Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Применение битумных эмульсий в дорожном хозяйстве 12
1.2 Опыт применения битумных эмульсий 19
1.3 Классификация битумных эмульсий 24
1.4 Общие требования к дорожным битумным эмульсиям 26
1.5 Типы эмульгаторов (ПАВ) для производства битумных эмульсий 29
1.6 Применение полимерно-битумных вяжущих 32
1.7 Выводы по главе 1 34
Глава 2 Теоретические и технологические предпосылки для производства органоминеральных смесей на битумной основе .. 36
2.1 Минеральные материалы для покрытий нежестких дорожных одежд 36
2.2 Органоминеральные смеси с применением битумных эмульсий 38
2.3 Обоснование выбора пластификатора и полимерного модификатора битума 43
2.4 Обоснование выбора ПАВ для получения битумно-полимерной эмульсии 48
2.5 Выводы по главе 2 54
Глава 3. Экспериментальная часть 55
3.1 Получение ПБВ и определение их физико-механических
характеристик Оценка влияния количества полимера в ПБВ на устойчивость битумно-полимерной эмульсии 64
Получение битумно-полимерных эмульсий в лабораторных условиях 69
Определение кислотности растворов эмульгаторов и эмульсий 72
Изучение структуры полученных составов ПБВ и битумно полимерных эмульсий 74
Исследование компонентов битумной композиции методами спектроскопии ЯМР Ни 13С 78
Данные спектров ЯМР Ни 13С битума БНД 90/130 79
Данные спектров ЯМР Н и 13С индустриального масла И-40А.. 83
Данные спектров ЯМР ]Н и 13С полимера ДСТ-30 85
Исследование ПБВ композиций методами спектроскопии ЯМР
Ни13С 86
Выводы по главе 3 97
Лабораторные и промышленные испытания органоминеральных смесей на основе битумно-полимерной эмульсии 98
Технология получения битумно-полимерной эмульсии и органо-минеральных смесей на ее основе 98
Оценка величины адгезии разработанных составов битумно полимерных эмульсий 109
Разработка компонентного состава и регулирование свойств органоминеральных смесей на основе разработанных битумно полимерных эмульсий 113
Выводы по четвертой главе 124
Глава 5. Оценка экономической эффективности использования органоминеральных смесей, приготовленных с применением битумно-полимерных эмульсий 126
5.1 Расчет стоимости битумных эмульсий 126
5.2 Расчет эффективности применения органоминеральных смесей на основе разработанных битумно-полимерных эмульсий 131
5.3 Выводы по главе 5 136
Основные выводы 137
Литература
- Классификация битумных эмульсий
- Обоснование выбора пластификатора и полимерного модификатора битума
- Изучение структуры полученных составов ПБВ и битумно полимерных эмульсий
- Расчет эффективности применения органоминеральных смесей на основе разработанных битумно-полимерных эмульсий
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время, при ремонте и строительстве автомобильных дорог широкое применение получили катионные битумные эмульсии. Отсутствие современного оборудования на предприятиях дорожной отрасли затрудняют оценку качества данного вида продукции, что влечет за собой низкий спрос на применение эмульсий в дорожном строительстве.
Зарубежные технологии по содержанию и ремонту, автомобильных дорог предусматривают достаточно широкое использование катионных битумных эмульсий, которые позволяют повысить качество покрытий и увеличить срок их службы.
Основным компонентом битумных эмульсий являются вязкие дорожные битумы различных марок, для России выпускаемых по ГОСТ 22245-90. Нормируемая температура хрупкости используемых дорожных битумов не совместима с климатическими условиями эксплуатации дорожных покрытий. Это характерно для большей части (более 96%) территории России. Одним из основных недостатков нефтяных битумов является низкая адгезия к каменным материалам кислого минерального состава, это связано с производством битума методом окисления гудрона. Перечисленные недостатки, безусловно, отрицательно влияют и на качественные показатели битумных эмульсий.
Для повышения комплекса физико-механических свойств битумных эмульсий целесообразно использовать полимерно-битумные вяжущие (ПБВ), имеющие улучшенный комплекс показателей физико-механических свойств. Применение поверхностно активных веществ в составе ПБВ, повышает их адгезионные качества, а стабилизирующие добавки отвечают за устойчивость битумных эмульсий.
В России катионные битумные эмульсии, как правило, применяются при ремонтно-строительных работах: повышение эксплуатационных свойств покрытия - поверхностная обработка, подгрунтовка, укреплении обочин методом пропитки и др. Кроме того, битумные эмульсии являются вяжущим для производства органоминеральных смесей (ОМС). В условиях первой дорожно-климатической зоны (ДКЗ) нормативами не предусматривается применение ОМС в качестве покрытия, это связано с малоизученными физико-механическими свойствами данных материалов в условиях резко континентального климата.
Таким образом, проведенный аналитический обзор и анализ используемых катионных битумных эмульсий показал, что для первой ДКЗ необходимо применять битумные эмульсии с необходимыми физико-механическими свойствами: низкая температура хрупкости, повышенная температура размягчения, эластичность и хорошая смешиваемость с минеральными материалами. Получение эмульсий с заданными свойствами в современных условиях является весьма актуальной задачей.
Целью данной работы является разработка составов и технологии получения органоминеральных смесей с использованием катионных битумных эмульсий на основе битума БНД 90/130, полимера типа СБС (ДСТ 30-01), индустриального масла (И40-А) в качестве пластификатора и катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Теоретически обосновать выбор полимера и пластификатора для получения полимерно-битумного вяжущего.
2 Подобрать соотношения полимера и пластификатора для модификации битума БНД 90/130.
2. Разработать составы катионных битумных эмульсий на основе модифицированного битума БНД 90/130.
3. Исследовать комплекс физико-механических, реологических структурных свойств полученных составов катионных битумных эмульсий.
4. Разработать составы органоминеральных смесей на основе эмульсий битумно-полимерных катионных (ЭБПК) и определить их физико-механические свойства.
5. Экспериментально определить зависимость изменения физико-механических свойств ОМС на основе ЭБПК от количества вводимого неорганического вяжущего.
6. Произвести опытно-производственные испытания ЭБПК и органоминеральных смесей на их основе.
Методы исследований.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:
Исследования физико-механических свойств битума и полимерно-битумного вяжущего проводились по методикам утвержденным в следующей нормативной документации: ГОСТ 11501 определение глубины проникания иглы; ГОСТ 11506 определение температуры размягчения по кольцу и шару; ГОСТ 11505 растяжимость; ГОСТ 11507 температура хрупкости; ГОСТ 4333 температура вспышки; ГОСТ 18180 и ГОСТ 11506 изменение температуры размягчения после прогрева; ГОСТ Р 52056 однородность. Определение физико-механических свойств ЭБПК и ЭБК проводились по методикам утвержденными ГОСТ Р 52128: определение содержания вяжущего с эмульгатором; определение устойчивости эмульсии при перемешивании с минеральными материалами; определение остатка на сите; определение условной вязкости; определение устойчивости при хранении; определение сцепления эмульсий 1-го и 2-го классов с поверхностью щебня; определение физико-механических свойств остатка после испарения воды из эмульсии; определение устойчивости при транспортировании. Исследование показателей физико-механических свойств органоминеральных смесей проводилось по методикам утвержденным ГОСТ 30491: предел прочности на сжатие; водостойкость; водостойкость при длительном водонасыщении; водонасыщение в % по объему; набухание в % по объему.
Кроме того, были применены физические методы для изучения группового состава битума, индустриального масла, полимера ДСТ 30-01, композиционных составов ПБВ, ЭБК методами ИК спектроскопии на приборе BRUKERIFS25, ЯМР на импульсном спектрометре BrukerDPX250, на рентгеновском дифрактометре ShimadzuXRD-7000.
На защиту выносятся:
- Влияние полимера (ДСТ 30-01) и пластификатора (индустриальное масло И-40А) на устойчивость эмульсии битумно-полимерной катионной.
- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение выбора ПАВ для получения эмульсии битумно-полимерной катионной.
- обоснование составов органоминеральной смеси на основе эмульсии битумно-полимерной катионной.
- результаты опытно-производственных испытаний разработанной органоминеральной смеси на основе эмульсии битумно-полимерной катионной.
Научная новизна работы
- впервые теоретически обоснованы и получены эмульсии битумно-полимерные катионные на основе ПБВ без применения водорастворимых латексов;
- выявлены закономерности влияния количества пластификатора и полимера, вводимых в состав ПБВ, на устойчивость эмульсии битумно-полимерной катионной. Экспериментально установлено, что получение ЭБПК возможно при концентрации полимера ДСТ 30-01 от 0,5% до 3,5 %, а пластификатора И-40А от 12% до 30%. При использовании «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-3Б», «Динорам СЛ» в качестве ПАВ выявлено, что отечественные эмульгаторы «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-3Б» позволяют получить устойчивые ЭБПК при концентрации полимера от 0,5% до 2%, а пластификатора от 20% до 30%. При применении ПАВ зарубежного производства «Динорам СЛ», были получены ЭБПК с концентрацией полимера от 0,5% до 3,5%, при этом концентрация пластификатора составила от 12% до 30%. Результаты экспериментальных данных показали, что применение ПАВ «Динорам СЛ» для приготовления ЭБПК позволяют получить материал с более широким диапазоном физико-химических свойств;
- впервые использована эмульсия битумно-полимерная катионная в качестве вяжущего при приготовлении органоминеральной смеси для устройства оснований и покрытий в первой дорожно-климатической зоне.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена:
- соответствием результатов опытно-производственных и лабораторных работ, выполненных с использованием современных приборов, оборудования и методов испытаний. Степень достоверности лабораторных исследований составляет – 96%;.
- результаты экспериментов были подтверждены рядом физико-химических методов исследований ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа.
Практическая значимость работы:
- на основании проведенных исследований определены компонентные составы эмульсий битумно-полимерных катионных классов ЭБПК – 1, ЭБПК – 2 на основе ПБВ соответствующего требованиям нормативной документации. Эмульсии могут применяться: для повышения эксплуатационных свойств дорожных покрытий, материалов ямочного ремонта, подгрунтовки, устройства оснований дорожных одежд из щебня методом пропитки, приготовления пористых эмульсионно-минеральных смесей, приготовления плотных эмульсионно-минеральных смесей. Практическая ценность данной работы подтверждена патентом № 2462490 «Катионная полимерно-битумная эмульсия».
Реализация результатов работы. По результатам исследований проведены опытно-промышленные испытания. На производственной базе ООО «Дорожно-строительная компания» была смонтирована установка по производству ПБВ. Объем опытной партии составил 5 т. С использованием полученного ПБВ изготовлено 9 т ЭБПК-2 и на ее основе получено 60 т органоминеральной смеси, на производственной базе ООО «ИркутскРемДорСтройХолдинг». Полученную смесь использовали для устройства верхнего слоя покрытия на улице Напольной в г. Иркутске общей площадью 300 м.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения», Белгород (2007); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-комунальном комплексе», Иркутск (2007, 2009); на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения», Казань (2008); на научно-технической конференции «Современные материалы в строительстве», Улан-Удэ (2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» Бийск (2009); на IV-й Всероссийскойнаучно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прикладные аспекты химической технологии, полимерных материалов и наносистем». (Полимер-2010)Бийск (2010); на научно-практической конференции Союза дорожников Иркутской области «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов», Иркутск (2010); на научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов посвященной 310 - летию инженерного образования в России, Улан-Удэ (2011); на научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов, Улан-Удэ (2012); на международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика», Улан Удэ (2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе в рецензируемых изданиях по списку ВАК МОиН РФ три статьи, получен патент № 2462490.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Содержит 151 страницу машинописного текста, 40 рисунков, 42 таблицы. Список литературы состоит из146 работ отечественных и зарубежных авторов.
Классификация битумных эмульсий
Методам повышения работоспособности дорожных покрытий, в том числе такого качественного показателя, как шероховатости, посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей В. Ф. Бабкова, Н. В. Горелышева, В. И. Резванцева, М. И. Кучмы, Л. В. Гезенцвея, Н. Ф. Хорошилова, И. А. Плотниковой, И. Н. Петухова, А. С. Макаренко, Э. М. Рачёвой, Д. Ф. Мура, Д. Р. Лемба, Л. А. Горелышевой и др. Как уже отмечалось, в настоящее время применяются различные способы повышения эксплуатационных показателей покрытия (шероховатость, ровность). Наиболее эффективным является способ нанесения тонких защитных слоев износа с применением эмульсий. Особенности работы шероховатых слоев износа к настоящему времени достаточно изучены [71,73, 95].
В мировой практике при устройстве тонкослойных поверхностных обработок наиболее широкое применение получили органоминеральные смеси типа: Сларри Сил (Slurry Seal), ms (microsurfacing), Литые Эмульсионно-Минеральные Смеси (ЛЭМС) с применением катионных битумных эмульсий. Отличительной особенностью от классической поверхностной обработки является как применение используемых материалов, так и технология производства работ. Как известно, при классической поверхностной обработке в качестве вяжущего применяется битум марок БНД, при этом регламентируемая ГОСТом температура хрупкости выпускаемых битумов много выше средней температуры «наиболее холодных суток района эксплуатации» (более 96% территории России) [99]. Для понижения температуры хрупкости, как в России, так и за рубежом в битум вводят различные полимеры, получая полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) или модифицированные битумы. Что существенно позволяет снизить образование морозобойных трещин (вследствие понижения температуры хрупкости), а следовательно продлить срок службы асфальтобетона. Как правило в России такие вяжущие применяются в стандартных горячих асфальтобетонных смесях, кроме того все более широкое применение находят и альтернативные виды органических вяжущих — смолы, гудроны, тяжелые нефти. Дорожные покрытия, выполненные на основе органоминеральных материалов, имеют ряд технологических и эксплуатационных преимуществ. Это - технологичность, возможность использования местных материалов, короткие сроки проведения работ, обеспечение повышенного коэффициента сцепления, а так же ровность покрытия [37, 54, 122, 129].
Высокие требования, предъявляемые к вяжущим, такие как повышенная адгезия, термостойкость, распределение вяжущего более тонкими пленками по поверхности минеральных материалов заставляют дорожников применять материалы, отвечающие вышеуказанным требованиям. Таким материалом являются битумные эмульсии, которые обладают рядом серьезных преимуществ [41, 44, 90, 129, 138].
Битумные эмульсии обеспечивают [25, 50 ,58, 73, 83, 88, 117, 138]: равномерное распределение вяжущего более тонкими пленками по поверхности слоя, что снижает вероятность «выпотевания» битума, потерю шероховатости и способствует лучшему обволакиванию зерен минерального материала вяжущим; хорошую текучесть вяжущего; упрощение технологии производства работ из-за возможности применения материалов в холодном состоянии, существенное снижение расхода битума, безопасность применения битумных эмульсий по сравнению с вязкими битумами, приготовление эмульсионно-минеральных смесей непосредственно на месте строительства; резкое снижение транспортных расходов на перевозку материалов; полную реализацию свойств ПАВ, снижение выбросов углеводородов в атмосферу.
В дорожном строительстве битумные эмульсии начали применяться с 20-х годов прошлого столетия. Использовались они при отсутствии знаний о ме 15 ханизме образования эмульсий, технологических возможностях приготовления, применения и их формировании в смесях. И, несмотря на это с начала XX в. до середины 50-х годов прошлого века объём их использования постепенно нарастал. В связи с увеличением скорости, интенсивности движения, а так же с появлением большегрузного транспорта в 50-е годы возросли нагрузки на дорожные одежды и смеси с применением эмульсий уже не могли обеспечить требуемые характеристики дорожных покрытий. С увеличением объёма производства битумных вяжущих для производства горячих асфальтобетонных смей, объём дорожных материалов на основе битумных эмульсий практически прекращается. Битумные эмульсии в это время применяются в основном для укрепления грунтов или на второстепенных дорогах. В зарубежных странах Западной Европы и США наблюдалась такая же тенденция [24].
Энергетический кризис 70-х годов XX века в странах Западной Европы и США, вынуждает производителей дорожных материалов вновь начать выпуск битумных эмульсий, производство которых не требует нефтяных растворителей и дополнительного разогрева минерального сырья. Что позволило уменьшить расход топлива применяемого для высушивания каменного материала.
Возрастание экологических требований к применяемым дорожным материалам выявляет преимущество битумных эмульсий перед разжиженными битумами.
Все это, наряду с энергетическим кризисом, привело к развитию и совершенствованию технологий приготовления дорожно-строительных материалов на основе битумных эмульсий, методов испытаний и сфер их применения.
Однако в России продолжали применять горячую или теплую асфальтобетонную смесь. Практика применения битумных эмульсий в России начинается в конце 90-х годов, полностью опираясь на зарубежный опыт и разработки.
Обоснование выбора пластификатора и полимерного модификатора битума
Для оценки влияния количества полимера на получение устойчивой битумно-полимерной эмульсии из полимерно-битумного вяжущего были получены составы в которых содержание ДСТ - 30 - 01 увеличивалось с шагом 0,5%. Известно, что эмульгирование пластифицированного битума происходит намного легче в связи с тем, что вся система является маслонаполненнои, а вследствие того, что в полученных образцах присутствует большое количество пластификатора (30%), в их структуре образуется наиболее разветвленная пространственная сетка, при этом вязкость битума находится в пределах от 283мм 10"1 до 600мм 10 1. Однородность однор одно одпор одно однор одно однор одно однор одно однор одно одноро дно однородно п. 7.2.1 ГОСТ Р 52056 Из полученных составов битумно-полимерного вяжущего были приготовлены битумные эмульсии с применением выбранных катионных эмульгаторов «Амдор Эм», «БАП ДС-З-Б», «Динорам СЛ».
На основании исследований проведена оценка влияния количества полимера в составах ПБВ на устойчивость битумной эмульсии. Из рис.11 наглядно видно, что наиболее активным ПАВ является «Динорам СЛ», поэтому дальнейшая разработка составов битумно-полимерных эмульсий производилась с его использованием. Для получения битумно-полимерных эмульсий были выбраны составы полимерно-битумного вяжущего № 3, 8, 9,11 (табл. 10, 11).
Производство битумно-полимерных эмульсий в лабораторных условиях производилось на лабораторной коллоидной мельнице (рис. 15).
Лабораторная коллоидная мельница. Для получения экспериментальных составов битумно-полимерных эмульсий в лабораторных условиях, предварительно разогретое до 140С полимерно-битумное вяжущее подавалось в одно из отверстий сдвоенной воронки (4), а в другое отверстие этой же воронки одновременно с ПБВ подавался эмульгирующий раствор предварительно разогретый до температуры 55С. Проходя через рабочий орган ПБВ и эмульгирующий состав, зазор которого составлял 0,3 мм, получаемая битумно-полимерная эмульсия сливалась через сливной кран в приемочную емкость. Испытание битумно-полимерных эмульсий проводилось в соответствии требований [26]:
Битумные эмульсии испытывались в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52128 на: содержание вяжущего с эмульгатором; устойчивость эмульсии при перемешивании с минеральными материалами; остаток на сите; условную вязкость; устойчивость при хранении; сцеплении плёнки вяжущего с минеральными материалами; устойчивость при транспортировании.
Определение физико-механических свойств остатка, после испарения воды из эмульсии:
Чистую сухую чашку вместе со стеклянной палочкой взвешивают, затем наливают в чашку около 30 г эмульсии и взвешивают чашку с эмульсией и стеклянной палочкой.
Чашку с эмульсией и стеклянной палочкой устанавливают на закрытую электрическую плитку или песчаную баню и удаляют воду из эмульсии выпариванием. При выпаривании во избежание разбрызгивания эмульсию периодически перемешивают стеклянной палочкой, не вынимая ее из чашки.
Удаление воды из эмульсии считают законченным, когда прекратится выделение пузырьков пара и поверхность остатка в чашке станет зеркальной. После этого чашку охлаждают при комнатной температуре, а затем взвешивают вместе со стеклянной палочкой. Обработка результатов испытания
Содержание вяжущего с эмульгатором в эмульсии М, % по массе, вычисляют по формуле MzzMlZMl .loo, 82-81 где g, - масса чашки с палочкой, г; g2 - масса чашки с палочкой и эмульсией, г; g3- масса чашки с палочкой и остатком после выпаривания воды из эмульсии, г. Абсолютное допустимое расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 0,2%. Содержание вяжущего с эмульгатором в эмульсии вычисляют как среднеарифметическое значение результатов двух параллельных определений. Определение времени распада эмульсионно-минеральных смесей при перемешивании: Щебень массой 500 г и песок массой 300 г промывают и высушивают при температуре (105 +/- 5) Сдо постоянной массы, после чего охлаждают при комнатной температуре. Постоянной считают массу щебня (песка), если разность между результатами двух последовательных взвешиваний составляет не более 0,1% массы.
Для определения смешиваемости эмульсии с минеральными материалами плотного зернового состава готовят смесь из 65 г щебня из гранита, 50 г песка и 8 г минерального порошка. Смесь увлажняют 4 мл воды и тщательно перемешивают. Продолжая перемешивание, в смесь вливают 14 мл эмульсии.
Через 45 сот начала внесения эмульсии перемешивание прекращают и проводят визуальную оценку полученной смеси. Если смесь однородная и зерна минеральных материалов равномерно покрыты сплошной пленкой эмульсии, то эмульсию считают медденнораспадающеися и относят к третьему классу. Если эмульсия при перемешивании распалась и образовала сгустки битума, оставив зерна минеральных материалов полностью или частично необработанными, то считают, что эмульсия не смешивается со смесью минеральных материалов плотного зернового состава и в этом случае ее испытывают на смешиваемость со смесью минеральных материалов пористого зернового состава. Для этого готовят смесь из 80 г щебня из карбонатных пород и 45 г песка, которую увлажняют 3 мл воды, перемешивают и, продолжая перемешивание, добавляют 11 мл эмульсии.
Через 45 сот начала внесения эмульсии в смесь перемешивание прекращают и проводят визуальную оценку смеси. Если эмульсия распределилась на зернах минеральных материалов пористого зернового состава равномерно (сплошной пленкой покрыла зерна материала), то эмульсию считают среднераспадающейся и относят ее ко второму классу.
Если эмульсия не смешивается со смесями минеральных материалов плотного и пористого зерновых составов, ее считают быстрораспадающейся и относят к первому классу.
Кислотность растворов эмульгаторов и эмульсий является одним из важных контролируемых параметров. По кислотности определяют область применения растворов и эмульсий. Измерение рН производилось иономером лабораторнымИ-160МИ с диапазоном измерения 1,0... 14,0 рН, в интервале температур 0,0-70С, с погрешностью не более 0,01 рН. Для калибровки показаний прибора использовали буферные растворы с интервалом рН: 1,65 и 6,86. Составы катионных битумно-полимерных эмульсий и их физико-механические показатели показаны в таблице 17.
Изучение структуры полученных составов ПБВ и битумно полимерных эмульсий
Зависимость прочности адгезионных связей вяжущего по методике Виалита от содержания пластификатора И-40-А Анализируя представленные зависимости, следует отметить о положительном влиянии выбранного пластификатора и эмульгатора на адгезионные свойства вяжущего, что также проявляется и при низких температурах. Обработка результатов по методике Виалита заключается в суммировании зерен щебня, отклеившихся с пленкой вяжущего материала и зерен, закрепившихся на пластине. Часть зерен щебня, отклеившихся с пленкой вяжущего материала, напрямую зависит от когезионных свойств полученного ПБВ. При проведении эксперимента было установлено, что с увеличением концентрации пластификатора в большей степени растет количество именно таких зерен. Результаты, представленные в таблице 29 и на рис. 32 показывают зависимость когезионных сил вяжущего от содержания пластификатора.
Покрытия с применением вяжущих модифицированных полимерами обеспечивают защитные свойства поверхности покрытия от вредного воздействия климатических и эксплуатационных факторов. Обычно такие слои устраиваются из горячих асфальтобетонных смесей типа А и Б.
Предлагаемые органоминеральные смеси на основе разработанных эмульсий представляют собой уложенную и сформировавшуюся эмульсионно-минеральную смесь, состоящую из катионактивной битумно-полимерной эмульсии, минерального каменного материала, воды и химических добавок. Эти смеси согласно ГОСТ 30491-97, по гранулометрическому составу, делятся на 2 типа, для покрытий и для оснований. Основные характеристики ОМС для покрытий и оснований приведены в табл. 27 и 28.
Разработанные ОМС способны восстанавливать транспортно эксплуатационные параметры дорожных покрытий. Нижние слои дорожного покрытия защищаются от окисления и проникновения влаги, а на поверхности получается износоустойчивый слой. Разработанный состав ОМС с применением битумно-полимерной эмульсии, обеспечит надежное сцепление на участках торможения, на кривых малого радиуса и т.д.
Основные преимущества таких слоев: - повышенная эластичность и улучшенное сопротивление динамическим нагрузкам за счет применения полимера; - низкая чувствительность к воздействию температур; - активная адгезия к покрытию; - отсутствие выброса каменного материала; - низкая энергоемкость производственного процесса и соответственно меньшая экологическая нагрузка на окружающую природу; - повышенная долговечность; -возможность производства работ с влажным материалом и на влажном основании непосредственно во время выпадения осадков в виде дождя.
К исходным материалам для смесей, используемых для ОМС, предъявляются требования указанные в ГОСТ 30491-97. Для приготовления смесей и укрепленных грунтов применяют грунты и следующие материалы: щебень; гравий; песок; щебеночно-гравийно-песчаные смеси; шлаковые щебеночно-песчаные смеси; гравийно-песчаные смеси; минеральные порошки; портландцементы, шлакопортландцементы.
Щебень и гравий из плотных горных пород, щебень из шлаков, шлаковые смеси марок СЗ - С7, входящие в состав минеральной части смесей, должны соответствовать требованиям ГОСТ 8267 и ГОСТ 3344 соответственно. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) формы в щебне не должно быть более 35% по массе.
Гравийно-песчаные смеси по зерновому составу должны соответствовать требованиям ГОСТ 23735, а гравий и песок, входящие в состав таких смесей, -требованиям ГОСТ 8267 и ГОСТ 8736 соответственно.
Для приготовления смесей применяют щебень и гравий фракций, мм: от 5 до 10, св. 10 до 20, св. 20 до 40, а также смеси фракций - от 5 до 20 и от 5 до 40.
Фиксировс інньїй уровень pt [=3,7 Важно отметить, что при устройстве органоминеральных смесей с использованием фракционированного щебня размерами зерен 5-10,10-15,15-20 мм эмульсия может распадаться на составляющие компоненты до проникновения на полную толщину слоя щебня (для мелких фракций), либо стекать с дорожного полотна и из слоя щебня (для крупных фракций щебня с небольшой удельной поверхностью). Поэтому для обеспечения полноты обволакивания зерен щебня до полного распада эмульсии и устранения явлений стекания эмульсии с обрабатываемой поверхности, необходимо регулировать ее вязкость. Авторами работы [51] экспериментально установлено, что если для фракции щебня 5-Ю мм вязкость эмульсии должна составлять 15-20 с, то для фракции 15-20 мм - уже 20-30 с. Известно, что вязкость битумных эмульсий можно регулировать в широких пределах как изменением концентрации и природы битума в эмульсии, так и введением в состав дисперсной фазы и дисперсионной среды специально подобранных компонентов.
Опыт, накопленный при эксплуатации покрытий с поверхностной обработкой, устроенной с использованием различных видов вяжущих (вязкого битума, разжиженного битума или битумных эмульсий), показывает, что на участках с особо интенсивным и тяжелым движением, а также на виражах и уклонах наблюдается отрыв отдельных щебенок от покрытия, особенно усиливающийся при низких температурах, что постепенно приводит к нарушению сплошности слоя износа.
При пониженных температурах сопротивляемость дорожного покрытия динамическому воздействию нагрузки резко снижается, в том числе слоев, устроенных с использованием катионных эмульсий. Представляется целесообразным, сохранив все положительные качества органоминеральных смесей на катионных эмульсиях, улучшить их свойства при повышенных и низких температурах. В целом ряде работ отмечается [59, 72, 120, 135], что эластичность битумов при низких температурах существенно повышается при совмещении их с термоэластопластами. Битумно-полимерное вяжущее при использовании термоэластопластов отличается высокой эластичностью, свойственной чистым эластомерам. Это обусловливает высокую деформационную устойчивость вяжущего в диапазоне температур от -50 до +60С.
Выбор термоэластопласта ДСТ-30-01 в качестве полимерного модификатора основан с учетом ранее проведенных экспериментальных работ и на анализе современной литературы. Как показали исследования, полимерно-битумное вяжущее с использованием дивинил стирольного термоэластопласта отличается улучшенным комплексом показателей физико-механических свойств, а приготовленные эмульсии на основе ПБВ не уступают эмульсиям с использованием водорастворимых латексов.
Модифицированное вяжущее готовили путем введения 2,5% ДСТ-30-01 в предварительно пластифицированный битум марки БНД 90/130 при температуре 150-160С. Физико-механические показатели исходного битума и ПБВ на основе термоэластопласта приведены в табл. 10,11.
Эмульсии, приготавливаемые с использованием СБС, показали значительно более высокую прочность приклейки зерен щебня к обрабатываемой поверхности по сравнению с контрольными образцами битумных эмульсий без добавки полимера. Результаты проведенных исследований приведены на рис. 33 и табл. 32. Из представленных данных видно, что при 0С на образцах с контрольной эмульсией отклеиваются после 10 ударов около 40% зерен щебня, в то время как на полимерно-битумной эмульсии, при тех же условиях, на пластине остаются закрепившимися почти 90% зерен щебня. 97% щебенок от поверхности пластины на немодифицированной эмульсии отлетели уже после 30 ударов, а модифицированная эмульсия сохранила 3% щебенок даже после 50 ударов.
Расчет эффективности применения органоминеральных смесей на основе разработанных битумно-полимерных эмульсий
Прочностные показатели органоминеральных смесей при температуре 0С характеризуют их хрупкость, а соотношение прочностных характеристик при 0С и 50С (R0VR50) температурочуствительность. По кривым на рис. 38 можно сделать вывод о том, что органоминеральные смеси с применением битумной эмульсии на основе ПБВ менее чувствительных к изменению температуры. Прочность при 50С косвенно показывает деформативность и сдвигоустойчивость ОМС. Как видно из рис. 37 прочностные показатели при 50С выше у органоминеральных смесей, выполненных с применением эмульсии на основе битумно-полимерной эмульсии. Кроме того, при добавлении портландцемента в количестве 2% прочностные характеристики ОМС резко возрастают по сравнению с ОМС изготовленной с применением эмульсии на основе БНД 90/130. Можно предположить, что между цементным камнем и полимерным вяжущим происходит взаимосвязь, которая позволяет увеличить прочность ОМС. Повышенный коэффициент водостойкости характеризует способность ОМС на основе битумно-полимерной эмульсии противостоять разрушающему воздействию воды, т.е. выкрашиванию и образованию выбоин в покрытии из таких смесей. Значения коэффициента водостойкости исследуемых ОМС с добавлением цемента соответствуют требованиям ГОСТ30491. Таким образом, для увеличения прочностных характеристик ОМС как с применение эмульсий битумных катионных (ЭБК), так и с эмульсиями битумными полимерными катионными необходимо добавлять в их состав неорганические вяжущие.
На основании проведенных исследований при промышленном внедрении в г. Иркутске на улице Напольной был уложен участок покрытия из органоминеральной смеси зерновой состав которой соответствует табл. 26 с добавлением 2% цемента и 10% битумно-полимерной эмульсии полученной из состава ПБВ №9. Работы по устройству покрытия проводились ООО «Иркутскремдорстрой-Холдинг». ОМС производилась на асфальтобетонной установке циклического действия. Каменные материалы предварительно разогретые до 70С подавались по классической схеме в смесительный барабан. После чего в смесительный барабан подавалось расчетное количество воды затем цемента, а после перемешивания смеси в течении 10 секунд подавалась полимерно-битумная эмульсия. После окончательного смешения в смесительном барабане в течении 20 секунд готовая смесь выгружалась в автосамосвал. Слой ОМС укладывали на подготовленное гравийное основание. Средняя толщина уложенного слоя составила 5см. Результаты проведенного операционного и приемочного контроля покрытия из ОМС совместно со специалистами фонда «Содействие научным исследованиям в дорожной отрасли» показали, что ОМС полностью удовлетворяет требованиям и ГОСТ 30491-97(акт в приложении). основе эмульсий из БНД 90/130, при 50С выше в 1,6 раза. В то же время коэффициент температурочуствительности RoVRso таких смесей ниже в 1,9 раза, что позволяет судить об устойчивости разработанных смесей к изменению температуры.
Оценка экономической эффективности использования органоминеральных смесей, приготовленных с применением битумно-полимерных эмульсий.
На первом этапе оценка экономической эффективности использования органоминеральных смесей, приготовленных с применением битум-полимерных эмульсий, выполнена на сопоставлении стоимости 1 т смеси, где в качестве вяжущего использовалась катионная битумная эмульсия ЭБК-2.
Оценка амортизационных отчислений. Амортизационные отчисления определяются стоимостью оборудования, его производительностью и сроками амортизации. Норма амортизации на 1 тонну готовой эмульсии: Аэ= , (5.1) TaxnxJVlxJV2xW3 где Аэ — амортизационные отчисления на одну тонну готовой эмульсии; С - стоимость оборудования эмульсионного завода (без НДС); Та - срок амортизации (лет); П - производительность завода (тонн в час); N1 - продолжительность смены (часов); N2 - число смен в месяц; N3 - продолжительность строительного сезона (месяцев). Как правило, срок амортизации капитального оборудования составляет 10 лет, продолжительность смены 8 часов, среднее количество смен в месяц 20 и средняя продолжительность строительного сезона 5 месяцев. Таким образом формула (5.1) приводиться к виду:
В настоящей работе за основу принята стоимость стационарных эмульсионных заводов фирмы «MASSENZA» (Италия). Кроме того, к стоимости заводов отнесены затраты на их доставку, пуско-наладочные работы, обучение персонала и таможенные пошлины, но без учета НДС. Следовательно, ориентировочные цены на эмульсионные заводы (без учета стоимости дополнительного опционального оборудования, заказываемого отдельно) и амортизационные отчисления, вычисленные по формуле (5.2) составят.
