The key tasks of improving stone-mastic pavements of forest logging roads by using innovative road-building materials are considered. Such roads are characterized by the use of materials that can meet the basic requirements for transport and operational status in difficult natural and climatic conditions. Known road-building materials are characterized by instability of their physical and mechanical characteristics, which creates significant difficulties both in the design and operation of forest logging roads made of these materials. Despite the complex of experimental studies conducted, the problem of developing road surfaces with adjustable operational properties remains unsolved. Thus, the problem can be solved by the developed methodology for designing grain compositions of stone-mastic asphalt concrete pavements of forest roads with new transport and operational parameters, taking into account the operating conditions, which determined the purpose of this work. The aim of the research was to create methods for developing stone mastic asphalt concrete pavements for forest logging roads using a heat-stabilizing additive made of expanded vermiculite sand. In the course of the work, the problem of assessing the degree of influence of expanded vermiculite sand additive on the quality indicators of stone mastic asphalt concrete pavements for forest logging roads was solved. The results of the work were the creation of a recipe for stone mastic asphalt concrete with a heat- stabilizing additive made of expanded vermiculite of fraction from 0.5 to 1.0 mm. Considering the sufficient adequacy of the experimental studies, the results of the mixture selection can be recommended for use in the practice of building forest logging roads for I and II road climatic zones.

Keywords: forest roads, crushed stone-mastic asphalt concrete road surfaces, heat stabilizing additive, expanded vermiculite.

Анализ создания транспортной инфраструктуры в лесных районах Северного и Приполярного Урала показывает, что основная часть лесотранспортной сети располагается во II и даже I дорожно-климатических зонах. В настоящее время практически все лесные дороги строятся в сложных или особенно сложных природно-климатических условиях. Эти условия накладывают ограничения на конструктивные решения дорожных покрытий, что требует использования устойчивых к внешним воздействиям материалов, таких как структурированные грунты или асфальтобетоны.

Однако, несмотря на их эффективность, существуют ограничения на использование таких материалов. Дороги должны не только обеспечивать бесперебойную транспортировку древесины, но и минимизировать негативное воздействие на экосистему леса. В этом контексте особое внимание уделяется щебеночно-мастичным асфальтобетонам, которые обладают высокой прочностью и устойчивостью к нагрузкам.

Свойства таких покрытий зависят от структурной прочности и характеристик асфальтовяжущих, включая вязкость, упругость и сдвигоустойчивость. Щебеночно- мастичные асфальтобетоны имеют высокую величину внутреннего трения, исключают использование природного песка и содержат больше битума. Однако эти материалы имеют высокую стоимость, что подчеркивает необходимость разработки новых модифицированных формул с использованием более доступных природных компонентов.

Целью работы является выработка требований к теплостабилизирующей добавке из вспученного вермикулита, используемой при приготовлении щебеночно-мастичных асфальтобетонов.

Задача исследований состояла в оценке степени влияния добавки вспученного вермикулита на качественные показатели щебеночно-мастичных асфальтобетонов.

Исследования влияния вспученного вермикулита на асфальтобетонные покрытия лесных дорог проводились при выполнении научно-исследовательских работ Федерального Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Уральский государственный лесотехнический университет»: FEUG-2020–0013 «Экологические аспекты рационального природопользования», в части разработки требований к лесным лесовозным дорогам расположенных в сложных природно- климатических условиях трансграничных лесов Северного и Приполярного Урала.

По своей структуре песок из вспученного вермикулита представляет собой анизотропный слоистый материал с защемленным в порах воздухом. Было выявлено, что вспученный вермикулит состоит из тончайших пластин, разделенных воздушными прослойками. В результате термообработки, в диапазоне от 1000 до 1200 ⁰ С объем пластинок увеличивается в десятки раз. К основным достоинствам песка из вспученного вермикулита можно отнести химическую инертность, плотность от 80 до 200 кг/м ² , термостойкость, низкую теплопроводность (λ = от 0,48 до 0,06 Вт/м × °С), гигроскопичность, биологическую и экологическую стойкость.

В наших исследованиях, основная гипотеза использования песка из вспученного вермикулита в асфальтобетонах, заключается в предположении, что битумно-вермикулитовый композит улучшит теплотехнические и структурно-механические свойства за счет более низкой теплопроводности и структурирования битумного вяжущего, что существенно изменит такие показатели, как трещиностойкость асфальтобетонов при отрицательных температурах.

Битумно-вермикулитовую композицию изготовляли путем введения песка фр. От 0,6 до 1 мм из вспученного вермикулита в битум нефтяной дорожный марки БНД 70/100 производства «Газпромнефть –Битумные Материалы», нагретый до 80°С. Основные вязкостно-пластические характеристики оценивались по температуре размягчения битумов методом «Кольцо и шар», растяжимости или дуктильности, пенетрации полученных образцов битумно-вермикулитового композита. Оценка трещиностойкости полученных асфальтобетонов проводилась по отношению предела прочности при сжатии R _сж к пределу прочности при изгибе R _из . Чем ниже степень деструкции, тем выше трещиностойкость битумно-вермикулитового материала.

При разработке составов щебеночно-мастичных асфальтобетонов для лесных лесовозных дорог, песок из вспученного вермикулита был использован как теплостабилизирующая добавка. Основная функция любой стабилизирующей добавки в ЩМА заключается в стабилизации битумного вяжущего в межзерновом пространстве и создании тиксотропной структуры мастики, а также в обеспечении ее неподвижности при высоких технологических температурах. Нормативными документами обычно ограничиваются пределы по предотвращению стекания вяжущего из смесей при транспортировке или укладке в покрытия.

В качестве исходных материалов использовались: щебень фракционированный (фр. От 8 до 16 мм) интрузивных пород Новосмолинского месторождения; песок дробленый из интрузивных пород (фр. От 0 до 4 мм); минеральный порошок МП-2 ООО «Коелгамрамор», битум БНД 70/100 и полимерно-битумное вяжущее ПБВ 60, а также адгезионная добавка к битуму «Амдор-10».

В качестве теплостабилизирующей добавки использовался песок фракции от 0,5 до 1,0 мм, добавляемый в количестве от 0,5 до 0,75 % масс. От минеральной части асфальтобетонной смеси.

В ранее проведенных нами исследованиях было обосновано, что основные транспортно-эксплуатационные характеристики дорожных покрытий лесных лесовозных автомобильных дорог зависят от технологии их строительства, от вида используемого дорожно-строительного материала и от конструктивных особенностей слоев дорожных одежд. Эти исследования позволили сделать вывод, что при проектировании составов щебеночно-мастичных смесей следует особое внимание обратить на работоспособность материала при отрицательных температурах.

Результатом экспериментальных исследований стал подбор рецепта на щебеночно- мастичную асфальтобетонную смесь с номинальным максимальным размером зерен 16 мм для устройства верхнего слоя покрытия лесовозной дороги из ЩМА 16 на основе полимерно- битумного вяжущего марки ПБВ 60. В таблице 1 приведен зерновой состав асфальтобетонной смеси. Для повышения эксплуатационных характеристик асфальтобетона, в него был введен полимер «Элвалой».

Лабораторные испытания показали, что полученная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь и асфальтобетон марки ЩМА 16 полностью соответствуют установленным требованиям ГОСТ 58406.1.

Таблица 1

Зерновой состав асфальтобетонной смеси

Так как асфальтобетонная смесь проектировалась для условий II дорожно- климатической зоны, то расход вяжущего для полимерно-битумного вяжущего типа ПБВ 60 составил 5,2 % масс.

Результатом подбора по методу «Маршалла» стал состав с теплостабилизирующей добавкой из песка вспученного вермикулита. Было выявлено, что для гарантированного обеспечения стойкости щебеночно-мастичного асфальтобетона к испытанию на пластическую колею следует использовать только полимерно-битумные вяжущие.

Вспученный вермикулит в мастичной части щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-16 проявил свои структурно-механические свойства, как стабилизатор вяжущего. Изменились демпфирующие свойства, улучшились низкотемпературные упруго- прочностные характеристики асфальтобетонного покрытия. Рекомендуемый расход песка из вспученного вермикулита составляет от 0,3 до 0,8 % масс. От минеральной части смеси. Кроме того, вспученный вермикулит, за счет слоистой пористой структуры является демпфирующей добавкой. Он способен улучшать низкотемпературные свойства, такие как трещиностойкость асфальтобетонных покрытий во всех дорожно-климатических зонах в зимних условиях.

Особо рекомендуется к применению в I и II ДКЗ на лесных лесовозных автомобильных дорогах всех типов.

Литература:

1. Кручинин И. Н., Дедюхин А. Ю. Применение хризотила в дорожном строительстве: монография. — Екатеринбург: изд-во УГЛТУ, 2011.– 152 с.
2. Салихов М.Г., Иливанов В.Ю. Исследование долговечности модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона при действии агрессивной среды / Научный журнал «Вестник ПГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование».- Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013.- № 2.- С. 38–45.
3. Кирюхин, Г. Н. Покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона / Г. Н. Кирюхин, Е. А. Смирнов // М.: ООО Издательство «Элит».-2009. -176 с.
4. Руденский А. В. Дорожные асфальтобетонные покрытия / А. В. Руденский. — М.: Транспорт, 1992. — 213 с.
5. Bindu C. S. et. Al. Waste plastic as a stabilizing additive in Asphalt Stone Mastic/ International Journal of Engineering and Technology Vol.2 (6), 2010, p.379–387.
6. Redelius, P. G. (2006). The structure of asphaltenes in bitumen. Road Materials and Pavement Design, 7 (sup1), p.143–162.
7. Ахтямов Э. Р. Исследование битумно-вермикулитовых мастик и асфальтобетонов для дорожного строительства / Э. Р. Ахтямов, Е. В. Кошкаров, А. Ю. Дедюхин и В. Н. Агейкин // «Национальная Ассоциация Ученых»: ежемесячный научный журнал. — Екатеринбург: Евразийское научное изд-во. — № 34 (61). — 2020. — С. 21–26.