Минеральный порошок для асфальтобетонных смесей: производство, свойства, виды, применение

Минеральный порошок, применяемый в качестве одного из компонентов при производстве асфальтобетонных смесей, оказывает огромное влияние на прочность будущего покрытия дороги: способствует созданию плотного минерального каркаса, структурирует битум, обеспечивает необходимые адгезионные связи.

Минеральный порошок — это мелкодисперсный материал, полученный в результате помола горных пород или отходов тепловой, металлургической и других видов промышленности.

При создании минерального порошка из горных пород используют карбонатные или некарбонатные материалы. К первым относят осадочные породы, более чем на 50% состоящие из карбонатных минералов, основными представителями которых являются известняк, доломит, а также различные их переходные формы.

К некарбонатным относят осадочные или изверженные породы, более чем на 50% состоящие из минералов кремнезема. Представители этой группы — опоки, туфы, трепелы, песчаники, граниты и другие.

В качестве минерального порошка, полученного из отходов промышленного производства, в дорожно-строительной сфере применяют золу-уноса тепловых электростанций, пыль цементных заводов, измельченные металлургические шлаки, и другие мелкодисперсные материалы.

Минеральный порошок бывает активированным и неактивированным.
Активированным считают порошок из карбонатных пород, который при производстве был обработан, — предварительно или непосредственно в процессе измельчения, — жидким составом темно-коричневого или даже черного цвета в количестве до 1‒1,5% по массе. В качестве такого состава, в зависимости от поставщика активатора, могут выступать поверхностно-активные вещества (ПАВ), смесь ПАВ и битуминозных продуктов, жировой гудрон и другие добавки.

Активация позволяет улучшить физико-химические свойства минерального порошка и увеличить качество будущего асфальтобетона. Так, в соответствии с национальным стандартом, активированный минеральный порошок обязан быть гидрофобным — эта характеристика препятствует проникновению капель воды между пленкой органического вяжущего, то есть битума, и частицами заполнителя, а значит — помогает снизить вероятность разрушения слоя дорожной одежды в наиболее сложный весенний период, при частых переходах температуры окружающей среды через 0 градусов.

Производство минерального порошка

Производство минерального порошка состоит из нескольких основных этапов:

1. Дробление крупных кусков материала, например горной породы, до размера, подходящего для дальнейшей работы мельницы.
2. Сушка, необходимая при высокой влажности материала.
3. Помол в мельнице.
4. Подача измельченной продукции в бункер или силос на хранение.

Линия производства минерального порошка, в зависимости от уровня предприятия, может представлять собой как бюджетный самодельный вариант, например сочетание сушильного барабана от старого асфальтобетонного завода и новую шаровую мельницу, так и более дорогие решения — высокотехнологичную установку, оснащенную современным оборудованием.

Самым популярным минеральным порошком, используемым в производстве асфальта, является порошок, полученный из известняка. В этом случае крупные куски породы — на производственной площадке или еще на карьере — измельчают в щековой или роторной дробилке, после чего материал нагревают в сушильном барабане и отправляют на помол. В настоящее время на этом технологическом этапе основными агрегатами служат шаровые, молотковые или вертикальные мельницы.

Размер фракций материала, подаваемого на помол, в зависимости от используемого агрегата, может достигать 50 мм, а на выходе — в соответствии с настройками классификатора мельницы. В требованиях к зерновому составу в ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования» указано, что процентное содержание зерен мельче 2 мм, вне зависимости от марки, должно составлять не менее 100%; мельче 0,063 мм — не менее 60‒70%.

Для создания активированного минерального порошка применяют один из трех основных способов:

• добавляют активатор в материал через форсунки еще до этапа помола;
• вводят активатор во время помола;
• смешивают активатор с материалом в отдельном смесителе и только после этого подают полученный состав на помол, — такой подход служит одним из самых популярных в нашей стране способов активации минерального порошка.

Важно сказать, что на некоторых предприятиях помол в мельнице, — разумеется, за исключением процесса подачи продукции на сортировку или в хранилище, — не является последним технологическим этапом производства минерального порошка. Для того, чтобы этот материал можно было реализовать не только для дорожно-строительной, но и других направлений, например в качестве удобрения почв, уже после процесса помола порошка в мельнице, его отправляют на вибросито — для дополнительного разделения на фракции: относительно крупные частицы пойдут в сельское хозяйство, мелкие — дорожникам.

Выбор исходного материала горной породы для производства порошка, добавление или не добавление активатора, точная настройка мельницы, — все это во многом сказывается на свойствах мелкодисперсного материала.

Свойства минерального порошка

Влияние минерального порошка на качество асфальта определило важность выполнения предварительных испытаний этого компонента. Для расчета показателей минерального порошка учитывают различные свойства:

Влажность, %

Характеризует количество влаги, содержащейся в материале.

Плотность, г/см³

При определении показателей этого свойства рассчитывают истинную, среднюю и максимальную плотности. Первая показывает плотность материала без учета имеющихся в нем пор и пустот, вторая — плотность минерального порошка, уплотненного в специальной форме объемом 100 см3 под нагрузкой 40 МПа, а третья — максимальная — учитывает плотность материала после полного удаления из него воздуха методами умеренного кипячения (основной) или снижения давления в колбе с мерной пробой (альтернативный).

Пористость, %

Характеризует количество пор, содержащихся в минеральном порошке. Показатель пористости определяют на основании предварительно рассчитанных истинной и средней плотностей.

Водостойкость

Характеризует степень падения прочности при сжатии образцов из смеси минерального порошка и битума после насыщения их водой в условиях вакуума, и последующего выдерживания в воде с температурой 60 °C.

Стоит отметить, что в актуальном стандарте на минеральный порошок — ГОСТ 32761-2014 — требования к водостойкости указывают только для материала, созданного из некарбонатных горных пород, а также твердых и порошковых отходов промышленного производства.

Битумоемкость, г

Характеризует способность минерального порошка адсорбировать вяжущее. Метод испытания материала на битумоемкость основан на определении такой консистенции смеси, при которой индустриальное масло и добавляемый минеральный порошок будут иметь определенную вязкость, при которой пестик прибора Вика погрузится в состав на глубину 8 мм.

Набухание, %

Характеризует увеличение объема образцов из минерального порошка и битума после поглощения ими жидкости или пара из окружающей среды.

Гидрофобность

Под этим свойством понимают способность материала не смачиваться водой. Проверку минерального порошка на гидрофобность осуществляют просто: в стакан с дистиллированной водой постепенно насыпают малое количество минерального порошка и по истечении 24 часов проверяют, опустился ли материал на дно. Если весь минеральный порошок остался на поверхности, то он считается гидрофобным.
Испытания на гидрофобность проводят только в отношении активированного минерального порошка, который по ГОСТ 32761-2014 обязан быть гидрофобным.

Содержание водорастворимых соединений, %

Стандарт на минеральный порошок определил требования к показателю этого свойства — не более 6% для мелкодисперсных материалов, созданных из твердых или порошковых отходов производства, а также к неактивированному порошку, полученному из некарбонатных горных пород.

Активность, МПа

Это свойство характеризует способность неактивированного минерального порошка, произведенного из отходов промышленного производства, набирать прочность при определенных условиях. За активность минерального порошка принимают предел прочности при сжатии образцов в водонасыщенном состоянии в возрасте 28 суток.

Содержание активирующих веществ, %

Сущность метода заключается в определении потери массы активированного минерального порошка после выжигания активирующих веществ в муфельной печи при температуре 500 °C.

Содержание полуторных окислов (Аl₂O₃ + Fe₂O₃), %

Для измерения количества оксидов железа и алюминия в готовом материале применяют химический анализ.

Эффективная удельная активность естественных радионуклидов, Бк/кг

Характеризует радиационную опасность материалов для человека, окружающей среды, в том числе растений и животных. Показатель этого свойства принимают по максимальной величине эффективной удельной активности естественных радионуклидов, содержащихся в применяемых для производства минерального порошка компонентах.

В стандарте на щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь и асфальтобетон, спроектированные методом объемно-функционального проектирования (так называемый асфальт Superpave), указано, что минеральный порошок должен соответствовать значению по показателю «Количество пустот Ригдена». То есть к свойствам минерального порошка можно отнести еще одно:

Количество пустот Ригдена, %

Показатель этого свойства определяет общее количество пустот в образце из минерального порошка после его уплотнения на аппарате Ригдена.

К основным характеристикам и свойствам минерального порошка относят зерновой состав, пористость и битумоемкость, к дополнительным — все остальные. В зависимости от показателей свойств готового мелкодисперсного материала и исходного сырья, минеральный порошок классифицируют на несколько видов.

Виды минеральных порошков

Минеральные порошки, применяемые в качестве одного из компонентов при выпуске асфальтобетонных смесей, бывают трех видов или, как их описывает отечественный стандарт ГОСТ 32761-2014, марок:

• МП-1 — активированный, из карбонатных горных пород;
• МП-2 — неактивированный, из карбонатных горных пород;
• МП-3 — неактивированный, из некарбонатных горных пород, твердых и порошковых отходов промышленного производства.

МП-1 является наилучшим проверенным временем компонентом асфальта, в том числе применяемого для укладки верхнего слоя покрытия дорог с высокой интенсивностью движения транспорта.

Применение минерального порошка

В дорожно-строительной сфере минеральный порошок преимущественно применяют в качестве компонента различных асфальтобетонных смесей: горячих, теплых, холодных, с добавлением вторичного материала и других. Его содержание, в зависимости от конкретного рецепта, в среднем составляет до 10% от массы замеса, но может достигать 20‒30%, например при выпуске литого асфальта.

ГОСТ 32761-2014, классифицирующий минеральный порошок на три марки, рекомендует применять марки МП-1 и МП-2 для производства любых асфальтобетонных и органоминеральных смесей, а вот для МП-3 указаны ограничения в зависимости от исходного сырья. Если порошок создан из некарбонатных горных пород или твердых отходов производства — может служить компонентом любых смесей за исключением асфальта I марки и щебено-чно-мастичного асфальта (ЩМА); создан из порошковых отходов — любых смесей, но за исключением асфальта I и II марки, а также ЩМА.

Несмотря на то, что размеры частиц минерального порошка не превышают 2 мм, этот мелкодисперсный материал играет значительную роль в создании асфальтобетонной смеси высокого качества. Судите сами, он влияет на эксплуатационные и объемные свойства асфальта, прочность в широком диапазоне температур, коррозийную стойкость при изменении влажности и температуры окружающей среды, устойчивость к колееобразованию, и другие характеристики асфальтобетона.

Современный комплекс с ролико-кольцевой мельницей, специально разработанным сушильным барабаном, системой форсунок для подачи ПАВ, — может обеспечить дорожно-строительное предприятие однородным минеральным порошком со стабильным зерновым составом в соответствии с требованиями действующих ГОСТов. Это, в свою очередь, увеличит качество будущей асфальтобетонной смеси, а значит — повысит долговечность объектов транспортной инфраструктуры в нашей стране.