Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих технологий приготовления катионоактивных битумных эмульсий для поверхностной обработки дорожных одежд и их механических свойств. цель и задачиисследования 11
1.1 Обобщение опыта строительства слоев износа с шероховатой поверхностью по способу поверхностной обработки 12
1.2 Физико-химические свойства битумных эмульсий 14 17
1.3 Применение битумных эмульсий в дорожном строительстве
1.4 Получение и применение эмульсионно-минеральных смесей, их физико-химические свойства .
1.5 Механические свойства дорожных покрытий, усиленных слоями износа на основе эмульсионно-минеральных смесей 22
1.6 Экологические аспекты при производстве эмульсий, эмульсионно-минеральных смесей и слоев износа 24
1.7 Выводы по первой главе 25
1.8 Цель и задачи исследования 26
2 Исследование физико-химических и механических свойств катионоактивных битумных эмульсий и покрытий на их основе 29
2.1 Структурный состав и физико-химические свойства катионоактивных битумных эмульсий 29
2.2 Характеристика свойств компонентов и битумной эмульсии 33
2.3 Морфология внутренних поверхностей раздела компонентов слоев износа на основе катионоактивных битумных эмульсий 35
2.4 Параметры контакта зерен в асфальтобетонах из катионоактивных битумных эмульсий и оценка сжимающих напряжений 42
2.5 Прочностные свойства конструктивных слоев дорожных одежд, обработанных катионоактивными битумными эмульсиями 43
2.6 Экспериментальная проверка эксплуатационных свойств дорожных покрытий из катионоактивных битумных эмульсий 48
2.7 Исследование механических свойств слоев износа на основе битумных эмульсий 63
2.7.1 Математическое планирование эксперимента по
оптимизации слоев защиты на основе катионоактивных битумных
эмульсий 63
2.7.2 Методика механических испытаний слоев износа на
основе катионоактивных битумных эмульсий 65
3 Разработка технологии устройства слоев износа и производства ямочного ремонта дорожных покрытий с применением катионоактивных битумных эмульсий 72
3.1 Общая характеристика технологий поверхностной обработки покрытий на основе катионоактивных битумных эмульсий 72
3.2 Требования к материалам для приготовления катионоактивной битумной эмульсии 74
3.3 Оборудование для приготовления битумных эмульсий и устройства слоев износа на их основе 75
3.4 Подбор состава исходных материалов и технологии устройства поверхностной обработки автодорожных покрытий 84
3.5 Технологии применения материалов на основе катионоактивных битумных эмульсий для ремонта и содержания дорог 89
3.6 Технология укладки слоев износа 98
3.7 Выводы по третьей главе 100
4 Разработка рекомендаций, экологическая и технико-экономическая эффективности применения технологий устройства слоев износана основе катионоактивных битумных эмульсий 101
4.1 Экологическая эффективность применения технологий производства слоев износа на основе катионоактивных битумных эмульсий 102
4.2 Технико-экономическая эффективность применения технологий устройства слоев износа на основе катионоактивных битумных эмульсий 105
4.2.1 Общие положения менеджмента новых технологий по устройству слоев износа на основе катионоактивных битумных эмульсий 105
4.2.2 Технико-экономическая оценка внедрения новой технологии устройства тонких слоев износа на основе катионоактивной битумной эмульсии 109
4.3 Рекомендации по повышению транспортно эсплуатационных показателей дорог на основе применения катионоактивных битумных эмульсий 114
4.3.1 Преимущества технологий устройства слоев износа и производства ямочного ремонта на основе катионоактивных битумных эмульсий 114
4.3.2 Технология приготовления катионоактивных битумных эмульсий 115
4.3.3 Выполнение ямочного ремонта покрытия машиной инжекторного типа «ДЗУ-СИЛ» 120
4.3.4 Рекомендации по устройству защитных слоев износа из литых эмульсионно-минеральных смесей 121
4.3.5 Технология производства работ по устройству слоев износа из литых эмульсионно-минеральных смесей 127
4.3.6 Требования к готовому слою и контроль качества при производстве работ по укладке слоев износа
4.3.7 Охрана труда при производстве работ 133
4.4 Выводы по четвертой главе. 133
Общие выводы 134
Литература
- Получение и применение эмульсионно-минеральных смесей, их физико-химические свойства
- Параметры контакта зерен в асфальтобетонах из катионоактивных битумных эмульсий и оценка сжимающих напряжений
- Требования к материалам для приготовления катионоактивной битумной эмульсии
- Технико-экономическая оценка внедрения новой технологии устройства тонких слоев износа на основе катионоактивной битумной эмульсии
Получение и применение эмульсионно-минеральных смесей, их физико-химические свойства
Физико-химические свойства битумных эмульсий достаточно полно представлены в технической литературе [28, 47, 54, 76]. Они обусловлены, прежде всего, видом эмульсии и зависят от способа ее приготовления.
Эмульгаторы подразделяются на анионо- и катионоактивные. Анионные эмульгаторы обычно базируются на жирных кислотах. Молекула жирной кислоты состоит из длинной углеводородной цепи и заканчивается карбоксильной группой. Раствор эмульгатора готовится в результате химического взаимодействия анионного эмульгатора с гидроокисью натрия. Эта реакция называется омылением. Показатель рН анионной эмульсии выше 7, и эмульсия обычно содержит избыток гидроокиси натрия, которая вступает в реакцию с любыми "природными" кислотами, содержащимися в битуме.
Установка для изготовления битумной эмульсии может быть периодического или непрерывного действия, и в нее обычно входит коллоидная мельница. При осуществлении технологического процесса раствор эмульгатора и битум проходят через коллоидную мельницу, где происходит эмульгирование. Раствор эмульгатора и битум подаются в мельницу насосами. Рас 15 твор эмульгатора содержит воду, эмульгатор, кислоту и, если требуется, стабилизатор, которые тщательно перемешиваются в соотношениях, обеспечивающих однородный раствор с требуемым показателем рН.
Используется чистый битум или битум, смешанный с растворителем, как, например, дизельное топливо. Из мельницы поступает горячая эмульсия, которая подводится к промежуточному баку, в котором она охлаждается до поступления в бак окончательного хранения или в барабаны. В процессе приготовления температура эмульсии не должна достигать 100С, то есть рекомендуемая температура колеблется в пределах 85 - 95 С. Для предотвращения местного перегрева перепад температур между битумом и раствором эмульгатора должен поддерживаться на возможно низком уровне. Однако для перекачки по битумопроводам битум должен иметь достаточно высокую температуру. Для 60%-ной эмульсии рекомендуемая сумма температур обеих фаз должна быть около 195 С, что не всегда приемлемо, так как возможны различные вариации температур [15, 54, 54, 59]. Температура эмульсии на выходе из мельницы должна составлять около 90 С. До начала производства подбирается состав, обеспечивающий получение эмульсии в соответствии с технологией применения и нормируемыми характеристиками.
Некоторые исследователи справедливо считают, что использование в качестве разжижителей дорогостоящих веществ, такие как керосин, является расточительством. Особенно остро этот недостаток ощущается в последние годы в связи с острым дефицитом нефтяных продуктов. В работах польских исследователей отмечается, что использование для устройства поверхностных обработок разжиженных битумов и щебня, необработанного вяжущим не дает положительных результатов [22]. В качестве разжижителя была использована нефть. Через 1,5 года эксплуатации покрытие находилось в неудовлетворительном состоянии: щебень сохранился только на середине проезжей части, а покрытие потеряло ровность. Во Франции в 1977 г. был поставлен эксперимент по исследованию влияния вязкости разжиженного битума на качество поверхностной обработки [11, 64]. Были применены разжиженные битумы различной вязкости и черный щебень. Для повышения долговечности поверхностной обработки применяли катионное поверхностно-активное вещество Динорам. Анализ состояния участков через один месяц эксплуатации показал, что только разжиженные битумы высокой вязкости обеспечивают требуемые эксплуатационные параметры поверхностной обработки.
Наряду с вязкими и разжиженными битумами в качестве вяжущего при устройстве поверхностных обработок в России и за рубежом используются дегти и дегтебитумные композиции [11, 21]. Целесообразность применения дегтей диктуется их лучшей адгезией к каменным материалам. Однако, высокая чувствительность дегтей к температурным воздействиям вызывает необходимость их объединения с битумом для обеспечения теплоустойчивости поверхностных обработок. Кроме того, высокая токсичность дегтей препятствует их широкому использованию.
Известно, что вязкость битумных эмульсий меньше вязкости вязких и разжиженных битумов. Это позволяет повысить точность дозирования эмульсий и распределять их более равномерно тонкими слоями, что в свою очередь исключает вероятность "потения слоя" и потери шероховатости. Кроме того, при использовании эмульсий упрощается технология производства работ за счет применения вяжущего в холодном состоянии, появляется возможность выполнения работ с использованием влажных каменных материалов. При устройстве поверхностных обработок битумные эмульсии за последние годы находят применение во многих странах: России, Франции, США, Англии, Канаде, Польше, Венгрии, ГДР, Мексике, Австралии и др. [37, 67, 84
Параметры контакта зерен в асфальтобетонах из катионоактивных битумных эмульсий и оценка сжимающих напряжений
Методика проведения лабораторных исследований свойств эмульсий и компонентов защитных слоев предусматривают контроль за качеством исходных материалов, влияющих на прочностные и другие свойства покрытий. Использование существующей зарубежной методики невозможно без учёта отечественных требований к исходным материалам значительно отличающихся по своим свойствам от зарубежных аналогов. Возможности приборов контроля зарубежных фирм значительно отличаются от требований ГОСТ для отечественных аналогов. При их использовании в дорожных лабораториях необходима новая тарировка приборов, которые приспособлены к британской системе единиц, что неприемлемо для контроля отечественных материалов. Часть свойств материалов в зарубежной практике вообще не контролируется. Поэтому одной из задач работы являлась разработка методики исследования свойств отечественных исходных материалов при устройстве защитных слоев покрытий с использованием катионоактивных битумных эмульсий.
Контролируемым параметром является кислотность растворов эмульгаторов и эмульсий. По кислотности определяют область применения растворов и эмульсий. Измерение рН производят рН-метром в автоматическом режиме с контролем температуры и отсчета времени с точностью ± 0,05 с. В основу работы рН - метра положен принцип отложения веществ на электродах, аноде и катоде, в специальном химическом растворе КС1.
Буферные растворы используются для калибровки линейности показаний прибора. Важным свойством эмульсий и эмульгаторов является содержание осадка в растворах. Для его определения используется метод измерения осадка на сите. При этом испытании определяется однородность битумных эмульсий, и оно является дополнением испытания на расслоение. Испытание используется для идентификации крупных битумных частиц, которые могли быть не обнаружены при испытании на расслоение. Такие частицы могут забивать сопла распылительного оборудования, и они не обеспечивают тонкого и равномерного обволакивания поверхности заполнителя. Испытание на определение битумного остатка используется для выбора оптимального базового битума при изготовлении эмульсий.
Метод определения седиментации включает количественную оценку содержания битума в верхних и нижних слоях эмульсии при ее хранении. Седиментацию определяют как разность содержания битума в верхних В і и нижних В2 слоях: S=BrB2. (2.20)
Для количественной оценки содержания битума в верхних и нижних слоях раствора эмульсию в количестве 200 мл помещают в химический стакан емкостью 250 мл и отстаивают в течение трех дней. Отбор проб производится из верхнего (50 мл) и нижнего (50 мл) слоев пипеткой, после чего определяется количество битума в каждом слое. Кроме того, для сопоставления определяется содержание битума в эмульсии после ее интенсивном перемешивании.
Определение битумного остатка эмульсии производится весовым способом: в печь при температуре 60С помещается кюветка со слоем эмульсии в 25 мм на 24 часа; до и после испытаний кюветка с эмульсией взвешивается, после чего опыт повторяют в печи в течение 2-3 часов и еще раз взвешивают. Содержание битума в эмульсии определяют по разности весов: B=(W3-W1)/(W2-Wi)-100%, (2.21) где W3, W2,Wi- соответственно, окончательный вес кюветы с битумом, первоначальный вес кюветы с эмульсией, вес кюветы. Определение температуры размягчения определяется по ГОСТ 11506-73 методом кольца и шара, а пенетрации - по стандарту (ГОСТ 11501-78).
Для определения времени распада эмульсионно-минеральных смесей при перемешивании применяют: - шкаф сушильный с терморегулятором, поддерживающий температуру с погрешностью не более 1С;
Подготовка к испытанию. Перед испытанием минеральный материал предварительно высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 ± 1С до постоянной массы и затем просеивают через сито размером 5,0 мм.
Тщательно вымытые чашки помещают не менее, чем на 30 мин в сушильный шкаф при температуре 105 ± 1 С. Затем чашки охлаждают до комнатной температуры. Приготавливают 49,9 % раствор сульфата алюминия.
Проведение испытания. В фарфоровой чашке взвешивают 100 г минерального материала, затем туда помещают расчетное количество воды, ко 52 торое составляет 10-13 % от массы взятого минерального материала и 49,9 % раствор сульфата аллюминия в количестве 0,25-0,75 % от массы минерального материала.
Компоненты тщательно перемешивают до полного увлажнения минерального материала. Затем в получаемую смесь вносят битумную эмульсию, в количестве 15 ± 1 % от массы взятого минерального материала. Включают секундомер и перемешивают полученную смесь компонентов до тех пор, пока эмульсионно-минеральная система потеряет подвижность и возможность дальнейшего перемешивания. Данный интервал времени, называют временем распада. Замеры проводят не менее двух раз. За результат принимают среднее арифметическое значение результатов двух определений.
В основу определения характеристик застывания эмульсионно-минеральной смеси положен модифицированный метод определения силы сцепления, времени застывания смеси и времени открытия движения.
Аппаратура и материалы: модифицированный определитель силы сцепления; регулятор давления с регулирующим клапаном для поддержания постоянного давления; измеритель давления от 0 до 700 кПа; компрессор, обеспечивающий подачу воздуха с давлением 700 кПа; измеритель вращающего момента; основа размером 10 см2 из рубероида или другого водоотталкивающего материала; круглые формы для образцов высотой 6 мм и диаметром 60 мм; сито металлическое с размером отверстия 5 мм; сушильный шкаф с терморегулятором, поддерживающим температуру с погрешностью не более 1С (в случае возникновения необходимости измерения влажности); песок стандарта ASTM С-190; наждачная бумага С220 и С100.
Требования к материалам для приготовления катионоактивной битумной эмульсии
Шламовая обработка. Несмотря на то, что технология уплотнения шламов была разработана на ранней стадии появления битумных эмульсий, они не получили значительного распространения в дорожном строительстве. Одна из причин состоит в необходимости приготовления специальных эмульсий для соответствия компонентам смеси. Материал для шламовой обработки получается смешением эмульсии, воды и минеральных заполнителей в специально сконструированных распределителях на рабочей площадке. Данный материал используется как для профилактических, так и ремонтных работ, к которым можно отнести заделку поверхностных трещин, предотвращение окисления или придание открытым поверхностям свойств, снижающих проникновение воды и воздуха. Шлам обычно наносится слоем толщиной от 3 до 6 мм. Поверхность вначале подвергается обработке щетками и затем слегка увлажняется. Смесь наносится с помощью смесителя-распределителя, и после ее нанесения начинается твердение. После разрушения смеси ее иногда укатывают для повышения прочности. Обычно используются эмульсии медленного или среднего структурирования с содержанием битума 60 - 65 %. В нормальных случаях требуется 10-25 % эмульсии из расчета по заполнителю. Для обеспечения шламу требуемой вязкости в процессе перемешивания добавляют некоторое количество воды. Обычно количество воды составляет 6 - 15 % в пересчете на массу сухого заполнителя. Высокая окружающая температура сильно ускоряет процесс разрушения и в состав шлама должны вводиться специальные модифицирующие добавки.
Щебеночное покрытие с пропиткой. На щебень разбрызгиванием наносится горячий битум или битумная эмульсия. Если движение по щебёночному покрытию начинается до выполнения поверхностной обработки, то на покрытие следует нанести тонкий слой среднезернистого заполнителя. В качестве износостойкого покрытия для щебня используется асфальтобетон или выполняется поверхностная обработка.
Укрепление грунта с помощью эмульсии может применяться для повышения прочности заполнителей или для увеличения несущей способности основания. Операция может выполняться различными способами. Независимо от используемого способа, результат укрепления в значительной степени будет зависеть от подбора правильного количества воды для предварительного увлажнения заполнителя. Одним из способов укрепления является использование мобильной установки, в которой перемешивается заполнитель с битумной эмульсией при перемещении вдоль дороги. Установка обеспечивает укладку равномерного, хорошо перемешанного слоя на поверхность дороги, который затем уплотняется. Другой способ состоит в использовании мешалки лопастного типа. В ней предусмотрена передвижная смесительная камера, установленная на самоходной машине. Вращающиеся лопасти в смесительной камере срезают поверхностный материал на определенную глубину и перемешивают его с битумной эмульсией. При перемещении машина срезает избыток материала с обеспечением необходимого уклона . Нанесение эмульсии затем может быть выполнено либо с использованием распылительной системы, установленной на мешалке, либо с помощью отдельного распределителя битума. Третий метод состоит в использовании лопастного смесителя - грейдера. Этот способ не обладает эффективностью двух других систем, но является наиболее простым. Эмульсия наносится распределителем на валик отсыпанного грунта. Затем в работу немедленно вступает грейдер и отвалом перемешивает материалы за счет поворотного и опрокидывающего действия.
Холодные смесительные установки. В холодных смесительных установках эмульсия смешивается с ненагретым заполнителем. Разнообразие типов битумных эмульсий, обеспечивает возможность подбора наиболее эффективного состава холодных смесей с различными типами заполнителя.
Смесительные установки для холодных смесей имеют различное конструктивное исполнение в зависимости от типа смеси, которую они производят. Использование простых установок позволяет уменьшить капиталовложения в оборудование, что является существенным преимуществом при реализации проектов в отдаленных районах. Существенная экономия может быть также достигнута при использовании местных дорожно-строительных материалов.
При изготовлении холодных смесей практически отсутствуют вредные выбросы, что представляет значительное преимущество по сравнению с горячими смесями. Использование ненагретого заполнителя обеспечивает экономию энергии, а также снижение пожароопасности.
С эмульсиями изготовляются как смеси с заполненными пустотами, так и с открытыми пустотами. При использовании высококачественного заполнителя в комбинации с эффективным оборудованием и технологией, холодные эмульсионные смеси обеспечивают такое же качество, как и горячие смеси.
Связующий слой - это тонкий распыленный слой битумной эмульсии, которая наносится вручную или машинным способом. Он используется для обеспечения связи между старой поверхностью и новым слоем асфальтобетона. Для большинства типов дорожных покрытий желательно использование связующего слоя. Связующий слой должен быть очень тонким и при этом равномерно покрывать всю поверхность. В зависимости от поверхности, на ее квадратный метр должно наноситься от 0,25 до 0,7 л связующего слоя. Повышенное количество связующего слоя может создать - плоскость скольжения между двумя слоями, поскольку битум может действовать как смазка. После нанесения связующего слоя следует выждать определенное время для обеспечения полного разрушения перед нанесением верхнего слоя. Движение по дороге со связующим слоем нежелательно. Однако если это условие выполнить невозможно, то скорость транспорта не должна превышать 40 км/ч. Здесь используются эмульсии медленного структурирования с содержанием битума 40 - 60 %. Содержание битума регулируется либо разбавлением, либо в процессе производства.
Подготовка покрытия. При выполнении подготовки покрытия на основание из каменных материалов наносится связующий материал для подготовки нанесения асфальта. В 70-е годы обычно использовались битумные пеки, но в настоящее время распространение получили эмульсии. Используются эмульсии медленного структурирования с содержанием битума 55 - 60 %. В зависимости от свойств щебёночного или гравийного основания, удельное количество наносимого материала составляет 0,4 - 1,4 л/м2. Нанесение эмульсии осуществляется в виде тумана.
Технико-экономическая оценка внедрения новой технологии устройства тонких слоев износа на основе катионоактивной битумной эмульсии
После очистки производится подгрунтовка места ремонта катионно-активной битумной эмульсией, которая распыляется через форсунки, закрепленные на насадке рукава для транспортирования щебня. Битумная эмульсия подается по трубопроводам к форсункам при помощи компрессора, развивающего давление до 1,0 МПа, что обеспечивает хороший транспорт эмульсии, а также образования эмульсионной завесы в распылительном кольце, проходя через которую частицы щебня идеально обволакиваются. Соотношение подаваемых в выбоину щебня и эмульсии регулируют изменением положения рукоятки эмульсионного крана. Камни должны быть слегка, но не полностью, покрыты эмульсией.
Заполнение выбоины щебнем, обработанным битумной эмульсией, производят с учетом запаса на уплотнение. Насадки рукава подачи щебня находятся в вертикальном положении на расстоянии 60 см от дефектного участка. При этом разгон щебня на выходе достигает скорости до 32 м/сек, что способствует хорошему уплотнению щебня в момент заполнения выбоины. Доуплотнение происходит под действием движущихся по отремонтированному участку транспортных средств.
Оптимальная температура катионоактивной битумной эмульсии во время ведения ремонтных работ равна 71 - 80 С. Используемый для ремонта щебень имеет температуру окружающей среды.
Нормы расхода используемых материалов при ремонте асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги указаны в табл. 4.7.
Рекомендации по устройству защитных слоев износа из литых эмульсионно-минеральных смесей Литая эмульсионно-минеральная смесь (ЭМС) состоит из катионоактивной битумной эмульсии, минерального материала, воды и специальных добавок. Толщина слоя износа в уплотненном состоянии равна 5н-15 мм. Ли 122 тые ЭМС, как и слои износа типа "Сларри-Сил", устраиваются с целью предотвращения негативного воздействия природно-климатических факторов на дорожную конструкцию, восстановления слоев износа, обеспечения необходимых сцепных свойств дорожного покрытия.
В зависимости от гранулометрического состава используемых материалов литые слои износа подразделяют на два типа в соответствии с требованиями, изложенными в табл. 4.8.
Литые ЭМС типа П рекомендуется использовать на опасных участках дорог, где необходимо обеспечение высоких значений коэффициента сцепления. Межремонтный срок службы слоя износа из литой ЭМС должен соответствовать нормам табл. 2, ВСН 41-88 . Для приготовления литых ЭМС должен использоваться щебень из плотных горных пород по ГОСТ 8267- 93 первой группы, имеющий марку по прочности не ниже 1200, марку истираемости не ниже И-1 и с морозостойкостью не ниже F-50.
В смесях должен использоваться песок из отсевов дробления, соответствующий ГОСТ 8736-93 . Характеристики исходного материала рассмотрены в гл. 2-3.
Для приготовления смесей может использоваться щебеночно-песчаная смесь С13 по ГОСТ 25607-94 после отгрохачивания частиц крупнее 10 мм. Гранулометрический состав минеральной части литых ЭМС должен соответствовать данным, рассмотренным в табл. 4.8. Песок и щебень перед использованием должны быть смешаны в определенных пропорциях с помощью специальных машин. Для приготовления смесей используется эмульсия класса ЭБК - 3 по ГОСТ 18659-81 , приготовленная согласно технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке. Содержание битума в эмульсии должно составлять 62 ± 2 %. Марка битума в битумной эмульсии должна соответствовать рекомендуемой ГОСТ 9128-97 для конкретной до-рожно-климатической зоны. В условиях I и II дорожно-климатических зон, а также при интенсивности движения более 10000 авт/сут целесообразно использовать полимер модифицированных битумных эмульсий. Получение полимера модифицированной битумной эмульсии может осуществляться как путем введения катионоактивных латексов в процессе приготовления, так и использования модифицированных битумов. Содержание модификатора в остаточном битуме модифицированной эмульсии должно быть в пределах 2-4 % по массе.
В качестве замедлителя скорости распада смеси должны использоваться сульфат алюминия, соли моноаминов, полиаминов, амидоаминов по техническим условиям заводов-изготовителей. Количество замедлителя скорости распада в литой ЭМС должно быть минимально, но позволяющее обеспечить требования, предъявляемые ко времени распада при перемешивании (см. гл. 3).
В качестве ускорителя времени твердения и добавки, улучшающей консистенцию смеси, может использоваться цемент по ГОСТ 10178 марок 500 или 400 .
Подбор составов ЭМС для устройства слоев износа осуществляют с целью получения поверхности, имеющей определенный заданный период формирования и обладающей необходимыми качественными характеристиками. Время формирования слоев износа оценивают тремя моментами:
