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, приклеечные, 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 водоэмульсионных системах, 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 цементно-битумной пасте за счет введения цементных пластификаторов и суперпластификаторов;
- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено при
определенных концентрациях цемента образование в структуре водоэмуль
сионных материалов на цементно-битумных вяжущих цементного про
странственного каркаса, выполняющего армирующую роль, что приводит к
повышению прочностных показателей материалов при сохранении показа
телей трещиностойкости. Образование высокопористой, малопрочной и низ
комодульной цементной структуры обусловлено избыточным содержанием
воды - в водных цементно-битумных пастах отношение В/Ц находится в пределах от 1,8 до 12,0;
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 цемента, 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 водоэмульсионных цементно-битумных вяжущих с введением в высоковязкие битумы марки БНД 40/60 до 20% кислых гудронов Грозненских НПЗ, на основе которых разработаны составы водоэмульсионных асфальтоцементных бетонов и растворов.
В 2005 г. в ОАО СУДР освоено производство водоэмульсионных 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 ООО «Ставропольгидроизоляция» освоено производство холодных водоэмульсионных асфальтоцементных растворов и мастик для устройства полов в промышленных зданиях и стяжек под кровели.
Разработаны технологический регламент и технические условия на водоэмульсионные асфальтоцементобетоны и растворы.
В соответствии с программой совместных исследований, проверка и внедрение результатов диссертационной работы было осуществлено также в Ко-
лумбийской 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, суперпластификаторов 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 цемент-но-битумные пасты, обеспечивающих повышенную трещиностойкость 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 Сев-
КавГТУ за 2004 год (Ставрополь, 2005 г.);
5-as, jornadas internacionales del Asfalto. March 13 - 17 de 2006 ICP (Cartagena de Indias, Colombia);
X региональная научно-техническая конференция «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2006 г.); XXXVI научно-техническая конференция по итогам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Сев-КавГТУ за 2006 год (Ставрополь, 2007 г.)
64 Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» 9 - 13 апреля СамГАСУ, (Самара, 2007 г.) 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 выставке «КМВстройинду-стрия» (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.); Международной специализированной выставке (14-я Международная строительная неделя (г. Москва, КВЦ «Сокольники», февраль 2006 г.), а также удостоены 1 медали Grand-Prix, 1 серебряной медали и 3-х дипломов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 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 164 страницы машинописного текста, 37 рисунков, 26 таблиц, списка литературы из 147 наименований и 10 приложений.
