ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

Асфальтобетоном называется материал, который получается в результате уплотнения асфальтобетонной смеси, приготовленной путем смешения в смесительных установках в нагретом состоянии щебня (гравия) различной крупности, природного или дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума в рационально подобранных соотношениях.

В зависимости от вида каменного материала асфальтобетонные смеси подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

В зависимости от вязкости применяемого битума и температуры укладки в конструктивный слой асфальтобетонные смеси подразделяют на горячие, теплые и холодные.

Горячие смеси готовят на вязких битумах и используют для укладки непосредственно после приготовления при температуре не ниже 120°С.

Теплые смеси готовят как на вязких, так и на жидких битумах и укладывают сразу же после приготовления при температуре не ниже 70°С.

Холодные смеси готовят с использованиемжидких битумов и применяют для укладки при температуре не ниже 5°С. Такие смеси можно хранить на складе втечение 4-8 мес (в зависимости от класса применяемого битума).

Горячие и теплые смеси в зависимости от наибольшего размера зерен минеральных материалов подразделяют на крупнозернистые с размером зерен до 40 мм, мелкозернистые - до 20 мм и песчаные - до5 мм; холодные - на мелкозернистые и песчаные.

Асфальтобетоны из горячих и теплых смесей по величине остаточной пористости делятся на плотные с остаточной пористостью от 2 до 7%, пористые - от 7 до 12% и высокопористые - от 12 до 18%.

Щебеночные и гравийные асфальтобетонные смеси в зависимости от массовой доли щебня или гравия подразделяют на следующие типы; А - от 50 до 65% (только щебня), Б и Б_x от 85 до 50%, В и В_x - от 20 до 35%.

Тип песчаных асфальтобетонных смесей определяется видом песка: Г и Г_x содержат дробленый песок или отсевы дробления, Д и Д_x - природный песок. В состав горячих и теплых смесей типа Г для улучшения удобоукладываемости допускается вводить природный песок в количестве до 30% массы.

Асфальтобетонные смеси, применяемые для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог, аэродромов, покрытий городских улиц и площадей, а дорог промышленных предприятий, должны удовлетворять требованиям ГОСТ 91280-84.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

Битумы.

 Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют вязкие и жидкие нефтяные дорожные битумы, отвечающие требованиям ГОСТ 22248-90 (с изменением № 1).

Для горячих смесей применяют вязкие битумы марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130; для теплых - вязкие битумы марок: БНД 130/200, БНД 200/300, БН 130/200, БН 200/300 и жидкие битумы марок СГ 130/200, МГ 130/200, МГО 130/200; для холодных - жидкие битумы марок СГ 70/130, МГ 70/130, МГО 70/130.

Битумы марок БНД характеризуются более широким температурным интервалом пластичности и более высокой теплостойкостью по сравнению с битумами марок БН, обладают лучшими низкотемпературными свойствами и сцеплением с поверхностью минеральных материалов, но менее устойчивы к старению.

Жидкие битумы марок МГ и СГ, получаемые разжижением вязких битумов жидкими нефтепродуктами определенного фракционного состава, по сравнению с битумами марок МГО, представляющими собой остаточные или частично окисленные нефтепродукты или их смеси, характеризуются более высокой скоростью формирования структуры, постоянством состава и, как правило, достаточно надежным сцеплением с поверхностью минеральных материалов.

 Для обеспечения требуемой долговечности дорожных одежд марку битума необходимо выбирать в зависимости от климатических условий района строительства и категории дороги. Рекомендуемая область применения битумов разных марок при устройстве дорожных одежд приведена в таблице 1.

 

 

Таблица 1

Дорожно-климатическая зона	Экстремальная среднемесячная температура года, °C	Категория автомобильной дороги
		I, II и III-п		III и IV-п		IV
		Марка битума	Тип асфальтобетонной смеси	Марка битума	Тип асфальтобетонной смеси	Марка битума	Тип асфальтобетонной смеси
I	Ниже минус 20 Ниже 10	БНД 60/90	А, Б	БНД 60/90	А, Б	БНД 60/90	Б
		БНД 90/130	А, Б, В, Г	БНД 90/130	А, Б, В, Г, Д	БНД 90/130	Б, В, Д
		БНД 130/200	То же	БНД 130/200	То же	БНД 130/200	То же
		БНД 200/300	“	БНД 200/300	“	БНД 200/300	“
II и III	Минус 20 - минус 10 10 -20	БНД 60/90	“	БНД 60/90	“	БНД 60/90	“
		БНД 90/130	“	БНД 90/130	“	БНД 90/130	“
				БНД 130/200	“	БНД 130/200	“
				БНД 200/300	“	БНД 200/300	“
					“	БН 130/200	Б, В
					“	БН 200/300	То же
II, III и IV	Минус 10 - минус 5 Ниже 25	БНД 40/60	“	БНД 40/60	“	БНД 40/60	Б, В, Д
		БНД 60/90	А, Б, Г	БНД 60/90	“	БНД 60/90	То же
		БНД 90/130	То же	БНД 90/130	“	БНД 90/130	“
				БНД 130/200	А, Б, В, Г	БНД 130/200	Б, В
				БНД 200/300	To же	БНД 200/300	То же
				БН 90/130	“	БН 90/130	“
				БН 130/200	“	БН 130/200	“
				БН 200/300	“	БН 200/300	“
IV и V	Выше минус 5 Выше 20	БНД 40/60	“	БНД 40/60	“	БНД 40/60	Б, В, Д
		БНД 60/90	“	БНД 60/90	“	БНД 60/90	То же
		БН 40/60*)	“	БНД 90/130	А, Б, Г	БНД 90/130	Б, В
		БН 60/90	“	БН 40/60*)	А, Б, В, Г	БН 40/60*)	Б, В, Д
				БН 60/90	А, Б, Г	БН 60/90	Б, В
						БН 90/130	Б

^*) Битумы, приготовленные на собственные окислительных установках, при наличии ТУ на указанную марку.

Примечание. Над чертой приведены значенияминимальнойтемпературы, под чертой - максимальной.

 При строительстве покрытий на взлетно-посадочных полосах и магистральных рулежных дорожках аэродромов применяют битумы с глубиной проникания иглы при 25°С менее 1300,1 мм. Рекомендуемая область их применения в зависимости от дорожно-климатической зоны и категории нормативной нагрузки приведена в таблице 2.

 Вязкие дорожные битумы выпускают нефтеперерабатывающие заводы и локальные (например, бескомпрессорные типа Т-309) установки, имеющиеся в дорожно-строительных организациях.

Таблица 2

Марка битума	Дорожно-климатическая зона	Марка смеси, применяемая в зависимости от категории нормативной нагрузки
		I-III	IV	V
БНД 40/60	IV-V	I	II	III
БНД 60/90	II-V	I	II	III
БН 60/90	II-III	-	II	III
	IV-V	I	II	III
БНД 90/130	I-III	I	II	III
	IV	-	II	III
БН 90/130	II-III		II	III
	IV	-	-	III

 В основу бес компрессорного способа производства битума положен принцип самовсасывания воздуха и его распыления в окисляемой среде с помощью диспертаторов специальной конструкции. Качество битумов в значительной степени определяется свойствами битумного сырья по ТУ 38 101582-75 (с изменениями № 1 и 2). Требования к сырью для производства вязких дорожных битумов приведены в таблице 3.

При использовании сырья марок СБ высшей категории возможно получение битумов марок БНД, сырья марок СБ - как правило, БН.

Температурный режим окисления, составляет 180-240°С и подбирается в каждом конкретном случае. Снижение температуры окисления ниже минимального предела приводит к уменьшению производительности, а превышение максимального предела - к ухудшению качества битумов и повышению пожаро- и взрывоопасности.

Увеличение скорости подачи воздуха повышает производительность установки, практически не оказывая влияния на качество битума.

В процессе окисления необходимо контролировать температуру размягчения полупродукта, В конечной пробе перед подачей битума в приемные емкости определяют глубину проникания иглы при 25°С.

Качество всей партии готового битума контролируют по ГОСТ 22245-90

Таблица 3

Показатель	Значение показателя для сырья марок		Метод испытания
	СБ высшей категории	СБ
Вязкость условная при 80°С (диаметр отверстия 5 мм), с	20-40	41-60	ГОСТ 1153-04
Температура вспышки, °С, не ниже	190	200	ГОСТ 4333-87
Содержание воды	Следы	Следы	ГОСТ 2477-65
Плотность, кг/м3	(0,97-0,99)´103	(0,98¸1,0)´103	ГОСТ 3900-85

 

Жидкие битумы чаще всего выпускают на нефтеперерабатывающих заводах; хранят битумы классов СГ и МГ в герметично закрытых емкостях, а класса МГО - в битумохранилищах закрытого типа.

В исключительных случаях при отсутствии битумов промышленного производства жидкие битумы классов СГ и МГ могут быть приготовлены разжижением вязких битумов марок БНД 40/60 или БНД 60/90 жидкими нефтепродуктами определенного фракционного состава, регламентируемого ГОСТ 11955-82, и добавлением поверхностно-активных веществ (ПАВ), обеспечивающих сцепление с поверхностью минеральных материалов. Для получения битумов класса СГ в качестве разжижителя может быть использован керосин технический по ОСТ 38.01408-86, битумов класса МГ - топливо дизельное летнее (Л) и зимнее (3), а также топливо дизельное арктическое (А) по ГОСТ 305-82. Необходимым условием для использования указанных продуктов является соответствие их фракционного состава требованиям ГОСТ 11955-82.

Соотношение битума и разжижителя, а также оптимальное количество ПАВ устанавливают предварительно влаборатории. Ориентировочное количество разжижителя для получения жидких битумов разных марок приведено в таблице 4.

Таблица 4

Требуемая марка битума	Марка исходного битума	Количество разжижителя, % массы исходного битума
		керосина для технических целей	дизельного топлива З, Л и А
СГ 130/200	БНД 40/60	14-18	-
	БНД 60/90	12-16	-
СГ 70/130	БНД 40/60	16-20	-
	БНД 60/90	14-17	-
МГ 130/200	БНД 40/60	-	17-23
	БНД 60/90	-	14-18
МГ 70/130	БНД 40/60	-	19-25
	БНД 60/90	-	16-20
БНД 200/300	БНД 60/90	4-7	5-8
	БНД 90/130	3-5	4-7
БНД 130/200	БНД 60/90	4-6	4-6
	БНД 90/130	3-4	3-5

 

Жидкие битумы готовят в отдельном битумном котле, оборудованном пароподогревом. Котел заполняют на 0,7 объема обезвоженным вязким битумом, нагретым до температуры 90-110°С; затем в вязкий битум при постоянном перемешивании вводят небольшими порциями холодный разжижитель и подогрев котла отключают. Перемешивание осуществляют циркуляцией смеси с помощью битумного насоса или другим способом до получения однородного материала.

При введении в разжиженный битум ПАВ следует руководствоваться положениями пп. 2.22-2.25.

Свойства приготовленных разжиженных битумов должны соответствовать требованиям ГОСТ 11955-82.

Оборудование для приготовления разжиженных вяжущих с использованием разжижителей с температурой вспышки ниже температур приготовления вяжущих и смесей должно быть освидетельствовано и принято органами Госпожнадзора, а на проведение работ должно быть получено разрешение.

Разжиженные битумы, приготовленные на АБЗ, рекомендуется использовать в течение 1-2 смен.

В некоторых случаях путем разжижения могут быть получены битумы марок БНД 130/200 и БНД 200/300. Для этого в вязкие битумы БНД 40/60, БНД 60/90 или БНД 90/130 вводят разжижители, рекомендуемые для битумов класса СГ и МГ (см. табл.4), а также масла: каменноугольное в количестве 5-12% и сланцевое - 4-10%. Полученные битумы должны удовлетворять требованиям ГОСТ 22245-90 на соответствующую марку.

Щебень и гравий.

Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют щебень, получаемый дроблением массивных горных пород, гравия и шлаков, отвечающий требованиям ГОСТ 8267-82, ГОСТ 10260-82 и гравий, соответствующий ГОСТ 8288-82. Кроме того, в асфальтобетонной смеси используют различные нестандартные местные каменные материалы, отвечающие требованиям нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке. Такими материалами могут быть отходы горнорудного производства, щебень из битумосодержащих пород и т.п.

Основным качественным показателем щебня или гравия является прочность при раздавливании в цилиндре. Прочность применяемого щебня в соответствии с ГОСТ 9128-84 регламентируется в зависимости от марки, типа и вида асфальтобетонной смеси. Помимо высокопрочных горных пород, можно использовать для асфальтобетонной смеси малопрочный, как правило известняковый, щебень (марки 300-400), предварительно обработанный смесью битума с ПАВ анионного типа. Соотношение битума и ПАВ подбирается в каждом конкретном случае из условий достижения показателей свойств асфальтобетона, соответствующих требованиям стандарта, и колеблется в пределах 2:1 - 6:1. Общее количество смеси составляет 2-3% массы минерального материала в зависимости от его крупности и пористости.

Зерна щебня должны быть кубовидной или тетраэдральной формы. Щебень с зернами игольчатой и лещадной формы обладает высокой дробимостью при уплотнении. Так как в асфальтобетонах из смесей типов А и Б основную нагрузку несет щебень, содержание которого составляет до 65%, количество зерен игольчатой и лещадной формы в них ограничивается до 15 и 25% соответственно.

Форма зерен оказывает значительное влияние на сдвигоустойчивость асфальтобетона: чем меньше окатаны зерна щебня, тем выше сдвигоустойчивость. В связи с этим в асфальтобетонных смесях 1 марки, предназначенных для устройства покрытий на дорогах высоких категорий, не допускается применение недробленого гравия.

Важным свойством щебня, определяющим износостойкость асфальтобетона, является его структура. Так, щебень из горных пород мелкозернистой кристаллической структуры обладает более высокой износостойкостью, что позволяет дольше сохранить шероховатость асфальтобетонных покрытий.

Водо- и морозостойкость асфальтобетона во многом определяется сцеплением битума споверхностьюминерального материала, в том числе и щебня; лучшее сцепление наблюдается со щебнем из основных и ультраосновных изверженных горных пород и со щебнем из карбонатных осадочных пород.

Однако щебень из карбонатных горных пород отличается высокой степенью шлифуемости, поэтому при использовании его для верхних слоев покрытия необходимо предусмотреть специальные мероприятия по повышению сцепления колеса автомобиля с поверхностью дороги (поверхностную обработку, втапливание черного щебня из трудно шлифуемых горных пород и т.п.).

Песок.

При приготовлении асфальтобетонных смесей применяют пески природные и дробленые, отвечающие требованиям ГОСТ 8736-85, а также шлаковые по ГОСТ 3344-83.

В качестве песка применяют также материалы из отсевов дробления изверженных горных пород (ГОСТ 26193-84), осадочных горных пород (ГОСТ 26873-86), гравия и битумосодержащих пород, отвечающие требованиям нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Дробленые пески и материалы из отсевов дробления различаются содержанием зерен мельче 0,16 мм: в отсевах дробления таких зерен в 2-3 раза больше, чем в дробленом песке. Однако если отсевы дробления подвергнуть обогащению (мойке, сортировке и т.п.), то они могут отвечать требованиям стандарта к дробленым пескам.

Качество песка оказывает значительное влияние на свойства асфальтобетона. Так, применение дробленого песка или материалов из отсевов дробления существенно повышает сдвигоустойчивость покрытий.

Кроме того, асфальтобетонные покрытия, устроенные с использованием дробленых песков или материалов из отсевов дробления изверженных горных пород, отличаются высокой и длительно сохраняющейся шероховатостью. В связи с этим в асфальтобетонных смесях типа Г, применяемых на дорогах высоких категорий, следует использовать только пески из изверженных горных пород.

Вместе с тем применение дробленых песков или отсевов дробления изверженных горных пород (особенно в асфальтобетонных смесях типа Г) может привести к ухудшению удобоукладываемости и уплотняемости смесей, снижению коэффициента водостойкости асфальтобетонов. Для улучшения технологических свойств таких смесей рекомендуется вводить в их состав до 30% природного песка, для повышения водостойкости асфальтобетонов - применять ПАВ, активированные минеральные порошки, гидратную известь, добавки дегтя и другие активаторы.

Минеральный порошок.

Для приготовления асфальтобетонных смесей используют активированные и неактивированные минеральные порошки (ГОСТ 16557-78), получаемые путем измельчения карбонатных горных пород - известняков, доломитов, доломитизированных известняков, известняков-ракушечников и др.

Кроме того, в качестве минеральных порошков используют порошковые отходы промышленности: пыль уноса цементных заводов, золу уноса и золошлаковые смеси ТЭС, отходы асбошиферного производства, ферро пыль, флотохвосты и пр.

Порошковые отходы промышленности не должны содержать загрязняющих примесей (строительный мусор, грунт и пр.). Показатели свойств измельченных основных металлургических шлаков, зол уноса и золошлаковых смесей, а также пыли уноса цементных заводов должны отвечать требованиям ГОСТ 9128-74, показатели свойств других порошковых отходов - требованиям технических условий, утвержденных в установленном порядке.

Необходимо учитывать, что для многих порошковых отходов промышленности характерна чрезмерно высокая степень измельчения (удельная поверхность до 6-8 тыс. см на 1 г), что обусловливает повышенную пористость таких порошков и увеличение содержания битума в асфальтобетонных смесях.

Таблица 5

Вид минерального порошка	Горячие и теплые смеси					Холодные смеси марок
	плотные марок			пористые и высоко пористые марок
	I	II	III	I	II	I	II
Активированные и неактивированные минеральные порошки из карбонатных горных пород	+	+	+	+	+	+	+
Измельченные основные металлургические и фосфорные шлаки		+	+	+	+		+
Порошковые отходы промышленности	-	-	+	+	+	-	-

 

Испытывают минеральные порошки и порошковые отходы по ГОСТ 12784-84

Выбор минеральных порошкови их заменителей в зависимости от вида и марки смесей осуществляют в соответствии с ГОСТ  9128-84 и таблице 5.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Один из способов улучшения свойств минеральных материалов, входящих в состав асфальтобетонных смесей - их физико-химическая активация.

Сущность активации заключается в том, что процесс измельчения, дробления или обдира зерен минерального материала сопровождается обработкой смесью ПАВ с битумом или другим активатором. Между ПАВ (или активатором) и свежеобразованной минеральной поверхностью возникают прочные связи. В результате минеральная гидрофильная поверхность превращается в гидрофобную и условия взаимодействия ее с битумом улучшаются. Наибольший эффект достигается при физико-химической активации минеральных порошков, так как этот компонент асфальтобетонной смеси имеет наиболее развитую удельную поверхность (около 4000 см²/г) и является более однородным по химическому и минералогическому составам.

Благодаря такому изменению свойств поверхности зерен активированные минеральные порошки лучше смачиваются битумом и не смачиваются водой, не агрегируются при хранении и транспортировании, обладают пониженной пористостью и битумоемкостью.

Высокое качество активированных, минеральных порошков обеспечивает возможность приготовления асфальтобетонов с повышенной плотностью, прочностью, водо- и морозостойкостью, а в некоторых случаях - с повышенной сдвигоустойчивостью и трещиностойкостью.

Холодные асфальтобетонные смеси на активированном минеральном порошке не слеживаются при хранении; покрытия из таких смесей формируются быстрее под движением автомобилей.

Расход битума для приготовления таких смесей на 10-20% меньше, чем смесей на неактивированном порошке.

Применение активированных минеральных порошков позволяет получить асфальтобетоны с наибольшим количеством замкнутых пор, что обусловливает более низкие водонасыщение при заданной остаточной пористость и водопроницаемость покрытия.

Приготовление, укладку и уплотнение асфальтобетонных смесей на активированном минеральном порошке осуществляют при сниженной (по сравнению со СНиПом) на 20°С температуре.

Сырьем для приготовления активированных минеральных порошков могут служить отсевы, получаемые после первичного или последующих стадий дробления карбонатных горных пород при производстве щебня, или щебень, отвечающие требованиям ГОСТ 16667-78.

Активирующая смесь должна состоять из битума и ПАВ анионного типа в соотношении, указанном в ГОСТ-16557-78. Общее количество активирующей смеси должно составлять 1,5-2,5% массы минерального материала.

Производство активированного порошка включает следующие процессы:

- сушку минерального материала (сырья) в сушильных барабанах;

- подогрев до рабочих температур битума и ПАВ;

- приготовление активирующей смеси;

- дозирование просушенного минерального материала и активирующей смеси;

- перемешивание минерального материала с активирующей смесью в мешалках любого типа (предпочтительно в лопастных);

- подачу минерального материала, объединенного с активирующей смесью, в помольную установку;

- измельчение минерального материала до требуемой тонкости помола;

- подачу готового активированного минерального порошка в накопительные бункеры или на склад (силосного или бункерного типа).

Технологическая схема установки для приготовления активированного минерального порошка приведена на рисунке 1.

В комплект установок для производства активированного минерального порошка могут также входить молотковые или валковые дробилки для предварительного дробления известнякового щебня перед просушиванием. Необходимость в них возникает, если измельчаемый материал обладает высокой прочностью.

Для получения активированного дробленого гравия процесс дробления совмещают с обработкой активирующей смесью. В результате избирательного дробления (в большей степени измельчаются слабые зерна) и обработки свежеобразующихся минеральных поверхностей активирующей смесью получается качественно новый материал, в котором изменены зерновой состав, форма зерен и свойстваих поверхности. АБЗ необходимо дооборудовать специальными агрегатами для приготовления активирующей смеси и молотковой дробилкой, включаемой в общую технологическую схему приготовления асфальтобетонной смеси между сушильным барабаном и горячим элеватором.

Для физико-химической активации продуктов дробления гравия применяют смесь битума с катионными ПАВ в соотношении 1:5 - 1:10; общее количество активирующей смеси составляет 1,5-2,5% массы гравия.

 

 

Рис. 1. Технологическая схема установки для приготовления активированного минерального порошка:

1 - транспортер для подачи отсева или щебня в накопительный бункер; 2 - накопительный бункер; 3 - транспортёр для питания сушильного барабана; 4 - емкость для объемного дозирования; 5 - сушильно-смесительный агрегат; 6 - дозировочный бачок для активирующей смеси; 7 - транспортер для подачи материала в накопительный бункер; 8 - накопительный бункер; 9 - питатель; 10 - шаровая мельница;11 - элеватор для готового минерального порошка; 12 - раздаточный бункер;13 - шнек для загрузки транспортныхсредств.

 

Асфальтобетон, приготовленный с применением активированного дробленого гравия, обладает более высокой тепло-, водо- и морозостойкостью.

Активация природного песка достигается обработкой его известью-пушонкой (активатором) в процессе механического воздействия в виброшаровых мельницах. Благодаря изменению формы зерен и активации вновь образующихся поверхностей взаимодействие активированных песков с битумом улучшается, и асфальтобетон на их основе отличается более высокой сдвигоустойчивостью и коррозионной стойкостью.

Установку для активации песка комплектуют из выпускаемых серийно агрегатов и машин и включают в общую технологическую линию для приготовления асфальтобетонных смесей.