Содержание к диссертации
Введение
1. Обобщение опыта укрепления дорожностроительных материалов вяжущими веществами в России и за рубежом 9
1.1 Обзор методов укрепления дорог органическими вяжущими материалами 11
1.2 Обзор методов укрепления дорог минеральными вяжущими материалами 20
1.3 Выводы по главе 1 23
ГЛАВА 2 Теоретические вопросы применения битумного порошка совместно с сырой нефтью для укрепления ПГС
2.1 Теоретические предпосылки производства битумного порошка 25
2.1.1 Состав, структура и физико-реологические свойства битума 25
2.1.1.1 Химический и групповой состав битума 25
2.1.1.2 Структура битумов 28
2.1.1.3 Физико-реологические свойства битумов 32
2.1.2 Диспергирование дорожного битума, получение битумного порошка 37
2.1.2.1 Отвердевание битумов 37
2.1.2.2 Теоретические вопросы диспергирования дорожного битума
2.2 Разжижение битумного порошка сырой нефтью и керосином 42
2.3 Механизм взаимодействия битумного порошка и местных дорожно 48
строительных материалов
2.4 Выводы по главе 2 56
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование исходных материалов и их свойств при комплексном укреплении песчано-гравийных смесей 58
3.1 Изучение структуры и состава вяжущих материалов 58
3.1.1 Исследование структуры компонентов вяжущего материала методами электронной микроскопии
3.1.2 Исследование группового углеводородного состава сырой нефти и битума ... 70
3.2 Подбор гранулометрического состава песчано-гравийной смеси 74
3.3 Выводы по главе 3 з
ГЛАВА 4 Экспериментальные работы по комплексному укреплению песчано-гравийной смеси совместно с сырой нефтью 81
4.1 Планирование эксперимента методами математического моделирования 82
4.2 Методология проведения эксперимента, оборудование и материалы 89
4.3 Анализ полученных результатов 93
4.4 Выводы по главе 4 111
ГЛАВА 5 Рекомендации по применению вяжущих компонентов
5.1 Предложения по дозировке компонентов вяжущего материала 114
5.2 Экономический эффект от применения научно-исследовательской работы 119
5.3 Экологическая оценка от применения результатов исследования 120
5.4 Выводы по главе 5 125
Общие выводы 126
Список литературы
- Обзор методов укрепления дорог минеральными вяжущими материалами
- Диспергирование дорожного битума, получение битумного порошка
- Исследование группового углеводородного состава сырой нефти и битума
- Методология проведения эксперимента, оборудование и материалы
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Формирование высокоэффективной транспортной инфраструктуры является основным этапом развития лесозаготовок в Архангельской области. Из существующих видов транспорта наиболее маневренным, мобильным и массовым является автомобильный. Повышенная проходимость и улучшенные эксплуатационные свойства делают автомобильный транспорт основным видом транспорта на лесозаготовках, от эффективности работы которого зависит уровень производства лесозаготовительных предприятий. Данное утверждение приобретает особенное значение в районах с малоосвоенными территориями, где не имеется необходимой сети автомобильных дорог или она есть, но ее техническое состояние не позволяет эксплуатировать автомобильный транспорт в полном объеме. Аналогичная ситуация складывается в лесной промышленности, где в настоящее время ощущается недостаток лесовозных дорог круглогодичного действия, что не позволяет наращивать объемы заготовки и вывозки древесины. Сдерживающим фактором является недостаток местных дорожностроительных материалов, свойства которых соответствуют нормативным требованиям. Песчано-гравийные смеси, широко применяемые в конструкциях лесовозных дорог, не обладают достаточной прочностью в условиях использования большегрузных современных автопоездов и высокой естественной влажности грунтов. Удаленность участков строительства автомобильных лесовозных дорог от мест подготовки качественных дорожно-строительных материалов существенно уменьшает возможность их эффективного использования. В настоящее время существует потребность в улучшении физико-механических и эксплуатационных свойств местных каменных материалов для строительства лесовозных дорог.
Данное исследование посвящено поиску малозатратного, но в тоже время эффективного способа получения новых материалов для покрытий автомобильных лесовозных дорог на основе доступного каменного материала в виде песчано-гравийной смеси и компонентов вяжущего вещества в виде сырой нефти и битумного порошка.
Цель работы - поиск эффективного способа комплексного укрепления песчано-гравийных покрытий лесовозных дорог (далее ПГС) с применением сырой нефти.
Задачи исследования:
Изучить опыт применения органических и неорганических вяжущих веществ при комплексном укреплении ПГС сырой нефтью в России и за рубежом.
Провести теоретическое исследование возможности получения и применения опытной партии битумного порошка совместно с сырой нефтью.
Исследовать строение и свойства исходных материалов для комплексного укрепления песчано-гравийных смесей.
Использовать методы математического планирования работ в экспериментальной части исследования.
Получить опытные образцы песчано-гравийной смеси, укрепленной сырой нефтью и битумным порошком и провести их компрессионные испытания.
Изучить взаимовлияние компонентов комплексного вяжущего материала на физико-механические свойства укрепленных ПГС.
Получить оптимальный состав комплексного вяжущего вещества для укрепления покрытий лесовозных дорог.
Научная новизна исследования:
применение математического симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента значительно упрощает проведение экспериментальных работ с большим числом комбинаций при изучении взаимозависимости «состав- свойство» укрепленных песчано-гравийных смесей;
на основании применения методики симплекс-решетчатого метода получены результаты экспериментальных исследований по комплексному укреплению песчано-гравийных смесей с использованием сырой нефти;
выполнен анализ полученных симплекс-решетчатым методом экспериментальных исследований и получен оптимальный относительный состав компонентов вяжущего материала;
установлено, что при использовании сырой нефти как компонента вяжущего вещества в качестве разжижителя битумного порошка, прочность образцов повышается в среднем на 25 ... 30 %, водостойкость - на 8 ... 10%.
Теоретическая значимость исследования:
использование математического аппарата в планировании эксперимента посредством симплекс-решетчатого метода значительно уменьшило объем экспериментальной части исследования при условии сохранения требуемой объективности в изучении взаимозависимости «состав-свойство» укрепленных грунтов;
- применение в производстве и использовании комплексного вяжущего
вещества различных теорий, таких как теория адсорбционного понижения
прочности, теория разжижения и формирования структур нефтесодержащих
веществ, теория формирования прочностного контакта органического
вяжущего вещества и минеральных частиц и других теорий, позволяющих
объяснить явления, происходящие в процессе проведения эксперимента.
- изучение взаимовлияния компонентов, входящих в комплексное
вяжущее вещество с получением количественных данных об оптимальном
содержании компонентов комплексного вяжущего вещества.
Практическая значимость исследования:
- Получен новый дорожно-строительный материал, с помощью
которого возможно расширить область применения усовершенствованных
покрытий в конструкциях лесовозных дорог. С применением сырой нефти и битумного порошка появляется возможность снижения затрат на вывозку древесины. Применение комплексного вяжущего вещества совместно с сырой нефтью позволит получить повышенные физико -механические свойства укрепленных песчано-гравийных смесей, которые могут быть использованы в дорожном строительстве.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментального исследования комплексного укрепления песчано-гравийной смеси с использованием сырой нефти и битумного порошка.
Результаты математической обработки физико-механических свойств укрепленных ПГС, полученные в ходе экспериментальных работ в зависимости от содержания компонентов в вяжущем материале.
Результаты, полученные при помощи методов электронной сканирующей и оптической микроскопии в исследовании макроструктуры компонентов вяжущих материалов.
Использование математического симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента значительно сокращает объем экспериментальной работы с большим количеством факторов и уровней их варьирования при изучении взаимозависимости «состав-свойство» укрепленных песчано-гравийных смесей;
Объектом исследования являются песчано-гравийные материалы, укрепленные битумным порошком совместно с добавками сырой нефти и керосина.
Предметом исследования является методика симплекс-решетчатого построения планов экспериментальной работы для анализа физико-механических свойств укрепленных песчано-гравийных смесей.
Гипотеза данного исследования заключается в том, что применение сырой нефти совместно с битумным порошком для укрепления песчано-гравийных смесей приведет к положительным результатам компрессионных испытаний и измерительных работ.
Личный вклад в проведение исследовательской работы заключается в анализе вопросов теоретического и практического характера, связанных с темой диссертационного исследования, выборе методик экспериментов, проведении и анализе результатов эксперимента и других мероприятий, связанных с подготовкой, обработкой и оформлением диссертационной работы.
Информационной базой при проведении исследования послужили научные, учебные пособия, монографии, статистические материалы, сведения интернет-ресурсов официальных порталов и др.
Апробация результатов исследования заключается в участии в следующих конференциях: конференция студентов по итогам научно-исследовательских работ за 2008 год, доклад на тему: «Применение нефтегравия для устройства покрытия Хайнозерский лесовозной дороги»
(Архангельск, 15.03.2009г.); научно-практическая конференция
профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов САФУ имени М.В. Ломоносова «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения», доклад на тему: «Применение сырой нефти для укрепления гравийных покрытий лесовозных дорог» (Архангельск, 25.03.2014г.); научно-практическая конференция «Современные технологии и техника в лесопромышленном комплексе», доклад на тему: «Применение битумного порошка совместно с сырой нефтью для укрепления гравийных покрытий лесовозных дорог» (Архангельск, 04.04.2014г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы и приложение. Работа изложена на 149 с, список литературы содержит 108 наименований.
Благодарности. Автор благодарит научного руководителя - кандидата технических наук, профессора Ф.А. Павлова за всестороннюю помощь в работе над диссертацией. Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Н.И. Богдановичу за консультирование по вопросам, касающимся теоретической части исследования, генеральному директору ООО «Доринжсервис» Л.Н. Голицыну и кандидату химических наук, доценту Д.Г. Чухчину за помощь в проведении экспериментальной части исследования. Автор благодарен родным и близким за существенную помощь, поддержку и понимание.
Обзор методов укрепления дорог минеральными вяжущими материалами
Органическими вяжущими материалами называются сложные соединения органических веществ, представляющие собой углеводороды и их производные, способные полностью или частично растворяться в сероуглероде, хлороформе, бензоле и некоторых других органических растворителях [7], а также служащие для улучшения физико-механических свойств связных и несвязных грунтов путём усиления межмолекулярных взаимодействий. Основными органическими вяжущими веществами, используемыми в укреплении дорог, являются: нефть, битум, смолы, дёгти и т.д.
В современном дорожном материаловедении возникает тенденция использования для укрепления каменных материалов органическими вяжущими материалами, в состав которых входят нетрадиционные вещества, являющиеся отходами целлюлозно-бумажной и нефтехимической промышленности, такие как таловый, омытый пек, древесные смолы и различные вещества растительного происхождения. В связи с ограниченностью применения и малой изученностью возможности использования нетрадиционных веществ в составе вяжущих материалов дальнейшее их рассмотрение в данной работе является нецелесообразным.
Одним из первых органических веществ, используемых людьми для укрепления местных каменных материалов, является сырая вязкая нефть, представляющая собой смолистое вещество, состоящее преимущественно из тяжёлых фракций сырой нефти (далее тяжёлая нефть). В древнейших египетских цивилизациях данный материал широко использовался для бальзамирования и мумификации. В Вавилоне тяжёлую нефть называли «земляной смолой» и использовали в качестве связующего вещества при кладке каменных стен Вавилонской башни [8]. Одно из первых применений тяжёлой нефти в дорожном строительстве было документально зафиксировано в Южной Америке. В 1500 году испанский конкистадор Франсиско Писарро в своих воспоминаниях отметил хорошее состояние дорог, построенных инками, покрытия которых были по составу схожи с современными чернощебёночными покрытиями, укреплёнными тяжёлой нефтью [8]. На протяжении многих столетий тяжёлая нефть и её продукты переработки эпизодически использовались во многих частях света в строительстве, медицине, военном деле и иных целях. В конце 18 века началась промышленная разработка залежей тяжёлой нефти Канады, которая позволила провести интенсивные работы по применению сырой нефти в различных отраслях промышленности. В 1835 году в Париже проведены работы по созданию покрытий городских улиц и тротуаров с применением тяжёлой нефти [8,9].
В России один из первых опытов использования нефтесодержащих органических вяжущих веществ был зафиксирован в 1838 году в Санкт-Петербурге, где были проведены работы по укреплению покрытия 100 метров городской дороги. Материал покрытия имел следующий состав: 10% пека, 1% тяжёлой нефти, 40% глины и 50% песка [10]. В 1855 году в Одесской области было построено покрытие из булыжных камней, укреплённых органическим вяжущим материалом, в состав которого входили 15 частей тяжёлой нефти, 19 частей стеариновой смолы, 5 частей извести и 45 частей гравия [10]. Начиная с середины 19 века в Швейцарии, США, Франции и других странах в дорожном строительстве началось широкое использование битумно-минеральных смесей. В США в 1876 году впервые был использован литой асфальт, с добавками разжижителя - нефти, а 1892 году при помощи механизированного распределителя вязкой нефти было построено около 50 км дорог с переходным покрытием [10].
Следует отметить, что первые применения органических вяжущих веществ в строительстве дорог производились без научного обоснования их использования, что не всегда приводило к положительным результатам. Широкое развитие мировой нефтяной промышленности в сочетании с появлением первых автомобилей со сравнительно возросшими нагрузками на дорожное покрытие, доказало важность проведения работ по повышению физико-технических свойств грунтов и местных дорожно-строительных материалов, путём укрепления их органическими вяжущими веществами. В начале 20 века возникла острая необходимость научного подхода к изучению укрепления дорожных материалов органическими вяжущими веществами.
Первые научные исследования в области строительства укреплённых дорожных одежд тяжелой нефтью проводились в Средне-Азиате кой части СССР с 1930 по 1936 годы. В ходе работы было проведено укрепление нескольких десятков километров дорог с пропиткой верхнего слоя дорожного покрытия тяжелой нефтью с месторождения Уч-кызыл в УзССР (с 31 августа 1991 года - Узбекистан).
В целях улучшения технико-эксплуатационных свойств грунтовых дорог в Атырауской области (до 09 октября 1991 года - Гурьевская область КССР) Казахстана с 1939 по 1940 годы в рамках эксперимента по применению тяжелых нефтей Южно-Эмбинской нефтегазоносной области были построены десятки километров грунтовых дорог. Проведённые физико-технические испытания показали, что прочность и сдвигоустойчивость нефтегрунтов значительно превышает нормативные значения, что послужило основанием для дальнейшего использования маловязкой сырой нефти в укреплении нижних слоев дорожных одежд [11].
С 1950 по 1960 годы в ходе работ по созданию сети автомобильных дорог в УзССР (с 31 августа 1991 года - Узбекистан) в ряде случаев была применена тяжелая джаркурганская нефть. Для этого на верхний слой песчано-гравийной смеси при помощи автогудронатора распределяли сырую нефть, после чего проводилось смешение, профилирование и укатка с созданием защитного слоя по типу поверхностной обработки.
В ходе эксперимента были получены оптимальные характеристики сырой нефти для укрепления песчано-гравийных дорог. Плотность нефти должна была составлять 0,942-0,943, вязкость 14-20 с, а содержание парафина 3%, легких фракций 6-22% и асфальтенов 5-7%. При производстве работ по методу поверхностной обработки расход нефти составлял не более 1,5-3 л/м2, при повторном розливе (через 1-2 мес.) - 1-2,5 л/м2. При подборе нормативного расхода сырой нефти для укрепления дорожных материалов непосредственно на месте строительства ее объем был рассчитан ориентировочно, а затем уточнялся в лабораторных условиях [11]. По результатам исследований технико-эксплуатационных параметров дорог, в конструкциях которых использовался нефтегрунт, был сделан вывод об эффективности применения сырой нефти в дорожном строительстве. Наряду с исследованиями в южных районах СССР, проводились экспериментальные работы по использованию сырой тяжелой нефти в БССР (с 19 сентября 1991 года -Республика Беларусь) и УССР (с 24 августа 1991 года - Украина).
Так для укрепления песчаных материалов в Беларуси была применена нефть с Речицкого месторождения совместно с карбомидной смолой. Максимальные прочностные характеристики были получены при расходе нефти и добавками смолы в количестве 3% и 4% от массы грунта соответственно [11]. В Украине для укрепления песчано-гравийных смеси применяли тяжёлые нефти Бориславского и Надворнянского месторождений. В результате экспериментов была определена оптимальная вязкость сырой нефти, которая составляла 5-8 с [11].
На территории РСФСР (с 25 декабря 1990 года - Российская Федерация) так же проводились работы по использованию тяжелой нефти. Учёные А.С. Еленович, С.С. Фадеев, В.Н. Игнатюк и др. [12] с 1965 по 1970 годы исследовали возможность применения тяжелой нефти Татарской АССР (с 30 августа 1990 года - Республика Татарстан). Авторы рассматривали нефтевание дорог, как способ утилизации отходов разведочного бурения. Было установлено, что необходимое содержание должно быть следующее: серы 2-3,5%, парафина 2-5%, асфальтенов 3-7% и смол 20-25%. Это условие давало возможность эффективного использования нефтяных отходов в дорожном строительстве [12]. Кроме того, в лёссовидные суглинки совместно с местным гравийным материалом искусственно добавляли нефть в количестве 7% от массы грунта. Тяжелые нефти применялись с целью обеспыливания грунтовых, грунтогравийных и грунтощебеночных дорог методами пропитки и смешения непосредственно на месте производства работ, а также для укрепления дорог 5 технической категории с интенсивностью движения не более 200-300 авто/сут.
В период с 1960 по 1980 годы проводились широкомасштабные исследования по применению западносибирских нефтей для укрепления грунтов для строительства нефтепромысловых дорог Тюменской области, Коми АССР (с 26 мая 1992 - Республика Коми) и Карельской Автономной ССР (с 13 ноября 1991 Республика Карелия). Научные исследования велись под руководством известных учёных: В.М. Безрука, А.В. Линцера, В.А. Юрченко, Б.Ф. Илясова, А.Г. Дорофеева и др. [11,12,13,14]. В своих трудах исследователи приводят различные способы укрепления грунтов сырой нефтью. В ходе исследования было установлено, что для непосредственного увеличения несущей способности грунтов наиболее целесообразно применение тяжёлых нефтей вязкостью не менее 7 с. Также была доказана эффективность применения сырой нефти в качестве разжижителя для вязких битумов. В исследованиях учёного А.В. Линцера были получены противоречивые результаты, согласно которым применение малосмолистых легких нефтей для дорожного строительства неоправданно с технической точки зрения, так как при малом содержании серы, парафина, асфальтенов в них присутствуют большое количество лёгких фракций [13]. Эта противоречивая ситуация была разрешена исследованиями группы учёных под руководством В.М. Безрука, которая решила проблему использования лёгких нефтей в укреплении грунтов. Для этого было предложено совместно с маловязкой сырой нефтью использовать активные вещества -известь и цемент, которые смогли бы повысить вязкость нефти, увеличивая прочность и водоустойчивость нефтегрунта [11]. Согласно предложенному способу нефтегрунтовая смесь включала в себя 65-83% грунта, 6-12% цемента, 10-18% воды и 1-5% маловязкой сырой нефти [15,16].
Диспергирование дорожного битума, получение битумного порошка
Битум по своим свойствам является термопластичным материалом, так как его механическая стойкость изменяется в широких пределах под влиянием температур. Под воздействием нагрузок в битумах создаются как упругие, так и пластические деформации. Битум следует рассматривать как материал с различной степенью пластичности, которая является прямо пропорциональной функцией температуры, т.е. чем выше температура, тем больше пластичность и, следовательно, ниже вязкость битума. Картина изменения агрегатного состояния с точки зрения термического перехода структур следующая.
Битумный материал, находясь под термодинамическим воздействием, последовательно приобретает 3 агрегатных состояния: от истинных растворов к коллоидным растворам надмолекулярных структур асфальтенов и смол (ассоциатов), а затем до пластичных и твердых тел. В случае если битумный материал имеет состояние, при котором его температура ниже температуры размягчения, в его структуре происходят процессы ассоциации углеводородных групп с формированием переходного типа структуры, с большим количеством надмолекулярных образований (ассоциатов). После этого начинает формироваться структура пластичного, а затем аморфного состояния битума. Главной причиной происходящего процесса является уменьшение интенсивности движения дискретных частиц в жидкой среде, что влияет на изменение реологических свойства битума [55,56,57]. В условиях достижения битумом температуры хрупкости, его структура представляется в виде твердого тела, в котором совместно с аморфными веществами в стеклообразном состоянии могут присутствовать кристаллические вещества, а также масла и низкоплавкие смолы, не потерявшие пластичность. Данный механизм изменения структурообразования является термодинамически обратимым [57]. В каждом из типов битумов изменения происходят в своих температурных интервалах, согласно физико-реологическим свойствам. По причине развития процессов структурообразования, роста надмолекулярных структур (ассопиатов) при переходе из вязкого состояния в пластичное и далее в твердое наблюдается изменение степени пластичности, при котором растет доля упругих деформаций. Поэтому можно утверждать, что виды структур битумов зависят от его термодинамического состояния и в зависимости от внешних условий изменяются, влияя на реологическое поведение материала, изменяя границы перехода из жидкого в пластичное или твердое состояний. (Рисунок 7). От типа структуры битумов зависят особенности проявления их физико-механических свойств в различных эксплуатационных условиях. Поэтому в данном исследовании важно знать структуру имеющегося дорожного битума, в зависимости от которой возможна корректировка внешнего воздействия с целью получения битумного порошка. После того как битумный материал принимает упруго-пластичное или упруго-хрупкое состояние необходимо внешнее механическое воздействие, с целью получения деформаций.
Развитие упругих и пластических деформаций описываются сложными законами, отражающимися в различных математических формулах, и поэтому в следующем разделе будут рассмотрены общие представления о диспергировании битума.
В науке процесс измельчения материалов принято называть диспергированием, под которым понимается процесс дробления и помола, осуществляемый внешним воздействием, давлением, трением, воздействием ультразвука, электрораспылением и др. Наиболее распространенным и менее энергозатратным является механическое измельчение твёрдых материалов. В процессе измельчения принято выделять следующие этапы: дробление и помол. Дробление материалов является первым этапом переработки, в результате которого происходит разрушение в местах с относительно слабыми связями. Материал в этом случае характеризуется прочностью, т.е. напряжением при котором происходит разрушение. При помоле происходит разрушение материала до состояния тонких и сверхтонких порошков. При данном измельчении разрушение проходит по объёмным структурным решёткам, характеризующимся значительными напряжениями. Эта прочность соответствует энергии структурной решетки.
Условная граница между дроблением и помолом проходит на уровне размера материала, она равна 5мм [58]. При этом крупное дробление производят до следующих размеров: 100 - 350 мм, среднее дробление - до размеров 40 - 100 мм, а мелкое дробление - до 10-30 мм. Грубый помол производится до размера 2-6 мм, тонкий помол - до 0,5 - 1,0 мм, а сверхтонкий - до размеров 5 - 100 мкм.
Из всех существующих механических измельчений самым неэффективным способом является раздавливание материала, так как при такой деформации первоначально вынуждены закрываться зародышевые трещины материала, а напряжение должно превысить максимальный по своей природе предел прочности на сжатие. Наиболее эффективный способ измельчения - это удар, при котором нагрузки носят динамический характер. В дорожной науке первые теоретические обоснования процессов измельчения рассматривались как исключительно механический процесс, поскольку теория измельчения основывалась на положениях классической механики сплошной среды [11].
В связи с возникшими потребностями промышленности и производства, перед учёными ставились более сложные задачи в изучении процессов измельчения, решить которые не могла классическая механика. В связи с необходимостью данной проблемы первоначально были предложены экспериментально выявленные закономерности для измельчения идеально хрупкого тела, при котором образовавшиеся при измельчении части можно было бы сложить и получить совпадение с исходным. К таким закономерностям относятся: - закон Реттингера, который справедлив для тонкого измельчения, согласно ему работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна вновь полученной поверхности. Закон Реттингера распространяется на хрупкие вещества, имеющие границы раздела и характеризующиеся появлением новых трещин [58]; грохота, через которые проходят 80% каменного материала до и после измельчения, мм.
Следует отметить, что ни один из выше представленных законов не может описать сложную картину измельчения, так как они являются частными случаями общего процесса измельчения. В одних законах ведётся учет энергии преодоления вязкоупругих деформаций материала, в других всё сводится к взаимосвязи энергии с результатом процесса измельчения. В действительности картина становится более сложной, если учесть, что при разрушении твердых тел имеет место пластическая деформация.
В процессе диспергирования твёрдого битума под воздействием механических усилий битум претерпевает сначала упругую, затем пластическую деформации, до того момента, пока в каком-либо из сечений напряжение, передаваемое через удар, не превысит предела прочности материала. Вследствие этого механическая энергия затрачивается не только на упругую и пластическую деформации, но и на образование новой поверхности, кинетическое движение осколков и преодоление сил химической связи. Разрушение битума происходит в виде стадийного или ступенчатого процесса. Под механическим воздействием в теле измельчаемого материала образуются поверхностные микротрещины, которые от последующих ударов разрастаются вглубь.
В период времени между ударами микротрещины успевают регенерироваться. Причиной данному явлению служит то, что микротрещины очень малы, а силы сцепления между узлами, удалившимися друг от друга на незначительное расстояние, велики, это приводит к смыканию микротрещин, т.е. происходит процесс когезионного воздействия. Для разрушения регенерированных микротрещин возникает потребность в дополнительном затрачивании энергии. В связи с тем, что на развитие микротрещин затрачиваемая энергия разрушения потребляется, а при смыкании выделяется, то её разница (избыток) идёт на разогрев измельчаемого материала и окружающее пространство, что негативно сказывается на специально подготовленное твёрдое стеклообразное термодинамическое состояние дорожного битума. Кроме того, в случае разогревания твёрдого битума, его структура становится аморфной, поэтому когезионные процессы в микротрещинах увеличиваются многократно, что влечёт дополнительные энергозатраты на механическое разрушение. Чем больше будет потрачено энергии на разрушение, тем больше будет производиться нагрев измельчаемого материала и окружающей среды.
Исследование группового углеводородного состава сырой нефти и битума
Электронная микроскопия представляет собой совокупность мероприятий, направленных на исследование микроструктуры тел, их состава и микрополеи при помощи электронных микроскопов (далее ЭМ), в которых для создания многократно увеличенного изображения используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает в себя различные методики подготовки исследуемых объектов, обработку и анализ полученной информации.
В науке широкое распространение приобрели два направления электронной микроскопии: трансмиссионная и растровая. С помощью них получают качественно новую информацию об объекте исследования. Науке известны также малоиспользуемые виды электронной микроскопии, такие как отражательная, эмиссионная, лоуренцова и др. В будущем каждая из них займёт своё достойное место в различных областях научной деятельности человека.
В данной работе исследование образцов нефти и битума проводились с помощью электронного растрового микроскопа Zeiss SIGMA VP и Imager M2m ЦКП НО «Арктика».
Как отмечалось выше, электронная микроскопия применяется для изучения поверхности образцов различных веществ и материалов. В основе её методологии заложен синтез научно-технических достижений рентгеновской спектроскопии и электронной оптики. Первые опытные партии электронных микроскопов были произведены в Германии в 1930 году. В 1947 году в США был впервые запатентован принцип электронно-зондового микроанализа, который стал основой в исследованиях доктора Парижского университета Кастена [69]. В этот же период времени электронная микроскопия была впервые применена для изучения поверхности массивных образцов.
В СССР первые работы по созданию электронных микроскопов были проведены в 30-е годы 20 века под руководством академика СИ. Вавилова и А.А. Лебедева в Академии наук СССР [70,71]. В 1941 году был сконструирован первый микроскоп с увеличением в 10 000 раз, а в 1946 году были выпущены первые серийные советские электронные микроскопы на 50 кВ. В настоящее время созданы универсальные электронные микроскопы на 50 кВ и на 100 кВ, которые используются во многих областях науки [71]. Широкое применение электронных микроскопов связано с важными преимуществами их по отношению к другим типам приборов. Электронная микроскопия, не нарушая вакуума в среде микроскопа дает возможность не только исследовать объекты на просвет, но и изучать их структуру посредствам отражённых электронных лучей. Кроме того, при работе с электронным микроскопом изображение можно непрерывно увеличивать от оптических до сверх оптических масштабов.
В данной работе будут исследованы органические вяжущие материалы, наиболее часто используемые для укрепления покрытий дорог промышленного назначения при помощи методов растровой электронной микроскопии.
Принцип действия растровой электронной микроскопии (далее РЭМ) заключается в направленном воздействии на исследуемый объект пучком электронов [72]. Методы РЭМ использует энергетическое и пространственное распределение электронов, которые воздействием сфокусированного электронного пучка эмитировались из слоя материала [73]. Как показано на рисунке 11 в результате взаимодействия пучка электронов с изучаемым веществом генерируются различные сигналы, которые представляют собой поток отражённых вторичных и поглощённых электронов, а также катодолюминесцентного и рентгеновского излучений.
Для создания изображения структуры поверхности в электронном микроскопе улавливаются отраженные электроны первичного пучка и вторичные электроны. В целях объективного и всестороннего исследования структур различных материалов, учёные выделяют несколько важных параметров в РЭМ, такие как оптимальная разрешающая способность и контраст изображения.
Эти параметры между собой взаимосвязаны зависимостью от геометрических размеров электронного пучка (площади сечения или его диаметра). При этом на качественное создание контраста в РЭМ влияет разность распознанных сигналов от соседних участков образца, возникающая в результате неровности его поверхности. Чем больше определяемая разность сигнала, тем выше контраст изображения. Кроме того, контраст зависит от химического состава объекта, магнитных и электрических свойств исследуемого материала и от эффективности преобразования падающего на детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе. Если результирующий контраст недостаточен для точного исследования, то его можно повысить, увеличив поток электронов, при этом возникает проблема фокусировки большого потока электронов, так как диаметр зонда, увеличившись, снизит разрешающую способность микроскопа. В настоящее время перед учёными стоит задача оптимального соотношения контраста и разрешающей способности в получении изображений различных структур материалов.
Широкий диапазон использования РЭМ связан с множеством типов воздействия направленного пучка электронов с различными материалами.
В растровой электронной микроскопии могут исследоваться как специально подготовленные поверхности - шлифы, так и поверхности материалов без предварительной подготовки. Изготовление шлифов в РЭМ производится по аналогии со свето-микроскопическими исследованиями. Однако, при подготовке шлифов учитываются некоторые особенности.
Размеры образцов материала для использования их в исследованиях РЭМ ограничиваются габаритами пространственной камеры электронного микроскопа. С целью обеспечения образцов хорошим электростатическим контактом с предметным столиком и жёсткой фиксацией образцов в случае наклона применяют токопроводящие клеи. По причине того, что исследуемые образцы битума и нефти являются органическими материалами, необходимо учитывать длительность контакта зонда с образцами материалов, так как в естественном агрегатном состоянии возможно их термическое разрушение. В целях недопущения данного явления образцы предварительно были высушены в вакууме под давлением 4 мили бара и температуре +20С.
Кроме того, для недопущения образования газообразных продуктов, создающих затруднение в получении требуемого вакуума при откачке из пространственной камеры микроскопа поверхность образцов была тщательно очищена.
Важным требованием, которому соответствовали поверхности исследуемых образцов битума и нефти, является наличие нейтральной поверхности, так как в случае электростатической зарядки происходит изменение поверхностного заряда, что изменяет процесс отражения электронов, уменьшая разрешающую способность и контраст. Кроме того, образцы материалов были стабильны в условиях вакуума и под действием электронного пучка. Для повышения контраста изображения перед исследованием на поверхность образцов проводилось напыление покрытия. В качестве покрытия обычно применяли металл - золото, при этом размер кристаллитов был не более 5 нм. Исследование образцов нефти и битума проводились с помощью электронного растрового микроскопа Zeiss SIGMA VP оборудования ЦКП НО «Арктика». На рисунке 12 представлен растровый электронный микроскоп.
Методология проведения эксперимента, оборудование и материалы
За основу методики проведения эксперимента был взят ГОСТ 12801-98 [48], согласно которому весь процесс проведения эксперимента условно был разделён на два этапа: подготовительная часть и сами испытания.
В подготовительную часть эксперимента входили: подготовка и производство исходных материалов, наладка лабораторного оборудования и создание образцов.
При подготовке и производстве исходных материалов были учтены выводы об исключении влияния фракционного состава песчано-гравийной смеси на результаты компрессионных испытаний, для этого предварительно была проведена дифференциация песчано-гравийных смесей, по фракциям, согласно таблице №2 (Рисунок 34).
Рисунок 34 - Дифференциация песчано-гравийных смесей по фракциям Для производства битумного порошка, дорожный битум предварительно подвергался воздействию отрицательных температур втечении суток. После этого при помощи лабораторной дробилки производился его помол. В процессе измельчения битума необходимо было соблюдать температурный режим, для этого все работы проводились на открытом воздухе при температуре -10С. В целях уменьшения энергозатрат на измельчение, исключения комкования дроблёного битума, а также увеличения поверхностных свойств комплексного вяжущего материала, в процессе дробления добавлялся мелкодисперсный материал в виде строительной извести в количестве согласно плану эксперимента (таблица 3). В качестве эксперимента при производстве битумного порошка вместо строительной извести, представляющей собой мелкодисперсный материал, была принята альтернатива - отсев фракций песчано-гравийной смеси размером частиц менее 2,5 мм. По результатам проведённого испытания по производству битумного порошка было установлено, что битум, измельчённый совместно с известью по визуальным признакам был более пригодным для использования в экспериментах, чем тот, который был произведён с мелкими фракциями ПГС. Поиск альтернатив мелкодисперсного материала - извести может стать отдельной темой научного исследования, поэтому в данной работе подробно не обсуждается.
После того как подготовка и производство исходных материалов была закончена, производилась навеска исходных материалов для каждой серии опытов и дальнейшее смешение их в смесительной установке (Рисунок 35).
Далее проводился процесс формовки образцов, для этого предварительно подготовленные формы по изготовлению цилиндрических образцов были смазаны техническим гидравлическим маслом. Форма, в которую закладывают смесь, представляет собой стальные полые цилиндры (Рисунок 36). Внутрь их вставляются вкладыши в виде цилиндрических кассет с диаметром, величина которого зависит от крупности применяемого каменного материала. В нашем случае диаметр соответствовал 71,4 мм.
Смесь в цилиндрической форме равномерно распределяли способом штыкования при помощи лабораторного ножа, далее вставляли верхний вкладыш формы так, чтобы выступ нижнего вкладыша из формы был не менее 1,5-2,0 см.
Процесс формовки образцов проводился уплотнением смеси, т.е. компрессионным воздействием на форму гидравлическим прессом (Рисунок 37). В ходе уплотнения соблюдалось условие двустороннего приложения нагрузки, для этого производилась передача усилия на уплотняемую смесь, находящуюся в форме, через верхний и нижний вкладыши, которые свободно передвигались в форме навстречу друг другу. По истечению 3 минут нагрузку снимали, и образцы укреплённой песчано-гравийной смеси извлекали из форм. Общий вид образцов представлен на рисунке 37. a - общий вид образцов; б - пресс для испытания образцов Рисунок 37- Установка для компрессионного испытания образцов Рисунок 38- Рабочее место исследователя Изготовленные образцы укреплённой ПГС хранились в течение семи дней, после чего проводились их компрессионные испытания в водонасыщенном и сухом состоянии (рисунок 37 и 38). Кроме того, было дополнительно определены сопутствующие параметры как набухание, плотность и т.д. 4.3 Анализ полученных результатов
В ходе эксперимента по укреплению песчано-гравийной смеси битумным порошком совместно с сырой нефтью и керосином были определены такие показатели, как прочность образцов до водонасыщения, прочность образцов после водонасыщения, водостойкость, водонасыщение и набухание.
Компрессионные кривые исследуемых образцов В каждой серии испытаний проводилось по 3 эксперимента, за результирующее принималось их среднее арифметическое значение. Статистическую обработку данных и построение диаграмм «состав-свойство» проводили при помощи компьютерной программы Statistica. Первоначально исследования проводились по 41 серийному эксперименту, в ходе которого были получены данные о физико-механических свойствах и их статистические оценки. В связи с громоздкостью результатов в 41 серийном эксперименте в текстовой части работы представлены диаграммы «состав-свойство» и их максимальные, средние и минимальные значения по каждому составу. В данной главе, приведены результаты уточняющего эксперимента, состоящего из 14 серий. Результаты представлены на рисунках 40-68 и таблицах 8-12.
Результатами эксперимента служили данные, полученные в ходе компрессионных испытаний и измерительной работы. Статистическая обработка данных проводилась в программе Statistica, по результатам которой получены поверхности в различных системах координат, расположенных в треугольной системе координат. Данный способ представления информации наиболее полно отражает взаимозависимости между различными компонентами смесей. Эти поверхности при помощи математического аппарата и статистической обработки имеют разную пространственную конфигурацию и точность воиспроизводимости реальных значений параметров. Поэтому в качестве статистического контроля были приняты такие параметры как статистическая значимость результатов экспериментов (далее «уровень-р») и коэффициент детерминации (R). Уровень-р это статистический параметр, характеризующий точность построенной математической модели зависимости, основанной на эмпирических данных, значение которой обратно пропорциональны функции надежности. Поэтому в статистических расчётах большему значению уровня-р, соответствует меньший уровень надёжности полученных результатов. Данный параметр характеризует вероятность ошибки. Так для построенной математической модели прочности образцов после водонасыщения (Рисунок 41) уровень-р равен 0,0109, т.е. можно утверждать, что с вероятностью в 1,1 % описываемая поверхность модели является случайной зависимостью. В остальных результатах статистической обработки данных уровень-р не превышал 0,05, что характеризует достоверность полученных данных. Коэффициент детерминации - это статистическая величина, характеризующая уровень зависимости исследуемых факторов на конечный результат, в нашем случае - на математическую модель поверхности различных параметров.
При статистической обработке данных значения уровня детерминации были достаточно высокими, так для 41 серийного эксперимента средний уровень детерминации составлял 0,7-0,9, а для 14 серийного 0,85 и выше. Это означает, что для 14 серийного эксперимента исследуемые факторы объясняют 85% и выше вариацию полученной математической модели. Остальные 15% и менее не оказывают столь сильного влияния на вариацию результирующей функции, это может быть связано с неучтёнными влияниями внешних факторов.
В процессе статистической обработки результатов экспериментов были получены математические модели (13) взаимосвязи физико-механических свойств образцов из песчано-гравийной смеси, укреплённой комплексным вяжущим материалом, состоящим из извести, измельченного битума и воды согласно. Эмпирические коэффициенты приведены в таблице Б.1 приложения Б. На рисунках 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 представлены результаты анализа.