Введение. Покрытия автомобильных дорог в процессе эксплуатации находятся под воздействием, главным образом, двух групп факторов – погодно-климатических и механических, обусловленных нагрузками от транспортных средств. В результате этого происходят необратимые изменения структуры и свойств асфальтобетона в слое покрытия, снижающие его долговечность. По данным [1–2] по степени разрушающего влияния на асфальтобетон на первом месте в общей группе воздействий стоят влажностный и температурный режимы работы материала. При воздействии влаги, высокой температуры и ультрафиолета, связи между минеральными зернами ослабевают, что ведет к уменьшению прочности [3], в результате чего на покрытии появляются сдвиговые деформации в виде волн и наплывов.
В настоящее время одним из основных материалов, обеспечивающих необходимую долговечность дорожного покрытия, является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) [4–8].
При эксплуатации климатические воздействия, особенно циклические изменения температуры, вызывают разуплотнение структуры асфальтобетона, в том числе и щебеночно-мастичного, обусловленное старением вяжущего и накоплением дефектов, что с течением времени приводит к деградации физико-механических свойств материала [9]. Старение органического вяжущего связано с термоокислительными процессами и сорбционными изменениями на поверхности минеральных материалов.
Одним из структурообразующих компонентов ЩМА являются стабилизирующие добавки, состав которых достаточно разнообразен [10-16]. Их составляющие, наряду с минеральным порошком, являются тонкодисперсными, поэтому следует ожидать, что состав стабилизирующих добавок будет оказывать существенное влияние на степень структурированности битума и на деградационные процессы, происходящие в композите.
В связи с этим, одним из способов прогнозирования срока службы асфальтобетонных покрытий, представляющих значительный интерес для ЩМА с использованием различных стабилизирующих добавок, является оценка влияния погодно-климатических факторов на свойства композита.
Целью настоящей работы явилось изучение влияния разработанных стабилизирующих добавок из отходов целлюлозно-бумажной промышленности на изменение физико-механических характеристик ЩМА в результате воздействия погодно-климатических факторов и оценка эффективности стабилизаторов для обеспечения долговечности покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона.
Материалы и методология. Для испытаний были использованы разработанные стабилизирующие добавки, включающие микропористые отходы целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБО) высокой плотности (гофрокартон), минеральные наполнители из известняка и отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС) в стабильном и активированном состоянии и битумную эмульсию. Составы стабилизирующих добавок представлены в таблице 1.
Таблица 1
Составы стабилизирующих добавок
|
№ состава |
Картон, % |
Минеральный порошок,% |
Битумная эмульсия, % |
||
|
Известняк |
Отходы ММС |
||||
|
в стабильном состоянии |
в активированном |
||||
|
1 |
75 |
5 |
– |
– |
20 |
|
2 |
75 |
– |
5 |
– |
20 |
|
3 |
75 |
– |
– |
5 |
20 |
Структурирующую способность стабилизирующих добавок оценивали по коэффициенту битумоудерживающей способности [17].
Влияние исследуемых стабилизирующих добавок на устойчивость асфальтобетона к воздействию погодно-климатических факторов проводили на образцах ЩМА-16 с использованием климатической камеры «Фойтрон», в которой моделировали воздействие ультрафиолетового и инфракрасного излучений, попеременного водонасыщения и высушивания, а также замораживания и оттаивания по методике, изложенной в работе [18]. Оценку влияния погодно-климатических факторов проводили по изменению предела прочности при сжатии при 20 и 50 ºС, прочности на растяжение при расколе при 0 °С. Испытания проводили в течение 1 и 3 условных лет эксплуатации покрытия.
В качестве критерия оценки влияния погодно-климатических факторов на физико-механические свойства ЩМА использовали коэффициент деградации их значений [9]:
(1)
где ΔR20 – изменение предела прочности при сжатии при температуре 20 °С; ΔR50 – изменение предела прочности при сжатии при температуре 50 °С; ΔRр – изменение предела прочности на растяжение при расколе при температуре
0 °С.
Основная часть. Граница раздела фаз «стабилизирующая добавка – вяжущее» в составе ЩМАС занимает значительное место и оказывает существенное влияние на процессы структурообразования, физико-механические и эксплуатационные характеристики асфальтобетона и дорожного покрытия.
Комплексное влияние микропористых ЦБО высокой плотности и различных наполнителей в составе стабилизирующей добавки на ее структурирующую способность оценивалось по коэффициенту битумоудерживающей способности (табл. 2).
Таблица 2
Битумоудерживающая способность исследуемых стабилизирующих добавок
в асфальтовяжущем
|
Показатель |
Viatop |
Гофрокартон без наполнителя |
Известняк + гофрокартон |
ММС в стабильном состоянии + гофрокартон |
ММС активированный + гофрокартон |
|
Коэффициент битумоудерживающей способности, Кбс |
1,148 |
1,037 |
1,111 |
1,074 |
1,222 |
Как и следовало ожидать, наличие тонкодисперсных наполнителей в составах стабилизирующих добавок из гофрокартона повышает их структурирующую (битумоудерживающую) способность. Так, увеличение Кбс стабилизатора при введении порошка из известняка составило 6,75 %, из отходов ММС в стабильном состоянии – 3,86 %. Наибольшую эффективность, даже по сравнению с Viatop, показала стабилизирующая добавка, содержащая свежеизмельченные отходы ММС, при использовании которой битумоудерживающая способность повысилась на 18,32 % по сравнению со стабилизатором без наполнителя. Это объясняется высокой адсорбционной способностью исследуемого механоактивированного порошка по отношению к органическому вяжущему [19]. Закономерно предположить, что это положительно отразится на физико-механических характеристиках и долговечности ЩМА. Результаты дальнейших исследований подтвердили это предположение.
Установлено, что после одного и трёх лет условного воздействия погодно-климатических факторов произошло увеличение прочности на растяжение при расколе и снижение предела прочности при сжатии при температурах 20 и
50 °С образцов всех составов ЩМА (таблицы 3-5). Это можно объяснить старением вяжущего в процессе эксплуатации, а также отслоением битумной плёнки от поверхности минеральных материалов и компонентов стабилизирующей добавки под воздействием погодно-климатических факторов.
Таблица 3
Изменение прочности при сжатии при 20 °С ЩМА-15 под влиянием погодно-климатических факторов
|
Название добавок |
R20, МПа |
R20, после 1 условного года, МПа |
Потеря прочности, % |
R20, после 3 лет моделирования, МПа |
Потеря прочности, % |
|
Viatop-66 |
3,7 |
3,1 |
16,2 |
2,5 |
32,4 |
|
№ 1 |
3,6 |
3,0 |
16,7 |
2,2 |
38,9 |
|
№ 2 |
3,5 |
2,8 |
20,0 |
2,0 |
42,9 |
|
№ 3 |
3,8 |
3,2 |
15,7 |
2,6 |
31,6 |
Результаты исследований изменения прочности при сжатии при 20 °С показали, что после одного условного года испытаний падение прочности составило от 15,7 до 20 %, а после 3 лет – от 31,6 до 42,9 %.
Потеря прочности при сжатии при 50 °С составила 16,1 – 23,3 и 25,9 – 43,3 % после одного и трех условных лет испытаний соответственно.
Таблица 4
Изменение прочности при сжатии при 50 °С ЩМА-15 под влиянием погодно-климатических факторов
|
Название добавок |
R50, МПа |
R50, после 1 условного года, МПа |
Потеря прочности, % |
R50, после 3 лет моделирования, МПа |
Потеря прочности, % |
|
Viatop-66 |
1,3 |
1,08 |
16,9 |
0,9 |
30,7 |
|
№ 1 |
1,24 |
1,02 |
17,7 |
0,8 |
35,4 |
|
№ 2 |
1,2 |
0,92 |
23,3 |
0,68 |
43,3 |
|
№ 3 |
1,43 |
1,20 |
16,1 |
1,06 |
25,9 |
Таблица 5
Изменение прочности на растяжение при расколе при 0 °С ЩМА-15 под влиянием
погодно-климатических факторов
|
Название добавок |
R0, МПа |
R0, после 1 условного года, МПа |
Изменение прочности, % |
R0, после 3 лет моделирования, МПа |
Изменение прочности, % |
|
Viatop-66 |
4,3 |
4,4 |
3,3 |
4,6 |
7,0 |
|
№ 1 |
4,4 |
4,6 |
4,5 |
4,7 |
6,8 |
|
№ 2 |
4,3 |
4,7 |
9,3 |
4,9 |
14,0 |
|
№ 3 |
4,5 |
4,6 |
2,2 |
4,8 |
6,6 |
Прочность при расколе претерпела значительно меньшие изменения.
Анализ результатов, представленных в таблицах 3–5, свидетельствует о том, что наибольшее отрицательное влияние погодно-климатические факторы оказали на ЩМА, в состав которого входила стабилизирующая добавка № 2, не содержащая минеральных наполнителей. Как и следовало ожидать, наименьшие изменения исследуемых показателей наблюдались при использовании в составе ЩМА стабилизатора, включающего волокна из гофрокартона и активированный порошок из отхода ММС. Это произошло из-за улучшения структурирования битума активной стабилизирующей добавкой, благодаря чему он полнее переводится в плёночное состояние, что согласно исследованиям [20], приводит к замедлению деградационных процессов в вяжущем.
Интегральная оценка изменения структуры ЩМА с разными стабилизирующими добавками через 1 и 3 года моделирования погодно–климатического воздействия, характеризуемая коэффициентом деградации [9, 21], приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Значения коэффициента деградации для ЩМА с разными стабилизирующими добавками через 1 и 3 года моделирования погодно-климатического воздействия
Наибольшее значение коэффициента деградации, а, следовательно, наименьшее изменение характеристик при воздействии погодно-климатических факторов, имеет ЩМА со стабилизирующей добавкой № 3 и Viatop. Таким образом, добавки с высоким структурирующим эффектом обеспечивают высокую долговечность композита, причем ЩМА с использованием стабилизирующей добавки, содержащей гофрокартон и активированные отходы ММС, подвергается значительно меньшей деградации, чем асфальтобетон на традиционном стабилизаторе Viatop.
Выводы. Введение тонкодисперсных наполнителей в состав стабилизирующих добавок из гофрокартона повышает их структурирующую (битумоудерживающую) способность. Наибольший структурирующий эффект показала стабилизирующая добавка, содержащая свежеизмельченные отходы ММС, что объясняется их высокой адсорбционной способностью по отношению к органическому вяжущему.
Установлено, что стабилизирующие добавки, обладающие высокой структурирующей способностью, замедляют процессы деградации при воздействии погодно-климатических факторов.
Результаты исследований свидетельствуют об эффективности разработанных стабилизирующих добавок из отходов целлюлозно-бумажной промышленности для щебеночно-мастичного асфальтобетона, особенно с использованием механоактивированных отходов ММС. В покрытии автомобильных дорог такой материал будет обладать высокой прочностью, водостойкостью, сдвигоустойчивостью при высоких летних температурах и трещиностойкостью зимой.
