Применение вермикулита в битумных композициях и мастиках для дорожного строительства

Вермикулит – уникальный природный минерал с исключительно высоким инновационным потенциалом. В Челябинской области добыча и переработка вермикулита ведется на базе Потанинского месторождения [1].

Вермикулит – это минерал сослоистой структурой. Он входит в группу гидрослюд, продукт вторичного изменения слюды биотита, флогопита, образуется в результате их выветривания и гидролиза. Химическая формула вермикулита: (Mg, Fe2+, Fe3+)[(Si А1)4,O10] [OH]2·4H2O. Встречается в золотисто-желтых, бурых расцветках. В технике находит применение термически обработанный, прокаленный при 1000–1300 °С, так называемый вспученный вермикулит. На рис. 1 представлено изображение кристалла вермикулита (а), его слоистого строения (б) и вспученного вермикулитового песка (в).

Исследовательская часть

По своей структуре вспученный вермикулит (далее – ВВ) представляет собой анизотропный слоистый материал с защемленным в порах воздухом [2,3]. Изучение ВВ физико-химическими методами анализа (рентгено-, спектро- и термографическими) показывает, что частицы ВВ состоят из тончайших пластин, разделенных прослойками воздуха. При термообработке до 1000 °С объем ВВ увеличивается более чем в 25 раз.

К техническим достоинствам ВВ следует отнести инертность, низкую плотность (80– 200 кг/м3), термостойкость, небольшую теплопроводность (λ = 0,48–0,06 Вт/м × °С), высокую сте-

а)

б)

Рис. 1. Вермикулит природный (а, б) и термообработанный (в)

в)

пень звукопоглощения, низкую гигроскопичность, адсорбционную способность, биологическую стойкость. ВВ - экологически чистый продукт, абсолютно безвредный для человека. Всё это предопределило применение ВВ в промышленном и гражданском строительстве, а также промышленности огнеупорных и теплоизолирующих материалов как функционального и экономичного заполнителя [2-4].

ВВ обладает упругостью, которая выражается в частичном восстановлении высоты предварительно сжатой пробы после снятия нагрузки [2, 5]. Общая деформация ВВ при осевом сжатии за счет защемленного между пластинами воздуха слагается из упругой и остаточной. ВВ также характеризуется анизотропными физико-механическими свойствами:в направлении, перпендикулярном плоскости спайности, зерна вермикулита имеют меньшую прочность, чем в направлении, параллельном плоскости спайности. Первая характеристика прочности обуславливает деформативные свойства, вторая - хрупкость вспученного вермикулита.

По гранулометрическому составу ВВ делится на3 фракции:

• -    крупную (5-10 мм);

• -    среднюю (0,6-5 мм);

• -    мелкую (менее 0,6 мм).

В зависимости от насыпной плотности ВВ выпускается следующих марок (по ГОСТ 12865): 100; 150; 200. В исследованиях использовали ВВ марки 200.

Целью работы было определение влияния добавок ВВ на качественные показатели битумновермикулитовых композиций и мастик, предназначенных для строительства и ремонта автомобильных дорог и мостов в сложных (криогенных) природно-климатических условиях.

Общая идея (гипотеза) заключалась в предположении, что добавка ВВ улучшит теплотехнические и структурно-механические свойства битумно-вермикулитовых композиций и мастик для устройства и ремонта асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог за счет более низкой теплопроводности и структурирования битумного вяжущего. При этом должны улучшиться показатели трещиностойкости асфальтобетона при низких температурах с одновременным улучшением показателей теплостойкости при высоких температурах эксплуатации асфальтобетонных покрытий.

В качестве исходных битумных материалов использовали битумы нефтяные дорожные марок БНД 90/130 и БНД 60/90 производства «Газпромнефть - Битумные материалы».

Приготовление битумно-вермикулитовой композиции осуществляли путем введения при перемешивании ВВ (фракции 0,6–1 мм) в исходный битум, нагретый до 80 °С. Определяли вязкостно-пластические характеристики: температуру размягчения по методу «Кольцо и шар», растяжимость (дуктильность), пенетрацию полученных образцов битумно-вермикулитовой мастики (БВМ). Оценку трещиностойкости проводили по степени деструкции БВМ, характеризующейся отношением предела прочности при сжатии (Ксж ) к пределу прочности при изгибе(Киз ). Чем ниже степень деструкции, тем выше трещиностойкость материала.

На рис. 2 приведены графики изменения показателей свойств БВМ в зависимости от содержания ВВ в битумном вяжущем.

Как видно из приведенных данных, с увеличением содержания ВВ в битумном вяжущем повышается температура размягчения композиции, уменьшается пенетрация и растяжимость (дуктильность) при нормальных условиях (25 °С). Как видим, закономерно снижается и степень деструкции материала, характеризующая повышение его трещиностойкости.

Исходя из заданных показателей качества битумно-вермикулитовых композиций, были выбраны соотношения рационального содержания ВВ в БНД: 3-6 % масс. С рациональными составами были наработаны опытные партии, которые были применены для заделывания швов и температурных трещин при ремонте асфальтобетонных покрытий на опытных участках автомобильных дорог в Тюменской области [5, 6], а именно: на автомобильной дороге Тюмень - Ханты-Мансийск и на Объездной улице в г. Салехарде. Наблюдения за состоянием покрытия в течение 2 лет показали хорошие эксплуатационные свойства мастик и покрытий. Композиции выдержали сезонный перепад температур от минус 35 °С до плюс 35 °С, остались однородными, цельными по заполняемости швов, трещиностойкими, не выкрашивались под действием интенсивных транспортных нагрузок. Отремонтированное асфальтобетонное покрытие сохранялось ровным.

В табл. 1 представлено сопоставление качества БВМ, содержащей 4 % масс. ВВ, с исходными битумами и требованиями, установленными к битумным вяжущим материалам для дорожного строительства.

Битумно-вермикулитовая композиция с 4 % масс. вспученного вермикулита обладает улучшенными характеристиками по теплостойкости (увеличение температуры размягчения на 18– 26 % отн.) и морозостойкости (снижение температуры хрупкости на 33-38 % отн.). Снижение показателей растяжимости при вытягивании мастики в нить по сравнению с однородным битумным вяжущим можно объяснить включением в состав композиции относительно крупных инородных зерен минерального компонента. Поэтому дуктильность, измеряемая у исходного битума, не должна применяться в оценке качества битумно-вермикулитовой мастики.

Рис. 2. Изменение свойств битумно-вермикулитовой композиции в зависимости от содержания вспученного вермикулита (ВВ): а) на основе БНД 90/130; б) на основе БНД 60/90

Сопоставительная характеристика битумных вяжущих и их композиций с ВВ

Таблица 1

Наименование показателей свойств	Значения показателей свойств битумов и их композиций с ВВ
	Исходный битум		Битумно-вермикулитовая композиция (4 %)		Требования ГОСТ 22245
	БНД 90/130	БНД 60/90	На БНД 90/130	На БНД 60/90	БНД 90/130	БНД 60/90
Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25 °С	110	72	90	50	91–130	61–90
Температура размягчения, °С	42	49	53	58	Не менее 43	≥ 47
Температура хрупкости, °С	–16	–15	–22	–20	≤ 17	≤ –15
Интервал пластичности	57	64	75	78	–	–
Растяжимость при 25 °С, см	72	62	58	49	Не менее 60	≥ 50

Таблица 2

Технические требования к битумно-вермикулитовым мастикам

Наименование показателя	Значение для марки
	БВМ 50/70           1	БВМ 80/100
Внешний вид, цвет, визуально	Вязкая термопластичная масса темно-коричневого или черного цвета
Однородность, визуально	Внешне однородная
Пенетрация при 25 °С, П 25 , 0,1 мм	от 50 до 70	от 80 до 100
Температура размягчения, °С, по «КиШ»	не менее 55	не менее 50
Температура хрупкости, °С	не более минус 20	не более минус 22
Температура вспышки в открытом тигле, °С	не менее 220	не менее 220