Плотные и высокоплотные асфальтобетонные смеси, применяемые в верхних слоях покрытий автомобильных дорог и городских улиц, содержат в своем составе минеральный порошок.

Минеральный порошок-материал, получаемый при помоле горных пород или твердых отходов промышленности. Минеральный порошок может быть активированный и неактивированный. Активированный минеральный порошок-материал, получаемый при помоле горных пород или твердых отходов промышленного производства с добавлением активирующих веществ, при помоле битуминозных пород, в том числе и горючих сланцев.

Активирующие вещества – это смесь поверхностно активных веществ (ПАВ) или продуктов, содержащих ПАВ, с битумом, рационально подобранная применительно к химической природе сырья для производства минерального порошка.

В соответствие с ГОСТ Р 52129-2003 {1} порошки минеральные в зависимости от показателей свойств и применяемых исходных материалов подразделяют на марки МП-1(порошки неактивированные и активированные из карбонатных осадочных горных пород и порошки из битуминозных пород) и МП-2 (порошки из некарбонатных горных пород, твердых и порошковых отходов промышленного производства ). Карбонатная порода – осадочная порода состоящая более чем на 50%  из одного или нескольких карбонатных минералов, например из известняков (СаСО₃), доломитов (СаСО₃, MgCO₃ с примесями глинистого, железистого, кремнистого и др. веществ) и переходных между ними разновидностями.

Некарбонатная порода - это осадочная или изверженная порода, состоящая более чем на 50%  из минералов кремнезема (SiO₂), например опок, трепелов, туфов, песчаника, гранитов.

Порошковые отходы промышленного производства – это отходы промышленного производства не требующее измельчения, например золы - уноса и золо - шлаковые смеси тепловых электростанций, пыль уноса цементных заводов, металлургические шлаки и др.

ГОСТ 52129-2003 ограничивает содержание полуторных окислов (Al₂O₃+Fe₂O₃) в горных породах и промышленных отходах производства используемых при приготовлении порошков, и в порошковых отходах промышленного производства, используемых в качестве порошка до 7% - для активированных порошков и до 1,7% - для неактивированных порошков. В твердых промышленных отходах производства, используемых для приготовления порошков, и в порошковых промышленных отходах производства, используемых в качестве порошков, ограничивается так же содержание активных CaO+MgO  до 3%, водорастворимых соединений до 6%. Эти ограничения, на наш взгляд подлежат уточнению. Так, например, исследованиями Ядыкиной В.В., Высоцкой М.А., доказано, что за счет активного взаимодействия минеральных порошков, содержащих 20-40% оксида кальция с битумом замедляется интенсивность его старения в асфальтобетоне, что способствует повышению  долговечности.

В работе Высоцкого А.В. установлено, что содержание оксидов железа в минеральном порошке в количестве 50-80% приводит к повышению коррозионной устойчивости асфальтобетона и к снижению интенсивности старения битума за счет более активного взаимодействия поверхности минерального материала с его компонентами.

Технология приготовления минеральных порошков аналогична технологии помола сухих горных пород и технических каменных материалов, которые широко применяют в цементной, керамической и огнеупорной промышленностях . Во многих случаях приготовление минеральных порошков производят вдали от мест их применения в битумоминеральных и асфальтобетонных смесях, что вызывает необходимость их упаковки в крафт-мешки во избежании значительных потерь от распыла при транспортировании навалом в автомобилях и вагонах. Технология приготовления порошков заимствована из давно известных технологий размола материалов на любых видах мельниц, обеспечивающих заданную техническими условиями тонкость помола и наименьшую стоимость порошка.

Технологические переделы получения минеральных порошков следующие: разработка камня крупных размеров в карьере (взрывом); транспортирование камня к дробильной установке;  плинтовка негабаритного камня; грохочение; первичное дробление камня до габаритных размеров; грохочение; вторичное дробление до крупности 15-20 мм; подсушка габаритного камня 15-20 мм  до влажности менее 0,5%; помол камня без сепарации или с сепарацией,  также  без сепарации с обработкой активирующей смесью; хранение минерального порошка и упаковка; транспортирование минерального порошка к месту применения. В данное время порошки приготовляют на шаровых мельницах производительностью 3-10 т/ч, которые широко используются при размоле клинкера портландцемента и др. материалов.

Технология производства минерального порошка довольно энергоемка и трудоемка, поэтому его производство в условиях асфальтобетонных заводах не эффективно.

В Центрально-Черноземном районе (ЦЧР) действуют два мощных цементных завода:  ЗАО «Белгородский цемент» и ЗАО «Осколцемент», мощности которых недозагружены из-за недостаточного спроса.  Из-за отсутствия карбонатного сырья, сложности технологии производства минерального порошка дорожные организации Белгородской, Курской, Воронежской и других областей ЦЧР и других регионов Росси намерены применять в асфальтобетонных смесях цемент в качестве минерального порошка, что должно обеспечить высокое качество асфальтобетона в верхних слоях покрытий автомобильных дорог и городских улиц, а так же снижение стоимости устройства таких покрытий (за счет снижения транспортных расходов).

При планово-распределительной экономике цемент являлся строго фондируемым материалом (минеральным вяжущим) для приготовления строительных растворов, цементных бетонов, а так же для производства сборных цементобетонных, железобетонных деталей и конструкций. Применение цемента на других работах запрещалось, по этому не велись научно-исследовательские работы по его применению не по назначению.

В рыночной экономике применение цемента на любых видах работ, в том числе и в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях, диктуется получением максимально возможного дохода-прибыли. Однако, применение цемента в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях сдерживается из-за отсутствия нормативных документов. Действующие нормативные документы, регламентирующие качество минерального порошка ГОСТ Р 52129-2003 {1}, качество асфальтобетонных смесей и асфальтобетоннов ГОСТ 9128-97 {4} не содержат сведений о возможности применении цемента в качестве минерального порошка.

Портландцемент и шлакопортландцемент общестраительного назначения изготовляют на основе портландцементного клинкера в соответствии с требованиями ГОСТ 101178-85{4}. По вещественному составу цемент подразделяют на портландцемент (без минеральных добавок), портландцемент с минеральными добавками ( с активными минеральными добавками не более 20%), шлакопртландцемнт ( с добавками гранулированного шлака более 20 %). По прочности при сжатии в 28 суточном возрасте цемент подразделяют на марки: портландцемент 400, 500, 550 и 600; шлакопортландцемент 300, 400 и 600.

Для приготовления асфальтобетонных смесей могут быть использованы в качестве минерального порошка цементы с наименьшей активностью, (портландцемент марки не выше 400, шлакортландцемнт марок 300, 400).

Особенности применения цемента в качестве минерального порошка заключается в его минеральном составе, значительно отличающегося от минерального состава порошков из карбонатных горных пород. Минеральный порошок марки МП-1состоит в основном из минералов СаСО₃, не вступающих в реакции гидролиза и гидротации .

Образование цементного клинкера происходит в зоне спекания вращающихся печей в интервале температур 1100-1500 градусов. В результате взаимодействия СаО свободных окислов и получение соединений силикатов алюминатов, ферритов кальция с образованием жидкой фазы до 15-30% и главнейших соединений в такой последовательности: 2СаОSiO₂ (двухкальцевый силикат С₂S), 3СаОAl₂O₃ (трехкальцевый алюминат С₃А), 4СаОAl2OFe2O3 (четырехкальцеевый алюмоферрит C₄AF) и 3CaOSiO₂ (трехкальцевый силикат С₃S). В конечном продукте может содержаться небольшое количество (до 1,5%) избыточной свободной CaO или MgO.

В портландцементе содержание клинкерных минералов бывает: трехкальциевого силиката (C₃S) 37-60%, двухкальциевого силикаита (C₂S) 15-37%, трехкальциевого алюмината (C₃A) 7-15% и четырехкальциевого алюмоферрита (C₄AF) 10-18%. Для замедления реакции схватывания цементного теста в результате образования гидросульфоалюмината кальция в цементный клинкер при помоле вводят до 3 % гипса (CaSO₄ 2H₂O).

При взаимодействии цемента с водой возникают процессы гидратации (реакция, протекающая с присоединением воды) и гидролиза (реакции без распада вещества или с распадом его и образованием новых соединений).

Эти сложные процессы в общих чертах могут быть отнесены к следующим реакциям главнейших минералов. В процессе взаимодействия с водой трехкальциевого силиката происходит гидролитическая диссоциация по реакции: 3CaOSiO₂+nH₂O - 2CaOSiO₂ nH₂O+Ca(OH)₂.

Двухкальцевый силикат при взаимодействии с ограниченным количеством воды гидратируется по следующиму уравнению: 2СaOSiO₂+nH₂O – 2CaO SiO₂ nH₂O.

Трехкальцеевый алюминат весьма быстро присоединяет воду по уравнению: 3CaOAl₂O₃+H₂O – 3 CaOAl₂O₃ 6H₂O.

Поскольку в цементной смеси имеется гипс последний вступает в реакцию с гидротрехкальцеевым алюминатом, образуя труднорастворимое новообразование – гидросульфоалюминат кальция по следующему уравнению:

3CaOAl₂O₃ 6H₂O+3(CaSO₄ 2H₂O)+19H₂O – 3CaOAl₂O₃ 3CaSO₄ 31H₂O.

Четырехкальцеевый алюмоферрит при взаимодействии с водой образует: 4CaOAl₂O3Fe₂O₃+nH₂O – 3CaOAl₂O₃ 6H₂O+CaOFe₂O₃ nH₂O.

Таким образом, в асфальтобетоне с применением цемента в качестве минерального порошка, несмотря на наличие на их поверхностях структурированных пленок битума, при увлажнении могут происходить в какой-то мере  реакции гидролиза и гидротации клинкерных минералов с образованием указанных новообразований. Иследование возможности протекния реакций гидролиза игидротации клинкерных минералов в водонасыщенном асфальтобетоне, химического взаимодействия компонентов битума с цементом не проводились.

Для выяснения вопроса о возможности применения цемента в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях необходимо провести комплексное исследование по решению следующих задач:

-изучение процессов взаимодействия портландцемента и шлакопортландцемента с компонентами битума и свойств асфальтовяжущего на их основе;
-обоснование оптимальной добавки цемента в минеральном порошке при его частичной замене;
-разработка рациональных составов асфальтобетонных смесей с применением цемента в качестве минерального порошка и с использованием минерального порошка с оптимальной добавкой цемента для устройства верхних слоев покрытий автомобильных дорог;
-исследование физико-механических характеристик, долговечности и коррозионной стойкости полученного асфальтобетона;
-подготовка нормативно-технической документации для внедрения в производство результатов работы;
-апробация результатов теоретических и лабораторных исследований в промышленных условиях.

Список литературы

1. ГОСТ Р 52129-2003. «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия». - М., 2003. – 12с.

2. Высоцкая М.А. Асфальтобетон с применением известьсодержащих минеральных порошков. Автореферат на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. – Белгород, 2004. – 22с.

3. Высоцкий А.В. Эффективный асфальтобетон на минеральных материалах из железосодержащего техногенного сырья КМА. Автореферат на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Белгород, 2004. - 23с.

4. ГОСТ 9128-97. «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия». - М., 1997. - 13с.

С анализом российского рынка ЩМАС Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок стабилизаторов щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей в России».

Гридчин А.М., д-р техн. наук, проф.,
Шухов В.И. канд. техн. наук, доц.,
Кайдалов О.А., аспирант
Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова