Belgorod, Russian Federation
from 01.01.2016 to 01.01.2019
Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
One of the main factors is the structure of asphalt concrete. The most important structural component in asphalt concrete is mineral powder, the quality of which depends on the technical and operational characteristics of the road surface. Different methods of processing mineral materials are used to improve the performance of asphalt concrete in Russia and abroad. In most cases, mechanical activation with organic substances is used during the grinding process. The article presents the results of research on the effect of treatment of mineral powder with the preparation GF-1 on its characteristics and on changes in the physical and mechanical properties of asphalt concrete, as well as on indicators for long-term water saturation. It is shown that as a result of modification, the mineral powder becomes hydrophobic, which has a positive effect on the physical and mechanical characteristics of asphalt concrete with its use. It is found that hydrophobization of mineral powder significantly reduces water saturation and swelling; increases water resistance during long-term water saturation (up to 90 days) of asphalt concrete samples. As a result of hydrophobization, the temperature sensitivity of asphalt concrete increases significantly. Therefore, the composite will work reliably in a wider temperature range.
mineral powder, GF-1 preparation, hydrophobization of mineral powder, asphalt concrete, physical and mechanical characteristics, long-term water resistance
Введение. Условия движения современного автомобильного транспорта выдвигают задачу повышения качества и долговечности автомобильных дорог. Одной из основных причин преждевременного разрушения дорожного покрытия является несоответствующее качество применяемых асфальтобетонных смесей [1–2].
Неотъемлемой составной частью асфальтобетонных смесей является тонкодисперсный минеральный порошок, который представляет собой продукт тонкого измельчения известняков и доломитов, металлургических шлаков, другого техногенного сырья. На его долю приходится до 90–95 % суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетона. Минеральный порошок, являясь активным структурирующим компонентом асфальтобетона, во многом предопределяет его эксплуатационные характеристики и срок службы всего дорожного покрытия [3–5].
Одним из способов улучшения физико-механических свойств асфальтобетона является применение высокачественных минеральных порошков. Для улучшения эксплуатационных свойств асфальтобетона в России и за рубежом используются различные способы обработки минеральных материалов, в том числе и минеральных порошков [3–9]. В большинстве случаев для увеличения структурирующего эффекта минерального порошка применяют физико-механическую обработку органическими веществами в процессе помола [6–9]. В нормативной, да и научной литературе этот процесс называют активацией, а сами порошки активированными. В соответствии с ГОСТ-52129-2003 [3] активированные минеральные порошки должны быть гидрофобными. После обработки наполнители защищены от доступа влаги, и поэтому их гидрофобные свойства мало изменяются с течением времени. Благодаря изменению свойств поверхности зерен, гидрофобизированные минеральные порошки лучше смачиваются битумом, не впитывают влагу, не слеживаются при хранении и транспортировке, обладают пониженной пористостью.
Многочисленными исследованиями подтверждено [10–17], что использование гидрофобизированных минеральных материалов в различных композитах на органических и минеральных вяжущих улучшает их структуру, свойства, технологические и эксплуатационные свойства.
Целью настоящей работы явилось изучение влияния гидрофобизации минерального порошка из известняка на изменение физико-механических характеристик асфальтобетона, его длительную водостойкость, водонасыщение и набухание при длительном водонасыщении.
Методология. В качестве минерального порошка использовали известняковый порошок изготовителя ООО «Дробильно-сортировочный завод» Калужской области. В качестве гидрофобизатора использовали Препарат-ГФ производства ООО «Селена» [18]. Для приготовления гидрофобизированного наполнителя известняковый минеральный порошок предварительно высушивали в сушильном барабане, затем в горячий порошок вводили гидрофобизатор и тщательно перемешивали.
Гидрофобность минерального порошка определяли по ГОСТ 32704-2014 [19] методом свободного флотирования и по изменению влагопоглощения.
Стеклянные стаканы заполняли дистиллированной водой на 50 мм ниже края. Около 2 г порошка ссыпали со шпателя на поверхность воды легкими постукиваниями шпателя по краю стакана. Стаканы с водой и порошком оставляли в покое на 24 ч. Порошок считается гидрофобным, если за 24 часа он не осядет на дно и не будет наблюдаться видимого смачивания его водой.
Суть метода определения влагопоглощения заключалась в том, что пробы гидрофобизированного и контрольного образцов минерального порошка взвешивали в бюксах на аналитических весах и помещали в эксикатор, заполненный дистиллированной водой. Взвешивание осуществляли каждые сутки до полного насыщения и рассчитывали влагопоглощение. Эксперимент проводили в течение 14 суток.
Для определения физико-механически характеристик асфальтобетона были изготовлены и испытаны по стандартным методикам согласно ГОСТ 12801-98 образцы из асфальтобетонной смеси непрерывного гранулометрического состава, подобранного в соответствии с
ГОСТ 9128-2013. Помимо основных характеристик определяли водостойкость, водонасыщение и набухание после насыщения водой в течение
15, 30, 60, и 90 суток.
Основная часть. Научно-производственная компания ООО «Селена» выпускает гидрофобизатор для производства гидрофобных марок минерального порошка, под торговой маркой Препарат ГФ-1. Рекомендуемая дозировка от 0,13 до 0,6 % от массы минерального порошка.
На рис. 1 представлены фотографии контрольного известнякового минерального порошка, а также обработанного гидрофобизатором в количестве 0,4 %, которое, в соответствии с предыдущими исследованиями [20], является рациональным.
Рис. 1. Гидрофобность известнякого минерального порошка а) контрольной образец; б) после гидрофобизации
Из представленного рисунка видно, что известняковый минеральный порошок, обработанный Препаратом ГФ-1, становится полностью гидрофобными, то есть он не смачивается водой и плавает на поверхности, в отличии контрольного, необработанного образца, частички которого полностью осели на дно.
В работе [20] исследовано влияние Препарата ГФ-1 на свойства минерального порошка. Установлено, что модифицирование наполнителя уменьшает его влагопоглощение, причем с увеличением концентрации гидрофобизатора эффективность обработки возрастает.
Влагопоглощение необработанного известнякового минерального порошка через 14 суток составило 2,5 %, тогда как обработанного Препаратом – ГФ, при его содержании в количестве равном 0,4 и 0,6 %, 1,6 и 1,55 % соответственно. Таким образом, влагопоглощение этих образцов снизилось на 36 и 38 % соответственно.
Полученные результаты по гидрофобности и влагопоглощению минеральных порошков, обработанных Препаратом ГФ-1, дают основание предполагать, что их использование будет способствовать повышению прочности в зоне контакта «минеральный наполнитель – битум», характеризоваться комплексом улучшенных физико-механических и деформационных свойств, а также эффективно противостоять агрессивным воздействиям атмосферных осадков и грунтовых вод.
Изучение влияния Препарата ГФ-1 на свойства дорожного композита проводили на примере асфальтобетонной смеси типа Г марки III.
В состав асфальтобетонной смеси входили:
- отсев кварцитопесчаника Лебединского ГОКа фр. 0-5 мм – 92 %
- минеральный порошок из известняка – 8 %
- битум БНД 60/90 – 6,50 % (сверх минеральной части)
Ранее было установлено, что оптимальное количество битума (сверх минеральной части) для состава с гидрофобизированным минеральным порошком на 0,6 % меньше, чем для состава с исходным минеральным порошком. Поэтому при использовании гидрофобизированного минерального порошка количество битума в смеси было уменьшено до 5,94 %.
Результаты исследования асфальтобетона представлены в таблице.
Сравнение результатов испытаний образцов позволяет сделать вывод о том, что при использовании гидрофобизированного минерального порошка повышаются физико-механические характеристики асфальтобетона.
Прочность при 20 °С возросла на 14,4 %, при 50 °С – на 13,4 %, при 0 °С уменьшилась на
9,9 %, что должно положительно отразиться на эксплуатационных свойствах асфальтобетонного покрытия.
Большое влияние на качество асфальтобетона оказывает его поведение во влажных условиях. Результаты испытаний показали, что гидрофобизация минерального порошка исследуемым препаратом оказала значительное позитивное влияние на показатели водонасыщения, набухания, водостойкости. Так, водонасыщение образцов в результате гидрофобизации снизилось на 44,6 %, набухание – более чем в два раза, показатель водостойкости вырос с 0,91 до 0,96, водостойкость при длительном водонасыщении повысилась с 0,88 до 0,94.
В результате гидрофобизации более чем на 20 % увеличился показатель температурной чувствительности асфальтобетона (R50/R0) – c 0,3 до 0,37, следовательно, асфальтобетон будет надежно работать в более широком температурном интервале.
Свойства минерального порошка, обладающего наиболее развитой поверхностью по сравнению с другими минеральными компонентами асфальтобетонной смеси, оказывают большое влияние на коррозионную устойчивость асфальтобетона. При длительном увлажнении вода проникает в поры асфальтобетона, частично насыщает битум, проникает через дефектные места битумных слоев к поверхности минеральных зёрен. Это способствует отслаиванию битумных пленок, особенно при недостаточной адгезии их к поверхности минеральных частиц, что приводит к ослаблению структурных связей в асфальтобетоне и облегчает его разрушение под действием транспортных средств.
В связи с изложенным представляло интерес изучение устойчивости структуры асфальтобетона при длительном воздействии агрессивных факторов окружающей среды, а именно воздействии воды. Поскольку гидрофобизация минерального порошка направлена на увеличение его сцепления с битумом, следовало ожидать повышения устойчивости асфальтобетона к воздействию воды.
Исследовано изменение показателей водостойкости, водонасыщения и набухания в результате длительного насыщения водой до 90 суток (рис. 2–4).
Рис. 2. Влияние гидрофобизации на длительную водостойкость асфальтобетона
Рис. 3. Влияние гидрофобизации на водонасыщение асфальтобетона
Рис. 4. Влияние гидрофобизации на набухание асфальтобетона
Анализ представленных результатов (рис. 2–4) позволяет заключить, что в асфальтобетоне, приготовленном на основе известнякового минерального порошка, снижение водостойкости после 90 суток водонасыщения составило 11 %, тогда как обработка минерального порошка Препаратом-ГФ, позволяет снизить этот показатель лишь на 7,3 %. В наибольшей степени гидрофобизация минерального порошка оказала влияние на показатели водонасыщения и набухания. Так, водонасыщение образцов асфальтобетона на исходном минеральном порошке после 90 суток нахождения в воде составило 2,51 %, тогда как на гидрофобизированном наполнителе – 1,24, то есть практически в два раза меньше. Аналогично изменился показатель набухания.
Выводы. Использование Препарата ГФ-1 для обработки минерального порошка приводит к гидрофобизации его поверхности, что положительно отражается на физико-механических характеристиках асфальтобетона.
Образцы асфальтобетона с использованием гидрофобизированного минерального порошка характеризуются более высокими показателями водостойкости при длительном водонасыщении, что свидетельствует об увеличении адгезии на границе раздела фаз «вяжущее – минеральный наполнитель». На основании этого можно прогнозировать более длительные сроки службы асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог с использованием гидрофобизированного минерального порошка.
1. Gesenzwey L.B. Road asphalt concrete [Dorozhnyj asfal'tobeton]. M: Transport, 1985. 350 p. (rus)
2. Mironov V.A., Golubev A.I., Timofeev A.G. Improving the quality of asphalt concrete by regulating the properties of raw materials [Uluchshenie kachestva asfal'tobetona regulirovaniem svojstv syr'evyh materialov]. Building materials. 2007. No. 5. Pp. 26-27. (rus)
3. GOST 52129-2003 "Mineral Powder for asphalt concrete and organomineral mixtures. Technical conditions [Poroshok mineralnyi dlia asfaltobetonnykh i organomineralnykh smesei Tekhnicheskie usloviia]. 2003-06-27. No. 119. 33 p. (rus)
4. Gorelyshev N.V. Gezentsvey L.B. Asphalt concrete made of activated mineral materials [Asfal'tobeton iz aktivirovannyh mineral'nyh materialov]. M.: Stroyizdat, 1971. 256 p.(rus)
5. Borisenko O.A. Influence of dispersion and specific surface of mineral powder on formation of structure and physical and mechanical properties of asphalt concrete [Vliyanie dispersnosti i udel'noj poverhnosti mineral'nogo poroshka na formirovanie struktury i fiziko-mekhanicheskih svojstv asfal'tobetona] tr. Sevkavgtu. Series "natural Science" North Caucasus state technical University-Stavropol, 2004. Pp. 1-5. (rus)
6. Gezentsvey L.B. Asphalt concrete made of activated mineral materials [Asfal'tovyj beton iz aktivirovannyh mineral'nyh materialov]. M: Stroizdat, 1971. 255 p. (rus)
7. Kopylov V.E., Burenina O.N., Pavlova E.A. Activation of mineral powders as a way to improve the physical and mechanical characteristics of asphalt concretes [Aktivaciya mineral'nyh poroshkov, kak sposob uluchsheniya fiziko-mekhanicheskih harakteristik asfal'tovyh betonov] https://naukovedenie.ru/PDF/48TVN517.pdf. (rus)
8. Kovalev Y.N. Activation technology road composite materials (scientific and practical bases) [Aktivacionnye tekhnologii dorozhnyh kompozicionnyh materialov (nauchno-prakticheskie osnovy]. Mn.: Belarusian Encyclapedia, 2002. 334 p. (rus)
9. Trautwein A.I., Yadykina V.V., Gridchin A.M. Enhancement of the reactivity of the fillers as a result of grinding [Povyshenie reakcionnoj sposobnosti napolnitelej v rezul'tate pomola]. Materials. 2010. No. 12. Pp. 82-85. (rus)
10. Pershin M.N., Vladicin S.O. Activated mineral powder for asphalt mixtures. [Aktivirovannyj mineral'nyj poroshok dlya asfal'tobetonnyh smesej]. Patent RF, no 2112759; Appl. 08.01.1997; publ.27.10.1998. (rus)
11. Kuryanov V.V. Research of ways of activation of mineral powder of plant "Krastsvetmet [Issledovanie sposobov aktivacii mineral'nogo poroshka zavoda «Krascvetmet]. Sb.Materialov V11 Vseros. Nauchno-tekhn.konf.siudentov, aspirantov, i molodyh uchyonyh « Molodezh' i nauka». Krasnoyarsk: Sib. feder.un-t. 2011. Pp. 23-25.
12. Alekseenko V.V., Saltanova Y.V. The use of modified mineral powders in the production of hot asphalt concrete [Ispol'zovanie modificirovannyh mineral'nyh poroshkov pri proizvodstve goryachego asfal'tobetona]. Vestnik nauki i obrazovaniya Severo-Zapada Rossii. 2016. Vol.2. No. 2. Pp. 1-5. (rus)
13. Neurov G.P Activated mineral powder [Aktivirovannyj mineral'nyj poroshok]. Patent RF. no. 2112759, 1998. (rus)
14. Dunaev A.I., Kosorenkov R.Z. Kuneevsky V.V., Activated mineral powder for asphalt concrete mixtures [Aktivirovannyj mineral'nyj poroshok dlya asfal'tobetonnyh smesej]. Patent RF. 2160238, 2000. (rus)
15. Kalashnikov V.I., Khvastunov V.L., Nesterov V.Yu., Vasilik P.G. Organic hydrophobizers in mineral slag composite materials from rocks [Organicheskie gidrofobizatory v mineral'noshlakovyh kompozicionnyh materialah iz gornyh porod]. Building materials. 2005. No. 4. Pp. 26-29. (rus)
16. Kalashnikov V.I., Moroz M.N. Theoretical bases of wettability of mosaic hydrophobic-hydrophilic surfaces [Teoreticheskie osnovy smachivaemosti mozaichnyh gidrofobno-gidrofil'nyh poverhnostej]. Building materials. 2008. No. 1. Pp. 47-49. (rus)
17. Misnkov O.S., Belugin D.Yu. Development of a method of hydrophobic modification of building materials by organic additives on the basis of peat.[ Razrabotka metoda gidrofobnoj modifikacii stroitel'nyh materialov organicheskimi dobavkami na osnove torfa]. Peat and business. 2007. No. 1(7). Pp. 38-46. (rus)
18. Recommendations for use of the preparation GF (hydrophobizer) for mineral powders [Rekomendacii po primeneniyu preparata GF (gidrofobizator) dlya mineral'nyh poroshkov]. Innovacionnye dorozhnye materialy «OOO SELENA». Pp. 1-5. (rus)
19. GOST 32704-2014 Public roads. Mineral powder. Method for determining hydrophobicity [Dorogi avtomobilnye obshchego polzovaniia Poroshok mineralnyi Metod opredeleniia gidrofobnosti]. 2015-02-01. Pp. 1-6. (rus)
20. Kaidalova I.I., Kuznetsova E.V. Improving the Properties of mineral powder as a result of treatment with a hydrobosizer [Uluchsheniya svojstv mineral'nogo poroshka v rezul'tate obrabotki gidrofobizatorom] V sb.: Aktual'nye voprosy tekhnicheskih nauk i tekhniki: sb.nauch.trudov po itogam Mezhdunarod.nauch. prakt. konf. Belgorod : izd-vo BGTU, 2017. Pp. 11-13. (rus)
