабилизирующей добавки. Прочное сцепление обеспечивает высокие физико - механические характеристики и долговечность материала.
Количество битума, химически связанного с поверхностью волокон, определялось по разности величин адсорбции и десорбции битума различных концентраций, растворенного в бензоле. По количеству битума на поверхности волокон после десорбции можно судить об активности их поверхности.
Анализируя данные таблицы, можно заключить, что наилучшим адсорбентом битума является волокно П-2: количество вяжущего, оставшегося на волокне при различных концентрациях битума в бензольном растворе, составляет от 71%) до 97,6%, тогда как адсорбция на поверхности волокна TOPCEL при такой же концентрации находится в пределах от 48% до 90,6%), волокна VIATOP - от 53,2% до 93,1%, волокна А-1 - от 18%о до 85,4%, что может быть объяснено химической природой волокна П-2.
Однако первоначальная величина адсорбции волокнами 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 волокон.
Исследование десорбции битума показало, что часть битума отслаивается растворителем. Это указывает на то, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности волокон состоит из прочно химически и обратимо физически связанного битума.
В связи с этим, определенный интерес представляет изучение кинетики изменения количества битума, оставшегося на поверхности волокон после десорбции чистым бензолом.
Десорбция битума с поверхности волокна П-2 также несколько выше, чем с волокон TOPCEL и VIATOP. Однако, как видно из рисунка 3.1, на котором в виде графиков представлено количество вяжущего, оставшееся на поверхности волокон после десорбции, кривая десорбции битума на волокне П-2 проходит значительно выше, чем на волокне TOPCEL и VIATOP. Концевыми группами макромолекул волокна являются аминные и карбоксильные, которые также активны по отношению к компонентам битума. Например, может происходить взаимодействие ароматических структур, содержащихся в битуме, с аминогруппой NH2 аналогично схемам 2 и 3. Карбоксильные группы способны образовывать химические связи с соединениями, содержащими - ОН, -С = О, - COOR. группы, с азотистыми основаниями; возможно также образование водородных связей с электронами бензольных ядер и с неполярными электронными парами гетероатомов. Кроме того, макромолекулы полиамидов, согласно литературным данным [105], имеют конформацию плоского зигзага, и нагревание, которое имеет место при производстве ЩМА, способствует возникновению в макромолекулах свободных радикалов, которые могут инициировать образование привитых и сетчатых структур, что будет способствовать дополнительному армированию композита и повышению его физико - механических характеристик.
Физико - механические характеристики ЩМА
Важнейшим элементом структурообразования в асфальтобетоне является взаимодействие минеральных и вяжущих материалов. Основной задачей данного этапа исследований являлось комплексное изучение основных структурно-механических характеристик щебеночно-мастичных асфальтобетонов с целью изучения влияния стабилизирующих добавок на свойства ЩМА - смесей, а также заполнителей различной природы.
В отличие от традиционных асфальтобетонов с плотной многоуровневой структурой, щебеночно-мастичный асфальтобетон имеет каркасно-щелевую структуру, благодаря которой обладает рядом преимуществ: сдвигоустойчивостью при высоких летних температурах эксплуатации, шероховатой поверхностью и хорошим сцеплением с. колесом автомобиля, сопротивлением скольжению и снижением шума, долговечностью дорожного покрытия, снижением количества брызг и риска аквапланирования, высокой стойкостью колееобразованию, устойчивостью к старению, треещиностойкостью при деформациях покрытия при механическом воздействии, водонепроницаемостью, высокой износостойкостью, в том числе к действию шипованных шин. Различие в структуре между ЩМА и асфальтобетоном типа А показано на рис. 4.1.
В составе ЩМА унеобходимо использовать щебень высокого качества и дробленый песок. Чаще всего применяют материалы из гранита. Рис. 4.1. Структура исследуемых смесей а) асфальтобетон типа А ; б) щебеночно - мастичный асфальтобетон
Однако на территории Белгородской области существуют достаточно большие запасы техногенного сырья, которое может быть использовано в составе щебеночно - мастичных асфальтобетонных смесей.
По мере детальной разведки железорудных месторождений КМ А проводились исследования по вопросу использования вскрышных, попутнодобываемых пород и промышленных отходов в етройиндустрии и строительстве [I 10- I 14].
Отходы горнорудной промышленности КМ А для применения в дорожном строительстве впервые исследованы М.И. Волковым, И.В. Королевым, A.M. Гридчииым [115]. Ими дана классификация вскрышных скальных горных пород по структуре и свойствам, разработаны рациональные технологические схемы переработки их в щебень, доказана целесообразность практического применения щебня для строительства оснований и асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Исследованиями возможности использования отходов КМА в дорожном строительстве занимались; М.И. Волков, АЛ. Гдуховеров, A.M. Гридчин. И.М. Грушко, И.И. Зощук, И.В. Королев, B.C. Лесовик, Ш.М. Рахимбаев, И.А. Рыбьев, В.И. Шухов, В.В.Ядыкина, Г.С.Духовный, и другие исследователи [110 - 129].
Разнообразие климатических условий и сырьевых ресурсов на территории страны, возрастание объемов вовлечения в практику дорожного строительства местных нестандартных материалов, отходов и побочных продуктов промышленности обусловливают необходимость всестороннего их исследования и обоснования возможности использования в производстве асфальтобетона. Решение этой задачи в разных климатических зонах страны имеет свою специфику, однако, главным является усиление взаимодействия между каменным материалом и битумом - основного фактора повышения водо- и морозостойкости асфальтобетонных покрытий, поэтому повышение прочности адгезионных связей между минеральными материалами и битумом является предметом многочисленных исследований.
Известно, что техногенные сырьевые материалы в значительной степени отличаются от традиционных, в частности, попутно-добываемые породы и отходы КМЛ имеют кислую природу и содержат высокое, количество оксидов железа. Считается [37, 42, 130J, что оба фактора оказывают отрицательное влияние на качество асфальтобетона. Так, в кварцитопесчанике Лебединского ГОКа количество диоксида кремния составляет около 95%, что согласно существующим представлениям, не обеспечивает надлежащего сцепления с битумом и ускоряет интенсивность его старения.
Исследованиями [130 - 132] показано, что принадлежность минерального материала к тому или иному типу горной породы (кислая, основная) однозначно не определяет степень прилипания битума к его поверхности. А.И. Лысихина [47] приводит пример с кварцевым песком, который по содержанию кремнезема относился к числу кислых пород, но битум к нему прилипал хорошо. Прилипание объяснялось наличием на этом песке аморфного кремнезема.
Поэтому, по химическому и минеральному составу породы не всегда можно однозначно судить о процессах взаимодействия с битумом и о влиянии на свойства асфальтобетона. Как показано в работах по химии поверхности [108 - 109], активность минеральных зерен определяется в основном двумя факторами: степенью гидроксилирования поверхности и наличием на ней примесей. Кроме того, поверхность минеральных материалов может содержать коллоидный слой, что значительно улучшает ее сцепление с битумом [133].
В связи с этим, при использовании в дорожном строительстве местных каменных материалов и отходов промышленности, в том числе кварцсодержащих, необходимо обращать внимание не только на кислый или основной характер породы, но в каждом конкретном случае, с учетом состояния поверхности, проводить тщательный анализ возможности взаимодействия ее с битумом и влияния на свойства асфальтобетона.
В работах [34, 134] отмечена особая роль микрогеометрии поверхности частиц твердой фазы в структурообразовании контактных слоев. Для протекания хемосорбционных процессов более благоприятным является наличие на поверхности частиц ребер, пиков, острых граней, а для физической адсорбции - "ям", углублений, микротрещин.
В этом отношении большой интерес представляет поверхность кварцитопесчаника. Изучение микрорельефа поверхности кварцитопесчаника свидетельствует о том, что степень его шероховатости значительно выше, чем поверхности традиционных минеральных компонентов - гранита и песка [59, 135]. Известно [136], что наличие в кремнеземе даже небольших количеств алюминия повышает адсорбционную и химическую активность его поверхности, приводит к возникновению на ней чрезвычайно активных мест для адсорбции органических оснований. Это является дополнительным свидетельством способности кварцитопесчаника активно взаимодействовать с битумом, так как в его состав входит около 2% А1203.
Анионы органических кислот битума могут взаимодействовать также с катионами тяжелых и щелочноземельных металлов, находящихся на поверхности минеральных материалов из кварцитопесчаника с образованием химических соединений.
В работе [137] показано, что в кварцитопесчанике содержится метаморфогенный кварц зеленосланцевой степени метаморфизма, который благодаря специфике генезиса: коррозии, структурам растворения под давлением, регенерации - имеет ряд структурных дефектов. Кроме этого, в результате процессов выветривания, в зернах кварцитопесчаника появляется сеть трещин, направленная вдоль кристаллических осей. Это способствует повышению энергетического потенциала сырья.
