Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и перспективы применения технологии укатываемого бетона 8
1.1. Предпосылки активного развития технологии укатываемого бетона 8
1.2. Деформации и разрушения дорожных одежд и причины их образования 12
1.3. Применение технологии укатываемого бетона 14
1.3.1. Применение технологии укатываемого бетона за рубежом 14
1.3.2. Применение технологии укатываемого бетона в России 18
1.4. Разновидности укатываемого бетона 22
1.4.1. Укатываемый бетон с использованием зол уноса 22
1.4.2. Укатываемый бетон на основе местного карбонатного сырья 23
1.4.3. Укатываемый бетон с добавлением шлаков 24
1.5. Материалы для приготовления укатываемых бетонных смесей 25
1.5.1. Крупный и мелкий заполнитель 25
1.5.2. Вяжущее 28
1.5.3. Химические добавки 30
1.6. Технология строительства слоев дорожной одежды из укатываемого бетона 32
1.6.1. Приготовление укатываемых бетонных смесей 32
1.6.2. Транспортирование укатываемых бетонных смесей 33
1.6.3. Укладка и уплотнение, уход 34
1.6.4. Устройство деформационных швов 42
1.7. Проблемы, возникающие при строительстве и эксплуатации слоев дорожной одежды из укатываемого бетона 44
1.8. Технология композитных бетонов 45
Выводы по главе 1 49
Цели и задачи исследования 50
Глава 2. Формирование структуры укатываемого бетона с добавлением дробленого асфальтобетона 51
2.1. Особенности структуры укатываемого бетона с дробленым асфальтобетоном 51
2.2. Применение теории перколяции для обоснования оптимального количества дробленого асфальтобетона в укатываемой бетонной смеси 56
2.3. Физико-химическое взаимодействие дробленого асфальтобетона и продуктов гидратации цемента 64
2.3.1. Твердение цемента и сопровождающие его физико-химические процессы 64
2.3.2. Теоретические основы химических процессов, протекающих в системе "цементное тесто - дробленый асфальтобетон" 66
2.3.3. Старение асфальтобетона 68
2.3.4. Роль активации поверхности зерен дробленого асфальтобетона при взаимодействии с цементным тестом 71
2.3.5. Химическое взаимодействие продуктов гидратации цемента и компонентов дробленого асфальтобетона 74
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Методика проведения лабораторных исследований 80
3.1. Применяемые материалы 80
3.2. Приготовление и хранение образцов 81
3.3. Методика исследования крупномасштабных моделей 83
3.4. Методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей бетонных покрытий и оснований 85
3.5. Методика определения фактического модуля упругости 87
Выводы по главе 3 88
Глава 4. Лабораторные исследования укатываемого бетона с добавлением дробленого асфальтобетона 89
4.1. Исследование свойств дробленого асфальтобетона 89
4.2. Исследование оптимальной влажности смесей 90
4.3. Определение прочностных показателей укатываемых бетонов классов В7,5 и В25 94
4.3.1. Исследования укатываемого бетона В7,5 94
4.3.2. Исследования укатываемого бетона В25 98
4.4. Испытания, моделирующие основные технологические процессы 103
4.4.1. Исследование влияния процесса перемешивания на прочность получаемого бетона 103
4.4.2. Результаты исследования влажности смеси при ее транспортировании 105
4.4.3. Исследование процесса уплотнения 107
4.4.4. Исследование деформативности укатываемого бетона 113
4.5. Исследование крупномасштабных моделей 117
4.5.1. Результаты испытаний крупномасштабных моделей 117
4.5.2. Определение фактического модуля упругости 121
4.5.3. Определение прочности бетона крупномасштабных моделей с помощью склерометра и отбора кернов 123
Выводы по главе 4 125
Глава 5. Экспериментальное строительство участка основания из укатываемого бетона с добавлением дробленого асфальтобетона. Экономическая эффективность результатов работы 129
5.1. Методика проведения испытаний 129
5.2. Технология устройства опытного участка на автомобильной дороге "Волга-1" 129
5.2.1. Расчет прочности дорожной одежды при использовании в качестве материала основания укатываемого бетона В7,5 с дробленым асфальтобетоном 129
5.2.2. Приготовление укатываемой бетонной смеси на заводе 133
5.2.3. Технология производства работ по устройству основания 135
5.2.4. Результаты испытаний образцов-кубов 135
5.2.5. Результаты испытаний кернов, отобранных на а/д "Волга-1" 136
5.3. Экономическая эффективность работы 136
Выводы по главе 5. 140
Общие выводы 142
Литература 144
- Применение технологии укатываемого бетона за рубежом
- Теоретические основы химических процессов, протекающих в системе "цементное тесто - дробленый асфальтобетон"
- Методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей бетонных покрытий и оснований
- Определение прочности бетона крупномасштабных моделей с помощью склерометра и отбора кернов
Введение к работе
Из всех задач, поставленных перед дорожным строительством, наиболее важными являются обеспечение требуемой надежности и долговечности как дороги в целом, так и ее отдельных конструктивных элементов - земляного полотна, дорожной одежды, искусственных сооружений и т.д. В связи с этим в последнее время используются новые технологии, позволяющие достичь высокого качества при производстве работ, переработать вторичные материалы, также применяются новые дорожно-строительные материалы с улучшенными прочностными и деформативными характеристиками, что ведет к увеличению межремонтных сроков службы дорожной одежды и к сокращению затрат при ремонте и содержании дороги.
Тем не менее, остается ряд проблем, связанный с недоступностью в отдельных регионах страны тех или иных дорожно-строительных материалов, недостатком дорогостоящего технологического оборудования и дорожной техники, сложностью отдельных технологических процессов, которые ведут к сужению круга применяемых технологий.
Например, строительство оснований дорожных одежд из укатываемых бетонов не является новой технологией - метод известен с 80-х годов прошлого века. Однако и по сей день не решены многие проблемы, ограничивающие применение этой технологии.
Строительство оснований из укатываемого бетона позволяет относительно быстро создать качественное и прочное основание под дорожную одежду, способное служить до 25-30 лет [36,38]. Машины и механизмы для реализации этой задачи необходимы самые распространенные - автогрейдеры, асфальтоукладчики, звено катков. Однако в процессе устройства слоев дорожной одежды имеются проблемы, сдерживающие широкое распространение этой технологии. Следовательно, до сих пор не создано эффективной технологической схемы по устройству слоев дорожных одежд из укатываемого бетона и технология не изучена в целом.
В связи с этим актуальным является решение задачи комплексного изучения технологии строительства слоев дорожной одежды из укатываемого бетона с добавлением дробленого асфальтобетона как модификатора, позволяющего стабилизировать технологические качества укатываемой бетонной смеси и прочностные показатели получаемого бетона.
Цель работы - обоснование технологии устройства слоев оснований дорожной одежды из укатываемого бетона, модифицированного дробленым асфальтобетоном, выявление изменения структуры и свойств материала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- найдено оптимальное количество дробленого асфальтобетона в укатываемом бетоне с использованием теории перколяции и вероятностно-геометрического анализа;
- предложен физико-химический механизм, объясняющий взаимодействие цементного теста и дробленого асфальтобетона при формировании композитного материала;
- исследованы особенности формирования структуры укатываемого бетона с дробленым асфальтобетоном;
- предложена технология введения дробленого асфальтобетона в укатываемую бетонную смесь;
- установлены и смоделированы режимы технологии укатываемого бетона.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- особенности формирования структуры укатываемого бетона с дробленым асфальтобетоном;
- технология введения дробленого асфальтобетона в укатываемую бетонную смесь;
- теоретическое обоснование оптимального количества дробленого асфальтобетона в укатываемом бетоне;
- физико-химический механизм, объясняющий взаимодействие цементного теста и дробленого асфальтобетона при формировании композитного материала;
- исследования режимов технологии укатываемого бетона.
Практическая значимость работы:
Разработаны составы укатываемого бетона различных марок с добавлением дробленого асфальтобетона.
Разработан технологический регламент на устройство оснований дорожной одежды из укатываемого бетона с добавлением дробленого асфальтобетона, начиная с момента приготовления укатываемой бетонной смеси и заканчивая операциями по уходу за уложенным слоем.
Разработан проект технических условий на смеси бетонные укатываемые с добавлением дробленого асфальтобетона.
Установлен фактический модуль упругости различных видов укатываемых бетонов, который может быть использован при проектировании жестких дорожных одежд, а также при проектировании асфальтобетонных покрытий на основании из укатываемых бетонов.
Расширена область применения старого асфальтобетона.
Реализация работы осуществлена на предприятиях АБЗ-4 "Капотня" и ОАО "Асдор". Построен опытный участок основания из укатываемого бетона с добавлением дробленого асфальтобетона на 16 км автомобильной дороги Москва-Нижний Новгород в 2003 г.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научно-исследовательских конференциях МАДИ-ГТУ в 2003, 2004, 2005 и 2006 годах, на Международной научно-технической конференции в Вологодском государственном университете (Вологда, 2003 г.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 48 таблиц и 32 рисунка. Список литературы включает 104 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Применение технологии укатываемого бетона за рубежом
В промышленно развитых странах (США, Канаде, Австралии, Великобритании, Германии, Швеции, Франции, Норвегии, Испании и многих других) расширяется строительство покрытий автомобильных дорог из жестких цементобетон-ных смесей, уплотняемых укаткой [39].
В странах Европы и Северной Америки укатываемый бетон в дорожном строительстве используют при устройстве слоев покрытий дорог, предназначен ных для движения тяжелых транспортных средств (большегрузных военных автомобилей, машин лесотехнической промышленности); контейнерных терминалов, автомобильных стоянок; подъездных, сельских, лесных дорог с высокими транспортными нагрузками; второстепенных дорог и улиц, местных дорог и автомагистралей, автомобильных подъездов к аэропортам, взлетно-посадочных полос аэродромов; в качестве слоя усиления при реконструкции старых дорожных покрытий.
Укатываемый бетон в дорожном строительстве является бетоном с очень низким содержанием воды, во многих случаях к основному вяжущему - цементу - добавляется также зола уноса. Такой бетон должен иметь жесткую консистенцию, чтобы его можно было укладывать укладчиками и уплотнять до требуемой плотности катками. В ФРГ такая консистенция классифицируется от землисто-влажной до жесткой, в США - как "non-slump". Материал перемешивается в стационарных установках, укладывается и предварительно уплотняется дорожными укладчиками, имеющими большой вес. Окончательное уплотнение достигается с помощью вибро-, пневмо- или комбинированных катков.
Существующий опыт устройства дорог из укатываемого бетона показал, что такой бетон необходимо применять при устройстве дорог, по которым движутся транспортные средства с большой осевой нагрузкой; покрытий для контейнерных площадок и оборудования в портах; площадок для стоянок заправочных и армейских машин, военных и транспортных самолетов. За последние 20 лет за рубежом на автомобильных дорогах увеличилось количество большегрузных автомобилей и интенсивность движения, вследствие чего возросли требования к покрытию дорожной одежды с точки зрения надежности и долговечности. Асфальтобетонные покрытия не всегда удовлетворяют этим требованиям, кроме того, их часто приходится ремонтировать. Одним из вариантов решения этой проблемы является строительство цементобетонных покрытий, обладающих рядом преимуществ по сравнению с асфальтобетонными, основными из которых являются большая долговечность и стойкость к длительному нагружению. К недостаткам технологии монолитных цементобетонных покрытий с укладкой бетонных смесей в скользящей опалубке относятся более длительный срок набора прочности бетоном при твердении; высокая стоимость покрытия по сравнению с асфальтобетоном; низкая ремонтопригодность.
Укатываемый бетон используется за рубежом достаточно широко. Географически наиболее часто укатываемый бетон применяется в Европе (Германия, Франция, Англия, Бельгия, Испания, Швеция, Финляндия и др.) [3,33,35,36,38,39, 51,76,89,90-100,102-104], в Северной Америке (США, Канада) [3,33,35,36,38,39, 62,92,95,100], в Японии [3,35,36,38,39,51,104]. Как материал для строительства оснований укатываемый бетон используют в России [2,3,6,25,26,31,33,43,45,50, 51,53-56,65,66,72,76,77,85,86], Белоруссии [36,51,58,88], Казахстане [1,9].
Смеси укатываемого бетона, предназначенные для строительства покрытий, по сравнению с обычными цементобетонными смесями содержат меньше цемента (снижение расхода на 50-115 кг/м3). "Тощий" бетон за 28 суток достигает прочности при сжатии 28-35 МПа.
Укатываемый бетон в Канаде является следствием развития методов строительства оснований магистралей, городских улиц из грунта и щебня, обработанных цементом. Как отмечают канадские специалисты, сопротивление износу является прекрасным. При опытном строительстве особое внимание обращалось на выбор рациональной толщины дорожного покрытия [62].
В 1987 г. в ФРГ построен первый опытный участок дороги с покрытием толщиной 20 см из укатываемого бетона. Бетонную смесь укладывали с помощью асфальтоукладчика Super S1700 Vogele. Вибробрус асфальтоукладчика обеспечивал степень уплотнения 0,94-0,96 по Проктору. Далее уплотняли виброкатком массой 9 т. После 2-х проходов без вибрации и 2-х проходов с вибрацией степень уплотнения достигает 0,985 [36].
По мнению немецких специалистов, одно из главных достоинств укатываемого бетона как материала - это способность сразу после уплотнения эксплуатировать дорожную одежду, пропуская по дороге транспорт. Эта способность обусловлена консистенцией смеси (жесткостью смеси), пониженным содержанием воды [91,94].
Указывается также, что на слой укатываемого бетона предпочтительно наносить слой асфальтобетона толщиной 4-5 см. Асфальтобетон защищает слой укатываемого бетона при твердении от повышенного износа при движении транспорта, сдвиговых деформаций при торможении тяжелых грузовых автомобилей; в процессе эксплуатации от воздействия природно-климатических факторов, от противогололедных солей, вызывающих коррозию цементного камня. В публикации [92] сравниваются различные типы покрытий, при этом проведена классификация восприятия различных воздействий. Из приведенной таблицы видно, что укатываемый бетон наиболее хорошо воспринимает статические, сдвиговые и ударные нагрузки, обладает высокой износостойкостью, сцеплением с другими слоями дорожной одежды, химически стоек. Подходит он и при воздействии длительного циклического нагружения, однако этот показатель у него несколько ниже, чем у асфальтобетонных слоев. Указывается, что покрытия из укатываемого бетона имеют низкую ровность. В таблице отсутствуют данные о трещиностойкости укатываемого бетона в сравнении с монолитным бетоном, нет данных о работе укатываемого бетона в случае применения противогололедных реагентов. В Скандинавии наибольшее распространение получило строительство слоев дорожных одежд из укатываемого бетона в Швеции и в Финляндии. Уже в 1984 г. в Швеции построено 10 тыс. м2 покрытий; в 1986 г. - 100 тыс. м2 [36,90]. Главными требованиями, предъявляемыми к укатываемому бетону как дорожностроительному материалу, являются высокая морозостойкость и износостойкость. В Испании укатываемый бетон используют в качестве покрытия при строительстве автомобильных дорог для тяжелого и среднего движения с перекрытием защитными слоями износа или слоями из асфальтобетона для улучшения ровности. Большое внимание уделяется исследованиям длины плит из укатываемого бетона при условии перекрытия его слоями из асфальтобетона и мерам, препятствующим появлению отраженных трещин в нем [3]. Во Франции укатываемый бетон широко применяется для устройства покрытий. Наиболее распространены два варианта устройства дорожной одежды: 1) когда укатываемый бетон используется для строительства поверхностных слоев; 2) на дорогах с высокой интенсивностью движения, где предъявляются высокие требования к поверхности покрытия, с перекрытием поверху тонкими асфальтобетонными слоями [36,96].
Теоретические основы химических процессов, протекающих в системе "цементное тесто - дробленый асфальтобетон"
Смесь приготавливали в лопастном смесителе непрерывного действия, транспортировали в автомобилях-самосвалах и распределяли асфальтоукладчиком слоем толщиной 24-27 см с утолщением к краям.
Дорожное покрытие укладывали двумя полосами шириной по 3,5 м. При этом устраивали "холодные" и "свежие" швы. Смесь уплотняли виброкатком с гладкими вальцами за четыре прохода, катком на резиновых шинах с целью улучшения текстуры поверхности покрытия - за два прохода по одному следу.
Деформационные швы в течение первых 24 ч было трудно нарезать из-за выкрашивания кромок. Их нарезали через четыре дня. Через три недели после строительства из покрытия были выпилены контрольные образцы.
Образование поперечных усадочных трещин не происходило при нарезке швов спустя четыре дня, при больших перерывах наблюдалось произвольное трещинообразование с интервалами 12-30 м.
Критерием уплотнения бетона служит достижение требуемой прочности при минимальном числе прохода дорожных катков. Американские дорожные специалисты рекомендуют следующую схему уплотнения двух смежных полос покрытия шириной 4,5-5,5- м. Первый этап заключается в уплотнении распределенной бетонной смеси статическими проходами виброкатка (без вибрации). Второй этап - уплотнение катком с включенными вибраторами. Необходимо сделать не менее двух проходов по внешнему краю (к обочине дороги) первой уложенной полосы таким образом, чтобы валец катка выступал (нависал), над кромкой бетона на 2,5-5 см, что ограничивает в дальнейшем его перемещение в сторону обочины. Третий этап заключается в перемещении катка к внутреннему краю и укатка полосы покрытия в 30/35 см от края (не менее двух проходов). Четвертый этап - уплотнение средней части полосы покрытия катком (не менее двух проходов катка по одному следу). Эту схему уплотнения повторяют таким образом, чтобы по каждому следу каток прошел не менее четырех раз. Пятый этап - распределяют бетонную смесь по смежной (примыкающей) полосе и производят уплотнение, аналогичное третьему этапу. Шестой этап - оставшиеся неуплотненные на первой полосе 30-45 см уплотняют вместе со второй полосой. Седьмой этап аналогичен четвертому. Однако этот этап может соответствовать второму этапу, если по проекту укладывают только две полосы. Схема уплотнения повторяется на второй полосе таким образом, чтобы по одному следу каток прошел не менее четырех раз. При такой схеме уплотнения между двумя смежными полосам образуется так называемый "свежий" шов (уплотнение смежной полосы произведено не более, чем через 90 мин).
Если смежная полоса дорожного покрытия будет уложена позднее, чем через 90 мин, то образуется так называемый продольный "холодный" шов (бетон затвердел). Перед распределением бетонной смеси на смежной полосе вертикальная поверхность края затвердевшего бетона тщательно очищается и смачивается водой (этап 3).
При распределении бетонной смеси на второй полосе в примыкающей зоне свежий бетон перекрывает уложенную полосу затвердевшего бетона на ширину 7,5-8 см (этап 2). На этой полосе (7,5-8 см) смесь вручную перемещают в сторону свежеуложенного бетона, образуя валик (этап 4) и затем катком (с выключенным вибратором) уплотняют шов, захватывая полосу свежеуложенного бетона шириной 30 см не менее двух проходов (этап 5).
Если требуемая плотность покрытия не достигнута, уплотнение повторяют по приведенной схеме. В течение процесса уплотнения каток с включенными вибраторами нельзя останавливать. Вибраторы можно останавливать за 1-1,5 м до полного торможения катка, в противном случае образуются просадки на покрытии. Машинист должен регулировать скорость движения катка (в пределах 3-3,2 км/ч), амплитуду и частоту колебаний вальца. Включение, выключение вибрации, реверс следует проводить вне уплотняемого слоя.
После двух проходов катка на пневмошинах рекомендуется сразу же производить уплотнение виброкатком, следом за которым можно использовать легкий двухвальцовый каток.
В США используют двухвальцовый виброкаток массой 10 т, пневмокаток массой 20 т с давлением в шинах 0,55-0,63 МПа, двухвальцовый статический каток. В случае применения такой технологии уплотнения свежеуложенной укатываемой бетонной смеси (при распределении смеси асфальтоукладчиком) обеспечивается плотность бетона 96,5 %.
В других странах для укладки укатываемых жестких бетонных смесей применяют главным образом асфальтоукладчики (Канада, Словения, Испания), а также автогрейдеры, бульдозеры, щебнераспределители (Испания, Колумбия, Россия, Канада) [3,68]. Возможно использование бетоноукладчиков со скользящими формами, в отечественных нормативных документах отражена такая возможность [6,25-28]. При производстве работ асфальтоукладчиками необходимо выбирать асфальтоукладчик, который оснащен мощными уплотняющими органами (вибробрусьями, трамбующими рейками, виброплитой), что обеспечивает высокую степень первоначального уплотнения. Так, специалисты Ленинградского филиала СоюздорНИИ считают, что после первичного уплотнения асфальтоукладчиком необходимо 28-31 проходов виброкатка [45], в большинстве других источников указывается разное количество проходов катка по одному следу, от 4-8 до 22-30 [6,25,26,28,68].
В Словении были построены с применением асфальтоукладчиков покрытия не только из укатываемого бетона, а также из монолитного пластичного бетона без дополнительного уплотнения катками [3].
При производстве работ автогрейдерами (их применение целесообразно при устройстве оснований) автогрейдер должен быть оборудован автоматической системой задания проектных отметок. Под автогрейдер смесь разгружают небольшими кучами, автогрейдер подходит к кучам срезает верхи и заполняет впадины. За первые проходы осуществляется предварительное распределение жесткой бетонной смеси, в дальнейшем планировка поверхности слоя. При этом мастер (бригадир) контролирует уклон и ровность слоя и показывает машинисту, в каких местах необходима корректировка толщины слоя.
Наиболее часто автогрейдер распределяет и профилирует смесь при движении в прямом направлении, а затем возвращается к началу участка холостым ходом. Однако может применяться способ производства работ, когда автогрейдер разравнивает смесь при движении в прямом и обратном направлениях. Количество проходов автогрейдера для распределения смеси - 3-5, рабочая скорость обычно составляет 2-7 км/ч. Дефекты поверхности слоя (впадины, каверны, разрывы) устраняет по ходу работ бригада дорожных рабочих подсыпкой смеси, как правило, вручную.
Иногда возможно применение для предварительного распределения смеси одноковшовых погрузчиков и экскаваторов. Использование этих машин целесообразно в стесненных городских условиях, когда площадь укладки жесткой бетонной смеси не превышает 1000 м2 [26]. Используют для укладки жестких бетонных смесей профилировщики и бетоноукладчики со скользящими формами (Испания, Россия) [3,26,75]. Так как современные бетоноукладчики оснащены электронными автоматическими системами обеспечения проектных геометрических параметров слоя, возникает необходимость в установке копирных струн.
Методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей бетонных покрытий и оснований
Увеличение количества дробленого асфальтобетона в смеси способствует снижению прочности на сжатие и жесткости материала в целом. Увеличению морозостойкости способствует также гидрофобный характер поверхности зерен дробленого асфальтобетона.
Материалы на основе органических и неорганических вяжущих разнородны, однако в случае добавления дробленого асфальтобетона в укатываемый цементобетон просматривается улучшение свойств. Рассмотрим подробнее сцепление частиц асфальтобетона и цементного камня. Внутри частицы дробленого асфальтобетона имеется ранее сформировавшаяся коагуляционная моноструктура, характерная тем, что частицы дисперсной фазы образуют беспорядочную пространственную сетку. Возникновение отдельных коагуляционных связей (контактов сцепления) осуществляется через тонкую прослойку жидкой фазы -дисперсионной среды [8,29]. Это определяет особенности и свойства пространственных структур такого типа. Использование в качестве вяжущего цемента формирует в материале кристаллизационную пространственную моноструктуру. Однако на поверхности раздела частиц асфальтобетон - цементный камень имеется сцепление обусловленное двумя факторами: 1) механическое сцепление. Возникает за счет сцепления микрочастиц цементного камня и шероховатой поверхности частиц дробленого асфальтобетона. Необходимо отметить, что после холодного дробления асфальтобетонного лома в дробильных установках на поверхности получаемых зерен нет гладкой сплошной битумной пленки, поверхность имеет отдельные неровности, достаточные для образования механического зацепления частиц друг за друга (см. рис. 2.1). 2) химическое сцепление. При гидратации цемента выделяется гидрат окиси кальция (свободная известь), который является весьма активным реагентом, способствующим повышению адгезии битумных пленок на поверхности частиц дробленого асфальтобетона с поверхностью цементного камня за счет образования так называемых хемосорбционных соединений. Этот процесс, по всей видимости, аналогичен взаимодействию пленок битума с поверхностью карбонатных каменных материалов, и протекает тем интенсивнее, чем выше температура цементобетонной смеси. В результате комплексного воздействия двух вяжущих с разными свойствами в композитном материале формируется совмещен- ная бинарная структура, и он приобретает повышенную морозостойкость и де-формативность, чем обычный цементобетон. Однако если ло отдельности рассматривать каждый вид сцепления, то оказывается, что первый тип сцепления имеет пониженную по сравнению с объемом цементного камня прочность. То же самое применительно и ко второму типу сцепления - прочность контакта ниже, чем объемная прочность цементного камня, поскольку пленка битума не имеет сплошности, и битум в результате старения частично утратил свои свойства. В сумме оба этих вида сцепления дополняют друг друга, и, имея невысокую прочность по отдельности, совместно возникает высокая контактная прочность, сравнимая с прочностью цементного камня. Схематично полученный композитный материал и расположение различных вяжущих представлен на рис. 2.2. Для изучения комплексной структуры бетона с дробленым асфальтобетоном и определения оптимального количества этой добавки в работе использована теория перколяции, разработанная Броудбентом С, Хаммерсли Д., Фитцпатри-ком Д., Мальтом Р., Палашти И., Шером X., Цалленом Р. и др [59,60,84,101]. Применительно к дорожному строительству теорию перколяции использовали Радовский Б.С., Леонович И.И., Веренько А.В. [8,59,60]. Теория перколяции рассматривает структуру неоднородных материалов с сильным различием свойств компонентов. Одним из основных методов математического описания параметров структуры дисперсных систем служит вероятностно-геометрический анализ. Так как в теории вероятностей рассматриваются случайные переменные, то в теории геометрических вероятностей случайные элементы представляют собой геометрические объекты (линии, отрезки, двухмерные и трехмерные тела) [59]. Развитие теории перколяции началось с рассмотрения задачи о просачивании газа либо жидкости по случайному лабиринту пор, некоторые из которых были проницаемыми. Определялась минимальная доля проницаемых пор, при которых в лабиринте появлялся проводящий путь. Решение этой задачи сводится к вероятностно-геометрическому анализу решеток, состоящих из узлов и связей-отрезков [84]. В зависимости от того, какие элементы рассматриваются - связи или узлы, различают задачу связей и задачу узлов. При решении задачи связей рассматривают правильную плоскую или пространственную решетку. Все узлы решетки считаются проницаемыми, а связи могут быть как проницаемые, так и непроницаемые - например, для электрического тока, газа, жидкости и т.д. Вероятность того, что случайно выбранная связь окажется проницаемой, равна отношению числа проницаемых связей к числу всех связей, или доля проницаемых связей q. Соседние проницаемые связи образуют цепочку (путь для движения жидкости, газа, электропроводный участок), которые в теории перколяции называются кластерами. Если доля проницаемых связей мала, значительно меньше единицы и стремится к нулю, то образующие: ся кластеры коротки и не приведут к образованию проводящего пути. Если же все связи проницаемы и q=1, то вся решетка - проницаемая система. Вопрос состоит в том, чтобы найти минимальную критическую долю проницаемых связей qmin, при которой может образоваться непрерывный путь из проницаемых связей, проходящий через всю решетку. Величина qmin называется порогом перколяции по связям. Значение порога перколяции по связям зависит от типа решетки и ее параметров, в [59] приведены значения qmin и других параметров решетки, сведенные в таблицу 2.2. Из параметров решетки можно выделить следующие: 1. Размерность решетки D - отображает тип решетки. Для плоской (двухмерной) решетки D = 2, для трехмерной пространственной решетки D = 3. 2. Плотность упаковки С - доля связей в единице площади для двухмерной решетки или в единице объема для трехмерной решетки. Величина плотности упаковки С для случайной беспорядочной упаковки шаров в пространстве рассчитана теоретически и составляет 0,628 [60]. Экспериментально найденные значения С колеблются в интервале от 0,60 до 0,64. 3. Число ближайших соседних узлов N - координационное число. Значение координационного числа N - зависит от плотности упаковки С и определяется с помощью формулы Карнаухова А.П. и X. Румпфа:
Определение прочности бетона крупномасштабных моделей с помощью склерометра и отбора кернов
Затворение цемента водой и последующее твердение цемента с образованием прочного конгломерата - комплекс сложных химических и физических явлений. Несомненно, результатом этих процессов является конечная структура бетона, и, как следствие, получаемая прочность, морозостойкость, деформатив-ность и другие свойства.
С другой стороны, продукты гидратации цемента участвуют во взаимодействии с дробленым асфальтобетоном. Поэтому процесс гидратации цемента интересен с позиции образования веществ, способных реагировать с асфальтовым вяжущим.
При затворении цемента водой образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние. Вначале смешивается поверхность флокул - агрегатов из зерен цемента и постепенно увеличивается смачивающая поверхность за счет диспергирования и пептиза-ции, связанных с разрушением флокул и образованием новых поверхностей по дефектным местам структуры полиминеральных зерен [83]. Начинается постепенное выделение тепла - экзотермический процесс. Реакция взаимодействия трехкальциевого силиката (алита - C3S) протекает с образованием гидросиликата кальция и гидрооксида кальция: Поскольку жидкая фаза твердеющей системы быстро и полностью насыщается оксидом кальция, установлено, что вначале образуется гидросиликат кальция C2SH2, который по мере выделения извести в твердую фазу переходит в CSH (В). Двухкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат только гидратируют-ся, образуя соответственно гидросиликаты и гидроалюминаты кальция: Получаемый трехкальциевый гидроалюминат является наиболее устойчивым соединением из всех гидроалюминатов кальция. Трехкальциевый алюминат при взаимодействии с водой в присутствии дву-водного гипса, гидратируясь при обычных температурах, образует комплексные соединения, трисульфогидроалюминат кальция (эттрингит): Эттрингит предотвращает дальнейшую быструю гидратацию трехкальцие-вого алюмината С3А за счет образования защитного слоя и замедляет (до 3-5 ч) первую стадию процесса твердения - схватывание цемента. Вместе с тем добавка гипса ускоряет процесс твердения цемента в первые сроки гидратации [12,32,61,83]. Алюмоферритная фаза, представленная в портландцементе четырехкаль-циевым алюмоферритом (C4AF), в условиях гидратации портландцемента, то есть насыщенного известью раствора, при нормальной температуре взаимодействует с водой стехиометрически: Кроме описанных выше химических преобразований, протекающих при твердении цемента, большое значение имеют физические и физико-химические процессы, которые сопровождают химические реакции и приводят при затворе-нии водой к превращению цемента в прочный затвердевший камень. Одновременно с началом реакций гидролиза и гидратации минералов, входящих в состав цемента, цементное тесто постепенно уплотняется - схватывается.
Механизм и последовательность твердения цемента выглядит следующим образом. После добавления к цементу воды образуется раствор, который пересыщен относительно гидрооксида кальция и содержит ионы Са2+, S042", ОН", Na+, К+. Из этого раствора в качестве первичных новообразований осаждаются гидросульфоалюминат и гидрооксид кальция. Второй период гидратации (схватывание) начинается примерно через час с образованием вначале очень тонких кристаллов гидросиликатов кальция. Об окончании процесса схватывания свидетельствует резкое нарастание тепловыделения, процессы гидролиза и гидратации протекают бурно, лавинообразно. Продукты химической реакции между цементом и водой образуются в твердом состоянии без перехода в раствор из-за невозможности дальнейшего растворения минералов цемента в насыщенном растворе. Продукты реакции образуются в тончайшем коллоидальном состоянии.
В дальнейшем продукты реакции переходят из коллоидального состояния в кристаллическое, более устойчивое. Этот процесс может происходить десятки лет во влажной среде. Через 30 суток в цементном камне остается от 40 до 60 % не прореагировавшего цемента [83].
Твердение цемента можно рассматривать как совокупность кристаллизационных и коллоидных процессов. Исследования А.А. Байкова, П.А. Ребиндера и других показали, что при твердении растворяются неустойчивые исходные вещества и выкристаллизовываются термодинамически устойчивые гидратные новообразования из пересыщенного по отношению к ним раствора [12,32].
Таким образом, рассмотренный процесс гидратации цемента позволил выявить основной реагент, способный к взаимодействию со старым асфальтовым вяжущим. Этим веществом является гидрооксид кальция Са(ОН)2, способный взаимодействовать с органическими соединениями. Другие вещества, гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, являются химически устойчивыми, и неспособными к взаимодействию при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, поэтому реакции между ними и органическими веществами, входящими в состав дробленого асфальтобетона, не рассматриваем.
Так как в результате испытаний укатываемого бетона с дробленым асфальтобетоном получается прочный конгломерат, не уступающий по прочности укатываемому бетону без дробленого асфальтобетона, а в большинстве случаев и превосходящий его, то можно предположить, что в процессе твердения цементного камня и образования структуры укатываемого бетона с дробленым асфальтобетоном происходит химическое взаимодействие поверхности частиц дробленого асфальтобетона с продуктами гидратации цемента.
В химической технологии о направлении процесса (и реакции в системе) при постоянных давлении и температуре судя по изменении энергии Гиббса AG. В термодинамических системах самопроизвольно могут возникать и протекать только те физические и химические процессы, при которых свободная энергия системы - энергия Гиббса - уменьшается. Следовательно, условием самопроизвольного протекающих процессов является убыль свободной энергии системы, т.е. AG 0. Если же внешние силы совершают работу над системой, то запас свободной энергии в системе возрастает и AG 0 [37].
Таким образом, энергия Гиббса AG характеризует способность веществ системы к химическим реакциям. Знак ее указывает на направленность процесса. В термодинамических системах вследствие самопроизвольного протекания процесса свободная энергия, постепенно уменьшаясь, достигает при заданных условиях некоторого минимального значения. Система при этом становится термодинамически устойчивой, то есть приходит в состояние термодинамического равновесия.
Изменение свободной энергии AG при постоянных давлении и температуре (а рассматриваемые процессы протекают именно в этих условиях, а кроме того, в условиях, максимально приближенных к стандартным, т.е. когда давление равно атмосферному Р=0,1013 МПа и температура Т=298 К) какой угодно сложной химической реакции можно рассчитать, пользуясь следствием из закона Гесса, алгебраически суммируя табличные значения свободной энергии AG0 участвующих в реакции веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов в данной реакции,
