Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих технологий устройства и опыта применения шероховатых защитных и замыкающих слоев покрытий . 11
1.1. Проблемы эксплуатационной устойчивости шероховатых защитных слоев и замыкающих слоев покрытий. 11
1.2. Повышение стабильности шероховатости защитных слоев покрытий на основе органоминеральных смесей. 18
Выводы по 1 главе. 26
2. Исследование факторов, обусловливающих устройство защитных слоев автомобильных дорог с применением открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона. 27
2.1. Основные принципы модифицирования вяжущих полимерами и выбор оптимальной добавки. 27
2.2. Систематизация критериев повышения эксплуатационных свойств БМО смесей и покрытий из них. 36
2.3. Анализ химических и физико-механических процессов, протекающих при холодном фрезеровании асфальтобетонных покрытий. 40
Выводы по 2 главе. 49
3. Разработка технологии полимерного армирования защитного слоя покрытия автомобильных дорог и комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей . 50
3.1. Методика проведения эксперимента и характеристика исследуемых материалов. 51
3.2. Разработка технологии приготовления полимерно-армирующего вяжущего и компонентов комплексной модификации для БМО смесей , 63
3.2.1. Влияние полимерно-армирующей добавки АрмПЭВА, пластификатора - мазут и технологических факторов на физико-механические характеристики вяжущего. 64
3.2.2. Исследование процессов старения разработанных вяжущих для БМО смесей. 69
3.2.3. Физико-химические исследования полимерно-армирующего вяжущего. 77
3.3. Разработка технологии полимерного армирования и комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей. 83
3.3.1. Полимерное армирование БМО смесей и влияние компонентного состава и технологических факторов на их свойства. 83
3.3.2. Технология комплексной модификации и оказываемое ей воздействие на открытые битумоминеральные смеси. 92
3.3.3. Исследование влияния полимерного армирования и комплексной модификации на сдвигоустойчивость БМО смесей и параметры шероховатости. 97
3.4. Моделирование составов и прогнозирование свойств полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей. 103
Выводы по 3 главе. 122
4. Технология устройства и технико-экономическая эффективность применения полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей . 124
4.1. Эксплуатационные свойства БМО смесей и технология устройства экспериментальных участков. 124
4.2. Технико-экономическая эффективность предлагаемых вариантов устройства замыкающего слоя покрытия. 128
Выводы по 4 главе. 131
Общие выводы. 132
Литература. 134
Приложение 149
- Повышение стабильности шероховатости защитных слоев покрытий на основе органоминеральных смесей.
- Систематизация критериев повышения эксплуатационных свойств БМО смесей и покрытий из них.
- Разработка технологии приготовления полимерно-армирующего вяжущего и компонентов комплексной модификации для БМО смесей
- Технико-экономическая эффективность предлагаемых вариантов устройства замыкающего слоя покрытия.
Введение к работе
В настоящее время в связи с ростом скоростей, интенсивности и грузонапряженности движения транспортных средств в условиях ограниченного финансирования дорожной отрасли повышение качества работ по обеспечению эксплуатационных и надежных сцепных свойств слоев износа и тонких слоев покрытий на максимальный (максимально возможный) срок службы является актуальной и важной задачей дорожников.
Анализ современных методов устройства тонких шероховатых слоев покрытий и слоев износа, и опыт их использования в дорожном строительстве, показал что большинство смесей (материалов) в течение 1-3 лет эксплуатации теряют свои преимущества, а недостатки их наоборот начинают проявляться: исчезает шероховатость, проявляются отраженные или температурные трещины, происходит частичное разрушение слоя, появляются выбоины, различные деформации: наплывы, волны, колеи.
Анализ литературы, приведенный в главе 1 показывает, что для повышения сцепных и эксплуатационных свойств, в качестве материала для тонких слоев покрытий и слоев износа, особенно в Южных регионах России представляет интерес использование открытых битумоминеральных смесей.
Важное значение имеют: каркасная структура БМО, высокие фрикционные свойства, отличная износостойкость, а также стабильность этих свойств во времени под воздействием транспортного потока и погодно-климатических факторов.
Результаты законченных научно-исследовательских работ и практический опыт отечественных и зарубежных фирм свидетельствует об эффективности применения материалов, модифицированных разного рода полимерными, дисперсными и волокнисто-армирующими добавками.
Одним из важнейших факторов, влияющих на физико-механические показатели битумосодержащих дорожно-строительных материалов и их стабильность во времени, является качественное битумное вяжущее. В
настоящее время дорожные битумы по многим показателям не удовлетворяют требованиям нормативных документов, и в значительной степени предрасположены к ускоренному старению и потере своих реологических свойств. Для обеспечения оптимального уровня эксплуатационной надежности открытых битумоминеральных смесей ставится задача получения полимерно-армированного вяжущего с повышенными: температурной устойчивостью, деформативностью, эластичностью, адгезией, устойчивостью к старению.
В прогнозах на 2003-2010 гг. дорожные покрытия должны выдерживать
длительное время увеличенные нагрузки интенсивного движения, а также
обеспечить безопасность движения при возрастающих скоростях
автотранспорта. Для обеспечения этих условий необходимо одновременное
повышение реологических свойств вяжущего, повышение
сдвигоустойчивости и шероховатости материала покрытия.
В связи с вышеизложенным, в настоящей работе поставлена задача по созданию новых открытых битумоминеральных смесей с повышенной прочностью, сдвиго- и грещиностойкостью, а также по исследованию возможности замены части кондиционных каменных материалов промышленными отходами - сфрезерованным асфальтобетоном.
Это позволяет считать проблему повышения прочности, сдвиго-, третино- и коррозионной устойчивости открытых битумоминеральных смесей, решаемую в этой работе весьма актуальной.
Цель диссертационной работы: разработать эффективное покрытие дорожной одежды автомобильной дороги с повышенной трещино- и водостойкостью, а также сдвигоустойчивостью при высоких температурах на основе полимерно-армированной и комплексно-модифицированной открытой битумоминеральной смеси.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
установить факторы, влияющие на структурные свойства вяжущего и БМО смесей обеспечивающие повышение сдвиго- трещинно- и коррозионной устойчивости замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий;
исследовать факторы, обусловливающие устройство защитных слоев покрытия автомобильных дорог с применением открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона.
-разработать технологию полимерного армирования защитного слоя покрытия автомобильных дорог и комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей.
- провести опытно производственную проверку полученных БМО смесей
в условиях Юга России и оценить эффективность устройства защитных и
замыкающих слоев из них.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- выявлен механизм воздействия комплексной модификации с помощью
полимерно-армирующей добавки АрмПЭВА, пластификатора и
сфрезерованного асфальтобетона на процессы структурообразования и
эксплуатационные свойства открытых битумоминеральных смесей
защитного слоя покрытия автомобильной дороги;
- достигнуто повышение прочности, водо- и трещиностойкости,
сдвигоустойчивости защитного слоя покрытия путем образования
интерполимерной структуры в полученном полимерно-армированном
вяжущем для БМО смесей;
- установлен и смоделирован процесс, замедляющий старение вяжущего
в БМО смесях при введении в их состав сфрезерованного асфальтобетона и
пластифицирующей добавки.
7 Практическое значение работы:
- разработана технология полимерного армирования и комплексной
модификации открытых битумоминеральных смесей, обеспечивающие
повышение коррозионной и сдвигоустоичивости, теплостойкости и
прочности замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий при
строительстве и ремонте;
- получены экспериментально-статистические модели прочности при О С
50С и 60СС, длительного водонасыщения, сцепления вяжущего и
а коэффициента внутреннего трения.
- использование БМО смесей более чем в 2 раза увеличивает срок
службы шероховатого слоя покрытия, экономический эффект на 1 км
покрытия за расчетный срок службы составляет по первому и второму
вариантам, соответственно 915090 и 1143847 руб., а на момент
строительства 179760 и 354051 руб., соответственно,
- по результатам проведенных исследований разработаны методические
рекомендации по применению полученных БМО смесей, а также поданы
заявки и получены патенты РФ 2196750 от 27.04. 2001 и 2241012 от 27.
11.2003 года, а также на рассмотрении находится заявка № 2004117304/03 от
7.06.2004.
На защиту выносятся:
результаты исследований, направленных на получение открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами;
исследования, проведенные для выявления механизмов воздействия на свойства и структуру открытых битумоминеральных смесей полимерно-армирующей добавки, сфрезерованного асфальтобетона, а также пластификатора - мазута;
экспериментальное подтверждение результатов теоретических
исследований, показавших правомерность выводов и заключений о
целесообразности комплексной модификации открытых
8 битумоминеральньгх смесей для улучшения их эксплуатационных качеств.
Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (1999-2004 г.г.) и др. международных конференциях: Iм международная научно-практическая конференция), "Строительство - 99" (Ростов-на-Дону, 1999 г.), международная научно-практическая конференция «Строительство - 2000», (Ростов-на-Дону, 2000 г.), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технические решения по повышению надежности автомобильных дорог и искусственных сооружений» (Краснодар, 2001 г), международная научно-практическая конференция «Строительство - 2001», (Ростов-на-Дону, 2001), конференция «Концепция современного развития автомобилестроения и эксплуатации транспортных средств», (Новочеркасск, 2001), международная научно-практическая конференция «Строительство -2001», (Ростов-на-Дону, 2001), Всероссийская научно-практическая конференция «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог» (Краснодар, 2002), научно-практическая конференция «Новые технологии и материалы применяемые при содержании автомобильных дорог. Использование технологии холодного ресайклинга при реконструкции автомобильных дорог» (Ростов-на-Дону, 2002), международная научно-практическая конференция «Строительство - 2003», (Ростов-на-Дону, 2003), юбилейная Международная научно-практическая конференция «Строительство «2004» (Ростов-на-Дону, 2004), научно-техническая конференция «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Пермь,2004).
Публикации:
1. Меркулова С.А., Дьяков К.А. Фокин Д.А. Исследование
структурных свойств битумов, получаемых на окислительных установках в
9 условиях АБЗ// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство - 99». - Ростов н/Д: РГСУ, 1999. - С. 20.
2. Углова Е.В,, Вислобоков Е.М., Дьяков К.А. Температурная и
сдвиговая устойчивость асфальтобетонов с добавками гранулированного
термоэластопласта// Сборник Международной научно-практической
конференции «Строительство 2000». - Ростов н/Д: РГСУ, 2000. С.9-10.
Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Дисперсно-армированный асфальтобетон// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Современные технические решения по повышению надежности автомобильных дорог и искусственных сооружений». - Краснодар: КубГТУ, 2001. - С.56-58.
Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Асфальтобетон повышенной прочности и сдвигоустойчивости// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство - 2001». - Ростов н/Д: РГСУ, 2001. -С.3-4.
5. Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Комплексное вяжущее
для верхних слоев асфальтобетонных покрытий// Материалы конференции
«Концепция современного развития автомобилестроения и эксплуатации
транспортных средств» - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - С.228-231.
Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Вяжущее для дисперсно-армированного асфальтобетона// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство - 2002». - Ростов н/Д: РГСУ, 2002. - С.7-9.
Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Дьяков К.А. Вяжущее, модифицированное полиэтиленом совмещенным с винил-ацетатом// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог». - Краснодар: КубГТУ, 2002. - С. 72-74.
Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Дьяков К.А. Вяжущее, модифицированное полиэтиленом совмещенным с винил-ацетатом и
10 асфальтобетон на его основе// Материалы научно-практической конференции «Новые технологии и материалы, применяемые при содержании автомобильных дорог. Использование технологии холодного ресайклинга при реконструкции автомобильных дорог». - Ростов н/Д: РГСУ, 2002. - С.38-43.
9. Дьяков К.А. Асфальтобетон с использованием полиэтилен-винил-
ацетата// Сборник Международной научно-практической конференции
«Строительство - 2003». - Ростов н/Д: РҐСУ, 2003. - С. 30 - 32.
10. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Дьяков К.А. Открытые
битумоминеральные смеси для верхних слоев покрытий и шероховатых
слоев износа// Региональный ежегодный сборник научных трудов «Дальний
Восток: Автомобильные дороги и безопасность движения». - Выпуск №3. -
Хабаровск: ХГТУ, 2003г. - С. 13 - 22.
11. Илиополов С.К., Дьяков К.А., Саенко С.С. Экономичный материал
для шероховатых слоев дорожных покрытий// Материалы юбилейной
Международной научно-практической конференции «Строительство «2004».
- Ростов-на-Дону: РГСУ, 2004. - С. 9 - 11.
12. Дьяков К.А., Дементьев Д.В. Использование фрезерованного
асфальтобетона в открытых битумоминеральных смесях// Материалы
научно-технической конференции «Проблемы проектирования,
строительства и эксплуатации автомобильных дорог». - Пермь: ПГТУ, 2004.
- С. 89 - 92.
13. Дьяков К.А. Надежное сцепление - залог безопасности движения.
Известия Ростовского государственного строительного университета. - 2004.
- №8. - С. 258.
14. Патент РФ № 2196750 от 27.04.2001 г «Асфальтобетонная смесь».
15. Патент РФ № 2241012 от 27.09.2003 г «Катионная битумная
эмульсия для дорожного строительства».
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ УСТРОЙСТВА И ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ШЕРОХОВАТЫХ ЗАЩИТНЫХ СЛОЕВ
ПОКРЫТИЙ.
Повышение стабильности шероховатости защитных слоев покрытий на основе органоминеральных смесей.
Назначение слоя износа - предохранить основной слой покрытия от истирания и разрушения, и вместе с тем слой износа должен обеспечить необходимые эксплуатационные качества поверхности дороги - ровность, достаточное сцепление колеса автомобиля с покрытием при любых погодных условиях и т. п. [74, 80-82]. К верхнему слою покрытия, помимо вышеперечисленных, предъявляются также высокие эксплуатационные и физико-механические требования.
Для тонких и сверхтонких слоев износа используют следующие материалы: различные разновидности поверхностных обработок, сларри сил, microsurfacing, ЛЭМС, в том числе и щебеночный его вариант ЛЭМСщ, щебеночно-мастичный асфальт (ЩМА), горячие асфальтобетоны, холодные битумоминеральные смеси, открытые битумоминеральные смеси (БМО) и др. [22].
Одним из наиболее распространенных способов строительства шероховатого слоя износа является устройство поверхностной обработки. Поверхностная обработка дорожных покрытий - это способ создания шероховатой поверхности покрытия и устройства слоя износа или защитного слоя путем нанесения на покрытие тонкой пленки органического вяжущего, распределения высокосортного щебня и его уплотнения [12, 15].
Устройство поверхностной обработки имеет ряд существенных недостатков: - требуется обязательная подготовка старого покрытия - помимо ямочного ремонта необходимо устранение неровностей фрезерованием или устройством выравнивающего слоя; - процесс окончательного формирования поверхностной обработки продолжается около 14 суток; в течение срока формирования необходимо производить уход за поверхностной обработкой и ограничивать скорость движения автомобилей; - снижение безопасности движения из-за возможного отрыва щебня и повреждения стекол проезжающих автомобилей; - выпотевание битума в местах его перелива и связанное с этим снижение сцепных качеств покрытия; - перерасход каменных материалов - за счет выметания не прижившегося щебня при устройстве поверхностной обработки; - втапливание зерен щебня в поверхность асфальтобетона, особенно при повышенных температурах, ведущее к снижению общей шероховатости покрытия [8]; - основной недостаток технологии устройства поверхностной обработки с раздельным распределением горячего битума и щебня состоит в том» что любое нарушение в организации работ и задержка с распределением щебня приводят к тому, что распределенный битум может остыть и потерять свою подвижность и клеящую способность. Еще большие отрицательные последствия могут возникнуть при задержке с распределением щебня в случае применения в качестве вяжущего битумной эмульсии, процесс распада которой может завершиться частично или полностью до рассыпки щебня.
Опыт показывает, что до 80% неудач и низкого качества поверхностной обработки, выполненной традиционными способами, объясняется недостатками связей в системе «битум - покрытие - щебень» [12, 16, 87, 97]. Большой популярностью во всем мире пользуются органоминеральные смеси, приготавливаемые и укладываемые при высоких температурах (свыше 100С). Их отличает повышенная устойчивость к высоким летним температурам, водостойкость, прочность.
В течение последних десятилетий в мире значительно возросла популярность дренирующего асфальтобетона, что обусловлено следующими его характеристиками: улучшением сцепления шин автомобиля с влажным покрытием; быстрым отводом ливневых вод с поверхности покрытия; уменьшением эффекта аквапланирования; снижением уровня шума и вибрации автомобиля. Наибольшее распространение дренирующий асфальтобетон получил во Франции, Японии, США, Германии и Италии [141, 151, 155]. На территории России строительство опытного участка с верхним слоем из дренирующего асфальтобетона впервые было выполнено в Москве в 1988 году [101]. Основное требование к обеспечению работоспособности дренирующего покрытия заключается в сохранении его пористости в течение всего периода эксплуатации. Согласно результатам исследований [101, 141, 151, 155] , заиливание таких покрытий происходит достаточно быстро, Для удовлетворительной работоспособности покрытий из дренирующих асфальтобетонов необходимо использовать качественные высокопористые материалых [17], своевременно очищать покрытие от ила (для чего требуются специальные передвижные вакуумные установки) и не применять противогололедные материалы, вызывающие засорение пор покрытия (песчано-соляные смеси), ограничивать проезд тяжеловесных транспортных средств, не допускать попадания на покрытие стоков с близлежащих участков. Срок службы дренирующих асфальтобетонных покрытий значительно меньше, чем плотных асфальтобетонных покрытий (около 8 лет), что объясняется, прежде всего, более быстрым процессом старения битумных пленок [61]. В Германии разработана смесь для создания покрытий дорог или стоянок с высокой фильтрующей способностью. В качестве основы для таких смесей предложено применять каменные материалы размером 0,7 - 1,2; 1 - 2,4; 2-4 мм, обработанные искусственными смолами, в т.ч. эпоксидной, акрилатной, полиуретановой в количестве 1 - 4% сверх массы минерального материала. Рассмотрены возможности введения пигментов и светоотражающих частиц. Подготовленные таким образом смеси предполагается применять для устройства слоев толщиной 2—10 см, но предпочтительнее 2 - 5 см с введением возможных наполнителей и дополнительного количества смол при использовании малогабаритных укладчиков или ручных работ [123 ].
Группой инженеров французской фирмы Colas разработан усовершенствованный тип дренирующего дорожного покрытия типа COLDRAINE S. Новый тип покрытия предусматривает слой износа 2 см из дренирующей смеси мелкой гранулометрии и слой 3 см - из смеси крупной гранулометрии при специальной технологии уплотнения слоев [140 ].
В течение последних 10-15 лет, как во всем мире, так и в нашей стране все большую популярность приобретает щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) [63, 121, 124, 128, 133, 134, 152]. ЩМА представляет самостоятельную разновидность асфальтобетона, обеспечивающую, в отличие от других типов смесей одновременно водонепроницаемость, сдвигоустойчивость и шероховатость устраиваемого верхнего слоя покрытия. Зерновые составы ЩМА смесей характеризуются высоким содержанием фракционированного щебня (порядка 70-80% по массе), который должен обладать улучшенной (кубовидной) формой зерен и предназначен для создания максимально устойчивого каркаса в уплотненном слое покрытия [63, 121]. Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси обладают повышенным содержанием битума (5,5 - 7,5 % по массе). Более толстые пленки асфальтового вяжущего в щебеночно-мастичном асфальтобетоне приближают его к литому асфальтобетону [109].
Систематизация критериев повышения эксплуатационных свойств БМО смесей и покрытий из них.
Основное эксплуатационное свойство верхних слоев покрытий - это обеспечение сцепных качеств поверхностей и требуемой степени стабильности в процессе их эксплуатации. Очевидно, что чем больше выступов и выше их износостойкость, тем больше срок службы поверхности покрытия [78].
Стабильность параметров микрошероховатости во времени, т.е. способности каменных материалов противостоять образованию скользкой поверхности в процессе шлифования определяется в основном минералогическим составом и структурой исходной горной породы [117].
Помимо хороших сцепных свойств, важно обеспечить работоспособность открытых битумоминеральных смесей в любых условиях эксплуатации - при высоких летних и низких зимних температурах, при интенсивном воздействии тяжелого транспорта.
В зимний период битумоминеральные смеси приобретают очень высокую вязкость [21, 40]. Поэтому время релаксации велико и намного превышает длительность действия нагрузок. Летом же, при высоких температурах - вязкость резко снижается (отличается от вязкости при зимних температурах на несколько порядков), а следовательно, резко уменьшается и время релаксации, которое становится сопоставимым или в значительно меньшим в сравнении с временем действия нагрузок. В критических случаях это приводит к появлению пластических деформаций или трещин на покрытии. Накопленные данные свидетельствуют о том, что трещины в покрытии образуются и развиваются при быстром и глубоком снижении температуры зимой. По мнению профессора Иванова критическим является резкое падение температуры (8 - 10С час) [5], при котором не происходит пластическая деформация. Медленное охлаждение покрытия не так опасно с точки зрения образования трещин. Таким образом, чем ниже скорость охлаждения, тем меньше вероятность образования трещин.
При малых отрицательных температурах упруго-вязкие свойства битумоминеральных смесей, определяющие их деформативность, важнее, чем прочностные.
Трещиностойкость битумоминеральных смесей зависит от выбора типа и вида смеси, их состава и свойств. Она должна соответствовать условиям работы материала в дорожной конструкции [77, 106]. В свою очередь, прочность битумоминеральной смеси имеет ярко выраженный временной характер, а интенсивность релаксационных процессов деформирования и разрушения битумоминеральных материалов в сильной степени зависит от температуры и уровня действующих напряжений в конструкции дорожной одежды. Вообще, зависимость предела прочности при сжатии от температуры битумоминерального материала близка к линейной.
Для правильного понимания условий работы битумоминеральных покрытий рассмотреть вопрос о релаксации напряжений, поскольку битумоминеральные смеси являются наиболее яркими представителями релаксирующих материалов. Измерениями модуля упругости асфальтобетона в достаточно широком интервале температур установлено [40, 100, 143, 158], что с изменением температуры модуль упругости изменяется незначительно (например, в интервале температур от 15 до 50С модуль упругости снижается всего в 2 — 2,5 раза). В то же время на вязкость температурные колебания влияют значительно сильнее. Таким образом, для битумоминеральных смесей, в том числе и асфальтобетона, время релаксации в основном зависит от вязкости. С увеличением температуры вместе с уменьшением вязкости уменьшается и время релаксации. Время релаксации есть своего рода внутренняя шкала времени, которой определяется поведение материала [100]. Если время действия нагрузки такого же порядка, как и время релаксации, то материал ведет себя как упруго - вязкий: одновременно наблюдается упругость и течение. При одном и том же времени действия нагрузки битумоминералъная смесь может проявлять себя как упругое или вязкое тело в зависимости от температуры.
Поскольку релаксация напряжений в битумоминеральных материалах связана главным образом с присутствием битума, механизм этого процесса в макроскопическом плане может быть представлен перемещениями битума в межзерновых пространствах, связанными с перемещениями минеральных частиц, а в микроскопическом - перемещениями структурных элементов в самом битуме [40, 100]. Многощебенистые смеси с конденсационной структурой в гораздо меньшей степени подвержены пластическим деформациям [100]. Связано это с тем, что основная часть прилагаемых напряжений передается по зонам контактов минерального остова и влияние битума сказывается в значительно меньшей степени. В каркасных смесях снижается и влияние температур окружающей среды [40].
Выявлено, что особенности релаксационного процесса в щебенистых битумоминеральных смесях обусловлены концентрацией асфальтового вяжущего и соотношением битум - минеральный порошок. Таким образом, поведение под нагрузками многощебенистых смесей, несмотря на наличие в нем прочного каркаса, образуемого щебнем, может быть объективно оценено с учетом реологических характеристик [40].
Из теории Мора, применимой к битумоминеральным смесям, как к мало пластичным телам, следует, что до предела упругости сопротивление материала определяется только сцеплением его частиц между собой. За пределом упругости(наиболее широкая область работы битумоминеральных смесей) сопротивление материала определяется не только сцеплением частиц, но и внутренним трением, возникающим между ними. Избыточное содержание битума в смесях неизбежно приводит к резкому снижению внутреннего трения. С увеличением сцепления увеличивается сопротивление растяжению и сжатию [40, 100].
Разработка технологии приготовления полимерно-армирующего вяжущего и компонентов комплексной модификации для БМО смесей
Анализ литературных источников и патентный поиск позволили выявить один из наиболее эффективных полимерных модификаторов для битумоминеральных смесей - этилен-винил-ацетат и его производные. Использование указанной добавки позволяет значительно повысить адгезионные характеристики вяжущего, водо-, тепло- и коррозионную устойчивость битумоминеральных композиций на ее основе.
В диссертационной работе использовалась комплексная полимерно-армирующая добавка АрмПЭВА, представляющая собой отход производства, состоящий из адгезионной композиции на основе сэвилена совмещенной с полиэтиленом обработанным проникающей радиацией. Соотношение компонентов в модификаторе 60:40 соответственно.
Применение указанной добавки позволяет получить существенные технологические преимущества при производстве открытых битумоминеральных смесей и устройстве покрытий из них. Вяжущее модифицированное добавкой АрмПЭВА позволит сохранить стабильность структуры БМО смесей и существенно улучшить такие их свойства, как прочность на растяжение и сжатие, трещиностойкость, сдвигоустойчивость, долговечность и т.п. Задача исследования заключается в установлении закономерностей изменения свойств вяжущего в зависимости от количества, вводимой добавки и технологии (режимов) модифицирования битума.
Изучение влияния добавки на физико-механические свойства битума заключалось в определении температуры размягчения по КИШ, пенетрации при 0С и 25С, растяжимости при 0С и 25С, температуры хрупкости, эластичности, изменения температуры размягчения после прогрева при 160С в тонком слое вяжущего 3.2 мм в течение 5 часов, рассмотрения процессов старения вяжущего методом адсорбционно-хроматографического анализа (результаты проведенных испытаний представлены в табл. 3.10-3.14 и рис. 3.1-3.2), электронно-парамагнитным резонансом (ЭПР) и рентгенофазовым анализом (РФА).
Представляло интерес установить оптимальный режим введения исследуемой полимерно-армирующей добавки АрмПЭВА в битум, определить рациональную температуру введения и время выдерживания вяжущего при этой температуре.
Используемая добавка АрмПЭВА, как отмечено выше, представляет собой отход производства, в состав которого входит около 50% полиэтилена специально обработанного проникающей радиацией. Для такого полиэтилена характерна повышенная температура плавления (более 200С) и наличие памяти (способность сохранять прежние размеры, свойственные ему до нагревания, при последующем нагревании и охлаждении).
Вторая часть добавки представляет собой отход адгезионной композиции на основе «сэвилена» - сополимера этилена с винилацетатом -представляющего собой высокомолекулярное соединение, относящееся к полиолефинам. Сэвилен превосходит полиэтилен по эластичности при низких температурах, обладает повышенной адгезией к различным материалам. Свойства сэвилена зависят главным образом от содержания винилацетата. В работе использовался сэвилен с содержанием винилацетата в пределах 20-30% масс.
Для определения оптимального времени перемешивания вяжущее с добавкой выдерживали в лабораторной смесительной установке при постоянном перемешивании и постоянной температуре (150С) в течение 15, 30 и 60 минут (табл.3.10-3.12 прил. 1).
В этих условиях основная масса добавки расплавлялась и хорошо равномерно распределялась в битуме, образуя ПБВ. Не расплавившаяся часть добавки АрмПЭВА оставалась в битуме в виде волокнистых, дисперсных частиц. Содержание не растворившихся частичек добавки АрмПЭВА в этих условиях составляло примерно около 40-50%, которые в дальнейшем при объединении с минеральным материалом выполняют роль армирующих полимерных волокон.
При перемешивании в течение 15 мин. не растворившихся частичек полиэтиленовой составляющей превышало содержание таких же частичек в пробе, выдержанной в течение 30 мин. и одного часа при 150С, примерно на 10 и 12% соответственно. Наиболее оптимальные результаты приготовления ПБВ в лабораторных условиях получены при температуре приготовления 150С и выдерживании вяжущего в течение 30 минут при постоянном перемешивании (табл. 3.10-3.12 прил. 1). В производственных условиях при наличии необходимых диспергаторов - коллоидных мельниц - этот процесс по времени перемешивания может быть сокращен до нескольких минут.
Приготовленное в лабораторных условиях вяжущее в при температуре 150С, времени перемешивания при этой температуре в течение 30 минут и содержании добавки АрмПЭВА в количестве 3% с использованием битума БНД 60/90 (с пенетрацией 83 0,1 мм) полностью соответствует марке БНД 60/90, Вяжущее имеет температуру размягчения 59С (повысилась по сравнению с исходным битумом на 11 С), на 4С понизилась температура хрупкости, интервал пластичности повысился на 15 С. В связи с содержанием в добавке полиэтилен-винилацетата улучшились адгезионные свойства вяжущего.
Технико-экономическая эффективность предлагаемых вариантов устройства замыкающего слоя покрытия.
Проведенные экспериментальные исследования и производственные работы показывают, что использование открытых битумоминеральных смесей для устройства макрошероховатых слоев покрытий и тонких слоев износа улучшает эксплуатационные характеристики покрытия и увеличивает межремонтный срок службы в несколько раз по сравнению с традиционными укладкой выравнивающего слоя из асфальтобетона с устройством поверхностной обработки, что дает значительную экономию денежных средств. Оценку экономической эффективности предлагаемых ремонтов проводили сравнением нового и базисного вариантов по приведенным затратам на 1 км покрытия автодороги III технической категории, включающем расходы на устройство верхнего слоя из БМО смеси слоем в среднем 4 см. При этом нет необходимости учитывать все затраты, достаточно ограничиться затратами, которые различны в сравниваемых вариантах. Базовый вариант - устройство верхнего слоя покрытия толщиной в среднем 4 см из плотного горячего асфальтобетона типа Б с устройством поверх него слоя поверхностной обработки. Новый вариант №1 - устройство верхнего слоя покрытия толщиной в среднем 4 см из БМО с полимерно-армирующей добавкой АрмПЭВА в количестве 0,5 % от массы минеральной части смеси. Новый вариант №2 - устройство верхнего слоя покрытия толщиной в среднем 4 см из БМО с полимерно-армирующей добавкой АрмПЭВА в количестве 0,5 % от массы минеральной части смеси, содержащей в качестве элемента заполняющей части смеси сфрезерованный асфальтобетон в количестве 20% от массы минеральной части смеси и пластифицированный мазутом в количестве 3% от массы битумного вяжущего. Анализ табл. 4.6 - 4.8 прил. 2, свидетельствует о том, что стоимость устройства покрытия по любому из новых вариантов дешевле устройства покрытия по базовому варианту. Экономический эффект приготовления 1 тонны БМО смеси составляет: автомобильной дороги III технической категории) дороги составляет:
Согласно ОДН 218.046 расчетный срок службы дорожной одежды капитального типа автомобильной дороги III т.к. составляет 16 лет. За этот период будет необходимо, как минимум пять раз восстанавливать шероховатость поверхности дорожного покрытия, выполненной по способу поверхностной обработки, т.к. срок ее службы составляет около трех лет. В случае устройства шероховатого замыкающего или защитного слоя из открытых битумоминеральных смесей количество восстановлений шероховатости сокращается до двух, т.к. срок его службы более чем в два раза продолжительней, чем у поверхностной обработки. В связи с тем, что срок службы макрошероховатых поверхностных слоев из БМО смесей минимум в два раза продолжительнее срока службы поверхностной обработки, а также в связи с использованием полимерно-амирующей добавки АрмПЭВА, тоже продлевающей срок службы открытых битумоминеральных смесей в покрытии, рассмотрим случай увеличения межремонтного срока до 6 лет эксплуатации против трех - для поверхностной обработки. Следовательно, за 16 лет на автомобильной дороге следует два раза выполнить устройство защитного слоя из БМО смеси (через 6 лет). В случае устройства поверхностной обработки будет необходимо пятикратное восстановление макрошероховатого слоя. Таким образом, необходимо сделать вывод о том, что наряду с положительным влиянием на физико-механические и эксплуатационные характеристики открытых битумоминеральных смесей и несмотря на некоторое удорожание стоимости приготовления БМО смеси по новому варианту №1, использование исследуемых компонентов позволяет существенно сократить расходы при строительстве новых и ремонте существующих автомобильных дорог. 1. Технология устройства защитных слоев покрытий из полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей практически не отличается от технологии устройства слоев из асфальтобетона. Применение катков на пневматических шинах, а также гладковальцевых катков с обрезиненными вальцами позволяет добиться необходимых параметров шероховатости слоя в сочетании с оптимальной плотностью и высокими прочностными показателями. 2. Экономическая эффективность устройства защитного слоя покрытия по сравнению с базовым вариантом на расчетный срок службы составила 915090 и 1143847 рублей для полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей соответственно. 1. Выявлены основные факторы, влияющие на структурные и эксплуатационные свойства вяжущего и БМО смесей защитного слоя покрытия автомобильной дороги, обеспечивающие повышение сдвиго трещинно- и коррозионной устойчивости замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий. Установлена эффективность модификации БМО смесей введением в смесь АрмПЭВА, сфрезерованного асфальтобетона и пластификатора - мазута. 2. Исследованы факторы, обусловливающие устройство защитных слоев покрытия автомобильных дорог с применением открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона. Выявлено, что полимерное армирование и комплексная модификация БМО смесей позволяет улучшить эксплуатационные качества дорожных покрытий. Установлена возможность двухстадийной обработки минерального материала вяжущим за счет введения сфрезерованного асфальтобетона в состав БМО смеси на ранних стадиях перемешивания. 3. Разработаны и получены сдвиго-, тепло-, трещино-, водостойкие комплексно-модифицированные и полимерно-армированные открытые битумоминеральные смеси. Установлены закономерности влияния, границы варьирования основных исследованных факторов на эксплуатационные свойства замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий из БМО смесей. Доказана целесообразность применения в качестве полимерно армирующей добавки для БМО смесей отхода производства гидроизоляционных материалов - армирующего полиэтилена, совмещенного с сополимером этилена и винилацетата (сэвилена) - АрмПЭВА, позволяющего улучшать их структурные свойства, замедлять процессы старения, существенно повышая, тем самым эксплуатационные свойства замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий. Получена теоретическая модель оценки и прогнозирования эксплуатационных характеристик и физико-механических свойств открытых битумоминеральных смесей при устройстве защитных слоев покрытия автомобильных дорог.
