Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Опыт использования асфальтобетонов в дорожных одеждах автомобильных дорог РФ, ЧР и за рубежом 17
1.2. Опыт снижения себестоимости асфальтобетонов 19
1.3. Местные каменные материалы и отходы местной химической промышленности ЧР и оценка возможности их использования в качестве добавок в асфальтобетоны 22
1.4. Задачи исследования 27
2. Обоснование использования местных отходов промышленности чувашской республики в асфальтобетонах и особенности их структурообразования 28
2.1. Особенности проектирования составов асфальтобетонов с отходами дробления известняков 28
2.2. Обоснование выбора взятых для исследования материалов 34
2.3. Теоретические обоснование требуемого расхода вяжущего для приготовления АБ с ОДИ при присутствии ПАВ 35
2.4. Особенности структурообразования модифицированных асфальтобетонов с ОДИ для покрытий лесовозных автомобильных дорог 42
2.5. Методики экспериментальных исследований
2.5.1. Стандартные методики исследований 44
2.5.2. Методика изучения деформируемости образцов модифицированных АБ с ОДИ при повышенных температурах под действием постоянной нагрузки 44
2.5.3. Методика установления значений модуля упругости модифицированных асфальтобетонов с ОДИ 45
2.5.4. Методика изучения процесса старения модифицированных асфальтобетонных смесей с отходами дробления известняков при действии высоких температур 46
2.6. Выводы по разделу 2 54
3. Экспериментальные исследования влияния кубовых отходов производства анилина на физико механические свойства битумов и асфальтобетонов с отходами дробления известняков 55
3.1. Цель и условия экспериментов 55
3.2. Экспериментальные исследования влияния добавок АсД на физико -механические свойства битума 57
3.3. Получение обобщенной многофакторной модели температуры размягчения вязкого битума БНД 90/130 модифицированного кубовыми остатками при производстве анилина 61
3.3.1. Основные расчетные формулы 61
3.4. Установление области рационального соотношения в смеси битума и добавки АсД по температуре размягчения 62
3.5. Экспериментальное установление требуемого количества вяжущего для приготовления модифицированного АБ с ОДИ типа Б 66
3.5.2. Экспериментальные исследования влияния на физико-механические свойства асфальтобетонов с ОДИ типа Б добавок АсД 70
3.6.Получение обобщенной многофакторной модели прочности на сжатие при температуре +50 оС для модифицированного асфальтобетона с ОДИ типа Б для покрытий автодорог 73
3.6.1. Установление области рационального состава для модифицированного асфальтобетона с ОДИ по значениям предела прочности на сжатие образцов при температуре T = +50 оC 73
3.7. Влияние содержания добавки АсД на температурную устойчивость асфальтобетонов с ОДИ при +50 оС при действии расчетных нагрузок 79
3.7.1. Результаты экспериментального исследования деформируемости образцов асфальтобетонов с ОДИ типа Б с различным содержанием кубовых остатков АсД 79
3.8. Установление значений модуля упругости асфальтобетона с отходами дробления известняков типа Б при температуре +20 оС 82
3.9. Установление значения модуля упругости асфальтобетона с отходами дробления известняков типа Б при температуре +50 оС 3.10. Исследования влияния добавок АсД на процессы старения асфальтобетонов с ОДИ при высокой температуре (+150 оС) 84
3.11. Выводы по разделу 106
4. Особенности технологии приготовления и укладки модифицирорванных асфальтобетонов с оди в покрытие лесовозных автодорог 109
4.1. Разработка конструкций дорожных одежд с покрытием из модифицированного асфальтобетона с ОДИ 109
4.1.1. Обоснование расчётной нагрузки от лесовозного автопоезда на покрытие автомобильной дороги 110
4.1.2. Конструирование и расчет дорожной одежды капитального типа с использованием асфальтобетона классического состава (вариант 1)
4.2. Технологическое оборудование для приготовления асфальтобетонных смесей типа Б на модифицированном вяжущем с ОДИ 116
4.3. Особенности технологии приготовления модифицированного АБС с ОДИ и устройства верхнего слоя покрытия автомобильной дороги с его использованием
4.3.1 Разработанные составы для приготовления смеси и расхода материалов 122
4.3.2 Технологическая схема приготовления модифицированного вяжущего на основе использования кубовых остатков при производстве анилина (АсД) 123
4.3.3 Технологическая схема производства модифицированной асфальтобетонной смеси с отходами дробления известняков (ОДИ) 126
4.3.4 Исследования уплотняемости модифицированной АБС с ОДИ 129
4.3.5 Особенности технологической схемы устройства верхнего слоя асфальтобетонного покрытия из модифицированного асфальтобетона с отходами дробления известняков
4.3.6. Технологическая карта производства модифицированной асфальтобетонной смеси с отходами дробления известняков (ОДИ) 137
4.3.7. Технологическая схема приготовления модифицированного вяжущего на основе использования кубовых остатков АсД при производстве анилина
4.4. Определение экономической эффективности применения модифицированного АБ с ОДИ для покрытия дорожных одежд автомобильных дорог 143
4.5. Выводы по разделу четыре 148
Основные выводы и рекомендации 150
Литература
- Местные каменные материалы и отходы местной химической промышленности ЧР и оценка возможности их использования в качестве добавок в асфальтобетоны
- Теоретические обоснование требуемого расхода вяжущего для приготовления АБ с ОДИ при присутствии ПАВ
- Установление области рационального соотношения в смеси битума и добавки АсД по температуре размягчения
- Особенности технологии приготовления модифицированного АБС с ОДИ и устройства верхнего слоя покрытия автомобильной дороги с его использованием
Введение к работе
Актуальность темы. В покрытиях автомобильных дорог, в том числе расположенных в зонах интенсивного перемещения лесоматериалов лесовозными автопоездами, широко используются асфальтобетоны различных составов. Однако, их себестоимость сравнительно высокая и имеет тенденцию постоянно расти. С целью уменьшения дороговизны рядом ученых разработаны асфальтобетоны, в которых взамен минерального порошка и некоторой части мелкого заполнителя используются отходы дробления известняков (ОДИ). При этом наблюдается возрастание требуемого расхода битума для их приготовления. Известно так же, что для уменьшения расхода битума и улучшения физико-механических свойств асфальтобетонов (АБ) одним из эффективных путей является способ введения в них небольшого количества различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако, выпускаемые отечественной промышленностью и импортные ПАВ являются дорогими. В ходе предварительных испытаний выявлено, что небольшие добавки АсД (в количестве 0,5-1,0 % по массе) оказывают положительное влияние на физико-механические свойства битумов: увеличиваются значения сцепления к поверхности минеральных материалов, пенетрации, растяжимости, сопротивляемости старению при высоких температурах температура размягчения увеличивается и температура хрупкости также увеличивается только при отрицательной температуре. Поэтому в настоящее время поиск недорогих веществ из числа местных источников, в частности среди отходов и побочных продуктов местной промышленности, пригодных для применения в качестве активирующих, является актуальной задачей. В ходе патентного поиска и предварительного изучения известных характеристик выявлено, что на Новочебоксарском химическом заводе Чувашской Республики вырабатываются кубовые остатки при производстве анилина (АсД), которые могут быть исследованы в качестве модифицирующей добавки в асфальтобетоны.
Степень разработанности темы. Изучению структуры, свойств, технологии приготовления и укладки асфальтобетонов посвящены работы Сахарова П.В., Иванова Н.Н., Рыбьева И.А., Грушко И.М., Золотарева В.И., Печеного Б.Г., Горелышева Н.В., Рыбьева И.А., Волкова М.И., Гезенцвея Л.Б., Ладыгина Б.И., Королева И.В., Кучмы М.И., Михайлова Н.В., Лысыхиной А.И., Богуславского А.М., Руденской И.М., Colwill D.M., McQuillen J.L. и многих других отечественных и зарубежных исследователей. В последние годы в этом направлении проведены исследования Вайнштейном Е.В, который предложил и доказал возможность использования в щебеночно-мастичных асфальтобетонах отходов дробления известняков из местных месторождений РМЭ. Иливановым В.Ю. исследовано и показана возможность использования в ЩМА с ОДИ кубовых остатков производства Новантокс 8ПФДА.
Известно, что при присутствии незначительного количества ПАВ условия смачивания вяжущих с поверхностями каменных материалов улучшаются. При этом может быть достигнуто снижение требуемого расхода вяжущего для приготовления смесей и получены другие положительные эффекты. Имея ввиду вышесказанное, решено изучить возможность использования в асфальтобетонах ОДИ и ПАВ из числа отходов местной промышленности ЧР.
Известно также о том, что наименьший требуемый расход вяжущего для приготовления асфальтобетонных смесей обеспечивается при предварительной обработке минеральных материалов ПАВ. Однако, способ предварительного введения ПАВ в вяжущее достигается легче и он более технологичный. Поэтому решено исследовать влияние выявленной добавки на свойства асфальтобетона с ОДИ, вводимого путем предварительного перемешивания с битумом.
Обеспечение снижения себестоимости асфальтобетонов для покрытий автомобильных дорог представляется целесообразным путем частичной замены сравнительно дорогостоящих их компонентов отходами дробления известняков из местных месторождений, а снижение требуемого расхода битума - путем введения в смесь в небольших количествах отходов из числа местной химической промышленности, способных играть роль поверхностно - активных веществ. Однако, в настоящее время не изучена возможность использования местных отходов промышленности ЧР в асфальтобетонах, не выявлено их влияние на свойства битума и асфальтобетонов и не изучены особенности структурообразования. Не выявлены технологические особенности приготовления и укладки асфальтобетонных смесей с использованием отходов местной промышленности ЧР, не изучена устойчивость к старению при высоких и деформационное поведение асфальтобетонов при повышенных .температурах.
Целью работы является разработка состава модифицированного добавкой кубовых остатков при производстве анилина (АсД) асфальтового бетона с отходами дробления известняков (ОДИ), позволяющий снизить требуемый расход битума для его производства и себестоимость конструкции покрытия дорожной одежды с его использованием и технологий приготовления и укладки.
Задачами исследования являются:
-
Выявить и изучить свойства ОДИ из местных месторождений известняков ЧР. Выполнить теоретическое и экспериментальное обоснование оптимального количества добавки - АсД, оказывающей на асфальтобетон активирующее влияние и способствующей сокращению требуемого количества расхода битума.
-
Разработать состав и установить требуемое оптимальное содержание битума и физико-механические свойства асфальтобетонов с использованием выявленных отходов промышленности – ОДИ и АсД (модифицированного АБ с ОДИ).
-
Разработать методику и изучить процессы изменения (старения) модифицированного АБ с ОДИ после предварительного прогревания при высоких температурах во времени.
-
Установить особенности производства и укладки модифицированной АБС с ОДИ в покрытие дорожной одежды и проверить в производственных условиях результаты теоретических и лабораторных исследований.
Объектом исследования является покрытие дорожной одежды лесовозной дороги.
Предметом исследования является асфальтобетон с отходами дробления известняков типа Б и модифицирующая добавка из числа отходов местной химической промышленности Чувашской Республики - кубовые остатки при производстве анилина.
Методы исследования. Методы математической статистики, методы теории планирования эксперимента, методы испытания строительных материалов, активного производственного эксперимента и метод хронометражных наблюдений.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретического и экспериментального изучения влияния модифицирующей добавки - кубовых остатков при производстве анилина (АсД), на требуемый расход битума для приготовления модифицированного щебеночного асфальтобетона с ОДИ.
-
Способ получения и состав модифицированного щебеночного асфальтобетона с ОДИ (по патенту РФ на изобретение № 2503633) и его физико -механические свойства.
-
Методика и результаты экспериментального исследования старения модифицированных асфальтобетонов с отходами дробления известняков в условиях предварительного прогревания при высоких температурах.
-
Покрытия дорожной одежды из модифицированного асфальтобетона с ОДИ и особенности технологий производства и укладки модифицированной щебеночной асфальтобетонной смеси с ОДИ.
Научная новизна диссертационной работы состоит в экспериментальном обосновании возможности использования отхода местной химической промышленности Чувашской Республики – кубовых остатков при производстве анилина (АсД), в качестве поверхностно-активной добавки для мелкозернистой асфальтобетонной смеси с ОДИ, отличающийся, сниженным расходом битума и себестоимостью для покрытий лесовозных автомобильных дорог. Для этого установлены основные физико-механические свойства модифицированного горячего щебеночного асфальтобетона с отходами дробления известняков разработанного нового состава, выполнена оценка его количественных и качественных показателей в лабораторных и производственных условиях – они полностью соответствуют требованиям действующего ГОСТ 9128-13 к асфальтобетонам типа Б;
-впервые исследованы процессы старения модифицированного асфальтобетона с ОДИ во времени при высоких температурах по новой методике, отличающейся простотой, использованием для оценки безразмерных показателей и возможностью использования имеющихся в действующих строительных лабораториях типового оборудования и приборов;
-разработана и проверена в эксплуатационных условиях конструкция покрытия дорожной одежды автомобильной дороги из нового материала и установлены особенности технологий производства и укладки модифицированной горячей щебеночной асфальтобетонной смеси с ОДИ типа Б: они приготавливаются в серийно выпускаемых асфальтобетонных установках и укладываются имеющимся в дорожных организациях комплектом машин.
Теоретическая значимость работы заключается в раскрытии механизмов влияния выявленной активирующей (модифицирующей) добавки на структурообразование, основные физико-механические свойства и устойчивость асфальтобетона с ОДИ в условиях действия повышенных и высоких температур.
Практическая значимость состоит в разработке состава и технологий производства и применения конструкционного материала для покрытия дорожной одежды лесовозных автомобильных дорог - модифицированного АсД асфальтобетона с отходами дробления известняков, обеспечивающего снижение расхода вяжущего и себестоимости путем замены минерального порошка, дробленого песка ОДИ из местных месторождений ЧР.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Разработанные в диссертации Положения соответствуют п. 15 паспорта научной специальности 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» - Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений.
Достоверность результатов исследований.
Достоверность результатов исследования подтверждается: совпадением результатов экспериментальных работ с расчетными значениями с погрешностью не более 5 % при доверительной вероятности не менее 95 % ; в получении закономерностей изменения свойств модифицированного щебеночного асфальтобетона с ОДИ типа Б при различном содержании добавок АсД и апробацией в производственных условиях.
Реализация результатов исследования.
Результаты исследования опробованы в лаборатории ОАО "Чувашавтодор" и при капитальном ремонте покрытия автомобильной дороги Канаш – Шакулово. На экспериментальном участке в покрытие дорожной одежды был уложен модифицированный мелкозернистый асфальтобетон с использованием ОДИ и с добавками АсД. Результаты испытаний подтверждены отделом контроля качества ОАО "Чувашавтодор". Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Волжском филиале МАДИ-ГТУ при подготовке бакалавров по специальности 270205.65 «Автомобильные дороги и аэродромы», направления «Строительство» по профилю «Автомобильные дороги».
Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях ВФ МАДИ (г. Чебоксары, 2010…2014 г.г.), Поволжского государственного технологического университета (г. Йошкар-Ола, 2010…2014 г.г.); в Международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (г. Пермь, ФГБОУ ВО «ПНИПУ», 2010…2013 г.г.); в 7-ой Всероссийской научно-практической конференции: «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2012 г.); в Международной научно-практической конференции «Инновационные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций: Пятнадцатые Вавиловские чтения» (г. Йошкар-Ола, ФГБОУ ВО «ПГТУ», 2012 г.); в Международной заочной научно-практической конференции ФГБОУ ВПО ВО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (г. Волгоград, 2014 г.); в Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных
исследований XXI века: теория и практика»: ФГБОУ ВО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (г. Воронеж, 2014 г.); в Международной научно-технической конференции (ФГБОУ ВО «МАДИ-ГТУ», 2016 г.); В межвузовской конференции ВФ МАДИ; в международной конференции ФГБОК ВО «ПГТУ» (г. Йошкар-Ола, 2016); в VIII Чебоксарском экономическом форуме "Регионы: новые источники роста экономики России" (г. Чебоксары, 2015 г.); в международной научно-практической конференции (Йошкар-Ола, ФГБОУ ВО «ПГТУ», 2016 г.).
Личное участие автора в получении результатов.
Под руководством и участии автора проводились исследования дорожностроительных материалов, анализ применимости кубовых остатков при производстве анилина (АсД) в качестве ПАВ для горячей щебеночной асфальтобетонной смеси с ОДИ и разработаны особенности технологий производства и укладки покрытия лесовозной автодороги.
Автором выполнены обработка результатов экспериментальных испытаний, их анализ и обобщение.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 16 работах общим объемом 4,16 п.л. (авторских – 1,995 п.л.), в т.ч. 15 статей - в научных журналах; из них четыре статьи - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ (1,78 п.л.), авторский вклад – 48,3 %, 11 статей - в материалах международных и всероссийских конференций объемом (2,38 п.л.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы 184 наименований и 16 приложений. Основное содержание работы изложено на 172 маш. стр., в том числе 60 рисунков и 51 таблица.
Местные каменные материалы и отходы местной химической промышленности ЧР и оценка возможности их использования в качестве добавок в асфальтобетоны
Рассмотрена возможность изменения свойств битумов путем введения в их состав модифицирующих добавок, в основном полимерных, причем действие этих добавок на битум рассматривается с точки зрения изменения свойств коллоидной системы, в которой полимер выступает как структурирующий наполнитель или модификатор дисперсной среды. Прослеживается изменение структуры и свойств асфальтобетона под влиянием добавок каучуков [2, 10, 13]. Этот способ наиболее технологичен, т.к. в этом случае не требуется создание новых устройств в комплекте асфальтобетонного завода. В этом случае перемешивание осуществляется с помощью циркуляционного насоса резервуара хранения битума. Но наилучшего результата от модификации вяжущего можно достичь добавлением битума ПАВ использование данной схемы позволяет повысить однородность смешения по всему объему вяжущего, сократить его продолжительность и снизить содержание модификатора необходимо для изготовления АБ.
В исследованиях последних лет, проведенных под руководством профессора Салихова М.Г., с положительной стороны проявил себя щебеночно-мастичный асфальтобетон с отсевами дробления известняков (ЩМА с ОДИ), в котором применены отсевы дробления щебня известняковых пород, взамен отсевов дробления прочных пород, минерального порошка и стабилизирующей добавки [20, 103 104.]. Как показали специальные исследования и наблюдения за построенным опытным участком на автодороге Йошкар-Ола – Козмодемьянск – Чебоксары, покрытия из данного материала полностью отвечают требованиям к эксплуатационным характеристикам, а по показателям прочности при сжатии образцов и теплоустойчивости имеют преимущества.
Вайнштейном Е.В. показаны микроструктуры щебеночно - мастичного асфальтобетона (ЩМА) с ОДИ и обоснованы особенности структурообразования при включении в их составы отходов дробления местных малопрочных известняков (ОДИ) [20]. Иливановым В.Ю. [59], с целью снижения расхода вяжущего в ЩМА с ОДИ, предложено добавлять отходы местной химической промышленности-кубовые остатки производства 8 ПФДА [59, 138]. Установлено, что основанием для замены дробленого песка и стабилизирующей добавки ОДИ являются физико-химические процессы на разделах фаз, такие как активационные, адсорбционные и адгезионные.
Однако, наряду с вышесказанными достоинствами применения ЩМА с ОДИ, при этом наблюдается рост требуемого расхода битума для приготовления ЩМА смеси, что также удорожает ее себестоимость. Поэтому при этом требуется поиск путей снижения расхода битума.
С целью снижения себестоимости и требуемого расхода вяжущего при приготовления асфальтобетонной смеси (АБС) выполнен поиск отходов местной промышленности Чувашской Республики. Например, отходов дробления известняков из местных карьеров. Далее, выявлены кубовые остатки, получаемые при производстве анилина, которые могут представляют интерес как возможные активные добавки. В ходе предварительных испытаний установили, что наилучший показатель сцепления вяжущего к поверхности каменных материалов показывают образцы, предварительно обработанные кубовыми остатками при производстве анилина (АсД).
Улучшение адгезии битума к поверхности минеральных материалов может повысить качество асфальтобетонных смесей и, соответственно, дорожных покрытий.
Необходимое условие адгезии – смачивание битумом поверхности минерального материала. Битум при добавлении ПАВ разжижается и лучше смачивает поверхности минерального материала.
ПАВ заметно улучшают сцепление битума к поверхности как кислых, так и карбонатных пород и лучше перемешиваются с минеральными материалами без образования комков и сгустков. Это позволяет предположить, что АсД могут проявлять себя как поверхностно-активное вещество. При подтверждении этой гипотезы могут реализоваться условия не только для сокращения расхода вяжущего за счет целевого использования недорогой добавки, но и утилизации местных отходов промышленности [79, 84].
Широкое применение получили два способа снижения расхода битума в составе асфальтобетонных смесей: – предварительное добавление (ПАВ) в битум; – применение предварительно активированных минеральных материалов. Оба эти способа позволяют добиться улучшения свойств битума в адсорбционных слоях и предотвращение избирательной фильтрации компонентов битума в минеральный материал; расширение ассортимента и улучшение свойств используемых минеральных материалов[84, 105].
Применение нового вида ПАВ, образующихся при производстве анилина, может позволить не только повысить коррозионную стойкость и долговечность дорожного покрытия, снизить его стоимость, но также одновременно решить экологические последствия получаемых при производстве изделий побочных продуктов - химических отходов, путем их применения в составе мелкозернистых асфальтобетонных смесей с отсевами дробления известняка, снизить расход битума при строительстве асфальтобетонных покрытий типа Б для лесовозных автомобильных дорог.
Анализ существующих способов уменьшения расхода битума позволяет сделать вывод о том, что наиболее простым, в технологическом отношении, способом снижения расхода битума без снижения эксплуатационных характеристик асфальтобетона является предварительное введение добавок (ПАВ) в битум. Часто на АБЗ имеются готовые линии дозирования и введения в смеси различных добавок [15, 18, 58, 75, 81, 89, 90, 92, 105].
Теоретические обоснование требуемого расхода вяжущего для приготовления АБ с ОДИ при присутствии ПАВ
Методика изучения процесса старения АБ при высоких температурах заключается в изучении изменения физико - механических свойств АБ, сформованных из АБС после длительного прогревания при высокой температуре + 150 оС [82 , 83, 84, 91, 100, 101, 103, 132, 139, 140].
Предложена новая методика оценки процесса старения органических бетонов во времени при высоких температурах в лабораторных условиях при помощи безразмерных критериев, отличающаяся простотой, независимостью от масштабного фактора и возможностью использования для проведения экспериментов стандартного оборудования, действующих лабораторий [139].
Как известно, битум является одним из главных элементов структуры и целостности в процессе работы органических бетонов в конструктивных слоях дорожных одежд автомобильных дорог. Под воздействием внешней среды -температуры и других факторов и внутренних процессов при приготовлении, временном хранении, транспортировании и эксплуатации, происходит постепенное изменение свойств битума, и соответственно органических бетонов с их использованием. Установлено, что битум в тонких пленках при высоких температурах через каждый час переходит в другую марку из-за испарения летучих составляющих, полимеризации без доступа воздуха, поликонденсации в присутствии кислорода и оксиполимеризации [20, 84, 105, 109, 114, 122, 123, 125, 126, 128, 129, 131, 132]. Такие процессы во времени принято называть старением. Из-за происходящего группового состав и структуры ослабевают вяжущие свойства битума, что неизбежно ведет, чаще всего, к ухудшению физико-механических свойств органических бетонов (битумо - минеральных смесей, асфальтобетонов, щебеночно-мастичных асфальтобетонов). Период (промежуток времени) изменения свойств органических бетонов от начала эксплуатации до наименьших допустимых по требованиям действующих нормативов называется долговечностью бетона.
Долговечность – важная комплексная характеристика органических бетонов. Однако, до настоящего времени стандартных методов её изучения и оценки не имеется. Известны следующие методы изучения долговечности органических бетонов [131, 132, 139, 140, 142, 143]: 1) путем анализа динамики изменения качественных показателей органических бетонов в инженерном сооружении периодическим отбором и испытанием проб разрушающими и неразрушающимися способами в течении всего срока службы сооружения; 2) периодическим визуальным обследованием и экспериментальным установлением эксплуатационных характеристик конструктивного слоя – износа, ровности и шероховатости покрытия, коэффициента сцепления колеса автомобиля с поверхностью покрытия в фактические сроки эксплуатации и т.д.; 3) оценкой эксплуатационного состояния органического бетона в инженерной конструкции по комплексу физико-механических свойств извлеченного специальными методами из органического бетона битума. 4) путем испытания образцов органического бетона в рыхлом или уплотненном состоянии и битума в тонких слоях после воздействия на них высоких температур, ультрафиолетового и импульсного ультразвуковых полей, замораживания-оттаивания, действия циклических нагрузок или в результате их сочетания и т.д.
Первые три метода позволяют наблюдать за изменением свойств и состояния инженерного объекта в естественных условиях. Однако, они требуют длительных наблюдений [149, 154] и не позволяют выделять влияние на процессы старения отдельных факторов.
Последний является ускоренным методом и позволяет изучать процессы старения в лабораторных условиях.
Как установлено многими исследователями – Колбановской А.С., Михайловым Н.В., Таращанским Е.Г., Атояном С.М. [6, 35, 63, 91, 161], Гохманом Л.М., Рыбьевым И.А., Гезенцвеем Л.Б., Горелышевым Н.В., Руденской И.В., Руденским А.В., Королевым И.А. и другими . [27, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 64, 65, 123, 124, 125, 126, 129, 130, 131, 132,], процессы старения органических бетонов зависят от множества случайных факторов, таких как состав, природа и способы получения битумов, вид и химическая активность минеральных составляющих, толщины битумных пленок на поверхностях минеральной части, плотности и пористости бетона, величины, интенсивности и продолжительности действия внешних и внутренних факторов и т.д.
О старении органических бетонов судят, чаще всего, по изменению отдельных или комплекса свойств с течением времени в абсолютных показателях, т.е. не учитывают масштабный фактор. При этом не учитывается различие поведения бетонов в составе модельных образцов и в конструкциях дорожных одежд. Для выявления главных факторов, характеризующих и процессы старения и, соответственно для оценки долговечности конструктивного слоя, в том числе в условиях присутствия в их составе поверхностно-активных веществ, требуется наличие специализированной, хорошо оснащенной лаборатории.
К настоящему времени опубликовано достаточно много работ по изучению влияния на процессы старения и долговечности битумов различного структурно-реологического типа и категории и органических бетонов на их основе способов получения вяжущих, соотношения компонентов смесей, действия циклических нагрузок, высоких и низких температур, замораживания и оттаивания. Изучение изменения свойств и структуры выполняется путем установления абсолютных численных значений их свойств после воздействий стандартными методами, импульсным ультразвуковым или хромотографическим способами [20, 59, 161]. По мнению многих исследователей, решающая роль в изменении свойств органических бетонов принадлежит вяжущему, которое в различные периоды структурообразования в зависимости от температуры, прилагаемых давлений, внутренних особенностей строения и стадии старения играют роль пластификатора, клея и упруго-вязко эластичного элемента системы. При этом процессы структурообразования зависят не только от способов воздействия факторов, но и от доступности кислорода воздуха. Такое разнообразие участвующих в процессе структурообразования и жизнедеятельности органических бетонов факторов предопределяет множественность способов и методов изучения происходящих процессов и трудность их унификации. Это, в свою очередь, затрудняет получение одинаково толкуемых результатов исследований. Известные методы проведения и оценки результатов экспериментов часто предполагают наличие сравнительно сложного специального оборудования и не учитывают весь комплекс структурных изменений [117, 118, 119, 136, 140, 141].
Установление области рационального соотношения в смеси битума и добавки АсД по температуре размягчения
Разработка обобщенной многофакторной модели состава модифицированного асфальтобетона с ОДИ для устройства покрытий автомобильных дорог осуществляется с целью получения рационального его состава [20, 28]. В качестве критерия оптимальности принимается его параметр -прочность при сжатии при температуре + 50 оС. В качестве вяжущего принято модифицированное вяжущее, состоящее из вязкого битума БНД 90/130 и добавки - кубовых остатков при производстве анилина. Реализуется двухфакторный план эксперимента для создания математических моделей по прочности при сжатии образцов асфальтобетона при температуре Т = +50 оC [20, 24]. Реализуя этот план, получают модель вида (с 3.1 – 3.4 ).
Установление области рационального состава для модифицированного асфальтобетона с ОДИ по значениям предела прочности на сжатие образцов при температуре T = +50 оC
Экспериментальные исследования позволили выявить зависимости, влияющие на значения прочности асфальтобетона при сжатии при температуре T = +50 оC основных структурообразующих факторов, содержание битума и добавки АсД. Содержание битума влияет на прочность материала не линейно. Предполагается, что воздействие его может быть описано параболой второго порядка. Поэтому предполагается, что для реализации двухфакторного плана эксперимента воспользуются моделью вида (3.4). Уровни варьирования и характеристики изменяемых факторов приведены в табл. 3.9. Таблица 3.10 - Характеристики изменяемых факторов
Фактор Уровни варьирования фактора Интервал варьирования Наименование Обозначение Нижний Основной Верхний Натуральное Нормализованное - 1 0 + 1 Содержаниебитума,% (от массыминеральнойчасти АБ) Б Х1 4,8 5,15 5,5 0,35 Содержание АсД, % (от массы битума) Д Х2 0,5 1,5 2,5 1,0 Образцы формуются по стандартной методике ГОСТ 12801-98 [36] и затем определяются значения их прочности при сжатии при температуре +50 С. С учетом уравнений (3.2 - 3.4), нормализованные и натуральные факторы связываются так: Х 1 = Бz5,15 (зло) 0,35 Х2=Д 1,5 (злі) 1,0 По результатам проведения эксперимента была получена регрессионная модель зависимости значений прочности асфальтобетонов при сжатии +20 С от исследуемых факторов Х1 и Х2, соответствующая исследуемой системе с доверительной вероятностью 0,95. У = 2,25 - 0,153Х1 - 0,733Х2 - 0,025Х12 - 0,365Х22 - 0,013Х1Х2 (3.12) Матрица, результаты экспериментов и статистический анализ модели приведены в табл. 3.14, а в приложении 4 проведена проверка адекватности регрессионной модели с помощью F-критерия Фишера. Поскольку Fрасч Fтабл, поэтому принятая гипотеза об адекватности модели (3.12) верна. Таблица 3.11 - результаты экспериментов
№ Содержание битума в смеси, % Содержание добавки в битуме, % Значения предела прочности при сжатии при 50 С, МПа После преобразований уравнение выглядит следующим образом: R = 1J1Б + 0,56Д - 0,20Б2 - 0,365Д2 - 0,037БД - 0,9 (3 14) При содержании битума 5,0 % от массы минеральной части и добавки АсД 1,0 % от массы битума уравнение для расчета значений п + 50С сж выглядит так: R =l,71-5,0 + 0,56-l,0-0,20-52-0,365-l,02 -0,037-5-1-0,9 = 2,66 МПа Фактические результаты эксперимента равны – 2,72 МПа.
Подставляя значения содержания битума и добавки в эти уравнения получаем значения прочности при сжатии при температуре +50 оС, результаты которых сведены в табл. 3.12 [20, 28].
Расчетные характеристики. 0Y + 5,50 + 3,42 + 3,93 + 3,71 + 3,7 Орасч=0,16«3табл.=0,3584 при а=0,05, N=9, f=m-l=5-l=4; Критерий Кохрена 17, 87 6,42 7,82 3,98 4,44 3,75 Z S2{y} = 0,013, S3W= 0,114; для f=36, а=0,05; t=2,034; л=5; Критерий Стьюдента Во=1/9 0Y 1Y 2Y 11Y 22Y 12Y + 1,99 0,92 4,40 0,05 0,73 0,05 S2Ha =0,0070, F3W=0,54; что меньше Ртабл.=2,87при a=0,05 при fj=4, f2=36. Критерий Фишера bo=Bo-2/3(bll+b22) 1/6 iY 1/2 iiY % 12 iY Заключение: модель адекватна bi b2 bn b22 bl2 + 2,25 0,153 0,733 0,025 0,365 0,013 У=2,25 -ОД53Х[ - 0,733Х2 - 0,0,25Х!2 -0,365Х22- 0,013X 2 Ьо=1,99-2/3(-0,025+(-0,365)=2,25 Рисунок 3.12 - Диаграмма предела прочности при сжатии у модифицированного АБ с ОДИ при Т = +50 оС, Анализ поверхности отклика, приведенная на рис. 12 показывает, что наибольшие значения прочности асфальтобетонной смеси при +50 оС значения Ь сжоС расположены в области расхода битума от 4,8 до 5,2 % с добавкой АсД 1,0 %. Поэтому область наиболее рационального состава органического вяжущего находится в пределах содержание битума в смеси 5,0 % и добавки АсД 0,5 - 1,0 % (от массы битума). Геометрические образы поверхностей отклика приведены на рис. 3.12. Они показывают, что на формирование предела прочности при сжатии образцов оказывают влияние оба фактора и содержание битума, и содержание добавки АсД. Прочность асфальтобетонной смеси уменьшается по мере увеличения содержания добавки в смеси. Нормируемое значение прочности при сжатии при +50 оС у АБ типа Б по ГОСТ 9128-13 [36] находится в пределах от 1,0 - 1,2 МПа.
Влияние содержания добавки АсД на температурную устойчивость асфальтобетонов с ОДИ при Т+50 оС при действии расчетных нагрузок. Под температурной устойчивостью асфальтобетона при высоких температурах понимается изменения деформации образцов во времени при длительном действии статической нагрузки и температуре поверхности образца +50 оС [20, 28]. На величину показателя температурной устойчивости асфальтобетона с ОДИ типа Б оказывают влияние содержания кубовых остатков АсД в битуме, при действии статической нагрузки соответствующей наибольшему расчетному давлению в шине колеса при температуре поверхности образца +50о ± 2 оС.
Особенности технологии приготовления модифицированного АБС с ОДИ и устройства верхнего слоя покрытия автомобильной дороги с его использованием
Особенности предложенной технологии: при приготовлении модифицированной АсД асфальтобетонной смеси с ОДИ отключаются агрегат для минерального порошка, но добавляется линия для временного хранения, подготовки, дозирования и подачи модифицированного вяжущего в расходный бункер битума.
Для выполнения всего комплекса технологических операций в состав АБЗ входит следующее технологическое оборудование [20]: 1) асфальтосмесительная установка ДС-168 производительностью 56 т/час; 2) склад для хранения кубовидного щебня; 2а) склад для временного хранения ОДИ; 3) приемные устройства для отделения-дробления лещадной формы щебня от кубовидной центробежно-ударной дробилкой «Титан Д»; 4) агрегат питания ДС-154, который включает в себя 4 бункера с ленточными питателями-конвейерами; 5) холодный элеватор в виде транспортеров; 6) сушильный агрегат ДС - 168, который состоит из теплоизолированного сушильного барабана, агрегата топочного и системы пылеочистки отходящих дымовых газов, общая эффективность пылеулавливания составляет 99,9 %; 7) весодозирующее устройство ДС - 168, которое предназначено для более точного дозирования материалов; 8) система дозирования битума ДС-1683, предназначенная для более точного дозирования битума; 9) смесительный агрегат ДС-168, выполняющий операции технологического процесса: подачу элеватором горячих материалов в грохот, сортировку каменных материалов на 4 фракции, временное хранение в бункере горячих материалов, дозирование и выдачу их в смеситель, с последующей выдачей готовой смеси в автотранспорт; 10) агрегат для хранения и подачи добавки АсД; 11) агрегат готовой смеси ДС-168, который включает теплоизолированный бункер для готовой асфальтобетонной смеси объемом 73 т.; 12) кабина оператора ДС-168; 13) нагреватель битума ДС-168, включающий в себя теплоизолированную емкость объемом 30 м3; 14) разводка теплоносителя ДС-168; 15) битумопроводы ДС-168; 16) агрегат минерального порошка ДС-168 с бункером объемом 23 м3.
Особо важными параметрами технологических операций, оказывающих влияние на свойства конечного продукта – асфальтобетонной смеси, являются:
1. Точность предварительного дозирования минеральных материалов;
2. Температура минеральных материалов на выходе из сушильного барабана, так, как низкая и высокая температура минеральных материалов приводит к снижению качества смеси. При низкой температуре часть влаги остается на зёрнах минерального материала и ухудшает сцепление битума с поверхностью зёрен, а при высокой температуре зёрен минерального материала происходит окисление битума на поверхности этих зёрен, что меняет его свойства. Обеспечение этого параметра решается введением в систему автоматического управления (АСУ) блока контроля температуры минеральных материалов и блоков регулирования мощности горелки сушильного барабана и суммарной производительности дозаторов на питателях.
3. Температура и режим нагрева органического вяжущего – битума. Высокая температура битума может привести к изменению его свойств, а низкая температура битума ухудшает процесс обволакивания зёрен минерального материала. Обеспечение этих параметров решается введением в АСУ блоков контроля температуры битума и температуры теплоносителя, а также блока регулирования мощности горелки нагревателя теплоносителя (электронагревателя) битума.
4. Точность дозирования минеральных материалов и битума. Отклонение от заданного состава смеси является главной причиной получения некачественной смеси; обеспечение этих параметров решается путём использования весовых дозаторов минеральных материалов и битума на тензодатчиках.
5. Точность соблюдения времени «сухого» и «мокрого» перемешивания компонентов асфальтобетонной смеси в смесителе. Обеспечение этого параметра решается введением в АСУ блока датчика времени перемешивания.
6. Размеры сечения накопительных бункеров в плане, увеличение которых вызывает сегрегацию смеси по крупности зёрен щебня, резко снижающую однородность и качество смеси. Этот параметр обеспечивается применением узких накопительных бункеров или применением выгрузки смеси по площади широких бункеров без образования в бункере широких конусов смеси, являющихся главной причиной сегрегации.
7. Максимальное время хранения асфальтобетонной смеси в накопительных бункерах. Длительное хранение смеси в бункерах приводит к изменению свойств битума, а при снижении температуры смеси препятствует её выгрузке;
Особо важными контролируемыми параметрами приготовления асфальтобетонной смеси являются: а) точность дозирования всех составляющих – отклонение по весу не более ± 0,5 %; б) режим сушки и температура нагрева щебня, ОДЩ и ОДИ – отклонения по температуре не более 5 С; в) режим и температура нагрева вяжущего – отклонения по температуре не более 5 С; г) время «сухого» и «мокрого» перемешивания – отклонение по времени не более 5 с; д) характер подачи готовой смеси в накопительный бункер и выгрузки (истечения) из бункера – с недопущением сегрегации минеральных материалов по крупности; з) время хранения готовой смеси в накопительном бункере и равномерность теплоизоляции – с недопущением температурной сегрегации смеси.