К.т.н. Галдина В.Д.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, Россия

К.х.н. Дроздов В.А.

Омский научный центр сибирского отделения РАН, Россия

Модифицированные пористые заполнители

для битумоминеральных композиций

Техническая целесообразность применения в битумоминеральных композициях (БМК) для дорожных покрытий естественных и искусственных пористых заполнителей доказана исследованиями и производственным опытом России и ряда других стран [1 – 4]. По сравнению с асфальтобетонами на плотных заполнителях БМК на пористых заполнителях характеризуются высокой теплоизолирующей способностью и низкотемпературной трещиностойкостью, однако имеют высокую пористость и битумоемкость, низкую водо-и морозостойкость. Известно, что прочность, водо- и морозостойкость БМК с применением пористых каменных материалов может быть значительно повышена гидрофобизацией каменных материалов активирующими смесями (жидкими битумами с добавками ПАВ) [5, 6].

В настоящей работе представлены результаты изучения физико-механических свойств пористых заполнителей из вулканического туфа и тяжелого керамзита (дорзита) после обработки их модифицирующими вяжущими (МВ), в качестве которых были взяты: расплав серы, серогудроновое вяжущее, грунтовка акриловая проникающего действия. Зерна туфа и тяжелого керамзита характеризуются высокоразвитой внешней и внутренней поверхностью. Поэтому рациональные количества МФ для их обработки, определенные по методике [4], составили: расплава серы 10, серогудронового вяжущего 6, грунтовки акриловой 7 % от массы минерального материала.

Модификацию пористых заполнителей вяжущими материалами осуществляли в лабораторном смесителе при следующих технологических режимах. Щебень из туфа и керамзит нагревали до температуры 140 – 150 °С и перемешивали с МВ в течение 30 – 40 с. Серу расплавленную дозировали в смеситель при температуре 130 – 140 °С, серогудроновое вяжущее – при 120 – 130 °С, грунтовку акриловую – без подогрева.

Истинную плотность (ρ) песка из туфа и керамзита фракции 3 – 5 мм до и после обработки их МВ определяли на автоматизированном гелиевом пикнометре газового вытеснения «АссиРус-1330» фирмы «Micromeritics», удельную поверхность по БЭТ (S_БЭТ) – экспрессным методом на адсорбционном приборе «Сорбтометр» [7]. Была применена методика одноточечной адсорбции стандартного газа азота в токе гелия [8]. Измерения проводили при относительном давлении паров азота Р/Р₀ = 0,075 и температуре 77,4 К. Пористость образцов и средний диаметр пор вычисляли по формулам [7]:

, (1)

где П – общая пористость, об.%; П_о – открытая пористость, об. %; ρ_г – истинная плотность, определенная гелиевой порометрией, г/с м³;

, (2)

где d_ср – средний диаметр пор, мкм; П – пористость, см³/г; S_БЭТ – удельная поверхность, см²/г.

Результаты эксперимента, установленные по стандартной методике ГОСТ 8269.0 и гелиевой порометрией на образцах туфа (Т) и тяжелого керамзита (К), обработанных расплавом серы (ТС и КС), серогудроновым вяжущим (ТСГ и КСГ) и грунтовкой (ТГ и КГ), приведены соответственно в табл.1 и 2.

После модификации зерен пористых заполнителей понижаются пористость, удельная поверхность и средний диаметр пор. По величинам среднего диаметра пор и удельной поверхности зерна туфа и керамзита относятся к макропористым сорбентам. Однако заполнители из туфа и тяжелого керамзита содержат поры различных размеров – от макропор до микропор и их можно отнести к сорбентам смешанного типа [9].

Об эффективности модификации свидетельствуют физико-механические свойства пористых заполнителей фракции 10 – 15 мм, представленные в табл. 3.

Таблица 1

Физические свойства зерен туфа до и после модификации

Показатель	Стандартный метод, вид пористого заполнителя			Показатель	Гелевая порометрия, вид пористого заполнителя
	Т	ТС	ТГ		Т	ТС	ТГ
ρ, кг/м^3	2,770	2,680	2,420	ρг, кг/м^3	2,860	2,739	2,399
ρm, кг/м^3	1,850	1,864	1,780	П, об. %	44,02	32,12	30,90
П, об. %	33,2	30,45	29,4	П, см^3/г	0,1538	0,1174	0,1288
				SБЭТ, см^2/г	7000	5000	5900
По, об. %	27,5	17,28	18,64	dср, мкм	0,879	0,854	0,858

Таблица 2

Физические свойства зерен керамзита до и после модификации

Показатель	Стандартный метод, вид пористого заполнителя				Показатель	Гелевая порометрия, вид пористого заполнителя
	К	КС	КСГ	КГ		К	КС	КСГ	КГ
ρ, г/см^3	2,54	2,49	2,51	2,33	ρг, г/см^3	2,5321	2,4226	2,436	2,199
ρm, г/см^3	1,6	1,63	1,564	1,54	П, %	36,9	23,2	24,7	24,15
П, %	37,1	33,2	34,88	31,4	П, см^3/г	0,1457	0,0948	0,0991	0,1075
					SБЭТ, м^2/г	5000	4800	4900	5000
По, %	22,73	12,45	14,48	13,5	dср, мкм	1,166	0,790	0,809	0,861

Таблица 3

Физико-механические свойства пористых заполнителей фракции 10 – 15 мм

до и после модификации

Показатель	Пористый заполнитель до и после модификации
	Т	ТС	ТСГ	ТГ	К	КС	КСГ	КГ
Средняя плотность, кг/м^3	1850	1864	1733	1668	1600	1630	1564	1517
Пористость, об. %	35,25	29,65	31,19	28,43	37,01	33,62	34,88	31,40
Водопоглощение, об. %	27,57	17,30	20,64	14,96	23,73	14,04	15,93	13,99
Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа, по ГОСТ 9758-86*	1,65	4,03	3,15	3,42	4,83	6,84	6,15	6,55

Как следует из данных табл. 3, модификация пористых заполнителей способствует уменьшению пористости зерен щебня из туфа на 4,06 – 6,82 об. %, керамзита – на 2,13 – 5, 61 об. %. Водопоглощение зерен щебня из туфа снижается на 6,93 – 10,27 об. %, керамзита – на 7,8 – 9,74 об. %. Прочность при сдавливании в цилиндре зерен щебня из туфа повышается в 1,5 – 2,4 раза, керамзита – в 1,2 – 1,4 раза по сравнению с прочностью необработанных зерен. Большее увеличение прочности и снижение пористости наблюдается при модификации пористых заполнителей расплавом серы и грунтовкой акриловой.

Сера обладает низкой вязкостью в интервале температур 120 – 150 °С, высокой адгезией к пористым материалам, гидрофобностью, водостойкостью, достаточной механической прочностью. После охлаждения расплава или серогудронового вяжущего сера постепенно кристаллизуется в порах каменного материала, повышая его прочность, водо- морозостойкость.

Грунтовка акриловая представляет собой дисперсию акриловых полимеров в воде, имеет высокие проникающую способность и скорость отвердевания, хорошую адгезию к различным материалам и водоустойчивость. После удаления влаги дисперсные частицы полимера коагулируют с образованием сплошной полимерной пленки на поверхности и в порах каменного материала.

Таким образом, выполненными исследованиями установлено значительное улучшение физико-механических свойств в результате модификации поверхности и порового пространства пористых заполнителей. Внутренняя поверхность пор этих материалов гидрофобизируется и частично кольматируется, что приводит к уменьшению общей и открытой пористости, повышению прочности пористых заполнителей.

Модификация зерен щебня из туфа и керамзита позволила уменьшить оптимальное содержание битума и водонасыщение битумоминеральных композициий (с гранулометрией типа В по ГОСТ 9128-2009), повысить их прочность при температурах 50, 20 °С и теплоустойчивость, водо- и морозостойкость за счет увеличения адгезии битума к поверхности зерен, а также уменьшения количества воды, проникающей в поры, и повысить трещиностойкость вследствие предотвращения избирательной диффузии компонентов битума в поры пористого заполнителя.

Литература

1. Сухоруков, Ю.М. Пористые каменные дорожно-строительные материалы / Ю.М. Сухоруков. – М.: Транспорт, 1984. – 143 с.

2. Прокопец, В.С. Асфальтобетоны на основе пористых заполнителей Западной и Восточной Сибири / В.С. Прокопец, В.Д. Галдина, Г.А.Подрез // Строительные материалы. – 2009. – № 11. – С. 26 – 28.

3. Gallaway, B.M. Laboratory Considerations for the Use of Lightweigt for Hot-Mix Asphalt Pavemets // B.M. Gallaway, W. I. Harper / Highway Res. Rec. – 1968. – № 236. – P. 61 – 74.

4. Литвинова, Т.В. Битумоемкость дорожного керамзита / Т.В. Литвинова, Ю.В. Соколов, Л.С. Петрова // Асфальтовые и цементные бетоны для условий Сибири: сб. науч. тр. – Омск: ОмПИ, 1989. – С. 60 – 67.

5. Гезенцвей, А.Л. Повышение качества битумоминеральных материалов из слабых известняков / А.Л. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, Г.С. Бахрах // Автомобильные дороги, 1972. – № 5. – С. 19.

6. Матузков, В.А. Активация щебня из малопрочного известняка для производства холодных асфальтобетонных смесей / В.А. Матузков, А.В. Космин // Исследование цементных бетонов и пластбетонов: сб. науч. тр. – Омск: ОмПИ, 1988. – С. 30 – 34.

7. Грег, С. Адсорбция. Удельная поверхность. Пористость / С. Грег, К. Синг. – М.: Мир, 1984. – 310 с.

8. Loweil, S. Powder Surface Area and Porosity / S. Loweil, J.E. Shilds. – London: UK, 1984. – 234 p.

9. Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник. – Кн. 2. / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов.; под ред. В.Г. Айнштейна. – М.: Логос; Высш. шк., 2002. – 872 с.