Основой сырья для производства цементно - и асфальтобетонов, строительства оснований автомобильных дорог являются традиционные изотропные горные породы - граниты, базальты, песчаники, известняки и т.д., месторождения которых имеют ограниченное распространение.
В то же время, в связи с внедрением мощных горнодобывающих комплексов в ведущих государствах мира в зону горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых попали миллиарды тонн нетрадиционных для стройиндустрии анизотропных пород сланцеватой, полосчатой, слоистой и др. текстур, широкомасштабное использование которых тормозится отсутствием методологических основ проектирования и производства строительных материалов на этом сырье.
К анизотропным мы относим горные породы, один из показателей которых (предел прочности при сжатии, изгибе, растяжении, коэффициент линейного расширения, электропроводность и т.д.) перпендикулярно сланцеватости (полосатости, слоистости) больше этого параметра параллельно указанного направления в 1,2 и более раз. Подобные природные образования встречаются среди всех основных типов сырья, но наибольший практический интерес для дорожного строительства представляют регионы распространения метаморфических пород.
Образование этих пород связано с различными процессами:
- осадконакопления с ритмичным чередованием изотропных кварца, кальцита, полевых шпатов, с минералами пластинчатой, чешуйчатой или игольчатой формы;
- метаморфизма - за счет формирования пород под действием высоких температур (400 - 1100?С), флюидов и одностороннего давления, при которых минералы в основном пластинчатой и чешуйчатой формы располагаются взаимопараллельно предопределяя анизотропию свойств;
-реже встречаются анизотропные породы магматического происхождения. Зависимость свойств от направления у которых связано с ритмичным изменением состава и свойств магмы и лавы и образованием горных пород с полосчатой текстурой.
Предел прочности при сжатии перпендикулярно сланцеватости (полосатости, слоистости) пород анизотропного строения выше прочности параллельно сланцеватости в 1,2 -3 раза.
Существенно отличается в зависимости от направления исследования коэффициент линейного расширения, электропроводность, теплопроводность и т.д.
Отсутствие прямой зависимости между коэффициентом анизотропии и количеством зерен лещадной формы объясняется особенностями текстуры изучаемых горных пород.
На основе отождествления свойств анизотропных пород со случайным вектором Vi =(xj;y), где хj; у - замеры показателей в направлениях соответственно параллельном и перпендикулярном сланцеватости (полосатости, слоистости), разработана математическая модель, представляющая собой математические ожидания значений исследуемых свойств в направлениях замеров,
где n=(cos, sin ) - единичный вектор направляющих косинусов, определяющий направление замеров ;
-вектор направляющих косинусов, полученных путем транспортирования вектора n ;
- тензор второго ранга, который при выбранных направлениях представляется неособенной диагональной матрицей М;
[Vx]2,[Vy]2 - квадраты средних значений исследуемых показателей соответственно в направлениях параллельно и перпендикулярно сланцеватости (полосатости, слоистости).
Тензор М является полной и исчерпывающей характеристикой анизотропии исследуемого физико- механического или технологического свойства.
На основе математической модели и механофизики разрушения разработаны принципы технологии дробления анизотропных горных пород, реализация которых позволила снизить количество в щебне зерен лещадной формы в 1,8 - 2 раза.
Получение высококачественных асфальтобетонных композитов с использованием анизотропного гырья возможно лишь при создании оптимальной структуры и обеспечении прочного сцепления между органическим вяжущим и минеральными составляющими, которое определяется физическими, физико-химическими и механическими взаимодействиями на границе разделения фаз. Увеличить адгезионную способность системы минеральный материал-битум возможно либо повышением качества битума, либо активизацией заполнителя и наполнителя.
Модифицирование битумов производилось добавками ПАВ "Шедор", "Камид", полученных с использованием отходов Шебекинского химического комбината добавкой "Бикор" (Патент РФ ╧2123987, С04В 26/26).
Для активирования минеральных порошков исследовано 15 различных гидрофоби-заторов (анионоактивных ПАВ на основе карбоновых кислот и их солей), разработана дезинтеграторная технология и оптимальные режимы обработки минеральных порошков, а также метод оценки степени их гидрофобизации.
В качестве минеральных порошков, подвергнутых гидрофобизации, использовали как традиционные (известняк, цементную пыль), так и не используемые в настоящее время мел, обладающий высокой пористостью и влагоемкостью и. саморассыпающийся шлак Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК). Мел состоит в основном из кокколитофирид, фораменифер и кокколоитов.
Данные рентгенофазового и дифференциально-термического анализа свидетельствуют о наличии в шлаке бредигита ( -C2S) с отражениями d=2,68;2,75; 1,93; 2,29; 2,ОЗА; ларнита ( -C2S) с отражениями d=2,73; 2,71; 2.49А и геленита (Ca2Al2O3SiO7) с отражениями d=2,85; 1,75; 3,07; 2,44А. Последний обнаружен в шлаке ОЭМК впервые. Установлено, что обработка материалов при помоле в шаровых мельницах и дезинтеграторах низкотемпературными каменноугольными смолами, смесью нефтяного битума с буроугольной смолой, кубовыми остатками ОКК в количестве 2-3%, позволяет получить высококачественный минеральный порошок из некондиционного сырья и отходов промышленности.
В результате такой обработки на минеральных зернах образуется тонкий слой высокотемпературного битума и поверхностно-активного вещества, адсорбционно связанного с поверхностью минерального порошка. Создаваемый таким образом на поверхности минеральных зерен и прилегающих к ней порах структурно-механический барьер коренным образом изменяет свойства минерального порошка и основные параметры асфальтобетона на его основе.
С целью создания наиболее жесткого режима испытаний асфальтобетона были спроектированы составы с повышенной остаточной пористостью (5-7%) и, соответственно, повышенным водонасыщением (свыше 4%). Гидрофобизация порошка из молотого мела позволяет снизить водонасыщение и набухание асфальтобетона, повысить пределы прочности при сжатии и коэффициенты водостойкости, а главное - значительно увеличить сопротивляемость асфальтобетона длительному воздействию воды и многократному замораживанию-оттаиванию. Горячая асфальтобетонная смесь типа Б с применением гидрофобизированного минерального порошка на основе молотого мела была использована для строительства опытного участка автодороги.
Промышленная апробация технологии и строительства оснований и покрытий с использованием заполнителей из анизотропных пород и оптимизацией матрицы осуществлена при строительстве автомобильной дороги Бабровы Дворы- Чаплыжное. Ввиду того, что исследуемый щебень при укатке не образует каменной муки и обладает плохой цементирующей способностью, уплотнение его традиционным статическим методом нерационально. Предложен многостадийный вибрационный и ударно-вибрационный метод уплотнения основания, позволивший после расклинцовки фракцией О...5 мм получать пустотность 9,1% и модуль упругости 460МПа. Для устройства покрытия применялся асфальтобетон на щебне из пород сланцевой толщи ЛГОКа (51%), песка (41%), активированного минерального порошка (8%), битума БНД 60/90 (6,25% от массы минеральной части) катионактивной добавки БП-3 (1,5%).
После окончания укладки продолжали уплотнение смеси 10-тонным катком до окончательной укатки (исчезновение следов на покрытии). Через 10 дней из покрытия были взяты три вырубки. Характеристика вырубок приводится ниже:
Сцепление покрытия
с основанием................................... хорошее
Толщина слоя, мм................................60...62
Плотность, г/см3............................. 2,69...2,70
Водонасыщение,
% по объему..................................... 3,1...3,3
Набухание,
% по объему.................................... 0,4...0,45
Коэффициент уплотнения................0,99...1,0
Сравнение физико-механических свойств вырубок и переформованных образцов свидетельствует о том, что показатели водонасыщения и набухания асфальтобетона в процессе самоукатки под воздействием проходящего автотранспорта улучшаются.
В результате извлечения битума из асфальтобетонной смеси методом экстрагирования в аппарате Сокслетта был определен зерновой состав минеральной части смеси.
Установлено, что состав минеральной части смеси незначительно отличается от заданного. За опытным участком с асфальтобетонным покрытием на минеральном материале, полученном в результате дробления анизотропных скальных пород КМА, вели наблюдение и периодически брали вырубки для определения изменений во времени физико-механических свойств смеси в процессе эксплуатации. Вырубки брали через 10 дней после укладки асфальтобетона в покрытие, через 2 года и через 6 лет эксплуатации, затем на данном участке была выполнена поверхностная обработка.
Сравнение физико-механических свойств вырубок и переформованных образцов, взятых через 10 дней, 2 года и 6 лет эксплуатации покрытия, позволяет отметить, что с увеличением срока службы покрытия средняя плотность вначале растет, а затем начинает незначительно понижаться. Значения величин водонасыщения и набухания в первые 2 года снижаются, а через 6 лет начинают плавно возрастать. Следовательно, в процессе эксплуатации в течение двух лет покрытие доуплотнилось. Физико-механические свойства материала улучшились за счет протекания во времени физико-химических процессов в вяжущем и на поверхности раздела битум- минеральный материал. После 6 лет эксплуатации физико-механические свойства асфальтобетона начинают ухудшаться. Это объясняется началом процесса старения битума. За счет незначительных затрат на устройство поверхностной обработки (2-3 тыс. р. на 1 км дороги в ценах 1990 года) удалось значительно улучшить эксплуатационные показатели покрытия еще на 5 лет.
Автор: A.M. ГРИДЧИН, проф., академик МАМР
Источник: Материалы предоставлены ООО"ТМО Совтех" г.Москва, Б.Черкасский пер.15 оф.(104)
