Модифікація сумішей добавками пар

В бітумомінеральних сумішах і, перш за все, в асфальтобетонах добавки ПАР – пластифікаторів відіграють важливу роль, збільшуючи адгезію бітуму до дисперсних мінеральних заповнювачів і прилипання до кам’яного матеріалу. Таке збільшення адгезії досягається за рахунок гідрофобізації мінеральних поверхонь в результаті хемосорбції з утворенням нормально орієнтованого адсорбційного шару ПАР (рис.2.8.).

Рис. 2.8. Гідрофобізація поверхні мінеральних заповнювачів кислої (а) та основної (б) природи.

Добавки ПАР зменшують бітумоємність, забезпечують рівномірне перемішування дисперсних компонентів бітумомінеральної суміші та активують поверхні мінеральних зерен. Це забезпечує достатню рухливість суміші, необхідну для її щільного укладання та отримання високоякісного, міцного і водостійкого асфальтобетону. При цьому, зменшується температура на всіх етапах виготовлення та укладання а/б суміші.

Зразки асфальтобетону, що виготовлені без добавок ПАР, мають високі показники водонасичення, змочуваності, набухання, що свідчить про їх низьку водостійкість (табл. 2.2.). Введення в суміш ПАР сприяє зниженню водонасичення від 8,7 до 2,3-4,3 об %. Відповідно набухання зменшилось від 4,9 до 1,8-2,7 об. %. Коефіцієнт водостійкості збільшився від 0,5 до 0,89-0,92.

Таблиця 2.2..

Властивості асфальтобетону з добавками ПАР

Добавка	Вміст добавки, % мас. до бітуму	Міцність при стисканні,МПа		Водона- сичення, % об.	Набухання,% об.	Залиш- кова порис- тість, % об.	Коеф. водо- стійкості
		R20	R50
без добавки	0	3,40	1,70	8,70	4,90	4,00	0,50
кубові залишки амінів	2	2,60	2,40	2,30	0,00	3,40	0,92
катапін	2	2,70	2,40	3,20	1,80	3,70	0,89
синтетичні жирні кислоти	5	2,70	2,40	4,30	2,70	3,70	0,89

Значення показників водонасичення, набухання, змочуваності, коефіцієнта водостійкості сумішей з ПАР характеризує в першому наближенні ступінь гідрофобізації при впливі на них ПАР. Існує загальна залежність, яка характерна для всіх цих показників: із підвищенням коефіцієнта водостійкості зменшуються показники набухання та водонасичення. Послаблення зчеплення, збільшення набухання призводить до пониження міцності асфальтобетону.

ПАР, збільшуючи водостійкість бітумомінеральних матеріалів, значно впливають і на їх морозостійкість. Морозостійкість б/мінеральних матеріалів і асфальтобетону, зокрема, оцінюється відношенням міцності зразків після встановленної кількості циклів заморожування-відтавання до вихідної міцності зразків за температури 20^оС.

Як свідчать дослідження, інтенсивність падіння міцності з мірою збільшення циклів випробувань значно більша у зразків б/мінеральних матеріалів без ПАР. Так, наприклад, міцність зразків без добавок після 50 циклів зменшилась у 3 рази, водонасичення збільшилось у 4,5 р., набухання в 9 разів. Водночас, у зразків із добавкою госиполової смоли водонасичення збільшилося від 1,5 до 2,3 %, набухання від 0,7 до 1,1 %, у зразків із добавкою кубових залишків амінів відповідне збільшення для водонасичення становить від 2.3 до 3,5 %, набухання – від 0 до 1,6 %.

Важливо відмітити, що міцність зразків б/мінеральних матеріалів із добавками ПАР на відміну від зразків без добавок практично не змінилася.

Встановлено, що дія ПАР на властивості б/мінеральних матеріалів має яскраво виражений вибірковий характер.При використанні кислих мінеральних матеріалів (кварци, граніти, сієніти, трахіти) для виготовлення а/б сумішей помітно проявляється вплив природи ПАР: катіонактивні речовини більш ефективні, ніж аніонактивні. Введенням у бітум або безпосередньо в а/б суміш аніонактивних ПАР можна досягнути стабільних показників міцності асфальтобетону на основних мінеральних матеріалах (вапняки, доломіти, діабази, базальти). Особливо ефективні аніонні ПАР при обробці рідким бітумом вологого вапняку.

Не всі ПАР одного класу дають однаковий ефект при введенні тим чи іншим способом в а/б суміш. Їх активність залежить від виду і числа полярних груп в молекулі, від довжини вуглеводневого радикалу та його структури.

Абсолютні значення міцності асфальтобетону після введення ПАР можуть зменшуватися у зв’язку із зменшенням в’язкості бітуму.

Відомі два основних способи введення добавок ПАР в асфальтобетон – у бітум і на мінеральний матеріал до його обробки бітумом. Введення ПАР у бітум може здійснюватися безпосередньо на НПЗ, що робить його більш технологічним. Як було встановлено для більшості ПАР, міцність, водо- і морозостійкість б/мінерального матеріалу значно зменшуються, якщо приготування суміші відбувалося за температури більше 160^оС порівняно із сумішами, які виготовлені за температури 120-140^оС. Оскільки за 140^оС досягається повне обволікання бітумом мінерального матеріалу, температура нагріву б/мінеральної суміші не повинна перевищувати цю границю.

Проведені дослідження і широкий виробничий досвід впровадження ПАР дозволили зробити висновок про високу ефективність їх застосування у б/мінеральних матеріалах і асфальтобетоні, зокрема, в наступних випадках:

• при будівництві дорожніх покриттів восени та ранньою весною;

• при використанні мінеральних матеріалів, із сухою поверхнею яких не забезпечується зчеплення бітуму;

• для оптимізації показників технологічного процесу приготування сумішей: зменшення робочої температури суміші, скорочення часу перемішування тощо;

• для прискорення формування покриттів, які влаштовуються із застосуванням малов’язких і рідких бітумів;

• для фізико-хімічної активації мінеральних компонентів б/мінеральних сумішей;

• для гальмування процесів старіння бітумів марок БНД 40/60 і 60/90.

2.6. Фізико-хімічна активація мінеральних компонентів асфальтобетону.

Одним із радикальних напрямків підвищення якості та довговічності асфальтобетону є застосування активованих мінеральних матеріалів – мінерального порошку, піску, крупного заповнювача.

Традиційна технологія а/бетону ґрунтується на використанні природних мінеральних матеріалів із характерними для них фізико-хімічними властивостями. Попередня обробка мінеральних матеріалів пов’язана лише із зміною їх геометрії і полягає в штучному подрібненні і сортуванні на фракції необхідних розмірів. В результаті такої обробки змінюються розміри частинок, а з ними і питома поверхня матеріалів, але мало або зовсім не змінюється характер поверхні частинок.

Однією з умов спрямованого структуроутворення в а/бетоні є штучна зміна природи мінеральної поверхні, яка контактує з бітумом в результаті її фізико-хімічної активації.

Розрізняють фізичну і хімічну активацію мінеральних заповнювачів. Під фізичною активацією розуміють використання заповнювачів із свіжоутвореною поверхнею, для якої характерна наявність особливого енергетичного стану. Такий стан за рахунок нескомпенсованих зв’язків різко змінює реакційну здатність поверхонь і характер їх взаємодії з в’яжучими речовинами. Фізико-хімічна активація передбачає додаткову обробку свіжоутворених поверхонь хімічними реагентами – модифікаторами. З модифікованими поверхнями забезпечується взаємодія, що неможлива при звичайних умовах обробки матеріалів.

Модифікування мінеральних поверхонь дозволяє:

• покращити умови взаємодії мінеральних матеріалів із бітумом;

• покращити властивості бітуму в адсорбційних шарах;

• запобігти вибірковій фільтрації компонентів бітуму в мінеральний матеріал;

• розширити асортимент і покращити якість мінеральних матеріалів.

Найкращий ефект спостерігається при фізико-хімічній активації мінерального порошку.

Як відомо мінеральний порошок (МП) – це полідисперсний матеріал, який є необхідним і важливим компонентом а/бетону. Разом із бітумом він утворює структуровану дисперсну систему, яка виконує роль в’яжучого матеріалу в а/бетоні. Мінеральний порошок, як наповнювач, переводить бітум у плівковий стан. Крім того, він кольматує дрібні пори мінерального скелету, що сприяє підвищенню щільності а/бетону.

Технологією активації МП передбачається створення на мінеральних зернах первинного контактного шару високоструктурованого бітуму, який змінює властивості порошку та а/бетону на його основі. З метою полегшення розподілу бітуму і підвищення ефективності подрібнення та активації обробка бітуму здійснюється у присутності відповідних ПАР.

Сутність виробництва активованих порошків полягає в тому, що в процесі помелу порошок обробляється сумішшю бітуму з ПАР. Найкращі результати досягаються при співвідношенні БІТУМ : ПАР - 1:1 по масі. Кількість суміші для активації становить 1,5...2,5% від маси порошку.

Вплив активованого МП на властивості а/бетону проявляється в декількох напрямках:

• зміцнення структурованої дисперсної системи бітум - МП;

• підвищення щільності і зниження водопроникності а/бетону;

• гальмування процесів старіння а/бетону;

• підвищення водо- і морозостійкості а/бетону.

Активований МП поводиться як гідрофобний матеріал і практично не змочується водою. Це полегшує його транспортування, зберігання та застосування. Особливого значення вказані властивості набувають в умовах сучасної технології виробництва а/бетонних сумішей, що передбачають подачу МП у мішалки а/бетонних машин у холодному вигляді.

Активація МП представляє собою водночас найбільш простий та ефективний спосіб введення ПАР в а/бетонну суміш.

Сутність процесу активації піску полягає в утворенні нових поверхонь зерен піску в присутності активатора. Такого роду оброблення здійснюється у спеціальних машинах (вібраційні, ударно-центробіжні та інші млини), в які пісок та активатор одночасно подаються в певних співвідношеннях. У випадку застосування як активатора вапна, його кількість знаходиться в межах 3...4% від маси піску.

В результаті модифікування поверхні зерен пісок перетворюється в активований структуроутворюючий компонент асфальтобетону. Інтенсивні процеси структуроутворення, що відбуваються на модифікованій поверхні зерен піску, змінюють його контакт із бітумом, що в свою чергу, призводить до формування більш стабільної структури а/бетону.

Фізико-хімічна активація гравійних матеріалів дозволяє усунути їх недоліки як крупного заповнювача в а/бетоні: обкочена форма зерен, різнорідність за петрографічним складом і міцністю. З цією метою гравійний матеріал до його застосування в а/бетоні подрібнюється з одночасною активацією продуктів дробіння. Активація здійснюється у дробарці, яка встановлюється між сушильним барабаном і змішувальним агрегатом а/бетонної машини. Таким чином, в дробарку попадає сухий і нагрітий до необхідної температури гравійний матеріал і одночасно подається активуюча суміш. Суміш складається з бітуму та ПАР. У зв’язку з різнорідністю петрографічного складу гравійного матеріалу необхідно застосовувати такі ПАР, які комплексно взаємодіють як з основними, так і з кислими гірськими породами.

Отже, процес фізико-хімічної активації гравію призводить до отримання якісного матеріалу, в якому суттєво змінена форма зерен і властивості їх поверхні. Водночас, змінюються також гранулометричний та петрографічний (по фракціях) склади.

Таким чином, застосування активованих мінеральних матеріалів створює можливості для спрямованого впливу на процеси структуроутворення в а/бетоні та отримання матеріалу із заданими властивостями. Асфальтобетон на основі активованих матеріалів характеризується високими показниками міцності, водо-, морозо- і корозійної стійкості.