Асфальтобетоны и щебеночно-мастичные асфальтобетоны с применением коллоидных добавок

В последние годы в российском дорожном строительстве получает широкое распространение устройство дорожных одежд из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), и Республика Бурятия (РБ) не является исключением. В настоящее время в РБ дороги регионального и федерального значения имеют покрытие из ЩМА протяженностью более 100 км, и это число продолжает расти.

Развитие применения ЩМА в качестве дорожных одежд обусловлено рядом преимуществ по сравнению с традиционным асфальтобетоном. Процесс приготовления и укладки ЩМА функционален, экономичен и не требует каких-либо специальных дополнительных технических устройств. В то же время он обеспечивает прекрасные эксплуатационные характеристики дорожного покрытия, сохраняя при этом высокую стабильность и долговечность за счет высокой устойчивости к разрушению под воздействием транспортных потоков и природных климатических условий, отличной сдвигоустойчивости, снижающей риск возникновения деформаций при больших нагрузках и значительного снижения шума при движении автотранспорта.

Однако, несмотря на существенные преимущества использования ЩМА, имеется недостаток, препятствующий его широкому внедрению в дорожное строительство. Битум, выполняющий роль вяжущего в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона, не всегда обладает высокими показателями качества и стабильности. С учетом специфики производства битумных вяжущих отечественных производителей и дорожно-климатических условий РБ выявлена потребность в разработке типа покрытия, удовлетворяющего следующим требованиям:

‒ устойчивость к колееобразованию (повышение сдвигоустойчивости);

‒ термоустойчивость (повышение прочности покрытия при высоких летних и низких зимних температурах);

‒ повышенная трещиностойкость;

‒ повышенная устойчивость к воздействию воды.

Повышение качественных показателей битумного вяжущего в составе щебеночно-мастичных асфальтобетонов возможно за счет использования различных по составу и свойствам химических добавок, в том числе коллоидных. За счет введения коллоидных, полимерных или наноструктурных добавок возможны: изменение структуры битума; повышение его пластичности; температурной стабильности; улучшение адгезионных свойств; устойчивости к воздействию воды.

Целью научно-исследовательской работы является разработка состава и технологии производства эффективного щебеночно-мастичного асфальтобетона с улучшенными физико-механическими и деформационными характеристиками на основе битума, модифицированного коллоидной добавкой, с целью повышения срока службы дорожного покрытия.

В качестве модификатора для битумного вяжущего выбрана коллагенсодержащая добавка различных составов. Известна роль применения коллагенсодержащих добавок в органическом вяжущем для производства прорезиненных асфальтовых гранул [3]. Учеными Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления разработана технология изготовления коллагенсодержащей добавки ‒ продуктов растворения коллагена (ПРК), получаемых обработкой отходов кожевенного производства и некондиционного кожевенного сырья в растворах, в качестве которых используют кисломолочную композицию (КМК) [4]. Данная кисломолочная композиция обладает величиной титруемой кислотности 250-300°Т, концентрацией молочной кислоты не менее 25-30 г/дм3 и активной реакцией среды не более 4,0. Физико-химические показатели добавок представлены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-химические показатели ПРК

Показатели	Вид выработанного коллагена
	добавка 1 ‒ ПРК – КМК1	добавка 2 ‒ ПРК-КМК2	добавка 3 ‒ ПРК-КМК3
рН	7,50	6,63	5,35
Концентрация белка, г/дм3	1,78	7,3	8,0
Плотность, г/дм3	1,055	1,046	1,033
Массовая доля сухого остатка, %	4,70	9,27	9,58

Введение добавки 1 привело к изменению одного из основных свойств битума – температуры размягчения, влияющей на эксплуатационные характеристики асфальтобетона (рис.). С ростом содержания добавки в битуме марки БНД 90/130 наблюдается переход значений температуры размягчения вяжущего к значению марки БНД 60/90 исходного битума.

Рисунок ‒ Зависимость температуры размягчения битума от количества добавки

Дальнейшие исследования были посвящены определению свойств ЩМА на модифицированном битуме. Результаты исследований влияния коллоидных добавок на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона сравнивались с результатами использования добавок на традиционном асфальтобетоне согласно ГОСТ 9128-2013. Для этого на начальном этапе исследований был подобран состав горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона, тип Б, марка II, на гравии и песке карьера ООО «Речной порт», г. Улан-Удэ, минеральном порошке производства ОАО «Горная компания «Татарский ключ»» и битуме марки БНД 90/130 производства АО «Ангарская нефтехимическая компания», наиболее часто используемого дорожно-строительными организациями РБ. В качестве модификатора использовалась добавка 1. Количество добавки в составах варьировалось в пределах от 2 до 7% от массы битума. Результаты определения физико-механических и деформационных характеристик асфальтобетона с коллоидной добавкой представлены в таблице 2.

Таблица 2

Основные характеристики асфальтобетона с коллоидной добавкой

Показатель	Требования ГОСТ 9128-2013 для I дорожноклиматической зоны	Контрольный состав (без добавки)	Составы с коллоидной добавкой с содержанием, в % от массы битума
			2	5	7
Средняя плотность, г\см3	не нормируется	2,37	2,37	2,38	2,39
Предел прочности при сжатии, t=50ОС, МПа	не менее 0,90	1,12	1,38	1,04	0,96
Предел прочности при сжатии, t=20ОС, МПа	не менее 2,20	3,26	3,48	3,88	3,64
Предел прочности при сжатии, t=0ОС, МПа	не более 10,00	6,83	6,80	7,39	6,39
Водонасыщение, %	1,50–4,00	3,97	3,23	2,42	2,16
Водостойкость	не менее 0,90	0,90	1,13	0,90	0,96
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения	не менее 0,80	0,92	0,96	0,80	0,80
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге, 50ОС, МПа	не менее 0,31	0,34	0,35	0,41	0,44
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе, t=0°, МПа	2,50‒6,00	2,68	3,56	4,14	4,15

Анализ результатов исследований показал, что введение и увеличение количества добавки приводят к улучшению гидрофизических свойств асфальтобетона, таких как водонасы-щение и водостойкость. Это связано с повышением структуризации битума и плотности асфальтобетона. Однако с увеличением содержания добавки происходит снижение деформационных свойств асфальтобетона, в частности понижение прочности при сжатии при температуре 50 ° С. Наилучшими прочностными характеристиками обладает состав асфальтобетона с содержанием добавки 2%.

Исследования по оптимизации количества модификатора в составе асфальтобетона позволили выявить оптимальное содержание коллоидной добавки для ЩМА – 2-3% от массы битума.

Важную роль в подборе состава щебеночно-мастичного асфальтобетона играет стабилизирующая добавка, предотвращающая стекание вяжущего во время приготовления, транспортировки и укладки щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси. В роли такой добавки выступает какой-либо коротковолокнистый материал, чаще всего волокна целлюлозы. В исследованиях были выбраны несколько материалов в качестве стабилизатора вяжущего: добавка СД-3 ГБЦ и шлам-лигнин (ОАО «Селенгинский целлюлозно-картонный комбинат»).

Стабилизирующая добавка СД-3 ГБЦ представляет собой гранулы темно-коричневого цвета цилиндрической формы диаметром (4,5 ± 0,5) мм, длиной от 3 до 15 мм, изготовленные из волокон сульфатной небеленой целлюлозы и битумного вяжущего (БНД 90\130). По результатам определения устойчивости смеси к расслаиванию по показателю стекания вяжущего выявлено оптимальное количество стабилизирующей добавки в ЩМА, составляющее 0,3% от массы минеральной части.

Для подготовки образцов модифицированного ЩМА были подобраны составы ЩМАС-20 с использованием битума БНД 90/130 (ГОСТ 22245-90) производства АО «Ангарская нефтехимическая компания» со стабилизирующей добавкой СД-3 ГБЦ производства ООО «Фирма ГБЦ», щебня и отсевов дробления карьера «Николаевский» (г. Улан-Удэ), минерального порошка производства ОАО «Горная компания «Татарский ключ»» с содержанием добавок различного состава (см. табл. 1). Результаты определения физико-механических и деформационных характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона по ГОСТ 31015-2002 с коллоидными добавками 2 и 3 представлены в таблице 3.

Таблица 3

Основные свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона с коллоидной добавкой

Показатель	Требования ГОСТ 31015-2002 для I дорожно-климатической зоны	Контрольный состав	Добавка 2 ПРК-КМК2	Добавка 3 ПРК-КМК3
Средняя плотность, г\см3	не нормируется	2,35	2,36	2,35
Предел прочности при сжатии, 50ОС, МПа	не менее 0,60	0,92	1,36	1,03
Предел прочности при сжатии,20ОС, МПа	не менее 2,00	2,50	3,20	2,86
Водонасыщение, %	1,00 – 3,50	3,20	3,50	2,90
Коэффициент внутреннего трения	не менее 0,92	0,92	0,99	0,95
Сцепление при сдвиге, 50ОС, МПа	не менее 0,16	0,20	0,32	0,23
Трещиностойкость – предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С, МПа	2,00 – 5,50	2,90	1,40	1,30
Водостойкость при длительном водонасыщении	не менее 0,90	1,10	0,87	1,20

При введении в битумное вяжущее добавки 2 наблюдается существенный прирост прочности при сжатии при 20 ° С - на 21% и трещиностойкости - на 49%. При введении добавки 3

происходят снижение водонасыщения на 9% и рост водостойкости при длительном водонасы-щении на 8%; рост предела прочности при сжатии при 50 ° С - на 11% и при 20 ° С - на 12%, что свидетельствует об изменении группового состава и увеличении структуризации битума. При этом обе добавки значительно снижают показатель трещиностойкости, меньше минимально требуемого ГОСТ 31015-2002 значения для I дорожно-климатической зоны, что свидетельствует о снижении эластичности битумного вяжущего.

Заключение

Результаты исследований влияния коллоидных добавок на деформационно-прочностные характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона по ГОСТ 31015-2002 и асфальтобетона по ГОСТ 9128-2013 позволяют сделать следующие выводы:

‒ для асфальтобетона применение коллоидной добавки позволяет добиться снижения во-донасыщения и потери прочности в насыщенном состоянии и при низких температурах; повышения сдвигоустойчивости на фоне падения прочности при сжатии при 20 ° С с увеличением содержания добавки;

‒ для щебеночно-мастичного асфальтобетона применение коллоидных добавок показало рост сцепления при внутреннем сдвиге и предела прочности при сжатии под воздействием экстремальных температур на фоне снижения показателя трещиностойкости (предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С).