Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Салихов М.Г. 1 Иливанов В.Ю. 1 Малянова Л.И. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

В работе рассмотрены и анализируются методы экспериментального и аналитических методов расчета расхода вяжущего для приготовления классических щебеночных и щебеночно-мастичных асфальтобетонов с использованием отсевов дробления известняков для верхнего слоя покрытий автомобильных дорог. Рассмотрено влияние на процессы структурообразования добавок небольшого количества кубовых отходов местной химической промышленности, которые выступают в качестве поверхностно-активных веществ в нефтяных битумах и рассмотренных органических бетонах. На основе анализа известных теоретических представлений и изучения микроструктур образцов различного состава показана возможность сокращения в потребности битума для приготовления классических щебеночных и щебеночно-мастичных асфальтобетонов с отсевами дробления известняков и дана сравнительная оценка аналитическим методам расчета расхода битума для их приготовления.

Статья в формате PDF

543 KB

отходы промышленности

поверхностно-активные вещества

щебеночно-мастичные асфальтобетоны

методы расчета

расход вяжущего

экономия битума

1. ГОСТ 31015-2003. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия. – М.: Госстрой России, ГУП ЦПП. – 23 с. (введен в действие с 01.05.2003 г. Постановлением Госстроя России от 5.04.2003, № 33).

2. ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2010. – 18 с. (введен в действие Пр. ФДА от 22.04.2010 г., № 62-ст.).

3. Вайнштейн, Е.В. Технология строительства лесовозных дорог из щебеночно-мастичных асфальтобетонов с отсевами дробления известняков: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. – 16 с.

4. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев; под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.

5. Королев, И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве. – М.: Транспорт, 1986.– 149 с.

6. Салихов, М.Г., Вайнштейн, Е.В., Вайнштейн В.М. Способ получения щебеночно-мастичной асфальтобетонной меси с добавками отсевов дробления известняков М 400: патент РФ № 2426704, кл. B 26/26. Приоритет от 04.02.2009 г. (по заявке № 2009103715). Дата публ. 10.08.2010 г. Бюл. № 22.

7. Салихов М.Г., Иливанов В.Ю. Исследование длительного прогрева исходной смеси на прочностные показатели модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона / Сб. статей: Исследования. Технологии. Инновации // Ежегодная НТК ППС, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ (19.03-23.03.2012 г.). – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012. – С. 154–155.

8. Салихов М.Г., Малянова Л.И. Изучение долговечности модифицированных мелкозернистых асфальтобетонов в условиях воздействия агрессивных сред / Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: материалы VII Всеросс. научн.-практ. конф. (с международным участием). – Омск: СИБАДИ, 2012. – Кн. 1. – С. 438–442.

9. Салихов М.Г., Малянова Л.И. Изучение влияния модифицированной добавки на некоторые свойства асфльтобетона с ОДИ для покрытий лесовозных дорог // Вестник ПГТУ. Серия «Лес. Природопользование и экология». – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. – № 1 (17). – С. 64–71.

10. Салихов М.Г. Разработка научно-практических основ объемной пропитки малопрочных каменных материалов жидкими вяжущими для дорожного строительства: дис. … д-ра техн. наук. – М.: МАДИ (ГТУ), 1999. – Т. 1. – 329 с.; Т. 2. – 198 с.

В последние годы с целью снижения себестоимости одного из прогрессивных материалов для верхнего слоя покрытий автодорог – щебеночно-мастичных асфальтобетонов [2] и широко применяемых классических горячих щебеночных асфальтобетонов [2], в их составах взамен песка, минерального порошка и стабилизирующей добавки предложено использовать отсевы дробления малопрочных известняков [6, 9]. Однако при этом возрастает требуемое для их приготовления количество битума. Это, прежде всего, объясняется возрастанием в структуре асфальтового вяжущего доли более битумоемких карбонатных составляющих.

Работоспособность и повышенная битумоемкость предложенных составов теоретически обоснованы, подтверждены и реализованы экспериментально как в лаборатории, так и в полевых условиях [3].

С другой стороны, известно, что введение в асфальтобетонные смеси небольшого количества поверхностно-активных веществ (ПАВ) может привести к снижению расхода вяжущего и к другим положительным эффектам [4, 5].

Целью данной работы является поиск эффективного метода экономии битума при приготовлении горячих асфальтобетонных и щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей пониженной себестоимостью и расходом вяжущего, поиск отходов местного химического производства, пригодных к использованию в качестве поверхностно-активных веществ и разработка и оценка аналитических методов назначения расхода вяжущего при проектировании составов органических бетонов.

Как было сказано выше, что при введении в асфальтобетонные смеси небольшого количества катионо- или анионоактивных ПАВ достигается положительный эффект не только в экономии требуемого для приготовления смесей битума, но и проявляется улучшение некоторых свойств асфальтобетонов с их использованием. В данной работе в качестве ПАВ опробовано 2 вида отходов химического производства ОАО «Химпром» в г. Чебоксары – кубовые остатки производства анилина и Новантокса 8 ПФДА. В ходе лабораторных опытов исследовано влияние этих добавок в расплавленный нефтяной вязкий битум в количестве от 0,5 до 3,5 % по массе. Установлено, что при количестве 0,5…1,2 % они вполне могут выступать в качестве ПАВ.

Для экспериментов подобраны следующие составы:

а) щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) вида ЩМА-20 с отсевами дробления известняков (ОДИ), в % по массе: щебень М 1400 фр. 5…20 мм – 70,0…73,5; отсевы дробления известняков М 400 фр. 0…5 мм – 26,5…30,0; битум вязкий БНД 90/130 – 5,6…7,5 (сверх 100 %); кубовые остатки производства Новантокса 8 ПФДА в количестве 0,5…1,2 % (от массы битума);

б) горячий асфальтобетон (АБ) с ОДИ, в % по массе: щебень М 1400 фр. 5…20 мм – 46,0…48,0; отсевы дробления прочных пород (ОДЩ) фр. 0…5 мм – 38…50; ОДИ – 3…15: битума вязкого БНД 90/130 – 4,5…6,0 (сверх 100 %); добавки кубовых остатков производства анилина – 0,5…1,00 (от массы битума).

В результате проведения экспериментов установлено, что при добавлении в битум 0,6 % кубовых остатков производства Новантокса 8 ПФДА для приготовления ЩМА с ОДИ требуемый расход вяжущего составляет 5,8 % (сверх 100 % от массы минеральной части) и при приготовлении АБ типа Б с ОДИ при добавлении в битум кубовых остатков производства анилина в количестве 0,6 % (от массы битума), он составляет 4,8 % (сверх 100 % от массы минеральной части). В первом случае экономия битума по сравнению с ЩМА с ОДИ без ПАВ составила 22,6 %[6], во втором случае, по сравнению с классическим АБ без ПАВ – 3,5…29,5 % [2]. Эти данные, во-первых, подтверждают, что вышеуказанные отходы химического производства вполне могут выступить в качестве поверхностно-активных добавок в асфальтовые бетоны; во-вторых, позволяют сэкономить требуемое для приготовления смесей количество вяжущего – вязкого нефтяного битума при сохранении большинства и улучшении некоторых их свойств [7, 8, 9].

О возможности снижения расхода вяжущего при приготовлении асфальтобетонных смесей и регулирования физико-механических свойств и структуры битумов и смесей на их основе путем введения небольшого количества ПАВ указывали многие исследователи: например, Гезенцвей Л.Б., Гезенцвей А.Л., Кучма М.И., Михайлов В.В., Руденская И.М., Королев И.В. и другие [4, 5]. Влияние ПАВ в органических бетонах согласуется с известными представлениями об их влиянии на процесс смачивания и взаимодействия органических вяжущих с поверхностями минеральных материалов, на изменение (снижение) потенциала их поверхностной энергии (поверхностной активности) и структурообразование в органических смесях. В результате этого, вокруг минеральных зерен, особенно карбонатных пород, образуются пленки вяжущего меньшей толщины или в меньшей степени подверженные расслоению. При этом наблюдается также резкое уменьшение явления проникания вяжущего (пропитки) во внутреннюю структуру зерен минералов, уменьшения неоднородностей и сгустков вяжущего в асфальтовом вяжущем. Следствием этого является общее уменьшение в потребности битума для приготовления битумоминеральных и асфальтобетонных (щебеночно-мастичных) смесей. Данные утверждения авторами подтверждены путем изучения микроструктуры образцов органических бетонов при помощи сканирующего зондового микроскопа «NtegraPrima», установленного в Центре коллективного пользования ПГТУ.

Для упрощения задачи минеральные зерна в уплотненных смесях представлены ввиде шаров, соприкасающихся друг с другом в трех точках, т.е. как прерывисто подобранный грансостав с коэффициентом сбега 0,43…0,50. При этом межзерновые пустоты заполняются зернами меньшего класса по размерам. Для анализа взяты варианты:

а) ЩМА с ОДИ без добавок ПАВ;

б) ЩМА с ОДИ с добавками ПАВ;

в) АБ типа Б с ОДИ без ПАВ;

г) АБ типа Б с ОДИ и с добавками ПАВ.

Количество битума, необходимое для заполнения межзернового пространства или битумоемкость по Гезенцвею Л.Б. [5], тогда будет

(1)

где Π – межзерновая пустотность в органических бетонах (рис. 1); no– остаточная смесей в уплотненном состоянии: для ЩМА по [1] no = 1,5…4,5 %, для АБ типа Б по [2] nо = 2,5…5,0 %; δо – средняя плотность уплотненной смеси, г/см3.

Рис. 1. Схемы микроструктуры смесей с ОДИ: а – без ПАВ; б – при присутствии ПАВ:1 – минеральное зерно; 2 – пропитанная в минеральные зерна на глубину hпр часть битума; 3 – прочносвязанная часть пленки битума; 4 – рыхлосвязанная часть пленки битума толщиной hр.св.; 5 – неориентированная часть пленки битума; 6 – остаточная пора; 7 – слой ПАВ; 8 – не расслоившаяся (неориентированная) часть пленки битума толщиной hпл.1

Рассчитанные по данной формуле значения битумоемкости для различных пород приведены в табл. 1.20 ист. [3].

В ЩМА (АБ) классических составов карбонатные составляющие представлены чаще всего минеральным порошком, у ЩМА (АБ) с ОДИ – отсевами дробления известняков. Последние в процессе взаимодействия между собой впитывают (пропитывают) часть битума в свою структуру, поэтому формулу (1) нужно записать так:

(2)

где Qпр.– доля пропитанной в зерна минеральных составляющих части битума: по формуле (3.27) ист. [10]:

(3)

где hпр – глубина пропитки битума в пористые карбонатные зерна; dк.ч – поперечный размер карбонатной части смеси.

С учетом разнофракционности минеральной части смесей можно записать:

(4)

где i = 1...n –количество классов фракций минеральной части смесей; Бi – их значения приведены в табл. 1.20 ист. [5]; mi – масса отдельных классов минеральной части смесей.

Если известен фракционный состав минеральной части асфальтобетонов, то необходимый расход битума, в % от массы минеральной части, можно записать так:

(5)

где hпл – средняя толщина пленки битума; ρб – плотность битума; mм.ч – масса минеральной частицыЩМА (АБ); mк.ч – масса карбонатной части минеральных составляющих; Si – площадь внешней поверхностей минеральной части.

Как показывают результаты экспериментов [5], вышеописанная модель для разнофракционной минеральной части не корректна из-за неодинакового распределения битумов в смесях во всем объеме.

При введении в ЩМА (АБ) с ОДИ поверхностно-активных веществ можно принять два допущения:

1. Обеспечивается равномерное обволакивание битумом всей внешней поверхности зерен минеральных составляющих смесей;

2. Из-за накопления на границах разделов фаз «карбонатный камень-вяжущее» монослоя ПАВ пропитки во внутреннюю структуру зерен битума не происходит (см. рис. 1, б и рис. 2 и 3).

Как видно из рис. 2, в случае объединения микрочастицы с расплавленным битумом произошло проникновение последнего на определенную глубину этой частички, а при введении ПАВ (рис. 3) такого проникновения не наблюдается.

Рис. 2. Микрофотография одиночного зерна ОДИ в ЩМА без введения ПАВ с 750-кратным увеличением

Рис. 3. Микрофотография одиночного зерна ОДИ в ЩМА при введении ПАВ с 750-кратным увеличением

В этом случае для подсчета требуемого количества битума можно воспользоваться формулой (6):

(6)

Для проверки и оценки адекватности рассмотренных моделей с экспериментальными данными выполнены расчеты для четырех составов органических бетонов, составы которых показаны в табл. 1: в них у составов № 1, 2 и 3, 4 минеральная часть соответственно идентичная, однако в состав 2 добавлен 0,5 % от массы битума отход производства анилина, а в состав № 4 – кубовый остаток производства 8 ПФДА соответственно.

Таблица 1

Зерновой состав ЩМА (АБ) смесей (частные остатки на ситах)

Далее в табл. 2 и 3 приведены результаты расчетов значений площадей внешних поверхностей минеральных частиц смеси четырех составов с массой по 1 кг и их значения битумоемкости, рассчитанные по формулам (3)–(5).

Таблица 2

Значения площадей внешних поверхностей 1 кг минеральных частиц и их битумоемкость

Как видно из табл. 3, значения расхода вяжущего для смесей с добавками ПАВ, рассчитанные по формуле (6), достаточно близко совпадают с экспериментальными величинами. Для смесей без добавок ПАВ расчетные значения расхода вяжущего, рассчитанные по формулам (4), (5) и найденные экспериментально, отличаются между собой. Это можно объяснить не учетом в этих формулах пропитанной в минеральные зерна части и присутствием сгустков вяжущего и неоднородностей в структуре смесей.

Таблица 3

Сопоставительные значения расхода вяжущего для различных смесей

Выводы

1. Отходы местной химической промышленности ОАО «Химпром» – кубовые остатки производства Новантокса 8ПФДА и анилина, могут применяться в качестве модифицирующих добавок (ПАВ) в вязкие битумы для производства асфальтобетонных и щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей с ОДИ в количестве 0,5–1,2 % от массы вязкого битума.

2. Подтверждено, что использование кубовых отходов производства Новантокса 8ПФДА и анилинав количестве 0,5–1,2 % от массы вязкого битума позволяет снизить расход битума на 17,3–22,6 %. Соответственно это позволит более широко применять асфальтобетоны и щебеночно-мастичные асфальтобетоны с отсевами дробления известняков уменьшенной себестоимости в качестве конструкционного материала покрытий автомобильных дорог общего пользования и магистральных ведомственных, в частности, дорог. Одновременно решается вопрос эффективной утилизации отходов местной химической промышленности.

3. Предложенные формулы (4)–(6) и методики расчета расхода вяжущего позволят специалистам запроектировать и принимать обоснованные решения по назначению требуемого расхода вяжущего для приготовления органических бетонов.

Рецензенты:

Мазуркин П.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Природообустройство», ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;

Савельев В.В., д.т.н., профессор кафедры строительного производства Чебоксарского политехнического института (филиала Московского государственного открытого университета им. В.С. Черномырдина), г. Чебоксары.

Работа поступила в редакцию 18.06.2013.

Библиографическая ссылка