Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные тенденции в применении дорожных битумоминеральных материалов на основе модифицированных битумов для строительства и ремонта дорожных асфальтобетонных покрытий
1.1 Основные факторы, определяющие современные тенденции по улучшению качества битумов и битумоминеральных материалов, применяемых при строительстве и ремонте асфальтобетонных покрытий 17
1.2 Современные представления о взаимосвязи структуры и свойств нефтяного битума и пути повышения его качества 45
1.3 Способы модификации битумов полимерами 67
1.4 Выводы по гл.1 78
Глава 2. Получение и свойства- вязких битумно-полимерных вяжущих и горячих битумоминеральных материалов на их основе
2.1 Материалы, применяемые для приготовления битумов, модифицированных эластомерами и термоэластопластами 80
2.2 Исследования физико-химических свойств модифицированных битумов. Сравнительный анализ физико- механических свойств вязких битумно-полимерных вяжущих на основе эластомеров и термоэластопластов 87
2.3 Свойства горячих битумоминеральных материалов на основе вязких битумно-полимерных вяжущих 110
2.4 Выводы по гл.2 137
Глава 3. Получение и свойства жидких битумно-полимерных вяжущих и холодных битумоминеральных материалов на их основе
3.1 Структура и свойства традиционного холодного асфальтобетона на основе разжиженных вязких битумов и пути повышения его качества 140
3.2 Исследование вязкостных характеристик растворов полимеров и определение технологических параметров приготовления жидких битумно-полимерных вяжущих 149
3.3 Разработка и исследование жидких битумно-полимерных вяжущих, полученных разжижением вязких нефтяных битумов растворами полимеров 160
3.4 Исследование физико-механических свойств холодных асфальтобетонов, содержащих полимеры 175
3.5 Исследование реологических характеристик холодных асфальтобетонов на основе жидких битумно-полимерных вяжущих 187
3.6. Получение и исследование влажных органоминеральных смесей на основе модифицированных жидких битумов 197
3.7. Выводы по гл.З 205
Глава 4. Разработка и исследование мастичных составов на основе битумно-полимерных вяжущих для герметизации дорожных покрытий и минеральных порошков, полученных из отходов промышленного производства
4.1 Битумно-полимерные герметики на основе эластомеров и термоэластопластов 207
4.2 Битумно-полимерные герметики и защитные составы на основе термореактивных полимеров 225
4.3. Минеральный порошок из отходов производства стекла 232
4.4 Минеральный порошок из отсевов дробления гранита, активированный жидким битумно-полимерным вяжущим 240
4.5 Выводы по гл.4 246
Глава 5. Исследование биосопротивления и биокоррозии битумно-полимерных вяжущих и битумоминеральных составов на их основе
5.1 Биосопротивление строительных материалов. Анализ видового состава микроорганизмов и биоповреждений битумоминеральных материалов 248
5.2 Исследование стойкости битумно-полимерных вяжущих в биологически агрессивных средах 257
5.3 Исследования реологических свойств модифицированных битумных композитов при воздействии биологических агрессивных сред 279
5.4 Выводы по главе 5 288
Глава 6. Технология приготовления и применения битумоминеральных материалов на основе битумно-полимерных вяжущих
6.1 Принципиальные технологические схемы и оборудование для приготовления вязких и жидких битумно-полимерных вяжущих 290
6.2 Технологические основы строительства и ремонта дорожных покрытий горячими и холодными модифицированными битумоминеральными материалами 298
6.3. Выводы по гл.6 320
Глава 7 Анализ состояния дорожных асфальтобетонных покрытий, построенных с применением полимерных добавок в разнообразных климатических и эксплуатационных условиях
7.1 Особенности широкомасштабного этапа внедрения в 1995-2002 гг. технологии получения и применения модифицированных битумов в дорожной отрасли 322
7.2 Анализ состояния дорожных асфальтобетонных покрытий, построенных в 1995-2002 гг. с применением полимеров типа СБС 326
7.3 Анализ состояния дорожных асфальтобетонных покрытий, построенных в 1995-2004 гг. с применением растворов каучуков типаСКС 333
7.4 Анализ состояния дорожных асфальтобетонных покрытий, построенных с применением полимерной композиции «Каудест-Д» 337
7.5 Выводы по главе 7 341
Глава 8. Оценка работоспособности и эффективности применения битумоминеральных материалов на основе битумно-полимерных вяжущих строительства и ремонта дорожных покрытий .
8.1 Исследование долговечности горячего асфальтобетона на битумно-каучуковом вяжущем с различным содержанием каучука СКС в дорожном покрытии 343
8.2 Исследование работоспособности холодного асфальтобетона на основе жидкого битумно-полимерного вяжущего в дорожном покрытии 348
8.3 Обоснование межремонтных сроков и технико-экономическая оценка внедрения технологии строительства и ремонта дорожных покрытий модифицированными битумоминеральными материалами 354
8.4 Выводы по гл.8 376
Общие выводы 378
Список литературы
- Основные факторы, определяющие современные тенденции по улучшению качества битумов и битумоминеральных материалов, применяемых при строительстве и ремонте асфальтобетонных покрытий
- Материалы, применяемые для приготовления битумов, модифицированных эластомерами и термоэластопластами
- Структура и свойства традиционного холодного асфальтобетона на основе разжиженных вязких битумов и пути повышения его качества
- Битумно-полимерные герметики на основе эластомеров и термоэластопластов
Введение к работе
Актуальность работы. Качество дорожных битумов является основополагающим в решении проблемы долговечности асфальтобетонных покрытий. Указанная проблема в настоящее время является одной из приоритетных в России, так как автомобильные дороги с асфальтобетонными покрытиями составляют основу дорожной сети страны. Недолговечность дорожных покрытий приводит к необходимости затрачивать огромные денежные средства на восстановление транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.
Применение битумно-полимерных вяжущих относится к одной из наиболее развивающихся технологий строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог. Начало развитию указанного направления было положено в 1995 году после распоряжения Федерального дорожного департамента Минтранса РФ об обязательном применении модифицированных битумов при устройстве верхних слоев асфальтобетонных покрытий на дорогах I и П-й технической категории. За период 1995-2005 гг. с применением битумно-полимерных вяжущих в России построено и отремонтировано более 3000 км. дорожных покрытий с применением различных модифицирующих добавок.
На основании положительных результатов лабораторных испытаний в 1997-1998 гг. «Центром лабораторного контроля, диагностики и сертификации» Росавтодора были рекомендованы к широкому применению в дорожном строительстве модификатор битумов: полимеры типа СБС (стирол-бутадиен-стирол), синтетические каучуки типа СКС (дивинил-стироьные), полимерная композиция «Каудест-Д». При разворачивании широкомасштабного внедрения нового поколения комплексных органических вяжущих в практику дорожного строительства основные усилия были направлены на создание современной технической базы по получению модифицированных битумов, а также отработку технологии их приготовления. За прошедшие годы, начиная с 1995 г., созданы различные типы установок для получения битумно-полимерных вяжущих, которые используются в разных регионах России. В тоже время вопрос максимальной эффективности применения различных модификаторов до настоящего времени решен недостаточно полно. Это связано с тем, что строительство и ремонт дорог с применением битумно-полимерных вяжущих в различных географических районах России осуществляется бессистемно, т.е. при отсутствии конкретных технологических решений и методических рекомендаций по применению дорожно-строительных материалов на основе модифицированных битумов и без учета индивидуальных особенностей различных модификаторов.
В распоряжении дорожной отрасли необходим набор модификаторов, выбор конкретного полимера из которых должен обеспечивать достижение необходимого уровня физико механических свойств модифицированного битума и асфальтобетона на его основе, обусловленных климатическими условиями региона, характером транспортных нагрузок, экономическими факторами.
Таким образом, актуальность работы определяется задачами повышения эффективности строительства и ремонта асфальтобетонных покрытий за счет применения органических вяжущих нового поколения, современными требованиями улучшения эксплуатационных свойств и увеличения межремонтных сроков дорожных покрытий, необходимостью экономного расходования материально-технических ресурсов при их строительстве и ремонте.
Целью исследования является экспериментально-теоретическое обоснование повышения эффективности строительства и ремонта дорожных асфальтобетонных покрытий путем применения материалов на основе битумно-полимерных вяжущих с разработкой конкретных технологических решений и рекомендаций, обеспечивающих повышение сроков службы дорожных покрытий и внедрение новых прогрессивных материалов и технологий при их строительстве и ремонте.
Научная новизна:
- установлены закономерности, показывающие преимущества и недостатки разработанных композитных материалов на основе битумно-полимерных вяжущих при строительстве и ремонте дорожных покрытий за период 1995-2005 гг.;
- разработаны теоретические основы повышения эффективности строительства и ремонта дорожных покрытий холодными и горячими битумоминеральными материалами на модифицированных битумах;
- установлены механизмы взаимодействия синтетических каучуков, полимеров типа СБС, полимерной композиции «Каудест-Д», резинового термоэластопласта РТЭП с горячими и холодными битумоминеральными материалами и впервые проведена сравнительная оценка физико-механических свойств модифицированных битумных композитов и определена их устойчивость к процессам старения;
экспериментально установлены количественные зависимости изменения физико-механических свойств битумно-полимерных вяжущих и битумоминеральных материалов на их основе от вида и содержания полимерных модификаторов;
- получены количественные зависимости изменения свойств горячих и холодных битумоминеральных материалов, содержащих полимерные добавки, в условиях воздействия динамических нагрузок, циклически действующих температур и агрессивных сред, что позволило подтвердить правомерность заключения о повышениидолговечности материалов на битумно-полимерной основе.
- получено полимерное ПАВ «Мобит» и экспериментально установлены количественные зависимости изменения физико механических свойств битумно-полимерных вяжущих ибитумоминеральных материалов на их основе от содержанияполимерной адгезионной добавки.
Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением стандартных и нестандартных методов исследований, положительными результатами существенного объема внедрения разработанных составов модифицированных вяжущих при строительстве и ремонте дорожных покрытий на автомагистрали М 4 «Дон», автодорогах Свердловской области. Практическое значение работы и реализация результатов исследований. Практическое значение работы заключается в решении научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, заключающейся в разработке и внедрении в практику строительства конкретных научных рекомендаций и технических решений, обеспечивающих повышение эффективности строительства и ремонта дорожных покрытий за счет рационального применения горячих и холодных битумоминеральных материалов на основе битумно-полимерных вяжущих с необходимым уровнем физико-механических свойств, обусловленных климатическими условиями региона, характером транспортных нагрузок и экономическими факторами.
Основные результаты проведенных исследований включены в отраслевые методические документы:
- ОДМ «Методические рекомендации по разработке проекта содержания автомобильных дорог». Отраслевой дорожный методический документ // Издание официальное, ГП «Информавтодор», 2003;
- «Методические рекомендации по ликвидации выбоин в асфальтобетонных покрытиях материалами на битумно-каучуковых вяжущих» // рекомендованы для применения письмом Росавтодора (ГСДХ Минтранса РФ) № ОС - 28/447 - ИС от 28.01. 2004 г;
- «Временные рекомендации по применению холодных асфальтобетонов с добавками полимеров», // рекомендованы для опытного применения письмом Росавтодора (ГСДХ Минтранса РФ) № ОС - 28/49 - ИС от 05.01.2004 г. Опубликованы в кн.: Сборник аннотаций научных разработок в сфере дорожного хозяйства. Издание официальное, ГП «Информавтодор», 2005 г., с. 94-95.
Разработанные составы битумно-полимерных вяжущих с применением растворов каучуков типа СКС, полимерной адгезионной добавки «Мобит» были использованы при строительстве асфальтобетонного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон»: в 2002 г км. 740 (транспортная развязка в двух уровнях) и участок км. 740+650 - км. 756+300; в 2006 г. км. 736 (транспортная развязка). Холодный асфальтобетон на основе жидкого битумно-полимерного вяжущего использовался в 2004 г. при ремонте участка асфальтобетонного покрытия на км. 506 автомагистрали М 4 «Дон». За период 2002-2006 гг. на территориальных дорогах Свердловской области с применением разработанных составов вяжущих было устроено более 200 км. защитных слоев дорожных покрытий и 500 км. поверхностных обработок.
Научные рекомендации и технические решения по вопросу применения дорожных битумоминеральных материалов на основе модифицированных битумов при строительстве и ремонте дорожных покрытий, устройстве поверхностных обработок включены в региональный документ «Стратегия развития автомобильных дорог Воронежской области на период до 2016 г.», разработанный согласно распоряжения Администрации Воронежской области № 2087-р от 12.12.2005 г..
Результаты теоретических исследований в области модификации битумов и битумоминеральных смесей полимерами, разработанные требования к вяжущим и материалам на их основе включены в состав учебных курсов и дисциплин «Технология строительства автодорог», «Конструкционные материалы для строительства дорожных покрытий» для студентов ГОУ ВПО ВГАСУ.
Основные положения, выносимые на защиту.
научное обоснование эффективности применения композитных материалов на основе битумно-полимерных вяжущих для строительства и ремонта дорожных покрытий;
- закономерности направленного структурообразования горячих и холодных модифицированных битумоминеральных материалов с установлением рациональных границ варьирования основных рецептурных и технологических факторов;
- результаты экспериментальных исследований и анализа математических моделей влияния основных рецептурно
технологических факторов на структуру горячих и холодных модифицированных битумоминеральных материалов, а также их эксплутационные свойства и долговечность в дорожном покрытии;
-оптимальные составы вязких и жидких модифицированных битумов, а также полученных на их основе горячих и холодных битумоминеральных материалов, обладающих заданным комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств;
- экспериментально-теоретическое обоснование применения нового материала - полимерной адгезионной добавки «Мобит» для улучшения структуры и свойств вяжущих, и битумоминеральных материалов;
-практические рекомендации по применению горячих и холодных модифицированных битумоминеральных материалов для строительства и ремонта дорожных асфальтобетонных покрытий.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы представлены на: Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы дорожного строительства» (Суздаль, 1996 г.); 2- й Международной конференции «Организация и безопасность движения» (С. Петербург, СПбГАСУ, 1996 г.); Международной конференции «Инженерные проблемы современного бетона и железобетона» (Минск, МГТУ, 1997 г.); Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы строительного материаловедения» (академические чтения РААСН, 1996 - 1998); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию строительного факультета Мордовского госуниверситета (Саранск, 2002 г.); научно-практическом семинаре «Новые технологии и материалы, применяемые при содержании автомобильных дорог» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2002 г.); специализированной конференции «Дороги Башкирии - 2003 г.» (Министерство строительства, архитектуры и транспорта республики Башкирии, ГУН «Институт нефтехимпереработки»); 2-й международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (г. Брянск, БГИТА, 2003 г.); международных научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, Мордов. ун-т, 2002-2006 гг.); научно-практических конференциях ВГАСУ (Воронеж, 2000-2006 гг.), а также на заседаниях кафедры строительства автодорог ВГАСУ (2000-2006 гг.)
Публикации: По теме диссертации опубликовано работ, в то числе две монографии (одна в соавторстве) и два учебных пособия (в соавторстве), а также получено три патента на изобретение (в соавторстве). Общий объём печатных работ составляет 740 страниц, из которых лично автору принадлежит 430 стр. Одиннадцать печатных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов, приложений и изложена на 396 странице. Список литературы включает 246 наименований.
Основные факторы, определяющие современные тенденции по улучшению качества битумов и битумоминеральных материалов, применяемых при строительстве и ремонте асфальтобетонных покрытий
К битумоминеральным материалам относятся искусственные строительные конгломераты, где в качестве вяжущего используются нефтяные битумы, как самостоятельно, так и в составе композиции с различными связующими. К ним относятся асфальтовые бетоны различных разновидностей на основе вязких и жидких битумов, влажные органоминеральные смеси с применением жидких битумов и комплексных вяжущих, различные виды эмульсионно минеральных смесей. В зависимости от вида технологии изготовления битумоминеральных материалов, применяемых в них исходных материалов и используемого оборудования, получаемые разновидности материалов могут значительно отличаться друг от друга. Но при этом они продолжают оставаться подобными друг с другом, т.к. они характеризуются действием общих закономерностей при приготовлении, твердении и получаемой структуре материала.
Наиболее распространенным битумоминеральным материалом является асфальтовый бетон - строительный материал, получаемый в результате отвердевания уплотненной рационально-подобранной смеси, состоящей из асфальтовяжущего вещества, крупного заполнителя щебня (гравия) или без него, песка и различных добавок, или без них. При отсутствии в асфальтобетонной смеси крупного заполнителя - щебня или гравия, получаемый битумоминеральный материал именуется песчаным асфальтобетоном. В зависимости от температуры приготовления и укладки асфальтобетоны различают: - горячие, получаемые на основе вязких дорожных битумов при температуре 145-155 С и укладываемые при температуре не ниже 120 С; -холодные, получаемые на основе жидких дорожных битумов при температуре 105-120 С и укладываемые при температуре не ниже + 5 С.
По технологическому признаку укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси асфальтобетоны могут быть жесткими, пластичными и литыми. Для уплотнения жестких и пластичных асфальтобетонных смесей используют тяжелые, средние и легкие катки. Литые асфальтовые смеси или не требуют уплотнения, либо используют специальные валики, легкие катки.
Отвердевшие в дорожных покрытиях различные виды асфальтобетона характеризуются индивидуальной структурой и свойствами, которые зависят от его состава, свойств исходных материалов, среди которых определяющая роль отводится битумному связующему.
Структура - это термин, происходящий от латинского слова «structura», обозначающее строение, расположение, порядок. Применительно к композиционным строительным материалам под структурой понимают совокупность устойчивых связей, обеспечивающих их целостность и тождественность самим себе, т.е. сохраняющих индивидуальные свойства при различных воздействиях на материал.
Зависимость свойств битумоминеральных материалов от структуры и свойств нефтяных битумов установлена многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных учёных. Начиная с П.В. Сахарова, этому вопросу посвящены работы A.M. Богуславского [20,21,22,23], Л.Б. Гезенцвея [42,43,44,73], Н.В. Горелышева [48,49,50,51,52], В.А Золотарёва [78,79,80], Н.Н Иванова [83,84], И.В. Королева [115,116], Н.В. Михайлова [149], И.А. Рыбьева [200,201,202], А.В. Руденского [189,190,191,192,193,196,197,198], Г.К Сюньи [215] и других исследователей [8,28,30,36,37,38,40,67,81,104, 124,125,142,148,150,153,154,155,228,235]. В указанных работах битумоминеральный материал рассматривается как гетерогенная дисперсная система с преимущественно коагуляционными связями, т.е. где зерна твердой фазы (минерального остова) соединяют ориентированные пленки битума и все свойства которой определяются её структурой.
Впервые представление о структуре асфальтобетона было дано в работах П.В. Сахарова. Им предложено рассматривать асфальтобетон как материал, состоящий из двух частей минерального остова и асфальтовяжущего вещества, состоящего из битума и минерального порошка.
Материалы, применяемые для приготовления битумов, модифицированных эластомерами и термоэластопластами
В качестве полимерных добавок, применяемых при приготовлении модифицированных битумов, использованы наиболее распространенные высокомолекулярные соединения, производимые отечественной промышленностью:
1 .Эластомеры. Из полимерных добавок класса эластомеров для модификации битумов использованы синтетические каучуки общего назначения: бутадиен-стирольные СКС, бутадиеновые СКД, изопреновые СКИ. Битумно-полимерное вяжущее, получаемое путем модификации вязких битумов синтетическими каучуками принято называть битумно-каучуковым [125].
Бутадиен-стирольные каучуки: СКС 30 АРКМ-15, отвечающие требованиям ТУ 38.403121-98 с изм.1; СКС 30 АРКМ-27 по ТУ 38.303-03-070-2001, а также СКС 30 АРК, отвечающие требованиям ТУ 38.40355-99 с изменением 1,3.
Бутадиен-стирольные каучуки являются продуктами совместной полимеризации бутадиена (дивинила) со стиролом. В зависимости от количественного содержания компонентов могут значительно изменяться свойства каучуков. С увеличением содержания стирола возрастает жесткость каучука и снижается его растворимость.
Бутадиен-стирольные каучуки обозначаются аббревиатурой СКС. Цифра, следующая за обозначением каучука, показывает, какое количество стирола содержится в 100 весовых частях полимера. Например, каучук СКС 30 АРКМ- 15 содержит 70 весовых частей бутадиена и 30 весовых частей стирола. Буквенные обозначения расшифровываются следующим образом: А - низкотемпературная полимеризация, Р - полимеризацию проводили в присутствии регулятора полимеризации, К - при полимеризации в качестве эмульгатора применяли пластификаторы; М - каучук наполнен маслом, цифра 15 или 27 показывает, какое количество масла введено в каучук ( в %).
Бутадиеновые каучуки: СКД I и II марки, отвечающие требованиям ТУ 38.403750-2001. Бутадиеновые каучуки получают при полимеризации бутадиена в растворе в присутствии катализаторов. Бутадиеновые каучуки получают с различным молекулярным весом и различной пластичностью, поэтому при их применении в качестве модификаторов битумов необходима проверка растворимости каучука. Положительной особенностью бутадиеновых каучуков является высокое сопротивление окислительной деструкции.
Изопреновый каучук СКИ-3, отвечающий требованиям ГОСТ 14925-79. Изопреновый каучук СКИ-3 по структуре и физико-механическим свойствам наиболее близок к натуральным каучукам. Температура деструкции изопренового каучука более низкая в сравнении с другими каучуками, поэтому приготовление битумно-каучуковых вяжущих на основе каучуков СКИ следует проводить при температуре 150 - 160 С. Для получения растворов каучуков СКИ, вместо сланцевого масла, более предпочтительно использование других пластификаторов (например, мазута), не требующих значительного окисления при объединении раствора каучука с битумом, но до настоящего времени этот вопрос был исследован недостаточно.
Показатели свойств применяемых в настоящих исследованиях каучуков типа СКС, СКД, СКИ приведены в табл.2.1-2.3.
Термоэластопласты. Для приготовления полимерно-битумного вяжущего по ГОСТ Р 52056-2003 по рецептуре, разработанной в «СоюздорНИИ», в качестве модификатора используются блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС - отечественного производства марок: ДСТ 30-01, отвечающий требованиям ТУ 38.103267-99 и ДСТ ЗОР-01, л отвечающий требованиям ТУ 38.40327-98, а также их зарубежные аналоги (показатели свойств термоэластопласта, применяемого в настоящих исследованиях, приведены в таблице 2.4а, сравнительные свойства зарубежных аналогов в таблице 2.4 б).
В качестве разжижителя при приготовлении растворов каучуков для приготовления битумно-каучукового вяжущего применяется масло сланцевое марки С-1. Указанное масло представляет собой смесь смол, полученных в процессе термической переработки кускового горючего сланца в печах полукоксования шахтного типа (газогенераторах). Сланцевые смолы являются исходным материалом для получения путем их окисления сланцевых битумов, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между нефтяными битумами и каменноугольными дегтями [159,186]. Сланцевые битумы характеризуются более высокой поверхностной активностью к минеральным материалам в сравнении с нефтяными битумами, но пониженной теплоустойчивостью и термостабильностью. Применение в качестве разжижителя в растворах каучуков сланцевого масла позволяет повысить сцепление битумно-каучукового вяжущего с минеральными материалами [119]. Технические данные применяемого сланцевого масла (по ТУ 3810957-80) приведены в табл.2.6. Групповой и элементный состав фракций сланцевого масла С-1 приведен в табл.2.7 и табл.2.8. В качестве растворителя при приготовлении растворов каучуков типа СКС, СКД, СКИ применялся керосин по ГОСТ 18499-73.
Структура и свойства традиционного холодного асфальтобетона на основе разжиженных вязких битумов и пути повышения его качества
Известно, что холодный асфальтобетон является искусственным строительным материалом конгломератной структуры, состоящим из смеси зернистых минеральных материалов, объединенных жидким битумным вяжущим, полученным разжижением вязких нефтяных битумов различными растворителями [36,37,43,52,115]. Холодный асфальтобетон является одним из наиболее сложных строительных материалов. Это обусловлено не только значительным количеством входящих в его состав компонентов, сколько сложностью физико-химических процессов, происходящих при их объединении.
Ранее проведенные исследования показали, что холодный асфальтобетон относится к материалам с коагуляционной структурой и ярко выраженными вязкопластическими свойствами [52,115]. Последнее обусловлено тем, что сцепление частиц в коагуляционных структурах осуществляется через тонкие прослойки жидкой среды. Прямые контакты между твердыми частицами минерального остова отсутствуют, и слабые межмолекулярные силы сцепления обуславливают прочность всего материала. Следовательно, толщина структурированных битумных пленок и её свойства являются определяющими. Поэтому взаимодействие жидкого битума с поверхностью минеральной части является одним из главных факторов определяющих свойства холодного асфальтобетона.
В работе [83] установлено, что прочность асфальтобетона определяется сцеплением его частиц между собой и внутренним трением между ними. Сопротивление трению определяется крупностью зерен минеральной части, степенью их окатанности и однородности. С повышением содержания в асфальтобетонных смесях одноразмерных частиц сопротивление трению увеличивается и уменьшается при разноразмерных.
Исследованиями, проводимыми под руководством Н.Н. Иванова, показали, что угол внутреннего трения изменяется очень мало в зависимости от температуры и несколько больше от количества вяжущего в смеси [83]. Последнее получило подтверждение в работах Л.С. Губача [66].
Сточки зрения прочности и теплоустойчивости холодного асфальтобетона сцепление его частиц между собой представляет больший интерес, чем угол внутреннего трения. Сцепление частиц асфальтобетона зависит главным образом, от вязкости битума, его когезии и адгезии к минеральным материалам. Для приготовления традиционных холодных смесей применяют жидкие битумы по ГОСТ 11955-82, отличающиеся вследствие малой вязкости и наличия растворителя малой величиной когезии. К тому же применяемые для приготовления жидкого битума вязкие окисленные битумы марок БН и БНД по ГОСТ 22245-90, как правило, характеризуются недостаточными адгезионными свойствами [120,177]. Наличие разжижителя значительно снижают и без того недостаточное сцепление вязкого исходного битума с минеральной поверхностью. К тому же приготовление холодных смесей происходит при более низких температурах в сравнении с горячими асфальтобетонными смесями, что также влияет на величину адгезионной связи жидкого битума к минеральному материалу. Таким образом, низкие адгезионные и когезионные свойства жидких битумов приводят к низкой прочности, водостойкости и недостаточной устойчивости холодного асфальтобетона при высоких положительных температурах.
Улучшение гранулометрического состава холодных смесей, повышение количества минерального порошка незначительно улучшают вышеуказанные свойства холодного асфальтобетона. И даже наоборот, чрезмерное количество минерального порошка приводит к формированию очень тонких пленок, которые по мере увеличения вязкости жидкого битума в процессе эксплуатации за счет испарения разжижителя ещё более истончаются, что приводит к ускоренному старению дорожного покрытия.
Подвергаясь воздействию климатических факторов, через 3-4 года эксплуатации в покрытии тонкие битумные пленки в холодном асфальтобетоне становятся хрупкими, интенсивно стареют, что приводит к накоплению деформаций и преждевременному разрушению покрытий. По указанной причине значительная часть покрытий из холодного асфальтобетона, устроенных в 60-х - 70-х годах были преждевременно разрушены, что привело к сокращению объема применения холодных смесей при устройстве асфальтобетонных покрытий.
Применение невысокого качества жидких битумов в традиционном холодном асфальтобетоне способствует при повышенных температурах повышенной деформационной текучести, потере при этом устойчивости, что приводит к значительным пластическим деформациям на покрытии в виде волн, колейности и др. Процесс разрушения покрытия усиливается интенсивным старением холодного асфальтобетона, вследствие чрезмерно тонких битумных пленок.
Задача повышения качества холодного асфальтобетона, таким образом, состоит в том, чтобы для приготовления холодного асфальтобетона применять жидкие органические вяжущие, которые позволили бы сохранить все признаки холодных асфальтобетонных смесей, но при этом обеспечили бы более стабильное сцепление частиц в асфальтобетоне и более толстые пленки на минеральных зернах. Для увеличения объема применения холодных асфальтобетонных смесей необходимо: - повысить прочность и теплоустойчивость холодного асфальтобетона; - улучшить коррозионную стойкость (водостойкость), за счет повышения адгезионных свойств жидких битумов;
Битумно-полимерные герметики на основе эластомеров и термоэластопластов
В настоящее время в дорожном строительстве для ремонта и герметизации трещин в асфальтобетонных и цементобетонных покрытиях, деформационных швах взлетно-посадочных полос аэродромов и гидроизоляции искусственных сооружений на дорогах в основном применяются следующие типы мастик: наполненные битумные мастики, резино-битумные (РБМ), битумно-полимерные. В состав наполненных и резино-битумных мастик входит минеральный порошок, асбестовая крошка, резиновая крошка, низкомолекулярные полимеры (олигомеры) и другие добавки. Применение минерального порошка дает незначительное повышение теплоустойчивости мастик, но одновременно резко падает устойчивость к старению, а также пластичность и эластичность при низких температурах. Асбестовая крошка повышает теплоустойчивость мастики, но повышает также температуру хрупкости. Резиновая крошка повышает теплоустойчивость герметизирующих составов, но плохо совмещается с битумом и для растворения в битуме требует измельчения до крупности менее 1 мм. и последующей специальной обработки для деструкции сшитых молекул частиц резины [120]. Эти добавки являются в основном наполнителями и поэтому малоэффективны. Вместе с тем, технология приготовления многокомпонентных мастик достаточно сложна, а их стоимость достаточно велика. Многокомпонентность мастик не позволяет получать однородный материал и требует постоянного перемешивания компонентов, что серьезно осложняет работу с ними. Более эффективными с точки зрения упрощения технологии получения и повышения физико-механических свойств являются битумно-полимерные мастики. Битумно-полимерные мастики представляют собой композиции, состоящие из смеси нефтяного битума с полимерным модификатором, пластификатором и при необходимости с добавкой поверхностно-активного вещества. Как правило, указанные мастики в зависимости от назначения и показателя теплостойкости (температуры размягчения) подразделяются на следующие типы: дорожная, с температурой размягчения не ниже + 80 С, для герметизации деформационных швов и трещин в цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях, приготовления теплоустойчивых составов битумоминеральных материалов; гидроизоляционная, с температурой размягчения не ниже + 90 С, для гидроизоляции конструкций проезжей части искусственных сооружений на дорогах, заполнения деформационных швов проезжей части автодорожных мостов, изготовления рулонных материалов и покровных масс; строительная, с температурой размягчения не ниже + 70 С, для защиты бетонных и железобетонных конструкций в основаниях и фундаментах искусственных сооружений на дорогах.
Битумно-полимерная мастика наносится на поверхность в горячем виде при температуре 150-190 С. Предельная рабочая температура, исходя из опасности термодеструкции полимера, составляет 200 С. В качестве полимерных материалов для изготовления битумно-полимерных мастик наиболее широко используются термоэластопласты. Примером битумно-полимерной мастики на основе термоэластопласта ДСТ 30-01 (ДСТ ЗОР-01) является герметики «Новомаст», изготавливаемые по ТУ 5775-001-18893843-99. Марки и технические требования к герметикам «Новомаст» приведены в таблице 4.1.
Мастики, приготовленные с применением дивинилстирольного термоэластопласта, характеризуются высокими физико механическими показателями, но низкими адгезионными свойствами, что объясняется присутствием значительного количества пластификатора в составе мастики, который необходим для растворения полимера и достижения однородности состава. Для получения битумно-полимерных мастик на основе ДСТ требуется дорогостоящее оборудование для интенсивного перемешивания с большим усилием сдвига, что отражается на ценовой стороне т конечного продукта.
