25.03.12 01:23

УДК 625.855.3:691.16./.17 + 662.75

РАЗРАБОТКА СОСТАВА ХОЛОДНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАУЧУКО-ПОЛИОЛЕФИНОВОЙ И АДГЕЗИОННОЙ ДОБАВОК МЕТОДОМ ТРЕХФАКТОРНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Канд.хим. наук И.В. Мардиросова

Инженер Маловичко Ю.А.

Инженер Чернов С.А.

В лаборатории ДорТрансНИИ РГСУ ведутся исследования по разработке модифицированных холодных асфальтобетонных смесей для ремонта влажных покрытий с использованием битумной композиции, полученной путем разжижения вязких битумов дизельным топливом с введением каучуко-полиолефиновых и поверхностно-активных добавок [1].

В лабораторных условиях каучуко-полиолефиновая добавка приготавливалась с использованием экструдера, позволяющего перемешивать компоненты в условиях повышенного давления, сдвигающих усилий и высокой температуры. Прибор оборудован дополнительным бункером для приема смеси агломерата полиэтилена и дробленого каучука в заданном соотношении и отдельным вводом для подачи битума. Кроме того, для производства гранул использовался гранулятор с водяным охлаждением, установленный на выходе из экструдера.

Наличие в составе холодного асфальтобетона каучука может повысить его деформативную способность при низких и деформационную устойчивость при высоких температурах [2]. Так как разжижитель оказывает негативное влияние на адгезионные свойства вязкого битума, то значительный интерес представляет использование в составе разжиженных битумов, наряду с полимерно-каучуковыми добавками, поверхностно-активных веществ, обеспечивающих вяжущему повышенное сцепление с минеральными материалами кислых и основных пород.

Для изучения влияния основных свойств компонентов смеси на качество холодного асфальтобетона и. для оптимизации результатов экспериментальных исследований был применен метод трехфакторного планирования, позволяющий при ограниченном количестве опытов получить достаточный для анализа и обоснования выводов объем информации и математическую модель процессов структурообразования, происходящих в холодном асфальтобетоне [3].

При приготовлении всех смесей использовались минеральные материалы одного гранулометрического состава, соответствующие по физико-механическим показателям требованиям ГОСТ 9128-09 и ГОСТ 12801-98 [4,5]. Гранулометрический состав холодной асфальтобетонной смеси представлен в таблице 1.

В качестве варьируемых параметров при проведении трех факторного эксперимента были выбраны: каучуко-полиолефиновая добавка, количество вяжущего и поверхностно-активная присадка КАДЭМ-ВТ. Исследуемые факторы и интервалы их варьирования представлены в таблице 2.

Таблица 1 – Рецепт комплексно-модифицированной холодной асфальтобетонной смеси с использованием каучуко-полиолефиновой добавки и ПАВ-КАДЭМ-ВТ

Наименование

Содержание материала

Размер зерен, мм.

20

15

10

5

2,5

1,25

0,63

0,315

0,16

0,071

Исходные материалы












Гранитный щебень

фр. 5-10 мм

100

100

100

95,3

17,3

5,7

3,1

2,6

2,3

2,1

0

Отсев дробления фр. 0-5 мм

100

100

100

100

94,6

78

53

37,8

26,8

13,4

12,2

Минеральный порошок

100

100

100

100

100

100

100

99,7

99,5

97,4

81

Состав смеси












Гранитный щебень

фр. 5-10 мм

50

50

50

47,7

8,7

2,9

1,6

1,3

1,2

1,1

0

Отсев дробления фр. 0-5 мм

45

45

45

45

42,6

35,1

23,9

17

12,1

6

5,5

Минеральный порошок

5

5

5

5

5

5

5

5

5

4,9

4,1

Полимерно-битумное вяжущее

4-5











Готовая смесь


100

100

97,7

56,3

43

30,5

23,3

18,3

12

9,6

ГОСТ 9128-09 Бх (непр.зер.сост)

100

90-100

85-100

70-100

50-60

33-46

21-38

15-30

10-22

9-16

8-12

Таблица 2 - Исследуемые факторы и интервалы варьирования в плане эксперимента


Характеристика

Значе-

ние

кода

Исследуемые факторы

расход вяжущего, %

каучуко-полиолефиновая добавка, %

адгезионная присадка Кадэм-ВТ, %

Основной уровень ()

0

4,75

2,0

0,4

Интервал варьирования ()

Х

0,25

2,0

0,4

Верхний уровень ()

Хi = +1

5,0

4,0

0,8

Нижний уровень ()

Хi = -1

4,5

0,0

0,0

Холодные асфальтобетонные смеси были испытаны в соответствии с ГОСТ 9128-09 на прочностные характеристики до прогрева, а так же на показатель слеживаемости, характеризующий способность смеси находиться в рыхлом состоянии. Кроме этого, был проведен анализ поведения асфальтобетона при исследовании не нормируемых характеристик, таких как предел прочности при сжатии при температуре 50 ºС. При проведении эксперимента было изготовлено по девять образцов-цилиндров высотой и диаметром 7,14 см для каждой точки плана.

В качестве определяемых физико-механическим свойств выделены водонасыщение (w, %), предел прочности при сжатии при температуре 20 ºС сухих образцов (R20, МПа), предел прочности при сжатии при температуре 20 ºС образцов после длительного водонасыщения (R20 вод. длит., МПа), предел прочности при сжатии при температуре 50 ºС (R50, МПа), изменение показателя слеживаемости смеси..

Экспериментально-статические модели основных физико-механических свойств холодных асфальтобетонных смесей представлены на рисунках 1-5.


Рисунок.1. Изоповерхности водонасыщения  модифицированной холодной а/б смеси


Рисунок 2. Изоповерхности предела прочности при сжатии при 20 0С модифицированной холодной а/б смеси


Рисунок 3 Изоповерхности предела прочности при сжатии при 20 0С образцов после длительного водонасыщения модифицированной холодной а/б смеси


Рисунок 4 Изоповерхности предела прочности при сжатии при 50 °С модифицированной холодной а/б смеси


Рисунок 5 Изоповерхности показателя слеживаемости модифицированной холодной а/б смеси

Уменьшению водонасыщения сформованных образцов способствуют все три фактора, то есть вяжущее, каучуко-полиолефиновая добавка и адгезионная присадка КАДЭМ-ВТ. Из данных рисунка 1 следует, что в большей степени на уменьшение водонасыщения влияет увеличение процентного содержания полимерного модификатора и вяжущего.

На рисунке 2 представлены изоповерхности экспериментально-статистической модели предела прочности при сжатии при температуре 20 ºС для исследуемой холодной асфальтобетонной смеси. Анализ этих изоповерхностей показал, что все три параметра оказывают положительный эффект на повышение прочностных характеристик смеси. Однако, наибольшее влияние оказывает второй фактор Х2 (каучуко-полиолефиновая добавка) при оптимальном значении параметра Х1 (вяжущее). Значительный прирост прочности происходит при количестве каучуко-полиолефиновой добавки в пределах 2-4 % и вяжущего 4,75 %. При выдерживании всех этих параметров в пределах границы варьирования наблюдался рост прочностных характеристик с улучшением других физико-механических показателей.

Изоповерхности предела прочности при сжатии образцов после длительного водонасыщения (рис. 3) во многом зависят от адгезионных свойств вяжущего. Анализ изоповерхностей на рисунке 3 показал, что сочетание факторов Х2 и Х3 позволяют повысить прочность образцов после воздействия воды, что улучшает водостойкость смеси.

Прочность при сжатии при 50 0С (рис. 4) – это функция отклика, определяющая работоспособность модифицированных холодных асфальтобетонных смесей при повышенных температурах, то есть его теплостойкость и сдвигоустойчивость. Анализ изоповерхностей на рисунке 4 показывает, что на показатель прочности при сжатии при температуре 50 0С исследуемые факторы влияют следующим образом:

- увеличение процентного содержания вяжущего в составе смеси до определенного предела повышает прочность при 50 0С, а при дальнейшем увеличении понижает;

- увеличение содержания каучуко-полиолефиновой добавки в наибольшей степени повышает прочность;

- изменение процентного содержания адгезионной присадки КАДЭМ-ВТ в сторону ее увеличения незначительно сказывается на прочности при 50 0С

Наибольший эффект достигается при соблюдении всех факторов в следующих границах варьирования: вяжущего в пределах 4,5-4,75 %, каучуко-полиолефиновой добавки более 2 % и адгезионной присадки КАДЭМ-ВТ более 0,4 %.

На рисунке 5 представлены изоповерхности экспериментально-статической модели показателя слеживаемости. Под слеживаемостью холодных асфальтобетонных смесей понимается их способность к самопроизвольному образованию сравнительно прочных связей между частицами или их агрегатами в процессе хранения и транспортирования. Таким образом, соблюдение этого параметра является практически определяющим при приготовлении холодных смесей. Оптимальное содержание трех факторов (вяжущего, каучуко-полиолефиновой добавки и адгезионной присадки) позволяют получать модифицированные холодные смеси, обладающие повышенными физико-механическими свойствами. При более детальном рассмотрении изоповерхностей показателя слеживаемости (рис. 5) видно, что наибольшее влияние на увеличение этого параметра оказывает содержание вяжущего и каучуко-полиолефиновой добавки. При увеличении процентного содержания вяжущего (более 4,875 %) и полимерного модификатора (более 2 %) происходит резкое возрастание слеживаемости. Для правильного приготовления модифицированной холодной асфальтобетонной смеси необходимо ограничить вяжущее 4,875 %, каучуко-полиолефиновую добавку 2 %, при содержании поверхностно-активной присадки КАДЭМ-ВТ 0,4-0,8 %.

На основании полученных данных можно с большой достоверностью и точностью прогнозировать воздействие исследованных факторов на свойства модифицированных холодных асфальтобетонных смесей. Исходя из приведенных исследований, можно сформировать следующие основные принципы подбора компонентного состава холодных смесей и регулирования их свойств:

  • изменяя количество вяжущего можно регулировать водонасыщение, остаточную пористость, в некоторой степени прочность и водостойкость;
  • варьированием количества каучуко-полиолефиновой добавки можно регулировать структуру вяжущего, его прочность, а так же прочность его пленок в структуре смеси. Это происходит за счет улучшения адгезионной и когезионной прочности битумного вяжущего. Данный аспект положительно отражается на всех прочностных показателях;
  • адгезионная присадка повышает водостойкость модифицированной асфальтобетонной смеси.

По результатам анализа изоповерхностей экспериментально- статистической модели основных физико-механических показателей можно сделать вывод, что оптимальным содержанием всех трех компонентов является: вяжущего 4,75 %, каучука – 2,6 - 3,0 % от массы вяжущего и количество адгезионной присадки КАДЭМ-ВТ около 0,4 %.

Таким образом, был получен альтернативный материал горячим и литым смесям, позволяющий проводить круглогодичный ремонт покрытий автомобильных дорог и обладающий повышенными физико-механическими показателями.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Мардиросова И.В., Чернов С.А. Комплексное модифицированное вяжущее для холодных асфальтобетонных смесей / И.В.Мардиросова, С.А.Чернов // научно-технический сборник «Дороги и мосты», выпуск 23/1.- Москва, 2010. – С. 228-237.

2.  Калгин Ю. И. Дорожные битумоминеральные материалы на основе модифицированных битумов: монография / Ю.И. Калгин; Воронеж. гос. архит. –строит. ун-т.- Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2006. – 272 с.

3.  Вознесенский В.А., Выровой В.Н. и др. Современные методы оптимизации композиционных материалов. / Под ред. В.А. Вознесенского.- Киев: Будiвельник, 1983г. – 144 с.

4.  ГОСТ 9128 – 09 Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2010. – 18 с.

5.  ГОСТ 12801 – 98 (с изм. 1. 2002) Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний. – М.: Издательство стандартов, 2003. – 32 с.

REFERENSES

1. Mardirosova I.V., Chernov S.A.complex modified knitting for cold concrite mixes / I.V.Mardirosova, S.A.Chernov//the scientific and technical collection «Roads and bridges», release 23/1. - Moscow, 2010. – 228-237 c.

2. Kalgin J.I. Dorozhnye composite bitumen materials on the basis of the modified bitumens: the monography / J.I.Kalgin; Voronezh. St. architect. – builds. Un y. - Voronezh: Publishing house Voronezh. гос. Un y, 2006. – 272 c.

3. Voznesensky Century А, Vyrovoj V. N, etc. Modern methods of optimization of composite materials. / under the editorship of V.A.Voznesensky. - Kiev: Bydivelnik, 1983. – 144 c.

4. GOST 9128 – 09 Mixes concrite road, air field and an asphalt concrete. Specifications. – M: Standartinfom, 2010. – 18 c.

5. GOST 12801 – 98 (from amendment 1. 2002) Materials on the basis of organic knitting for road and air field building. Test methods. – М: Standards Publishing House, 2003. – 32 c.


Working out of structure of a cold asphalt concrete with use kauchuko-poliolefinovoj and adhesive additives a method of planning of experiment

Ph. D. (in Chemistry) Mardirosova I.V.

Engineer Malovichko J.A.

Engineer Chernov S.A.

Статья посвещена исследованиям по разработке состава холодных асфальтобетонных смесей содержащих каучуко-полиолефиновую добавку и поверхностно-активную присадку КАДЭМ-ВТ.

Представлены результаты исследования влияния варьируемых факторов (вяжущее, каучуко-полиолефиновая добавка и адгезионная присадка КАДЭМ-ВТ) на основные физико-механические свойства холодного асфальтобетона. На основании полученных данных выбран оптимальный состав смеси.

Ключевые слова: холодный асфальтобетон, каучуко-полиолефиновая добавка, трехфакторный эксперимент.

На иностранном языке

The article to researches on working out of structure cold асфальтобетонных mixes containing kauchuko-poliolefinovuju an additive and surface-active additive KADEM-VT.

Results of research of influence of varied factors (knitting, kauchuko-poliolefinovaja an additive and adhesive additive KADEM-VT) on the basic physicomechanical properties of a cold asphalt concrete are presented. On the basis of the received data the optimum structure of a mix is chosen.

Keywords: a cold asphalt concrete, kauchuko-poliolefinovaja an additive, three-factorial experiment.