Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ исследований по оценке и повышению сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий 11
1.1 Анализ причин, вызывающих необратимое деформирование асфальтобетонных покрытий, и пути повышения устойчивости горячего асфальтобетона к возникновению пластических деформаций 11
1.2 Оценка сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий и предпосылки повышения их устойчивости к возникновению пластических деформаций путем применения модифицированного битума 23
Глава 2. Обоснование повышения сдвигоустойчивости и долговечности в дорожном покрытии асфальтобетона каркасной структуры за счёт применения модифицированного битума 52
2.1 Анализ факторов, определяющих долговечность асфальтобетонных покрытий по интенсивности развития пластических повреждений в разнообразных эксплуатационных условиях 52
2.2 Применяемые материалы и методы исследований 62
2.2.1 Характеристика применяемых материалов 62
2.2.2 Применяемые методы исследований 71
2.3 Исследование физико-механических и деформационно-прочностных характеристик каркасного асфальтобетона, модифицированного синтетическим каучуком или бутадиен-стирольным термоэластопластом ...77
Глава 3. Обоснование целесообразности применения вяжущих на основе полимерных адгезионных добавок для повышения работоспособности модифицированных асфальтобетонов и их устойчивости к пластическим деформациям 85
3.1 Разработка и обоснование применения полимерных адгезионных добавок для повышения физико-механических, деформационно-прочностных характеристик каркасного асфальтобетона 85
3.2 Прогнозирование работоспособности модифицированного асфальтобетона каркасной структуры в процессе эксплуатации в дорожном покрытии 98
3.3 Обоснование реологической - модели, описывающей влияние модификаторов битумов и адгезионных добавок на возникновение пластических дефектов на дорожном покрытии из асфальтобетона каркасной структуры 122
Глава 4. Разработка технологии и оценка эффективности, применения модифицированного асфальтобетона для повышения долговечности и улучшения эксплуатационных характеристик дорожных покрытий 137
4.1 Анализ применения асфальтобетона каркасной структуры, модифицированного синтетическим каучуком, при строительстве дорожного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон» за период 2002-2008 гг 137
4.2 Опытное строительство дорожного покрытия с применением асфальтобетона на основе полимерного ПАВ «Мобит» на автомагистрали М4«Дон» 142
4.2.1 Технология получения «Мобит» 142
4.2.2 Применение ПАВ «Мобит» при строительстве опытного участка 144
4.2.3 Технология приготовления асфальтобетонной смеси, модифицированной полимерной адгезионной добавкой «Мобит» 145
4.2.4 Технология устройства покрытия из модифицированного асфальтобетона 148
4.2.5 Наблюдения за экспериментальным участком 150
4.3 Определение технико-экономической эффективности применения горячего модифицированного асфальтобетона каркасной структуры для повышения долговечности и улучшения эксплуатационных свойств дорожных покрытий 153
Основные выводы 167
Список литературы 169
- Оценка сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий и предпосылки повышения их устойчивости к возникновению пластических деформаций путем применения модифицированного битума
- Исследование физико-механических и деформационно-прочностных характеристик каркасного асфальтобетона, модифицированного синтетическим каучуком или бутадиен-стирольным термоэластопластом
- Прогнозирование работоспособности модифицированного асфальтобетона каркасной структуры в процессе эксплуатации в дорожном покрытии
- Опытное строительство дорожного покрытия с применением асфальтобетона на основе полимерного ПАВ «Мобит» на автомагистрали М4«Дон»
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее широко применяемым материалом для строительства покрытий автомобильных дорог в настоящее время и на ближайшую перспективу остается асфальтобетон. Анализ эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий показывает, что через 3-4 года на дорожном покрытии требуется проведение ремонтных работ в связи с накоплением пластических деформаций в асфальтобетоне. Основными причинами этого являются значительный рост транспортных нагрузок, а также недостаточная сдвигоустойчивость покрытия в летний период.
Повышение устойчивости покрытий к образованию пластических деформаций — задача важная и актуальная, и решить её можно, в частности, за счет применения асфальтобетона каркасной структуры на основе битумно-полимерных вяжущих. Использование асфальтобетона с повышенными физико-механическими показателями позволит значительно повысить срок службы асфальтобетонных покрытий.
Цель диссертационной работы - научно обоснованное повышение срока службы дорожных покрытий путем применения эффективного асфальтобетона каркасной структуры на основе битумно-полимерного вяжущего с разработкой технологических положений его получения и применения.
В качестве основной гипотезы при проведении исследований было принято следующее положение: повышение долговечности дорожных покрытий может быть достигнуто путем применения эффективного асфальтобетона каркасной структуры на основе модифицированного битума, характеризующегося повышенной устойчивостью к старению и возникновению пластических деформаций.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
1) обосновать целесообразность применения конкретных видов модифицированных вяжущих взамен традиционных битумов при строительстве дорожных покрытий и исследовать влияние различных модификаторов на срок службы асфальтобетонных покрытий;
2) исследовать влияние синтетических каучуков, дивинилстирольных термоэластопластов и полимерных адгезионных добавок на сдвигоустойчивость и долговечность каркасного асфальтобетона;
3) определить структурно-реологические показатели модифицированного асфальтобетона и обосновать модель битумных пленок с применением различных модификаторов битумов на минеральных зернах для прогнозирования деформационно-прочностных и эксплуатационных свойств модифицированного асфальтобетона каркасной структуры;
4) определить оптимальное содержание модификатора, обеспечивающее устойчивость дорожного покрытия к возникновению пластических деформаций;
5) разработать промышленную технологию приготовления и применения полимерных адгезионных добавок и составить методические рекомендации по их использованию при строительстве дорожных покрытий;
6) провести опытное внедрение результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность применения полимерных адгезионных добавок.
Научная новизна:
1) для увеличения срока службы дорожных покрытий впервые обоснована эффективность применения асфальтобетона каркасной структуры, модифицированного полимерной адгезионной добавкой «Мобит», позволяющей повысить сдвигоустойчивость и эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий;
2) экспериментально доказано, что применение полимерной адгезионной добавки значительно повышает устойчивость к пластическим деформациям асфальтобетона- каркасной структуры и его деформационно-прочностные показатели в процессе эксплуатации в дорожном покрытии;
3) установлено впервые сравнительное влияние полимерной адгезионной добавки и ранее известных модификаторов - синтетических каучуков, дивинилстирольных термоэластопластов на сдвигоустойчивость и устойчивость к старению дорожных покрытий из каркасного асфальтобетона;
4) определены структурно-реологические показатели модифицированного асфальтобетона и предложена модель битумных пленок на минеральных зернах в модифицированном асфальтобетоне, позволяющая объяснить положительное влияние полимерных адгезионных добавок и синтетических каучуков на свойства асфальтобетона каркасной структуры;
5) установлены зависимости изменения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных каркасных асфальтобетонов от вида и содержания синтетических каучуков и полимерной адгезионной добавки и определено оптимальное содержание модификатора в вяжущем.
Практическое значение работы:
1) получены оптимальные составы битумно-полимерных вяжущих и выявлены рецептурно-технологические положения получения модифицированного каркасного асфальтобетона;
2) разработан состав и технология приготовления полимерной адгезионной добавки, обеспечивающей повышение деформационно-прочностных показателей каркасного асфальтобетона и эксплуатационных свойств дорожных покрытий;
3) разработана промышленная технология приготовления вяжущего, содержащего полимерную адгезионную добавку, модифицированной асфальтобетонной смеси и составлены методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки «Мобит» для строительства асфальтобетонных покрытий.
Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением стандартных и нестандартных методов исследований, положительными результатами существенного объема внедрения разработанных составов модифицированных вяжущих при строительстве дорожных покрытий на автомагистрали М 4 «Дон».
Реализация результатов научных исследований. Разработанные составы битумно-полимерных вяжущих с применением растворов синтетических каучуков, полимерной адгезионной добавки «Мобит» были использованы при строительстве асфальтобетонного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон»: км. 740 (развязка в двух уровнях) и участок км. 740+650 - км. 756+300; км. 736 (транспортная развязка).
Результаты теоретических исследований в области модификации полимерами битумов и каркасных асфальтобетонных смесей включены в состав учебной дисциплины «Технология и организация строительства автодорог» для студентов ГОУВПО ВГАСУ, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».
Основные положения, выносимые на защиту:
- научное обоснование эффективности применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для строительства сдвигоустойчивых и долговечных дорожных покрытий;
- экспериментально-теоретическое обоснование применения полимерной адгезионной добавки «Мобит» для повышения эксплуатационных свойств и срока службы дорожных покрытий;
- обоснование рациональных границ варьирования основных рецептурных и технологических факторов в составах модифицированного вяжущего, используемого при приготовлении каркасных асфальтобетонов, позволяющих повысить сдвигоустойчивость и срок службы дорожных покрытий; ;;:
- результаты экспериментальных исследований и анализа модели структуры битумных пленок в модифицированном асфальтобетоне с применением различных модификаторов, определяющих эксплуатационные показатели и срок службы дорожного покрытия;
- методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки «Мобит» для строительства асфальтобетонных покрытий. Апробация работы: основные положения диссертационной работы представлены на научно-практических конференциях ВГАСУ (Воронеж, 2004-2009 гг.), международных научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2006), «Строительство - 2007» (Ростов-на-Дону, 2007) и «Строительство - 2009» (Ростов-на-Дону, 2009 ), а также на заседаниях кафедры строительства автодорог ВГАСУ (2004-2009 гг.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ общим объемом 7,5 печатных листов, из которых автору принадлежит 3,5 печатных листа. Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК (Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура; Вестник ВолГАСУ. Серия: Строительство и архитектура). В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведено экспериментально-теоретическое обоснование применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для повышения сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий; в работе [2] дано обоснование применения полимерных поверхностно-активных добавок для повышения деформативно-прочностных характеристик асфальтобетона; в работе [3] приведены результаты экспериментально-теоретических исследований влияния модификаторов на структуру и реологические свойства асфальтобетона и сдвигоустойчивость дорожного покрытия.
Новизна рецептурно-технологических разработок подтверждена Патентом РФ «Способ приготовления битумно-каучукового вяжущего». Заявитель и патентообладатель - Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии. Общий объем работы составляет 178 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 40 таблиц, 42 рисунка, библиографический список из 105 источников, а также 4 приложения.
Оценка сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий и предпосылки повышения их устойчивости к возникновению пластических деформаций путем применения модифицированного битума
Теоретическими исследованиями сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий занимались многие ученные: Иванов Н.Н., Гезенцвей Л.Б., Ладыгин Б.И., Богуславский A.M., Руденский А.В., Шумчик В.К., Кирюхин Г.Н. и др [8, 21, 40, 53, 63, 64, 90, 91]. Анализ исследований, посвященных проблемам сдвигоустойчивости асфальтобетона, показал что, наиболее распространенными являются три подхода к данному вопросу. Первый подход опирается на принципы механики сыпучих сред. Наибольшие сдвигающие напряжения т Н.Н. Иванов предлагает считать равным 0,75Р, что соответствует условию внезапного торможения. Условием сдвигоустойчивости согласно Н.Н. Иванову будет: где Р - удельное нормальное давление; р- угол внутреннего трения; C = CX+C2 - внутреннее, сцепление, складывающееся из зацепления минеральных зерен С, и склейки их битумом С,. Кроме того, сделана попытка учесть режимы движения. Устойчивость покрытия к образованию пластических деформаций, согласно Н.Н. Иванову, обеспечивается, если прочность битумоминерального материала при сжатии составляет: где h - толщина слоя покрытия; у- коэффициент перегрузки (на перегонах равен 2,5-3,0; на участках торможения равен 1,5); р - угол внутреннего трения асфальтобетона; D- диаметр следа колеса расчетного автомобиля. Н.В. Горелышев [26, 27], считает, что для предотвращения образования остаточных деформаций из условия сдвигоустойчивости (1.8), надо исключить величину сцепления С,, что по его мнению дает завышенный результат. Ю.В. Соколовым [75] была показана несущественная роль внутреннего зацепления для различных составов минеральных смесей. Ввиду этого Ю.В. Соколов принял предложение Н.В. Горелышева об исключении величины С15 тогда условие сдвигоустойчивости упрощается: где у/ - коэффициент, зависящий от условий движения и условий сцепления колеса с дорогой и равный 0,25-0,75.
Общим недостатком решений, основанных на механики сыпучих сред, является то, что асфальтобетон не является сыпучим материалом. К исследованиям, в которых асфальтобетон рассматривается как вязкопластичный материал и предлагается оценить деформативную устойчивость через реологические свойства, на базе принципов механики сплошных сред, можно отнести труды профессоров Б.И. Ладыгина, И.А. Рыбьева, Л.Б. Гезенцвея, A.M. Богуславского, И.М. Руденской, Н.Н. Горелышева, А.В. Руденского, И.К. Яцевича, Я.Н. Ковалева, К.Ф. Шумчика, Г.Н. Кирюхина и др. В частности, профессор Гезенцвей Л.Б. [20], рассматривая асфальтобетон как упруго-вязкое тело Максвелла, дал формулу, определяющую величину относительных остаточных деформаций покрытия, возникающие под действием автомобильного транспорта при высокой температуре: где п - количество импульсов; а - напряжение, Па; /„ - время приложения нагрузки, сек; г]- вязкость, Па сек. Б.И. Ладыгин и И.К. Яцевич [64] учитывая более полно реологические свойства асфальтобетона при высокой температуре, предлагают для определения величины остаточной деформации следующую формулу: где т - сдвигающее напряжение в асфальтобетоне от воздействия подвижной нагрузки, Па; Р - нормальное давление, Па; ср - угол внутреннего трения, град; п - предел текучести асфальтового вяжущего по Бингаму, Па; /„ - время действия импульсной нагрузки, сек; JJ - вязкость асфальтобетона, Па сек. Если известна величина допустимой относительной деформации ( ), то авторы рекомендуют определить требуемую величину вязкости асфальтобетона по следующей формуле: Ковалев Я.Н. [54] предлагает определить расчетную вязкость асфальтобетона (т/р) по условию сдвигоустойчивости: где тр - расчетное (допустимое) сдвигающее напряжение, зависящее от характера воздействия транспортной нагрузки, Па; тк - нормальный предел текучести асфальтобетона данной марки при расчетной температуре, Па; У ост - допустимая величина относительной деформации; Тр - суммарное время приложения транспортных нагрузок, с учетом вероятности прохода колеса след в след, приходящейся на период времени с расчетной температурой. Для проектирования асфальтобетонных покрытий с длительной сдвигоустойчивостью Я.Н. Ковалев предлагает в качестве основного требования следующую зависимость [54]: где 77,6 - фактическая пластическая вязкость асфальтобетона, получаемая экспериментально применительно к его заданному составу с учетом длительности суммарного времени приложения транспортных нагрузок Тр. Шумчик К.Ф., анализируя действия вертикальной нагрузки в упруго-пластичном состоянии с учетом толщины слоя, предложил определять минимально требуемую вязкость по формуле [99]: где Р - вертикальное давление от колеса автомобиля, Па; тк - условный предел пластичности асфальтобетона;
Исследование физико-механических и деформационно-прочностных характеристик каркасного асфальтобетона, модифицированного синтетическим каучуком или бутадиен-стирольным термоэластопластом
Прочностные свойства слоев асфальтобетонных покрытий практически полностью определяются деформационно-прочностными и реологическими характеристиками асфальтобетона [8,9,20,90,91]. Асфальтобетон как термопластичный материал обладает сложным комплексом физико-механических и реологических свойств, в значительной степени зависящих от температуры, состава минеральной части смеси и свойств применяемого вяжущего. Как было показано в литературном анализе, наилучшим комплексом деформационно-прочностных свойств обладают каркасные асфальтобетоны, полученные с применением модифицированных или улучшенных вяжущих.
С целью изучения влияния модифицирующих добавок синтетических каучуков различных типов, а также бутадиен-стирольных термоэластопластов были приготовлены плотные горячие асфальтобетонные смеси типа А (каркасной структуры) и типа Б (полукаркасной структуры) на основе модифицированного битума. Составы плотного асфальтобетона щебенистого типа «А» и «Б» были подобраны в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-97.
В качестве модифицирующих добавок были использованы синтетические каучуки типов СКД, СКС-30 АРКПН, СКС-30 АРКМ-15, СКС-30 АРКМ-27, а также термоэластопласт ДСТ 30-01, свойства которых приведены во второй главе. В качестве исходного битума при приготовлении модифицированных вяжущих был использован БНД 60/90. Содержание каучука в битумно-каучуковом вяжущем составляло 2,0; 2,5; 3,0 %, а при исследовании влияния ДСТ 30-01 было приготовлено полимерно-битумное вяжущее, полученном путем введения 3,5 % полимерной добавки и - 7 % пластификатора - индустриального масла по массе в исходный битум БНД 60/90. Полученное вяжущее на основе ДСТ 30-01 отвечало требованиям ГОСТ 52056 - 2003 для марки ПБВ 60. Показатели физико-механических свойств вышеуказанных вяжущих марок БНД и БКВ, ПБВ приведены в приложении.
Контрольные смеси одинакового гранулометрического состава были приготовлены на БНД 60/90. Результаты определения показателей физико-механических свойств асфальтобетона на БКВ, ПБВ и БНД типа « А» и «Б» приведены в табл.2.16 и табл. 2.17, а также рис. 2.3- 2.8.
Как следует из приведенных результатов, применение модификаторов незначительно влияет на физические показатели асфальтобетона (среднюю плотность, водонасыщение), но очень значительно на механические и деформативно-прочностные показатели материала как каркасной, так и полукаркасной структуры. Рассматривая прочность асфальтобетона в области повышенных температур (при 50 С) отмечено значительное улучшение показателя - в 1,05 - 1,5 раза. Наиболее эффективно для повышения указанного показателя применение каучуков типов СКС 30 АРКМ 15 и СКД при содержании модификатора в количестве 2,5-3 % по массе. Применение указанных модификаторов практически в 1,5 раза повысило предел прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона (определенного по методу Никольского) в сравнении с контрольным составом (рис. 3.4). Применение в качестве модификатора термоэластопласта ДСТ 30-01 не менее эффективно в сравнении с каучуками позволяет увеличить показатель прочности при 50 С и предел прочности при сдвиге.
Рассматривая влияние модифицирующих добавок на прочность асфальтобетона каркасной структуры при 0 С также был отмечен положительный эффект в сравнении с традиционным составом на вязком битуме, но в меньшей степени, чем в области высоких температур. Это, вероятно, можно объяснить особенностью структуры каркасного асфальтобетона, в котором, в силу преимущественного содержания крупных частиц, меньше удельная поверхность наполнителя и поэтому структурированные битумные пленки отличаются большей толщиной в сравнении с песчаными асфальтобетонами. Исходя из этого, при температуре 0 С традиционный вязкий битум позволяет на пределе обеспечить соответствие требуемого по ГОСТ 9128-97 показателя предела прочности при сжатии. Применение в качестве модификаторов добавок синтетических каучуков позволяет несколько снизить предел прочности при сжатии при 0 С и тем самым повысить трещиностойкость покрытий.
Рассматривая влияние модифицирующих добавок на физико-механические показатели асфальтобетона полукаркасной структуры (типа Б), приведенных в табл. 3.3, можно отметить, что наиболее значительно предел прочности при 50 С позволяет повысить применение ДСТ 30-01 или каучука СКД. Применение указанных добавок позволяет повысить прочность при 50 С в 1,4 - 1,7 раза, а предел прочности при сдвиге на 10-15 % в сравнении с контрольным составом традиционного асфальтобетона типа Б.
Некоторые применяемые в практике ПАВы являются отходом химического производства и поэтому их составы и свойства нестабильны, что может отрицательно сказаться на показателе сцепления. Это требует разработки адгезионной добавки постоянного состава, что позволит получать стабильно высокий показатель сцепления вяжущего с минеральным материалом. Таким образом, разработка высокоэффективных и экологически безопасных ПАВ является актуальной задачей.
Сложившаяся к настоящему времени научно-теоретическая база по применению полимеров в промышленности строительных материалов показывает, что синтез новых материалов на основе полимеров позволяет получить наиболее значительный эффект. К числу таких материалов относятся полимерные адгезионные добавки, которые объединяют в себе достоинства полимерных модификаторов и адгезионных присадок.
Исследованиями, проведенными в 2002-2003 гг. Калгиным Ю.И., Кондратьевым А.Н., Юдиным В.П., была разработана полимерная адгезионная добавка «Мобит», предназначенная для улучшения сцепления с каменными материалами кислых пород вязких битумов и битумно-полимерных вяжущих [75]. В указанной работе в качестве основы для полимерного поверхностно-активного вещества использованы полимеры, полученные анионной растворной полимеризацией в присутствии литийорганических соединений, типа бутадиена, стирола, изопрена, пипирена [52,75]. Этот метод позволяет получать полимеры с узким молекулярно-массовым распределением (Mw / Мп = 1,1-1,3) и концевым звеном - CH2-Li. В качестве примера рассмотрим химизм процесса ранее полученного состава полимерного ПАВ. Микроструктура цепей полимера из бутадиена описывается следующей формулой: Остатки бутадиеновых звеньев находятся в цис - 1,4-; транс - 1,4-, и 1,2 положениях. Средне-вязкостная молекулярная масса полибутадиена может находиться в пределах от 1000 до 10000 и оптимальная её величина выбирается исходя из технологических параметров. В качестве функциональной группы может быть продукт реакции кислорода, мочевины, ортофосфорной кислоты, метилпирролидона или диметилформамида с активным концом молекулы. Полимер из стирола имеет формулу: Полистирол отличается от полибутадиена температурой стеклования, которая равняется ( + 95 — +105 ) С в зависимости от молекулярной массы. У полибутадиена температура стеклования (- 90 - - 95) С и зависит от содержания в нем 1,2 - звеньев. Строение полиизопреновой цепи можно выразить формулой: Полиизопреновая цепь содержит мономерные остатки в виде 3,4 -звеньев, цис — 1,4 звеньев; транс — 1,4 звеньев. Температура стеклования такого полимера находится на уровне (- 65 ) С. Примером получения функциональной группы из полимера с концевой ОН - группой может быть реакция с ортофосфорной кислотой По другому варианту при взаимодействии активного полимера с мочевиной образуется азотсодержащая концевая группа: Указанная группа при взаимодействии с ортофосфорной кислотой (Н3РО4) переходит предположительно в соединение, описываемое формулой (3.4): Положительно и отрицательно заряженные функциональные группы полимера будут присоединяться к поверхности минерального наполнителя, а углеводородный радикал (С4Н9) растворится в битуме. В случае использования в качестве основы полимерного ПАВ полистирола в битумной композиции при температурах эксплуатации дорожного покрытия полимер
Прогнозирование работоспособности модифицированного асфальтобетона каркасной структуры в процессе эксплуатации в дорожном покрытии
Проблема надежности прогноза работоспособности асфальтобетона в дорожном покрытии охватывает широкий круг вопросов: от применения методов экспериментальных лабораторных исследований до приемов математической обработки результатов и построения экспериментально-статистических моделей. Обеспечение высокого уровня долговечности дорожных покрытий требует применение при их строительстве высококачественных материалов, эффективность которых должна быть доказаны с помощью различных лабораторных методов. Для повышения достоверности оценки эффективности применения модифицированного каркасного асфальтобетона взамен традиционного при строительстве покрытий необходимо проведение исследования, условия испытания в котором наиболее приближены к реальным.
Широкий диапазон колебаний температуры асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации и значительная зависимость прочностных и деформативных свойств асфальтобетонов от режима нагружения обуславливают специфическую особенность работоспособности асфальтобетонных покрытий - нестационарность (т.е. изменчивость) их эксплуатационных характеристик, проявляющуюся в непрерывных изменениях эксплуатационных показателей покрытия вследствие погодно-климатических воздействий и транспортных нагрузок. Но более значительных изменений следует ожидать в результате изменения свойств асфальтобетона, которые будут происходить в результате физико-химических процессов протекающих при старении материала при его эксплуатации в покрытии. Ранее проведенные исследования [20,50] показали, что интенсивность старения асфальтобетона в покрытии в основном определяется свойствами вяжущего, составом и свойствами компонентов минеральной части, а также климатическими условиями и характером нагрузок при которых эксплуатируется материал в покрытии.
Таким образом, для прогноза работоспособности модифицированного асфальтобетона по показателю устойчивости против образования пластических деформаций на покрытии необходимо установить влияние модификаторов на изменение предела прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона в течение срока его службы. Следует ожидать значительных изменений показателей сдвигоустойчивости асфальтобетона при его эксплуатации в покрытии в зависимости от вида вяжущего, а также содержания модификатора в вяжущем.
Исследования [20] показали, что интенсивно процессы старения протекают при технологических процессах изготовления, транспортирования и укладки асфальтобетонной смеси. При указанных технологических процессах битум находится в виде тонких пленок на поверхности каменных зерен при высоких температурах и свободном доступе воздуха, что создает благоприятную возможность протекания термоокислительных процессов в битуме, приводящих к старению. В дальнейшем, при эксплуатации асфальтобетона в покрытии в летний период при температурах покрытия до 50 С происходит процесс эксплуатационного старения материала. В холодные периоды года разрушение асфальтобетона происходит в связи с длительным воздействием воды и попеременным замораживанием и оттаиванием, которые усугубляются динамическим воздействием автотранспорта.
Ранее было установлено [50], что применение полимерных модификаторов, в частности синтетического каучука типа СКС-30 АРКМ-15, позволяет уменьшить скорость протекания окислительных процессов и тем самым способствует значительному повышению термоокислительной устойчивости модифицированного битума и повышению долговечности асфальтобетона на его основе. Однако влияние разных типов и марок каучуков, а также адгезионных добавок различных видов на интенсивность старения асфальтобетона каркасной и полукаркасной структуры до настоящего времени известно недостаточно.
Для оценки влияния каучуков типов СКД, СКС-30 АРКПН, СКС-30 АРКМ-15, СКС-30 АРКМ-27, а также адгезионных добавок «Адгезол», «Амдор» и полимерной адгезионной добавки «Мобит» на физико-механические свойства асфальтобетона были приготовлены асфальтобетонные смеси типа «А» и «Б» на вяжущем БКВ 60/90 с содержанием каучука в количестве 2,0; 2,5; 3,0 % по масссе, а при исследовании влияния ПАВ на вяжущем, полученном путем введения 1,5 % ПАВ по массе в битум БНД 60/90. Контрольные смеси одинакового гранулометрического состава были приготовлены на БНД 60/90. Показатели физико-механических свойств вышеуказанных вяжущих марок БНД и БКВ приведены в приложении.
Составы плотного асфальтобетона каркасной структуры типа «А» и полукаркасной типа «Б» были подобраны в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-97 (см. главу 2 и приложение 4). Результаты определения показателей физико-механических свойств асфальтобетона с применением БКВ и БНД типов «А» и «Б» приведены в табл. 2.1- 2.2.
Для исследования были приготовлены асфальтобетонные образцы -цилиндры (d=h=71,4мм) в количестве 36 штук каждого исследуемого состава. Содержание вяжущего в исследуемых асфальтобетонных смесях, было подобрано по показателям физико-механических свойств смеси на основе БНД 60/90 и составило 4.9% на 100% минерального остова.
Методика исследования заключалась в следующем (см. рис. 3.3): первый этап оценки долговечности образцов в лабораторных условиях соответствовал старению при технологическом процессе приготовления асфальтобетонных смесей. Для этого смеси готовили при предельно высокой температуре 155-160 С, и перед формовкой при указанной температуре приготовленную смесь выдерживали в течение 30 минут. После чего формовали образцы в количестве 36 штук каждого состава. Затем 18 образцов по стандартной методике подвергали испытанию для определения первоначальных показателей физико-механических свойств; второй этап при оценки долговечности моделировал старение асфальтобетона в летний период эксплуатации в покрытии. Для этого по 18 образцов обеих смесей (тип А и тип Б) прогревали при 70 С в термостате по 10 часов в течении 30 суток; третий этап оценки долговечности заключался в полном водонасыщении асфальтобетонных образцов с последующим поперечным замораживанием и оттаиванием. Для этого образцы после окончания 2-го цикла выдерживали 1 сутки в нормальных температурно-влажностных условиях, а затем выдерживали 1,5 часа под вакуумом для насыщения водой, а потом на 15 суток помещали в воду. По окончании водонасыщения образцы обеих смесей подвергали попеременному замораживанию (4 часа при —20 С) и оттаиванию ( 4 часа +20 С) в количестве 100 циклов.
Опытное строительство дорожного покрытия с применением асфальтобетона на основе полимерного ПАВ «Мобит» на автомагистрали М4«Дон»
Учитывая теоретические предпосылки, изложенные в третьей главе, показывающие значительную эффективность использования полимерных ПАВ для улучшения свойств асфальтобетона, в 2006 году были проведены опытно-производственные работы по получению и применению добавки «Мобит» при строительстве дорожного покрытия. Приготовление полимерной адгезионной добавки «Мобит» было проведено на производственной базе Воронежского филиала научно-исследовательского института синтетического каучука имени Лебедева.
Технологический процесс приготовления полимерной адгезионной добавки «Мобит» состоял из нескольких этапов, что показано на принципиально-технологической схеме на рис. 4.2. На первом этапе, который можно назвать «полимеризация», вхреду растворителя подается расчетное количество мономера - стирола, бутадиена или изопрена, затем катализатор - литийорганическое соединение С4Н9ІЛ. Происходит образование каучукоподобного полимерного соединения. На втором этапе «полимердезактивация» происходит обрывание цепи, и создаются функциональные группы. Используемые для этого реагенты -кислород, мочевина, ортофосфорная кислота выступают в роли вещества -обрывателя цепи, вступая в химическую связь с активным полимером. В этом случае полимеризация прекращается, т.е. «живущий» полимер дезактивируется. В результате путем варьирования ряда технологических параметров получаем полимер, молекулярную массу которого мы можем изменять в пределах от 2 до 60 тысяч единиц и имеющего при этом активные функциональные группы. При направленном получении добавки с небольшой молекулярной массой 2-10 тысяч полимер будет легко растворяться в битуме, но его эффект по влиянию на структурно реологические характеристики будет меньше, чем при молекулярной массе от 10 до 60 тысяч. Но в последнем случае для растворения добавки будет необходима мощная перемешивающая установка. Положительное влияние на адгезионные свойства битума обеспечивается за счет функциональных групп, которые облегчают смачивание и обволакивание битумом минеральной поверхности.
Использованное для синтеза полимерной адгезионной добавки «Мобит» технологическое оборудование, принадлежащее Воронежскому филиалу научно-исследовательского института синтетического каучука имени Лебедева, показано на фотографиях на рис. 4.3-4.4.
С целью производственной проверки результатов экспериментальных исследований возможности применения асфальтобетона модифицированного адгезионной ПАВ «Мобит» и отработки технологических процессов применения адгезионной добавки в условиях асфальтобетонного завода было проведено опытное строительство асфальтобетонного покрытия.
Рассматриваемый участок автомобильной дороги, на котором было осуществлено опытное строительство, является частью автомагистрали М-4 «Дон» и расположен в пределах транспортная развязка в двух уровнях на км 736+884. Протяженность участка построенного асфальтобетонного покрытия 575 м, площадь покрытия 4025 м .
Конструкция дорожной одежды на рассматриваемом участке дороги соответствует требованиям СНиП 2.05.02-85 и ОДМ 218.046-01 к дорожной одежде капитального типа. При проектировании дорожной одежды в качестве расчетной нагрузки приняты транспортные средства группы А.
Дорожная одежда представлена следующими конструктивными слоями: верхнего слоя покрытия из горячего плотного м/з а/б типа Б, толщиной 5 см, нижнего слоя покрытия из горячего пористого к/з а/б, толщиной 8 см, основания из гранитного щебня, толщиной 20 см, дополнительного слоя основания из песка, толщиной 30 см, земляного полотна.
При подготовке к проведению опытно-производственного внедрения в лаборатории ООО «УС-2 Интердорстрой» были проведены работы по подбору оптимального состава асфальтобетонной смеси на имеющихся материалах в ООО «УО-2 Интердорстрой», определено оптимальное количество вяжущего и физико-механические свойства асфальтобетона. Был подобран состав минеральной части для асфальтобетона типа Б марки I с непрерывной гранулометрией, с содержанием щебня фр. 5-20мм - 45 %, песок из отсева дробления фр. 0-10 мм - 42 %, песок природный 6 %, активированный минеральный порошок 7 %. Применяемые минеральные материалы и их зерновой состав представлен в табл. 4.3 - 4.4.
