Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. задачи исследования 8
1.1 Обзор исследований технологий цементных бетонов с добавками битума 8
1.2 Обзор исследований по уплотнению цементных бетонов укаткой 27
1.3 Выводы и задачи исследования 33
2 Теоретические предпосылки исследования 36
2.1 Процессы структурообразования в цементном бетоне с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси 36
2.1.1 Смачивание минеральных составляющих водой 44
2.1.2 Диспергирование и стабилизация битума цементом 52
2.1.3 Формирование структуры цементного камня в присутствии битума 61
2.1.4 Уплотнение цементобетонных смесей с добавками битума 66
2.1.5 Формирование битумной пленки 76
2.1.6 Адгезия битума 83
2.1.7 Уход за бетоном 89
3 Экспериментальньве исследования 93
3.1 Характеристика исходных материалов 93
3.2 Методики исследований 98
3.2.1 Методика исследования растекаемости битума по воде 98
3.2.2 Методика приготовления цементобетонных смесей с добавками битума 99
3.2.3 Методика приготовления битумных эмульсий на цементах 100
3.2.4 Методика оценки дисперсности битума 101
3.2.5 Методика приготовления и испытания образцов 102
3.2.6 Математические методы исследований 104
3.3 Исследование диспергирования битума цементом 107
3.4 Исследование диспергируемости битума в цементобетонных смесях... 116
3.5 Установление оптимального содержания цемента в смесях и определение основных характеристик бетонных смесей с добавками битума 119
3.6 Исследование формирования битумной пленки по поверхности воды... 123
3.7 Исследование формирования битумной пленки 128
3.8 Исследование структурно-механических свойств цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси 139
3.9 Исследование уплотнения цементобетонных смесей с добавками битума укаткой 150
3.10 Разработка метода по уходу за битумосодержащим цементным бетоном 157
3.11 Исследование шумопоглощающих свойств цементных бетонов с добавками нефтяного битума 160
3.12 Разработка технологии и исследование дорожно-технических свойств цементного бетона с составленными органическими вяжущим 163
4 Производственный опыт 169
5 Эффективность применения цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси 182
Общие выводы 185
Список использованной литературы 188
- Обзор исследований по уплотнению цементных бетонов укаткой
- Диспергирование и стабилизация битума цементом
- Методика приготовления цементобетонных смесей с добавками битума
- Разработка метода по уходу за битумосодержащим цементным бетоном
Введение к работе
Актуальность темы. Проблемами современного дорожного строительства являются повышение качества строительных материалов, снижение трудовых и энергетических затрат, получение материалов с заранее заданными свойствами.
Одним из направлений улучшения свойств цементного бетона является добавка в цементобетонную смесь нефтяного битума. Эффективность совместного применения битума и цемента в цементных бетонах отмечается в трудах А. П. Коршуновой, В. А. Николаева, В. М. Гоглидзе, А. Холла, С. В. Шестоперова, В. Г. Волкова, Т. П. Лещицкой, А. В. Потапова, Е. Ю. Бушневой, С. И. Мирошниченко.
В настоящее время наиболее изученными и применяемыми являются технологии цементного бетона с добавками битума в виде эмульсии на жидких поверхностно-активных эмульгаторах. Применение битумных эмульсий отличается простотой и высокой технологичностью. Однако этому способу присущи некоторые недостатки, главными из которых являются: высокая стоимость эмульгаторов и оборудования для их получения, нередко импортного производства, которые значительно удорожают стоимость битума в эмульсии; неизбежное заблаговременное приготовление битумных эмульсий, сопровождающееся значительными организационными трудностями и экономическими затратами; экранируя зерна цемента, поверхностно-активный эмульгатор негативно влияет на реакции гидролиза и гидратации цемента и конечные свойства бетона; битумные эмульсии относятся ко второй группе материалов по токсичности.
В последнее время большое внимание уделяется уплотнению цементного бетона методом укатки. Показано, что применение укатываемого цементного бетона в конструкциях дорожных одежд позволяет исключить недостатки, присущие традиционной технологии устройства бетонных покрытий, и получать бетон с улучшенными показателями свойств. В России укатываемый бетон находится в процессе изучения и экспериментального апробирования.
В Саратовском государственном техническом университете предложена и разрабатывается эффективная технология укатываемого цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси, которая обладает рядом очевидных преимуществ с точки зрения экономии энергии, материальных и технических ресурсов, охраны окружающей среды по сравнению с цементными бетонами на битумных эмульсиях. Отличительной особенностью технологии является диспергирование битума и образование в объеме приготавливаемой бетонной смеси прямой медленнораспадающейся неионогенной битумной эмульсии на твердом эмульгаторе (БЭТЭ), роль которого выполняет цемент. Она может быть реализована на цементобетонных заводах, а также на асфальтобетонных заводах после незначительной реконструкции.
Технология производства и применения, дорожно-технические и эксплуатационные свойства, процессы формирования структуры укатываемого цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси, в настоящее время изучены недостаточно.
Работа выполнялась в соответствии с программой НИР Саратовского государственного технического университета (внутривузовская программа 12В.02 «Разработка методов строительства, ремонта, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог», код ГРНТИ 73.31.09).
Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований является обоснование эффективности и разработка на основе теоретических и экспериментальных исследований рациональной технологии производства и применения цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
– исследование процессов диспергирования битума цементами в БЭТЭ и бетонных смесях;
– исследование влияния сорбции битума во времени на гидрофобизацию пористого пространства бетона;
– исследование свойств цементных бетонов с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси;
– исследование эффективности уплотнения цементного бетона с добавками битума укаткой;
– исследование свойств цементного бетона с составленными органическими вяжущими, эмульгированными в бетонной смеси;
– разработка способа по уходу за битумосодержащим цементным бетоном;
– осуществление опытно-производственной проверки результатов исследования;
– обоснование технико-экономической эффективности применения цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси;
– разработка практических рекомендаций по производству и применению цементобетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси.
Научная новизна:
– проанализированы и развиты процессы структурообразования цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси, как гетерогенной термодинамической системы открытого типа;
– установлены зависимости образования битумной эмульсии в БЭТЭ и бетонной смеси от различных факторов;
– установлены эффективность уплотнения цементобетонных смесей с добавками битума дорожными катками и режимы уплотнения в зависимости от составов бетонных смесей;
– установлена целесообразность улучшения дорожно-технических свойств цементных бетонов добавками органических вяжущих, эмульгированных в бетонной смеси;
– разработаны технические рекомендации по приготовлению и применению цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением научно обоснованных средств измерений и обработки экспериментальных данных, показателями опытно-производственного внедрения, а также соответствием результатов исследований современному уровню научного бетоноведения.
Практическая и социальная значимость. Разработан эффективный дорожно-строительный материал, применение которого позволяет упростить технологию приготовления цементобетонных смесей с добавками органических вяжущих, исключить расходы на дорогостоящие эмульгаторы и специальное оборудование для приготовления и хранения битумных эмульсий, практически полностью исключить нанесение экологического ущерба окружающей среде, уменьшить трудовые и энергетические затраты.
Положения, выносимые на защиту:
– технологические особенности производства цементобетонных смесей с добавками нефтяного битума и составленных органических вяжущих, эмульгированных в бетонной смеси;
– теоретический анализ процессов структурообразования цементного бетона с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси;
– результаты экспериментальных исследований эмульгирования битумов цементом в БЭТЭ и бетонных смесях, формирования структуры бетона, дорожно-технических свойств цементного бетона, уплотнения цементобетонных смесей методом укатки, ухода за твердеющим битумосодержащим цементным бетоном путем термообработки поверхности покрытия;
– принципиальная возможность и целесообразность применения цементобетонных смесей с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси, для ямочного ремонта и устройства дорожных покрытий на дорогах II-IV категорий в III-V дорожно-климатических зонах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы по мере их разработки докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Строительство дорог и организация движения» СГТУ (2008-2010), XVI Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2009), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2009), VIII Международной научно-технической конференции «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии» (Гродно, 2009).
Выполнены работы по ямочному ремонту асфальтобетонных покрытий цементобетонными смесями с добавками нефтяного битума и составленных органических вяжущих.
Публикации. По результатам исследований получено 2 патента на изобретения, одно положительное решение о выдаче патента, опубликовано 14 работ, среди которых 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 208 наименований, 2 приложений. Основная часть работы изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 46 рисунков.
Обзор исследований по уплотнению цементных бетонов укаткой
Известен способ устройства комбинированного покрытия, при котором в уложенное покрытие из высокопористого асфальтобетона распределяется раствор на основе цемента, песка и специальных добавок [53, 61]. Такой материал получил название полужесткого покрытия. В Европе и мировой практике такая технология существует уже долгие годы под названиями: Densiphalt - в Дании и Скандинавии, Confalt - в Германии, Strabaphalt - в Австрии [117, 119, 120, 205, 206]. Работы по укладке полужесткого покрытия ведутся только в условиях положительных температур в два этапа. На первом этапе по традиционной технологии проводится укладка и уплотнение асфальтобетона с пористостью не менее 25 %. Вторым этапом является заливка и распределение цементного раствора с консистенцией, достаточной для заполнения всех пор и пространства между щебенками. Асфальтовая смесь может быть приготовлена в условиях любого АБЗ и уложена с помощью обычных асфальтоукладчиков. Раствор может приготавливаться непосредственно на объекте строительства в растворонасосе, обеспечивающем смешивание сухой смеси с водой и подачу к месту заливки. При укладке на остывшее пористое асфальтовое покрытие раствор распределяют с помощью рейки с резиновым полотном. Укладка смеси возможна с помощью насоса, который подает раствор на поверхность свежеуложенного асфальта. Проникновение в поры обеспечивается прохождением по уложенному составу вибрационного дорожного катка сразу после укладки состава. Уход за готовым покрытием осуществляется также как и за цементным бетоном. Смесь быстро твердеет, что позволяет использовать покрытие через 12-48 часов после укладки [61]. По трудоемкости укладки асфальтоцементо-бетон превосходит асфальтовый бетон, так как добавляется операция по смешению и распределению цементного раствора. Но в отличие от дорожного цементобетона данный способ позволяет укладывать покрытие на больших площадях без устройства швов. Комбинированное вяжущее нашло широкое применение в холодной регенерации старого асфальтобетона [21, 22, 23]. Для восстановления старых асфальтобетонов используют регенерирующие добавки органического и минерального происхождения. В качестве минеральных добавок в основном применяют цемент и известь. Наибольшее предпочтение в настоящее время получили комплексные регенерирующие добавки, в состав которых входят: битумная эмульсия + цемент, битумная эмульсия + известь, вспененный битум + цемент.
Следует отметить, что за рубежом холодная регенерация с использованием битумных эмульсий и цемента получила широкое распространение [24,25].
При строительстве оснований из тощего бетона в г. Москве [49] для улучшения его физико-механических показателей в бетонную смесь, состоящую из известнякового щебня крупностью до 40 мм - 66 %; среднезернистого речного песка -29,7 %; портландцемента марки 400 - 4,3 %; воды - 5,7 %, вводили тонкодисперги-рованную битумную эмульсию следующего состава: битум БНД 40/60 - 50 %, вода - 48,5 %, эмульгатор - сульфитноспиртовая барда (ССБ) - 1,5 % (в пересчете на сухое вещество), что позволяло существенно улучшить деформативные характеристики бетона. Битумная эмульсия вводилась одновременно с водой в количестве 30-40 % от массы цемента, то есть количество битума в смеси составляло 0,6-0,8 %. Смеси приготавливали на заводах стационарного типа в бетономешалках свободного действия емкостью 1200 л и весовыми дозаторами компонентов. Время перемешивания смеси составляло 150-180 с. Продолжительность транспортирования смеси составляла не более 90 мин. Смесь укладывали бетоноукладчиками на пневматическом ходу. Вслед за укладчиком производили уплотнение распределенной смеси самоходными катками: сначала легкими - массой 5-6 т, затем тяжелыми - массой 10 или 15 т до полного уплотнения с перекрытием следа на 15-25 см. Количество проходов катка по одному следу равнялось 12. Толщина готового слоя составляла 20 см. Сразу же после уплотнения смеси производилась укладка_ двухслойного асфальтобетонного покрытия толщиной 5 и 8 см.
Установлено [59], что для повышения физико-механических показателей малоцементных (тощих) укатываемых бетонов наиболее эффективной добавкой является битумная эмульсия. Варьируя ее содержание, можно достигнуть марочной прочности, а в отдельных случаях повысить ее, и улучшить другие показатели. Полученный таким образом материал по сравнению с классическим бетоном обладает более высокой деформативностью, трещиностойкостью, прочностью, что позволяет отказаться от устройства деформационных швов в бетонных основаниях.
Определенный интерес вызывают исследования С. И. Мирошниченко [10]. Им была предложена двухстадийная холодная раздельно-последовательная технология приготовления цементного бетона с добавкой битума. Она заключается в обработке битумной эмульсией расчетного количества крупного заполнителя в мешалке АБЗ с одновременным смешением цементно-песчаного раствора с оставшимся количеством щебня в дополнительном смесителе и последующим их совместным перемешиванием до получения однородной смеси. Предложенный способ, по словам автора, имеет ряд положительных моментов по сравнению с методами совместного смешения компонентов. Применение раздельно-последовательной технологии приготовления композита дает возможность строго соблюдать требуемое соотношение и распределение коагуляционных и кристаллизационных связей в структуре материала. Сам материал представляет собой скелет из частиц, соединенных цементным вяжущим, и непрерывный кластер из битумного связующего на поверхности частиц крупного заполнителя. Такой композит обладает повышенным структурным сцеплением как за счет увеличения жестких связей, возникающих в более мелких частицах материала, объединенных в цементно-песчаные агрегаты, так и за счет более равномерного распределения каждого из вяжущих в объеме смеси и лучшего обволакивания ими частиц крупного заполнителя. В качестве минеральных материалов, используемых для приготовления цементоасфальтобетона, применяли гранитный щебень и отсев кварцитопесчаников. Вяжущими материалами являлись цемент М 500 и 50 %-ная среднераспадающаяся битумная катионак-тивная эмульсия (ЭБК-2), приготовленная на основе битума БНД 60/90. Сравнительное исследование свойств цементоасфальтобетона, асфальтобетонами цементобетона проводили на образцах близкого гранулометрического состава. Физико-механические свойства определяли на цилиндрических образцах диаметром 50 мм, получаемых уплотнением смеси в стальной форме под давлением 40 МПа, и на об-разцах-балочках размером 40x40x160 мм. В ходе исследования установлено, что прочность асфальтобетона при 50 С уменьшилась по сравнению с его прочностью при 20 С на 38 %, а цементоасфальтобетона - на 25 %, при этом абсолютное значение прочности при 50 С цементоасфальтобетона в три с половиной раза выше, чем у асфальтобетона. Прочность на растяжение при изгибе цементоасфальтобетона имеет значение, близкое с цементобетоном, однако величина модуля деформации при этом в четырнадцать раз меньше, чем у цементобетона, что указывает на повышение деформативности материала за счет наличия в нем коагуляционных связей.
Диспергирование и стабилизация битума цементом
Аналогичные объяснения приводят О. В. Мчедлов-Петросян [171], П. А. Ре-биндер и Е. Е Сегалова [153]. Ослабление структуры твердеющего цементного камня они объясняют тем, что в течение первого этапа твердения цемента происходит формирование каркаса кристаллизационной структуры, а в течение второго — новые кристаллизационные контакты не возникают, а происходит только обрастание уже имеющегося каркаса, то есть рост составляющих его кристалликов. Авторы отмечали, что такое обрастание каркаса с одной стороны приводит к росту прочности структуры, а с другой - является причиной возникновения внутренних напряжений в результате направленного роста кристалликов. Эти напряжения неизбежно приводят к снижению прочности цементного камня в результате разрушения структуры по его слабым участкам.
В цементных бетонах, уплотняемых укаткой, внутренние напряжения более значительны, чем в обычных бетонах, уплотняемых вибрацией. Укатываемые бетоны, благодаря низкому значению В/Ц и высокой степени упаковки минеральных компонентов, изначально характеризуются более высокой плотностью и меньшей пористостью. С увеличением продолжительности твердения цемента объем пор уменьшается, так как они заполняются гидратными новообразованиями [170]. Кристаллы новообразований, растущие в стесненных условиях, являются своеобразными инденторами, внедряющимися в стенки пор. Из решения контактной задачи теории упругости [154] известно, что непосредственно под индентором возникают очень высокие напряжения по характеру близкие к всестороннему сжатию. При этом уровень напряжений при определенных условиях может превзойти предел прочности цементного камня и обусловить его локальное разрушение.
Значение и характер собственных деформаций цементного камня во многом зависят не только от напряжений, развивающихся в структуре, но и от реакции на них самой структуры [98]. П. Г. Комохов [167] подчеркивает, что энергетические уровни, воспринимающие и порождающие внутренние поля напряжений, должны быть адекватны реально существующим уровням бетона.
Внутренние напряжения в цементном бетоне возникают также вследствие его усадки, различных коэффициентов линейного температурного расширения и модулей упругости цементного камня, щебня и песка при изменении температуры.
П. Г. Комохов и В. С. Грызлов [167] при изучении действия добавок пористого компонента в структуре легкого и тяжелого бетонов отмечают, что пластическая деформация и рост трещин являются конкурирующими процессами при снятии концентраций напряжений. Если пластическая деформация протекает достаточно легко, образование трещин подавляется. Если же трещина появилась, ее росту будет препятствовать способность вязких включений поглощать эффективную энергию этой трещины.
На основании всего вышесказанного можно предположить, что добавка битума в состав тяжелой бетонной смеси может сыграть важную структурообразующую роль. Во-первых, объемная гидроизоляция бетона битумом может способствовать снижению поздней и вторичной гидратации цемента. Во-вторых, выступая в качестве демпфирующего компонента, битум может препятствовать развитию микротрещин, увеличивать шумопоглощение покрытий, повышать уровень рассеивания внутренних напряжений (релаксация) и поглощать часть внешней энергии, приложенной к материалу, частично разгружая скелет бетона. Имеются сведения [165, 166, 167], что при введении в состав цементобетонной смеси различного рода демпфирующих добавок повышается ударная прочность бетона, что особенно важно для покрытий дорог. Следует отметить, что в современной практике производства цементных композитов демпфирование структуры заняло приоритетное место в технологическом арсенале производства несущих железобетонных и монолитных конструкций и сооружений.
Уплотнение цементобетонных смесей с добавками битума Уплотнение бетонной смеси является наиболее ответственным этапом в технологическом процессе по устройству покрытий из цементного бетона с добавками битума.
Многочисленными исследованиями [48, 49, 62, 63, 75, 82, 99, 104, 121] установлено, что для получения высокопрочных бетонов и формирования их ранней структуры необходимо обеспечить максимальную плотность упаковки минеральных составляющих смеси. Это достигается в результате тщательно подобранной гранулометрии минеральной части, низкого водоцементного отношения и высокого уплотнения цементобетонной смеси.
Проведенные Г. М. Хуторовцевым и Н. В. Михайловым [96] исследования по улучшению структурно-механических свойств цементобетонных изделий подтверждают, что высокая первоначальная плотность смеси автоматически обеспечивает и высокую прочность бетона уже в начальные сроки твердения. Объясняется это тем, что при низких значениях водоцементного отношения (незначительном исходном разобщении цементных зерен водой) и высокой степени уплотнения смеси, между частицами цемента — в результате накапливающихся на их поверхности гид-ратных продуктов - уже в начальный период твердения образуются качественные контактные зоны, дополнительно уплотняющиеся и упрочняющиеся по мере гидратации цемента. Благодаря высокой плотности смеси, процессы структурообразо-вания в цементном тесте протекают интенсивнее. Высокоплотная структура бетона обеспечивает и высокие физико-механические свойства. Поэтому высокое уплотнение цементного бетона можно рассматривать как фактор направленного структу-рообразования, приводящий к активизации процессов твердения цемента.
Методика приготовления цементобетонных смесей с добавками битума
За основу определения степени дисперсности органических вяжущих принят расчетный метод дисперсионного анализа А. И. Ляпиной и И. А. Плотниковой [175]. Для этого отбиралась проба цементобетонной смеси или БЭТЭ массой 40-50 г и помещалась на стеклянную пластинку размером 80x80 мм. Из навески пинцетом удалялись крупные минеральные частицы, а оставшаяся часть подвергалась наблюдению. Размеры глобул органического вяжущего определялись на биологическом микроскопе МИН-4. Для нивелирования поверхности проба сверху накрывалась второй стеклянной пластинкой и в таком состоянии помещалась на предметный столик микроскопа. Микроскоп имеет сменные пары окуляров, позволяющие варьировать ценой деления. Для исследований применялись пары окуляров с ценой деления 14 и 40 мкм. Визуальной оценке подвергались глобулы, попавшие в поле зрения микроскопа. Для определения степени дисперсности битума производился подсчет всех глобул из взятой навески. Необходимое число проб определяется по формуле Чебышева: где t - коэффициент значимости, зависящий от заданной доверительной вероятности 0. При доверительной вероятности 0 =95%; =1,96 ( 2,0); а — среднеквадратическое отклонение; Л - точность прибора. где di - размер частиц класса /; щ — количество частиц класса /; N— общее количество измеренных частиц. Оценка дисперсности битума проводилась для всех приготовленных смесей и эмульсий на твердых эмульгаторах.
Ввиду применения двух вяжущих различной природы и отсутствия стандартных методик приготовления и испытания подобных дорожно-строительных материалов, приготовление цементобетонных образцов с добавками битума производилось по методике ГОСТ 12801-98 .
На лабораторных электронных весах отвешивалось необходимое количество свежеприготовленной смеси т, рассчитанной по формуле 3.4, и навеска помещалась в стальные формы: цилиндрические dx= 50,5 мм или d2= 71,4 мм и прямоугольные 40 40 160 мм. Формы и смесь не нагревались.
Для исключения прилипания смеси к форме, последняя предварительно смазывалась керосином или машинным маслом, а на торцы плунжеров накладывалась" фильтровальная бумага. Затем производилось уплотнение смеси на формовочном прессе ПСУ-50 в течение 3 минут под нагрузкой, устанавливаемой индивидуально для каждого состава смеси, но близкой к началу выжимания воды ( 40 МПа).
Образцы-балочки размером 40x40x160 мм готовились на установке с перекатывающейся нагрузкой для уплотнения смесей, сконструированной в СГТУ (а.с. № 1216012 [177]). Достоинством данной установки является возможность уп 103 лотнения смесей идентично уплотнению катками в производственных условиях. Общий вид устройства схематично изображен на рисунке 3.4.
Форма тщательно смазывалась машинным маслом, после чего в нее загружалась свежеприготовленная цементобетонная смесь. С помощью механической лебедки 77 на поверхность смеси опускался рабочий орган устройства 4, после чего включался электродвигатель 8. Возвратно-поступательное движение стола с формой обеспечивает его автоматическую смену направления. После 8-10 проходов
104 рабочего органа 4 с удельным давлением 50 кг/см электродвигатель отключался. Рабочий орган 4 поднимался механической лебедкой 11 и образец с помощью выжимного устройства 12 извлекался из формы и устанавливался на хранение.
Отформованные образцы выдерживались в водяной бане при (20±3) С и влажности воздуха (95±5) % (вохдушно-влажное хранение) по ГОСТ 10180-90, или хранились в естественных условиях при (20±5) С (вохдушно-сухое хранение). Для случая ускорения формирования битумной пленки образцы подвергались термической обработке в термокамере (SPT 200) при 90 С. Время выдержки образцов в конкретных условиях определялось целями эксперимента.
Протекание процессов структурообразования обусловлено воздействием различных факторов, количественный диапазон изменения которых очень значителен. Поэтому для получения максимума информации при минимальных затратах на экспериментальные исследования для решения поставленных задач применялся метод математического планирования эксперимента. Схема планирования и проведения эксперимента приведена на рисунке 3.5.
Для определения степени влияния каждого фактора на параметр оптимизации и отсева факторов, которые несущественно влияют на исследуемый процесс, был принят дробный факторный план [209].
Чтобы воспользоваться стандартной матрицей, значения факторов подлежат кодировке по формуле: где: xi - кодированное значение фактора; х І — натуральное значение фактора на каком-либо уровне; х І - натуральное значение фактора на нулевом уровне; J і — интервал варьирования фактора.
Для лучшего понимания механизма диспергирования битума, а также обеспечения воспроизводимости заданных составов и разработки дальнейших рекомендаций по приготовлению цементобетонных смесей, изучение диспергирования битума цементом осуществлялось в БЭТЭ. Для сравнения эмульгирующей способности цемента использовался известняковый минеральный порошок. Приготовление БЭТЭ осуществлялось согласно методике, изложенной в п. 3.2.3.
Так как эмульгаторы различны по природе, степени дисперсности, форме поверхности, пористости, водоудерживающая способность их различна. Количество воды необходимой для приготовления БЭТЭ устанавливалось экспериментально для каждого вида применяемого эмульгатора. За расчетное принималось максимальное количество воды, при котором суспензия еще сохраняет устойчивость и не происходит водоотделения. Для определения максимальной водоудерживающей способности навеска эмульгатора в 100 г термостатировалась при температуре 20 С и засьшалась в стеклянную цилиндрическую колбу, масса которой заранее известна. Далее производилось уплотнение эмульгаторов до одинакового объема в цилиндре. После чего порциями в 5-7 приемов тонкой струйкой при 20 С добавлялась вода. Очередная порция воды добавлялась при полной пропитке предыдущей
Разработка метода по уходу за битумосодержащим цементным бетоном
Уплотнение цементного бетона методом укатки является новым и малоизученным вопросом. Как отмечалось в п. 1.2 в настоящее время имеются попытки [72, 151 74, 82, 145] в лабораторных условиях разработать рекомендации по устройству покрытий из укатываемого бетона. При этом уплотнение цементобетона осуществлялось либо по базовому методу ГОСТ 12801-98 путем прессования смеси под давлением (10 - 50) МПа на гидравлических прессах в цилиндрических формах в течение 3 мин, либо по ГОСТ 22733-77 трамбованием смеси в стальной цилиндрической форме путем сбрасывания на нее груз массой 5 кг с высоты 50 см (малый прибор СоюздорНИИ). Такие методики не отражают характер процесса структурирования и не позволяют дать конкретных рекомендаций о времени уплотнения смеси, эффективных типах, массах применяемых катков, количества их проходов, а также выявить особенности поведения смеси от действия перекатывающейся нагрузки. Для выявления данных параметров рекомендуется укатка пробного участка, что не всегда возможно и экономически оправдано. Очевидно, что структура цементного бетона, сформованного на прессе и в реальных условиях (катками), имеет значительные отличия.
В Саратовском ГТУ разработан стенд с перекатывающейся нагрузкой для уплотнения строительных смесей (а.с. № 1216012 [177]) (рис. 3.3), который позволяет моделировать работу катков и формовать образцы цементного бетона с добавками битума со структурой, близкой к структуре реального цементного бетона, получаемого на дороге.
Изучение режимов и времени уплотнения цементного бетона осуществлялось на образцах шириной 40 и длиной 160 мм на цементобетонной смеси, состоящей из гранитных щебня (фр. 10-5 мм) - 55 % и песка (фр. 5 мм) - 30 %; цемента - 15 %; воды — 6 %. Битум марки БНД 90/130 вводился в смесь в количестве 1, 3, 5 %. Достоинством установки с перекатывающейся нагрузкой является возможность изменения толщины уплотняемого слоя в достаточных пределах. В качестве варьируемых факторов выступали: количество битума в смеси, удельное давление катка и его количество проходов по одному следу. Изготовление цементобетонных образцов с добавками битума осуществлялась согласно методике 3.2.5. Смесь укладывалась в форму 5, равномерно распределялась слоем заданной толщины и уплотнялась с помощью рабочего органа 4. Рабочий орган 4 с пригрузом 6 перемещался с заданной скоростью с помощь привода от электродвигателя 8 с редуктором 9.
152 Энергия воздействия на уплотняемый материал может изменяться массой пригруза (балласта) 6, скоростью движения стола, изменением радиуса сменного рабочего органа. Изменяя вес пригруза б, изменяется удельное давление рабочего органа 4 на смесь, тем самым моделируется работа легкого, среднего и тяжелого катков. Вес пригруза рассчитывался по величине фактического удельного давления гладко-вальцовых катков. Для моделирования уплотнения смеси виброкатком на грузе 6 закрепляется вибратор 13 с частотой колебаний 20 Гц и амплитудой 1,2 мм.
Известно, что при очередном проходе катка по уплотняемому слою деформации материала постепенно уменьшаются вследствие повышения плотности и жесткости уплотняемого слоя. При неизменной массе катка это приводит к самопроизвольному увеличению контактного давления из-за уменьшения площади контакта вальца с поверхностью уплотняемого слоя, создавая некоторые неудобства в назначении и определении контактных давлений катков. Поэтому для моделирования уплотнения удобнее пользоваться удельным (линейным) давлением, величина которого является постоянной и зависит только от массы катка.
Исследование уплотнения смесей осуществлялось по двум схемам. По первой схеме величина удельного давления, рассчитанная с учетом ширины вальца, в начале уплотнения составляла 30 кг/см и соответствовала работе легкого катка. После того, как уплотняющего давления становилось недостаточно, моделировалась работа среднего катка с удельным давлением 50 кг/см. На конечной стадии уплотнения цементного бетона величина удельного давления составляла 80 кг/см (тяжелый каток). Количество воздействий рабочего органа на смесь, при котором прекращалась деформация уплотняемого слоя, фиксировалось при каждой нагрузке. По второй схеме осуществлялась легкая прикатка слоя 3-4 воздействиями рабочего органа с удельным давлением 30 кг/см (легкий каток), после чего производилось окончательное уплотнение нагрузкой 80 кг/см (тяжелый каток).
Ориентировочным показателем «максимальной» степени уплотнения смесей служило нанесение на поверхность уплотненного образца нескольких капель воды. Если впитывания воды не происходило — капля оставалась на поверхности - уплотнение заканчивалось, в противном случае смесь доуплотнялась. С помощью вы 153 жимного устройства образец извлекался из формы, после чего по коэффициенту уплотнения К (формула 3.12) контролировалась степень его плотности.
Максимальная плотность ртах для каждого состава смеси определялась путем статического прессования смеси в цилиндрических формах по методике п. 3.2.5.
Добавка битума приводит к изменению реологических свойств бетонных смесей (см. п. 3.5), поэтому определение максимальной толщины уплотняемого слоя производилось для каждого конкретного ее состава. Необходимое число проходов катка, является важным параметром, характеризующим эффективность уплотнения. Достаточно отметить, что отклонение от него в ту или иную сторону способно вызвать недоуплотнение бетона, или обеспечить напрасные затраты энергии при непродуктивных проходах катка. Экспериментальным путем было установлено, что максимальная толщина бетона Нтах в уплотненном состоянии (К = 1,0) при удельном давлении 80 кг/см составляет: для цементобетонной смеси - 18 см; при добавлении 1 % битума - 17,5 см; при 3 % битума - 16,5 см; при 5 % битума -15 см. После определения толщины слоя бетонов в «максимально плотном» состоянии (при К = 1,0) дальнейший контроль плотности осуществлялся по формуле
Такой способ является более удобным, так как позволяет определять Ку, не извлекая образец из формы. Изменение толщины образца фиксировалось штангенциркулем. Результаты исследования по уплотнению цементобетонных смесей глад-ковальцовыми катками приведены в таблице 3.24.
Снижение скорости укатки увеличивает время воздействия катка на поверхность укатываемого слоя, что приводит к более плавному преодолению сопротивления укатываемого слоя и повышает сохранность возникших ранее прочных структурных связей и способствует формированию более прочной структуры.
Похожие диссертации на Дорожные цементные бетоны с добавками битума, эмульгированного в бетонной смеси
