Состав цементоасфальтобетонной смеси дорожно-строительного назначения
Владельцы патента RU 2773394:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.Г. ШУХОВА» (RU)
Изобретение относится к дорожно-строительным материалам и может быть использовано для устройства различных конструктивных слоев дорожных одежд. Состав цементоасфальтобетонной смеси дорожно-строительного назначения содержит, мас.%: минеральную часть в виде щебня гранитного фр. 5-20 мм 48 и песка 41,5, вяжущее – портландцемент 7,3-8,9 и кислую топливную золу Троицкой ГРЭС 1,6-3,2, битумную эмульсию (сверх 100% от минеральной части) 1, воду (сверх 100% от минеральной части без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) 4,2, водовяжущее соотношение 0,4. Изобретение развито в зависимом пункте формулы. Технический результат – сохранение прочностных характеристик цементоасфальтобетона при замене части цемента кислой золой. 1 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изобретение относится к дорожно-строительным материалам и может быть использовано для устройства различных конструктивных слоев дорожных одежд.
Из уровня техники известны различные композиции дорожно-строительных материалов, предназначенных для использования в качестве дорожного покрытия.
Из уровня техники известны различные композиции строительного назначения, предусматривающих сниженное содержание цемента за счет замены его части минеральными материалами из отходов производств, предназначенных, в том числе, и для устройства конструктивных слоев автомобильных дорог.
Известен состав композиционного вяжущего (по патенту № 2658416 МПК C04B 7/19, C04B 14/26, C04B 22/08, C04B 111/20, опубл. 21.06.2018) для получения строительных материалов различного назначения, в котором около 50 % цемента заменяется на минеральную добавку, включающую: доменный гранулированный шлак – 32-40; карбонатную муку – 4-8; карбонат калия – 6,8 -10,8; сухой суперпластификатор – 0,2. При этом смесь подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов до удельной поверхности 510-560 м2/кг. Несмотря на повышение физико-механических характеристик, композиционное вяжущее представляет собой много компонентную систему, к недостаткам которой следует отнести поиск и доставку нетрадиционного сырья для получения минеральной добавки, а так же затраты на механохимическую активацию.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является патент № 2436888 МПК Е01С 7/18, опубл. 2012.2011, (прототип). Состав цементоасфальтобетонной смеси включает: щебень фракции 5-20 мм – 48, песок – 41,5, портландцемент – 10,5, битумную эмульсию (сверх 100 % мин. части) – 1,0, вода – 4,2. Недостатком данной смеси является высокий расход цемента, обуславливающий высокую стоимость продукции.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является снижение количества цемента в составе материала при сохранении прочностных характеристик, таких, как: трещиностойкость по пределу прочности при растяжении при расколе; водостойкость; предел прочности при растяжении при изгибе; модуль деформации; модуль упругости; снижение прочности при попеременном замораживании оттаивании за 50 циклов.
Задача решается за счёт замены части цемента (25 %) на кислую топливную золу, выступающую в роли пуццолановой добавки.
Технический результат от использования предлагаемого состава цементоасфальтобетона с пониженным содержанием цемента состоит в том, что под воздействием различных видов нагружений, при различных условиях, прочностные характеристики заявляемого цементоасфальтобетона практически не изменяются.
Сущностью изобретения является то, что состав цементоасфальтобетона включает минеральную часть в виде щебня и песка, цемента, кислой топливной золы, а также битумную эмульсию и воду, при этом, кислая топливная зола составляет не более 25 % от массы цемента в составе эмульсии. Таким образом, состав цементоасфальтобетонной смеси имеет следующее соотношение компонентов, мас.% (Таблица 1): щебень гранитный фр. 5-20 мм – 48; песок – 41,5; композиционное цементное вяжущее – 10,5, включающее портландцемент – 7,3-8,9 и кислую топливную золу Троицкой ГРЭС – 1,6-3,2; битумная эмульсия – 1 (сверх 100%); водоцементное соотношение – 0,4; вода (сверх 100% минеральной части без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) – 4,2.
Таблица 1
| Наименование компонента | Количество, % |
| Щебень | 48 |
| Песок | 41,5 |
| Портландцемент | 7,3-8,9 |
| Кислая топливная зола | 1,6-3,2 |
| Битумная эмульсия (сверх 100%) | 1 |
| Водовяжущее соотношение (без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) |
0,40 |
Состав цементоасфальтобетона
Заявляемая смесь готовится известным способом:
Для приготовления цементоасфальтобетонной смеси используют раздельно-последовательную технологию, в соответствии с которой предварительно готовят смесь минеральных компонентов (песок, цемент, кислая топливная зола). В отдельном смесителе готовят черный щебень, т.е. щебень смешивают с битумной эмульсией. Затем затворяют водой предварительно подготовленную смесь минеральных компонентов, добавляют черный щебень и перемешивают.
Для экспериментальной проверки прочностных показателей состава цементоасфальтобетонной смеси были подготовлены 4 состава цементоасфальтобетонной смеси (Таблица 2); сравнение проводили с ранее указанным ближайшим аналогом (патент № 2436888), состав которого взяли в пределах, указанных в его описании, мас.%: щебень фракции 5-20 мм – 48, песок – 41,5, портландцемент – 10,5, битумная эмульсия (сверх 100 % мин. части) – 1,0, вода – 4,2.
Таблица 2
| Наименование компонентов |
Соотношение компонентов в составе цементоасфальтобетона, % | ||||
| Ближайший аналог | Состав №1 | Состав №2 | Состав №3 | Состав №4 | |
| Щебень гранитный, фр. 5-20 мм |
48,00 | 48,00 | 48,00 | 48,00 | 48,00 |
| Песок | 41,50 | 41,50 | 41,50 | 41,50 | 41,50 |
| Портландцемент | 10,50 | 8,90 | 8,40 | 7,90 | 7,30 |
| Кислая зола Троицкой ГРЭС | – | 1,60 | 2,10 | 2,60 | 3,20 |
| Битумная эмульсия | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| Вода | 4,2 | 4,2 | 4,2 | 4,2 | 4,2 |
| Примечание: | - сумма минеральных компонентов смеси (100 %); | ||||
| - битумная эмульсия (сверх 100 % минеральной части) |
Вариативность составов цементоасфальтобетона в зависимости
от количества добавки для замены цемента
Физико-механические свойства определяли в соответствии с методиками ГОСТ 12801-98. Изготовленные образцы по прошествии 7 суток твердения в условиях абсолютной влажности испытывали на (таблица 3): предел прочности при растяжении при изгибе; водостойкость; модуль деформации; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов.
Таблица 3
| Свойства | Наименование состава цементоасфальтобетона: | ||||
| Ближайший аналог | Состав №1 | Состав №2 | Состав №3 | Состав №4 | |
| Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа |
3,84 | 3,81 | 3,65 | 3,79 | 2,99 |
| Водостойкость | 1,04 | 1,04 | 1,02 | 1,01 | 0,98 |
| Модуль деформации, МПа: | 1150 | 1130 | 1100 | 1110 | 940 |
| Снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов, % | 16,51 | 16,74 | 16,83 | 16,71 | 17,54 |
Характеристики цементоасфальтобетона с использованием кислой топливной золы Троицкой ГРЭС
Подготовка образцов и применяемое оборудование регламентируется ГОСТ 12801-98. Значения указанных характеристик цементоасфальтобетона определяли на образцах 4-х составов при следующем соотношении компонентов в составах:
1. Образцы, изготовленные из состава смеси № 1 (мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 8,9; зола Троицкой ГРЭС – 1,6; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,81 МПа; водостойкость – 1,04; модуль деформации – 1130 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,74 %.
2. Образцы, изготовленные из состава смеси № 2 (мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 8,4; зола Троицкой ГРЭС – 2,1; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 2,99 МПа; водостойкость – 1,02; модуль деформации – 1100 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,83 %.
3. Образцы, изготовленные из состава смеси № 3 (мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 7,9; зола Троицкой ГРЭС – 2,6; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,79 МПа; водостойкость – 1,01; модуль деформации – 1110 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,71 %.
4. Образцы, изготовленные из состава № 4 (мас.%): щебень гранитный (фр. 5-20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 7,3; зола Троицкой ГРЭС – 3,2; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,79 МПа; водостойкость – 0,98; модуль деформации – 940 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 17,54 %.
Как видно из результатов испытаний образцов приведенных составов, отличием рассматриваемых составов является варьирование количеством пуццолановой добавки в виде кислой топливной золы Троицкой ГРЭС, введенной взамен части цемента в количестве 1,6 – 3,2 % от массы смеси минеральных компонентов (15 – 30 % от массы цемента с шагом 5 %), влияющее на прочностные показатели образцов (Таблица 2, 3).
Так, составы №1 - 4 содержат 8,9; 8,4; 7,9 и 7,3 % цемента и 1,6; 2,1; 2,6 и 3,2 % (т.е. 15, 20, 25 и 30 % от массы цемента) кислой топливной золы Троицкой ГРЭС соответственно (таблица 2).
Таким образом, были получены и испытаны образцы цементоасфальтобетона с учетом особенностей вяжущего гидратационного типа твердения под воздействием разных нагружений при различных условиях, в соответствии с ГОСТ 12801-98). Количество цемента варьируется от 7,3 до 8,9 %, а пуццолановой добавки в виде кислой топливной золы варьируется от 1,6 до 3,2 %, а соотношение других компонентов смеси оставалось неизменным.
Как показывают результаты экспериментов, наиболее эффективной концентрацией является 7,9 % цемента и 2,6 % кислой топливной золы Троицкой ГРЭС (Таблица 2, состав № 3), когда прочностные характеристики образцов цементоасфальтобетона достигают максимальных значений по сравнению с прототипом (Таблица 3).
Предложенный состав смеси позволяет достигнуть заявленного результата (снижение количества потребляемого цемента, без снижения прочностных характеристик цементоасфальтобетона) за счет того, что взамен части цемента используется пуццолановая минеральная добавка в виде кислой топливной золы Троицкой ГРЭС в количестве 1,6 – 3,2 % от массы минеральных компонентов (или 15 – 30 % от массы портландцемента). Это позволяет снизить количество цемента в составе цементоасфальтобетонной смеси, при этом характеристики цементоасфальтобетона практически не изменяются.
Роль топливной золы заключается в ее химической (пуццолановой) активности. При оптимальном соотношении в системе «цемент+минеральная добавка» компоненты кислой топливной золы, представленные в основном аморфной фазой, вступают в реакцию с продуктами гидратации цемента (Са(OH)2), связывая их в устойчивые гидратные фазы. Данное обстоятельство способствует достижению необходимых прочностных показателей конструктивных слоев из цементоасфальтобетона при сниженном содержании цемента.
В результате экспериментов, установлено, что достижение необходимых прочностных показателей цементоасфальтобетона на основе заявленного состава цементоасфальтобетонной смеси возможно за счет состава (таблица 4), степени дисперсности и активности (индекс активности по ГОСТ 25818-2017) (таблица 5) кислой топливной золы Троицкой ГРЭС, позволяющих сохранить прочность цементного вяжущего.
Таблица 4
| Содержание, % | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | SO3 | MgO | Na2O | K2O | п.п.п. | пр. |
| 62,53 | 28,75 | 0,61 | 4,10 | 0,21 | 1,06 | 1,05 | 0,29 | 4,95 | 1,40 |
Химический состав кислой топливной золы Троицкой ГРЭС
Таблица 5
| Наименование показателя |
Нормируемые значения для зол IV вида по ГОСТ 25818-2017 | Фактические |
| Удельная поверхность по ПСХ, м2/кг | > 300 | 495 |
| Индекс активности на 28 сут. | ≥ 75 | 84 |
| Индекс активности на 90 сут. | ≥ 85 | 95 |
Физико-механические свойства кислой топливной золы Троицкой ГРЭС
Согласно анализу научно-технической литературы, использование реакционно активных зол в системе «цемент – зола» в разных случаях позволяет улучшить удобоукладываемость бетонных смесей, их прочностные характеристики, снизить стоимость бетона за счет замены части цемента и повысить его долговечность. Для замены части цемента используется кислая топливная зола Троицкой ГРЭС в количестве 15 – 30 % от массы цемента в составе цементоасфальтобетонной смеси. Использование указанной золы в качестве пуццолановой добавки позволяет при сниженном количестве цемента сохранять активность вяжущего, что дает возможность получать композиционный материал с показателями прочности близкими к показателям образцов состава без добавки. Следует отметить, что топливная зола используется в том виде в котором поступает с производства и, в данном случае, не требует дополнительной активации. Введение большего количества активной минеральной добавки в виде кислой топливной золы приводит к значительной потере активности вяжущего, выражающейся в снижении прочностных показателей. Введение меньшего количества активной минеральной добавки не позволит добиться необходимой активности вяжущего ввиду сниженного его количества и недостаточной концентрации пуццоланового компонента.
Предложенный состав смеси позволяет достигнуть заявленного результата – снижение количества цемента без потери прочности.
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.
1. Состав цементоасфальтобетонной смеси дорожно-строительного назначения, содержащий минеральную часть в виде щебня фр. 5-20 мм и песка, вяжущее – портландцемент, а также битумную эмульсию и воду, отличающийся тем, что используют гранитный щебень, а вяжущее дополнительно содержит кислую топливную золу Троицкой ГРЭС, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| щебень гранитный фр. 5-20 мм | 48 |
| песок | 41,5 |
| портландцемент | 7,3-8,9 |
| указанная кислая топливная зола | 1,6-3,2 |
| битумная эмульсия сверх 100% от минеральной части | 1 |
| вода сверх 100% от минеральной части без учета воды, | |
| присутствующей в битумной эмульсии | 4,2 |
| водовяжущее соотношение | 0,4 |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что количество кислой топливной золы Троицкой ГРЭС составляет 15-30% от массы портландцемента.
