Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ научно-технической литературы по проблемам повышения качества асфальтобетонных покрытий 11
1.1. Методы улучшения свойств асфальтобетона за счет активации битумного связующего 11
1.2. Использование активаторов для наполнителей асфальтобетонов 15
1.3. Методы улучшения качества дорожных покрытий 17
1.4. Использование отходов от фрезерования асфальтобетонных покрытий в качестве заполнителей для асфальтобетона 22
1.5. Использование шлаковых заполнителей в составах асфальтобетонов 23
ГЛАВА 2. Применяемые материалы и методы исследований ... 39
2.1. Материалы для асфальтобетона .-. 39
2.1.1. Заполнители для отходов фрезерования покрытий на шлаковых заполнителях 45
2.1.2. Кварцсодержащие заполнители для асфальтобетона 45
2.1.2.1. Гранитный щебень 45
2.1.2.2. Кварцевый песок 46
2.1.3. Материалы наполнителей для асфальтобетонов 47
2.1.3.1. Минеральные порошки из отходов промышленности 48
2.1.3.1.1. Шлам Липецкой ТЭЦ-2 50
2.1.3.1.2. Шлам агломерационного производства 51
2.1.3.1.3. Шлам силикомарганца 52
2.1.3.1.4. Наполнитель из молотого известняка 52
2.1.3.1.5. Наполнитель из цементной пыли 53
2.1.4. Связующие для асфальтобетонов 53
2.1.5. Активаторы ГКЖ-10 или ГКЖ-11 54
2.2. Теоретическое обоснование использования наполнителя из шлама ТЭЦ
и активатора - гидрофобизующей добавки ГКЖ-11 55
2.3. Методы исследований 58
2.3.1. Методы испытаний наполнителей 58
2.3.2. Методы испытаний асфальтовяжущего вещества 59
2.3.3. Методы испытаний заполнителей для асфальтобетона 60
2.3.4. Методы испытаний асфальтобетонов 60
2.3.5. Испытания асфальтобетонов на долговечность 63
2.4. Выводы по главе 65
ГЛАВА 3. Исследование порошков из отходов промышленности и технология изготовления асфальтобетонов на их основе 66
3.1. Составы и свойства наполнителей 70
3.2. Исследование влияния порошков на свойства битума 75
3.3. Разработка составов асфальтобетонов с добавками наполнителей из местных отходов промышленности 19
3.4. Технология изготовления асфальтобетонов с применением наполнителей.. 84
3.5. Выводы по главе 89
ГЛАВА 4: Подбор оптимальных составов асфальтобетонов на шлаковых заполнителях 90
4.1. Планирование эксперимента с помощью двухфакторного плана 93
4.2. Сравнительные характеристики шлаковых асфальтобетонов на кварцевом и шлаковом песке 98
4.3. Определение оптимальных составов асфальтобетонов с применением трехфакторного плана эксперимента 99
4.4. Обработка данных с помощью критерия оптимальности ...108
4.5. Исследование вязко пластичных свойств асфальтобетона с помощью планирования эксперимента 118
4.6. Оценка деформационно-прочностных свойств асфальтобетона 119
4.6.1, Определение состава смеси с помощью критерия оптимальности 124
4.7. Выводы по главе 126
ГЛАВА 5. Исследование долговечности асфальтобетонов на шлаковых заполнителях и отходах от фрезерования л старых покрытий 128
5.1. Прогнозирование долговечности шлаковых асфальтобетонов 128
5.2. Прогнозирование долговечности асфальтобетонов на основе отходов от фрезерования дорожных покрытий 134
5.3. Выводы по главе. 140
ГЛАВА 6. Внедрение асфальтобетона оптимального а состава для верхнего покрытия городских дорог 141
6.1. Расчет конструкции дорожных одежд 141
6.1.1. Исходные данные для расчета... 141
6.1.2. Расчетные параметры подвижной нагрузки 142
6.2. Расчет конструкции по допускаемому упругому прогибу 146
6.3. Определение расчетных характеристик грунта 147
> 6.4. Расчет сопротивления монолитных слоев при изгибе 148
6.5. Внедрение асфальтобетонов при ремонтах городских дорог 151
в.в. Технико-экономические показатели 152
6.7. Выводы по главе 157
Общие выводы 159
Библиографический список
- Использование активаторов для наполнителей асфальтобетонов
- Кварцсодержащие заполнители для асфальтобетона
- Разработка составов асфальтобетонов с добавками наполнителей из местных отходов промышленности
- Оценка деформационно-прочностных свойств асфальтобетона
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка технологии изготовления оптимальных составов асфальтобетонов на основе шлаковых заполнителей для Липецка и области является актуальной проблемой в связи с отсутствием природных плотных заполнителей для асфальтобетонов. Шлаковые асфальтобетоны имеют повышенную пористость и влагопроницаемость. Кроме того, за счет развитой поверхности доменные шлаки требуют повышенного расхода битума. В последние годы в асфальтобетоны на этих заполнителях не вводят порошки, так как некоторые ученые высказывают мнение, что шлаковые заполнители уже содержат пылевидные частицы, играющие роль наполнителя в асфальтобетоне. Минеральные порошки (наполнители) оказывают структурирующее действие на битумное вяжущее, повышая его теплостойкость и вяжущую способность, заполняют мелкие поры, которые все еще остаются в минеральном остове после добавки в основной каркас песка. Изготовление наполнителей из молотых горных пород или шлаковых материалов требует дополнительных энергозатрат на помол, поэтому использование готовых дисперсных отходов промышленности, таких как шлам ТЭЦ - отход от умягчения воды известью, также является актуальной проблемой охраны окружающей среды и утилизации этих отходов. В теории ИСК, разработанной Соломатовым В.И. и дополненной Рыбьевым И.А. подчеркивается необходимость создания плотных наполненных структур, что обеспечивает достижение максимальных эксплуатационных характеристик при минимальном расходе вяжущего вещества. При этом минимальная толщина битумной пленки с наибольшей эластичностью обеспечивает максимальную прочность сцепления минеральной части асфальтобетона с битумом. Эта структурированность битумной пленки обеспечивается путем введения в состав асфальтобетонной смеси определенного количества минерального порошка. В асфальтовяжущем веществе максимально плотной структуры битум и минеральный порошок находятся в оптимальном соотношении, нарушение которого приводит к резкому снижению его прочности. Оптимальные составы асфальтобетонов с введением наполнителей и активирующих добавок позволяют повысить плотность и водонепроницаемость шлаковых асфальтобетонов, снизить расход битума на обволакивание пористых запол-
нителей и минерального наполнителя. Использование активатора, обладающего гидрофобизующим действием, позволяет не только снизить расход битума в смеси, но и уменьшить поглощение легких фракций битума порами заполнителей, замедляя его старение. В связи с этим, оптимизация составов и технологии изготовления многокомпонентной шлаковой асфальтобетонной смеси является актуальной.
Цель диссертационной работы — разработка технологии изготовления асфальтобетонов на шлаковых заполнителях оптимальных составов с тонкодисперс-ньши отходами промышленности, обеспечивающей повышенные эксплуатационные характеристики асфальтового покрытия, а также их внедрение в практику строительства и ремонта автомобильных дорог.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-разработать технологию введения порошкообразных наполнителей и активаторов из гидрофобизующих добавок и применить интенсивную раздельную технологию, обеспечивающую ускорение технологического процесса;
-повысить плотность и водостойкость асфальтобетонов на пористых шлаковых заполнителях введением наполнителей из тонкодисперсных отходов местной промышленности;
-применение методов математического планирования эксперимента для оптимизации составов шлаковых асфальтобетонов;
-исследовать долговечность асфальтобетонного покрытия оптимального состава на основе шлаковых заполнителей и отходов от фрезерования шлаковых асфальтовых покрытий;
-внедрить оптимальные составы асфальтобетонов и произвести расчеты толщины слоев дорожной одежды с целью их оптимизации.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились асфальтобетоны на шлаковых и природных заполнителях, а также на отходах от фрезерования старых шлаковых покрытий. Теоретические исследования основывались на методах интенсивных раздельных технологий, принятых для искусственных строительных конгломератов (ИСК) и получении наполненных структур, обеспечивающих максимальную плотность и прочность асфальтобетонных покрытий и увеличе-
7 ниє их долговечности. При экспериментальных исследованиях применены методы математического планирования экспериментов ПФП-8 и ОЦКП. Методы испытаний соответствовали требованиям нормативно-технической документации. Для анализа полученных результатов использованы методы математической статистики и ЭВМ.
Научная новизна работы:
— теоретически обоснована возможность использования в качестве наполнителя тонкодисперсного шлама ТЭЦ, активированного гидрофобизующей добавкой ГКЖ-11 для асфальтобетонов на пористых шлаковых заполнителях. Экспериментально подтверждена возможность получения прочных и долговечных шлаковых асфальтобетонов с использованием в качестве наполнителя этого шлама, активированного ГКЖ-11. Введение этого активатора в шлам способствует не только его гидрофобизации, но и освобождению коллоидносвязанной воды и ускорению его обезвоживания, а также способствует замедлению процессов старения битума;
разработка структурно-технологических и математических моделей прогнозирования свойств дорожных покрытий шлаковых асфальтобетонов в зависимости от соотношения компонентов смеси с использованием критерия оптимальности, позволяющего выбрать их соотношение, обеспечивающее повышение физико-механических и деформативных свойств дорожного покрытия;
применение полиструктурной теории и разработка интенсивной раздельной технологии изготовления шлаковой асфальтобетонной смеси;
разработана методика прогнозирования долговечности шлаковых асфальтобетонов на шлаковых заполнителях и на отходах от фрезерования в условиях, имитирующих работу асфальтового покрытия в течение года;
подбор оптимальных соотношений компонентов шлаковой асфальтобетонной смеси с помощью уравнений регрессии, полученных в результате математического планирования эксперимента на ОЦКП.
комплексное использование зависимости физико-механических и деформативных свойств шлакового асфальтобетона от содержания компонентов.
Подана заявка на патент на оптимальный состав и способы изготовления шлакового асфальтобетона с наполнителем из шлама ТЭЦ и активатором из ГКЖ-11
8 №2003135730 «Асфальтобетонная смесь и способы ее изготовления» с приоритетом от 08 декабря 2003 г.
Практическое значение работы.
Улучшение физико-механических свойств асфальтобетона и повышение несущей способности и долговечности покрытий на шлаковых заполнителях.
Установлен оптимальный вид наполнителя из тонкодисперсных отходов местной промышленности - шлам ТЭЦ, и активирующей добавки к нему, обеспечивающие высокие показатели свойств асфальтовяжущего вещества. Утилизация этого шлама способствует уменьшению загрязнения окружающей среды промышленной зоны и снижению энергозатрат на помол.
С помощью математических методов планирования эксперимента получены оптимальные составы асфальтобетонов на основе шлаковых заполнителей, обеспечивающие получение экстремальных свойств асфальтобетонных покрытий. Этому способствует и применение интенсивных раздельных технологий при разных способах введения шлама в состав асфальтобетонной смеси.
Составлен технологический регламент на изготовление асфальтобетона оптимального состава по разработанной технологии.
Установлена возможность применения отходов от фрезерования старых шлаковых покрытий, и на основе прогнозирования долговечности установлена возможность эксплуатации таких асфальтобетонных покрытий в течение 10 лет при введении не более 1 % битумного связующего.
Оптимальный состав асфальтобетона по разработанной технологии принят к внедрению на АБЗ ОГУП «Доравтоцентр» и ОАО ДСП-1 г. Липецка и использован этими организациями в верхнем слое покрытий при ремонтах городских дорог г. Липецка в 2004 году. Общая площадь покрытия составила 24 тыс. м . Экономический эффект за счет снижения толщины верхнего слоя покрытия и стоимости материалов с учетом приведенных затрат составил 1238 тыс р. Результаты разработок и методики расчетов использованы в учебном процессе Липецкого государственного технического университета по специальности: 240400 - «Дорожное движение» по дисциплине «Дорожно-строительные материалы».
9 Значимость для теории и практики. Теоретические и экспериментальные
исследования позволили применить методику прогнозирования долговечности ИСК для асфальтобетонов и показать возможность применения в составах асфальтобетонов отходов ТЭЦ-2 и отходов от фрезерования старых асфальтовых покрытий. Это позволяет улучшить экологию промышленной зоны металлургического завода, тепловых электроцентралей, более рационально использовать отходы от фрезерования старых дорожных покрытий. Теоретически обосновано применение шлама ТЭЦ и активатора ГКЖ-11 по сравнению с другими активированными наполнителями.
Обоснованность и достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов, а также опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, не противоречащими выводам известных положений, сходимостью результатов испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование использования наполнителя из шлама ТЭЦ и активатора- гидрофобизующей жидкости ГКЖ-11 в составах асфальтобетонов.
разработанная раздельная интенсивная технология при изготовлении асфальтобетонной смеси, позволяющая ускорить процессы приготовления и активации порошка и асфальтобетонной смеси, повысить ее однородность и улучшить качество, несущую способность и долговечность покрытий.
технологические способы введения наполнителя из отходов ТЭЦ во влажном и сухом состояниях, позволяющие ускорить сушку тонкодисперсного шлама.
полученные с помощью математических методов планирования эксперимента зависимости свойств асфальтобетонов на шлаковых заполнителях от содержания наполнителя, активатора и битума, позволяющие без проведения дополнительных экспериментов прогнозировать показатели свойств верхнего слоя покрытий.
использование программных продуктов для обработки результатов планирования экспериментов и определения оптимальных составов асфальтобетона с помощью критерия оптимальности.
методика прогнозирования долговечности асфальтобетонов по результатам длительных испытаний образцов в условиях, имитирующих работу дорожного покрытия в течение года.
разработанная конструкция дорожной одежды, позволившая уменьшить толщину верхнего слоя из оптимального состава без снижения несущей способности.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований были доложены и обсуждены на:
международной научно-технической конфер. (НТК) в г. Брянске в 2001 г.;
международной студенческой НТК в г. Белгороде в 2001 г.;
НІЖ, посвященной 45-летию ЛГТУ в г. Липецке в 2001 г.;
международном студенческом форуме "Образование, наука, производство" в г. Белгороде в 2002 г.;
студенч. конференциях ФИТ и ИСФ ЛГТУ в г. Липецке в 2002 и 2003 гг.;
10-ой международной НПК «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов», проведенной в г. Пензе в 2002 г.;
3-й международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» в г. Туле в 2002 г;
международной интернет-конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» БГТУ им. ВТ. Шухова в г. Белгороде в 2003 г.;
НПК преподавателей и сотрудников, посвященной 30-летию НИС ЛГТУ в 2003 г.;
областной НПК «Наука в Липецкой области: истоки и перспективы» в г. Липецке в феврале 2004 г.
НПК Марийского государственного технического университета в г. Йошкар-Ола в 2004 г.;
НТК сер. «Дорожно-транспортное строительство» в г. Воронеже в 2004 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 научных работ, общим объемом 43 с, из них автору принадлежит 28 с.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Она включает 184 страницы, из них 167 страниц основного текста, 34 таблицы, 26 иллюстраций, 105 наименований используемой литературы и 6 приложений.
Использование активаторов для наполнителей асфальтобетонов
Исследователи [19] в условиях Северных районов рекомендуют наряду с использованием модифицированных битумов применять армирующую сетку ССГ-100 с ячейками 30x30 мм, изготовляемую ПО «Тверстекло», обладающую высокими прочностными и низкими деформационными показателями. Этот трещинопреры-вающий слой состоит из специально подготовленного каменного материала, а покрытие включает слой асфальтобетонной смеси толщиной 6см, сплошной настил армирующей сетки ССГ-100 и выравнивающий слой толщиной 3...6 мм. Применяются также для повышения долговечности покрытия тонкие макрошероховатые слои износа с повышенным содержанием щебня. Такой способ резко усложняет технологию устройства дорожных покрытий и наряду с использованием модифицированного битума и значительно увеличивает стоимость выполнения работ.
Исследователи и практики [19] и [20] рекомендуют улучшать качество дорожных покрытий применением наполнителя из молотой известняковой или доломитовой муки. По данным [20] установлено, что обработкой ПАВами местных известняков в процессе дробления, можно получать асфальтобетоны повышенной прочности, морозостойкости и гидрофобности. На Ново-Охтинском известковом заводе работает такая линия, производительностью 10...12 т/ч, при этом модификация осуществляется отходами химической промышленности - кубовыми остатками ректификации стирола. Наиболее эффективная растяжимость и эластичность покрытия при пониженных температурах достигается при применении в качестве модификатора смеси бутадиен-стирольных сополимеров с тяжелой смолой пиролиза нефти или тяжелыми гудронами. Такой модификатор выпускает Ангарская нефтеперерабатывающая компания (АНК). Битум с такой добавкой является модифицированным. Для наших регионов также было бы целесообразно выпускать централизованно активированный наполнитель, повышающий качество асфальтобетонной смеси до уровня модифицированного битума. При этом стоимость такой смеси значительно ниже, чем при применении модифицированного битума, а активаторы наполнителя выпускаются местными химзаводами: Данковским АО «Силан» и Воронежским заводом синтетических каучуков. Наполнители из известняка могут изготовляться тонким помолом отсевов при дроблении известняков Студеновского Елецкого и Донского карьеров, которые в настоящее время используются только для известкования почв или вывозятся в отвалы, загрязняя окружающую среду.
Некоторые ученые [21...22] большое внимание уделяют правильному подбору составов асфальтобетонов и методов их испытаний, включая прогнозирование их долговечности по методу [23], подчеркивая важность введения наполнителей. По мнению [21], достаточно правильного подбора соотношения битум: минеральный порошок (Б/МП), его суммарного количества (Б+МП), соотношения песка и щебня (П/Щ), особенно для литых и вязкопластичных смесей с применением виброуплотнения. Этим способом решается проблема получения качественного долговечного покрытия. Для обеспечения шероховатости рекомендуется укладка верхнего слоя высокопористой асфальтобетонной смеси толщиной 20 мм. Метод вибролитья, по данным этих ученых, применялся на дорогах от Подмосковья до Краснодара, включая ЦЧО, еще 25-30 лет назад, и работы выполненные фирмой Кубаньдорблагоуст-ройство в 1998-99 гг. доказали эффективность и надежность метода без применения дорогостоящих и дефицитных материалов и оборудования.
Наиболее эффективными способами повышения качества дорожных покрытий, по мнению многих исследователей [24...29], является применение битумных эмульсий с катионоактивными эмульгаторами, выпуск которых уже освоен рядом заводов, в том числе - в Липецкой и Воронежской областях. Эмульсии могут применяться как для поверхностной обработки, так и для подгрунтовки старых покрытий и при ямочных ремонтах, особенно с использованием обратной пропитки. Нанесение слоев износа производится с целью изоляции дорожной одежды от проникновения влаги, увеличения коэффициента сцепления и предотвращения разрушения верхних слоев покрытия в процессе эксплуатации. Кроме того, такой слой осуществляет корректировку формы покрытия, продольных и поперечных деформаций, а также создает окончательную поверхность с большим сопротивлением скольжению, аналогично горячему асфальтобетонному покрытию.
Битумные эмульсии катионного типа признаны во всем мире более эффективными, чем горячие битумы. Эмульсии могут применяться как для поверхностной обработки, так и для подгрунтовки старых покрытий и при ямочных ремонтах, особенно с использованием обратной пропитки. [24].
Для Центрально-черноземных областей целесообразно применять катионоак-тивные битумные эмульсии класса ЭБК-2, ЭБК-3 и раствор каучука для модифицирования битума, выпускаемые Воронежскими предприятиями. Катионоактивная битумная эмульсия ЭБК-2 с концентрацией битума 60% рекомендуется для ямочных ремонтов дорожных покрытий инжекторным способом. Эмульсия ЭБК-3 с концентрацией битума 62% - для устройства тонких слоев износа дорожных покрытий. Применение этих эмульсий апробировано Воронежавтодором совместно с фирмами США еще в 1997 году. Преимуществом этого способа является возможность выпол 20 нения ямочных ремонтов независимо от погодных условий и сразу по завершении ремонта открывать движение транспорта. Ускоряются также темпы ремонтных работ, снижается энерговооруженность (снижается количество дорожно-строительной техники, используемой в процессе ремонта) [25].
Повышение износостойкости дорожных покрытий обеспечивается нанесением слоев износа также из литых эмульсионно-минеральных смесей по методу «Слари-Сил» [24...25]. Такое покрытие имеет толщину 5... 15 мм и наносится машиной непрерывного действия, с целью изоляции дорожной одежды от проникновения влаги, увеличения коэффициента сцепления и предотвращения разрушения верхних слоев покрытия в процессе эксплуатации. Кроме того, такой слой осуществляет корректировку формы покрытия, локализацию продольных и поперечных деформаций, а также создает окончательную поверхность с большим сопротивлением скольжению, аналогично горячему асфальтобетонному покрытию. Тонкий слой «Слари-Сил», по данным авторов, обеспечивает низкую пористость, высокое сопротивление деформациям, является гибким, самовыравнивающимся, а катионоактивные битумные эмульсии создают устойчивые связи.
Однако некоторые ученые [26] отмечают, что для южных районов, использующих парафиносодержащие, а также высокосернистые битумы невозможно получать устойчивые качественные эмульсии. Исследователями установлено, что эмульсии относятся к аномальным системам, обладающим устойчивыми структурно-механическими свойствами при температуре ниже 40 С. При более высоких температурах растет гидравлическое сопротивление, осложняется транспортирование и проведение различных технологических операций при поверхностной обработке дорожных покрытий. Одним из наиболее эффективных способов улучшения реологических свойств битумных эмульсий признано использование малорастворимого реагента ГРМ и его водорастворимых натриевых солей.
Кварцсодержащие заполнители для асфальтобетона
В качестве мелкого заполнителя, также для сравнения, применялся овражный кварцевый песок Сенцовского карьера, имеющий остроугольную форму зерен, обеспечивающую высокое сцепление с органическим вяжущим, по сравнению с окатанной формой зерен речного песка. Зерновой состав песка, определяемый нами в соответствии с требованиями ГОСТ 8735-88 [70], представлен в таблице 2.3.
Частные остатки находили в процентах от массы, взятой для просеивания пробы, а полные — по сумме частных остатков на более крупных ситах и остатка на данном сите (как если бы не было более крупных сит). Проход через сито данного размера определяли по разности 100 минус полный остаток.
Как видно из таблицы 2.3, зерновой состав песка является непрерывным, удовлетворяет требованиям ГОСТ 8735-88, т.е. обеспечивает максимально плотную упаковку зерен. По модулю крупности, который определяется по сумме полных остатков (Aj) на ситах от 2,5 до 0,14 мм, деленной на 100:
Мк = (А2)5 + Ао,25 + А0,бз +А0,315 + А0,14)/100, (2.2) как видно из таблицы 2.3., равен 2,42, песок исследованного зернового состава относится к среднезернистым, т.к. Мк находится в пределах 2...2,5. Содержание пылевидных частиц в песке не превышает 3%, следовательно, и глинистые частицы, способствующие деформативности бетона, присутствуют в минимальном количестве. Такой песок не требует промывки перед применением в составах асфальтобетонов. По содержанию частиц, проходящих через сито данного размера, песок также удовлетворял требованиям ГОСТ 8736-93 [71] по величине проходов через сита по ГОСТ 9128-97.
Насыпная плотность песка составляет 1560 г/см , или 1,56 г/см , а истинная плотность - 2,67 г/см . Пустотность в насыпном состоянии, рассчитанная по формуле (2.1), составляет 42%, что ниже требуемых по ГОСТ не 48%.
Выполненные испытания песка позволяют считать его удовлетворяющим требованиям [71], и пригодным к использованию в составах асфальтобетонов.
По ГОСТ 9128-97 [61] допускается применение в составах асфальтобетонов в качестве наполнителей молотых карбонатных горных пород, основных или кислых металлургических шлаков, зол - уноса, измельченных золошлаковых смесей и пыли - уноса цементных заводов. Однако на помол доменных шлаков и золошлаковых смесей также требуется расход энергии, а золы теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) с переводом почти всех котельных на газовое отопление практически отсутствуют.
Пыль уноса цементных заводов используется в производстве этих заводов и в строительстве. Поэтому объемы этих отходов недостаточны для использования в составах асфальтобетонов при капитальных ремонтах дорожных покрытий. В настоящей работе такие наполнители, как цементная пыль и молотый известняк, рекомендованные нормативными документами в качестве основных наполнителей для асфальтобетонов, исследовались для сравнения с тонкодисперсными наполнителями из отходов местной промышленности. Химический состав этих наполнителей приведен в таблице 2.4., а зерновой состав — в таблице 2.5. Из таблицы 2.4 видно, что по содержанию основных оксидов СаО и MgO все они, за исключением шлама аглофабрики, относятся к карбонатам, которые, как было указано выше, обеспечивают хорошее сцепление с органическими вяжущими. По зерновому составу, представленному в таблице 2.5., все исследованные материалы, за исключением молотого известняка, помол которого может осуществляться до любой тонкости, включали более 70% зерен мельче 0,071 мм и следовательно, удовлетворяли требованиям ГОСТ 16557-78 [72] к минеральным наполнителям для асфальтовых растворов и бетонов.
По ГОСТ 9128-97 [61] допускается применять в качестве наполнителей в асфальтобетоны минеральные порошки промышленных отходов (молотых основных металлургических шлаков, зол уноса и измельченных золошлаковых смесей, пыли — уноса цементных заводов). В настоящей работе исследованы неиспользуемые местные промышленные отходы: шлам Липецкой ТЭЦ-2, получаемый при осветлении и умягчении воды известкованием и коагуляцией для снижения содержания солей; шлам аглофабрики и шлам силикомарганца (Si-Mn), получаемый улавливанием пыли шлаков ферросилиция и ферромарганца ферросплавного цеха ОАО «НЛМК». Составы их даны в таблицах 2.4 и 2,5. Физико-механические свойства, определяемые по ГОСТ 12784-78 [73], представлены в таблице 2.6. Все они являются тонкодисперсными отходами местной промышленности и не требуют дополнительных энергозатрат на тонкий помол.
Разработка составов асфальтобетонов с добавками наполнителей из местных отходов промышленности
По мнению многих исследователей [31,62,93,94], структура полученного конгломерата асфальтобетона может быть оптимальной и неоптимальной. Оптимальная структура характеризуется; равномерным распределением по объему заполнителя, фаз, компонентов, пор и других составляющих ее элементов; отсутствием или минимальным содержанием дефектов как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды; наличием непрерывной пространственной сетки, или матрицы, из вяжущего вещества; минимальным значением отношения массы среды к массе твердой фазы, именуемого условно как фазовое отношение; наибольшей плотностью упаковки твердых частиц как в микро-, так и в макроструктурной частях. Не всегда изделие обладает одинаковой оптимальной структурой во всех своих деталях, например, поверхностный слой может отличаться от его внутренней части. Однако оптимальная структура всегда является отражением принятых структурных особенностей формирования ее в производственных условиях. Неоптимальными называют структуры, которые не удовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных условий оптимальности.
При одинаковой технологии изготовления смеси и других одинаковых условиях можно получить неограниченное количество неоптимальных структур, гораздо меньше - оптимальных и одну - две рациональных. К последним относятся оптимальные структуры, при которых конгломерат в полной мере соответствует заданным показателям качества, а также реальным параметрам производства. При проектировании важно остановиться на составе, при котором структура, сформировавшаяся при данной технологии и принятых режимах, является не только оптимальной, но и рациональной.
Оптимальным структурам соответствуют улучшенные показатели качества материалов по сравнению с неоптимальными структурами. В теории ИСК разработан, а в практике используется общий метод проектирования оптимальных составов и оптимальных структур различных безобжиговых и обжиговых материалов. С его помощью получают из принятых компонентов материал, удовлетворяющий заданным техническим требованиям при оптимальной структуре. Достоинство таких структур заключается также в подобии их между собой, то есть принципиальную общность закономерности, вскрываемой в отношении какого-либо одного материала.
Исходя из вышесказанного, очень важным при разработке оптимальных составов асфальтобетонов является поиск и исследование не только оптимальных, но и рациональных структур, соответствующих наиболее высоким показателям качества полученного конгломерата и принятой технологии. Именно этой цели и посвящена четвертая глава данной работы.
Асфальтобетоны на шлаковых заполнителях имеют повышенную пористость, вследствие пористости доменных шлаков, получаемых медленным охлаждением из расплава в шлаковых траншеях [31]. При этом за счет газовыделений зерна шлака приобретают пористую структуру и на их поверхности присутствуют открытые поры. Это приводит к необходимости увеличения расхода битума, который не полиостью заполняет поры, особенно капиллярные, и асфальтобетон сохраняет значительную пористость. При увлажнении такой бетон имеет повышенную набухаемость и недостаточную водо- и морозостойкость.
Для Липецкой области, не имеющей природных запасов твердых и плотных заполнителей, проблема повышения плотности асфальтобетона на шлаковых заполнителях весьма актуальна, тем более что два металлургических комбината ОАО «НЛМК», и ОАО «Свободный Сокол» производят заполнители из доменных шлаков в объемах, способных обеспечить дорожное строительство не только своей области, но и соседних регионов.
В настоящих исследованиях задачу повышения плотности асфальтобетонов на основе шлаковых заполнителей решали по нескольким направлениям: 1. Введением наиболее эффективных наполнителей. 2. Введением в наполнитель активирующих и гидрофобизующих добавок из кремнийорганических жидкостей (ГКЖ), выпускаемых Данковским АО «Силан». 3. Применением математических методов планирования эксперимента для определения оптимальных составов. 4. Получением наполненных плотных структур оптимальных составов. 5. Применением раздельных интенсивных технологий.
Предварительными испытаниями (см. главу 3), с введением наполнителей из отходов местной промышленности, было установлено, что наиболее благоприятное влияние, как на свойства битума, так и на асфальтобетон, оказывает добавка из шлама Липецкой ТЭЦ-2, получаемой от осветления воды известкованием.
Применение шлама ТЭЦ в промышленности строительных материалов затруднено из-за высокой его влажности, достигающей 90%, и влага при сушке удаляется с трудом из-за высокой дисперсности частиц. В ней, по-видимому, присутствуют и остатки некарбонизированной извести, которая, как известно, обладает повышенной водоудерживающей способностью из-за склонности иона Са к комплексообразованию. Кроме того, тонкодисперсные частицы извести удерживают большое количество коллоидносвязанной воды, удаление которой требует значительных энергозатрат. При сушке в распылительных сушилах или в «кипящем слое» тонкодисперсные высушенные частицы шлама увеличивают объемы пылеуноса теплоносителем, что требует значительных затрат на газоочистку.
При введении шлама в виде пульпы, описанной в главе 3 технологией, вода быстро впитывается порами, а частицы тонкодисперсного известняка заполняют и прочно сцепляются со шлаковыми зернами за счет сродства химико-минералогической природы (шлаки состоят преимущественно из низкоосновных силикатов кальция). Влага из заполнителя при его нагревании удаляется значительно легче, чем из шлама, ввиду небольшой толщины его на зернах заполнителей, а пылеунос не возрастает, благодаря впитыванию влаги из шлама в поры заполнителя. В свою очередь, это снижает расход вяжущего, за счет закупорки поверхностных пор шламом.
Оценка деформационно-прочностных свойств асфальтобетона
Изолинии критерия оптимальности при содержании наполнителя h= 3,5% С помощью вышеописанной функции Maximize программного пакета Mathcad получили минимально возможное значение критерия оптимальности и соответствующие ему сочетания факторов рационального состава смеси: Ґ4.095 Minimize(k, h, b, a) = 10.43 3.579 k(4.905,l 0.43,3.579) = 4.611
Поэтому, можно утверждать, что полученные ранее интервалы изменения параметров действительно являются рациональными, поскольку минимальное значение критерия оптимальности попадает в указанные интервалы: содержание наполнителя в оптимальном составе должно быть в пределах 4...6%, содержание битума хоть и должно находиться на границе исследованного интервала - 10,43%. С увеличением критерия оптимальности ухудшаются параметры оптимизации: снижается прочность, повышается водопоглощение. Снижение расхода битума до 8% не вызывает значительного увеличения параметров оптимизации и критерия оптимальности; содержание активатора следует принимать 2...3,6%, При этом количество наполнителя снижается до 5,2%, чему соответствуют значение критерия - менее 9.
Таким образом, полученная математическая модель планирования эксперимента позволяет получать оптимальные и рациональные составы асфальтобетонов с учетом не одного отдельного отклика, а сразу всех установленных зависимостей. Рациональным следует считать состав асфальтобетона, состоящий из наполнителя в количестве 4...6%, битума - 8%, активатора ГКЖ-11 - 2...3,5 %. Качество полученного асфальтобетона, оцененное с помощью описанных уравнений, представлено значениями: водопоглощения, % по объему: 2...2,2; водонасыщения в течение 15 суток - 2,49.. .3; прочности сухих образцов - 3.. .3,4 МПа; прочности при сжатии после длительного водонасыщения в течение 15 суток - 3,8.. .4,1 МПа.
Следует отметить, что полученные значения прочности в 1,5...2 раза превышают требуемую по ГОСТ 9128, что свидетельствует о высоком качестве полученных асфальтобетонов оптимального состава. Максимальная прочность достигается пори 8%-ном содержании битума в смеси. При этом значения водопоглощения находятся в требуемых по ГОСТ пределах (1,5...4%) для плотных асфальтобетонов. Дальнейшее увеличение его количества приведет к снижению прочности т.к битум после полного отверждения за счет усадки образует микротрещины, снижающие прочность. Разницу между образцом с повышенным содержанием битума и структуру наполненного асфальтобетона оптимального состава можно увидеть на рисунке 4.7.
Показатель вязкости характеризует вязкопластические свойства асфальтобетона. Поэтому его деформационную устойчивость в летнее время и при отрицательных температурах оценивают с помощью неизменяющегося физического показателя - его вязкости, выраженной в пуазах [17,31,62], Вязкость ненарушенной структуры шлакового асфальтобетона исследовалась нами до насыщения образцов в воде и после длительного водонасыщения в течение 15 суток методом осаживания образцов цилиндрической формы при фиксированной скорости деформирования 3 мм/мин и температуре 20 С. Вязкость л в пуазах вычисляли по формуле (2.6).
Кинетика изменения вязкости ненарушенной структуры в зависимости от содержания битума представлена на рисунке 4.8 для ненасыщенных образцов в 7-дневном возрасте твердения и после длительного насыщения в воде. Графики были получены при помощи указанного выше программного продукта Mathcad из уравнений регрессии, составленных при планировании эксперимента по плану ОЦКП для ненасыщенных (4.21) и насыщенных образцов(4.22) в кодированных значениях: ті(Хі,хЇ5х3)=1.124+0Л68 Xi+0.081 x2-0.I4I x3-0.Q25 xt x2-0.042 x2 x3-0.043 Xi x3-0.078 x,2-0.355 x2J-0.25 x32 (4.21) іі(Хьх2Дз)= 1-473-0.023 Xi+0.325 x2+0.058 x3+0.175 x, x2+0.078 x2 x3+0.12 Xi x3-0.081 x +0.091 x22-0.325 x32 (4.22) Сод ержани Е 6 итума,-%
Для получения этих зависимостей в уравнения подставлялись значения кодированных факторов Xj и х3, соответствующие максимально возможной вязкости ненарушенной структуры по (4.21) и (4.22). В первом случае количество наполнителя было максимальным, а активатора - 3,2%, во втором случае для образцов после длительного водонасыщения — количество наполнителя такое же, а активатора а=4.9%.
Анализ рисунка 4.8. показывает, что наибольшая вязкость ненарушенной структуры в асфальтобетоне в 7-дневном возрасте твердения обеспечивается при содержании битума 8%, которое является оптимальным В этом случае достигается наиболее равномерное распределение битума по поверхности минеральных зерен, тесное их сближение при уплотнении, пленка битума становится более плотной и упругой, повышается сдвигоустойчивость асфальтового покрытия. Повышение значений вязкости ненарушенной структуры после длительного водонасыщения асфальтобетона при увеличении количества битума свидетельствует о том, что даже при воздействии влажной среды продолжаются процессы структурообразования. Этот рост обусловлен утолщением битумной пленки и улучшением обволакивания минеральных зерен смеси. Однако, при оптимальном его количестве - 8% снижения показателя вязкости ненарушенной структуры после длительного водонасыщения не происходит. Поскольку максимальные значения вязкости получены при наибольшем рсходе наполнителя следовательно наполнитель способствует более тесному сближению минеральных зерен и, улучшению реологических свойств.
