Современные пути и методы улучшения свойств асфальтобетонов. Применение ПАВ и различных добавок, активация минеральных материалов.

Поверхностно-активные вещества

2.22. Необходимым компонентом асфальтобетонных смесей являются поверхностно-активные вещества. Добавки ПАВ позволяют улучшить сцепление битумов с поверхностью минеральных зерен, повысить качество асфальтобетонов и улучшить показатели технологических процессов приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей.

2.23. Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют ПАВ двух классов - катионные и анионные.

Из катионных ПАВ используют соли высших первичных, вторичных и третичных алифатических аминов, амидоамины, четырехзамещенные аммониевые основания; из анионных - высшие карбоновые кислоты, соли (мыла) тяжелых и щелочно-земельных металлов высших карбоновых кислот и т.п.

В качестве ПАВ используют также некоторые смолы твердых топлив.

Класс ПАВ выбирают с учетом природы и свойств, применяемых минеральных материалов и битума.

Для улучшения сцепления неактивных битумов (кислотное число менее 0,7 мгКОН/г) с минеральными материалами кислых пород (граниты, пески и т.п.) используют преимущественно катионные ПАВ. Возможно применение и анионных ПАВ типа высших карбоновых кислот, но при этом для подготовки поверхности зерен минерального материала к взаимодействию с анионными соединениями, содержащимися в битуме и введенными в него, применяют активаторы - известь или цемент.

В случае применения активных битумов (кислотное число более 0,7 мгКОН/г), как правило, нет необходимости вводить ПАВ; достаточно обработать кислые минеральные материалы активаторами. Если такая обработка невозможна, то допускается использовать катионные ПАВ, однако при этом следует учитывать, что расходих будет выше.

2.24. Для улучшения сцепления неактивных битумов с минеральными материалами карбонатных горных пород (известняки, доломиты), а также основных и ультраосновных изверженных горных пород (габбро, диабаз, дуниты и др.) используют анионные ПАВ типа высших карбоновых кислот или катионные ПАВ типа аминов либо амидоаминов; для улучшения сцепления активных битумов применение ПАВ, как правило, не требуется.

Если минеральная часть асфальтобетона полиминеральная, а битум малоактивен, то предпочтение следует отдавать катионным ПАВ типа аминов и амидоаминов, улучшающих сцепление битумов с разными по природе минеральными материалами.

Перечень ЛАБ и активаторов, а также рекомендаций поих использованию приведены в табл.6.

2.25. Положительный эффект от использования ПАВ достигается лишь при их оптимальной концентрации (см. табл. 6), которую уточняют в каждом конкретном случае с учетом природы и свойств применяемых материалов.

Критерием назначения оптимального содержания ПАВ служат показатели свойств асфальтобетонов, в первую очередь коэффициент водостойкости после длительного водонасыщения (15 сут), а для горячего и теплого асфальтобетонов - также прочность при 50°С.

Перед введением ПАВ вязкий битум следует нагревать до 110-130°С, жидкий - до 80-100°С.

Отдозированное весовым или объемным способом ПАВ вводят в рабочий битумный котел, предварительно заполненный битумом на 0,7 объема. Перемешивание осуществляют путем циркуляции.

Смесь битума и ПАВ можно выдерживать при рабочей температуре не более одной рабочей смены.

Таблица

Наименование ПАВ	Нормативный документ	Расход ПАВ при введении	Температура введения ПАВ,С
в битум, % массы	на минеральный материал, % массы
Катионные
БП-3 - продукт на основе полиэтиленполиамина и синтетических жирных кислот C21-С25	ТУ 38 УССР 201/170-78	0,5-1,5	0,05-0,15	80-90
ПАБ-1 - смесь полиаминамидов и имидазолинов	ТУ 301-02-78-90	0,5-1,5	0,05-0,15	75-90
Амины алифатические С17-С21 (технические) - продукт гидрирующего аминирования жирных кислот C17-C21	ТУ 6-02-795-78	0,5-2,0	0,05-0,15	50-70
Флотамин (октадецил-амин стеариновый технический)	ГОСТ 23717-79	0,5-2,0	0,05-0,15	50-70
ГИПХ-3 - смесь хлор-гидратов алкиламинов с содержанием атомов углерода от 12 до 18, получаемая на базе жидкого нефтяного парафина	ТУ 6-02-1341-86	1,0-3.0	0,1-0,2	без подогрева
Кубовые остатки аминов C17-C21	ТУ 6-02-750-87	3,0-4,0	0,2-0,25	50-70
Кубовые остатки, получаемые на стадии дистилляции дифениламина при производстве диафена "ФП" (продукт КОДА)	ТУ 113-03-13-30-88	3,0-4,0	0,2-0,25	50-70
Этаноламиды синтетических жирных кислот С21-С25	ТУ 38 302-30-34-89	3,0-5,0	0,2-0,3	70-90
Анионные:
Смола госсиполовая (хлопковый гудрон) - продукт, получаемый в виде кубового остатка при дистилляции жирных кислот, выделяемых из хлопкового соапстока	ОСТ 18-114-73	3-7	0,2-0,5	50-70
Гудрон жировой - продукт, получаемый при дистилляции жирных кислот, выделенных после расщепления натуральных жиров	ТУ 10.18 УССР 184-89	3-7	0,2-0,5	50-70
Синтетические жирные кислоты C17-C20	ГОСТ 23239-78	3-7	0,2-0,5	50-70
Кубовый остаток синтетических жирных кислот	ТУ 38 1071231-89	3-7	0,2-0,5	50-70
Окисленный петролатум	ТУ 38 30196-83	3-7	0,2-0,5	50-70
Продукты переработки твердых топлив:
Смола каменноугольная	ТУ 14-7-104-89	10-12	0,6-0,7	50-100
Таловый пек	ТУ 13-0281078-84-89	10-12	0,6-0,7	50-100

На минеральный материал ПАВ вводят непосредственно в асфальтосмеситель до подачи битума. Ввиду их небольшого количества и в целях лучшего распределения по поверхности минеральных материалов ПАВ предварительно смешивают с пластификатором в соотношении1:1. В качестве пластификатора лучше всего использовать битум, количество которого учитывают при общей дозировке.

При производстве асфальтобетона для дорожного строительства очень важную роль играет дисперсная составляющая – минеральный порошок, представляющий собой продукт тонкого измельчения до удельной поверхности 2500 - 5000 см2/г известняков, доломитов, доломитизированных известняков и других карбонатных пород, металлургических шлаков, а также порошкообразных отходов промышленности.

Минеральный порошок в асфальтобетоне заполняет пустоты песчано-щебеночного каркаса и повышает плотность минерального остова, а также превращает нефтяной битум в прочное асфальтовое вяжущее вещество.

Для успешного выполнения этих функций минеральный порошок должен обладать следующими свойствами: – при смешивании с битумом не должен комковаться и образовывать агрегаты; – сцепление битума с поверхностью зерен минерального порошка должно быть настолько прочным, чтобы вода не отслаивала битум в течение всего нормативного срока службы асфальтобетона в покрытии; – физико-химическое взаимодействие между поверхностью зерен минерального порошка и битумом должно быть достаточно сильным для ориентации молекул в тонком слое битума, однако при этом порошок не должен ускорять процесс старения битума; – содержание минерального порошка в смеси должно быть предельно минимальным, необходимым для достижения асфальтобетоном нормативной плотности и прочности.

Основным способом улучшения свойств минеральных порошков является их физико-химическая активация, при которой процесс измельчения материалов сопровождается обработкой битума с поверхностно-активными веществами (ПАВ) в соотношении 1:1–1:3. В результате активации минеральных порошков они приобретают целый комплекс полезных свойств: – гидрофильная поверхность порошка становится гидрофобной, что облегчает его транспортирование и хранение; – активированные порошки не комкуются, предоставляя возможность снижения тонкости помола при их производстве; – наличие на поверхности порошка прочной пленки битума существенно улучшает условия последующего взаимодействия с битумом при получении асфальтобетона; – высокое качество минеральных порошков обеспечивает возможность приготовления асфальтобетонов с повышенной плотностью, прочностью, водо- и морозостойкостью, а в некоторых случаях – с повышенной сдвигоустойчивостью и трещиностойкостью. Такие асфальтобетоны имеют наибольшее количество замкнутых пор, что обусловливает более низкое водонасыщение при заданной остаточной пористости и водопроницаемости покрытия; – холодные асфальтобетонные смеси на активированном минеральном порошке не слеживаются при хранении; покрытия из таких смесей формируются быстрее, испытывая давление при движении автомобилей; – расход битума для приготовления асфальтобетонных смесей на 10 - 20% меньше, чем смесей на неактивированном порошке; – приготовление, укладку и уплотнение асфальтобетонных смесей на активированном минеральном порошке осуществляют при сниженной по сравнению с обычным минеральным порошком, на 20oС температуре; – при укладке и уплотнении асфальтобетона улучшается обрабатываемость смеси.

В связи с вышеизложенным, многие дорожно-строительные организации перешли на широкое применение активированного минерального порошка.

Роль ПАВ в структурообразсвании асфальтобетона и снижении расхода битума.

ПАВ оказывает определенное воздействие на процессы формирования структуры асфальтобетона. Изменяя порядок введения в мешалку смесителя компонентов асфальтобетонной смеси и применяя ПАВ, можно регулировать процессы формирования микроструктурных связей. По традиционной технологии приготовления асфальтобетонной смеси ПАВ вводят непосредственно в битум, при этом они оказывают специфическое действие в зависимости от структуры битума и типа ПАВ.

Все рекомендованные поверхностно-активные добавки улучшают смачивание минеральных материалов битумом, вследствие чего облегчаются и ускоряются процессы перемешивания.., снижается расход битума. Кроме того, мономолекулярный слой ПАВ, адсорбирующийся на минеральной поверхности, в силу своей дифильности обеспечивает прочное прилипание пленки битума к минеральному материалу. Нужно отметить, что в битуме содержатся небольшие количества анионоактивных соединений, в первую очередь, типа асфальтогеновых кислот., поэтому введение катионоактивных веществ может привести к нейтрализации активных групп. Добавки ПАВ, вводимые в. битум, оказывают влияние на процессы необратимых изменений, происходящих под действием кислорода воздуха и повышенной температуры. Процесс старения битума под влиянием термо-окислительных факторов сводится к процессам возникновения, развития и разрушения жесткой структурной сетки из асфальтенов.

Добавки веществ класса аминов замедляют старение битума коагуляционного типа. Следовательно, эти добавки, обладающие стабилизирующим влиянием, препятствуют возникновению и развитию пространственной структурной сетки из-, асфальтенов и тем замедляют старение битумов коагуляцион- ного типа.

Анионоактивные ПАВ типа железных мыл, наоборот, повышают вязкость битумов всех типов структуры и интенсифицируют процессы старения, оказывая структурирующее воздействие на битум.

Добавки ПАВ по-разному сдвигают верхнюю границу интервала упруго-пластичного состояния битумов: добавки класса аминов и диаминов — в сторону более низких температур., а добавки типа железных мыл — в сторону более высоких температур.

В период активного структурообразования асфальтобетона небольшое количество ПАВ, снижая поверхностное натяжение минерального материала, резко увеличивает адгезию битумов к минеральному материалу, улучшает условия смачивания и облегчает перемешивание, при этом закономерно снижается расход битума.

В период формирования макроструктуры асфальтобетона, ПАВ способствуют более быстрому уплотнению асфальтобетона, а в период стабилизации структуры при эксплуатации происходит дальнейшая ориентация молекул ПАВ, приводящая к получению водо- и морозостойкого материала.

Совместно с Е. Н. Агеевой были проведены исследования технологических и структурно-механических свойств асфальтобетонов с различной последовательностью введения в минеральную смесь битума и ПАВ. Были приняты следующие схемы: I — минеральная часть, битум; II — минеральная часть, битум с ПАВ; III-минеральная часть, ПАВ, битум; IV — минеральная часть, ПАВ, битум, ПАВ.

Первая схема обычная, принята для контроля. Вторая схема полагает повышение активности битума за счет введения ПАВ и, как следствие, повышение водостойкости асфальтобетона. Как видно из рис. 3.9, ПАВ ориентируется к поверхности минеральных зерен, однако этот- процесс протекает относительно Медленно и не все ПАВ выполняют свои функции.

Третья схема предполагает активацию поверхности минерального материала ПАВ и вследствие этого повышение адгезии к ним битума, улучшение условий смачивания и перемешивания в результате снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Четвертая схема предполагает сложный комплекс физико-химических и химических процессов при взаимодействии всех компонентов. Действие ПАВ, введенного на минеральную часть, аналогично.приведенному в третьей схеме. ПАВ, введенное после битума, образует «частокол» из полярных молекул (рис. 3). Гидрофобный радикал ПАВ в силу своего род ства с битумом втягивается в вяжущее; полярная часть торчит наружу. При этом значительно снижается аутогезия отдельных зерен, покрытых битумом, уменьшается трение между ними., Такой порядок введения ПАВ несомненно должен улучшить уплотняемость асфальтобетонной смеси.

В качестве ПАВ был принят камид, представляющий собой, смесь алкиламидов, свободных жирных кислот и свободного моноэтаноламина. Характеристика его следующая: кислотное число 40-50 мг КОН; эфирное число 30-40 г. КОН; содержание свободного моноэталоноламина 2-5%; температура, каплепадения по Убеллоде 70 °С.

Рис. 4. Диаграмма процесса перемешивания асфальтобетонной смеси

Введение ПАВ на минеральный материал до битума (третья схема) приводит к значительному увеличению плотности и прочности асфальтобетона, четвертая cxeiMa введения ПАВ несколько ухудшает свойства асфальтобетона по сравнению с третьей схемой, но асфальтобетон, приготовленный по этой схеме, лучше, чем по первой и второй.

Исследование процесса перемешивания асфальтобетонных смесей с различным порядком введения ПАВ проводили непосредственно на производстве в асфальтосмесителе Д-597. Был принят метод измерения мощности, затрачиваемой на приготовление одного замеса асфальтобетонной смеси (рис. 4). Разница Nt-N3 характеризует влияние количества вяжущего: и его типа, а также порядка его введения на энергоемкость перемешивания, отражает влияние гранулометрического состава на кинетику перемешивания и способность отдельных минеральных компонентов к смешиванию, N4-N1 характеризует полное изменение мощности при перемешивании и эффективность порядка введения различных составляющих в смеситель.

Мощность холостого хода мешалки асфальтосмесителя ^"597, на котором проводили эксперимент, равнялась 17 кВт.

При введении минеральных материалов мощность резко возрастала и достигала.22-2Б кВт, затем постепенно спадала и стабилизировалась через 15-20 с. Это свидетельствовало о Равномерном распределении компонентов в минеральной смеси.

Введение битума увеличивало мощность на 0,5-2. кВт и не; уменьшало ее в процессе перемешивания. Уменьшение происходило в том случае, когда время сухого перемешивания было> меньше оптимального, стабилизация мощности после введения, битума происходила через 14-18 с.

Хронометраж процесса перемешивания, выполненный на ряде асфальтосмесителей Д-597, показал, что продолжительность, сухого перемешивания обычно составляет 3-5 с. В то же время по нормативным документам сухое перемешивание для песчаных, мелко- и среднезернистых смесей должно быть не менее 15 с, а мокрое соответственно 45-60 и 30-45 с. Уменьшение продолжительности сухого перемешивания приводит к. ухудшению физико-механических свойств асфальтобетона вследствие снижения однородности смеси. При продолжительности сухого перемешивания до 6 с асфальтобетон обладал набуханием 2,5%, водонасыщением 10%, коэффициентом водостойкости 0,68. При перемешивании 20-25 с эти показатели: соответственно имели значения 0,4; 4,2 и 0,92%.

Продолжительность перемешивания минеральных материалов с битумом влияет на однородность и физико-механические-свойства асфальтобетона. При недостаточном перемешивании: минеральные материалы, особенно это видно на зернах щебня, покрываются пленкой битума неравномерно. На поверхности имеются места, не покрытые битумом., которые становятся зародышем разрушения асфальтобетона водой.

Введение ПАВ- на минеральные материалы (третья схема) обеспечивает предварительную гидрофобизацию частиц, что» улучшает смачивание зерен битумом, повышает адгезию вяжущего к минеральным частицам и способствует ускорению перемешивания.

При введении ПАВ по четвертой схеме уменьшается вероятность самослипания покрытых вяжущим частиц при снижении температуры смеси. Внешний слой, состоящий из дифильных молекул, снижает внутреннее трение смеси и облегчает перемещение частиц под действием уплотняющей нагрузки.

Приведенное сравнение показывает, что применение ПАВ-при любых вариантах приводит к облегчению процессов смачивания и обволакивания минеральных зерен вяжущим, что-выражается в уменьшении общего расхода мощности, затрачиваемой на перемешивание минеральных материалов с битумом.

Влияние. ПАВ на уплотняемость асфальтобетонной смеси определяли по разработанной методике. Уплотнение образцов производили в приборе со стальным цилиндром d=71,4 мм. с двумя цилиндрическими пуансонами (рис. 5). На нижнем пуансоне укреплен на специальном держателе индикатор, позволяющий определять деформации с точностью до 0,01 мм. На верхнем пуансоне укреплен кронштейн со специальной площадкой, служащей для упора ножки индикатора при измерении деформаций. Термостатирование формы с асфальтобетонной смесью осуществляли электрическим нагревателем. подводимое к нагревателю напряжение регулировали автотрансформатором, температуру определяли малоинерционной термопарой.

В цилиндр для испытания помещали количество смеси, обеспечивающее в конце испытания получение образца высотой 35-40 мм и диаметром 71,4 мм. После каждого Цикла нагружений в испытуемом образце фиксировались обратимые и необратимые деформации.

При напряжении 5 МПа нагрузку снимали. В течение 1 мин образец не уплотнялся, а затем нагружение возобновлялось. После каждого цикла нагружений в образце наблюдались три рода деформаций: упругие, сразу исчезающие после снятия нагрузки, эластические, исчезающие через некоторое время, и остаточные. При повышении плотности смеси относительная величина упругих деформаций возрастала, а остаточных- уменьшалась. Эластические деформации в начале уплотнения были достаточно велики, а затем постепенно уменьшались. При испытании фиксировали все виды деформаций...

Показатель уплотняемости смесей определяли следующим образом. Испытываемую смесь при заданных параметрах нагружали 30 раз, фиксируя остаточные деформации".

В соответствии с типом асфальтобетона, вязкостью применяемого битума, температурой уплотнения кривая зависимости показателя пористости от количества нагружений за 30 циклов приближалась к прямой нормативной прочности или пересекала ее. Это свидетельствовало о достижении асфальтобетоном проектной плотности.

Для испытания были приняты мелкозернистые и песчаные асфальтобетонные смеси горячего и теплого типов с ПАВ и без него. Выбор двух гранулометрий обусловлен необходимостью сравнения уплотняющего действия нагрузки на смеси, различной зернистости. Смеси были приготовлены на гранитном щебне, гранитных высевках, известняковом порошке. Изучаемые асфальтобетонные смеси обладали следующими физико-механическими-свойствами.

Уплотняемость асфальтобетонной смеси, как известно, зависит от многочисленных факторов: гранулометрического состава, вязкости битума, температуры и др. В горячем асфальтобетоне пленка битума на частицах минерального материала, имея высокую вязкость, оказывает большее сопротивление силе трения, чем пленки менее вязкого битума. Следовательно, нагревая асфальтобетонную смесь до более высокой температуры и уплотняя ее при достаточно высокой температуре, можно достигнуть лучшего уплотнения, избежав вредного влияния сопротивления сдвигу высоковязкой пленки на поверхности частиц минерального материала.

Для теплых асфальтобетонов сопротивление уплотнению меньше за счет меньшей вязкости битумной пленки, но больше из-за малой ее толщины на частицах минерального материала. Сила трения прямо пропорциональна вязкости, площади поверхности контакта и обратно пропорциональна толщине пленки битума. Поэтому уплотняемость должна быть несколько хуже у песчаных, чем у мелкозернистых смесей. На практике наилучшее уплотнение у теплых мелкозернистых асфальтобетонных смесей при более низкой температуре. Это можно объяснить тем, что битумы в первом и втором случае достигли равновеликой вязкости, при которой наблюдается наилучшее уплотнение асфальтобетонной смеси.

Положительное влияние ПАВ на уплотняемость горячих и теплых асфальтобетонных смесей объясняется следующим образом: введение небольшого количества ПАВ способствует образованию на поверхности минеральной частицы более равномерной битумной пленки, которая благодаря специфическому действию ПАВ лишена дефектов, выражающихся в появлении обнаженных участков на поверхности частиц минерального материала. Битумная пленки в этом случае выполняет роль «смазки» при перемещении одной частицы по другой, формирование плотной пленки битума благодаря ориентированному слою ПАВ затормаживает и ограничивает выжимание битума из, зон контакта, что способствует скорейшему переходу частиц в компактное положение.

Уплотнение горячего мелкозернистого асфальтобетона производили в диапазоне температур от 50 до 140 °С. Наилучшей уплотняемостыо горячий мелкозернистый асфальтобетон обладал при температурах от 75 до 115 °С. Введение ПАВ расширило диапазон температур, при которых повышается степень уплотнения. Нормативная плотность для данного типа асфальтобетона достигается от 60 до 130 °С.

Для теплого мелкозернистого асфальтобетона характерно улучшение уплотняемости при пониженных температурах и недоуплотнение при высоких. Предел наилучшей уплотняемости находится в интервале температур от 60 до 110 °С. Введение ПАВ расширило температурный диапазон уплотнения от 50 до 120 °С.

Кинетика уплотнения песчаного асфальтобетона в принципе не отличается от кинетики уплотнения мелкозернистого, однако разница между величинами средних плотностей в зависимости от температуры не такая резкая, как у мелкозернистых асфальтобетонов. Введение ПАВ в теплый песчаный асфальтобетон заметно улучшило уплотняемость во всем температурном диапазоне от 40 до 130 °С.
Значительное ускорение процесса уплотнения наблюдается при введении ПАВ в приготавливаемую асфальтобетонную смесь после битума во всём диапазоне температур.

Параметром, характеризующим уплотняемость смеси, служит диапазон рабочих температур, при которых циклическое нагружение имеет смысл. Чем шире этот диапазон, тем лучше уплотняемость смеси.

Таким образом, введение ПАВ в асфальтобетонную смесь после битума при перемешивании в смесителе расширяет диапазон температуры уплотнения, уменьшает энергетические затраты и позволяет снизить расход битума при проектировании.