Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ материалов на основе битумных эмульсий с добавками неорганических вяжущих 13
1.1 Составы и свойства материалов различного назначения на основе битумных эмульсий с добавками цемента 13
1.1.1 Материалы конструктивных слоев дорожных покрытий на основе битумных эмульсий с добавками цемента 13
1.1.2 Кровельные и гидроизоляционные мастичные материалы на основе во доэмульсионных битумных паст с добавками цемента 25
1.2 Технология приготовления материалов на основе битумных эмульсий, паст и мастик 32
1.3 Выводы, цели и задачи исследований 40
ГЛАВА 2 Теоретические предпосылки создания материалов требуемого качества на основе цементно-битумных вяжущих 43
2.1 Теоретические предпосылки применения цемента в качестве битумного эмульгатора 43
2.2 Механизм гидратации и твердения цемента в составе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих и возможности регулирования их структуры и свойств 51
2.3 Выводы 58
ГЛАВА 3 - Экспериментальные исследования и разработка материлов различного назначения на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих 59
3.1 Материалы, принятые к исследованию и их свойства
3.1.1 Минеральные заполнители и наполнители 59
3.1.2 Битумы 64
3.1.3 Цементы
3.1.4 ПАВ
3.1.5 Пластификаторы и суперпластификаторы 67
3.2 Методы, принятые для исследований 69
3.2.1 Стандартные методы испытаний 69
3.2.2 Методика определения внутренних напряжений, трещиностоикости и устойчивости к старению покрытий 69
3.2.3 Методика испытания битумов и битумных композиций с помощью объемного дилатометра 73
3.2.4 Методика определения гранулометрического состава микрочастиц с помощью лазерного анализатора «ЛАСКА-IK» 76
3.3 Влияние режимов эмульгирования и состава на свойства цементно битумных водных дисперсий (паст) 85
3.4 Исследование физико-механических свойств материалов на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих 94
3.4.1 Гидроизоляционные асфальтоцементные пасты и мастики 94
3.4.2 Асфальтоцементные растворы для выравнивающих стяжек 105
3.4.3 Битумоминеральные смеси
3.5 Исследование термостойкости и устойчивости к тепловому старению материалов на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих 117
3.6 Выводы 122
ГЛАВА 4. Опытно-промышленные испытанрш материалов на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих и технико-экономическая эффективность их производства и применения 124
4.1 Производство опытных партий битумоминеральных смесей на основе во
доэмульсионных цементно-битумных вяжущих и устройство из них дорожных покрытий 124 4 стр.
4.2 Использование асфальтоцементнокерамзитовых растворов для устройства выравнивающих стяжек 127
4.3 Выпуск опытных партий асфальтоцементных мастик для устройства гид-роизоляций 129
4.4 Технико-экономическая эффективность производства и применения материалов на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих 131
4.4.1 Технико-экономическая эффективность производства и применения би тумоминеральных композиций на водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих 131
4.4.2 Технико-экономическая эффективность производства и применения гидроизоляционных мастик на основе цементно-битумных водоэмульсионных вяжущих 139
4.5 Выводы 142
Общие выводы 143
Список использованной литературы
- Материалы конструктивных слоев дорожных покрытий на основе битумных эмульсий с добавками цемента
- Механизм гидратации и твердения цемента в составе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих и возможности регулирования их структуры и свойств
- Минеральные заполнители и наполнители
- Технико-экономическая эффективность производства и применения би тумоминеральных композиций на водоэмульсионных цементно-битумных
Введение к работе
Актуальность работы. Производство и применение материалов на основе битумных эмульсий в строительстве весьма разнообразное. Это, прежде всего битумоминеральные композиции и асфальтобетоны, кровельные, гидроизоляционные, антикоррозионные и грунтовочные материалы, мастики для заделки швов, приклеенные, мастики, шпаклевки и др.
При всех достоинствах, связанных с производством и применением материалов на эмульгированных битумах, а именно: применение в холодном состоянии, отсутствие растворителей и в связи с этим достижение высоких экологических параметров, для них характерна низкая когезионная и адгезионная прочность, относительно малая скорость формирования структуры, необходимость применения эмульгаторов - поверхностно-активных веществ и специального диспергирующего оборудования для их приготовления. Кроме того, в условиях эксплуатации наблюдаются случаи преждевременного выхода из строя покрытий на эмульгированных битумах из-за выкрашивания и трещинообразования, также как и много случаев ухудшения однородности эмульсий и в связи с этим технологических характеристик приготовленных с их использованием материалов. Решение проблемы повышения адгезионной и когезионной прочности материалов на основе эмульгированных битумов находят при использовании в их составе цемента. Кроме того, стоимость цемента в 4-5 раз меньше битума. Известно, что введение цемента в анионные битумные эмульсии способствует их распаду. На этом принципе основана методика определения скорости распада анионных эмульсий. В то же время известно, что битумные эмульсии вводят в состав бетонных смесей с целью повышения водонепроницаемости бетонов и повышения их трещиностойкости. Столь противоречивые сведения о взаимодействии битумных эмульсий с цементом свидетельствуют о недостаточной теоретической и экспериментальной изученности этого вопроса.
В связи с изложенным, разработка материалов с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих является весьма актуальной как с технической, так и с экономической сторон.
Настоящая работа выполнена в соответствии с целевой комплексной краевой научно-технической программой «Научные разработки по совершенствованию коммунального хозяйства в Ставропольском крае на период 2002 - 2006 г.г.», а также в соответствии с «Международной программой совместных исследований Северо-Кавказского государственного технического университета с корпорацией по исследованию и развитию асфальтов в транспортном секторе и промышленности Республики Колумбия Corasfaltos» от 22 августа 2001 г.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное изучение технологических и эксплуатационных свойств материалов на основе воднодисперсионных цементно-
битумных вяжущих и создание структуры, обеспечивающей повышение их качества.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
изучить возможности использования цемента в качестве твердого эмульгатора битумов;
на основании анализа отечественных и зарубежных литературных источников и патентов разработать теоретические предпосылки создания материалов повышенного качества на водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих;
теоретически обосновать и подобрать поверхностно-активные и пластифицирующие добавки и модификаторы, улучшающие технологические и эксплуатационные свойства водоэмульсионных материалов на цементно-битумных вяжущих;
обосновать выбор объективных методов определения оптимальной концентрации твердых эмульгаторов, фракционного состава дисперсной фазы в эмульсиях, трещиностойкости и устойчивости к старению водоэмульсионных материалов на основе цементно-битумных вяжущих;
произвести экспериментальные исследования возможности получения воднодисперсионных материалов на цементно-битумных вяжущих с минимальным содержанием воды;
произвести экспериментальные исследования технологических и физико-механических свойств, трещиностойкости и устойчивости к старению водоэмульсионных материалов на цементно-битумных вяжущих;
изучить тепло-, термостойкость разработанных водоэмульсионных материалов на цементно-битумных вяжущих;
разработать и выполнить производственную апробацию составов и технологических режимов получения водоэмульсионных материалов на цементно-битумных вяжущих;
разработать нормативную документацию для реализации результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна:
установлена возможность использования цемента в качестве твердого эмульгатора для получения водоэмульсионных битумных паст; определены оптимальные концентрации цемента в воде, при которых обеспечивается получение однородной, высокодисперсной, высокостабильной битумной пасты; установлено понижение оптимальной концентрации цемента в воде по мере возрастания времени после введения битумного расплава в цементное тесто;
установлена возможность понижения содержания воды в цемент-но-битумной пасте за счет введения цементных пластификаторов и суперпластификаторов ;
теоретически обосновано и экспериментально подтверждено при определенных концентрациях цемента образование в структуре водоэмульсионных материалов на цементно-битумных вяжущих цементного
пространственного каркаса, выполняющего армирующую роль, что приводит к повышению прочностных показателей материалов при сохранении показателей трещиностойкости. Образование высокопористой цементной структуры обусловлено избыточным содержанием воды (в водных цементно-битумных пастах отношение В/Ц находится в пределах от 1,8 до 12,0), после испарения которой образуется высокопористая структура цементного камня;
показана возможность получения однородных и высокостабильных битумных паст при использовании в качестве твердого эмульгатора минерального порошка совместно с цементом, определены оптимальные концентрации смеси этих эмульгаторов;
установлено, что оптимальные показатели качества материалов на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих достигаются при эмульгировании битумов в цементно-водной или цементно-порошкововодной суспензии битумов в течение не позднее 40 мин после объединения цемента с водой. Материалы, полученные на основе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих, обладают более высокими показателями качества - прочностью, трещиностойкостью, водостойкостью при условии их изготовления в течение 40 - 50 мин после затворения цемента водой и эмульгирования битумов;
при высоких показателях тепло-, термо-, водостойкости композиций на основе цементно-битумных вяжущих повышение их трещиностойкости достигается применением маловязких марок битумов, или битума марки БНД 60/90 с 10% пластификатора - кислого гудрона, или введением в качестве компонента минерального заполнителя низкомодульного керамзитового песка;
- устойчивость к старению материалов на основе цементно-
битумных вяжущих выше, чем на битумных вяжущих без добавки цемен
та, что обусловлено меньшей подвижностью структурных компонентов
битума в смесях с затвердевшим цементом.
Практическая значимость.
Разработана технология производства битумных паст с использованием в качестве эмульгатора цемента и минерального порошка. Определены оптимальные составы водоэмульсионного вяжущего, позволяющие получать холодные асфальтоцементные бетоны и растворы повышенной тепло-, термо-, водо-, трещиностойкости и долговечности.
Разработаны составы и технология производства водно-дисперсионных цементно-битумных вяжущих с введением в высоковязкие битумы марки БНД 40/60 до 20% кислых гудронов Грозненских НПЗ, на основе которых разработаны составы асфальтоцементных бетонов и растворов.
В 2005 г. в ОАО СУДР освоено производство асфальтоцементных бетонов и растворов, которые использовали для строительства верхних слоев покрытия на аэродроме г. Ставрополя, а также покрытий городских дорог с высокой интенсивностью транспортных нагрузок.
В 000 «Ставропольгидроизоляция» освоено производство холодных асфальтоцементных растворов и мастик для устройства полов в промышленных зданиях и стяжек под кровели.
Разработаны технологический регламент и технические условия на асфальтоцементобетоны и растворы.
В соответствии с программой совместных исследований, проверка и внедрение результатов диссертационной работы было осуществлено также в Колумбийской корпорации CORASFALTOS согласно «Международной программы совместных исследований Северо-Кавказского государственного технического университета с корпорацией по исследованию и развитию битумов в транспортном секторе и промышленности Республики Колумбия CORASFALTOS» от 28 августа 2001 г.
Работа внедрена в учебный процесс СевКавГТУ при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам: «Материаловедение», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий», «Технология производства и применение новых конструкционных материалов», «Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 290300,290500, 290600, 290700.
Автор защищает:
теоретическое обоснование использования цемента или цемента в смеси с тонкодисперсными минеральными порошками в качестве твердых эмульгаторов при получении битумных эмульсий и паст;
обоснование технологических режимов получения и составов битумных эмульсий и паст с использованием в качестве твердых эмульгаторов цемента или смеси цемента с минеральными порошками;
применение пластификаторов, супер пластификаторов и ПАВ для снижения содержания воды в битумных эмульсиях и пастах, обеспечивающих быстрое формирование структуры, плотность и прочность материалов, получаемых на их основе;
введение пластифицирующих и модифицирующих добавок в це-ментно-битумные пасты, обеспечивающих повышенную трещиностой-кость материалов;
получение материалов: асфальтоцементных бетонов, растворов и мастик с повышенными тепло-, термо-, водостойкостью и устойчивостью к старению;
эффективность производства и применения материалов на основе водно-дисперсионных цементно-битумных вяжущих.
Достоверность полученных результатов подтверждена применением современных методов исследований, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающих доверительную вероятность 0,96 при погрешности измерений менее 7%, и опытно-промышленной проверкой результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных и российских научно-практических конференциях:
VIII региональная научно-техническая конференция «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2004 г.);
Международная научно-практическая конференция «Строительство-2005» (Ростов-на-Дону, 2005 г.);
International symposium on pavement recycling (Brazil, Sao Paulo, March 16,2005);
XXXIV научно-техническая конференция по итогам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2004 год (Ставрополь, 2005 г.);
5-as, jornadas internacionales del Asfalto. March 13 - 17 de 2006 ICP (Cartagena de Indias, Colombia).
Материалы, полученные в работе, экспонировались на: Тюменской международной ярмарке (Дни экономики Ставропольского края, 30 марта
- 2 апреля 2004 г., г. Тюмень); 7-ой специализированной выставке
«СТРОЙКА» в рамках Форума строителей Южного Федерального округа
(г. Ставрополь, 13-15 мая 2004 г.); ежегодной специализированной вы
ставке «КМВстройиндустрия» (г. Пятигорск, выставочная компания
«Artex», 25 - 27 ноября 2004 г.); VI Московском международном салоне
инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 7-10 февраля 2006 г.); Между
народной специализированной выставке (14-я Международная строитель
ная неделя (г. Москва, КВЦ «Сокольники», февраль 2006 г.), а также удо
стоены 1 Grand-Prix, 1 серебряной медалью и 3 дипломами.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных трудов, включая тезисы докладов, доклады и научные статьи в сборниках и научных журналах и положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, содержит 159 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 26 таблиц, списка литературы из 147 наименований и 10 приложений.
Материалы конструктивных слоев дорожных покрытий на основе битумных эмульсий с добавками цемента
Результаты исследований Карцевой Н.И., Стрельниковой В.Я. [11], Казар-новской Э.А., Плотниковой И.А., [12] в патентах ГДР и Франции [13, 14] показали, что влажные битумоминеральные смеси с добавками гидравлических вяжущих имеют более высокие показатели физико-механических свойств в результате гидратации неорганических вяжущих и создания дополнительных кристаллизаци-онных структур. Обезвоживание системы ускоряет процесс адгезионного взаимодействия битума с поверхностью минерального материала и ведет к упрочнению коагуляционных связей. Прочность и водостойкость смесей с гидравлическими вяжущими зависят от удельной поверхности и реакционной способности вяжущих по отношению к воде, что приводит к образованию гидратов, обуславливающих схватывание и твердение системы. Экспериментальные исследования показывают [12, 13] эффективность использования в составе битумоминеральных смесей на эмульсиях портландцемента, с которым анионный эмульгатор вступает в химическое взаимодействие, стимулируя тем самым распад эмульсии и образование адгезионных связей. При этом часть воды уходит на гидратацию неорганического вяжущего. Однако Ольховиков В.М., Бахрах Г.С. и др. в своей работе [15] утверждают, что попытка ускорить формирование битумных шламов путем введения портландцемента или катионактивных добавок успеха не имела.
Саенкова Л.В. и Лапина Л.Г. [16], проведя обстоятельный анализ технологии производства и применения эмульсионно- минеральных смесей, отмечают непостоянство состава и свойств этих материалов, что приводит в частых случаях с положительным опытом к отрицательным результатам. Причиной этому является: недостаточное сцепление скелетных частиц с заполняющей частью шлама; применение битума с неудовлетворительной адгезией, грубодисперсного и малоактивного минерального порошка, грубодисперсного эмульгированного битума, неоптимального содержания битума и минерального порошка в смеси и др.
Богуславский A.M. и др. [17] отмечают повышение тепло-, термостойкости асфальтобетона при введении в смесь во время ее приготовления второго вяжущего, способного стабилизировать его свойства. В качестве такого вяжущего применен цементный раствор.
В рекомендациях по технологии изготовления сборных железобетонных изделий с добавкой битумной эмульсии для гидромелиоративного строительства показаны преимущества бетона при введении битумных эмульсий: снижение пористости, повышение водонепроницаемости и морозостойкости [18, 19]. Шевку-нов А.И. и Дмитриев А.С. предложили способ приготовления битумной эмульсии для бетонных и растворных смесей [20], который заключается в смешении холодной битумной мастики или раствора битума в растворителе нефтяного происхождения с водным раствором пластифицирующей добавки. Способ позволяет упростить процесс приготовления битумной эмульсии, снизить трудозатраты и получать однородные бетонные и растворные смеси с битумной эмульсией.
Компания R.S. Clare and Co Ltd разработала и, начиная с 1969г. выпускает смесь нового состава под названием Claregrip, предназначенную для укладки в качестве дорожного покрытия [21]. Смесь представляет собой битумную эмульсию с наполнителем из мелких частиц гранита, кремнеземистого песка и портландцемента. Отдозированные сухие компоненты засыпаются в бункер укладочной машины, смонтированной в кузове грузового автомобиля. После перемешивания с битумной эмульсией смесь сразу же укладывается на полотно дороги. Срок застывания покрытия до готовности порядка 20 мин. Claregrip отличается эластичностью. Сравнительные испытания разработанного материала с различными типами асфальтобетонных покрытий показали, что Claregrip обеспечивает более высокий коэффициент сцепления колес автомобиля с дорогой при высокой долговечности покрытия.
Фирма Salviam [22] предлагает новую технологию строительства дорожных покрытий, основанную на использовании нового материала, представляющего собой смесь специальных цементов, минерального порошка, песка, щебня или гравия, присадок и битумной эмульсии. В качестве присадок применяют латекс Prosalvia-З, разработанный фирмой Dov Chemical Europe. Добавки этого типа в 2 раза повышают прочность при сжатии и при растяжении и почти на 0,15 уменьшают усадку. Преимущества покрытий, устроенных из предложенного материала: хорошая сопротивляемость воздействию статических и динамических нагрузок, эластичность, устойчивость при действии климатических факторов и химических веществ, отсутствие трещин, простота эксплуатации. Такие покрытия строятся на нагруженных автомагистралях и аэродромах.
Коваленко Г.Г. и Мансурова Н.Т. [23] при изучении изменения группового состава битума в зависимости от содержания цемента в битумной эмульсии установили, что введение 5-15% цемента в битумную эмульсию замедляет старение битума при действии высоких температур и кислорода воздуха. Обстоятельные исследования свойств цементно-битумных вяжущих в последние годы представлены в работах Самохвалова А.Б., Феднера Л.А., Бушневой Е.Ю., Сивкова СП., Шухова В.И., Боровского Н.А., Кайданова О.А., Печеного Б.Г., Лукьяненко В.В., Скорикова СВ., Мирошниченко СИ., Тимашевой А.Н., Духовного Г.С, Гаральда Л, Бухта А., Толмана Ф., Эдберга Г., Киносита С, Бров-на С. и др.
Самохвалов А.Б. и Феднер Л.А. в своих исследованиях приготавливали ор-ганоминеральное (асфальтогидратное) вяжущее путем перемешивания цемента и минерального порошка с водой, нагретых до 70-80С, с последующей подачей в мешалку битума с температурой 105-115С Состав вяжущего по массе (цемент : битум : вода + минеральный порошок 5:5:3 + 5) [24, 25]. Испытания образцов вяжущего в смеси с песком при соотношении масс, ч.: песок — 92, минеральный порошок - 8, цемент - 4,5, битум - 5, вода - 3 показали хорошие показатели физико-механических свойств.
Бушнева ЕЛО. и Сивков СЛ. изучали свойства цементного раствора с добавками битума в количестве от 1 до 5% массы цемента, а также стабилизаторов-модификаторов: триэтаноламина, метилсиликоната калия, суперпластификаторов С-3, ЛСТМ и VINNAPAS. Ими было установлено [26], что цементно-битумный композиционный материал, содержащий 1 масс.% битума, 0,25 масс.% триэтаноламина, обладает наибольшим увеличением прочности образцов во все сроки свердения по сравнению с бездобавочными образцами. Так в возрасте 28 суток прочность при изгибе достигает для бездобавочного образца 8,9 МПа, для це-ментно-битумного композита 13,5 МПа, прочность при сжатии — 55 и 69 МПа соответственно. Соответственно в 1,8 раза повышается ударная прочность цемент-но-битумных образцов и повышается в 1,6 - 2,8 раза деформация при растяжении по сравнению с бездобавочными образцами. Было также установлено, что водонепроницаемость бетона на цементно-битумном вяжущем увеличивается до класса W16, а у образцов на цементе он равен W8. Это явление объяснено кольмата-цией или заполнением пор в материале битумом, а также его гидрофобным действием по отношению к воде [26].
Механизм гидратации и твердения цемента в составе водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих и возможности регулирования их структуры и свойств
Давно известно, что эффективно стабилизируют эмульсии против коалес-ценции определенные высокодисперсные порошки. Химическая природа этих частиц является менее важной, чем их поверхностные свойства. Основные требо вания к ним: 1) размер частиц должен быть очень малым по сравнению с разме ром капли; 2) частицы должны иметь определенный угол смачивания в системе масло - вода - твердое [89]. Твердые, сильно гидрофильные частицы (например, двуокись кремния в среде с рН = 10) легко переходят в водную фазу; наоборот, сильно гидрофобные частицы, в частности, твердые частицы с очень длинными углеводородными цепями переходят в масло. Эмульгирование происходит частицами с соответствующим балансом гидрофильности и гидрофобности, причем не I прерывная фаза образует с поверхностью раздела острый угол. Например, окись алюминия (глинозем) способствует образованию эмульсий М/В, а газовая сажа -В/М. Такая зависимость от смачивания изучена Шульманом и Леем и Такакува и Такамори [89].
Механизм стабилизации эмульсий порошками преимущественно проявляется в предотвращении утончения жидкой прослойки между каплями. Необходима непрерывная оболочка, вероятно, важен гистерезис угла контакта для предотвра щения смещения мениска. Гладкие сферические частицы непригодны в качестве эмульгатора, хорошие результаты получаются с пластинчатыми по форме частиц .порошками (такими как бентонитовая глина). Подобные частицы, находящиеся в равновесии на поверхности жидкости, притягиваются одна к другой благодаря капиллярности. Чем меньше радиус кривизны мениска между ними, тем сильнее притяжение и, следовательно, значительнее когезия слоя порошка на поверхно . сти. Действительно, капля жидкости, деформирующаяся в присутствии избытка порошка, способна сохранить искаженную форму при снятии давления, так как плавающий слой частиц настолько плотно сжат, что может выдержать отрицательное внутреннее давление. Все сказанное выше, вероятно, объясняет явление «ограниченной коалесценции», наблюдаемое не только с твердыми эмульгаторами, а также с протеинами и т. д. Необходима определенная плотность упаковки частиц или молекул эмульгатора для наибольшей прочности пленки; первоначально образованные слои могут не иметь времени или вещества для достижения этого состояния [89]. Общее уменьшение площади поверхности, сопровождающее коалесценцию, сжимает слой до необходимой формы.
Таубман А.Б. и Корецкий А.Ф. [90, 91] впервые экспериментально доказали решающую роль поверхностных коагуляционных структур в устойчивости эмульсий, стабилизированных твердыми эмульгаторами. При этом прямыми измерениями прочности межфазных защитных слоев эмульсий было показано, что стабилизирующая способность гидрофильных частиц определяется не молекулярными свойствами их исходной поверхности, а возникает лишь в результате вторичных явлений, приводящих к ее модифицированию и последующему структурированию межфазных защитных оболочек и усиливающих прилипание модифицированных частиц к поверхности раздела фаз путем избирательного смачивания. При этом оказалось, что с помощью любого твердого гидрофильного эмульгатора в зависимости от степени такого модифицирования можно получить эмульсии не только прямого, но и обратного типа разной дисперсности и устойчивости (время жизни - от минут до нескольких лет).
Подобное многообразие в явлениях эмульгирования твердыми эмульгаторами может быть осуществлено и легко регулируется путем постепенной гидро-фобизации частиц с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), способных лри адсорбции в процессе эмульгирования химически необратимо закрепляться на твердой поверхности, в результате чего в поверхностных слоях па каплях масляной фазы не только возникают связи «частица - капля», но и происходит коагу-ляционное сцепление частиц эмульгатора друг с другом, обусловливающее образование коагуляционных структур различной прочности,
Роль этого эффекта нельзя переоценить потому, что например углеводород 45 ные масла, даже специально очищенные, всегда содержат хемосорбирующиеся на поверхности многих гидрофильных порошков основной природы (окислы, карбонаты, сульфаты и другие соли Са, Ва, Al, Fe, Zn, Си и др.) загрязнения (типа кар-боновых кислот). Такие загрязнения полностью практически не удаляются обычными способами очистки (например, даже в бензоле аналитической степени чистоты содержится таких загрязнений до 10"5 моль/л) и их оказывается достаточно, чтобы вызвать заметную гидрофобизацию частиц. Как известно, чем хуже очищено масло, тем лучше оно эмульгируется твердыми порошками. Для поверхностей с кислыми свойствами (двуокись кремния) роль таких «загрязнений» играют длинноцепочечные мылоподобные гомологи аминов, в отсутствие которых предельно гидрофильный кварц вообще не образует эмульсий независимо от его содержания в суспензии.
На рисунке 2.1 представлены характерные типы коагуляционных структур защитных (бронирующих) оболочек из гидрофильных частиц, образующихся при эмульгировании на каплях эмульсий углеводородных жидкостей в воде, и резко отличных от строения этих оболочек по общепринятой теоретической схеме [92, 93] (рисунок 2.1а). Если в системе нет (недостаточно) ПАВ для осуществления оптимального адсорбционного модифицирования поверхности частиц, то устойчивые эмульсии очищенного углеводорода образуются только при больших количествах твердого порошкового эмульгатора, позволяющих получить коагуляци-онную структуру в объеме, например, в 5%-ной суспензии бентонита (рис. 2.16) или при образовании многослойной и рыхлой структуры вокруг капель в 10%-ной суспензии высокодисперсной А1203 (рисунок 2.1 в).
Минеральные заполнители и наполнители
Известно устройство для определения трещиностойкости цементов и строительных растворов, разработанное в Гипроцементе [111], основанное на регистрации времени появления трещин в образцах в виде напряженного кольца из цементного теста или раствора, расположенного на стальном цилиндрическом сердечнике и поддоне, составляющих одно целое. Стальной сердечник препятствует структурным усадочным деформациям кольца из цементного камня или раствора, что вызывает в нем появление напряжений. Когда напряжение, вызванное структурными усадочными деформациями, превысит предел прочности при растяжении цементного камня или раствора, в кольце появляется трещина. Момент появления трещин фиксируется с помощью автоматической системы регистрации с использованием тензодатчиков. Недостатком этого устройства является относительно узкая область применения, вследствие того, что испытания производятся при действии структурных усадочных напряжений и прибор не позволяет производить испытания при действии других усадочных напряжений, например, температурных или вследствие старения, а также других материалов, например битумов, полимеров в пленочном состоянии или в виде листов.
Известно также автоматическое устройство для определения напряжений, деформаций и температур растрескивания материалов УОНДА 1420, позволяющее определять структурные и температурные напряжения и температуру растрескивания защемленного по концам образца [112]. Однако это устройство сложно по конструкции, из-за больших размеров испытуемого образца необходимо его продолжительное термостатирование или медленное охлаждение (нагревание), что обуславливает большую продолжительность испытания. Недостатком этого устройства является также то, что на нем нельзя проводить испытания материалов, например, в виде листов или в пленочном состоянии с сохранением структуры, образовавшейся в них в процессе старения. Образцы для испытаний в этом устройстве изготавливают в отдельных формах или выпиливают из изделия, что не позволяет зафиксировать структурные усадочные напряжения, которые возникают в материалах при их изготовлении или старении.
С целью повышения точности, упрощения конструкции и сокращения продолжительности испытания, расширения функциональных возможностей испытания, обеспечения возможности испытания материалов по схеме защемленного по концам образца при действии кроме структурных внутренних напряжений, температурных напряжений и старения - каждого в отдельности или при любом их сочетании было разработано специальное устройство и методика испытания [113,115].
Указанный технический результат достигается тем, что образец для испытать ния готовится методом прессования, вибрирования, вибропрессования смесей, заливки в виде расплава, эмульсии или раствора непосредственно в форму, ограниченную захватами и боковыми пластинами устройства. Изготовление образцов непосредственно в форме устройства позволяет измерять структурные напряжения в образце, возникающие в нем уже при изготовлении. Захваты образца выполнены из материала, термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого в рабочем диапазоне температур больше, чем ТКЛР материала боковых пластин, а их температурные зависимости пропорциональны. При этом длина захвата /, его ТКЛР а, длина боковой пластины /;, ее ТКЛР аь связаны соотношением: 27-a=//ai. При этом термическое расширение (сужение) захватов полностью компенсирует расширение (сужение) боковых пластин. Этим обеспечивается постоянство длины защемленного в захватах образца при его охлаждении-нагревании, простота и точность определения температурных усадочных напряжений при охлаждении образца и его трещиностойкости от действия этих напряжений или при совместном действии структурных и температурных усадочных напряжений и старения. На рисунке 3.1 изображена схема разработанного устройства. Оно состоит из двух боковых металлических пластин 1, на торцах которых закреплены торцевые металлические пластины 2. Внутри образовавшейся рамы к торцевым пластинам прикреплены два захвата 3. Испытуемый образец 4 по концам закреплен в захватах 3. На поверхности боковых пластин прикреплены тензодатчики 5, соединенные с регистрирующей системой сигналов 6.
Общий вид прибора для определения внутренних напряжений, трещиностойкости и устойчивости к старению материалов Испытуемый образец 4 изготавливается в форме, образованной боковыми пластинами и захватами устройства путем прессования пуансоном 7 (рисунок 3.2), вибрирования, вибропрессования смеси, заливки в виде расплава, эмульсии или раствора. Испытания производятся по следующим схемам: 1. Определение величины внутренних структурных усадочных напряжений и трещиностойкости образцов от действия этих напряжений. После изготовления „или в процессе выдерживания образцов при тех или иных температурно влажностных режимах записывается величина усилия в боковой пластине Рс, ко торое равно усилию в образце. Внутреннее структурное усадочное напряжение в испытываемом образце асу площадью поперечного сечения F будет равным р ас = —. Трещиностойкость образца от структурных усадочных напряжений опреть деляется по времени, после истечения которого образец растрескивается, что определяется по падению величины усилия в образце или визуально.
2. Определение температурных усадочных напряжений и трещиностойкости образцов от действия этих напряжений производится в процессе охлаждения с за данной скоростью прибора с образцом и измерением усилий Рт с помощью накле енных тензодатчиков на боковых пластинах, в зависимости от температуры, из меряемой с помощью термопары, наклеенной на образец. Внутреннее темпера турное усадочное напряжение ату будет равно: ату = —-. Температура растрескивания от температурных напряжений образца Тр определяется при охлаждении по температуре, при которой разрушается образец, что фиксируется по падению усилия или визуально.
3. Определение внутренних напряжений и трещиностойкости образцов мате риалов при совместном действии структурных и температурных усадочных на пряжений и старения производится в процессе выдерживания образцов в приборе при различных температурно-влажностных условиях и охлаждении, моделирую щих эксплуатационные или ускоренные режимы старения. При этом замеряются усилия Р, время структурообразования или старения до растрескивания образца или температура растрескивания при охлаждении образца Тр после истечения ка 73 кого-то времени структурообразования или старения.
Использование устройства для определения внутренних напряжений и тре-щиностойкости материалов, в котором захваты и боковые пластины изготовлены из материалов, удлинение которых в рабочем интервале температур компенсируют друг друга, позволяет испытания проводить по идеальной схеме защемленного по концам образца.
Технико-экономическая эффективность производства и применения би тумоминеральных композиций на водоэмульсионных цементно-битумных
В работах [18, 41, 47, 53] показана рациональность применения в составе кровельных и изоляционных водоэмульсионных битумных мастик добавок цемента. Отмечается ряд достоинств и недостатков, присущих водоэмульсионным битумным мастикам, содержащих цемент. Так при введении в глинобитумные мастики всего 3% цемента образуется самостоятельный структурный каркас, что подтверждено экстрагированием битума из образцов таких мастик. Мастики с цементом практически не набухают в воде. Еще одно важное свойство придает гли-нобитумным пастам введение цемента - это повышение их устойчивости при действии высоких температур. Гидроизоляция, выполненная из глинобитумной пасты с добавкой 20% портландцемента, выдержала испытание кипячением по 8 ч в сутки в течение 1 года, в то время как мастики на известковом или известковоце-ментном вяжущих эти испытания не выдержали [43]. Однако во всех работах отмечается снижение деформативности и трещиностойкости мастичных материалов в связи с введением цемента [41, 50, 60]. В работах Попченко С.Н. [43, 44], Печеного Б.Г. [5, 120] отмечено важное свойство мастик и асфальтобетонов повышать деформативность при водонасыщении.
При эксплуатации покрытий вода проникает в битумоминеральные композиции на границу раздела битум — минеральный наполнитель и непосредственно в битумное связующее. Она способствует отслаиванию связующего с поверхно-сти минерального наполнителя и значительно понижает механическую прочность композиций при положительных температурах. Наряду с этим при объемной диффузии воды в битум по аналогии с полимерами [120-126] может уменьшиться взаимодействие между макромолекулами, увеличиться их подвижность и скорость релаксационных процессов, что в свою очередь снизит жесткость самого связующего и его температуру стеклования. Такой эффект создает незамерзающая вода, которая может не замерзать в капиллярах композиции даже при температурах минус 50С и ниже [123, 125]. По мере понижения температуры соотношение лед : вода в водонасыщеннои композиции постепенно возрастает, что, с одной стороны, существенно изменяет ее напряженное состояние, а с другой - усиливает связывание минеральных компонентов в единый монолит. Влияние воды на свойства и трещиностойкость битумоминеральных композиционных материалов л битумных покрытий при низких эксплуатационных температурах (ниже 0С) оставалось мало изученным несмотря на чрезвычайно важное теоретическое и практическое значение.
Опубликован ряд работ, посвященных изучению отдельных свойств водо-насыщенных асфальтобетонов при низких температурах [122, 127], однако механизм влияния воды на трещиностойкость и температуры структурных переходов в битумоминеральных композициях четко не разработан. Обширные исследования влияния воды на механические свойства битумоминеральных композиций при низких температурах, трещиностойкость и температуры структурных переходов Проведены в БашНИИНП и ИХФ АН СССР [5, 120]. Полученные результаты исследований показали, что у водонасыщенных образцов рост температурных напряжений в интервале температур от -18 до -29С замедляется, а вся кривая ота = f(T) становится несколько более пологой, чем у сухих. В области температур растрескивания Тра сухих образцов на кривых температурных напряжений водонасыщенных образцов обнаруживается плато.
Температуры появления температурных напряжений Tia и растрескивания Тра по мере водонасыщения образцов значительно снижаются. После водонасы-щения, например, в течение 3 месяцев Tja в асфальтобетонах понизились на 14—18С, а Тра — на 17—25С [5]. В асфальтобетонах на битумах со структурой, близкой к золю, смещение Tja и Тра после водонасыщения более значительно, чем в асфальтобетонах на битумах со структурой, близкой к гелю, или золь — гель, что обусловлено различным водонасыщением композиций на соответствующих битумах. Для изученных образцов с достаточно большими значениями водонасыщения приблизительно выполняется зависимость: T;w=T;o-m,w, (з.і) где Тро, Трж — температуры растрескивания сухого и водонасыщенного образцов соответственно; W — водонасыщение асфальтобетона; т\ — коэффициент для асфальтобетона на известняке с гранулометрией типа Г по ГОСТ 9128—97 на битумах марок БН 60/90 и БНД 60/90, равный 6,6.
Уравнение (3.1) справедливо для битумоминеральных композиций с таким водонасыщением, при котором замерзание воды не вызывает увеличения внутреннего объема пор в композиции. Это водонасыщение по аналогии с цементными бетонами [3, 128] определяется условием, когда объем замерзшей воды в композиции будет меньшим или равным остаточной пористости композиции Vn то есть W рл Vp, где рл — плотность льда. При водонасыщении, большем рл Vp, замерзшая вода увеличивает внутренний объем пор композиции и способствует разрушению ее структуры, что проявляется, в частности, в возрастании Тра и дальнейшем снижении Tja. Снижение температуры растрескивания асфальтобетонов по мере их водонасыщения обусловлено изменением в соответствующем направлении параметров, определяющих растрескивание асфальтобетонов от температурных напряжений. У водонасыщенных образцов максимальное температурное напряжение при растрескивании стта тах имеет несколько более высокие значения, чем у исходных сухих образцов.
Водонасыщение оказывает существенное влияние на прочность асфальтобетонов. Соотношение между значениями Rp сухих и водонасыщенных образцов изменяется в области температур от — 23 до — 33С; ниже этой температурной границы прочность водонасыщенных образцов выше, чем у сухих. При разрушении водонасыщенных образцов несколько увеличивается также и предельная деформация. Так, при — 10С у образцов асфальтобетона с водонасыщением 3,8% предельная деформация на 22% выше, чем у сухих. Однако при содержании воды в композиции более Vp например, при W = 6,4%, прочность при растяжении и деформации становятся меньшими, чем у образцов с водонасыщением, равным 1,8 и 3,8%, хотя они остаются все же более высокими при низких температурах, чем у сухих образцов.
В связи с изложенным изучение влияния воды и в частности водонасыще 97 ния на свойства кровельных и гидроизоляционных водоэмульсионных мастичных материалов на основе цементно-битумных вяжущих представляет несомненный интерес, поскольку в процессе эксплуатации покрытия из этих материалов подвержены периодическому увлажнению и замораживанию. Для исследования были взяты пасты, состоящие из цемента, воды, битума, ПАВ, а также мастики, составы и свойства которых представлены в таблице 3.14.
Цементно-битумные пасты готовились при оптимальной концентрации цемента в воде (таблица 3.15). Введение битума в цементно-водную суспензию осуществлялось одновременно с введением воды в таком количестве, чтобы вязкость ВУ2о готовой пасты была такой же, т.е. равной 12 с, как и вязкость цемент-но-водной суспензии при оптимальной ее концентрации в воде (12 с). Как следует из таблицы 3.15, содержание воды в пастах, приготовленных на битуме с анионной или катионной ПАВ (составы №3 и №4), гораздо больше, чем в составах паст, приготовленных на битуме без добавок ПАВ (составы №1,2, 5). Это обусловлено тем, что введение битума с анионной или катионной ПАВ в цементно-водную суспензию приводит к образованию обратной эмульсии («вода в масле») и для доведения вязкости ВУ2о до значения 12 с необходимо было ввести дополнительное количество воды.
