Состав цементоасфальтобетона дорожно-строительного назначения
Владельцы патента RU 2775249:
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. Технический результат заключается в сохранении прочностных характеристик цементоасфальтобетона при замене части цемента на основную топливную золу. Состав цементоасфальтобетона дорожно-строительного назначения включает компоненты при следующем соотношении, мас.%: портландцемент – 7,9–9,4; основная топливная зола – 1,1–2,6; щебень – 48; песок – 41,5; битумная эмульсия – 1 (сверх 100% минеральной части); водоцементное соотношение – 0,4; вода (сверх 100% минеральной части без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) – 4,2. 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 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 № 2 658 416 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 многокомпонентную 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 Е01С7/18, 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 на основную топливную золу, выступающую в роли пуццолановой добавки с гидравлическими свойствами.
Технический результат от использования предлагаемого состава цементоасфальтобетона 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, основной топливной золы, а также битумную эмульсию и воду, при этом, основная топливная зола составляет не более 15 % от массы цемента в составе эмульсии. Таким образом, состав цементоасфальтобетонной смеси имеет следующее соотношение компонентов, мас. %: щебень – 48; песок – 41,5; композиционное цементное вяжущее – 10,5, включающее портландцемент – 7,9–9,4 и основную топливную золу – 1,1–2,6; 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):
Таблица 1
Состав цементоасфальтобетона
| Наименование компонента | Количество, % |
| Щебень | 48 |
| Песок | 41,5 |
| Портландцемент | 7,9–9,4 |
| Топливная зола (3 % от массы битума в составе эмульсии) | 1,1–2,6 |
| Битумная эмульсия (сверх 100%) | 1 |
| Водоцементное соотношение (без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) |
0,40 |
Заявляемая смесь готовится известным способом.
Для приготовления цементоасфальтобетонной смеси используют раздельно-последовательную технологию, в соответствии с которой предварительно готовят смесь минеральных компонентов (песок, цемент, основная 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 протитипом (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
Вариативность составов цементоасфальтобетона в зависимости от количества добавки для замены цемента
| 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 | 9,4 | 8,9 | 8,4 | 7,9 |
| Зола Назаровской ТЭС | – | 1,1 | 1,6 | 2,1 | 2,6 |
| 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).
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 оттаивании за 50 циклов.
Таблица 3
Характеристики цементоасфальтобетона с использованием основной топливной золы Назаровской ТЭС
| Свойства | Наименование состава цементоасфальтобетона: | ||||
| Ближайший аналог | Состав № 1 | Состав № 2 | Состав № 3 | Состав № 4 | |
| Предел прочности при растяжении при изгибе, МПа |
3,84 | 3,81 | 3,79 | 3,27 | 2,84 |
| Водостойкость | 1,04 | 1,02 | 1,01 | 0,96 | 0,92 |
| Модуль деформации, МПа: | 1150 | 1100 | 1080 | 970 | 860 |
| Снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов, % | 16,51 | 16,57 | 16,65 | 17,32 | 17,91 |
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 (масс.%): щебень гранитный (фр. 5–20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 9,4; зола Назаровской ТЭС – 1,1; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 суток проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,81 МПа; водостойкость – 1,02; модуль деформации – 1100 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,57 %.
2. Образцы, изготовленные из состава смеси № 2 (масс.%): щебень гранитный (фр. 5–20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 8,9; зола Назаровской ТЭС – 2,6; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 суток проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,78 МПа; водостойкость – 1,01; модуль деформации – 1080 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 16,65 %.
3. Образцы, изготовленные из состава смеси № 3 (масс.%): щебень гранитный (фр. 5–20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 8,4; зола Назаровской ТЭС – 2,1; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 суток проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 3,27 МПа; водостойкость – 0,96; модуль деформации – 970 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 17,32 %.
4. Образцы, изготовленные из состава № 4 (масс.%): щебень гранитный (фр. 5–20 мм) – 48; песок – 41,50; портландцемент – 7,9; зола Назаровской ТЭС – 2,6; битумная эмульсия – 1,00; вода – 4,2, по истечении 7 суток проводили испытания. Предел прочности на растяжение при изгибе составил 2,84 МПа; водостойкость – 0,92; модуль деформации – 860 МПа; снижение прочности при попеременном замораживании и оттаивании за 50 циклов – 17,91 %.
Как видно из результатов испытаний образцов приведенных составов, отличием рассматриваемых составов является варьирование количеством пуццолановой добавки с гидравлическими свойствами в виде основной топливной золы Назаровской ТЭС, введенной взамен части цемента в количестве 1,1-2,6 % от массы смеси минеральных компонентов (10-25 % от массы цемента с шагом 5 %), влияющее на различные показатели прочности образцов (Таблица 2, 3).
Так, составы № 1–4 содержат 9,4; 8,9; 8,4 и 7,9 % цемента и 1,1; 1,6; 2,1 и 2,6 % (т.е. 10, 15, 20 и 25 % от массы цемента) основной топливной золы Назаровской ТЭС соответственно.
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 7,9 до 9,4 %, а пуццолановой добавки с гидравлическими свойствами в виде основной топливной золы варьируется от 1,1 до 2,6 %, а соотношение других компонентов смеси оставалось неизменным.
Как показывают результаты экспериментов, наиболее эффективной концентрацией является 8,9 % цемента и 1,6 % основной топливной золы Назаровской ТЭС (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 основной топливной золы Назаровской ТЭС в количестве 1,1–2,6 % от массы минеральных компонентов (или 10–25 % от массы вяжущего). Это позволяет снизить количество цемента в составе цементоасфальтобетонной смеси, при этом характеристики цементоасфальтобетона практически не изменяются.
Роль топливной золы заключается в ее химической (пуццолановой и гидравлической) активности. При оптимальном соотношении в системе «цемент+минеральная добавка» компоненты основной топливной золы, представленные аморфной фазой и клинкерными минералами, вступают в реакцию с продуктами гидратации цемента (Са(OH)2) и повышают активность вяжущего, в результате чего образуются устойчивые гидратные фазы и обеспечивается прочность 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) (Таблица5) основной топливной золы Назаровской ТЭС, позволяющих сохранить прочность цементного вяжущего.
Таблица 4
Химический состав основной топливной золы Назаровской ТЭС
| Содержание, % | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | SO3 | MgO | Na2O | K2O | п.п.п. | пр. |
| 31,55 | 8,84 | 37,80 | 8,99 | 4,40 | 6,31 | 0,76 | 0,20 | 3,15 | 1,15 |
Таблица 5
Физико-механические свойства основной топливной золы Назаровской ТЭС
| Наименование показателя |
Нормируемые значения для зол IV вида по ГОСТ 25818–2017 | Фактические |
| Удельная поверхность по ПСХ, м2/кг | > 300 | 451 |
| Индекс активности на 28 сут. | ≥ 75 | 76 |
| Индекс активности на 90 сут. | ≥ 85 | 87 |
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. Для замены части цемента используется основная топливная зола Назаровской ТЭС в количестве 10–25 % от массы цемента в составе цементоасфальтобетонной смеси. Использование указанной золы в качестве пуццолановой добавки с гидравлическими свойствами 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 основной топливной золы приводит к критическому уменьшению сроков схватывания, что не позволяет использовать добавку в производстве, а также негативно отражается на наборе прочности. Введение меньшего количества активной минеральной добавки не целесообразно, так как приведет к увеличению количества цемента в составе смеси.
Предложенный состав смеси позволяет достигнуть заявленного результата – снижение количества цемента в цементосфальтобетоне дорожно-строительного назначения без потери прочности.
Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.
Состав цементоасфальтобетона дорожно-строительного назначения, содержащий минеральный материал в виде щебня и песка, битумную эмульсию, портландцемент и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит в составе основную топливную золу ТЭС, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент – 7,9–9,4;
основная топливная зола ТЭС – 1,1–2,6;
щебень – 48;
песок – 41,5;
битумная эмульсия – 1 (сверх 100% минеральной части);
водоцементное соотношение – 0,4;
вода (сверх 100% минеральной части без учета воды, присутствующей в битумной эмульсии) – 4,2.
