Разработка сдвигоустойчивых композиционных асфальтобетонных материалов для покрытий дорог путем механохимической модификации органоминеральных компонентов

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследований впервые разработанных эффективных составов композиционных материалов, наполненных механоактивированными природными песками и другими ингредиентами, позволяющие повышению прочностных свойств, теплостойкости, устойчивости на сдвиг, трещиностойкости и в целом работоспособности и долговечности асфальтобетонных композиционных покрытий дорог.

ABSTRACT

The article presents the results of studies of the first developed effective compositions of composite materials filled with mechanically activated natural sands and other ingredients, which increase the strength properties, heat resistance, shear stability and crack resistance and, in general, the performance and durability of asphalt composite road surfaces.

Ключевые слова: Физико-механические свойства, теплостойкость, композиция, наполнители, речные и барханные пески механоактивация ингредиентов, сдвиг устойчивость, трещин стойкость, работоспособность, долговечность, асфальтобетонные композиции.

Keywords: Physical and mechanical properties, heat resistance, composition, fillers, river and dune sands, mechanical activation of ingredients, shear stability, crack resistance, performance, durability, asphalt concrete compositions.

Введение. В настоящее время в мировом масштабе главенствующее положение отводится автомобильным дорогам, по которым перевозится 90% народнохозяйственных грузов, более 95% пассажиров от всего объёма перевозок, осуществляемых всеми видами транспорта. Поэтому особое внимание уделяется созданию деформационно-, сдвиго- и трещиноустойчивых композиционных материалов, повышающих качество автомобильных дорог и улучшающих техническое состояние транспортной сети и развитие транспортных коммуникаций.

С момента обретения независимости нашей Республикой проведены масштабные мероприятия и достигнуты определенные результаты по улучшению состояния дорог и развитию инфраструктуры дорожного транспорта. Следует отметить, что несмотря на достаточность сырьевых ресурсов, полученные деформационно-сдвигоусточивые асфальтобетонные материалы не отвечают соответствующим требованиям сегодняшнего дня. В четвертом направлении программы Стратегических действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан отмечены важные задачи по поощрению научно-исследовательской и инновационной деятельности, созданию эффективных механизмов, направленных на практическое внедрение научных и инновационных успехов. В этом аспекте разработка деформационно-сдвигоустойчивых композиционных асфальтобетонных материалов для покрытий дорог путем механохимической модификации органоминеральных компонентов является актуальной проблемой и служит основным направлением.

Цель исследования. Разработка деформационно-сдвигоусточивых композиционных асфальтобетонных материалов для покрытий дорог путем механохимической модификации органоминеральных компонентов.

Объект и методы исследований. Объектами исследования являются битумы марок БНД-60/90, Чиназские и Чирчикские речные, Язъяванские, Жамашуйские, Бозские и Янгиерские барханные пески и композиции на их основе. [1-2].

Методы исследований. Физико-химические свойства исследованы с помощью ИК-спектроскопи. Физико-механические свойства композиции:

- прочность при сжатии, МПа, при температуре, ⁰С;

 - коэффициент теплоустойчивости, К_т;

- объемная масса, г/см³.  [1].

Результаты исследований и их обсуждение. Для разработки эффективных составов и технологии получения композиционных асфальтобетонных материалов для покрытия дорог в качестве неорганических добавок к композиции с целю повышения их деформационно-устойчивых и теплостойких свойств нами были выбрани речные и барханные пески: чирчикский и чиназский (Ташкентская область), бозский (Андижанская область), жамашуйский (Наманганская область), язяванский (Ферганская область) и янгиерский (Сырдарьинская область). Они отличаются по минералогическому и гранулометрическому составами и как модельные образцы позволяют сделать предварительные выводы о возможности применения местных природных, в том числе барханных песков для асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. Несмотря на наличие огромных запасы природных песков, в настоящее время они недостаточно находят применение в производстве асфальтобетонных композиций для покрытия дорог. Как было отмечено выше [3], физико-химические и механические свойства природных песков, особенно барханных песков, с целью применения их в производстве асфальтобетонных композиций для получения покрытий автомобильных дорог, были изучены недостаточно.

В связи этим нами были изучены и  проведены глубокие всесторонние исследования местных природных песков и поиск путей доведения их физико-химических свойств до уровня требований ГОСТ9128-97 с целью получения  качественных асфальтобетонных композиционных покрытий дорог. В связи с этим нами были в первую очередь исследованы химические и минералогические составы местных природных песков.

Наличие в составе песка минералов кальцита, доломита и других выявили реакцией их с 10 %-ным раствором соляной кислоты (метод вскипания). В целях выяснения возможности использования местных природных песков в производстве асфальтобетонных композиционных материалов для покрытия автомобильных дорог были исследованы их физико-химические характеристики. В таблицах 1 и 2 представлены результаты исследований химического и минералогического составов местных природных песков. Видно, что как по химическому, так и минералогическому составу барханные пески существенно отличаются от речных в зависимости от шестности расположения.

Таблица 1.

Химические составы местных природных песков

Таблица 2.

Минералогические составы местных природных песков

Из анализа данных таблиц 1 и 2 можно группировать природные, в том числе барханные пески, по наибольшим количествам основных минералов, которые состоят из силикатов, кальцитов и полевых шпатов, прочих глинистых минералов. Такая условная группировка позволяет осуществить научно обоснованный подход при физической и механохимической модификации природных песков для асфальтобетонных покрытий. С практической, особенно с технологической цели, важными свойствами природных песков является их гранулометрический состав, насыпная и истинная плотности, удельная поверхность, а так же шероховатость поверхности зёрен. Для определения насыпной плотности использовали стандартный сосуд определённого объёма (табл. 3) в зависимости от крупности зёрен сыпучего материала [4]. Высушенный до постоянной массы сыпучий материал (песок) насыпали с высоты 10 см в предварительно взвешенный мерный сосуд до образования конуса. Конус снимали вровень с краями сосуда без уплотнения, после чего сосуд с сыпучим материалом взвешивали и определяли насыпную плотность:

                           (1)

где m_i - масса мерного сосуда; т₂  - масса мерного сосуда с сыпучим материалом;   V - объём мерного сосуда.

При определении насыпной плотности песка использовали стандартную воронку, в которой установлено сито с круглыми отверстиями.

Насыпную плотность песка определяли в сухом неуплотнённом состоянии при помощи мерного цилиндра вместимостью 1л, как описано для определения объёмной насыпной массы сыпучих материалов по формуле (1) с пятикратной повторностью опытов, согласно рекомендации [5].

Таблица 3.

 Объем стандартных сосудов в зависимости от крупности зёрен сыпучего материала

Удельная площадь поверхности песка - суммарная площадь поверхности зёрен песка, приходящаяся на 1 г. Зависит от размера зёрен (с уменьшением размеров зёрен возрастает), его состава и характера поверхности зерен, зернового состава песка. Существует достаточно много разных методов. Наиболее точным является метод определения удельной поверхности по маслоёмкости минералов. Этот показатель является наиболее важным для цели нашего исследования, так как с помощью величины удельной поверхности можно косвенно оценить изменение шероховатости поверхности зерен, величина которой является одним из главных критериев механоактивации. Кроме того, при равных и прочих условиях по изменению насыпной плотности можно прогнозировать величину удельной поверхности, определение которой связано с достаточно большими временными и трудозатратами.

Одним из основных показателей песков, применяемых в асфальтобетонных покрытиях, является их насыпная плотность и удельная поверхность.  Исходя из сказанного, были изучены эти показатели выбранных нами песков, результаты которых представлены в таблице 4. Из данных таблицы не трудно убедиться в том, что удельная поверхность и насыпная плотность взаимосвязаны.

Таблица 4.

Поверхностные и объёмные свойства местных природных песков

Необходимо отметить, что с практический, особенно с технологической точки зрения, кроме указанных свойств также важными свойствами природных песков являются их гранулометрический состав, а также шероховатость поверхностей зёрен (частиц). 

Как было отмечено выше, согласно существующим нормативам, установлены определённые требования к гранулометрическому составу песков, используемых при производстве асфальтобетонных покрытий, которые приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Характеристика природного песка

Были исследованы пески шести месторождений, которые отличаются по своей природе, то есть речные и барханные: чирчикский и чиназский (речные), бозский, жамашуйский, язъяванский и янгиерский (барханные).

Гранулометрический состав выбранных местных природных песков определяли после сушки при 105-110 ⁰С до постоянного веса по ГОСТ9128-76, с учётом рекомендации авторов [4].

В таблице 6 приведены результаты исследований гранулометрических составов песков, а структурный вид местных барханных песков приведен на рисунке 1.

Таблица 6.

Гранулометрический состав местных природных барханных и речных  песков

Из данных таблицы 6 видно, что наиболее крупнозернистые чирчикский речной песок, бозский, жамашуйский, язяванский и янгиерский барханные пески занимают промежуточное положение, а чиназский пески являются достаточно мелкозернистыми и в них практически отсутствуют зёрна размерами больше 150-200 мкм. Более половины барханных и чиназских речных песков проходит через сито 0,008. Из этого следует, что местные природные пески очень мелкозернистые, модуль крупности которых меньше 1,0.

1 - бозский; 2 - жамашуйский; 3 - язъяванский; 4 - янгиерский

Рисунок 1. Структурный вид местных барханных песков

Сравнение данных таблиц 5 и 6 показывает, что перечисленные в таблице 4 пески в таком состоянии не могут быть использованы в производстве асфальтобетонных покрытий, так как они по гранулометрическому составу и модулю крупности не отвечают требованиям ГОСТ9128-97.

Необходимо отметить, что использование их в таком состоянии в асфальтобетонных покрытиях приводит к большому расходу вяжущего материала (битума) и увеличению себестоимости асфальтобетонных покрытий, а также к снижению их качественных показателей, особенно их сдвигоустойчивости.

В настоящее время в предприятиях, выпускающие асфальтобетонные композиции для  покрытия автомобильных дорог, используют, в основном, речные и дробленые пески из гравия с минеральными добавками, что удорожает стоимость асфальтобетона. Что касается барханных песков, то они практически не используются в этих целях.

С целью сравнительного анализа влияния речных и барханных песков на свойства асфальтобетонной композиции и установления возможности применения барханных бозских, жамашуйских, янгиерских и язъяванских песков для асфальтобетонных покрытий, нами были предварительно исследованы физико-механических свойства разрабатываемых композиций с их использованием. Результаты этих исследований приведены в таблице 7.

Таблица 7.

Физико-механические свойства асфальтобетона с использованием природных песков

Количество песков 8 % от общего объема асфальтобетонной композиции.

Исследования проводили следующим образом. В лабораторных условиях нами были получены асфальтобетонные композиции с использованием выбранных песков по существующей технологии. Для этого все образцы песков промывались с целью удаления из них водорастворимых посторонних включений. После сушки при температуре 105-110 ⁰С до постоянного веса, песок просеивали через сито № 063 и готовили образцы из асфальтобетонных композиций для определения физико-механических их свойств.

В таблице 8 приведены физико-механические показатели асфальтобетонных композиций, например, получаемых с использованием речных, барханных песков и других компонентов на Наманганском и Ангренском асфальтобетонных заводах (АБЗ) [3].

Таблица 8/

Физико-механические свойства асфальтобетонных композиций для покрытий  дорог, выпускаемых Наманганским и Ангренским АБЗ

Сравнительный анализ данных таблиц 7 и 8 показывает, что физико-механические показатели лабораторных и заводских образцов близки друг к другу и в  определенной степени соответствуют требованиям ГОСТ 9128-97, кроме основных свойств – прочности при сдвиге и сжатии, определяющих сдвигоустойчивости покрытий. При этом  показатели предела прочности при сжатии и сдвиге в определенном значении уступают  и не отвечают необходимым требованиям, которые предъявляются к асфальтобетонным покрытиям, используемым в наших климатических условиях, то есть, высокая температура поверхности дорог в летнее время, которая достигает 90-100 ⁰С. При этой температуре покрытия в определенной степени размягчаются, и их прочность при сдвиге резко снижается, что в конечном итоге, приводит к снижению сдвиг устойчивости и, соответственно, образованию гофрированный (волнистости) на поверхности дорог и потери комфорта при  езде по ней. Поэтому, нами предлагается использовать механоактивированные мелкомодульные барханные пески, ни как заполнитель щебенистого и гравистого асфальтобетона, а как минерального наполнителя в состав битума в небольших количествах (5-10 %).

Как было отмечено выше, одним из основных свойств для повышения долговечности покрытий автомобильных дорог является его сдвиг устойчивость. В связи с этим нами было  исследовано, кроме влияния вида барханных и речных песков, также содержание битума на сдвиг устойчивость и прочность сдвига асфальтобетонных композиционных материалов.

На рисунке 2 приведена диаграмма прочности на сдвиг асфальтобетонных композиций с использованием барханных и речных песков в зависимости их вида и содержания битума.

Рисунок 2. Диаграмма прочности на сдвиг асфальтобетонных композиций с использованием чирчикских (1), янгиерских (2), бозских (3), язяванских (4) и барханных жамашуйский (5) и чиназских (6) речных песков при 6,5 %, 20 %,и 25 % содержании битума

Как видно из диаграммы, прочность асфальтобетонных композиций имеет определенное увеличение в зависимости от вида, как барханных и речных песков, так и от содержания битума.

При увеличении содержания битума до 20-25 % можно получать асфальтобетонную композицию с прочностью на сдвиг 0,7-0,9 МПа с низкомодульными песками. Незначительное увеличение механической прочности на 10-20 % вовлечет за собой увеличение количества (в 3-5 раз) расхода дорогостоящего компонента битума. Необходимо отметить, что высокое содержание битума в асфальтобетонной композиции приведет к большим расходам битумов и, соответственно, удорожанию строительства 1 км дороги, а это является не выгодным для производства дорог.

Таким образом, анализируя современные достижения науки и практики в области разработки и производства высококачественных асфальтобетонных композиций для покрытий асфальтобетонных дорог, и на основе полученных нами результатов было сделано предположение, что с целью повышения сдвигоустойчивости разрабатываемых асфальтобетонных композиционных материалов перед их получением необходимо провести работу по физико-механо-химической обработке их органоминеральных ингредиентов. Путём механоактивации указанных  песков и модификации  органических вяжущих материалов, позволяющих достичь улучшения основных эксплуатационных свойств асфальтобетонных покрытий и довести их физико-механические показатели до уровня требований ГОСТ 9128-97 и климатических условий  Центрально-Азиатского региона в целом, чему посвящены дальнейшие исследования данной диссертации.

Заключение.

Разработан новый эффективный способ повышения физико-механических свойств асфальтобетонных покрытий путём введения в их состав механоактивированных минеральных ингредиентов,   в частности, природных речных и барханных  песков,  основанного на ударно-раскалывающе-истирающем эффекте, приводящий к образованию частиц с развитой удельной поверхности с требуемыми геометрическими и физическими параметрами   за счёт поляризации частиц на молекулярном уровне, сопровождающийся появлением гетерогенных дипольных моментов, которые способствуют улучшению адгезионных свойств  с образованием водородных связей  как с катионно - активными, так и анионно - активными веществами, каким является госсиполовая смола и,  в конечном счете, увеличению межфазного взаимодействия между ингредиентами и битумом.

Предложен эффективный способ повышения прочностных и других эксплуатационных свойств композиционных асфальтобетонных покрытий путём введения в их состав механоактивированных на дисмембраторе, природных речных, барханных песков. За счёт ударно-раскалывающе-истирающего принципа измельчения дисмембратора эффекта происходит образование новых поверхностей частиц с развитой удельной поверхностью, с необходимыми геометрическими и физическими параметрами. Также использование активной модифицированной порошкообразной госсиполовой смолы в битуме, способствуют повышению адгезионной прочности композиции. Показано, что физико-механические свойства асфальтобетонных  композиций, главным образом, зависят от химического, гранулометрического состава минеральных ингредиентов и, соответственно их удельной поверхности.

Установлено, что при механоактивировании природных песков на диссмембраторной установке, также происходит активация за счёт поляризации частиц на молекулярном уровне, сопровождающаяся появлением,  с одной стороны, гетерогенных дипольных моментов, образованием химических связей (водородных) как с катионно - активными, так и анионно-активными веществами, какими являются модифицированная порошкообразная госсиполовая смола и кубовый остаток фурфурилового спирта. С другой - улучшением адгезионных взаимодействий субстрат-адгезив органоминеральных ингредиентов. В  результате можно получать эффективные составы асфальтобетонных композиционных материалов с требуемой деформационно-сдвигоустойчивостью и долговечностью покрытий автомобильных дорог.

Список литературы:

1. Негматов С.С., Собиров Б.Б., Иноятов К.М., Салимсаков Ю.А. Композиционные асфальтобетонные материалы для покрытия дорог   // Ташкент: ГУП «Фан ва тараккиёт», 2012.
2. Негматов С.С., Собиров Б.Б., Абдуллаев А.Х.,Рахмонов Б.Ш., Иноятов К.М.,Салимсаков Ю.А. Модифицированные битумные композиции многофункционального назначения    // Ташкент: ГУП «Фан ва тараккиёт», 2012.
3. Sobirov A.B., Rahmonov B.Sh., Abdullayev A.X., Inoyatov K.M., Salimsakov Y.A., Mahkamov D.I., Soliyev R.X. Study of composition and technology of highly filled composite polymeric materials for asphalt roads, which can be used in hot climates and increasing their operation life. European polymer congress in 2011. XII congress of the specialized group of polymers., / Congress program, june 26 - jule 1, 2011, Granada, Spain.    
4. Makhkamov Dilshod Ismatillayevich, Inoyatov Qaxramon Muydinovich, Abdurazakov Mirzokhid Abdurakhmonxujayevich, O’ktamov Sardor Makhmudjanovich. Use of mechanically activated components in road construction. An international multidisciplinary research journal.Vol. 10, issue 5, may 2020. p.1558-1566 India.
5. Sayibjan Negmatov, Kakhramon Inoytov, Lochin Oblakulov, Shukhrat Bozorboyev, Bahodir Sobirov, Bakhrom Rakhmonov, Jahongir Negmatov, Dilshod Makhkamov, Rustam Soliev,  Andrey Lisenko. Research And Development Of Technologies Of Obtaining The   Mechanically Activated Powder Based On Natural Ingredients And Dune Sand For Production Of Sealing Composite Cements And Composite Materials For Various Purposes. International Porous and Powder Materials Symposium and Exhibition, PPM 2013, September 3-6, 2013 в г. Измире.
6. Inamov A.N., Ergashev M.M., Nazirqulova N.B., Saydazimov N.T. “The role of geo information technologies in management and design of the state cadastre of roads” https://saarj.com/academicia-current-issue “ACADEMICIA (An International Multidisciplinary Research Journal)” Vol. 10 Issue 11, November 2020
7. Mukhammadyusuf Ergashev, Murodjon Mamajonov, Mirzokhid Kholmirzayev “Automation and modulation of highways in gis software”, https://www.modern-j.ru/5-59-2020 “Теория и практика современной науки" №5(59) 2020.
8. Mukhammadyusuf Ergashev, Valisher Abdurakhimov “The use of basic gps stations, which are situated in Namangan, in the field of automobile roads”, https://www.iupr.ru/5-72-2020  “Экономика и социум" №5(72) 2020.
9. Anvarjon Dadaxodjayev, Marufjon Mamajonov, Mukhammadyusuf Ergashev, Murodjon Mamajonov “creating a road database using gis software”, научном журнале “Интернаука” https://www.internauka.org/journal №43(172) 2020.