Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
, Белгородская область, Россия
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.03.01 Строительство
ББК 383 Строительные материалы и изделия
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
В статье приведены результаты исследований по влиянию стабилизирующих добавок из отходов промышленности на изменение физико-механических свойств асфальтобетона в результате воздействия погодно-климатических факторов. В качестве исходных компонентов использованы 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 битумная эмульсия. В качестве критерия оценки влияния погодно-климатических факторов на физико-механические свойства ЩМА использовали коэффициент деградации их значений. 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, что связано со старением вяжущего и отслоением битумной плёнки от поверхности минеральных материалов и компонентов стабилизирующей добавки. Показано, что в результате введения минеральных наполнителей в состав стабилизирующих добавок повышается их битумоудерживающая способность, что свидетельствует об увеличении структурирующего эффекта стабилизатора и способствует замедлению старения. Наибольшую эффективность показала стабилизирующая добавка, содержащая свежеизмельченные отходы ММС, что объясняется их высокой адсорбционной способностью по отношению к органическому вяжущему. Установлено, что ЩМА с использованием разработанной стабилизирующей добавки подвергается значительно меньшей деградации в результате воздействия погодно-климатических факторов, чем асфальтобетон на традиционном стабилизаторе Viatop.
Асфальтобетон, щебеночно-мастичный асфальтобетон, стабилизирующие добавки, старение, погодно-климатические факторы
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.
1. Бондарев Б.А., Прозорова Л.А., Бутузов Г.М. Прогнозирование долговечности асфальтобетонных покрытий городских автомобильных дорог на основе щебёночно-мастичного асфальтобетона // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 30(49). С. 328–335.
2. Иливанов В.Ю., Салихов М.Г. Исследование долговечности модифицированного щебёночно-мастичного асфальтобетона при действии агрессивной среды // Вестник поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2013. № 2(18). С. 38–45.
3. Салихов М.Г., Иливанов В.Ю., Малянова Л.И. Изучение температурного старения модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона с отходами дробления известняков // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. 2017. Т.1. С. 216–220.
4. Дормидонтова Т.В., Лосев Д.А., Андреев Ф.С. Преимущества использования щебеночно-мастичного асфальтобетона при капитальном ремонте автомобильных дорог // Тенденции развития науки и образования. 2021. № 74-3. С. 47–50.
5. Ульмгрен Н., Дымов С. Зарубежный опыт применения щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (на примере шведского концерна NCC) // Материалы и конструкции. Дорожная техника. Санкт-Петербург: издательский дом «Славутич». 2003. С. 22–31.
6. Тарановская Е.А., Гончаров В.О., Туркова Н.Ю. и др. Устройство нежёстких дорожных одежд с применением щебёночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) // Тенденции развития науки и образования. 2017. № 23-3. С. 31–33.
7. Оев А.М., Оев С.А. Щебёночно-мастичный асфальтобетон – эффективный материал для дорожных покрытий // Вестник Таджикского технического университета. 2014. № 1(25). С. 98–100.
8. Бойко С.А., Калгин Ю.И., Строкин А.С. Разработка щебёночно-мастичных асфальтобетонных смесей с улучшенной удобоукладываемостью для устройства и ремонта дорожных покрытий // Научный журнал строительства и архитектуры. 2017. № 1 (45). С. 93–99.
9. Иноземцев С.С. Королёв Е.В. Эксплуатационные свойства наномодифицированных щебёночно-мастичных асфальтобетонов // Вестник МГСУ. 2015. № 3. С. 29–39.
10. Айзенштадт А.М., Тутыгин А.С., Шинкарук А.А., Бабаева В.А. Сравнение физико-механических характеристик щебеночно-мастичных асфальтобетонов с применением стабилизирующих добавок // Электронный сборник докладов Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию БГТУ им. В.Г. Шухова. Наукоемкие технологии и инновации. 2019. С. 4–8.
11. Ядыкина, В.В., Гридчин А.М., Тоболенко С.С. Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона из отходов промышленности // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 64–65.
12. Смирнов Д.С., Ягунд Э.М., Броднева В.Е. Оценка воздействия целлюлозных примесей на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. №4 (54). С. 80–87.
13. Trautvain A.I., Yadykina V.V., Tobolenko S.S. Study of the Influence of Thin-Dispersed Powders on the Structuring Ability of Stabilizing Additives // Material Science Forum. 2020. № 974. Pp. 37–42.
14. Вачиев С.Е. Щебеночно-мастичный асфальтобетон с применением стабилизирующей добавки "Хризопро" // Научному прогрессу – творчество молодых. 2019. №4. С. 90–92.
15. Борисенко Ю.Г., Казарян С.О. Особенности напряженно-деформированного состояния покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона, модифицированных керамзитовым порошком // Научный журнал строительства и архитектуры. 2019. №3 (55). С. 36–43.
16. Минь Дат Л.Ч., Балабанов В.Б., Проценко М.Ю. Применение гидролизного лигнина в качестве стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2019. Т.9. №2 (29). С. 334–341.
17. Соломенцев А.Б., Баранов И.А. Оценка битумоудерживающей способности стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона в асфальтовяжущем // Строительство и реконструкция. Орел: Госуниверситет УНПК. 2010. №4(30). С. 53–58.
18. Соколов, Б.Ф., Маслов С.М. Моделирование эксплуатационно-климатических воздействий на асфальтобетон. Воронеж: Изд-во ВГТУ. 1987. 104 с.
19. Траутваин А.И., Ядыкина В.В., Гридчин А.М. Повышение реакционной способности наполнителей в результате помола // Строительные материалы. 2010. №12. С. 82–85.
20. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия. 1990. 256 c.
21. Баженов Ю.М., Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Системный анализ в строительном материаловедении: монография. Москва: МГСУ. 2012. 432 с.
