д.т.н. Заяханов М.Е.

к.т.н. Эрдынеев С.В.

к.т.н. Подрез Г.А.

аспирант Рычкова Т.О.

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, Россия

Строительство и архитектура / 4. Современные строительные материалы.

MECTHblЕ ПOPИCTblЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

В статье приводятся материалы исследования по производству нового эффективного пористого материала из местного сырья (вулканического туфа) и использованию его в качестве минеральной части асфальтобетонной смеси в Республике Бурятия.

В последние годы произошел значительный рост деформаций и разрушений в виде колеи, сетки трещин и выбоин на асфальтобетонном покрытии автомобильных дорог.

Особенностью дорожных одежд нежесткого типа является то, что их эксплуатационные характеристики в течение всего периода работы автомобильной дороги непрерывно изменяются под действием климатических и эксплуатационных факторов. Климатические и погодные условия воздействуют, прежде всего, на битумное вяжущее, вызывая его старение и обусловливая возникновение температурных или усталостных деформаций, накопление которых приводит к появлению дефектов и разрушений в виде пластических деформаций и трещин. Транспортная нагрузка ускоряет их развитие. Несвоевременное устранение дефектов покрытия приводит к дальнейшему, более интенсивному, его разрушению. Для увеличения сроков службы асфальтобетонного покрытия и снижения его себестоимости возможно использование местных пористых (малопрочных) материалов - вулканических туфов.

Туфы относятся к магматическим эффузивным горным породам, представляют собой зерна неправильной слегка окатанной формы темно-серого цвета, раскол — неправильный со слабошероховатой поверхностью. Структура - порфировая однородная. Текстура - пористая неоднородная. Туфы являются не дорогостоящим эффективным материалом, широко распространенным на территории Республики Бурятия.

Физико-механические свойства и зерновой состав туфа приведены в таблицах 1. По химическому составу туфы относятся к кислым вулканическим породам с содержанием кремнезема (Si0₂) в пределах 65-75%.

Целью исследования вулканических туфов является определение возможности применения их в качестве составляющей минеральной части асфальтобетонной смеси, т.е. замены щебня на пористый материал.

Предпосылкой подобного направления могут служить работы, выполненные в СибАДИ[1].

Актуальной задачей в настоящее время является производство новых эффективных материалов на основе местного сырья, т.е. расширение местной сырьевой базы. Примеры применение пористых материалов уже подтвердили техническую целесообразность и экономическую обоснованность замены дорогостоящего щебня местным материалом [2]. Туф существенно дешевле привозных заполнителей, на его основе можно производить легкий асфальтобетон, который обладает низкотемпературной трещиностойкостью и низким коэффициентом теплопроводности, благодаря чему он может выполнять еще и теплоизолирующую функцию, что может предотвратить процесс пучинообразования на покрытиях. При этом понизится себестоимость асфальтобетонной смеси и стоимость ремонта асфальтобетонного покрытия за счет уменьшения затрат на заготовку щебня и затрат на транспортировку асфальтобетонной смеси на объект.

Таблица 1Физико-механические свойства

Наименование показателей	Ед. изм.	Значение показателей
Насыпная плотность	кг/м	820
Истинная плотность	кг/м^3	2770
Средняя плотность	кг/м'	1800
Водопоглошение	%	17,5
Массовая доля пылеватых и глинистых частиц	%	0,1
Массовая доля зерен игловатой и пластинчатой формы	%	не имеет
Пористость	%	31,4
Пустотность	%	51,1
Дробимость при сжатии в цилиндре	% по массе	30,1

Таблица 2 Зерновой состав

Размер сит, мм	Частные остатки, %	Полные остатки, %	Полные проходы, %
20	6,0	6,0	94,0
15	5,9	11,9	88,1
10	9,5	21,4	78.6
5	14,9	36,3	63,7
2,5	13,1	49,4	50,6
1,25	6,3	55,7	44,3
0,63	12,2	67,9	32,1
0,315	10,7	78,6	21,4
0,16	12,5	91,1	8,9
0,071	7,5	98,6	1,4
<	1,4	100	0

Снижение затрат на транспортировку произойдет в связи со значительным понижением веса асфальтобетонной смеси. Очевидно, что использование более дешевых местных строительных материалов принесет существенный экономический эффект.

Для повышения усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий рекомендуется: верхний слой покрытия устраивать из плотных смесей с высоким показателем сцепления, устойчивых к выкрашиванию, что достигается путем введения в состав асфальтобетона адгезионных добавок. Нижний слой, подверженный в основном воздействию изгибных деформаций, должен обладать значительной эластичностью и деформативностью, что достигается за счет увеличения содержания вяжущего или введения полимерных добавок. Повышенное содержание битумного вяжущего в смеси необходимо стабилизировать, чтобы не происходило стекания и расслоения (сегрегации). Эти процессы можно предотвратить, если при производстве асфальтобетонной смеси в качестве щебня использовать туфы, обладающие высокой битумоудерживающей способностью.

Однако туфы недостаточно прочны. Важна не столько начальная прочность материала, сколько его водо и морозостойкость. Менее прочный, но надежный материал можно поместить в нижние слои основания дорожной конструкции тем самым обеспечив продолжительность ее службы во времени - долговечность. Кроме того, такой материал можно при желании сделать более прочным путем, например, добавки различных минеральных вяжущих.

Понятия «слабый», «малопрочный», характеризующие прочностные свойства материала, должны уточняться применительно к условиям работы материала в конструкции. Прочность материала по показателям сопротивления сжатию или дробимости в цилиндре не всегда является объективной характеристикой свойств каменного материала, особенно пористого. В этом случае на первый план выступает морозостойкость и водостойкость. Дробимость щебня, обусловленную его недостаточной прочностью, можно значительно снизить, создав структуру асфальтобетона, исключающую взаимные контакты щебенок путем применения для уплотнения покрытий катков на пневматических шинах. Один из путей улучшения свойств малопрочного материала (известняка) рассмотрен в работах [2,3,4]: повышение водо-, морозостойкости малопрочных известняков и асфальтобетонов с их применением может быть достигнуто путем предварительной гидрофобизации этих материалов. Гидрофобизация известняков осуществляется путем их предварительной обработки битумом, обогащенным поверхностно-активными веществами анионного типа. Роль ПАВ состоит в облегчении смачивания битумом минеральных поверхностей (в том числе и развитой внутренней поверхности, образуемой порами), и в образовании хемосорбционных соединений на границе раздела фаз. В результате этого происходит гидрофобизация материала, эффективность которой усиливается благодаря присутствию битумных слоев на минеральных поверхностях. Битумные слои являются дополнительным барьером, предотвращающим проникание влаги внутрь минеральных зерен.

В процессе объединения вяжущего с пористым минеральным материалом |5] вяжущее претерпевает значительные структурные изменения, изменения состава и концентрации различных по молекулярному весу и реакционной способности составляющих битума - масел, смол и асфальтенов, зависящие от температуры, вязкости вяжущего и размера и количества пор пористого заполнителя.

Необходимо отметить, что в силу различной дисперсности составляющих битума в микропоры проникают наиболее легкие и менее активные из них - масла и ароматические углеводороды, имеющие размеры, соотносимые с размерами микропор. Асфальтены и смолы не проникают внутрь микропор, а заполняют мезоиоры, выполняющие транспортирующую роль для легких углеводородов и масел, и макропоры. То есть происходит избирательная фильтрация масел и ароматических углеводородов внутрь пористого тела, что обедняет вяжущее этими составляющими и, соответственно, вяжущее в смеси обогащается наиболее тяжелыми и активными асфальтенами и смолами. Следствие этого обогащения - повышение в 2-4 раза прочностных характеристик и теплостойкости получаемого асфальтобетона, изменение молекулярного состава вяжущего в смеси, повышение его вязкости. Таким образом, имея представление о закономерностях массопереноса вяжущего в пористых заполнителях легких асфальтобетонов, о величине пористости заполнителей и вязкости, концентрации различных составляющих битума, возможно с достаточной уверенностью проектировать оптимальные составы легких асфальтобетонов, регулировать и прогнозировать их физико-механические и эксплуатационные свойства [5].

Недостатком асфальтобетонов на основе малопрочных материалов также является низкая шероховатость покрытия. Шероховатость асфальтобетонных покрытий с применением малопрочных каменных материалов может быть повышена за счет использования разнопрочных каменных материалов [6]. На этом принципе основан способ создания шероховатой поверхности покрытий с применением щебня, состоящего из смеси зерен высокопрочных и слабых пород. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что покрытия, устроенные на основе таких каменных материалов, в процессе эксплуатации сохраняют требуемую шероховатость или из-за высокой износостойкости высокопрочных материалов, или вследствие повышенного износа малопрочных материалов. Это позволяет нам предположить о возможности использования пористых материалов при производстве щебеночно-мастичного асфальтобетона. Туфы в составе ЩМА будут играть роль стабилизирующей добавки и способствовать сохранению шероховатости покрытия в течение более длительного срока.

В нашем регионе происходят резкие перепады температуры воздуха (до 40°), что существенно сказывается на состоянии асфальтобетонного покрытия. Введение туфа в состав асфальтобетона ведет к снижению его плотности и понижению коэффициента теплопроводности, что позволит нивелировать влияние среднесуточных температурных воздействий, замедлит процессы промерзания (оттаивания) грунтов, снизит глубину их промерзания и предотвратит образование пучин и других разрушений покрытия.

Литература

1. Прокопец B.C., Иванова Т.Л., Поморова Л.В. Способы повышения срока службы асфальтобетонных покрытий// Сб. статей и докладов ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона. - М: Изд-во МАДИ (ГТУ), 2007. - С. 52-58.

2. Рекомендации но применению малопрочных известняков в битумоминеральных смесях, используемых для устройства конструктивных слоев дорожных одежд/ ГипродорНИИ, - М, 1974.

3. Гезенцвей А.Л., Бахрах С.Г., Горелышев Н.В. Повышение коррозионной стойкости черных дорожных покрытий, устраиваемых с применением малопрочных известняков// Мат-лы V всесоюз. науч.-техн. совещания по основным проблемам технического прогресса в дорожном строительстве: Сб. 4 (1). -М.: СоюздорНИИ, 1971. -С.110-114.

4. Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтобетон. - М.: Транспорт, 1985. - 350 с.

5. Борисенко Ю.Г., Борисенко О.А. Влияние закономерностей массопереноса вяжущего в пористых заполнителях на структурообразование в легких асфальтобетонах// Мат-лы X науч.-гехн. конф. «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». - СевКавГТУ, 2006.

6. Юмашев В.М., Горелышев Н.В., Истомина Т.И. Оптимальный петрографический состав каменных материалов для покрытий с шероховатой поверхностью// Сб. науч. тр. Вып. 85. -М.: СоюздорНИИ, 1975. - С. 5-12.