Исследование ударной вязкости асфальтобетона 
из шлаковых материалов

Строительство и архитектура / 4.Современные строительные материалы

Профессор Ковалев Н.С.

Воронежский государственный аграрный университет

имени Петра I (г. Воронеж)

Исследование ударной вязкости асфальтобетона

из шлаковых материалов

Асфальтобетонные покрытия автомобильных дорог в процессе эксплуатации подвергаются динамическим ударным воздействиям. Ударная вязкость для асфальтобетонов из шлаковых материалов до настоящего времени не изучалась. С этой целью были проведены исследования по изучению ударной вязкости (хрупкости) асфальтобетонов на основе гранулированного доменного шлака и шлакового песка в зависимости от степени уплотнения, содержания битума в смеси, температуры испытания, возраста асфальтобетона к моменту испытания и условий хранения. Для описания влияния этих факторов был применен метод математического планирования экстремальных экспериментов с использованием трехфакторного трехуровневого плана второго порядка на кубе [1]. Переход от физических переменных к кодированным осуществляли по формулам:

х, , .

- кодированное значение уплотняющей нагрузки (физическое значение изменяется от 10 до 50 МПа);

- кодированное содержание битума в смеси (физическое значение изменяется от 7 до 11% сверх 100% минеральной части);

- кодированное значение температуры испытания материала (физическое значение изменяется от -20 до +20С.

В результате обсчета матрицы планирования были получены математические модели (1 -5), адекватно отражающие изменения ударной вязкости от этих параметров.

Для асфальтобетона из гранулированного доменного шлака, испытанного в возрасте 2 суток с момента изготовления математическая модель выглядит следующим образом:

Y = 13,5 + 2,1· + 2,9· + 6,6· + 0,9· + 1,4· - 0,2·

- 0,2· + 2,3· (1)

Для асфальтобетона из гранулированного доменного шлака, испытанного в возрасте 360 суток с момента изготовления математическая модель выглядит следующим образом:

Y = 18,6 + 2,7· + 3,3· + 7,6· + 1,9· - 1,6·

+ 0,4· + 3,9· (2)

Третья серия образцов асфальтобетона из гранулированного доменного шлака хранилась на улице под открытым небом в течение 360 суток. На эти образцы воздействовали атмосферно-климатические факторы: солнечная радиация, осадки в виде дождя и мокрого снега, высокая температура в летний период времени и замораживание-оттаивание – в зимний период. Математическая модель после натурного хранения выглядит следующим образом:

Y = 24,2 + 5,9· + 3,1· + 1,8· + 1,1· + + 0,75·

- 0,36· - 0,86· + 2,14· (3)

Для асфальтобетона из шлакового песка, испытанного в возрасте 360 суток с момента изготовления, математическая модель выглядит следующим образом:

Y = 18,3 + 4,3· + 2,8· + 5,4· + + - 0,4·

- 0,9·- 2,1· (4)

Для асфальтобетона из шлакового песка, испытанного после натурного хранения, математическая модель выглядит следующим образом:

Y = + 17,4 + 3,8·+ 2,7·+ 4,7·- 0,41·- 0,9·+ 2,1· (5)

Для всех математических моделей общим является увеличение ударной вязкости с повышением температуры испытания, степени уплотнения и содержания битума в смеси.

Анализ математических моделей 1 – 5 позволил установить следующее:

1) наибольшее влияние на ударную вязкость асфальтобетона из шлаковых материалов оказывает температура (коэффициенты при линейных и квадратичных больше, чем при и );

2) в области отрицательных температур (-20С, = - 1) при степени уплотнения 10 МПа ( = - 1) прослеживается закономерность, подтверждающая, что процессы структурообразования в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются длительное время с момента объединения битума с минеральным материалом [1]; на них оказывает влияние воздействие солнечной радиации, воздействие воды в летний период времени и замораживание-оттаивание в зимний период. Так в возрасте 2 сут образцы выдерживают при температуре испытания – 20 С ( = -1) 6 – 11 ударов до разрушения, а в возрасте испытания 360 сут - уже 9 – 13 ударов.

3) при хранении образцов под открытым небом в течение 360 сут, где они подвергались воздействию атмосферно-климатических факторов (осадки в виде дождя и снега, ультрафиолетовое облучение, положительные и отрицательные температуры), они выдерживают при той же температуре испытания – 20 С и степени уплотнения уже 13 – 17 ударов. Это указывает на физико-хими-ческое взаимодействие шлаковых материалов с битумом с образованием органоминеральных соединений, которые более деформативны и пластичны при отрицательных температурах.

4) высокие летние температуры ускоряют процесс гидролиза и гидратации шлаковых минералов и способствуют образованию коагуляционно-конденсационной структуры, упрочненной кристаллизационными сростками в местах контакта шлаковых зерен и армированием порового пространства гидросиликатами кальция [2].

5) в области отрицательных температур (0 - -20 С) при степени уплотнения 50 МПа прослеживается та же закономерность, только немного возрастает влияние содержания битума на количество ударов до разрушения.

6) при положительных температурах испытания указанные выше тенденции сохраняются, но еще с большим влиянием содержания битума в смеси.

В таблице приведена выборка ударной вязкости асфальтобетона из шлаковых материалов и сопоставление ее с асфальтобетоном из природных каменных материалов, рассчитанных по моделям 1 -5, при степени уплотнения 40 МПа ( = 0,5) и содержании битума 9% ( = 0).

Таблица - Ударная вязкость асфальтобетона

Наименование

асфальтобетона

Условия

испытания

Количество ударов, необходимых для разрушения образцов при температуре испытания, С

- 20

- 10

+10

+15

+20

Асфальтобетон из природных минеральных материалов (по Богуславскому [3])

Гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%

2 сут с момента изготовления

360 сут с момента изготовления

360 сут после натурного замораживания

Шлаковый песок НЛМК -100%, битум марки БНД 90/130 – 9%

360 сут с момента изготовления

360 сут после натурного замораживания

Как видно из таблицы асфальтобетон из шлаковых материалов отличается повышенным сопротивлением ударным нагрузкам при отрицательных температурах, он значительно пластичнее асфальтобетона из природных каменных материалов:

при температуре 0 С – в 3,75 - 6,75 раза;

при температуре - 10 С – в 3 – 6,5 раза (по сравнению с 0С);

при температуре - 20 С - в 2,5 – 6 раз (по сравнению с 0С).

При положительных температурах асфальтобетон из шлаковых материалов выдерживает большее число ударов по сравнению с асфальтобетоном из природных каменных материалов:

при температуре + 10 С – в 1,7 - 2,5 раза;

при температуре + 20С - в 2,2 - 2,8 раза (по сравнению с +10 С).

При разности температур в 15 С для асфальтобетона из природных каменных материалов ударная вязкость отличается в 4 раза; для асфальтобетонов из шлаковых материалов при разности температур 40 С ударная вязкость отличается лишь в 1,2 – 2,4 раза. Это свидетельствует о повышенной деформативной и деформационной способности асфальтобетонов из шлаковых материалов по сравнению с асфальтобетонами из природных каменных материалов. На асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов значительно меньше вероятность образования трещин в зимний период времени при отрицательных температурах и образования наплывов, колейности и сдвиговых деформаций в летний период времени при высоких температурах.

Литература

1. Руководство по подбору составов тяжелого бетона / НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1979. -103 с.

2. Ковалев Н.С. Исследование физико-химического взаимодействия шлаковых материалов с битумом / Н.С. Ковалев, Я.А. Быкова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. -2008. - Вып. 11 (30). - С.81-87.

3. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.