Содержание к диссертации
Введение 5
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Обзор основных факторов, влияющих на структуру и свойства асфальтобетона' 11
1.2. Анализ процессов структурообразования в окисленных битумах 16
1.3. Влияние полимерных модификаторов различных групп на структуру и свойства битумов и асфальтобетонов 19
Выводы по 1 главе 26
2. Теоретические предпосылки исследований 28
2.1. Выбор компонентов комплексного модификатора 28
2.2. Обоснование возможности улучшения структурно-механических свойств битумов путем применения каучуко-полиолефинового модификатора ' 31
2.3. Информативность традиционных методов исследования для оценки свойств модифицированных битумов и асфальтобетонов 36
2.4. Обзор механизмов выхода из строя асфальтобетонных дорожных покрытий 37
2.5. Анализ релаксационных явлений, происходящих в процессе деформирования полимерных материалов 41
2.6. Предлагаемый комплекс нетрадиционных методов исследований свойств битумных вяжущих и асфальтобетонов 44
Выводы по 2 главе 59
3. Исследование влияния каучуко-полиолефинового модификатора на структуру и свойства битумов и асфальтобетонов 61
3.1. Методика проведения эксперимента и характеристика исследуемых материалов 63
3.2. Изучение структуры и свойств битума, модифицированного разра ботанной добавкой 73
3.2.1. Влияние соотношения компонентов каучуко-полиолефинового модификатора на характеристики качества битумов 73
3.2.2. Моделирование составов и прогнозирование свойств вяжущих, модифицированных разработанной добавкой 83
3.2.3. Исследование поведения битумных вяжущих при малых деформациях и циклических нагружениях 90
3.2.4. Изменение свойств битумных вяжущих в процессе термоокислительного старения 96
3.2.5. Исследования структуры вяжущего, модифицированного каучуко-полиолефиновой добавкой, методами микроскопии и инфракрасной спектроскопии 98
3.3. Исследование свойств асфальтобетонов, модифицированных каучу- ко-полиолефиновой добавкой 102
3.3.1. Комплексная оценка стандартных характеристик асфальтобетонных смесей, модифицированных разработанной добавкой 102
3.3.2. Влияние разработанной добавки на трещиностойкость асфальтобетона, определяемую по пределу прочности и деформации при динамическом изгибе 120
3.3.3. Определение оптимального количества битума в асфальтобетоне с учетом прочности при динамическом изгибе 126
3.3.4. Исследование влияния разработанной добавки на накопление остаточных деформаций в асфальтобетонах при воздействии растягивающих и сдвигающих напряжений 128
3.3.5. Изучение усталостной долговечности и термоокислительного старения модифицированного асфальтобетона 133
3.3.6. Модель прогнозирования и оценки свойств асфальтобетонных смесей, модифицированных разработанной добавкой 136
Выводы по 3 главе 140
4. Технология устройства и технико-экономическая эффективность применения асфальтобетонов, модифицированных каучуко-полиолефиновой добавкой 142
4.1. Особенности технологии приготовления и устройства покрытий из асфальтобетонов, модифицированных разработанной добавкой 142
4.2. Технико-экономическая эффективность использования результатов исследования 145
Выводы по 4 главе 147
Общие выводы 148
Литература • 150
Приложение 1 165
Приложение 2 185
Приложение 3 191
Введение к работе
Рост осевых нагрузок, интенсивности и скоростей движения ведет к усиленному воздействию на покрытие автомобильных дорог. В условиях нашей страны, где на основной части территории наблюдаются высокие летние температуры, низкие — зимние и частый переход через 0°С, это приводит к интенсивному накоплению пластических деформаций в виде колей, волн и наплывов в жаркий период года и температурному трещинообразованию - в холодный. Вдобавок ко всему, в расчетный период наблюдается образование трещин, связанных с ослаблением дорожной конструкции, а также со временем происходит усталостное разрушение связных слоев дорожных одежд. В конечном итоге, все это вызывает быструю потерю работоспособности покрытия, требующую частых ремонтов и, соответственно, дополнительных денежных затрат на их осуществление.
Поскольку быстрая потеря работоспособности асфальтобетонных покрытий связана в основном с увеличением воздействия механических нагрузок на покрытие автодорог, особое внимание следует обратить на улучшение структурно-механических (реологических) свойств асфальтобетона, определяющих поведение материала в силовых полях и на стабильность этих свойств в процессе эксплуатации. Учитывая, что названные свойства зависят от термодинамического состояния материала и условий его деформирования их оценку необходимо производить с учетом реальных условий работы асфальтобетона в покрытии. Другими словами, для выявления особенностей деформирования модифицированных вяжущих и асфальтобетонов необходимо качественно пересмотреть методы их испытаний.
Как показали многочисленные исследования, основная часть повреждений на асфальтобетонных покрытиях происходит по битуму, который, помимо всего прочего, определяет поведение асфальтобетона при изменении эксплуатационных температур, поэтому наиболее перспективным решением проблемы повышения долговечности асфальтобетонных покрытий стало применение различных полимерных модифицирующих добавок, способных качественно изменить свойства битума. Среди широкой гаммы полимеров наибольшее распространение получили термоэластопласты типа стирол-бутадиен-стирол (СБС), однако их совмещение с окисленными битумами связано с перераспределением ассоциированных асфальтенами масел, что приводит к коагуляции асфальтенов. Для предотвращения этих процессов требуется введение пластификатора - индустриального масла, которое в свою очередь негативно сказывается на адгезии вяжущего к каменным материалам и вязкости вяжущего при повышенных температурах, а соответственно и на сдвигоустойчивости асфальтобетонов. Поэтому весьма актуальной на сегодняшний день является проблема недостатка эффективных материалов и технологий для повышения долговечности асфальтобетонов дорожных покрытий в современных условиях эксплуатации.
Таким образом, для обеспечения высокого уровня эксплуатационной надежности асфальтобетонных смесей ставится задача получения вяжущего с улучшенными: структурно-механическими свойствами, температурной устойчивостью, адгезией и устойчивостью к старению. При этом решается проблема высокой стоимости полимерно-битумного вяжущего и сложности введения полимерного модификатора в битум.
В сочетании с оптимальной для заданных условий эксплуатации структурой асфальтобетона вяжущее должно обеспечивать высокую сдвиго-и трещиностойкость в течение требуемого срока службы покрытия. Поэтому, в настоящей работе поставлена задача по повышению долговечности асфальтобетонов за счет улучшения показателей и стабильности структурно-механических свойств, определяющих устойчивость материала к накоплению различного рода дефектов и деформаций.
В связи с малым реальным сроком службы асфальтобетонных покрытий, который составляет 3-5 лет и связан главным образом с ухудшением условий эксплуатации, проблему повышения структурно-механических свойств асфальтобетонов необходимо признать весьма актуальной.
Объект исследования - качество дорожных асфальтобетонов.
Предмет исследования - устойчивость дорожных асфальтобетонов к транспортным и погодно-климатическим воздействиям.
Цель диссертационной работы: разработка комплексно-модифицированных асфальтобетонных смесей с улучшенными структурно-механическими свойствами и повышенной стойкостью к погодно-климатическим факторам.
Научная новизна:
выявлен механизм воздействия разработанного каучуко-полиолефинового модификатора на процессы структурообразования и структурно-механические свойства битумов и асфальтобетонов;
- научно обосновано и экспериментально подтверждено образование сопряженной асфальтено-полимерной структуры в полученном полимерно-битумном вяжущем;
- разработан метод оценки сдвигоустойчивости асфальтобетонов с учетом релаксационного характера процессов накопления пластических деформаций в покрытиях автодорог;
изучено влияние особенностей структуры комплексно-модифицированных битумных вяжущих на развитие в асфальтобетонах процессов накопления характерных для дорожного покрытия деформаций сдвига в условиях ограничения бокового расширения и растяжения при изгибе.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по получению асфальтобетонных смесей с улучшенными структурно-механическими свойствами;
- анализ экспериментальных исследований по выявлению механизмов воздействия разработанной добавки на свойства и структуру битумов и асфальтобетонов;
результаты исследований особенностей влияния основных рецептурных факторов на коррозионную стойкость, трещино- и сдвигоустойчивость комплексно-модифицированных асфальтобетонов;
- экспериментально-статистические зависимости физико-механических свойств асфальтобетонов от их структуры, содержания битумного вяжущего и разработанного модификатора.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена сходимостью результатов параллельных испытаний, соответствием результатов лабораторных и опытно-производственных работ, выполненных с использованием современных поверенных приборов, оборудования и методов испытаний, в том числе экспериментально-статистических методов математического планирования эксперимента и теории математической статистики.
Практическое значение работы:
- разработан комплексный каучуко-полиолефиновый модификатор (КПМ), обеспечивающий повышение коррозионной, трещино-, сдвигоустойчивости и прочности верхних слоев асфальтобетонных покрытий при строительстве и ремонте автомобильных дорог;
- обоснована возможность получения асфальтобетонов с улучшенными показателями и стабильностью структурно-механических свойств путем управления процессами структурообразования битумных вяжущих на основе применения разработанной добавки;
предложена методика подбора количества вяжущего в асфальтобетонной смеси, учитывающая прочность асфальтобетона на растяжение при изгибе;
- установлено, что применение разработанной добавки более чем в 1,5 раза увеличивает стойкость асфальтобетонов к накоплению дефектов и остаточных деформаций, в связи с чем расчетный годовой экономический эффект составил в ценах на 2009 г. 18 руб. на 1 м ;
- по результатам проведенных исследований поданы заявки и получены патенты РФ № 2266934 от 27.12.2005, № 2267465 от 10.01.2006 и № 2303576 от 27.07.2007.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Строительство 2004 - 2008 гг.) и других международных конференциях: МНТК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Пермь, 2004 - 2005 гг.), ВНПК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006 г.), МНПК «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» (Харьков, 2006 г.)
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 19 публикациях, в том числе трех патентах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 139 наименований, в том числе на иностранных языках, 3 приложений. Работа изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 55 таблиц и 30 рисунков.
