Строительно-технические свойства дорожного асфальтобетона на сталеплавильных шлаках

В соответствии с ГОСТ Р 59120-2021 ¹ дорожная одежда как часть автомобильной дороги должна соответствовать транспортно-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к автомобильной дороге как объекту транспортной инфраструктуры. Эти требования обеспечиваются соответствующим выбором конструкции дорожной одежды и материала покрытия. Указанный материал должен быть устойчив к эксплуатационным нагрузкам внешней среды, то есть обладать повышенными строительно-техническими свойствами. Асфальтобетон на протяжении многих лет остается самым распространенным материалом для устройства дорожных покрытий в мире. Положительные свойства асфальтобетона являются прямым следствием возможности его функционирования в широком диапазоне температуры окружающей среды, восприятия большой номенклатуры видов и сочетаний колёсной нагрузки, технологичности изготовления, укладки в покрытие и последующей эксплуатации. Однако, несмотря на все их преимущества, асфальтобетонные покрытия подвержены деформациям от действия температур: колееобразованию под действием высоких температур в летний период, трещинообразованию – при отрицательных температурах зимой. Верхние слои (покрытий дорожных одежд) наиболее часто подвергаются воздействию влаги и циклам перехода через 0 ^°С. При этом вода может проникать в покрытие как вследствие выпадения осадков в виде дождя или мокрого снега, так и при насыщении длительностоящей талой или поверхностной водой в условиях необеспеченного поверхностного водоотвода городских улиц и дорог. Вследствие такого водонасыщения асфальтобетона возможно отслоение битумных пленок от поверхности каменного материала, нарушение адгезионных и когезионных связей. При замораживании вода в порах расширяется, что приводит сначала к возникновению микроразрушений в материале, а в дальнейшем (при увеличении циклов замораживания – оттаивания) - к деформациям и разрушениям самого покрытия [1].

В связи с этим решающее значение приобретают дорожно-строительные материалы, которые в процессе их производства, эксплуатации и последующей регенерации позволят продлить жизненный цикл и связанные с ним межремонтные сроки. Обеспечить это возможно только при условии внедрения в практику строительства новейших достижений науки и техники, рационального использования новых прочных и недорогих местных материалов, а также расширения сырьевой базы дорожного строительства за счет использования дешевых отходов промышленности. Здесь сталеплавильные шлаки представляют собой ценное и доступное для дорожников сырье для производства широкого ряда строительных материалов и изделий, являющихся более дешевыми и прочными, чем полученные из природного сырья.

Цель исследования – определение показателей строительно-технических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтобетона на сталеплавильных шлаках, характеризующих повышенную эксплуатационную надежность дорожных покрытий, путем моделирования негативного воздействия на материал внешних факторов. В качестве определяющих приняты показатели водостойкости и набухания шлакоасфальтобетона при его длительном насыщении водой.

Материалы и методы

В исследовании на ряду с традиционными заполнителями асфальтобетонной смеси (щебень, песок, минеральный порошок) были использованы сталеплавильные шлаки Новокузнецкого металлургического комбината (Кемеровская область):

• –    мартеновский шлак, соответствующий по зерновому составу шлаковому щебню фр. 5–20 и фр. 20–40 мм;

• –    конвертерный шлак, соответствующий шлаковому песку фр. 0–5 мм;

  – шлак-печь ковш.

Рассматриваемые сталеплавильные шлаки не подвержены распаду, обладают устойчивой структурой (С1); относятся к негорючим веществам по ГОСТ 30244-94¹ и по степени воздействия на организм человека к 4-му классу токсичности (малоопасные) по ГОСТ 12.1.00794²; по величине значений суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов А эфф соответствуют гигиеническим нормативам (класс материала – I) и могут применяться для строительства дорог и аэродромов без ограничений.

Известно, что шлакоасфальтобетонные смеси и шлакоасфальтобетон на сталеплавильных шлаках обладают повышенной прочностью, морозоустойчивостью, теплостойкостью (устойчивостью к колееобразованию) и трещиностойкостью [2–9]. Высокая поронепрерыв-ность заполнителей из сталеплавильного шлака может повысить водонепроницаемость в асфальтобетонных смесях, а адгезия с битумом может решить проблему проникания влаги в нижележащие слои дорожной одежды в связи с повреждением покрытия.

Проведенные ранее в лаборатории ФГБОУ ВО НГАСУ (Сибстрин) исследования шлака печь-ковш [10] Новокузнецкого металлургического комбината показали взаимосвязь повышенной водостойкости асфальтовяжущего вещества со структурными изменениями при длительном насыщении материала водой.

Для подтверждения гипотезы об изменении структурных связей в шлакоасфальтобе-тоне с коагуляционных на коагуляционно-кристаллические при длительном воздействии воды проведены испытания образцов размером 71,4±1,5 мм на длительную водостойкость и набухание при температуре 20±2 °С.

Таблица 1 Состав шлакоасфальтобетонной смеси

Наименование материала	Содержание в смеси, % (битум в 100 %)
Щебень шлаковый смеси фракций 5–20 мм (мартеновский шлак)	39,05
Песок шлаковый фракции 0–5 мм (конвертерный шлак)	42,86
Шлак печь-ковш	12,38
Битум нефтяной дорожный вязкий	5,71

Приготовление образцов шлакоасфальтобетонной смеси выполнено в соответствии с требованиями ГОСТ 12801–983 п. 6.1 (табл. 1). В качестве вяжущего был использован битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 70/100 по ГОСТ 33133–20144.

Выдерживание образцов в воде продолжалось на протяжении 28 сут. За эталонные были приняты показатели образцов плотной мелкозернистой асфальтобетонной смеси тип Б марки II следующего состава:

• –    щебень фр. 5–20 мм (диабаз) по ГОСТ 8267-93⁵ – 43,2%;

• –    песок из отсевов дробления фр. 0-5мм (диабаз) по ГОСТ 31424-2010⁶ – 48,8 %;

• –    минеральный порошок МП -1 по ГОСТ Р 52129-2003¹ – 3,8 %;

• –    битум БНД 70/100 по ГОСТ 33133–2014 – 4,2 %.

Подбор вышеуказанных составов осуществлялся с учетом обеспечения максимальной плотности и минимальной пористости минеральной части по предельным кривым ГОСТ 912820132.

Результаты и обсуждение

Результаты определения показателей физико-механических свойств сведены в диаграммы, (рис. 1-4). Характер изменения предела прочности при сжатии шлакоасфальтобетона при температуре 20 °С от продолжительности насыщения водой можно представить в виде следующей полиномиальной зависимости (1):

y = 0,0683x³ – 0,465x² + 0,6067x + 3,24, где x≥1 ,                           (1)

где x – это продолжительность насыщения водой, сут, у – предел прочности при сжатии шла-коасфальтобетона при температуре 20 ^°С.

Для длительной водостойкости такая зависимость имеет вид:

y = 0,0183x³ – 0,125x² + 0,1567x + 0,95, где x≥1 ,                    (2)

где x – это продолжительность насыщения водой, сут, у – длительная водостойкость шлакоас-

Продолжительность насыщения водой, сут.

Рисунок 1 – Зависимость предела прочности при сжатии шлакоасфальтобетона, при температуре 20 °С, от продолжительности насыщения водой

Набухание, %                                         Коэффициент водостойкости, д.е.

Продолжительность насыщения водой, сут

^™ Асфальтобетонная смесь на сталеплавильном шлаке

^™ Горячая плотная мелкозернистая асфальтобетонная смесь тип Б марка II по ГОСТ 9128-2013

—*— Требования ГОСТ 9128-2013 при длительном насыщении

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента водостойкости шлакоасфальтобетона от продолжительности насыщения водой

Продолжительность насыщения водой, сут

Рисунок 3 – Зависимость набухания шлакоасфальтобетона от продолжительности насыщения водой

^™ Асфальтобетонная смесь на сталеплавильном шлаке

(p=2,41 г/см3)

^™ Горячая плотная мелкозернистая асфальтобетонная смесь тип Б марка II по ГОСТ 9128-2013 (p=2,44 г/см3)

—*— Требования ГОСТ 9128-2013

(нижняя граница)

Продолжительность наыщения водой, сут

Рисунок 4 – Зависимость водонасыщения шлакоасфальтобетона от продолжительности насыщения водой

Анализируя данные математические модели, можно сделать следующий вывод. По мере увеличения продолжительности насыщения шлакоасфальтобетона водой в первые 14– 28 сут происходит временное уменьшение предела прочности при сжатии при температуре 20 °С и связанного с ним коэффициента водостойкости (K вод =R вод20 /R 20 ). Данное обстоятельство может быть связанно с постепенным заполнением водой внешних и внутренних пор шла-коасфальтобетона, и связанным с этим частичным отслоением битумных пленок с поверхности крупного и мелкого заполнителя. Здесь следует отметить, что вышеуказанное падение прочности происходит в пределах, регламентируемых ГОСТ 9128-2013, значений для длительной водостойкости. Затем по мере «включения» в работу белого шлака печь-ковш, обладающего активными свойствами медленнотвердеющего вяжущего, протеканием реакции гидратации с водой (химическое связывание воды), происходит постепенное нарастание показателей физико-механических свойств, о чем также свидетельствует падение на данном временном промежутке показателей набухания и «затухание» дальнейшего насыщения образцов шлакоасфальтобетона водой. Следует отметить, что, несмотря на более высокое содержание фракции <0,071 мм (шлак печь-ковш), шлакоасфальтобетон менее подвержен набуханию, чем асфальтобетон на традиционном заполнителе.

Такое изменение показателей строительно-технических свойств во времени свидетельствует о замене отслоившихся битумных пленок кристаллизационными связями, и образованием в шлакоасфальтобетоне коагуляционно-кристаллизационной структуры.

Визуальным подтверждением вышесказанного могут служить результаты выжигания битума с образцов, насыщаемых в течение 21 сут водой, в муфельной печи при 540±10 °С в течение не менее 45 мин. Образцы шлакоасфальтобетона (Б) сохранили свою форму и размеры (рис. 5). Образцы асфальтобетона (А) превратились в рыхлую массу минерального заполнителя.

Рисунок 5 – Образцы асфальтобетона после выжигания вяжущего в муфельной печи (через 21 сут после насыщения водой)

на традиционных заполнителях (А) и сталеплавильном шлаке (Б)

Заключение

Проведенные исследования показали, что шлакоасфальтобетон обладает более высокой эксплуатационной надежностью по сравнению с материалом на традиционном заполнителе. При длительном водонасыщении происходит рост показателей строительно-технических свойств, связанных с изменением структурных связей внутри шлакоасфальтобетона. Данное обстоятельство способствует повышению качества асфальтобетонных смесей и дорожных покрытий с использованием сталеплавильных шлаков и позволяет эффективно их применять на участках городских дорог и улиц с необеспеченным поверхностным водоотводом.