ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

УДК 691.16

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

И. . Лохманков, Е.Г. Биндюкова, М.А. Богданович, В.А. Дудорга, студенты

Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», Гомель, Республика Беларусь

СибАДИАннотация. Минеральный компонент асфальтобетона (щебень, песок, отсев дробления) в обычных условиях находится в пассивном состоянии, т.е. образует с вяжущим связи в основном физического характера. Разл чными методами можно воздействовать как на поверхность минерального заполн теля, так и на объем вяжущего с целью повышения активности компонентов на гран це раздела фаз. Однако в большинстве случаев внедрение такого рода технологическ х операц й требует значительного изменения технологии асфальтобетона и разработки соответствующ х промышленных модулей.

Ключевые слова: асфальто етон, структура материала, физико-химическая механика, эффект Реб ндера

PERSPECTIVE TECHNOLOGIES OF PRODUCTION OF ROAD CONSTRUCTION

MATERIALS

I.S. Lohmankov, E.G. Bindyukova, M.A. Bogdanovich, V.A. Dudorga, students

Educational Establishment “Belarusian State University of Transport”,

Gomel, Republic of Belarus

Annotation. The mineral component of asphalt concrete (crushed stone, sand, crushing sifting) under normal conditions is in a passive state, that is, it forms with the binder the bonds of a mainly physical nature. Various methods can affect both the surface of the mineral aggregate and the volume of the binder in order to increase the activity of the components at the interface. However, in most cases, the introduction of such technological operations requires a significant change in the technology of asphalt concrete and the development of appropriate industrial modules.

Keywords: asphalt concrete, material structure, physical and chemical mechanics, Rebinder effect

Введение

Основным дорожно-строительным материалом для слоев покрытий автомобильных дорог I-V технических категорий в Республике Беларусь являются асфальтобетонные смеси. Цементобетон и технология цементобетона с 2014 года вновь нашли свое применение в дорожной отрасли (строительство второй кольцевой автодороги вокруг г. Минска и др. проекты), однако в общем объеме работ по строительству, ремонту и реконструкции автомобильных дорог доля использования цементобетона в качестве материала покрытия по-прежнему довольна низка, также не все дорожностроительные тресты на сегодняшний день располагают полным комплектом машин и оборудования, а также квалифицированными кадрами для такого вида работ. Асфальтобетон хоть и имеет некоторые недостатки по сравнению с цементобетоном (относительно невысокая прочность, пластичность при высоких летних температурах, старение вяжущего и т.д.), но все же некоторые особенности климата, функционирования отрасли сырьевой базы являются определяющими факторами при выборе материала для слоев дорожных покрытий в пользу асфальтобетона. Номенклатура асфальтобетонных смесей для верхних и нижних слоев покрытий в Беларуси включает традиционные для всего постсоветского пространства смеси типов А, Б, В, Г и Д, пористые и высокопористые асфальтобетоны, а также асфальтобетон типа С (щебеночно-мастичный). Минеральный каменный материал (щебень, отсев дробления) добывается открытым способом в карьерах, расположенных рядом с населёнными пунктами Глушкевичи и Микашевичи, а минеральный порошок и битум производится из привозного сырья. Стабилизирующая целлюлозная добавка для щебеночно-мастичного асфальтобетона не производится в Беларуси. Все перечисленные факторы приводят к высоким затратам (до 70 % стоимости устройства всей дорожной одежды) на устройство дорожных покрытий и зависимости итоговой стоимости от процесса ценообразования на внешнем рынке. С другой стороны, ученые-дорожники, а также ученые и исследователи из других областей науки не одно десятилетие посвятили работам по повышению физико-механических свойств

236

Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса

асфальтобетона с изысканием путей снижения ресурсоемкости производства, которые могут быть достигнуты различными способами.

Условия работы асфальтобетона в покрытии

Существующая методика [1] проектирования нежестких дорожных одежд (с убывающей по глубине жесткостью) хоть и позволяет создать наиболее экономичную на этапе строительства конструкцию, но в некоторой степени игнорирует распределение напряжений в пакете асфальтобетонных слоев.

ложнонапряженное состояние асфальтобетонного покрытия обусловлено воздействием динамической транспортной нагрузки, изменением температуры окружающей среды, режимами увлажнения дорожной одежды в целом, старением асфальтобетона и т.д. Максимальные сжимающие напряжения от воздействия транспортной нагрузки наблюдаются на поверхности пакета СибАДИасфальтобетонных слоев, максимальные сдвигающие – на глубине около 4 см, максимальные растягивающие – по подошве пакета [2]. Характер усталостного разрушения слоя асфальтобетона зависит от мног х факторов, в том числе и от глубины его расположения [3]. Частоты нагружения убывают по глуб не для верхн х слоев способность сопротивляться усталостному разрушению определяется в большей степени адгезионной прочностью между компонентами асфальтобетона, а для нижних слоев – устойч востью асфальтовяжущего к действию изгибающей нагрузки. Традиционная конструкц я дорожной одежды предполагает использование крупнозернистого пористого или высокопор стого асфальтобетона в нижнем слое. Такой асфальтобетон в меньшей степени способен сопрот вляться циклическим нагрузкам, что приводит к образованию и росту восходящих усталостных трещ н, которые могут уже через несколько лет прорасти через все покрытие. другой стороны, высокие давления в шинах и старение асфальтобетона приводят к образованию н сходящ х усталостных трещин. Характер изменения температуры окружающей среды также определяет характер ра оты асфальто етона. При высоких температурах для асфальтобетона характерна пласт чность, при н зких – хрупкость [4]. Летом высока вероятность образования

пластическ х деформац й (сдв ги, колея, наплывы), в зимнее время – трещин.

Учитывая весь комплекс воздействий и характер работы асфальтобетона в покрытии целесообразно перейди к метод ке проектирования дорожной одежды, которая предполагает расположен е слоев асфальто етона в покрытии в зависимости от их свойств, а не значения модуля упругости [5]. Так типовым вариантом можно считать трехслойную конструкцию, где в нижнем слое будет располагаться асфальто етон устойчивый к усталостному разрушению (песчаные или мелкозернистые асфальто етоны), в среднем – прочный и сдвигоустойчивый асфальтобетон (крупнозернистый, дискретного зернового состава), а в верхнем – высокоплотный мелкозернистый асфальтобетон с хорошими сцепными качествами. Причем толщина среднего слоя такого пакета больше чем толщина верхнего или нижнего слоя. Подобные конструкции дорожных одежд уже достаточно давно используются зарубежом. При таком подходе к проектированию дорожных покрытий задачей дорожного материаловедения становиться разработка составов асфальтобетонов под конкретные условия его работы в конструкции.

Структура асфальтобетона

Структура асфальтобетона определяет его свойства. Различают каркасный, полукаркасный и бескаркасные типы структуры плотных асфальтобетонов [6]. Каркасный тип характерен асфальтобетонам типа С и А, полукаркасный – типам Б и В, бескаркасный песчаным асфальтобетонам типа Г и Д [7]. При воздействии нагрузки на поверхность асфальтобетона каркасной структуры на границах контакта зерен минерального материала возникают реакционные силы, препятствующие перемещению зерен (рисунок 1). Каркасные асфальтобетоны имеют в своем составе минимальное количество битума (до 6-7 % от массы минеральной части) и используются на дорога высших технических категорий для верхних слоев покрытий. Полукаркасные асфальтобетоны хуже сопротивляются воздействию нагрузки. Увеличение площади удельной поверхности приводит к повышению расхода битума, асфальтовяжущее в таком случае увеличивает расстояние между зернами воспринимает на себя часть нагрузки, деформируясь в летний период. Полукаркасные асфальтобетоны используют для верхних слоев покрытий на дорогах III-V категорий. Бескаркасные асфальтобетоны используются для устройства покрытий пешеходных дорожек, велосипедных дорожек и не способны сопротивляться разрушениям при воздействии транспортной нагрузки. Песчаные асфальтобетоны ввиду большой площади удельной поверхности минерального заполнителя требуют большого количества (до 16 % от массы минеральной части) битума. В таком случае основную нагрузку воспринимает асфальтовяжущее а песок и отсев дробления «плавают» в объеме асфальтовяжущего.

237

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

Рисунок 1 – Структура плотных асфальтобетонов до и после воздействия нагрузки

СибАДИМинеральный матер ал

Песчаные асфальтобетоны в конструкциях дорожных одежд повышенной надёжности и долговечности могут выполнять функции нижнего слоя пакета устойчивого к воздействию циклической нагрузки, каркасные асфальтобетоны (щебеночно-мастичный в том числе)

Гранитный щебень относ тся к слым горным породам, базальтовый – к основным. Для кислых горных пород характерно нал чие на поверхности зерна щебня слабоотрицательного скомпенсированного заряда, которым также о ладает и объем битума. При обычном перемешивании между щебнем вяжущ м о разуются связи в основном физического характера. Для гранитного щебня эффектным спосо ом повышения адгезионной прочности на границе раздела фаз является технология (активационная технология) предполагающая устройство прослойки прочно связанной с поверхностью зерна ще ня и спосо ной улучшать её смачиваемость вяжущим. Разрушение скомпенсированных связей на поверхности ще ня или зерна песка возможно термическими (нагрев до 1300 °С с целью удаления молекулярного слоя влаги), химическими (снижение кислотности за счет обработки растворами электролитов, оксидами тяжелых и щелочно-земельных металлов и т.д.) или физико-химическими методами [8] однако все они предполагают работу уже с готовым щебнем и энергетически достаточно затратны. Эффективно производить активацию щебня в процессе дробления. В технологический процесс дробления на начальном этапе можно вводить установку для обработки вновь образованных поверхностей известковым раствором, а в долгосрочной перспективе использовать электрогидравлический эффект при дроблении [9]. Электрогидравлический эффект позволяет дробить горные породы в объеме жидкости за счет формирования в жидкости импульсного электрического разряда, вокруг зоны которого возникают очень большие гидравлические давления, способные совершать механическую работу по разрушению каменного материала.

Минеральный порошок традиционным способом получается путём помола карбонатных пород. Однако в лабораторных условиях на опытных участках были реализованы и другие технологии. Например, производство минерального порошка из отработанных формовочных смесей [10]. При использовании техногенных отходов важно обеспечить тонкий помол и гидрофобизацию поверхности зерен порошка. Эффективность помола возрастает при применении эффекта Ребиндера [11]. Уменьшение затрат на помол достигается за счет уменьшения поверхностной энергии тела путем его смачивания соответствующим активатором. Вторая группа методов активации минерального порошка предполагает его обработку в газовом потоке, образованном при сгорании органических материалов (битум, мазут и т.д.). Однако это требует разработки сложного оборудования и постоянно высоких

расходов энергоносителей.

Вяжущее и технология асфальтобетона

Наиболее активными соединениями в битуме являются асфальтены. Активность асфальтенов сдерживается «оболочкой из масел и смол». Температурное воздействие (нагрев) в пределах рабочего интервала не позволяет разрушить надмолекулярные комплексы, а нагрев до больших температур приводит к температурной деструкции битума и (или) интенсивному его старению в покрытии. Разрыва межмолекулярных связей в органическом вяжущем можно достичь методом ультразвуковой обработки. Экспериментальные исследования, выполненные в ХАДИ, подтвердили эффективность такого подхода. Исследователям удалось достичь повышения адгезионной прочности на границе «щебень-вяжущее» более чем в 2 раза для кислых пород и почти в 1,5 раза для основных.

Из всего объема битума в составе асфальтобетона его часть (свободный или неструктурированный битум) необходима только для обеспечения технологии производства

238

Направление 3. Инновационное развитие архитектурно строительного комплекса

(качественное перемешивание) и при работе в покрытии он, занимая межзерновое пространство, снижает в большинстве случаев большинство показателей материала. Данная проблема присуща в основном мелкозернистым асфальтобетоном с большой площадью удельной поверхности минерального заполнителя. Возможным способом снижения количества свободного битума в смеси, является двухступенчатая технологи приготовления асфальтобетонной смеси, предусматривающая раздельное приготовление асфальтовяжущего (органическое вяжущее и минеральный порошок) и последующее введение в асфальтовяжущее зерен песка. Согласно результатам исследования [12] двухступенчатая технология позволяет снизить потребность в битуме на 10 % (для песчаных асфальтобетонов). Использование вибрации при двухступенчатой технологии приготовления

увеличивает этот показатель до 35 %. В данном в вибрационный смеситель поступает минеральный порошок, где при воздействии колебаний он переходит в псевдокипяшее состояние, последующая подача битума в этот смеситель (при непрекращающихся колебаниях) приводит к снижению его вязкости и лучшем обволак ван и при меньших расходах битума. Наибольший интерес в перспективе представляет газовая технология приготовления асфальтобетонной смеси. Для этого в конструкцию асфальтосмес тельной установки необходимо ввести агрегат для предварительной обработки зерен песка б тумом. Наиболее целесообразно расположить такой агрегат как можно ближе к смес телю, для того чтобы исключить последующую транспортировку, и как следствие контакт с разл чными поверхностями обработанного песка.

СибАДИминеральных матер алов, вяжущего и асфальто етона включает:

1) Определен е потенц альных условий работы асфальтобетона в покрытии и основных показателей, характер зующ х его спосо ность сопротивляться разрушению в указанных условиях.

2) Определен е на более акт вных соединений и центров на поверхности заполнителя или в объеме вяжущего.

3) Разрушен е скомпенс рованных связей на поверхности зерна минерального материал (гранитный, реже базальтовый ще ень) и «гашение» вновь образованных активных центров веществом способствующим смачиванию органическим вяжущим.

4) Ультразвуковое разрушение надмолекулярных структур в битуме с целью «освобождения» наиболее активных соединений (асфальтенов).

5) Интенсификация процесса перемешивания с использованием вибрации или применение других технологических приемов, ставящих целью повышение заданных свойств асфальтобетона.

Все эти мероприятия тре уют разра отки и апробации промышленных модулей, а также существенной переработки нормативной базы. На данный момент к асфальтобетонам предъявляется жесткий перечень требований, который не всегда характеризует способность асфальтобетона выполнять те или иные функции в конструкции дорожной одежды. Переработки требуют и методики проектирования дорожных одежд. Однако перед массовым применением новых методов проектирования дорожных одежд и технологий асфальтобетона необходимо устроить опытный участок и оценить работоспособность такой конструкции.

Библиографические список

1. ТКП 45-3.03-112-2008 (02250) Автомобильные дороги. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования. – Введ. 2009-07-01 с отменой П 3.03.01-96 к СНиП 2.05.02-85. – Минск: Минстройархитектуры, 2009. – 84 с.

2. Веренько В. . Надежность дорожных одежд: Пособие для студентов специальности «Стр-во дорог и трансп. Объектов» вузов / В.А. Веренько. – Мн.: Бел. гос. политехн. акад., 2002. – 118, [2] c.

3. Илиополов С.К. Долговечность асфальтобетонных покрытий в условиях роста динамического воздействия транспортных средств / С.К. Илиополов, Е.В. Углова. – Москва: Информавтодор, 2007. – 84 с.

4. Дорожный асфальтобетон / А.М. Богуславский, И.В. Королев, Н.В. Горелышев, Л.Б. Гезенцвей; Под ред. Л.Б. Гезенцвея. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.

5. Веренько В.А. Конструирование и расчет дорожной одежды повышенной надежности и долговечности: пособие по выполнению курсового проекта № 3 «Проект дорожной одежды нежесткого типа (деталь проекта)» для студентов специальности 1-70 03 01 «Автомобильные дороги» / В.А. Веренько. – Минск : БНТУ, 2012. – 76 с.

6. Ковалев Я.Н. Дорожно-строительные материалы и изделия: учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-70 03 01 «Автомобильные дороги» / Я.Н. Ковалев, С.Е. Кравченко, В.К. Шумчик. – Минск: Новое знание: Москва, Инфра-М, 2015. – 628 с.

7. СТБ 1033-2016. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия = Сумесі асфальтабетонныя дарожныя, аэрадромныя і асфальтабетон. Тэхнічныя ўмовы. – Взамен СТБ 1033-2004;

введ. 2017-01-01. – Минск: Госстандарт, 2016. – ІІІ, 27 с.

8. Ковалев Я.Н.Активационные технологии дорожных композиционных материалов: Науч.-практ. основы: Монография / Я.Н. Ковалев. – Мн.: Бел. Энцыкл., 2002. – 334 с.

9. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. – Л.: Машиностроение. Ленингр.

отд-ние, 1986. – 252 с.

239

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

10.Получение активированных минеральных порошков из отработанных формовочных смесей и их применение в дорожном асфальтобетоне: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: специальность 05.23.05 Строительные материалы и изделия / Бусел Алексей Владимирович. –

Минск, 1983. – 22 с.

11.На границах наук. – М.: Знание, 1963. - 40 с.

12.Двухступенчатая технология песчаного асфальтобетона: (05.23.05): Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / Гос. всесоюз. дор. НИИ. – М., 1989. – 21 с.

13.Физико-химические основы интенсификации технологических процессов в дисперсных системах.– М.:

Знание, 1980. – 64 с.

Научный руководитель – Александров Д.Ю. старший преподаватель кафедры СибАДИ«Проектирование, строительство эксплуатация транспортных объектов»

240