Заполняющие компоненты в иск на основе органических вяжущих веществ

 

Для производства асфальтового бетона используются крупно- и мелкозернистые заполнители, т. е. щебень или гравий и песок.

Щебень изготовляют из прочных морозостойких невыветрелых горных пород магматического, осадочного или метаморфического происхождения, а также некоторых разновидностей атмосферных и прочных шлаков. Чаще других пород употребляют граниты, габ­бро, диабаз, базальт, андезиты, гнейс, трахиты, известняки и доло­миты. Предпочтительнее применять изверженные основные породы, а из шлаков — доменные и цветной металлургии, если последние не вызывают экологических сомнений в их качестве и составе. Не при­меняются горные породы выветрелые и затронутые выветриванием, со значительным содержанием глинистых примесей — мергели и мергелистые известняки, глинистые песчаники и глинистые сланцы. В щебне не допускается глинистых и пылеватых фракций свыше 2% по массе, тем более комков глины, суглинка и других загрязняющих веществ. Ограничивается применение метаморфических пород, так как кварцит нуждается в добавлении извести, цемента или других активизаторов, без которых он показывает слабое сцепление с биту­мом, а гнейсы и сланцы дают при дроблении в щебень повышенное количество плоской щебенки (лещадки), мрамор — дорогостоящий сырьевой материал, используемый в декоративном строительстве. Из осадочных пород распространены в производстве асфальтового бетона гравийные материалы в дробленом состоянии, из скальных пород — известняк.

Горные породы магматического и метаморфического происхож­дения принимаются с пределом прочности при сжатии в водонасы-щенном состоянии не менее 100 МПа, а осадочные породы и домен­ные шлаки — не менее 80 МПа. Для нижнего слоя дорожных покрытий требования к прочности камня снижаются на 20—25%. Важно, чтобы щебень был однородным по прочности и содержал щебенок пластинчатых (лещадки) и игольчатых (пальцы) с отноше­нием взаимно перпендикулярных измерений больше 2 не более 15% по массе для верхнего и 25% — для нижнего слоев асфальтового бе­тона в покрытии.

Независимо от происхождения горной породы щебень из нее должен выдерживать не менее 50 циклов испытания на морозостой­кость для верхнего и 25 — для нижнего слоев покрытия, причем по­теря в массе допускается соответственно не более 5 и 10%. Щебень должен быть по возможности кубической формы, что зависит не то­лько от структуры и сложения пород, но и от режима дробления камня. Рекомендуется двух- или трехступенчатое дробление с завер­шающим пропуском материала через щековую дробилку с шириной щели, равной максимальному размеру щебня. Крупность щебня обычно находится в пределах от 3—5 до 40 мм; для верхнего слоя покрытия она ограничивается более узким интервалом фракций.

Гравий, как правило, неоднороден по минералогическому соста­ву и вследствие гладкой поверхности или утраты своей свежести дает слабое сцепление с асфальтовым вяжущим веществом. Поэтому принято не менее 50% гравия дробить перед применением его в со­ставе асфальтобетона. Кремнистых частиц в щебне, полученном дроблением гравия, должно содержаться не более 25%, а зерен сла­бых пород — не более 10% по массе.

В целях обеспечения однородного гранулометрического состава щебень или дробленый гравий при хранении сортируется по фрак­циям: 20—40; 10—20; 5(3)—10 мм.

В соответствии с теорией ИСК допускается понижать предел прочности камня для заполнителя в асфальтовом бетоне. Минима­льный уровень ее зависит от расчетной прочности асфальтового вя­жущего вещества оптимальной структуры (R') при Б*/П, (где Б — количество битума, П — количество минерального порошка по мас­се), которая составляет верхний предел прочности камня. Нижний ее предел устанавливают по реальному отношению Б/П в асфальто­бетоне. И тогда требуется тщательная проверка асфальтового бето­на на полный комплекс показателей его физико-механических свойств. Переход к низкопрочным породам камня связан не с кажу­щимся упрочнением камня под влиянием органического вяжущего вещества, а со снижением внутреннего напряжения (релаксацией) в пленках битума или прослойках асфальтового вяжущего вещества. На щебень передаются пониженные напряжения по сравнению с ре­ально приложенными. По этой причине при низкой прочности кам­ня всегда предпочтительнее асфальтовые бетоны порфировой опти­мальной структуры, когда асфальтовяжущее вещество особенно рельефно выступает как матричная часть в виде каркаса.

Песок применяют природный и искусственного дробления; из природных песков — горные, речные, морские, озерные и др. Всегда желательно использовать пески с более остроугольными частицами, поэтому чаще — горные, предварительно разделенные по фракци­ям, а затем получаемые смешением отдельных фракций в определен­ных соотношениях (по массе), найденных опытным путем. Пески разделяют на две фракции: крупную и мелкую. За граничную фрак­цию при разделении песка принимается либо 1,25 мм, либо 0,63 мм в зависимости от крупности этого материала. Модуль крупности пес­ка должен быть по возможности выше 2,5; содержание зерен круп­нее 0,63 мм — не менее 50%. Но могут использоваться пески и сред­ней крупности с модулем крупности 2,5—2,0 с содержанием зерен крупнее 0,63 мм в количестве 35—50% по массе.

Дробленый песок получают из невыветрелых и, по возможно­сти, некарбонатных горных пород, или кристаллических металлур­гических шлаков, имеющих прочность не ниже прочности щебня, применяемого в асфальтовом бетоне. В дробленом песке рекомен­дуется иметь не менее 25% по массе фракции 0,63—2 мм, что регу­лируется добавлением высевок от отходов камнедробления. В про­цессе проектирования оптимального состава асфальтового бетона может быть обосновано применение некоторой доли мелких пес­ков с модулем крупности, меньшим 2,0. Максимальный размер зе­рен песка 3 или 5 мм. Гранулометрический состав песков опреде­ляют просеиванием через сита с размером отверстий 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,30; 0,14 мм.

Сквозь сито с отверстиями 0,14 мм (сито № 014) должно прохо­дить не более 15% принятой пробы. В песке не допускается комков глины, суглинков, а количество пылевидных, глинистых и илистых примесей допускается не более 3% от массы природного песка и не более 5% от массы дробленого песка. Эти требования стандарта проверяют методами отмучивания песка в воде.

Качество песков, особенно мелких, повышают предварительной физико-химической активацией. С этой целью производят механическое перемешивание песка с известью, вносимой в количестве 2,5—5% по массе. Такая операция неизбежно сопровождается осве­жением частиц песка без заметного их доизмельчения. Использова­ние активированного песка, по данным Л.Б. Гезенцвея, особенно целесообразно при производстве мелкозернистого (песчаного) асфа­льтового бетона.

В процессе перемешивания компонентов иногда вводят поверх­ностно-активные добавки в количестве 0,2—0,5% (редко до 1,0%) от массы минерального материала. Добавки могут быть: анионоактив-ными веществами — ферролигносульфонат, нафтенаты меди или алюминия; катионоактивными веществами — жирные высшие ами­ны, четырехзамещенные соли аммония, катонин и др.

ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ИСК НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

 

АСФАЛЬТОВЫЕ БЕТОНЫ

 

Асфальтовый бетон (асфальтобетон) — строительный материал, получаемый в результате отвердевания уплотненной рационально подобранной смеси, состоящей из асфальтового вяжущего вещества и заполняющих компонентов. При отсутствии в смеси крупного запол­нителя — щебня или гравия — получаемый строительный конгломе­рат именуется песчаным асфальтом или асфальтовым раствором. Асфальтовые бетоны и растворы используют в строительстве при возведении магистральных, городских, аэродромных, дорожных, кровельных и других покрытий, гидротехнических, мостовых, про­мышленных, жилищно-гражданских и иных зданий и сооружений. В зависимости от температуры укладки асфальтобетонной массы раз­личают асфальтобетоны горячие, теплые и холодные. Соответственно используют битумные материалы более вязкие при горячем асфальто­бетоне, более мягкие с повышенной пенетрацией — при теплом и жид­кие, высокоподвижные битумы или битумные эмульсии — при холодном асфальтобетоне. Горячие и теплые асфальтобетоны подраз­деляют на плотные с остаточной пористостью от 2 до 7% и пористые— для нижних слоев покрытий и основания — с пористостью 7—12% и высокопористые с пористостью 12—18%.

По технологическому признаку асфальтобетонной массы в про­цессе ее укладки и уплотнения асфальтобетоны и растворы могут быть жесткими, пластичными и литыми. Для уплотнения жестких и пластичных масс используют тяжелые и средние катки; литую асфальтобетонную массу уплотняют специальными валками, легкими катками или приглаживанием укладочными машинами. С увеличени­ем пластичности массы, определяемой на приборе удобообрабатываемости конструкции И.А. Рыбьева (рис. 10.4), снижается расход энергии, затрачиваемой на уплотнение смеси. Однако появляется тенденция к понижению прочности готового покры­тия, возрастает способность его к плас­тическим деформациям, особенно при нарушенной оптимальной структуре ас­фальтобетона.

 

Рис. 10.4. Прибор для опре­деления удобообрабатываемости асфальтобетонной массы (конструкция И.А. Рыбьева): 1 — конус; 2 — форма с испытуе­мой массой; 3 — вибратор; 4 — на­сыпной груз

 

Производство асфальтобетонной мас­сы осуществляется на специальных заво­дах: стационарных и временных. Стаци­онарный асфальтобетонный завод (АБЗ) выпускает массу в больших количествах и предназначен для строительства асфа­льтобетонных покрытий на крупных и густо сконцентрированных строитель­ных объектах, работы на которых вы­полняют в течение нескольких лет, на­пример АБЗ для строительства город­ских дорожных покрытий. Временные АБЗ предназначены для обслуживания асфальтобетонной массой небольших объектов или крупных, но сильно растя­нутых в одном направлении, — магист­ральных автомобильных дорог и др.

Заводы по производству горячей (она является основной продукцией за­водов) асфальтобетонной массы относятся к высокомеханизирован­ным предприятиям. На современных заводах достигнута не только полная механизация, но и автоматизация основных технологиче­ских операций. В состав завода входят: смесительный цех, машины и оборудование которого предназначены для приготовления асфа­льтобетонной массы, дробильно-сортировочный цех для изготовле­ния щебня и его фракционирования, помольный цех для изго­товления минерального порошка, цех битумного хозяйства, энергосиловое и паросиловое отделения, складское хозяйство, ремонтно-механические мастерские и лаборатория при отделе техни­ческого контроля качества. Современные заводы, в целях избежания излишней запыленности территории, ориентируются на централизи-рованное снабжение их материалами с каменно-заготовительных и нефтяных баз. Основная операция технологии — смешение исход­ных и подготовленных материалов, принимаемых в определенных количествах по проектному составу. Температура выпускаемой из смесительного аппарата массы 150—180°С или ниже у теплых и холодных масс. На рис. 10.5 показана технологическая схема меха­нической (смесительной) установки ДС-84-2. Иногда в состав асфальтобетонной массы одновременно с битумом вводят поверхност­но-активную добавку, дозируемую с помощью специального дозатора.

 

Рис. 10.5. Технологическая схема производства асфальтобетонной массы:

1 — агрегат пылеулавливания; 2 — агрегат минерального порошка; 3 — битумоплавильный агрегат; 4 — агрегат питания; 5 — сушильный аг­регат; 6 — смесительный агрегат; 7 — накопительный бункер

 

Наиболее часто используют лопастные смесители. Быстрое пере­мешивание в смесителях этого типа достигается при турбулент­но-вращательном движении массы за счет повышенной частоты вращения валов лопастей мешалки — до 200 об/мин вместо обыч­ных 70—80 об/мин при производительности от 50 до 120 т/ч. Облег­чает и ускоряет перемешивание песчаной асфальтобетонной массы предварительное активирование минерального порошка или введе­ние активных добавок непосредственно в смеситель в период пере­мешивания. Вследствие большого количества кварцевого песка в массе благоприятное влияние приносит добавление извести-пушон­ки в количестве 3—4% массы минерального порошка. Чтобы не остудить асфальтобетонную массу в пути следования к месту ее укладки, особенно в холодную и ветреную погоду или при большой дальности перевозки (более 20 км), кузов автомобиля-самосвала ре­комендуется покрывать брезентом, матами, деревянными щитами или оборудовать двойными стенками для обогрева выхлопными га­зами. Температуру массы, прибывшей на строительный объект, кон­тролируют не менее чем в трех точках кузова на глубине 10—15 см от поверхности.

Укладывают горячую массу механическими укладчиками, а при устройстве покрытий на большой площади или при большой шири­не проезжей части (покрытия) — двумя или более асфальтоукладчи­ками одновременно. Чем выше температура воздуха и лучше учас­ток защищен от ветра, тем больше длина укладываемой полосы. Так, например, при температуре более +25°С и хорошей защите от ветра длина полос составляет 100—200 м, при +5—10°С она состав­ляет 25—60 м. Самый распространенный способ уплотнения распре­деленной горячей массы при больших масштабах строительства до­рожных и аэродромных покрытий — укатка катками (статического действия, вибрационными, пневмоколесными), а в помещениях — площадочными вибраторами. Первичное уплотнение уложенного слоя производится трамбующим брусом асфальтоукладчика. Моно­литный асфальтобетон в покрытии должен удовлетворять опреде­ленным техническим требованиям.

Отвердевший и готовый к эксплуатации в покрытиях горячий асфальтобетон характеризуется, подобно другим ИСК, своей струк­турой и свойствами.

Структура асфальтобетона (рис. 10.6) состоит из заполняющей смеси щебня (или гравия) и песка, скрепленной в монолит матрич­ным асфальтовяжущим веществом. Микроструктура вяжущей части характеризуется непрерывной пространственной сеткой связующего вещества (битума) и дискретными частицами минерального порошка, выполняющего роль асфаль­тирующей добавки. Структура асфальтобетона, как и других ИСК, включает также поры и контактные зоны. В зависимости от соотношения масс составляющих материалов асфальтовый бетон может иметь порфировую, контактную и законтактную структуры, каждая из которыхпри высоком качестве этого ма­териала должна быть оптималь­ной. Последняя естественно от­ражает своеобразие принятых технологических параметров, режимов изготовления этой продук­ции при принятых исходных материалах.

 

Рис. 10.6. Конгломератная структура асфальтового бетона

 

В теории ИСК предпочтение отдается общему методу проекти­рования состава асфальтобетона. Он обеспечивает получение необ­ходимого материала не только с заданными показателями свойств, но и с их экстремальными числовыми значениями. Приходится учитывать, что реальные свойства асфальтобетона не остаются по­стоянными, так как внешние условия могут быстро изменяться, а вместе с ними должны изменяться и свойства покрытия из асфаль­тового бетона. При обычной температуре (20—25°С) четко прояв­ляются упруго- и эластичновязкие его свойства, при повышенных температурах — вязкопластические, а при пониженных, отрицате­льных температурах асфальтобетон становится упругохрупким те­лом. Но он чувствительно реагирует не только на колебания тем­пературы (7°), но также на изменение скорости (ν) приложения механических усилий (нагрузки) или скорости деформирования. Чем выше значения v, тем при более высоких напряжениях разру­шается асфальтобетон. Обе зависимости отражены в обобщенной формуле (10.1) прочности этого материала, которая адекватна (3.12) в теории ИСК:

(10.1)

Однако прочность этого конгломерата оптимальной структуры зависит как от концентрации (Б/П), что выражено в формуле (10.1) в виде симплекса так и от количества этого вяжущего вещества, т. е. от Б+П в процентах от общей массы асфальтобетона или в до­лях единицы. Эта зависимость наиболее ярко проявляется в про­странственной системе координат xyz. При оптимальной структуре, подобно другим конгломератам, прочность асфальтобетона в этой координатной системе на плоскости у —z равна:

(10.2)

а общая формула — после объединения полученных зависимостей на плоскостях х — у и у —z

(10.3)

В формуле (10.3) показатели степени пит зависят от качества заполнителей и их смеси (песок + щебень). Величина пористости при плотных оптимальных структурах составляет 1—3%, a k_П принимается обычно равным единице.

Для перехода к другим Т° и ν необходимо при пересчете исхо­дить из формулы (10.1). Битум модифицированный, т. е. с добавка­ми (каучуком, резиной, полимерами и пр.), обозначается в этих фор­мулах Б_мд.

В производственных работах обычно механическую прочность асфальтобетона характеризуют пределом прочности при сжатии стандартных образцов, испытанных при заданных температуре и скорости приложения нагрузки. При одноосном сжатии предел прочности асфальтобетона определяют на цилиндрических образ­цах, размерами (диаметр и высота) 50,5x50,5 или 71,4x71,4 мм (в за­висимости от крупности минерального заполнителя). Испытания проводят при температурах 20, 50, 0°С и скорости приложения на­грузки, равной 3 мм/мин.

При температуре 20°С предел прочности при сжатии асфальто­бетона составляет около 2,5 МПа, а при растяжении — в 6—8 раз меньше. С понижением температуры предел прочности при сжатии возрастает (до 15—20 МПа при -15°С), а с повышением — снижает­ся (до 1,0—1,2 МПа при +50°С).

Из других технических характеристик следует отметить износо-и водостойкость. Износостойкость определяют по потере массы образцов, испытываемых на кругах истирания или в барабанах (с определением износа). Горячий асфальтобетон в дорожных по­крытиях изнашивается в пределах 0,2—1,5 мм в год. Водостойкость характеризуют величиной набухания и коэффициентом водостойко­сти, равным отношению пределов прочности при сжатии образцов в водонасыщенном и сухом состояниях при температуре 20°С. Он должен быть в пределах 0,6—0,9; величина набухания в воде не бо­лее 0,5% (по объему).