Анализ фракционного состава каменного наполнителя асфальтобетонной смеси и оценка режимов приготовления вяжущего системы «Битум - минеральный порошок»

Андронов С.Ю., Васильев Ю.Э., Кочетков А.В., Слепнев П.А., Чижиков И.А. Анализ фракционного состава каменного наполнителя асфальтобетонной смеси и оценка режимов приготовления вяжущего системы «битум – минеральный порошок». Нанотехнологии в строительстве. 2026;18(2):180–191. – EDN: ZXSMOA.

При создании асфальтобетонных смесей (АБС) основное внимание уделяется подбору гранулометрического состава каменного материала – наполнителя, обеспечивающего максимальное заполнение объема смеси. Это обеспечивает устойчивость дорожного покрытия к нагрузкам и деформациям, возникающим при эксплуатации дорожного покры- тия. При этом объем наполнителя достигает 94–96% по массе или 85–87% по объему смеси. Дальнейшее уплотнение при повышенной температуре, когда связующее – битум – находится в жидкотекучем состоянии, позволяет получать покрытие, удовлетворяющее основном современным требованиям к дорожному покрытию. Однако анализ действующей нормативной документации и практические исследования показывают, что уложенному дорож-

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ному покрытию присущи недостатки, которые проявляются в неблагоприятных условиях и приводят к его разрушению. В первую очередь это относится к такой нормируемой характеристике, как водопо-глощение.

В перечне литературы [1–21] в целом отражен современный технический уровень разработки данной темы. В перечне [1–12] представлены одни из известных отечественных работ по направлению настоящей статьи. Собственные публикации авторов иллюстрируются работами [13, 14]. Зарубежные публикации представлены в перечне [14–21].

В процессе получения АБС стремятся обеспечить такое распределение вяжущего, чтобы битум покрывал сплошной пленкой все частицы каменного материала. Поэтому в случае недостаточного содержания битума не происходит полного покрытия каждой частицы пленкой битума, что способствует проникновению влаги через открытые места, отслаиванию битумной пленки и дальнейшему разрушению асфальтобетонного покрытия. С другой стороны, избыток битума приводит к его вытеснению из областей повышенного напряжения (при уплотнении) и созданию зон с меньшей плотностью распределения каменного материала, что ухудшает прочность и долговечность асфальтобетонного покрытия.

На первый взгляд, анализируя состав компонентов асфальтобетона, можно отметить, что связующее – битум – является гидрофобным материалом, и не может без специальной обработки поглощать воду. Другое дело – наполнители: щебень, песок, минеральный порошок. Эти каменные материалы имеют открытые поры на поверхности и способны впитывать воду. Технология приготовления смеси на асфальтобетонном заводе предусматривает, что при перемешивании при высокой температуре битум должен полностью покрывать поверхности частиц, адсорбироваться в поры и исключать попадание влаги извне в структуру смеси после ее укладки и уплотнения.

Следует отметить, что такая высокая степень наполнения при минимуме связующего требует провести оценку возможности создания непрерывной пленки на поверхности частиц наполнителя и проанализировать характеристики асфальтобетона в случае ее недостаточности. Кроме того, следует учитывать то обстоятельство, что битумная пленка, покрывающая частицы, неравномерно распределена по толщине из-за различного рельефа поверхностей частиц и в зависимости от их крупности и природы [1]. Из-за адсорбционного взаимодействия битума и минеральных частиц АБС эффективный объем наполнителя увеличивается. Толщина адсорбционного слоя на частицах размером от 3 до 10 мм изменяется в пределах 1,2–17 мкм.

Для того чтобы оценить толщину пленки при выбранной рецептуре АБС, необходимо определиться с площадью поверхности частиц разных форм и размеров, что при существующих методах исследований представляет серьезную проблему. Достаточно часто такие измерения проводятся путем анализа частиц по фотографиям, сделанным оптической микроскопией. Однако следует учитывать, что микроскопические снимки позволяют визуализировать только плоские проекции частиц, поэтому размеры частиц неправильной формы можно описать несколькими параметрами и характеристиками: максимальный или минимальный диаметр (линейный размер), максимальная длина, минимальная длина, объем, площадь поверхности и т.д. Как следствие, размеры, полученные разными методами, будут различаться. На рис. 1 показаны различные варианты ответов на вопрос, что есть размеры частицы, представленные в виде эквивалентных сфер. При этом ошибочных результатов нет – каждый ответ субъективно корректен: он отражает физически измеряемую характеристику [2, 9, 10].

Это теория эквивалентной сферы. Измеряя некоторые характеристики частицы, предполагаем, что они относятся к сфере, рассчитываем универсальное число (диаметр этой сферы), которое характеризует нашу частицу. Этот пример наглядно подтверждает, что нет необходимости описывать размер частицы тремя или более числовыми значениями, которые, конечно, более точно выражают размер, но сложны и неудобны при составлении смесей. Представленная расчетная методика позволяет за короткое время смоделировать предположительно оптимальное распределение частиц по размерам, оперируя только соотношениями массовых долей исходных компонентов в смеси.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования частиц каменного материала АБС по методу эквивалентной сферы проводили после дисперсионного анализа каждой фракции асфальтобетона (щебень, отсев, песок, минеральный порошок). В качестве объекта исследований приняли стандартную АБС, состав которой представлен в табл. 1.

Поскольку масса каждой фракции в составе смеси строго дозируется, то, зная дисперсный состав и плотность материала (ρ), можно приблизительно оценить количество сфер с эквивалентной площадью поверхности, приходящихся на каждую размерную группу ( n_i ), и общую площадь их поверхности ( s_i) .

Суммируя площади каждой фракции, получим оценочную площадь поверхности частиц каменного материала в АБС определенной массы ( S ). При рас-

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 1. Диаметры эквивалентных сфер [2]

Таблица 1. Состав асфальтобетонной смеси марки I тип Б

№ Материал Содержание, % 1 Гранитный щебень фр. 5–15 41,7 2 Песок из отсевов дробления 43,7 3 Песок природный мелкий 4,7 4 Порошок минеральный МП-1 4,7 5 Битум марки БНД 60/90 5,2 Всего 100,0 четах использовали классические геометрические формулы:

объем i -ой сферы: V_i = π·( D_i ³ )/6

масса i -ой сферы: m_i = ρ· V_i = ρ·π·( D_i ³ )/6

количество сфер каждой фракции: ni = ki ·Mi /mi, где ki , mi – доля i-ой размерной группы и ее масса соответственно, Mi – масса фракции;

площадь поверхности сферы: s = π· D ²

площадь поверхности i -ой фракции:

st = щ ■ п ■ D? = kt ■ Mt ■ я ■ D?/

При плотности каменного материала ρ~2700 кг/м³ получаем:

6Ю3 kfMt   „ kfMt st -------= 2,22--;

2700     D}              D[ ^;

площадь поверхностей всех фракций S = ∑s_i .

Изучение дисперсного состава каждой фракции АБС проводили по электронным снимкам, полученным с оптического микроскопа. Анализ снимков обрабатывали в программе «DG Analyzer 1.5», которая позволяет бинаризировать изображения, т.е. выставить порог светлых и темных участков на картинке и проанализировать полученный объект (рис. 2). Статистические результаты обработки изображений программа представляет в численном и графическом виде. Программа позволяет получить значения относительного количества белых пикселей, периметра и площади микроструктурных элементов, средних приведенных диаметров элементов, выявить ориентированность светлых участков.

Дисперсный состав АБС, состоящей из различных фракций каменного материала, представлен на рис. 3–6.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙИ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты теоретической оценки площади поверхностей фракций АБС представлены в табл. 2. В качестве диаметров D_i на гистограммах выбирали среднее значение размерного диапазона по каждому долевому объему – например, в диапазоне 50–

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Исходное изображение

Бинарное изображение

Рис. 2. Изображение «Песок» (увеличение в 25 раз)

Рис. 3. Гистограмма долевого объема по диаметру частиц щебня

70 мкм средний эквивалентный диаметр принимали (50+70)/2 = 60 мкм.

Полученные результаты расчетов согласуются с данными работ [4, 7, 8, 11, 12] о том, что формирование межфазной границы «битум – каменные частицы» в АБС осуществляется за счет МП.

Введение МП в битум повышает вязкость последнего и прочность покрытия, при этом по мере увеличения концентрации МП толщина пленки битума между минеральными зернами уменьшается и вяжущее постепенно переходит в структурированное состояние [4].

В результате происходит уменьшение расстояния между частицами до уровня, когда свойства системы «битум – частицы» определяются энергией взаимодействия адсорбционно-сольватных слоев органического вяжущего на поверхности МП [4]. Кроме того, МП, полученный из мраморных и доломитовых

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 4. Гистограмма долевого объема по диаметру частиц отсева дробления

Рис. 5. Гистограмма долевого объема по диаметру частиц песка

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 6. Гистограмма долевого объема по диаметру частиц МП-1

пород, обладает высоким положительным потенциалом с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са ⁺² и Mg ⁺² и способствует более интенсивному переводу битума в структурированное состояние с образованием хемоадсорбционных связей, которые позволяют прочно удерживать битумные пленки на поверхности, тем самым повышая прочность асфальтовяжущего [5].

Введение минерального порошка в битум при высокой температуре приводит к образованию суспензии полифракционного состава. Суспензия представляет собой смесь веществ, где твердое вещество распределено в виде мельчайших частиц в жидком веществе во взвешенном (неосевшем) состоянии [6]. Вязкость такой системы зависит от соотношения объемных концентраций частиц наполнителя (МП) и жидкой фазы, формы твердых частиц, их распределения по размерам, вязкости жидкой среды (битума) и характера взаимодействия твердой и жидкой фаз между собой.

Анализ механизмов, определяющих реологические характеристики суспензии МП в битуме, проводили на модели, представляющей частицы в виде сфер и на основе данных, полученных в результате дисперсионного анализа (рис. 6). Испытания суспензий проводили на ротационном вискозиметре

Rheotest RV2.1 при температурах 130–170 °С, соответствующих режимам смешения битума и МП.

Для расчета вязкости системы «битум – твердые сферические частицы» использовали уравнение Муни, показывающее хорошее соответствие с экспериментальными данными при расчетах концентрированных суспензий [8,9]:

где η – эффективная вязкость суспензии, Па·с;

η_ср – эффективная вязкость суспензионной среды, Па·с;

Квз – коэффициент, учитывающий взаимодействие твердых частиц с суспензионной средой и меж- ду собой;

Ф _м – максимальная объемная концентрация наполнителя, м ³ /м ³ ;

Ф – объемная концентрация наполнителя, м ³ /м ³ .

В полидисперсной системе, которую представляет фракция МП (рис.6), определим средний эквива- лентный диаметр:

^экв

1 _                1

„ J^ — a.SIS 0.073   0.237 0.4S9

^=lDi 0,0035 + 0,0075 + 0,015 + 0,035

—^— = 0,021мм = 21mkm .

47,35

там — 0,06

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

Таблица 2. Результаты анализа фракционного состава

Материал	Mi , кг	k i	Di , мм	si , м2	Si , м2	Доля в суммарной пл., %	Удельная поверхность фракции, м2/кг
Щебень фр. 5–15	41,7	0,354	13,5	2,4	8,5	0,25	0,2
		0,405	11	3,4
		0,177	9	1,8
		0,048	6,5	0,7
		0,01	4	0,2
Отсевы дробления	43,6	0,238	4,5	5,1	31,8	0,9	0,73
		0,437	3,5	12,1
		0,257	2,5	10
		0,044	1,5	2,8
		0,017	0,9	1,8
Песок	4,75	0,047	0,4	1,2	49	1,45	10,3
		0,365	0,27	14,2
		0,373	0,22	18
		0,148	0,16	9,7
		0,045	0,115	4,1
		0,016	0,1	1,7
МП-1	4,75	0,184	0,06	32,3	557	86,2	117,3
		0,489	0,035	147,3
		0,237	0,015	156,8
		0,073	0,0075	166,6
		0,018	0,0035	54,2
Битум БНД 60/90	5,2				646

Скорость сдвига 100 с-1 Скорость сдвига 500 с-1

Скорость сдвига 1000 с-1

Рис. 7. Зависимость динамической вязкости битума η от температуры при скоростях сдвига 100, 500, 1000 с-1

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 8. Зависимость максимальной объемной концентрации наполнителя от диаметра частиц [8]

Используя зависимость, полученную в работе [8], определим максимальную объемную концентрацию наполнителя, имеющего d_экв (рис. 8), учитывая, что lg (21) = 1,32. Этому эквивалентному диаметру соответствует максимальная объемная концентрация наполнителя ~ 0,42 (рис. 8), что в пересчете на массовую концентрацию соответствует соотношению битум : МП = 43 : 57, принимая плотность битума и МП ρ_б = 1,03 г/см ³ , ρ _МП = 2,7 г/см ³ .

Уравнение (1) перепишем в виде:

Из (3) получаем: ^^рС^Вз) — у/ ^7 ОГГИ, тогда

К_вз = 1п(ехр(К_вз)) = 1п[^в/п^_н] .          (4)

Уравнение (4) позволяет по результатам экспериментов с наполненными системами определить К_вз – коэффициент, учитывающий взаимодействие твердых частиц МП с битумом и между собой. Сравнение экспериментальных и расчетных (4) значений реологических характеристик системы «битум БНД 60/90 – МП» приведены в таблице 3 и на рисунках 9, 10.

Анализ полученных данных доказывает, что взаимодействие битума и минерального порошка

Таблица 3. Вязкость дисперсной системы «Битум – МП»

Степень наполнения, % (объемная доля)	Т = 130 оС		Т = 150 оС		Т = 170 оС		η отн
	η , Па·с	К вз	η , Па·с	К вз	η , Па·с	К вз	130 оС	150 оС	170 оС
0 (0)	0,66	0	0,42	0	0,18	0	1	1	1
5 (0,05)	0,78	1,23	0,5	1,29	0,22	1,47	1,18	1,19	1,22
10 (0,10)	1,18	1,9	0,72	1,73	0,34	2,05	1,8	1,71	1,89
15 (0,15)	2,25	2,2	1,31	2,03	0,98	3,01	3,4	3,12	5,4
20 (0,20)	5,56	2,34	3,56	2,35	2,8	3,01	8,42	8,48	15,55
25 (0,25)	12,46	2	7,9	2	6,25	2,4	18,88	18,81	34,7
30(0,3)	28,2	1,5	18,4	1,5	15,1	1,8	42,7	43,8	83,9

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 9. Зависимость вязкости системы «битум – МП» от степени наполнения

Рис. 10. Зависимость коэффициента К _вз от степени наполнения и температуры системы «битум – МП»

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (2): 180–191

Nanob

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

подчиняется определенным закономерностям и зависит от:

– объемного распределения по размерам частиц во фракциях минерального порошка, что определяет площадь межфазной поверхности взаимодействия;

– температуры смешения и степени наполнения композиции – оптимальные условия: температура от 160 °С до 170 °С, объемная доля 0,17–0,2. Таким образом, выбранную рецептуру АБС, которая исследовалась в работе и содержит объемную долю МП-1 на уровне 0,258, необходимо откорректировать в сторону увеличения массы битума на ~ 2,0 кг, с тем, чтобы попасть в оптимум по взаимодействию минерального порошка и битума.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    На основании оптических исследований фракционного состава стандартной асфальтобетонной смеси определены площади межфазного взаимодействия между каменным наполнителем и битумом, согласующиеся с результатами других исследователей.

• 2.    На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований установлены зависимости коэффициента взаимодействия в системе «битум – минеральный порошок» от дисперсионного состава, температуры и степени наполнения.

• 3.    Полученные результаты позволяют скорректировать состав асфальтобетонной смеси с целью повышения ее эксплуатационных характеристик.