Применение молотого боя асбестоцементных изделий в качестве модификатора асфальтобетона

Законом Республики Бурятия от 14.11.2013 № 53-V «Об организации проведения капитального ремонта общего имущества в многоквартирных домах, расположенных на территории Республики Бурятия» [1] установлены правовые и организационные основы своевременного капитального ремонта общего имущества в многоквартирных домах. В соответствии с региональной программой капитального ремонта г. Улан-Удэ [2] в 2016 г. будут отремонтированы здания, введенные в эксплуатацию в период с 1952 по 1991 г. Согласно ст. 166 Жилищного кодекса Российской Федерации [3] к обязательному перечню по капитальному ремонту общего имущества в многоквартирных домах отнесен ремонт крыш, для изготовления которых в качестве кровельного материала в основном использовались асбестоцементные изделия (АЦИ) - волнистый шифер. АЦИ состоит из прогидратированного цемента и асбестоцементного волокна в количестве 12-15 % [4].

При ремонте крыш многоквартирных домов требуется утилизация боя АЦИ. Существуют различные области применения отходов асбестоцементной промышленности: в производстве теплоизоляционных материалов, штукатурных смесей, межкомнатных перегородок, облицовочной плитки, газобетона и др. [5]. В основном отходы АЦИ используют в качестве микроармирующих компонентов, улучшая основные свойства строительных материалов и изделий. Однако анализ статистических данных показал, что в настоящее время отходы АЦИ в производстве строительных материалов практически не применяются, хотя для производства асбестоцементных изделий используются такие ценные материалы, как асбест и цемент высоких классов по прочности.

В данной статье рассмотрена возможность применения молотого боя АЦИ при приготовлении асфальтобетонных смесей, что ранее не было изучено и не находило практического применения. На основании необходимости дорожной отрасли Республики Бурятия в использовании качественного асфальтобетона с улучшенными физико-механическими и деформа-тивными свойствами нами были выполнены исследования по получению асфальтобетона с использованием отходов АЦИ в качестве минерального порошка и модифицирующей - стабилизирующей добавки в битум.

Известно, что в качестве модификаторов асфальтобетонных смесей используют органические и полимерные добавки в количестве 3-5 % от массы битума. Кроме органических добавок в качестве модификаторов используют неорганические вещества, а именно изовер, асбестовое волокно, вулканический шлак в количестве 0,25-1 мас. %. Применение модификаторов битума позволяет улучшить свойства вязкого дорожного битума, обеспечивая, соответственно, повышение эксплуатационных свойств асфальтобетонных смесей и увеличение срока службы дорожных покрытий.

Ранее была установлена эффективность применения неорганических модификаторов, приводящего к уменьшению индекса старения битума, для повышения прочности асфальтобетона, в среднем на 20-60 %. Однако при введении волокнистых материалов типа асбестового волокна и изовера наблюдается затруднение перемешивания асфальтобетонной смеси. Проведенные исследования показали, что применение молотого боя шифера как отхода при капитальном ремонте зданий, содержащего тонкодисперсные волокна асбеста, не вызывает трудностей при перемешивании асфальтобетонной смеси.

В работе для получения асфальтобетона использовали следующие сырьевые материалы: битум БНД 90/130 производства ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», молотый бой АЦИ - асбестоцемент, добавки «Хризотоп» и потребительский кремнегель - силикагель в виде порошка и в форме гранул. Используемый бой АЦИ предварительно измельчали на щековой дробилке, а затем на лабораторном виброистирателе для получения требуемого гранулометрического состава порошка согласно ГОСТ Р 52129-2003.

Добавка «Хризотоп» представляет собой гранулы длинноволокнистого асбеста, обработанного парафином. Добавка преимущественно используется в качестве стабилизатора в количестве 0,4-0,6 % от минеральной части, в исследованиях она принята за эталон.

Силикагель обладает высокой сорбционной способностью, согласно ГОСТ 3956-76 имеет формулу xSiO 2 *nH 2 O или xSiO 2 *yAl 2 O 3 *nH 2 O и содержит в своем составе не более 8% химически связанной воды.Указанные добавки вводились в асфальтобетонную смесь в пределах 0,25-1 % от массы битума.

Работоспособность битумного вяжущего в составе асфальтобетона при периодическом воздействии напряжений сдвига, сжатия и перепада температуры во многом зависит от пластичности дорожного битума. Поэтому для определения изменения твердости битума в зависимости от вида и содержания модифицирующих добавок экспериментально были определены значения пенетрации битума при температуре 20°С (табл. 1). Определение пенетрации проводилось на полуавтоматическом пенетрометре ПБА 1-Ф с массой груза 100 г. Эффективность действия добавок оценивалась как отношение пенетрации битума с добавками к пене-трации без добавочного битума.

Анализ экспериментальных данных показал, что сорбционная способность молотого боя АЦИ на 20 % выше стандартной добавки «Хризотоп». При увеличении количества асбестоцемента твердость битума повышается на 16-41%, добавки «Хризотоп» - на 18-21%, силикагеля – на 1-10% в зависимости от его вида.

Повышение твердости битума, как правило, связано с тем, что на поверхности модификатора сорбируются легкие фракции битума. Следовательно, асбестоцементный модификатор обладает высокой сорбционной способностью. По сорбционной активности модификаторы располагаются в порядке убывания: асбестоцемент, добавка «Хризотоп», силикагель.

Таблица 1

Влияние вида и количества добавок на изменение пенетрации битума

Модификатор	Количество добавки, % от массы битума	Пенетрация битума, 0,1 мм	Эффективность использования добавки, %
Битум без добавки	0	96	-
Асбестоцемент	0,25	83	16
	0,5	80	20
	1	68	41
Хризотоп (эталон)	0,25	80	20
	0,5	81	18
	1	79	21
Силикагель (порошок)	0,25	96	0
	0,5	95	1
	1	91	5
Силикагель (гранулы)	0,25	87	10
	0,5	92	4
	1	93	3

Еще одним показателем качества битума является температура его размягчения, которая характеризует верхний температурный предел его применения. От температуры размягчения битума зависит температурный рабочий интервал, который учитывают при выборе битума для применения в определенных температурных условиях. Результаты изменения температуры размягчения битума, которая определялась традиционно по методу «кольца и шара», при введении модифицирующих добавок представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние вида и количества модифицирующих добавок на изменение температуры размягчения битума

Модификатор	Количество добавки, % от массы битума	Температура размягчения, t разм. , ͦ С	Эффективность добавки, %
Битум без добавки	0	41	-
Асбестоцемент	0,25	43,5	6
	0,5	41,9	2
	1	42,75	4
Хризотоп (эталон)	0,25	40,5	1
	0,5	39,9	3
	1	41,7	2
Силикагель (порошок)	0,25	41,9	2
	0,5	42,5	4
	1	43,1	5
Силикагель (гранулы)	0,25	42,8	4
	0,5	43,1	5
	1	43,4	6

Анализ результатов исследований показал, что все используемые модификаторы битума, кроме отходов АЦИ, мало повлияли на температуру его размягчения. Использование асбестоцемента повышает температуру размягчения битума на 2-6% при разных его содержаниях. При малых дозировках добавки асбестоцемента - 0,25 мас.% - наблюдается максимальное повышение температуры размягчения битума.

Известно, что введение коротковолокнистых материалов в состав битума и, соответственно, асфальтобетона предотвращает стекание вяжущего во время приготовления, транспортировки и укладки асфальтобетонной смеси. В роли такой добавки выступают чаще всего волокна целлюлозы. Учитывая наличие в составе АЦИ хризотиласбестовых волокон, в работе определяли изменения стекания органического вяжущего при введении модифицирующих добавок в количестве 1% от массы битума (табл. 3). Стекание органического вяжущего определяли согласно ГОСТ 31015-2002.

Таблица 3

Влияние вида добавок на изменение стекания битума

Модификатор	Количество, % от массы битума	Стекание (В), %	Эффективность (В к /В м ), %
Битум без добавок - контрольный	0	0,89	—
Асбестоцемент	1	0,74	20
Добавка «Хризотоп»	1	0,85	5

Результаты исследований показали, что асбестоцементный модификатор лучше удерживает горячий битум, что связано с его высокой удельной поверхностью - порядка 800 м²/кг.

Чтобы изучить влияние модифицированного битума на показатели физико-механических свойств асфальтобетона, были изготовлены образцы мелкозернистой горячей плотной асфальтобетонной смеси типа Б марки II с содержанием:

• -    щебень - 41,45 %;

• -    песок - 53, 55 %;

• -    минеральный порошок - 5,0 %;

• -    битум - 6 % от содержания минеральных компонентов.

Добавки вводили в количестве 1% от массы битума. Полученную асфальтобетонную смесь формовали и испытывали по ГОСТ 9128-2009 (табл. 4).

Таблица 4

Физико-механические свойства асфальтобетона с модифицирующими добавками

Состав асфальтобетона	Средняя плотность, г/см3	Прочность при сжатии асфальтобетона, МПа, при температурах		Коэффициент теплостойкости, R 50 / R 20
		50 °С, R 50	20 °С, R 20
Контрольный	2,29	0,91	2,53	0,359
Асбестоцемент	2,32	0,90	2,92	0,308
Добавка «Хризотоп»	2,30	0,95	2,50	0,408
Требования ГОСТ 9128-2009	—	не менее 0,9 МПа	не менее 2,2 МПа	—

Исследование влияния добавки на физико-механические показатели асфальтобетона показало закономерное улучшение свойств асфальтобетона соответственно показателям органического вяжущего. Как следует из результатов, при использовании асбестоцементного модификатора прочность при сжатии асфальтобетона при 20°С увеличилась на 15%, а при 50°С -на 12%, в то время как асфальтобетон с добавкой «Хризотоп» имеет одинаковую прочность с контрольными. В связи с небольшой эффективностью по стеканию и по прочности нужно повысить содержание асбестоцемента, а именно до 3-5%, что соответствует понятию «модификатор». Кроме того, представляет интерес проверить асбестоцементный порошок в качестве стабилизатора, увеличив его содержание до 8-10%.

Заключение

Проведенные исследования показывают эффективность применения отходов асбестоцементных изделий для модификации битума и асфальтобетона, введение которых увеличивает его сорбционную способность, предположительно не только за счет содержания асбеста, но и за счет морфологии кристаллов продуктов гидратации цемента.