Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Обзор ранее выполненных исследовательских работ 12
1.2. Использование изношенных шин
1.2.1. Характеристика отходов шинной промышленности 23
1.2.2. Технологии утилизации шин 23
1.2.3. Применение дроблёной резины в дорожном строительстве 40
1.2.4. Переработка и использование изношенных шин 42
1.3. Технология строительства дорог из резннобетона 49
1.3.1. Приготовление резинобетонной смеси 49
1.3.2. Строительство покрытий из резннобетона 52
1.4. Особенности расчёта конструкций нежёстких дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог (ЛАД) 54
1.5. Цели и задачи исследований 55
2. Теоретические исследования характеристик дорожного покрытия лесовозных дорог из резннобетона 57
2.1. Математические модели исследования резннобетона 57
2.1.1. Математическая модель для описания взаимодействия слоя льда с резинобетонным дорожным покрытием под действием давления от колеса лесовозного автомобиля 57
2.1.2. Математическая модель для прогнозирования жесткостных
и прочностных свойств дорожного покрытия из резннобетона 69
3. Экспериментальная часть 85
3.1. Исследование состава резннобетона в зависимости от вида заполнителей 85
3.2. Исследование состава резннобетона в зависимости от крупности фракций резиновой крошки 88
3.3. Испытание рсзиноасфальта 88
3.4. Испытание резиноцементобетона
3.4.1. Испытание на изгиб 90
3.4.2. Испытание образцов резннобетона на сжатие 90
3.4.3. Испытание образцов резннобетона на сжатие в зависимости от крупности фракции резиновой крошки 102
3.4.4. Испытание на сжатие образцов резннобетона с добавлением отходов промышленных производств 104
3.5. Испытания образцов резинобетона 110
3.6. Определение коэффициента сцепления протекторов автомобилей с резинобетонным дорожным покрытием 114
3.7. Разрушение ледяной корки - колёсами транспортных средств 121
3.8. Лабораторные исследования разрушения ледяной корки колёсами транспортных средств
3.8.1. Лабораторная установка 121
3.8.2. Результаты лабораторных испытаний 123
4. Расчет эксплуатационных характеристик дорожного покрытия лесовозных автомобильных дорог из резинобетона 125
5. Экономические расчеты 131
Заключение 136
Список литературы
- Технологии утилизации шин
- Математическая модель для описания взаимодействия слоя льда с резинобетонным дорожным покрытием под действием давления от колеса лесовозного автомобиля
- Испытание резиноцементобетона
- Лабораторные исследования разрушения ледяной корки колёсами транспортных средств
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Лесной комплекс Российской Федерации, включающий в свой состав лесное хозяйство и лесопромышленные отрасли по заготовке и переработке древесины, занимает важное место в экономике страны. Леса России - один из важнейших возобновляемых природных ресурсов составляют более четверти мировых запасов древесной биомассы и выполняют важнейшие средообразующие и средозащитные функции.
Правительством Российской Федерации разработана стратегия развития лесного комплекса на период до 2020 года. В данной программе дан анализ состояния отрасли, определены проблемы и цели и задачи развития отрасли. Системными проблемами в развитии лесного комплекса, сдерживающими экономический рост лесопромышленного производства и эффективное использование лесов, являются истощение эксплуатационных запасов древесины в зонах расположения действующих лесопромышленных предприятий и путей транспорта, слабо развитая инфраструктура в лесах.
Для достижения целей стратегического развития лесного комплекса необходимо решить следующие задачи:
совершенствование структуры и рост объёмов лесопромышленного производства; -развитие инфраструктуры в регионах реализации приоритетных инвестиционных
проектов и освоения новых лесных массивов;
оптимизация экологической нагрузки на окружающую среду.
Интенсификация производства и ускорения научно-технического прогресса невозможны без развитой сети любых дорог, лесовозных в частности. Необходимо строительство лесовозных автомобильных дорог равномерно распределённых по лесной площади и регулярная сеть станет основой развития лесной отрасли региона.
Интенсивное строительство автомобильных дорог требует развития промышленности по производству дорожно-строительных материалов, возрастающая потребность в щебне, песке, минеральном порошке и смесях может быть в значительной степени удовлетворена за счёт широкого использования отходов промышленности и вторичных ресурсов. Одним из видов таких отходов являются отходы шинной промышленности и возможность использования изношенных шин. Их утилизация является важным источником получения высококачественных материалов для дорожного строительства.
Степень её разработанности. Концепция научного направления, рассматривающая транспортно-эксплуатационные качества лесовозных автомобильных дорог с учётом всех существенных их компонентов и взаимосвязей между ними в системах автоматизированного проектирования, методы расчёта дорожных одежд нежёсткого типа созданы трудами профессоров В.И. Алябьева, Б.А. Ильина, В.К. Курьянова, И.И. Леоновича, и других учёных, работавших в области лесовозных автомобильных дорог.
Анизотропность и многослойность дорожных конструкций, а также сложные условия их эксплуатации требуют применения совершенствования математических методов в расчетах, создания новых дорожных материалов, и приводят к тому, что проблема совершенствования методов расчёта дорожных одежд по-прежнему, продолжает оставаться актуальной.
Проблема использования изношенных шин имеет также существенное экономическое значение, поскольку потребности хозяйства в природных ресурсах непрерывно растут, последние становятся все более ограниченными, а их добыча - все более дорогостоящей. Данную проблему решают дорожные покрытия с применением дроблёной резины полученной из шин и других бывших в употреблении резинотехнических изделиях.
Борьба с гололёдом является исключительно важным мероприятием на зимних дорогах, т.к. гололёд представляет настоящее бедствие для дорог, 80 % дорожно-транспортных происшествий происходит на скользких зимних дорогах (это характерно для США, России, Скандинавских стран). Одним из направлений предупреждения образования гололёда является применение дорожной конструкции лесовозной автомобильной дороги на основе резинобетона.
Цели и задачи. Целью диссертационного исследования является повышение транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных дорог с дорожным покрытием, выполненным с применением резиновой крошки. В соответствии с поставленной целью задачи диссертационного исследования:
-
-
Выполнить теоретические исследования характеристик дорожного покрытия лесовозных дорог из резинобетона на основе моделирования поведения резинобетона в дорожных покрытиях.
-
Выполнить комплекс экспериментальных исследований по определению физико- механических характеристик резинобетона в дорожных покрытиях лесовозных автомобильных дорог.
-
Разработать новый конструктивный материал - резинобетон.
-
Доказать антигололёдные свойства резинобетона.
-
Апробировать разработанную методику с помощью имитационного эксперимента для оценки поведения резинобетона в зависимости от параметров и наполненности резиновой крошки и состояния дорожного покрытия.
-
Определить экономическую эффективность работы дорожной конструкции с точки зрения энергосбережения, улучшения условий труда и экологии, а также увеличения производительности, технических, эксплуатационных и экономических показателей.
Научная новизна.
-исследованы физико-механические характеристики резинобетона в дорожных покрытиях лесовозных автомобильных дорог;
создана математическая модель для описания взаимодействия слоя льда с резинобетонным дорожным покрытием под действием давления от колеса лесовозного автомобиля;
создана математическая модель для прогнозирования жесткостных и прочностных свойств дорожного покрытия из резинобетона и для моделирования прочностных характеристик проектируемого дорожного покрытия
разработан новый дорожный конструкционный материал - резинобетон, рекомендованы варианты вкрапления резины в резинобетон.
доказаны антигололёдные свойства резинобетона.
Теоретическая и практическая значимость работы. В методическом плане разработанные теоретические положения, предложенные методы, алгоритмы и программы расчёта - предназначены для решения многочисленных вопросов, связанных с анализом вновь разрабатываемых конструкций дорожных покрытий, обоснования основных параметров резинобетона и выбора рациональных режимов его работы в процессе эксплуатации, способствующих повышению общего уровня работ по проектированию, строительству и эксплуатации дорожных конструкций. Предложенные методы и расчёты делают более быстрым и надёжным поиск вариантов улучшения экономических и технико- эксплуатационных характеристик дорожных конструкций, повышения уровня их использования в дорогах.
Разработанные в диссертации расчётные методы и алгоритмы применимы для решения научно-технических задач в конструкторских бюро и отраслевых НИИ, ведущих лесных учебных заведениях, а также в областях промышленности использующих резиновую крошку.
Результаты экспериментальных исследований образцов резинобетона, разработанных и испытанных под руководством и при участии автора, позволяют на этапе строительства использовать готовые составы резинобетона, что уменьшает сроки освоения технологии укладки резинобетона обеспечивающей значительное увеличение производительности труда и повышение технико-эксплуатационных, экологических и ресурсосберегающих качеств.
Методология и методы исследования.
Объектом исследования является конструкция дорожной одежды лесовозной автомобильной дороги. Предметом исследования является процесс взаимодействия лесовозного автопоезда с дорожным покрытием, взаимосвязь грунтов и резиновой крошки в дорожной конструкции, напряжённое состояние дорожной конструкции под воздействием лесовозного автотранспорта.
Информационная база исследования - обзор литературных источников, обзор ранее выполненных исследований, изучение специальной литературы, определение степени разработанности проблемы.
Для решения поставленной цели были использованы методы: системный подход, использование методов математического моделирования, теории планирования эксперимента, математической статистики, теории расчёта нежёстких дорожных одежд, теории упругости, анализа и расчёта технико-экономической эффективности. В процессе решения поставленных задач и обработки результатов экспериментов применялись прикладные программные пакеты Mathcad 14, Mathworks Matlab r2011b 7.13.
Положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению физико-механических характеристик резинобетона в дорожных покрытиях лесовозных автомобильных дорог;
математическая модель, описывающая антигололёдные свойства резинобетона и позволяющая определить относительное содержание резиновой крошки в резинобетоне, приводящее к разрушению слоя гололёда при движении лесовозного автопоезда;
математическая модель, описывающая эффективные жесткостные и прочностные характеристики резинобетона в зависимости от относительного объёмного содержания резины в дорожном покрытии;
принципиально новый дорожно-строительный материал - резинобетон, обладающий повышенными антигололёдными свойствами и коэффициентом сцепления.
выводы и рекомендации по практическому применению резинового заполнителя для нежёстких дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог, разработанные в результате теоретических и экспериментальных исследований.
результаты экономических расчётов подтверждающих целесообразность внедрения резиновой крошки для покрытий нежёстких дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики, сопоставимостью результатов модельных расчётов, лабораторных и производственных экспериментов, выполненных с применением современных приборов и оборудования при использовании математического аппарата планирования эксперимента.
Научные положения и результаты исследований докладывались и были одобрены на научно-практических конференциях в Сибирском государственном технологическом университете, на техническом совещании дирекции ОАО Стройиндустрия, международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2012».
Основные результаты внедрены, в производство дорожных плит и бордюров ОАО Стройиндустрия г. Красноярска, технология укладки резинобетона методом втапливания в верхний слой дорожного покрытия применена при ремонте участка дороги в ОАО «Дорожное эксплуатационное предприятие № 369» (ОАО «ДЭП № 369»). Рекомендации по использованию резинобетона переданы в Минтранс Хакасии и в учебный процесс кафедры промышленного транспорта леса СибГТУ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано: 15 научных работ, в том числе 3 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК 8 публикаций без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, основного содержания работы, содержащего 5 разделов, заключения и списка работ, опубликованных автором по теме диссертации. Основное содержание работы изложено на 164 стр. машинописного текста, рисунков 37, таблиц 17, приложение 1. Список литературы содержит 156 наименований.
Технологии утилизации шин
В диссертационном исследовании изучены работы посвященные изучению вопросов повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог. Все изученные работы можно разделить на следующие группы. Первая группа работ [16-20]посвящена разработке и применению современных конструкций дорожных покрытий. Работа Асмолова В.А. посвящена разработке новых конструктивных схем плит покрытий повышенной устойчивости и исследования их влияния на устойчивость колесопроводов в продольном и поперечном н направлениях, стабилизации несущей способности грунтового основания. Работы Данилова А.Г. и Чудинова С.А. [19-26] рассматривают применение цементо-грунтовых покрытий на лесовозных дорогах. Работы посвящены снижению расхода цемента за счет применения различных стабилизирующих добавок.
Вторая группа работ [11-15]посвящена повышению ТЭК АЛД на основе анализа условий работы и выработке рекомендаций на стадии принятия проектных решений, в процессе реконструкции, капитального ремонта, ремонта и содержания. В работах проведен анализ функционирования автомобильных дорог в технологическом процессе. В работах приводятся математические модели различных аспектов технологического процесса.
Третья группа работ [21-25] посвящена системам автоматизированного моделирования. Скворцова Т.В. предлагает повышение ТЭК АЛД за счёт принятия обоснованных решений на основе моделирования системы «водитель-автомобиль-дорога-среда». В работе сформированы предложения по расходу энергоносителей по новой методике расчёта эмиссии продуктов сгорания топлива применительно к различным режимам работы и климатическим условиям. В работе Алферова В.А. выполнено теоритическое обоснование математической модели дополнительного сопротивления движению лесовозных автопоездов буксирного и седельного типов от кривых в плане. Разработаны регрессивные модели расчёта дополнительного сопротивления движению автопоездов. Даны практиче 13 ские рекомендации для тяговых расчётов подвижного состава автомобильного лесовозного транспорта. Аникеев Е.А предлагает математическую модель составной ленточной поверхности криволинейного (в плане) участка лесовозной дороги и алгоритм и программу проектирования криволинейных элементов лесовозной дороги. Адил Али Башир Фадель Эль Мула разработал метод оценки проектных решений автомобильных лесовозных дорог на основе имитации процесса функционирования дороги путем комплексного моделирования движения по проектируемой дороге автомобилей. Данный метод развивает методы теории проектирования автомобильных лесовозных дорог, структурного и физического анализа в системе САПР-АЛД. Скрьшников А.В., разработал алгоритмы и структуру программы для САПР-АЛД, имитирующих процесс функционирования дороги по комплексу показателей движения автомобилей и транспортных потоков. Применение стадийного принципа с целью повышения ТЭК позволяет увеличить точность и достоверность оценки в САПР-АЛД. Работа Кондрашовой Е.В. посвящена разработке моделей, методов и способов оптимизации конструкции дорожной одежды и земляного полотна в процессе жизненного цикла. Разработан метод оценки проектных решений ЛАД на основе имитационной системы моделирования процессов функционирования лесовозного автотранспорта.
В работах [30-35] описывается использование отходов производства в дорожном строительстве. Золошлаковые материалы гидроудаления, укрепленные неорганическими вяжущими материалами - цементом или известью, применяются для устройства слоев дорожных одежд. Исследования проводились с конца 70-х годов прошлого века. В результате определились два направления использования отвальных золошлаковых смесей гидроудаления: . обработка цементом или известью и применение в качестве конструктив ных слоев дорожных одежд; как добавка к вяжущим в целях их экономии при укреплении грунтов. Золошлаковые смеси, обработанные цементом или известью, проявляют в процессе твердения гидравлическую активность. Структурообразование обеспечивается взаимодействием клинкерных минералов с водой с образованием цемен 14 тирующего вещества. Выделяющаяся при этом окись кальция взаимодействует с кремнеземистой и глиноземной составляющими золошлаковой смеси и способствует созданию новообразований. В результате повышаются прочность укрепленного материала в водо-насыщенном состоянии и его морозостойкость. Структурообразование протекает достаточно медленно (по сравнению с грунтами, укрепленными цементом), поэтому результаты целесообразно получать не в 28-суточном возрасте, а через 90, 180 и 360 сут. твердения. Введение в цемент известковых отходов (содержание свободной СаО - 57%) в количестве 5-1% (массы смеси) значительно повышает морозостойкость материала [32]. После 25 циклов замораживания (при минус 20С) и оттаивания образцы смеси, содержащие 87% золошлаковой смеси гидроудаления Игумновской ТЭЦ (Кузнецкого угольного бассейна), 6% цемента и 7% известковых отходов, характеризовались в возрасте 90 сут.. пределом прочности при сжатии 70 кгс/см".
Применение золошлаковых смесей гидроудаления в укрепляемых цементом песчаных грунтах и гравийно-песчаных смесях позволяет снизить расход вяжущего на 30% [33].
Для повышения морозостойкости песчаных грунтов, укрепленных цементом с добавками золошлаковых смесей гидроудаления, целесообразно использовать добавки хлористого кальция или пластифицирующие добавки типа СДБ. Введение 1-3%) (массы золы) хлористого кальция позволяет активизировать структурообразование укрепленного грунта и получать материал, отвечающий требованиям I и II классов прочности. Кроме того, это дает возможность обрабатывать грунт при пониженных положительных и отрицательных (до минус 15С) температурах воздуха.
Математическая модель для описания взаимодействия слоя льда с резинобетонным дорожным покрытием под действием давления от колеса лесовозного автомобиля
Возможные направления использования резиновой крошки. - порошковая резина с размерами частиц от 0,2 до 0,45 мм используется в качестве добавки (5...20%) в резиновые смеси для изготовления новых автомобильных покрышек, массивных шин и других резинотехнических изделий. Применение резинового порошка с высокоразвитой удельной поверхностью частиц (2500-3500 см. кВ/г), получаемой при его механическом измельчении, повышает стойкость шин к изгибающим воздействиям и удару, увеличивая срок их эксплуатации; - порошковая резина с размерами частиц до 0,6 мм используется в качестве добавки (до 50...70%) при изготовлении резиновой обуви и других резинотехни 33 ческих изделий. При этом свойства таких резин (прочность, деформируемость) практически не отличаются от свойств обычной резины, изготовленной из сырых каучуков; - порошковую резину с размерами частиц до 1,0 мм можно применять для изготовления композиционных кровельных материалов (рулонной кровли и резинового шифера), подкладок под рельсы, резинобитумных мастик, вулканизованных и не вулканизованных рулонных гидроизоляционных материалов; - порошковая резина с размерами частиц от 0,5 до 1,0 мм применяется в качестве добавки для модификации нефтяного битума в асфальтобетонных смесях.
Следует привести некоторые результаты исследования её влияния на экс-плуатационные свойства асфальтобетона [84]. При исследовании изучалось влияние количество вводимой в асфальтобетонную смесь резиновой крошки по количеству и размерам частиц на трещиностойкость асфальтобетона и коэффициент сцепления колеса автомобиля с поверхностью проезжей части дороги.
Установлено [84], что применение резиновой крошки в асфальтобетоне в два раза повышает коэффициент сцепления на мокром покрытии. На сухом покрытии существенных изменений нет.
При использовании резиновой крошки от 0 до 1.0 мм трещиностойкость возрастает на 30 процентов. С уменьшением размера частиц трещиностойкость увеличивается. Особенно эффективно применение частиц крошки от 0.14 мм и меньше. Частицы меньше 0.08 за время перемешивания распадаются, составляющие модифицируют битум, улучшая его свойства.
При небольших размерах частиц крошка распределяется по массе асфальтобетонной смеси, более равномерно повышая упругую деформацию при отрицательных температурах.
Объем дроблёной резины в составе таких усовершенствованных покрытий должен составлять около 2% от массы минерального материала, т.е. 60... 70 тонн на 1 км дороэ/сного полотна. При этом срок эксплуатации дорожного полотна увеличивается в 1,5 - 2 раза. Такие порошки (размерами частиц от 0,5 до 1,0 мм) используются также в качестве сорбента для сбора сырой нефти и жидких нефтепродуктов с поверхности воды и почвы, для тампонирования нефтяных скважин, гидроизоляции зелёных пластов и т.д.
Резиновая крошка с размерами частиц от 2 до 10 мм используется при изготовлении массивных резиновых плит для комплектования трамвайных и железнодорожных переездов, отличающихся длительностью эксплуатации, хорошей атмосферостойкостью, пониженным уровнем шума и современным дизайном; спортивных площадок с удобным и безопасным покрытием; животноводческих помещений и т.д.
По материалам [85] августовского номера Better Roads Magazine за 2007 г. Эрик Морс. В городе Финикс, штат Аризона, асфальтобетон с добавлением резины используется в качестве одного из способов снижения постоянно увеличивающихся материальных затрат, что позволяет адаптироваться к сокращениям бюджета.
Недавно в Аризоне закончилась очередная перепись населения, периодичность которой обычно составляет 5 лет. По результатам переписи, в частности, определяется объем финансовых средств, выделяемые на строительство и ремонт дорог.
Доход штата Аризона от налога на бензин, взимаемого с пользователей автодорог, распределяется между городами пропорционально численности их населения.
«Так как город Финикс очень плотно застроен, население перемещается в предместья, и, таким образом, наш бюджет впервые стал сокращаться», - говорит Джеф Ван Скайк, технический наблюдатель отделения техобслуживания дорог, сектор отдела уличного транспорта города Финикса. Поскольку население предместий города Финикса выросло, то оно имеет право на увеличение доли поступлений из государственных фондов на строительство и ремонт дорог. На обычном асфальтобетонном покрытии в Финиксе трещины появляются уже спустя год после завершения работ по замене верхнего слоя покрытия. Применение асфальтобетона с резиновой добавкой позволяет увеличить время появления трещин в пять-шесть раз. В 2004 году городские власти обследовали улицы, которые в 1989 году первыми были заасфальтированы прорезиненным асфальтом, на предмет проверки их состояния.
«В конце концов, трещины увеличились настолько, что появилась необходимость в их заделке, - говорит Ван Скайк. - Это был единственный вид ремонта, который потребовался. Используя прорезиненный асфальт, вы навсегда избавитесь от сквозного сетчатого растрескивания дорожного покрытия. Я полагаю, единственное, что нужно будет предпринимать, - это каждые 15-20 лет ремонтировать появившиеся трещины».
Финикс и штат Аризона - инициаторы использования асфальтобетона с резиновой добавкой. Резина является модификатором асфальта причём её уникальность заключается в том, что асфальт модифицируется по двум параметрам. Подобно обычным модификаторам асфальта, резина становится частью связующего материала.
«Обычный дорожный асфальт содержит 5-6% связующего материала. Прорезиненный асфальт содержит 7-9% связующего материала, - утверждает Инглэнд. - Цель, которую мы преследуем, добавляя больше вяжущего материала в прорезиненный асфальт, - увеличить объем покрытия наполнителя. Мы это делаем, потому что прорезиненный асфальт имеет гораздо более высокую вязкость, чем обычный асфальт».
Прорезиненный асфальт становится настолько плотным, что на заводе требуется специальный насос для его откачки. Кроме того, при обработке добавляемая резиновая крошка выделяет определённые химические вещества, которые модифицируют асфальт.
Испытание резиноцементобетона
Вопросами определения свойств асфальтобетонов, позволяющих характеризовать поведение асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации, занимались многие советские и российские учёные: A.M. Богуславский, О.Т. Батраков, Л.Б. Гезенцвей [83] и др. По результатам их работ обоснованы расчётные значения модулей упругости и прочностей на растяжение при изгибе некоторых асфальтобетонов, используемые в настоящее время в нормативных документах по расчёту нежёстких дорожных одежд.
Работы по исследованию резинобетона были начаты в СибГТУ на кафедре ПТС несколько лет назад. Опыты, выполненные студентами Чебуниным А. 1-І., в 2002 году [97, 98], Кольман О. В., в 2003 году, Заболотской Е. А. [99-102], Золотухиной Ю. Щ104-106], в 2004 году, Дегтяренко К. А., Павликовой М. А., в 2005 году, и Бронниковой В. А., в 2007 году, были продолжены нами, с целью уточнения входных и выходных параметров, проверки характера представленных рисунков, проведения некоторых исследований на более современной аппаратуре, подтверждения или опровержения данных [87] - об увеличении коэффициента сцепления, между мокрым резиноасфальтом и протектором.
Предусматривалось проведение повторных исследований по улучшению физико-механических свойств резинобетона. Было намечено установить оптимальные расходы резиновой крошки и вяжущего и добиться при этом увеличения прочности резинобетона на изгиб и на сжатие, а таюке определить расход (в % от массы цемента) известного недефицитного пластификатора, в качестве которого был взят отход производства ЦБК.
Эксперименты по изготовлению образцов резинобетона были начаты с подбора состава активных и инертных составляющих (цемента, минеральной составляющей, песка, воды и добавки пластификатора).
Резиновая крошка была получена дроблением изношенных шин (без металлического корда) в лабораторной мельнице для размола различных твёрдых материалов (металла, древесины, резины и т.д.) проф. Нечаева А.И. (СибГТУ). Материалы полученные в результате размола на этой мельнице, отличаются повышенным качеством, так как имеют малые размеры фракций (от 0,06 до 3 мм).
Были проведены работы по установлению расхода резиновой крошки. Готовились образцы резинобетона с разным количеством резины (20 кг/мЗ; 40 кг/мЗ; 60 кг/м3; 120 кг/м3; 240 кг/м3). При закладке резиновой крошки в количестве 240 кг/м3 резинобетонная смесь не схватывалась после тромбования в металлических формах. При закладке резиновой крошки в количестве 120 кг/м образцы, плохо распалубливались и имели низкую прочность после распалубки в суточном возрасте. При закладке резиновой крошки в количестве 60 кг/м3 образцы имели достаточную прочность в трёх и семисуточном возрасте. Наконец, после поискового подбора за основу был взят расход резиновой крошки 60 кг/м3, так как была достигнута неплохая прочность (18-21 кГс/см3) в семисуточном возрасте. В качестве заполнителей в составе резинобетона выступают: вода; песок; цемент. Вода. Количество воды принято (190кг/м3 , 220 кг/м3, 250 кг/м3, 280 кг/м3). Кинетика изменения прочности при разных количествах воды и резиновой крошки представлена на рисунке 3.1.
Проф. И.Г. Малюгой [107] установлено, что для получения удобоуклады-ваемой бетонной смеси отношение воды к цементу (В/Ц) по массе обычно принимают от 0,4 до 0,7, тогда как для химического процесса требуется всего 15-20% воды, т.е. водоцементное отношение должно быть равно 0,15-0,20. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, разбавляет гель, образованный на поверхности цементных зёрен, делая кристаллическую решётку более рыхлой, а цементный камень менее прочным. Кроме того, свободная вода испаряется из бетона, образуя в нем поры и капиллярные ходы, а это ведёт к снижению плотности, прочности и морозостойкости резинобетона. Следовательно, необходимо стремиться к минимальному расходу воды, ис 87 пользуя пластифицирующие добавки. В экспериментах была применена пластифицирующая добавка - концентрат сульфитно-спиртовой бражки в жидком состоянии (концентрация 51%). По внешнему виду - это густая жидкость темно-коричневого цвета, отход при производстве гидролизного спирта или дрожжей, которая содержит в среднем 5% сухого вещества (ТУ 13-0281036-029-94). Она имеет в своём составе кальциевые соли лигносульфоновых кислот и древесные сахара.
Необходимо было установить расчетный расход этой добавки (в пределах от 1 до 0,15% от массы цемента), который бы увеличивал подвижность резино-бетонной смеси, позволил уменьшить количество воды затворения, что увеличивает прочность бетона, следовательно, сокращает расход цемента. Лигно-сульфонаты находятся в ССБ в виде коллоидного раствора высокой степени дисперсности, приближающейся к молекулярной. Введение этой добавки в цемент придаёт растворам и бетонам большую подвижность и удобоукладывае-мости. Большая подвижность смеси обусловлена образованием на частицах цемента коллоидных, адсорбционных плёнок гидрофильного характера. Эти плёнки способствуют более полному смачиванию частиц водой, ослабляют силы сцепления между ними.
Пластификатор вводился в резинобетонную смесь с водой затворения, которой он предварительно растворялся. Предварительное замачивание резины в пластификаторе существенных результатов по повышению прочности резинобетона на сжатие не дали.
Песок, применяемый в качестве мелкого инертного заполнителя для изготовления резинобетона ГОСТ 8736-67. Песок для строительных работ. Общие требования. Для опытов был взят природный песок крупности от 0,5 до 2 мм. Расход песка был взят из литературных источников, в количестве - 950 кг/м3.
Цемент, взятый для проведения опытов в качестве вяжущего материала (активная составляющая) - портландцемент марки М400 Красноярского цементного завода. Основные паспортные данные: точность помола (прошло через сито 0,08) - 88,2%; В/Ц=0,4; сроки схватывания (начало - 2,2 час, конец от 8 до 10 час); прочность на сжатие 41,9 МПа; добавка гранулированного доменного шлака - 17%; содержание основных материалов (трехкальциевый силикат C3S-59%, трехкальциевый алюминий - 7,4%).
Расход вяжущего (400 кг/м3 из литературного обзора) в процессе проведения экспериментов был сокращён на 25%, 50% и 75%.
На основании принятого состава резинобетона (цемента 400 кг/м3, песка 950 кг/м3, резиновой крошки: 20 кг/мЗ; 40 кг/мЗ; 60 кг/м3; 120 кг/м3; 240 кг/м3) и были изготовлены контрольные образцы с различным расходом воды.
Лабораторные исследования разрушения ледяной корки колёсами транспортных средств
Резинобетон хорошо изучен и широко применяется за рубежом - в США, Австрии, Германии и других странах. Например - в вибропоглащающих плитах; при устройстве кровель; для защиты фундаментов; при сооружении природоохранных объектов; строительстве подземных сооружений; для гидроизоляции мостов; для строительства новых дорожных одежд; ремонта изношенных асфальтобетонных покрытий. Известны редкие попытки по применению резинобетона, при гололеде в дорожных одеждах лесовозных автомобильных дорог.
В 2010 году общий вес изношенных, но не переработанных шин в России достиг 2,0 млн. тонн. В Красноярске ежегодно образуется более 50 тыс. тонн. Объем их переработки методом измельчения не превышает 10%.
Объем дроблёной резины в составе покрытий должен составлять от 2 % до 24 % от массы минерального материала, т.е. 20...240 тонн на 1 км дорожного полотна, что позволит сократить объемы неутилизированных шин.
Разработана конструкция резинобетона, рекомендуемая для лесных дорог, представляющая собой дорожную одежду с вкрапленной в нее резиновой крошкой, в количестве: 20;40;60;120;240 кг/м3 и размерами: 2 мм; от 2 до 1,25 мм; от 1,25 до 0,63 мм и 0,63 мм, отличающаяся упруговязкопластичными свойствами, что обеспечивает: достаточную прочность резинобетона - на сжатие (от 4 до 25 МПа); уменьшенное воздействие динамических нагрузок при проездах груженого лесовозного транспорта; увеличенный коэффициент сцепления между резинобетоном и протектором лесовоза; способность протектора самостоятельно, без дополнительных приспособлений типа - солевые смеси, отвал бульдозера и т.п., разрушать гололёдную корочку толщиной 1-Змм, решая проблему гололёда на дорожных покрытиях любого типа.
Исследования прочности испытуемых образцов показали: - за расчетный состав резиновой крошки в резинобетоне рекомендуется принять 20-60кг/м3, при температуре воздуха - 15С; - допустимое количество грунтовых добавок в резинобетоне не более 25%, при расходе крошки 24%, и температуре воздуха- 15С; - допустимое количество пластифицирующих добавок (ССБ) в резинобетоне не более 25%, при расходе резиновой крошки 24%, и температуре воздуха -15С. - за расчетный состав воды был принят расход 218 кг/м3 - при расходе резиновой крошки 240 кг/м3, и, воды 188 кг/м3 - при расходе резиновой крошки 120 кг/м3. - наличие практически любой добавки (резиновой крошки - в частности) ведёт к уменьшению прочности образцов, но это уменьшение не приведёт к разрушению образцов под колесной нагрузкой, потому, что давление колеса на поверхность дороги достигает всего 0,2-0,3 МПа - для легковых автомобилей и 0,4-0,6 МПа - для грузовых (лесовозов - в частности), а образцы всех партий, независимо от добавок, способны выдержать давление от 1,94 до 20,5 МПа.
Часть образцов имеющих состав: цемента (300 кг/м3), резиновой крошки (120кг/м3), при постоянном расходе песка, с пластификатором ССБ (0,15%) от массы цемента), В/Ц=0,45, были подвержены испытанию на морозостойкость 300 циклами замораживания - оттаивания. Образцы не имели сколов, выбоин, трещин, потерю в массе. Прочность при сжатии увеличилась по сравнению с контрольными образцами, и составила 9,5МПа, (контрольные образцы имели о"сж-=7,0МПа, аи31-=7,2 Мпа).
Определены коэффициенты сцепления колеса с покрытием на асфальтовом сухом покрытии - фс.а=0.57, на асфальтовом влажном покрытии -фв.а.=0-48, на резинобетонном сухом покрытии - (рср=0.57, на резинобетонном влажном покрытии - фп.р=0.67. Полученные результаты подтверждают результаты американских исследователей, о том, что коэффициент сцепления между влажным резинобетонным покрытием и протектором автомобиля увеличивается, что ведет к улучшению условий безопасности движения, уменьшению аварийности.
Предложена технологическая схема работ при создании антигололёд 138 ной поверхности по способу втапливания резиновой крошки дорожностроительными машинами, имеющимися практически в любом лесозаготовительном предприятии. Рассмотрены варианты по способу приготовления рези-нобетона и его укладки, и возможность втапливания резиновой крошки непосредственно во время строительства для улучшения антигололёдных условий.
Для проверки вопроса о возможности разрушения ледяной корочки на поверхности резинобетонного покрытия - протекторами лесовозных транспортных средств, была сконструирована и создана лабораторная установка. Данные полученные на установке подтвердили факт разрушения гололёдной корочки на резинобетонном покрытии.
Предложенная структурная математическая модель взаимодействия элементов дорожной одежды между собой и с внешними факторами, позволяет оценить прочность материала дорожной одежды в целом, а также отдельно ре зины и льда. Установлено, что наиболее напряженными являются элементы льда, контактирующие с элементами резины в резинобетоне - при значениях давлений, от легковых и грузовых лесовозных автомобилей. При этих условиях элементы льда разрушаются. Сделан вывод, что наличие резиновой крошки вы зывает концентрацию напряжений в слое льда на дорожном покрытии при наезде колес проходящего транспорта, что приводит к его разрушению.
Похожие диссертации на Повышение транспортно-эксплуатационного уровня дорожных покрытий лесовозных дорог с применением резиновой крошки
-
