Полимерасфальтобетоны

В дорожных лабораториях 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.

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. 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.

При приготовлении всех смесей использовались минеральные материалы одного гранулометрического состава, соответствующие по физико-механическим показателям требованиям ГОСТ 9128-09 и ГОСТ 12801-98. Гранулометрический состав холодной асфальтобетонной смеси представлен в таблице 8.

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 9.

Таблица 8 – Рецепт комплексно-модифицированной холодной асфальтобетонной смеси с использованием каучуко-полиолефиновой добавки и ПАВ-КАДЭМ-ВТ

Таблица 9 - Исследуемые факторы и интервалы варьирования в плане эксперимента

Холодные асфальтобетонные смеси были испытаны в соответствии с ГОСТ 9128-09 на прочностные характеристики до прогрева, а так же на показатель слеживаемости, харак-теризующий 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 (R_{20 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 рисунке 2.

Рисунок 2 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 16 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. 2) 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. 2) – это функция отклика, определяющая работоспособность модифицированных холодных асфальтобетонных смесей при повышенных температурах, то есть его теплостойкость и сдвигоустойчивость. Анализ изоповерхностей на рисунке 19 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 2 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. 2) 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.