Разработка композиционных материалов, наполненных механоактивированными ингредиентами, для применения дорог

Введение. В Республике Узбекистан большое государственное, стратегическое и экономическое значение придается техническому состоянию транспортной сети. В общей транспортной системе Республики Узбекистан главенствующее положение отводится автомобильным дорогам, по которым перевозится до 90% народнохозяйственных грузов и до 95% пассажиров от всего объема перевозок, осуществляемых всеми видами транспорта. Сеть автомобильных дорог республики, включая мосты, составляет более 184 тыс.км, из них 50,7 тыс.км дороги с асфальтобетонными, бетонными покрытиями и 96,3 тыс.км с нефтеминеральными и щебеночными покрытиями. В перспективе намечается строительство железобетонных дорог протяженностью более 10000 км, проходящих через пустынные и горные регионы республики. В республике имеются 11 аэродромов общей площадью 600 га, покрытых бетоном и асфальтобетоном.

Резкоконтинентальные климатические условия Центральной Азии существенным образом сказываются на состоянии и сроках эксплуатации асфальтобетонных дорог. Долговечность применение асфальтобетонных и нефте-минеральных покрытий дорог в условиях Узбекистана из-за недостаточной их сдвигоустойчивости при высоких летних положительных, и трещиностойкости - при низких отрицательных зимних температурах обычно не превышает 2-3 года. [1] .

В последние годы широкий интерес представляет создание и получение высокоэффективных композиционных асфальтобетонных покрытий дорог, мостов и аэродромов. [4-6] .

Исследованиями ряда ученых были созданы дорожно-строительные композиционные материалы, способные эксплуатироваться в интервале температур от -30 0С до +70-80 0С. Однако эти композиции и мастики не полностью отвечают требованиям климатических условий Республики Узбекистан и в целом Центральной Азии.

В этой связи проведение исследований по созданию и получению импортозамещающих и экспортоориентированных высокоэффективных, композиционных материалов на основе механоактивированных и химически модифицированных ингредиентов из местных и вторичных сырьевых ресурсов органического и минерального происхождения для асфальтобетонных покрытий и герметизирующих мастик для заполнения деформационных швов бетонных и трещин асфальтобетонных дорог, мостов и аэродромов с целью повышения их тепло-морозостойких, сдвигоустойчивых и трещиностойких свойств и, соответственно, увеличения сроков эксплуатации в интервале температур от -25 ⁰С до +120 ⁰С является весьма актуальной проблемой.

Цель исследования. Создания эффективных составов импортозамещающих и экспортоориентированных композиционных материалов с выокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами для покрытий асфальтобетонных дорог, способных эксплуатироваться в широком интервале температур от -25 до +120 ⁰С, на базе местных минеральных и вторичных сырьевых ресурсов органического и неорганического происхождения.

Объект и методы исследований. Объектами исследования являются битумы марок БН-90/10 (БНИ-V), БН-70/30 (БНИ-IV), БНД-60/90, резиновая крошка, госсиполовая смола, гидролизный лигнин, вторичный поливинилхлорид, гашеная известь, базальтовый волокнистый наполнитель и активированный мелкодисперсный волластонит, Чиназские и Чирчикские речные, Язъяванские и Янгиерские барханные пески и композиции на их основе. [1-2].

Методы исследований. Физико-химические свойства исследованы с помощью ИК-спектроскопи. Физико-механические свойства композиции:

• - температура размягчения определена по методу КиШ;

• -    температура хрупкости по методу Фраасу;

  -растяжимость по ГОСТ 11056;

  -прочность сцепления с бетоном по Тsh РУз 14.04.2004;

• - глубина проникания иглы по ГОСТ 11501, водопоглощение по ГОСТ 26589. [1] .

Результаты исследований и их обсуждение . Рассмотрим результаты исследований физико-механических и эксплуатационных свойств и разработка эффективных составов композиций для асфальтобетонных покрытий дорог с использованием органических, модифицированных и активированных неорганических ингредиентов на основе местного и вторичного сырья.

На основе результатов физико-химических исследований модифицированных битумов и госсиполовой смолы для создания композиций асфальтобетонных покрытий дорог нами разработаны битумные композиции, состав и свойства которого приведении в работе. [3] .

Физико-механические свойства асфальтобетонных композиций, главным образом, зависят от гранулометрических составов, степени механоактивации наполнителей и свойств вяжущих.

Нами было изучено влияние механоактивации наполнителей на прочностные показатели композиции для асфальтобетонных покрытий, в частности, зависимость предела прочности при сжатии от степени загрузки дисмембратора при механоактивации песков и влияние механоактивации на прочность композиции для асфальтобетонных покрытий при сдвиге (рис. 1 а,б).

а)

чирчикский;

язъяванский;

чиназский; янгиерский

б)

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии (а) и сдвига (б) асфальтобетонных покрытий от степени загрузки дисмембратора при механоактивации

Из данных рисунка видно, что при использовании механоактивированных песков наблюдается существенное увеличение прочности при сжатии и сдвиге асфальтобетонных покрытий, При загрузке

песков до 3 кг/мин предел прочности при сжатии увеличивается от 1,3 до 3,9 МПа, прочность при сдвиге возрастает от 0,6 до 1,0 МПа, соответственно.

Из таблицы 1 видно, что как с увеличением коэффициента загрузки, так и продолжительности обработки наблюдается существенное снижение насыпной плотности песков всех видов, которые свидетельствуют о увеличении удельной поверхности дисперсной массы характеризующей степенью активации поверхностей их частиц.

Таблица 1

Влияние режима обработки на механоактивации природных песков

№	Изменение свойств   песка   различных месторождений	Влияния  режима  обработки  (t,мин.)  при различных коэффициентах заполнения на механоактивацию природных песков
		0	1	2,5	5,0	7,5	10
1	Коэффициент заполнения 0,25
1	2	3	4	5	6	7	8
1.1	Чирчикский
1.1.1	Остаток насите №014 по массе	22.5	21.4	20.1	18,4	18,2	17,8
1.1.2	Насыпная плотность кг/м3	1452	1432	1418	1406	1405	1404
1.2	Язьяванский
1.2.1	Остаток насите №014по массе	26,5	24,2	21,3	18,2	17,5	17,2
1.2.2	Насыпная плотность кг/м3	1486	1454	1432	1428	1412	1407
1.3	Янгиерский
1.3.1	Остаток насите № 014	18,6	16,8	15,6	12,3	11,9	11,6
1.3.2	Насыпная плотность кг/м3	1482	1468	1455	1432	1415	1408
1.4	Чиназский
1.4.1	Остаток насите № 014	2,4	2,2	1,8	1,4	1,3	1,2
1.4.2	Насыпная плотность кг/м3	1461	1454	1422	1410	1408	1406

Таким образом из анализа полученных результатов исследования нами установления оптимальные загрузочно временные режимы механоактивации: к=0,25-0,50; t=1-5мин., с реализацией ударно-истирающего эффекта, которое позволяет обнажение поверхности частиц при незначительном изменении их гранулометрического состава.

Реализация ударно-раскалывющего эффекта для природных песков, в том числе барханных не целесообразно не только с точки зрения энерго-и трудо затратов. Но и с позиции перерасхода вяжущих материалов для асфальтобетонных покрытий.

Это очень важно для механоактивации природных минералов, в том числе и для барханных песков. При помощи дисмембраторного механоактиватора можно осуществить целенаправленное структурообразование дисперсных систем за счёт образования новых активированных поверхностей: обнажение при истирании частиц как между собой, так и между поверхностями рабочих органов активатора достигаемое регулированием зазора между пальцами ротора и стартера.

Сравнительные характеристики физико-механических свойств разработанных асфальтобетонных покрытий приведены в табл. 2.

Из данных таблицы 2 видно, что композиции для асфальтобетонных покрытий, полученные с использованием механоактивированных песков, модифицированных госсиполовой смолой, в месте минерального наполнителя, из битума БНД 60/90 по всем показателям физикомеханический характеристик полностью отвечают требованиям ГОСТ 912897.

Таблица 2

Сравнительные характеристики физико-механических свойств разработанных композиций для асфальтобетонных покрытий

Показатели	ГОСТ 9128-97	Нормы на смеси для плотного горячего асфальтобетона
		чирчик ский	чиназ ский	язъяван ский	янгиер ский
Пористость минерального состава, % объема, для смесей типов:
Г, не более	22	21	21	18	18
Д, не более	22	20	20	19	19
Водонасыщение, % объема, для смесей типов:
Г	1,5-4,0	2,5	2,6	2,0	2,1
Д	1,0-4,0	2,0	2,2	1,9	2,0
Остаточная пористость, % объема	2,2-5,0	3	3,1	3,5	4,0
Предел прочности при сжатии, МПа, при температурах:
+20оС, не менее	2,2	3,8	3,5	3,0	3,0
+50оС, не менее, для смесей типов:
Г	1,2	1,8	1,71	1,58	1,6
Д	1,3	1,9	1,8	1,64	1,61
0оС, не более	12,0	9,0	8,85	7,91	8,0
Коэффициент водоустойчивости, не менее	0,85	0,90	0,89	0,90	0,88

На основании комплексных исследований и выявленных закономерностей полученных результатов разработан эффективный состав композиционных материалов с использованием механоактивированных природных песков и органических ингредиентов для асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, мостов и аэродромов.

В табл. 3 приведены оптимальные составы разработанных рецептур асфальтобетонных покрытий.

Таблица 3

Рецептуры композиций для асфальтобетонных покрытий

Состав асфальтобетонного покрытия	ГОСТ 9128-97	Разработанные составы, мас. %, с содержанием песка
		чирчикск ий	чиназск ий	язъяванск ий	янгиерск ий
Битум БНД 60-90	6	-	-	-	-
Битум БНД 60-90 + ГС (7% от веса битума)		6,042	6,042	6,042	6,042
Щебень	45	45	45	45	45

Песок неактивированный	41	41,058	41,058	41,058	41,058
Минеральный наполнитель	8	-	-	-	-
Механоактивированный песок	-	8	8	8	8
Итого	100	100	100	100	100

Заключение.

Впервые предложен научно обоснованный подход к созданию тепломорозостойких, сдвигоустойчивых и трещиностойких композиционных материалов на основе местных и вторичных сырьевых ресурсов для асфальтобетонных покрытий и герметизации деформационных швов и трещин бетонных, асфальтобетонных дорог, мостов и аэродромов с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, способных эксплуатироваться в экстремальных климатических условиях Республики Узбекистан.

Разработан новый эффективный способ повышения физико-механических свойств асфальтобетонных покрытий путём введения в их состав механоактивированных минеральных ингредиентов, в частности, природных речных и барханных песков, основанного на ударно-раскалывающе-истирающем эффекте, приводящий к образованию частиц с развитой удельной поверхности с требуемыми геометрическими и физическими параметрами за счёт поляризации частиц на молекулярном уровне, сопровождающийся появлением гетерогенных дипольных моментов, которые способствуют улучшению адгезионных свойств с образованием водородных связей как с катионно - активными, так и анионно - активными веществами, каким является госсиполовая смола и, в конечном счете, увеличению межфазного взаимодействия между ингредиентами и битумом.

На основе выявленных закономерностей разработан ряд марок асфальтобетонных композиционных материалов для покрытия дорог –БК-З-ЧчРП, БК-3-ЧзРП, БК-3-ЯзВП, БК-3-ЯнВП, отличающихся друг от друга природой применяемых механоактивированных песков. Для каждой указанной марки разработанных композиционных материалов определены оптимальные технологические режимы получения их получения (температура нагрева 150-180 0С, время смешения 180 сек., температура смеси при выпуске из смесителя в пределах 120-155 0С и температура смеси к началу укладки 110-120 0С), обеспечивающие необходимые физико-механические и технологические характеристики.