Улучшение параметра укрывистости битумов при введении модифицирующих добавок природного происхождения

Автор: Грехов Павел Иванович, Заводов Сергей Вадимович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура @vestnik-susu-building

Рубрика: Строительные материалы и изделия

Статья в выпуске: 4 т.16, 2016 года.

Бесплатный доступ

Исследована возможность введения тонкоизмельчённой опоки в состав асфальтобетона в качестве минеральной добавки. Показаны результаты исследований влияния опоки на сцепление битума с минеральным материалом в асфальтобетонной смеси. Полученные результаты позволяют получить асфальтобетонную смесь с повышенным показателем сцепления битума с минеральным материалом. Приведена технология производства асфальтобетона с введением опоки в качестве минеральной добавки.

Опока, минеральная добавка, показатель сцепления, битум, асфальтобетонная смесь

Короткий адрес: https://sciup.org/147154464

IDR: 147154464 | DOI: 10.14529/build160406

Текст научной статьи Улучшение параметра укрывистости битумов при введении модифицирующих добавок природного происхождения

В настоящее время большинство дорог между субъектами РФ не может обеспечить необходимую пропускную способность и выдержать нагрузку от многотонного транспорта, ежедневно движущегося в больших объемах, в результате чего дорожные покрытия быстро приходят в негодность. Так как автомобильные перевозки составляют 4/5 от всего объема транспортировки грузов различными видами транспорта, разрушение дорог приводит к ряду проблем, которые требуют неотложного решения. В связи с этим необходимо постоянное совершенствование методов строительства автомобильных дорог и изменение состава асфальтобетонных смесей для улучшения физико-механических свойств дорожного покрытия.

Минеральный порошок, представляющий собой полидисперсный материал, является важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетона. На его долю приходится до 90–95 % суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетона. Основное назначение минерального порошка как наполнителя битума состоит в том, чтобы переводить объемный битум в пленочное состояние. В таком состоянии повышается вязкость и прочность битума. Вместе с битумом минеральный порошок образует структурированную дисперсную систему, которая и выполняет роль вяжущего материала в асфальтобетоне. В качестве нового минерального компонента, вводимого в состав асфальтобетона, возможно применение тонкоизмельчённой опоки [2, 3, 8]. В Далматовском районе Курганской области на карьере по добыче кварцевого порфира опока является отходом производства (вскрышей). Ее запасы только в отвалах составляют порядка 2 млн м3, что достаточно для использования ее в качестве минерального заполнителя в промышленных объемах.

При исследовании и построении математической модели в качестве варьируемых факторов были приняты:

– X 1 – битум в интервале 5...7 %;
– Х 2 – минеральный порошок (опока) в интервале 5...7 % (в % от общей массы);
– Х 3 – песок (минеральный компонент) в интервале 86...90 %.

Принята модель исследования по методу «черного ящика», по схеме «состав – свойство». В табл. 1 представлено процентное содержание факторных компонентов, а также кодировка положения составов на факторном пространстве [1].

Таблица 1

Матрица планирования эксперимента

№ состава	Факторы
	X 1		X 2		X 3
	код	%	код	%	код	%
1	1	7	0	5	0	88
2	2/3	6,32	0	5	1/3	88,6
3	1/3	5,66	0	5	2/3	89,34
4	2/3	6,32	1/3	5,66	0	88
5	1/3	5,66	2/3	6,32	0	88
6	0	5	1	7	0	88
7	0	5	2/3	6,32	1/3	88,68
8	0	5	0	5	1	90
9	0	5	1/3	5,66	2/3	89,34
10	1/3	5,66	1/3	5,66	1/3	88,68

Показатель сцепления определяли по методу красителей. В качестве красителя использовали метиленовый голубой, обладающий способностью избирательно адсорбироваться на поверхности минерального материала, не покрытого пленкой вяжущего, не адсорбируясь на самом вяжущем [4– 7]. Количественная оценка проведена на органоминеральной смеси после полного цикла испытаний в соответствии с ГОСТ 11508-74.

По предварительно полученной калибровочной кривой зависимости оптической плотности ( D ) от концентрации ( C ) метиленового голубого установили концентрацию (мг/мл) красителя до адсорбции ( С 1 ) и после нее ( С 2 ) (рис. 1).

Величину адсорбции красителя q _n (мг/г) вычисляют по формуле:

( C 1 - C 2 V G

где V – объем раствора красителя, мл; G – навеска органоминерального материала, г.

За величину адсорбции принимают среднее арифметическое результатов испытания трех образцов; расхождение между ними не должно превышать 5 %.

По величине избирательной адсорбции вычисляют относительную площадь поверхности минерального материала S ₀ (%), не покрытую вяжущим:

S 0 = q^ 100, (2)

q ₀

где q ₀ – величина адсорбции на исходном минеральном материале, мг/г.

Площадь поверхности минерального материала, покрытую вяжущим, S_n (табл. 2) рассчитывают по формуле:

S n = 100 - S ₀. (3)

После обработки результатов были получены поверхности отклика (рис. 2, 3) и уравнение регрессии зависимости показателя укрывистости (Y) от факторов ( Х 1 – битум, Х 2 – опока, Х 3 – песок):

Y = 79,2662 ■ Х 1 + 70,3662 ■ Х ₂ + 73,9376 ■ Х ₃ + + 19,5472 ■ Х 1 ■ Х ₂ + 4,94143 ■ Х 1 ■ Х ₃ + + 5,25643 ■ Х ₂ ■ Х ₃ + 7,87717 ■ Х 1 ■ Х ₂ ■ Х 3 . (4)

В результате проведенных исследований в составах № 1–5, 10 покрытие зерен минеральных частиц битумом улучшилось по сравнению с чистым битумом, это говорит о положительном влиянии опоки на обволакивание минеральных частиц битумом. Наилучшие показатели наблюдаются в составе № 4, в котором укрывистость составила 82,18 %, что почти на 7 % больше, чем у чистого битума, при соотношении компонентов:

– битум 6,32 % (мас.);
– опока 5,66 %;
– песок 88 %.

Результаты испытаний по определению укрывистости

Таблица 2

№ состава	№ испытания	D , диоп.	C 2 , %	q n , мг/г	q _0, мг/г	S 0 ,%	S n ,%	S n ср ,%
1	2	3	4	5	6	7	8	9
	1	0,34	0,009197	0,009497		17,82	82,18
1	2	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28	78,91
	3	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
	1	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
2	2	0,335	0,009085	0,010765		20,2	77,28	78,12
	3	0,33	0,008971	0,012106		22,72	79,8
	1	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
3	2	0,33	0,008971	0,012106	0,053282	22,72	77,28	77,28
	3	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
	1	0,34	0,009197	0,009497		17,82	82,18
4	2	0,34	0,009197	0,009497		17,82	82,18	82,18
	3	0,34	0,009197	0,009497		17,82	82,18
	1	0,335	0,009085	0,010765		20,2	79,8
5	2	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28	76,14
	3	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34

Грехов П.И., Заводов С.В.

Улучшение параметра укрывистости битумов при введении модифицирующих добавок природного происхождения

Окончание табл. 2

1	2	3	4	5	6	7	8	9
	1	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34
6	2	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34	71,34
	3	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34
	1	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34
7	2	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34	71,34
	3	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34
	1	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
8	2	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34	73,32
	3	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34
	1	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
9	2	0,33	0,008971	0,012106	0,053282	22,72	77,28	75,3
	3	0,32	0,008702	0,015271	0,053282	28,66	71,34
	1	0,335	0,009085	0,010765		20,2	79,8
10	2	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28	78,12
	3	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
	1	0,19	0,005381	0,054341
Песок	2	0,20	0,005651	0,051165		100	0	0
	3	0,19	0,005381	0,054341
Контрольный	1	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28
	2	0,33	0,008971	0,012106		22,72	77,28	75,3
	3	0,32	0,008702	0,015271		28,66	71,34

Укрывистость

Битум=1,0

Битум=0,0

70,0-71,1077

71,1077-72,2154

■ 72,2154-73,3231

73,3231-74,4308

74,4308-75,5385

75,5385-76,6462

■ 76,6462-77,7538

77,7538-78,8615

78,8615-79,9692

Опока=1,0

Песок=1,0

Рис. 2. Контуры предполагаемой поверхности отклика укрывистости

Битум=1,0

Опока=1,0

Укрывистость 70,0-71,2 71,2-72,4 ■ 72,4-73,6 73,6-74,8 74,8-76,0 76,0-77,2 ■ 77,2-78,4 78,4-79,6

Песок=1,0

Рис. 3. Расчетная поверхность отклика укрывистости

Рис. 4. Технологическая схема производства асфальтобетона с применением минерального порошка из опоки: 1 – бункеры – преддозаторы; 2 – сборный конвейер; 3 – конвейер сушильного барабана; 4 – сушильный барабан; 5 – «горячий» элеватор; 6 – смесительная башня; 7 – накопительный бункер; 8 – элеватор минпорошка; 9 – силос минпорошка; 11 – пылеуловитель и силос пыли; 12 – пылесос-вентилятор; 13 – битумный бак – цистерна; 14 – нагреватель масла; 15 – кабина управления; 16 – мельница тонкого помола; 17 – сушильный барабан; 18 – отвалы опоки; – участок подготовки минерального

порошка (опоки)

Результатом введения минерального порошка из опоки является снижение потенциала битумноминеральной смеси, и возникновению двойного электрического слоя на поверхности минеральных частиц, что приводит к снижению сил взаимного отталкивания битума и минеральных частиц. На поверхности частицы в результате физико-химического взаимодействия образуются адсорбционно-сольватные слои связанного битума. Следовательно, при адсорбционном взаимодействии, схватывающем граничный слой битума, изменяется структура битума, что позволяет увеличить укрывистость.

Наиболее благоприятным фактором, влияющим на укрывистость минеральных зерен, является сочетание битума и минерального порошка (опоки). Так как коэффициент регрессии при комбинации Х 1 Х 2 составляет 19,5472, что значительно выше, чем при других комбинациях.

Технология производства асфальтобетона с введением опоки в качестве минерального порошка не отличается от традиционной схемы изготовления. Главным отличием является дополнительное оборудование, с помощью которого производится сушка и помол опоки до нужной фракции (рис. 4). Высушенная и помолотая опока хранится в силосах для минерального порошка. С силосов минеральный порошок подается с помощью доза- торов в смеситель, при этом обеспечивается заданное содержание порошка в смеси. Далее все оставшиеся материалы подаются в смеситель и перемешиваются. Затем готовая продукция выгружается в автомобили-самосвалы и отправляется к месту укладки [9].

Список литературы Улучшение параметра укрывистости битумов при введении модифицирующих добавок природного происхождения

Абомелик, Т.П. Методология планирования эксперимента/Т.П. Абомелик. -УлГТУ, 2011. -38 с.
Вакула, В.Л. Физическая химия адгезии полимеров/В.Л. Вакула, Л.М. Притыкин. -М.: Химия, 1984. -222 с.
Грехов, П.И. Влияние активных минеральных добавок на структуру и физико-механические характеристики известково-кремнезёмистых изделий: дис. … канд. техн. наук/П.И. Грехов. -Челябинск, 1997. -124 с.
ГОСТ 22245-90*. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 1996.
ГОСТ 11508-74. Битумы нефтяные. Методы определения сцепления битума с мрамором и песком. -М.: Изд-во стандартов, 1975. -5 с.
Золотарев, В.А. Особенности смачивания битумом поверхности каменных материалов В.А. Золотарев//Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1991. -№ 8. -С. 68-70.
Колбановская, А.С. Дорожные битумы/А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. -М.: Транспорт, 1973. -264 с.
Кучма, М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве/М.И. Кучма. -М.: Транспорт, 1980. -191 с.
Асфальтобетонные заводы. -http://www.almcor.ru (27.06.2016)

Статья научная