The influence of mineral powders on the resistance of bitumen binder to thermal deformations

   Introduction. The complex influence of dynamic loads, climatic factors, and aggressive environments is the driver of premature deformation of asphalt concrete pavements. The main types of failure are: plastic rutting deformations occurring at high temperatures above zero; fatigue cracks in the pavement caused by repeated loads; low-temperature transverse cracks occurring in the area with temperatures below zero while pavement cooling. According to modern concepts, the contribution of the binder to the formation of the described defects reaches 90–100 %. However, bitumen loses its original properties, interacting with mineral powder and forming an asphalt binder, which acts as a binder in asphalt concrete. Therefore, it is advisable to predict the behavior of asphalt concrete in a wide range of temperatures, and especially in low-temperature part, relying not on the bitumen binder, but on the asphalt binder.

   Materials and methods. Experimental laboratory studies of materials were carried out in accordance with GOST 33133–2014, GOST R 58400.1–2019, GOST 32761–2014, GOST 58401.1–2019, GOST R 58400.8–2019, GOST R 58400.11–2019. The objects of study were bitumen filled with mineral powders from limestone and dust from electric filters of an asphalt concrete plant.

   Results. Significant changes in the properties of the original bitumen were revealed under the influence of varying degrees of filling with mineral powder from limestone and dust from electric filters. It was shown that filling the binder with mineral powder (dust) in the maximum permissible concentration limit changes the PG (X) brand parameter by three positions from 64 °C to 82 °C. More fundamental data were obtained for the low-temperature stability of samples with a collapse of the parameter (± Y) from -34 °C to -22 °C. By identifying the parameters responsible for low-temperature cracking of the system at the binder level of asphalt, it is possible to scale the knowledge to asphalt concretes.

1. Колесник Д.А. Определение низкотемпературной трещиностойкости асфальтобетона // Мир дорог. 2023. №154. С. 80–86.

2. Колесник Д.А., Шапченко Д.В. Новые тенденции в области испытаний асфальтобетона // Мир дорог. 2018. №115. С. 44–46.

3. Пахаренко Д.В., Колесник Д.А. Опытно-экспериментальные работы ЗАО «ВАД» // Дорожная техника. 2016. № 1. С. 28–35.

4. Elwardany M.D., Planche J.-P., King G. Universal and practical approach to evaluate asphalt binder resistance to thermally-induced surface damage // Construction and Building Materials. 2020. № 255. P. 119331. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119331.

5. Elwardany M.D, King G., Planche J.-P., Rodezno C., Christensen D., Fertig III R.S., Kuhn K.T., Bhuiyan F.H. Internal restraint damage mechanism for age-induced pavement surface damage // Asphalt Paving Technol: J. Assoc. Asphalt Paving Technol. 2019. Vol 88.

6. Рябов В.Г., Ширкунов А.С., Шуверов В.М. Получение дорожной битумной композиции с улучшенными низкотемпературными характеристиками // Вестник ПНИПУ. 2016. № 3. С. 115–125. DOI: 10.15593/2224-9400/2016.3.09.

7. Zolotarev V. Methods for determining stresses at key temperatures // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 345. P. 128365. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128365.

8. Gorbatova V.N., Gordeeva I.V., Dudareva T.V., Krasotkina I.A., Nikol’skii V.G., Egorov V.M. Effect of the active powder of discretely devulcanized rubber on bitumen properties at low temperatures // Nanotechnologies in Construction. 2023. Vol. 15(1). Pp. 72–83. DOI: 10.15828/2075-8545-2023-15-1-72-83.

9. Небратенко Д.Ю. ABCD – метод оценки низкотемпературного поведения дорожных вяжущих // Инженерно-строительный вестник Прикаспия : научно-технический журнал. 2022. № 1 (39). С. 37–41. DOI: 10.52684/2312-3702-2022-39-1-37-41.

10. Лебедев Е.В., Зуров Б.А., Высоцкий М.М., Небратенко Д.Ю. Оценка свойств дорожных вяжущих при низких температурах методом ABCD // Вестник ГГНТУ. Технические науки. 2022. Т.18, № 2 (28). С. 81–89. DOI: 10.34708/GSTOU.2022.40.59.007.

11. Егоров Д.Ю., Небратенко Д.Ю. Применение метода ABCD при анализе низкотемпературных свойств состаренных ординарных и модифицированных битумов // Вестник ВСГУТУ. 2023. № 3 (90). С. 73–82.

12. Кирюхин Г.Н. К оценке температурной трещиностойкости асфальтобетона // Наука и техника в дорожной отрасли. 2018. №1 (83). С.27–30.

13. Кирюхин Г.Н. К вопросу о теории структуры асфальтобетона // Дороги и мосты. 2019. № 1 (41). С. 247–261.

14. Ярцев В.П., Долженкова М.В., Петрова Н.В. Влияние наполнителей и нанодобавок на эксплуатационные свойства композитов на основе битума // Вестник ТГТУ. 2014. Т. 20, № 4. С. 801–809.

15. Лебедев М.С. Чулкова И.Л. Исследование реологических свойств битумных композиций, наполненных золами-уноса различного состава // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 11. С. 47–52. DOI: 10.12737/22365.

16. Киндеев О.Н., Высоцкая М.А., Курлыкина А.В. Наполненные битумные композиции в строительной индустрии // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2023. Т. 50, № 1. С. 194–206. DOI: 10.21822/2073-6185-2023-50-1-194-206.

17. Mr. Robert B. McGennis, Dr. Scott Shu Eer, Dr. Hussain U. Bahia. Справочные данные по методам тестирования Битумных вяжущих Суперпейв (Superpave) в США № FHWA-SA-94-069 // Федеральное управление шоссейных дорог. США: Министерство транспорта США. 1994. 118 с.

18. Blazejowski K., OlszackiJa., Peciakowski H. Bitumnyj Spravocnik // ORLEN Asfaltsp. z o.o. – Płock, 2017. 142 p.

19. John I., Bangi M.R. and Lawrence M. Effect of Filler and Binder Contents on Air Voids in Hot-Mix Asphalt for Road Pavement Construction // Open Journal of Civil Engineering. 2021. № 11. Pp. 255-289. DOI: 10.4236/ojce.2021.113016.

20. Сериков Д.Л., Кравченко С.Е. Экспериментальные исследования влияния компонентов асфальтобетонной смеси на структурную устойчивость асфальтобетона // Автомобильные дороги и мосты. 2016. № 2 (18). С. 48–55.

21. Кирюхин Г.Н., Смирнов Е.А., Зайцев Н.Ю. Влияние температуры на прочность нежестких дорожных одежд // Автомобильные дороги. 2022. № 1 (1082). С. 118–122.

22. Кравченко С.Е., Сериков Д.Л. К вопросу о теоретической и экспериментальной оценке структурной устойчивости асфальтобетона // Строительная наука и техника. 2009. № 3 (24). С. 35–40.

23. Akentuna M., Kim S.S., Nazzal M., Abbas A.R. Asphalt Mixture CTE Measurement and the Determination of Factors Affecting CTE // Journal of Materials in Civil Engineering. 2017. Vol. 29 (6). P. 04017010. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001840.

24. Marasteanu M., Zofka A., Turos M., Li X., Velasquez R., Li X., Buttlar W., Paulino G., Braham A., Dave E., Ojo J., Bahia H., Williams C., Bausano J., Gallistel A., McGraw, J. Investigation of Low Temperature Cracking in Asphalt Pavements National Pooled Fund Study 776. Minnesota. Department of Transportation, 2004. 338 p.