Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса по технологии приготовления асфальтобетонных смесей и о качестве асфальтобетонов 15
1.1 Анализ литературных, нормативных и патентных источников об отечественных и зарубежных технологиях приготовления асфальтобетонных смесей 15
1.2 Методы оценки качества асфальтобетонов 29
1.2.1 Стандартные методы испытания асфальтобетонов по российским и зарубежным нормам 29
1.2.2 Научные методы исследования плотности, тепло-, водо-, трещиностойкости асфальтобетонов 33
1.2.3 Достоинства и недостатки существующих методов оценки качества асфальтобетонов и предложения по их совершенствованию 42
1.3 Выводы. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования по оптимизации технологии приготовления асфальтобетонных смесей 47
2.1 Материалы, принятые для исследования 47
2.2 Лабораторные смесители, принятые для исследования 53
2.3 Влияние температурных режимов приготовления и последовательности введения составляющих компонентов асфальтобетонных смесей на свойства асфальтобетонов 70
2.4 Оптимизация режимов приготовления асфальтобетонных смесей с прерывистой гранулометрией минеральных заполнителей с применением стабилизирующих добавок 75
2.5 Свойства асфальтобетонов с резиновой крошкой «Унирем» в зависимости от режимов приготовления асфальтобетонных смесей .87
2.6 Выводы 94
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования по совершенствованию методов испытания асфальтобетонов .96
3.1 Влияние продолжительности формования асфальтобетонных образцов на их свойства. Определение оптимально допустимого времени пребывания смесей различного свойства при температурах формования 96
3.2 Исследование режимов уплотнения асфальтобетонных смесей различного состава по российским и зарубежным стандартам 96
3.3 Модификация методики контроля качества уплотнения асфальтобетона в покрытии 111
3.4 Выводы .119
ГЛАВА 4. Разработка нормативной документации по технологии приготовления асфальтобетонных смесей и методам испытания асфальтобетонов 120
4.1. Разработка ОДМ «Методические рекомендации по контролю качества асфальтобетонов в лабораторных и производственных условиях с помощью ударного уплотнителя» 120
4.2. Разработка предложений по внесению изменений в ГОСТ 12801-98 в части методов испытания асфальтобетонов и применяемого оборудования 121
4.3 Выводы 123
ГЛАВА 5. Опытно-промышленные испытания асфальтобетонов из смесей, приготовленных при оптимальных режимах, и их технико-экономическая эффективность 123
5.1 Выпуск опытных партий асфальтобетонных смесей, приготовленных при оптимальных режимах 124
5.2 Опытная проверка методики контроля качества уплотнения асфальтобетонных смесей с помощью ударного уплотнителя 128
5.3 Определение технико-экономического эффекта приготовления асфальтобетонной смеси при оптимальных режимах .131
5.4 Технико-экономическая эффективность применения разработанных методов контроля качества асфальтобетонов 134
5.5 Выводы 136
Заключение 137
Список литературы .
- Методы оценки качества асфальтобетонов
- Влияние температурных режимов приготовления и последовательности введения составляющих компонентов асфальтобетонных смесей на свойства асфальтобетонов
- Исследование режимов уплотнения асфальтобетонных смесей различного состава по российским и зарубежным стандартам
- Разработка предложений по внесению изменений в ГОСТ 12801-98 в части методов испытания асфальтобетонов и применяемого оборудования
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Устроенные из горячих
асфальтобетонных смесей асфальтобетонные дорожные покрытия являются наиболее распространенными как в нашей стране, так и за рубежом. Качество асфальтобетонов определяется не только соотношением и качеством составляющих компонентов, но и технологическими режимами приготовления асфальтобетонных смесей и укладки их в покрытие.
Общеизвестным является факт более низкого качества и долговечности асфальтобетонных дорожных покрытий, устроенных в России, по сравнению с зарубежными покрытиями, хотя составы и составляющие компоненты асфальтобетонных смесей, применяемых в России и за рубежом, идентичны.
Существует разница в технологии приготовления асфальтобетонных смесей по зарубежным и российским стандартам. Температуры перемешивания асфальтобетонных смесей по российским стандартам (ГОСТ 9128-2009, ГОСТ 12801-98) на одинаковых по качеству битумах на 15-25С ниже, чем температуры перемешивания горячих смесей, предусмотренных европейскими стандартами EN 126 97 -35, EN 13108-1, EN 131 08-4, при меньшей продолжительности перемешивания смесей. Приготовление асфальтобетонных смесей при более низких температурах позволяет уменьшить расход топлива, однако, как это отражается на качестве асфальтобетона и его долговечности остается недостаточно изученным.
Достоверность методов оценки качества асфальтобетонов в значительной степени определяют и возможности его регулирования. Определение показателей качества асфальтобетонов по действующим в России стандартам также значительно отличаются от методов испытаний по зарубежным стандартам. В стандартах ASTM D 6927-06, EN 12697-34 и во многих стандартах различных стран оценка прочностных показателей асфальтобетона осуществляется по показателю стабильности и текучести по Маршаллу. Испытания асфальтобетонов по российскому стандарту ГОСТ 12801-98 основаны на определении в основном показателей прочности при одноосном сжатии образцов. Приготовление лабораторных образцов и напряженное состояние при испытании асфальтобетонных образцов по методу Маршалла в большей степени моделирует режимы уплотнения и напряжения, возникающие в слоях асфальтобетонных покрытий от транспортных нагрузок.
Таким образом, вопросы повышения энергоэффективности производства
асфальтобетонных смесей, повышения качества асфальтобетонов и
достоверности методов его оценки являются взаимосвязанными и актуальными.
На основании изложенного следует, что весьма актуальным является изучение особенностей приготовления горячих асфальтобетонных смесей с целью их оптимизации и повышения показателей энергоэффективности и качества асфальтобетонов.
Степень разработанности темы исследования. Процессы приготовления горячих асфальтобетонных смесей изучались в работах отечественных и
зарубежных исследователей: Королева И.В., Гезенцвея Л.Б. , Печеного Б.Г., Руденского А.В., Горелышева Н.В., Данильян Е.А., Марышева Б.Г., Романюка В.Н., Хрусталева Б.Ш., Олсона К.Г., Рациборского Р., Дивито Д., Бунина М.В., Богомолова А.А., Потаповой И.Ю., Мелик-Багдасарова М.С., Соловьева Б.Н., Чистовского В.В. и других авторов, в которых установлен ряд закономерностей процессов смесеобразования в асфальтовых системах, предложены способы снижения энергозатрат на приготовление смесей и пути повышения качества асфальтобетонов. Однако несмотря на важность и актуальность проблемы многие результаты этих работ из-за несовершенства не нашли применения в практике производства асфальтобетонных смесей и не были отражены в нормативной документации.
Успешное решение вопросов повышения качества асфальтобетонов либо за счет технологических приемов приготовления и укладки асфальтобетонных смесей, либо за счет введения добавок, во многом зависит от достоверности методов оценки показателей качества. Многообразие методов испытания асфальтобетонов, в том числе и стандартных, не позволяет в достаточной степени объективности оценить их качество, что отражено в многочисленных работах, посвященных этой тематике. В связи с этим совершенствование методов оценки качества асфальтобетонов остается актуальным.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящего
исследования является повышение показателей качества и
энергоэффективности асфальтобетонов за счет оптимизации технологии приготовления горячих асфальтобетонных смесей.
В соответствии с поставленной целью были поставлены следующие задачи:
-на основании анализа отечественных и зарубежных литературных источников, нормативной документации и патентов разработать теоретические предпосылки создания асфальтобетонов с повышенным показателем энергоэффективности и качества;
-произвести анализ методов оценки качества асфальтобетонов по российским и зарубежным нормам, а также научных методов исследования асфальтобетонов;
- обосновать выбор материалов и методов исследования;
-определить влияние последовательности введения составляющих компонентов, температурных режимов и продолжительности приготовления асфальтобетонных смесей различных зерновых составов на свойства асфальтобетонов;
-изучить возможности оптимизации режимов приготовления
асфальтобетонных смесей и повышения качества асфальтобетонов введением стабилизирующих и полимерных добавок;
-определить влияние режимов уплотнения асфальтобетонных смесей при статических и ударных нагрузках на дробимость щебня и свойства асфальтобетонов;
-изучить свойства асфальтобетонных образцов, изготовленных по российским и зарубежным стандартам;
-разработать нормативную документацию по оптимизации технологии
приготовления асфальтобетонных смесей и методам испытания
асфальтобетонов;
-выполнить производственную апробацию технологических режимов приготовления асфальтобетонных смесей с повышенными показателями энергоэффективности и качества асфальтобетона.
Научная новизна диссертационного исследования:
-показана некорректность назначения температур перемешивания
асфальтобетонных смесей по температуре изовязкости битума, что отражено в стандартах зарубежных стран;
-представлено теоретическое обоснование технологических режимов
приготовления горячих асфальтобетонных смесей, обеспечивающих
повышение показателей энергоэффективности и качества асфальтобетонов;
-экспериментальное обоснование необходимости определения
оптимальной температуры перемешивания асфальтобетонных смесей при изменении гранулометрического или минерального состава заполнителей, марки или содержания битума, введения добавок;
-разработаны новые технологические режимы получения
асфальтобетонных смесей с прерывистой гранулометрией заполнителя с
добавлением стабилизирующих добавок, резиновой крошки «Унирем»,
обеспечивающие снижение энергозатрат и повышение качества
асфальтобетона;
-установлены существенные различия в методах подготовки
асфальтобетонных образцов для испытания по отечественным и зарубежным
стандартам. Определены причины низкой достоверности и сходимости
результатов испытания асфальтобетонов по российским стандартам.
Усовершенствованы методы испытания асфальтобетонов, позволяющие повысить достоверность результатов;
-разработана новая методика определения коэффициента уплотнения асфальтобетона в покрытии, исключающая переформовку образцов и снижение из-за этого достоверности определения этого показателя;
-разработан ОДМ 218.5.001-2014 «Методические рекомендации по контролю качества асфальтобетонов в лабораторных и производственных условиях с помощью ударного уплотнителя». Предложены поправки в ГОСТ 12801-98 в части методов испытания асфальтобетонов и применяемого оборудования.
Теоретическая значимость исследования. Развита теория
смесеобразования на примере асфальтовых систем. Показано, что
приготовление асфальтобетонных смесей по традиционной технологии, когда в смесителе сначала всухую перемешивают составляющие минеральные компоненты: щебень, песок минеральный порошок, а затем вводят битум и перемешивают окончательно, приводит к объединению в первую очередь битума с минеральным порошком из-за более быстрого его массопереноса. Вязкость образовавшегося асфальтовяжущего значительно превышает вязкость
битума. Из-за этого для покрытия поверхности крупных фракций (щебня и
песка) требуются повышенные температуры и продолжительное
перемешивание смеси. Предложены принципы оптимизации технологии
приготовления горячих асфальтобетонных смесей, основанные на
предварительном перемешивании при оптимальных температурах крупных заполнителей с битумом с последующим объединением смеси с минеральным порошком. Избыток битума по отношению щебеночных и песчаных фракций в смеси и меньшая вязкость битума по сравнению с асфальтовяжущим обеспечивает быстрое смачивание и полное покрытие поверхности крупных фракций. Последующее введение минерального порошка в процессе перемешивания позволяет связать свободный битум, адсорбированный на поверхности крупного заполнителя. Предложенные режимы смесеобразования позволяют сократить продолжительность и температуру перемешивания смеси, снизить расход битума, повысить показатели качества асфальтобетонов различных составов, в том числе со стабилизирующими и полимерными добавками.
Достоверность определения физико-механических показателей качества асфальтобетонов во многом зависит от режимов изготовления и испытания лабораторных образцов. Особую роль играют процессы дробления крупных (щебеночных) фракций асфальтобетонных смесей при уплотнении либо лабораторных образцов, либо асфальтобетонов в покрытиях, которые зависят от величины уплотняющей нагрузки и скорости (частоты) ее приложения.
Практическая значимость исследования заключается в разработке и обосновании:
-методики определения оптимальной температуры и продолжительности
перемешивания асфальтобетонных смесей, позволяющей определять
оптимальные режимы приготовления асфальтобетонных смесей с повышением показателей энергоэффективности (снижение времени перемешивания смесей до 35%, расхода битума до 12 %) и значительного повышения качества;
- новых методов испытаний и приборов (конструкции лабораторных смесителей асфальтобетонных смесей, режимы изготовления лабораторных образцов асфальтобетона), позволяющих определять более достоверные показатели качества асфальтобетонов,
-составов и технологий приготовления асфальтобетонных смесей с
прерывистой гранулометрией заполнителя и стабилизаторами,
обеспечивающими повышение технологических и эксплуатационных
показателей качества асфальтобетонов;
-составов и технологий изготовления асфальтобетонных смесей с добавкой резиновой крошки «Унирем»;
-методик контроля качества асфальтобетонной смеси, поступающей на объект, и определения коэффициента уплотнения асфальтобетона в покрытии.
Для широкомасштабного внедрения результатов работы разработаны ОДМ
218.5.001-2014 «Методические рекомендации по контролю качества
асфальтобетонов в лабораторных и производственных условиях с помощью
ударного уплотнителя», изданный на основании распоряжения Федерального дорожного агентства №846-р_от_30.04.2014 г., а также «Предложения по внесению изменений в ГОСТ 12801-98 в части методов испытания асфальтобетонов и применяемого оборудования».
Методология и методы исследования. Основой методологии
исследований в работе являются научные исследования отечественных и
зарубежных авторов в области строительного материаловедения, механики,
физико-химии. Экспериментальные исследования выполнялись с
использованием стандартных методов испытания асфальтобетонов и их
компонентов, трещиностойкость асфальтобетонов определялась на
автоматической установке УОНДА14-20, изготовление и испытание образцов Маршалла производились по европейским стандартам EN 12697-34 и EN 12697-35. В работе применялись статистические методы обработки результатов исследований.
Положения, выносимые на защиту:
-теоретическое и экспериментальное обоснование технологических режимов приготовления горячих асфальтобетонных смесей, обеспечивающих повышение показателей энергоэффективности и качества асфальтобетонов;
-экспериментальное обоснование необходимости определения
оптимальной температуры перемешивания асфальтобетонных смесей при изменении гранулометрического и минерального состава заполнителей, марки или содержания битума, введения добавок;
-составы и технологические режимы получения асфальтобетонных смесей
с прерывистой гранулометрией заполнителя с добавлением стабилизирующих
добавок, резиновой крошки «Унирем», обеспечивающие снижение
энергозатрат и повышение качества асфальтобетона;
-методики и приборы для испытания асфальтобетонов, позволяющие повысить достоверность и сходимость результатов;
-методика определения коэффициента уплотнения асфальтобетона в покрытии;
-ОДМ 218.5.001-2014 «Методические рекомендации по контролю качества асфальтобетонов в лабораторных и производственных условиях с помощью ударного уплотнителя». Поправки в ГОСТ 12801-98 в части методов испытания асфальтобетонов и применяемого оборудования.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность
полученных результатов исследований подтверждается применением
стандартных методов и поверенных приборов в испытаниях, статистической
обработкой результатов испытаний, обеспечивающей доверительную
вероятность 0,95 при коэффициенте вариации менее 9%, опытно-промышленными испытаниями результатов исследований, а также проверкой и согласованием разработанной нормативной документации сторонними организациями.
Внедрение результатов исследований. Прошли апробацию и внедрены в производство следующие результаты проведенных исследований. В ОАО
«Спецуправление дорожных работ» г. Ставрополь организовано производство асфальтобетонных смесей при оптимальных температурах, продолжительности перемешивания и последовательности введения составляющих компонентов в смеситель. В этой же организации, а также в ООО «Мостоотряд-99» г. Махачкала внедрен разработанный способ определения коэффициента уплотнения асфальтобетонных смесей, режимы изготовления лабораторных асфальтобетонных образцов.
Теоретические разработки, результаты экспериментальных исследований и
промышленного внедрения используются в учебном процессе и включены в
курс лекций по дисциплинам «Строительные материалы» и «Обеспечение и
контроль качества дорожно-строительных материалов» на кафедре
«Строительные материалы и инженерные коммуникации» Дагестанского государственного технического университета.
Работа выполнялась в рамках Плана научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Федерального дорожного агентства на 2011-2013 гг. подпрограммы «Автомобильные дороги» федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)», утвержденной распоряжением Федерального дорожного агентства от 17.02.2011 г. № 118-р (Государственный контракт № УД 47/241 от 19.12.2011 г. и дополнительное соглашение № 1 рег. № УД 47/113 от 16.03.2012 г.).
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждены на международных и всероссийских научных конференциях, в том числе таких как Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (ХIХ научные чтения)» (БГТУ им. В.Г.Шухова, г. Белгород, 2010 г.); ХІІІ, ХVІ, ХV1І, ХVІІІ, ХІХ, ХХІ-я ежегодная научно-практическая конференция в СКФ БГТУ им. В.Г.Шухова (г. Минеральные воды 2010, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.), Международная научно-практическая конференция «Нефтепереработка - 2012» (г. Уфа 2012 г.), VII Международный конгресс по асфальтам. (Богота, 2012 г.), IV Межрегиональная конференция «Актуальные проблемы регионального дорожного строительства» (г. Уфа, 2013г.); Международная научно-практическая конференция «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства транспортных сооружений» (г. Белгород, 2013 г.); Ежегодная научная сессия международной ассоциации исследователей асфальтобетона «Перспективы развития нормативно-технической базы асфальтобетона и битумоминеральных смесей» (г. Москва, 2013 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных трудов, из них в рецензируемых изданиях – 4, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, 1 статья в издании, индексируемом в международной базе цитирования и 1 патент на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста, включает 30 рисунков и 30 таблиц. Список литературы состоит из 162 наименований.
Методы оценки качества асфальтобетонов
В процессе приготовления асфальтобетонных смесей при перемешивании минеральных материалов с битумом сразу же за процессом смачивания поверхности происходит избирательная адсорбция компонентов битума, интенсивность которой определяется природой минерального материала, химическим составом битума, наличием в нем полярных компонентов и др.[1-5]. Различие свойств битумов, адсорбированных на поверхности твердых тел и в объемной фазе, подробно изучено и объяснено в работах Дерягина Б.В., Гезенцвея Л.Б., Колбановской А.С., Королева И.В., Руденского А.В. и других авторов [1-8]. Известно, что наилучшим адсорбентом, на поверхности которого образуются связанные слои битума, является минеральный порошок. Формирование микроструктуры асфальтовяжущего, которое происходит при введении в битум минерального порошка, проявляется в увеличении прочностных показателей пропорционально количеству вводимого минерального порошка. При достижении содержания минерального порошка определенного значения, когда расстояние между частицами становится равным сумме толщин структурированных оболочек двух соседних частиц и свойства системы обуславливаются степенью взаимодействия адсорбционно-сольватных слоев, прочность (вязкость) асфальтовяжущего достигает максимума. Оптимальная структурообразующая концентрация минерального порошка для битумов с пенетрацией при 250С 40-300 дмм составляет 75-86%. Увеличение минерального порошка выше оптимального содержания приводит к резкому снижению прочности, что объясняется появлением воздушной фазы в системе минеральный порошок – битум и ее разуплотнением. Условия протекания адсорбции и структурирования возможны только при полном и равномерном смачивании поверхности минерального материала битумом. С повышением в смеси минерального порошка смачивание значительно затрудняется из-за сильно развитой его удельной поверхности. При перемешивании асфальтобетонной смеси большая часть битума в первую очередь соединяется из-за лучшего массообмена с минеральным порошком и в дальнейшем требуются значительные затраты энергии, чтобы перевести образовавшееся асфальтовяжущее на поверхность крупных минеральных составляющих: щебня и песка [1- 5,7-11].
Зерновые составы минерального заполнителя согласно ГОСТ 9128-2013 значительно отличаются друг от друга как по содержанию крупного, так и мелкого заполнителя. Особенно в широких пределах изменяется содержание минерального порошка в смесях (от 1 до 16 %) и соотношение битум/минеральный порошок (Б/МП). Если в высокоплотных смесях согласно ГОСТ 9128-2013 отношение Б/МП составляет 0,37-– 0,4, то в высокопористых щебеночных оно находится в пределах 1,1– 2,5. Из этого следует, что асфальтовяжущее в высокоплотных смесях является более высоковязким, чем в высокопористых щебеночных смесях (рисунок 1.1), хотя согласно ГОСТ 9128-2013 температуры перемешивания для всех типов смесей на битумах например с пенетрацией при 25 С 40-60 дмм одинаковые и составляют 150-160С. Температуры перемешивания асфальтобетонных смесей в зарубежных стандартах назначают по такой температуре, при которой вязкость битума равна 0,2 Пас[12,13]. Обращает на себя внимание значительная разница в российских и европейских стандартах как в диапазонах температур перемешивания асфальтобетонных смесей, так и по максимальным пределам температур перемешивания.
По нормативам Германии [12], Великобритании [13] и др. европейских стран температуры перемешивания асфальтобетонных смесей на битумах с пенетрацией при 25 С от 50 до 70 дмм составляют 150-190С, а с пенетрацией от 70 до 100 дмм –140-180С.
Зависимость вязкости асфальтовяжущего при различных температурах от соотношения битум/минеральный порошок Б/МП Естественно, что для полного и равномерного смачивания требуются различные температуры подогрева и перемешивания компонентов асфальтобетонных смесей, отличающихся зерновым составом минерального заполнителя, то есть с увеличением в смеси минерального порошка должны быть более высокие температуры перемешивания для снижения вязкости и поверхностного натяжения битума и улучшения смачивания. Но, по общепринятому мнению, перемешивание при повышенных температурах приводит к чрезмерному термоокислительному старению битума, приводящее к понижению трещиностойкости асфальтобетонов. У молекул битума, связанных адсорбционными силами с поверхностью минеральных заполнителей, меньшая подвижность, чем у молекул свободного битума. А, как известно, скорость химических превращений обусловлена молекулярной подвижностью участвующих в реакции соединений. Следовательно, повышение температуры перемешивания оказывает меньшее влияние на адсорбированный битум, в основном происходит окисление свободного, не связанного адсорбционными силами, битума. Это подтверждает также многолетний опыт использования литых асфальтобетонных покрытий, которые характеризуются высокой трещиностойкостью, долговечностью, хотя и приготавливаются на битумах марок БНД 40/60 при температурах до 250С [14-16]. Это может быть объяснено тем, что литые асфальтобетонные смеси имеют повышенное по сравнению с обычными асфальтобетонными смесями содержание минерального порошка – до 27%. Вследствие этого битум, содержащийся в литой смеси, практически весь оказывается адсорбированным на поверхности минерального заполнителя, что положительно сказывается на устойчивости к старению всей системы. По мере повышения температуры перемешивания асфальтобетонных смесей показатели прочности образцов, определяемые при сжатии, как и показатели водостойкости, постоянно возрастают вплоть до температур перемешивания порядка 260-2800С [4]. В то же время, установленное в работах [4,9,14,15] наличие максимума показателей прочности, определяемое при расколе, изгибе или растяжении образцов, при определенной температуре перемешивания асфальтобетонных смесей, как уже упоминалось, обусловлено тем, что перемешивание битума с минеральным заполнителем сопровождается протеканием двух процессов: смачивание и покрытие поверхности заполнителя битумом; старение битума.
Повышение температуры перемешивания асфальтобетонной смеси способствует смачиванию и покрытию поверхности заполнителя битумом, что проявляется в повышении прочности образцов, определяемой как при сжатии, так и при расколе, изгибе или растяжении. Однако при определенной температуре перемешивания смеси начинают преобладать процессы старения битума, сопровождающиеся повышением его вязкости, что выражается в дальнейшем повышении прочностных показателей, определяемых при сжатии образцов, и к снижению этих показателей, определяемых при расколе, изгибе или растяжении образцов, которые являются относительной характеристикой трещиностойкости асфальтобетонов. Это подтверждается результатами экспериментальных исследований [4,9,14]. В опытах использовались асфальтобетонные смеси, зерновые составы минеральной части которых соответствовали мелкозернистым непрерывным гранулометриям типа А, Б, В, песчаным типа Г и Д по ГОСТ 9128-2009, а также литые асфальтобетонные смеси, имеющие зерновой состав минеральной части согласно германского стандарта [12] и литая асфальтобетонная смесь, имеющая зерновой состав согласно ТУ 5718-002-04000633-2006 [16] для типа .
Как следует из рисунка 1.2 (а, б), максимумы прочности образцов, определяемых при расколе при температуре 0С, асфальтобетонов с гранулометрией заполнителей типов А, Б, В и песчаных типов Г, Д по ГОСТ 9128-2009 по мере увеличения в смеси минерального порошка, сдвигаются в сторону более высоких температур, превышающих стандартные пределы температур перемешивания смесей. Так для асфальтобетонных смесей, приготавливаемых на битуме марки БНД 60/90, как уже упоминалось, стандартный температурный диапазон составляет 145-155С, а температуры перемешивания указанных смесей на битуме той же марки, при которых имеется максимум Rp, составляют 160-190С, повышающиеся с увеличением в смеси минерального порошка.
Влияние температурных режимов приготовления и последовательности введения составляющих компонентов асфальтобетонных смесей на свойства асфальтобетонов
В экспериментальных исследованиях использовались асфальтобетонные смеси, состоящие из щебня, песка, минерального порошка и нефтяного битума дорожных марок, а также стабилизирующие и полимерные добавки.
Для приготовления асфальтобетонных смесей использовались продукты дробления гравия Надзорненского карьера Ставропольского края, щебень из известняковых горных пород Пятигорского карьера и гранитный щебень Алагирского месторождения Северная Осетия. Предварительно продукты дробления были рассеяны на щебень, размером фракций 5-15 мм и песок, размером фракций 0,315-5 мм. Свойства минеральных заполнителей представлены в таблицах 2.1, 2.2, 2.3.
Анализ минерало-петрографического состава щебня из гравия Надзорненского карьера позволил установить отчетливо выделяющиеся по внешнему виду две разновидности горных пород: светлая около 40% по массе и темная – 60%. Светлая часть относится к изверженным эффузивным породам типа липаритов с заметными метаморфическими изменениями и трещиноватостью, темная – плотные андезитобазальты, однородные без наличия трещин.
Зерна песка занимают большую часть асфальтобетона, заполняя собой пространства между более крупными частицами щебня. Особенно велика структурирующая роль песка в песчаном асфальтобетоне. В этом случае на долю песка, образующего минеральный остов, приходится 80-85% общего объема асфальтобетона. В связи с этим к качеству песка, применяемом в песчаном асфальтобетоне, предъявляются более высокие требования. Они касаются гранулометрического состава, формы зерен, адгезионных свойств их поверхности. В асфальтобетонных смесях, согласно ГОСТ 9128-2009, допускается использовать пески, полученные, как в результате дробления горных пород, так и природного происхождения.
Пески, полученные в результате рассева продуктов дробления, соответствуют требованиям нормативных документов и их свойства представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Физико-механические свойства песка из продуктов дробления
Важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетона является минеральный порошок, представляющий собой полидисперсный материал. Для приготовления минеральных порошков обычно используют карбонатные горные породы (известняки, доломиты, марка которых по дробимости должна быть не менее 200). Анализ литературных источников позволил установить, что существенное усиление структурообразующей роли минерального порошка в асфальтобетоне, а, следовательно, и улучшение структурно-механических свойств этого материала может быть достигнуто за счет физико-химической активации порошка. Было интересным определить влияние активации минерального порошка на оптимальную температуру перемешивания и уплотнения горячих асфальтобетонных смесей. Поэтому в исследованиях использовались как активированный, так и неактивированный. Известняковые минеральные порошки получены на Усть-Джегутинском заводе. Свойства минеральных порошков указаны в таблице 2.4. Таблица 2.4 – Свойства минерального порошка Показатели Активи- Неактиви Требования рованный рованный ГОСТ 16557-78 Зерновой состав, % по массе мельче 1,25 мм 100 100 100-95 0,315 мм 98,7 93 90-80 0,071 мм 80 75 80-70 Пористость, % по объему 26 31 не более 30-35 Набухание образцов из смеси минерального порошка с битумом, % по объему 0,35 1,02 2,5 Коэффициент водостойкости образцов из смеси минерального порошка с битумом 0,98 0,95 Показатель битумоемкости, г 47,3 54,2 не более 50-60 Истинная плотность р, кг/м3 2700 2432 Средняя плотность в уплотненном состоянии ро, кг/м3 1900 1760 Насыпная плотность рн, кг/м3 1112 1020 Удельная поверхность, см2/г 4285 4370 В числителе указаны требования ГОСТ для активированного минерального порошка, в знаменателе для неактивированного минерального порошка. Химический состав исходной породы, из которой получены минеральные порошки: СаО – 58,4%; СО2 – 38,2%; КО2 – 2,95%; Al2O3 – 0,28%; МnО – 0,06%; Ма20 – 0,08%; К20 – 0,03%.
Для приготовления асфальтобетонных смесей использовались нефтяные битумы марок БНД, полученные на нефтеперерабатывающем заводе ПО «Пермьнефтеоргсинтез». Свойства битумов, применявшихся в качестве вяжущего в асфальтобетонных смесях, представлены в таблице 2.5.
Исследование режимов уплотнения асфальтобетонных смесей различного состава по российским и зарубежным стандартам
Испытания резинобитумоминеральных композиций с добавками резиновой крошки, полученной валковым, упруго-деформационным методом и методом измельчения при температурах жидкого азота показали, что лучшие характеристики имеют образцы с резиновой крошкой, полученной упруго-деформационным методом, а наихудшие – в композициях, содержащих резиновую крошку, полученную измельчением резины при температурах жидкого азота.
В ООО «Уником» г. Подольск, Московской области организовано производство резиновой крошки «Унирем» из отработанных шин методом упруго-деформационного измельчения, которое используется в производстве асфальтобетонных смесей [149-152]. Содержание резиновой крошки «Унирем» по отношению к 100 мас. долей битума зависит от марки битума и составляет 8% для марки БНД 40/60, 10% для марки БНД 60/90, 12% для марки БНД 90/130 и 15% для марки БНД 130/200. Температура асфальтобетонной смеси, модифицированной «Унирем» при выходе из смесителя должна находиться в диапазоне 145-1750С для асфальтобетонов с гранулометрией типа «А», «Б», «В» и ЩМА соответственно [150] . При приготовлении асфальтобетонной смеси добавка «Унирем» вводится в смеситель в последнюю очередь сразу после введенного битума. Процесс перемешивания смеси после введения «Унирем» должен продолжаться не менее 1 минуты, а сама продолжительность перемешивания смеси определяется характеристиками применяемого оборудования. В общем, продолжительность перемешивания асфальтобетонных смесей с добавкой «Унирем» составляет около 2 мин, что в 2-3 раза больше, чем при приготовлении асфальтобетонных смесей без добавки. Как было показано в работе [10], последовательность введения составляющих компонентов асфальтобетонной смеси в смеситель значительно влияет на продолжительность перемешивания смеси и качество асфальтобетона. Показано, что при введении компонентов в асфальтобетонной смеси в последовательности: щебень песок битум (перемешивание 15 с) минеральный порошок (перемешивание 20 с) позволяет получить асфальтобетоны повышенного качества. При традиционной схеме приготовления асфальтобетонных смесей, когда в смеситель загружаются щебень, песок, минеральный порошок и в последнюю очередь битум, происходит в первую очередь объединение битума с минеральным порошком. А это приводит к повышению вязкости битума, что затрудняет дальнейшее покрытие поверхности песчаных и щебеночных фракций, для чего требуется более продолжительное перемешивание смеси или повышение ее температуры.
Можно предположить, что введение в асфальтобетонную смесь резиновой крошки «Унирем» по схеме: щебень песок битум (перемешивание 15 с) «Унирем» (перемешивание 20 с) минеральный порошок (перемешивание 20 с) создаст лучшие условия смачивания битумом резиновой крошки, ее набуханию, поскольку часть объема битума находится в свободном состоянии.
В связи с изложенным, в настоящей работе было изучено влияние последовательности введения компонентов асфальтобетонной смеси с резиновой крошкой «Унирем» на свойства асфальтобетонов с различной гранулометрией заполнителя.
Оптимальное содержание битума в асфальтобетонной смеси с гранулометрией типа «А» составляет 5,2%, при введении резиновой крошки «Унирем» в количестве 2% оно составило 5%, а при введении 4% оно составило 4,8 %.
Оптимальное содержание битума в асфальтобетонной смеси с гранулометрией типа «Б» составило 6,0%. При введении резиновой крошки «Унирем» в количестве 2%, содержание битума в смеси составило 5,7%, при введении резиновой крошки 4%, содержание битума в смеси составило 5,5%.
Оптимальное содержание битума в асфальтобетонной смеси типа «Г» составило 6,7%. При введении резиновой крошки «Унирем» в количестве 2% по отношению к битуму содержание битума было 6,4 %, а при введении «Унирем» в количестве 4 % содержание битума было 6,0 %. Таким образом введение добавки «Унирем» снижает оптимальное содержание битума в смеси, что подтверждают данные, представленные в [150,151].
Асфальтобетонные смеси с гранулометрией « Б » приготавливались при температуре перемешивания 155 ± 5 С; с гранулометрией типа « Г » - при 165 ±5 С. Продолжительность перемешивания смесей как без добавки, так и с добавкой «Унирем» при введении компонентов в смеситель по традиционной схеме I составляло 2 минуты. Предложенный режим перемешивания асфальтобетонных смесей без добавки осуществляли при последовательности введения компонентов по схеме II: щебень песок битум (перемешивание 15 с) минеральный порошок (перемешивание 20с), а с добавкой «Унирем» - по схеме III: щебень песок битум (перемешивание 15с) «Унирем» (перемешивание 20с) минеральный порошок (перемешивание 20 с). Асфальтобетонные смеси, приготовленные по всем трем схемам, выдерживали в течении 30 минут при температуре перемешивания, а затем формовали образцы для испытаний по ГОСТ 12801-98. Выдерживание смесей в течение 30 минут после приготовления позволяло примерно моделировать пребывание смесей при высоких температурах в процессе транспортирования их к месту укладки.
Разработка предложений по внесению изменений в ГОСТ 12801-98 в части методов испытания асфальтобетонов и применяемого оборудования
В процессе строительства асфальтобетонных покрытий в г. Ставрополе для контроля качества уплотнения асфальтобетонных покрытий использовалась разработанная методика определения коэффициента уплотнения асфальтобетона в покрытии согласно п. 7 ОДМ 218.5.001 – 2014 (приложение 1), а также методика контроля качества асфальтобетонных смесей, поступающих на объект укладки согласно п. 8 ОДМ 218.5.001 – 2014. На ул. Кулакова, правая полоса от ул. Ленина, начиная от заправки ООО «Лукойл» до пожарной 18 августа 2012г. было начато строительство верхнего слоя асфальтобетонного покрытия толщиной 6 см. Для укладки использовалась мелкозернистая смесь типа «Б» II марки, приготовленная на АБЗ ОАО «СУДР» и по технологической схеме III. Температура воздуха была +26С, погода солнечная. Температура асфальтобетонной смеси, выгруженной в бункер асфальтоукладчика, была равной 152-158С. После укладки асфальтоукладчиком полосы шириной 3,2м производилось уплотнение слоя 5-16 проходами 8 тн катками, затем 16 тн катком. 19 августа отбирались пробы из покрытия и определялась средняя плотность при 20С. Эта плотность считалась эталонной для этого участка.
21 августа 2012г. после дождя было похолодание в утренние часы до 15С. Смесь на объект поступала с температурой 150-157С после укладки и уплотнение теми же механизмами на 2-й день 22 августа определялась средняя плотность вырубки. В процессе строительства отбирались еще 3 раза вырубки из покрытия определялась средняя плотность и коэффициенты уплотнения (приложение 4). Как следует из результатов, представленных в приложении, и коэффициент уплотнения асфальтобетонных смесей колебался, что было обусловлено колебанием зернового состава асфальтобетонной смеси, что было определено после рассева минеральной части проб вырубок после их сжигания.
Качество поступающей асфальтобетонной смеси на объект и качество ее укладки и уплотнение было определено с помощью ударного уплотнителя Маршалла.
24 сентября 2012г. было начато строительство верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на ул. Серова напротив дома №41 г. Ставрополя. Температура воздуха была +21С, погода солнечная. Укладывалась мелкозернистая асфальтобетонная смесь с гранулометрией минеральной части типа «Б» II марки, приготовленная на АБЗ ОАО «СУДР» Температура смеси в приемном бункере асфальтоукладчика была равной 156-164С. После укладки асфальтоукладчиком слоя асфальтобетонной смеси толщиной 7см в рыхлом состоянии производилось уплотнение средним и тяжелым катком до исчезновения следов от катка.
Производилось изготовление по 2 образцам в уплотнителе Маршалла при числе ударов падающего груза 55, 65 и 75. Температура смеси при уплотнении была равной 150-156С. Формы и падающий груз предварительно нагревались до примерно 100С при их выдерживании в горячей асфальтобетонной смеси.
Через 1 сутки после укладки асфальтобетонной смеси в покрытие, т.е. 25 сентября 2012г., и изготовления образцов Маршалла определялась средняя плотность образцов вырубки и образцов Маршалла.
Как следует из рисунка 5.2, средняя плотность асфальтобетонного образца – вырубки, взятой из эталонного участка, равна средней плотности образцов Маршалла при уплотнении 68 ударами падающего груза. В дальнейшем контроль строящегося слоя асфальтобетонного покрытия осуществляли по средней плотности образцов из смесей, взятых из приемного бункера асфальтоукладчика и уплотненных 68 ударами падающего груза ударного уплотнителя Маршалла, и по средней плотности образца – вырубки, взятой с покрытия в том месте, где была уплотнена асфальтобетонная смесь из бункера асфальтоукладчика, из которой готовились образцы Маршалла. В процессе строительства верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на ул. Серова при различных температурах воздуха отбирались пробы асфальто-бетонной смеси из приемного бункера асфальтоукладчика, изготавливались образцы Маршалла при числе ударов падающего груза, равном 68, а затем через 1 сутки отбирались вырубки из места укладки смеси, из которой готовились образцы Маршалла, и определяли среднюю плотность образцов. Из сравнения полученных значений средней плотности судили о постоянстве качества поступающей асфальтобетонной смеси на место укладки, а также о степени уплотнения ее в покрытии (приложение 5).
Как было установлено в главе 2, оптимальная технология приготовления асфальтобетонных смесей позволяет уменьшить продолжительность перемешивания смесей на 33%, сократить расход битума на 11-12%, повысить качество асфальтобетонов, что отражается на показателях долговечности устроенных из них покрытий.
Была определена плановая расчетная стоимость асфальтобетонных смесей, базовых на материалах и оборудовании ОАО «СУДР» и новых, получаемых по разработанной технологии. Определилась стоимость асфальтобетонной смеси горячей плотной мелкозернистой с гранулометрией минеральной части типа «Б» II марки (таблица 5.3) и асфальтобетонной смеси горячей крупнозернистой I марки (таблица 5.4).
Как следует из таблицы 5.3, снижение стоимости 1 тн асфальтобетонной смеси с гранулометрией заполнителя типа «Б» II марки за счет снижения затрат при работе асфальтобетонного завода и экономии битума составляет 166,62 руб. или 8%, а снижение стоимости 1 тн асфальтобетонной смеси горячей пори- стой крупнозернистой I марки составляет 149,23 руб. или 7,8% (таблица 5.4).