Изучение влияния базальтовой фибры на свойства асфальтового вяжущего органоминеральных смесей

Д. А. Строев, Д. В. Задорожний, С. В. Горелов

Аннотация

Исследовано влияние тонкодисперсной базальтовой фибры на структуру асфальтового вяжущего органоминеральных смесей приготовленных с применением битумных эмульсий. Выявлено положительное воздействие модификатора на физико-механические свойства исследуемого материала. С помощью вакуумного капиллярного вискозиметра изучено изменение динамической вязкости асфальтового вяжущего в зависимости от концентрации предложенной добавки.

На сегодняшний день, наиболее распространённым вяжущим материалом для производства дорожно-строительных работ является нефтяной битум [1]. С технологической точки зрения, наиболее эффективным является его применение при пониженной вязкости, что может быть достигнуто тремя основными способами:

разогрев нефтепродукта до рабочей температуры
разжижением вязкого битума специальными растворителями
эмульгирование битума в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Первый способ является традиционным и широко используется при производстве горячего асфальтобетона. Однако он имеет ряд существенных недостатков, обусловленных значительными энергозатратами, а так же значительным ухудшением свойств битума в условиях интенсификации термоокислительных процессов. Второй способ не всегда оправдывает себя в связи с высокой стоимостью растворителей. Третий способ не требует нагрева и может использоваться с холодными и даже влажными минеральными материалами, что позволяет сохранить эластические свойства битума.

Необходимость иметь материалы для качественного строительства и содержания дорог всё чаще приводит дорожные организации к решению налаживания производства битумных эмульсий и смесей на их основе. Разнообразие климатических и эксплуатационных условий, которого нет ни в одной другой стране мира, диктует необходимость разработки и получения усовершенствованных материалов способных работать в широком температурном диапазоне, приспосабливаясь к изменениям интенсивности воздействия разрушающих транспортных нагрузок. При этом стоит учесть, что не везде могут быть использованы в достаточном количестве и на современном уровне качественные материалы для производства таких смесей, как и не всегда оправданы высокие материальные затраты на их производство в каждом конкретном регионе нашей страны. Поэтому большую актуальность приобретает поиск доступных и недорогих материалов и модифицирующих добавок, которые позволят улучшить структурномеханические и реологические свойства органоминеральных смесей на основе битумных эмульсий.

В современной нормативно-технической документации основными критериями оценки качества эмульсионно-минеральных смесей являются: водонасыщение, водостойкость и прочностные показатели. Водостойкость и водонепроницаемость материала зависят, прежде всего, от количества и качества вяжущего в смеси. Причем в качестве вяжущего рассматривается не только органическое вяжущее, но и его смесь с мелкодисперсной фракцией минеральной части, называемая асфальтовым вяжущим [2]. Известно, что чем больше в смеси содержится органического вяжущего, тем более водостойким и менее водопроницаемым будет материал. Однако простое увеличение количества органического вяжущего ведет к падению прочностных характеристик материала и уменьшению его теплоустойчивости, поэтому необходимо повышать содержание в смеси именно асфальтового вяжущего.

С целью улучшения структурно-механических свойств, а так же повышения термостабильности органоминеральных смесей в работе предложено использовать сверхтонкое базальтовое волокно (БСТВ), показатели которого указаны в Таблице 1.

Таблица 1

Физико-химические показатели базальтового волокна (БСТВ)

№	Характеристика	Норма по ГОСТ 464093	Значение показателя
1	Водостойкость, рН, не более	4	3,3
2	Средний диаметр волокна, мкм	от 0,5 до 3	1,2
3	Содержание неволокнистых включений размером св. 0,25 мм, % по массе, не более	5	2,2
4	Плотность, под удельной нагрузкой (98±1,5) Па, кг/м3, не более	35	27
5	Теплопроводность, Вт/(м· К), не более, при температуре: (298± 5) К	0,041	0,037
6	Влажность, % по массе, не более	1	0,3
7	Содержание органических веществ, % по массе,	2	0,45

Физико-химические связи между матрицей и армирующим компонентом определяют эффективность армирования материала, в связи с этим адгезионное взаимодействие в этой системе играет важную роль [3]. В структуре битума присутствуют поверхностно активные вещества преимущественно анионного типа, способные образовывать химические связи с минералами основных пород, ярким представителем которых является базальт. Вместе с тем на поверхности данной породы находится и значительное число активных зон обладающих отрицательным зарядом. В этой связи положительное воздействие окажет модификация битума катионактивными ПАВ, которые обеспечивают протекание реакций ионного обмена при контакте органического вяжущего с минеральными материалами кислого характера. Остаточное вяжущее (ОВ) выделенное из состава катионной битумной эмульсии содержит значительное число аминных катионов NH3+ способных вступить в химическое взаимодействие с анионами силиката.

На начальном этапе исследований были приготовлены битумные эмульсии с использованием нового катионного эмульгатора «Эмульзол-4», концентрация которого в составе эмульсионной системы составляла 0,5%. Для приготовления эмульсий использовался битум БНД 90/130, его содержание в эмульсии составляло 60%, физико-механические свойства вяжущего представлены в таблице № 2.

Таблица 2

Физико-механические показатели пробы битума марки БНД 90/130

№ п/ п	Наименование показателей	Нормы для битумов марки БНД 90/130 ГОСТ22245-90	Показатели битума
1.	Глубина проникания иглы, 0,1мм: при 25°C при 0°C, не менее	91-130 28	94 29
2.	Температура размягчения битума по кольцу и шару, °C, не ниже	43	45
3.	Растяжимость битума, см, не менее при температуре: 25°C 0°C	65 4,0	>100 4,0
4.	Изменение температуры размягчения после прогрева, °C, не более	5	4
5.	Температура хрупкости, °C, не выше	-17	-17
6.	Температура вспышки, °C, не ниже	230	245
7.	Индекс пенетрации	от -1,0 до +1,0	-0,98
8.	Качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня по ГОСТ 12801-98 п.28	-	удовлетворительное (три балла по пятибалльной шкале)

Битумные эмульсии готовились путем диспергирования нагретого до 135-138 °C битума в присутствии раствора эмульгатора, нагретого до температуры 60 °C и подкисленного концентрированной соляной кислотой, до уровня водородного показателя 1,88-2,2. Значения рН измеряли с помощью иономера «Экотест-2000». Приготовление осуществлялось на лабораторно-промышленной установке «Давиал ЛаПРОМ 800».

В результате исследования полученных битумных эмульсий установлено, что они относятся к классу ЭБК-II, и обладают физико-механическими свойствами указанными в таблице № 3.

Таблица 3

Физико-механические показатели проб битумных эмульсий

№ п/п	Наименование показателей	Нормы для эмульсий ЭБК-II ГОСТ52128- 2003	Показатели битумных эмульсий
1.	Устойчивость при перемешивании со смесями минеральных материалов: Пористого зернового состава Плотного зернового состава	Смешивается Не смешивается	Смешивается Не смешивается
2.	Содержание вяжущего с эмульгатором, % по массе	От 50 до 60	58
3.	Условная вязкость при 20°C	От 10 до 25	20
4.	Сцепление с минеральными материалами, балл, не менее	5	5
5.	Остаток на сите № 014, % по массе, не более	0,25	0,2
6.	Устойчивость при хранении (остаток на сите с сеткой № 014), % по массе, не более: Через 7 суток Через 30 суток	0,3 0,5	0,18 0,35
7.	Устойчивость при транспортировании	Не должна распадаться на воду и вяжущее	Не распадаются
	Физико-механические свойства остатка после испарения воды из эмульсии:
9.	Глубина проникания иглы пенетрометра, 0,1 мм, не менее: При 25°C При 0 °C	90 28	95 30
10.	Темепература размягчения по кольцу и шару, °C, не ниже	43	45
11.	Растяжимость, см, не менее: При 25°C При 0 °C	65 4	>100 5
12.	Эластичность при 25°C, %, не менее	Не нормируется	-

В ходе эксперимента были приготовлены пробы соотношение вяжущего и минерального порошка (МП) в которых составляло 1:1,5. Пробы органического вяжущего и остаточного вяжущего выделенного из эмульсии [4] массой 200 г разогревались до температуры 150 °C, после чего подавались в смесительную установку. При равномерном перемешивании (при температуре 150-160°C) в состав образцов вяжущего вводился минеральный порошок и базальтовое волокно. Для равномерного распределения минеральных компонентов в объёме вяжущего перемешивание продолжалось в течение 30 мин.

По результатам исследований было установлено, что введение базальтового волокна способствует значительному снижению показателей глубины проникания иглы пенетрометра при 0 °C и 25 °C в среднем на 20% (рис. № 1), и повышению температуры размягчения на 10 °C. Вместе с тем, с увеличением концентрации добавки наблюдалось незначительное увеличение температуры хрупкости на 1-2 °C (рис. № 2). Так же введение минерального волокна в состав исследуемых образцов вяжущего и асфальтовяжущего положительно отразилось на показателе эластичности материалов, который увеличился на 18-25% (рис.№3).

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

На следующем этапе работы изучалось влияниее добавки на динамическую вязкость приготовленных образцов вяжущего. По результатам исследований установленно, что увеличение концентрации минерального волокна прямопропорционально увеличению исследуемого показателя. Так введение уже 0,2 % базальтовой фибры способствовало повышению динамической вязкости материалов на 60-70% (рис.№4).

Рис. 4.

Результаты проведённых исследований позволяют утверждать, что введение сверхтонкого базальтового волокна (БСТВ) в состав асфальтового вяжущего способствует значительному повышению динамической вязкости и устойчивости последнего при повышенных температурах. Вместе с тем, несущественно ухудшая низкотемпературные характеристики исследуемого материала, модификатор одновременно повышает его эластические свойства. Влияние армирующего агента в равной степени сказывается на свойствах асфальтовяжущего приготовленного с применением битума и остаточного вяжущего выделенного из эмульсии. Отличия состоят лишь в численных значениях физико-механических показателей.

Литература

Колбановская А.С. Дорожные битумы // А.С. Колбановская , В.В. Михайлов. – М. Транспорт, 1973. – 246 с.
Горелышева, Л.А. Органоминеральные смеси в дорожном строительстве / Л.А. Горелышева // Автомобильные дороги. О.И. М.: Информавтодор.2000. – Вып. 3.-108 с.
Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Базальтовое волокно как продукт для армирования бетонов и композиционных материалов./ А. Г. Новицкий, М. В. Ефремов // Тезисы докладов Международной конференции по химической технологии ХТ’07., Москва, 2007.,т. 1, с.218-220.
ГОСТ Р 52128-2003. Эмульсии битумные дорожные. Технические условия. – М.: ГОССТРОЙ РОССИИ. – 2004 – 25с.

Оригинал статьи