Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы повышения качества асфальтобетонных покрытий и применения модифицирующих структурных наполнителей, задачи разработки технологий их производства 12
1.1. Классификация асфальтобетонных смесей 15
1.2. Современные представления о структуре и структурообразовании асфальтобетона 16
1.3. Методы улучшения качества дорожных покрытий
1.3.1. Поверхностно-активные вещества 22
1.3.2. Модификация битумов полимерными добавками 24
1.3.3. Природные добавки для улучшения свойств битума 26
1.3.4. Заполнители и минеральные порошки из местного минерального сырья и отходов промышленности 28
1.3.5. Природные воски и парафины 30
1.3.6. Механоактивация как метод повышения активности минеральных наполнителей для асфальтобетонов 31
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Объекты и методы исследования 36
2.1 Характеристика исходного сырья 36
2.2. Методы исследования структуры, физико-механических и физико-химических свойств минеральных порошков, асфальтового вяжущего вещества и асфальтобетонных образцов 46
Выводы по главе 2 51
Глава 3. Особенности структурообразования асфальтовых вяжущих веществ с использованием минеральных порошков из местного минерального сырья и их физико-механические свойства 53
3.1. Изучение состава и структуры минеральных порошков из местного минерального сырья 53
3.2. Оценка реакционной способности минеральных порошков 63
3.3. Определение физико-механических свойств минеральных порошков 76
Выводы по главе 3 81
Глава 4. Физико-механические характеристики асфальтобетонных образцов с применением минеральных порошков из местного минерального сырья 82
4.1. Прочностные характеристики образцов асфальтобетонов с применением минеральных порошков из местного сырья 82
4.2. Оценка коррозионной устойчивости образцов асфальтобетона с применением минеральных порошков из природного цеолита и бурого угля 89
Выводы по главе 4 94
Глава 5. Результаты опытно-промышленных испытаний и оценка экономической эффективности применения минеральных порошков из местного сырья 96
5.1. Устройство экспериментальных участков автомобильных дорог с применением модифицированного асфальтового вяжущего вещества 96
5.1.1. Природные условия района строительства 98
5.1.2. Краткая характеристика автомобильных дорог «Умнас» и «Вилюй»
5.2. Проведение мониторинговых исследований методами неразрушающего контроля качества 100
5.3. Оценка экономической эффективности от применения минеральных порошков из местного минерального сырья
5.3.1. Конструктивные слои дорожной одежды 109
5.3.2. Экономический эффект от внедренной технологии 111
Выводы по главе 5 112
Основные выводы 114
Список использованной литературы 117
- Природные добавки для улучшения свойств битума
- Методы исследования структуры, физико-механических и физико-химических свойств минеральных порошков, асфальтового вяжущего вещества и асфальтобетонных образцов
- Определение физико-механических свойств минеральных порошков
- Оценка коррозионной устойчивости образцов асфальтобетона с применением минеральных порошков из природного цеолита и бурого угля
Введение к работе
Актуальность. Автомобильный транспорт в Российской Федерации является важнейшим элементом в развитии как отдельно взятых регионов, так и страны в целом. По данным Федеральной службы государственной статистики на 2014 год протяженность автомобильных дорог общего пользования в Российской Федерации составляет 1450348,3 км из них с твердым покрытием 1023000,2 км (70,5%). Протяженность автомобильных дорог общего пользования в Республике Саха (Якутия) составляет 27686,1 км из них с твердым покрытием – 11366,8 км, что составляет всего 41,1%. Значительная часть этих дорог имеет высокую степень износа и исчерпала свою пропускную способность. Эта проблема в первую очередь связана с ограниченным финансированием дорожной отрасли, а также с недостаточным ассортиментом дорожностроительных материалов. Накопленный опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах общего пользования свидетельствует о том, что они выходят из строя значительно раньше расчетного срока службы. Ввиду этого актуальным становится вопрос поиска альтернативных материалов, пригодных для дорожного строительства, которые позволят не только улучшить физико-механические показатели асфальтобетонов, но и снизить стоимость производства строительных конгломератов с их применением.
Перспективным направлением поиска альтернативных материалов является оценка возможности замены традиционно применяемых в асфальтобетонах известняковых минеральных порошков на порошки, изготавливаемые из местного минерального сырья. К такому сырью можно отнести природные цеолиты и бурые угли, широко распространенные на территории Республики Саха (Якутия).
Степень разработанности темы.
Минеральные порошки в асфальтобетонах выступают в роли важнейшего
структурообразующего компонента. Основная задача минерального порошка
перевести битум в пленочное состояние. Традиционно, в качестве минеральных
порошков применяют продукт тонкого помола известняков. К сожалению, не во
всех регионах России имеются залежи карбонатных горных пород, а, постоянно
увеличивающиеся темпы дорожного строительства обуславливают нехватку
исходного сырья для производства минеральных порошков. В связи с этим,
расширение номенклатуры исходного сырья для изготовления минеральных
порошков является весьма актуальной темой. Известен ряд работ по применению
отходов керамзитового производства, отходов промышленности и
золошлаковых отходов ТЭЦ и ТЭС, некондиционных алюмосиликатных пород осадочной толщи, вулканических туфов, горючих сланцев и т.д. в качестве минеральных порошков для производства асфальтобетонов.
Возможность применения в качестве минеральных порошков для асфальтобетонов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, минерального сырья Республики Саха (Якутия) – природных цеолитов и бурых углей, ранее не была изучена и является перспективной.
Научная гипотеза работы: природные цеолиты и бурые угли будут оказывать сильное структурирующее влияние на битум ввиду особенностей химического состава, высокой удельной поверхности и формы частиц, что делает их пригодными для использования в качестве минеральных порошков при производстве асфальтобетонов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях.
Цель работы. Разработка рецептур асфальтовых вяжущих веществ и
технологии производства асфальтобетонов с повышенными физико-
механическими характеристиками за счет применения минеральных порошков, полученных из местного минерального сырья.
Задачи:
исследование химического состава и микроструктуры минеральных порошков, получаемых из местного минерального сырья, а также исследование влияния механоактивации минерального порошка на физико-механические свойства асфальтовяжущих веществ и асфальтобетонов;
исследование физико-механических свойств и корректировка рецептурного состава асфальтобетонов, выпуск опытно-промышленной партии асфальтобетонной смеси и сооружение экспериментальных участков автомобильных дорог;
проведение на экспериментальных участках покрытий автомобильных дорог мониторинговых исследований методами неразрушающего контроля качества;
оценка технико-экономического эффекта от применения разработанной технологии.
Научная новизна работы:
Впервые обосновано применение бурых углей и природных цеолитов в качестве минеральных порошков, являющихся основными структурообразующими компонентами вяжущего при производстве асфальтобетонов, для эксплуатации в суровых климатический условиях.
Показано, что минеральные порошки из бурого угля и природного цеолита обладают высоким структурирующим воздействием на битум. Доказано, что после взаимодействия с минеральными порошками в битуме снижается количество масел, повышается количество асфальтенов, т.е. битум переходит в состояние тонких пленок, характеризуемое повышенной вязкостью и прочностью вяжущего. В процессе данного взаимодействия происходит образование хемосорбционных соединений, которые положительно влияют на прочностные характеристики асфальтовых вяжущих веществ.
Установлено, что асфальтовяжущие вещества, полученные с применением минеральных порошков из природных цеолитов и бурых углей, обладают развитым рельефом поверхности с высокой микрошероховатостью. Благодаря этому происходит увеличение не только прочностных характеристик асфальтобетонных образцов, но и повышение показателей коррозионной устойчивости – водостойкости при длительном водонасыщении и морозостойкости асфальтобетонов, что положительно скажется на долговечности асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации.
Выявлено, что в результате процессов адсорбции низкомолекулярной
части битума зернами минеральных порошков из природных цеолитов и бурых
углей и последующим её «выпотеванием» на поверхность зерен, наблюдается
замедление процессов старения вяжущего в асфальтобетоне, благодаря чему
ожидается продление срока эксплуатации покрытий автомобильных дорог без
необходимости проведения ремонта.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Обоснована возможность замены традиционно применяемых в асфальтобетонах известняковых минеральных порошков на порошки из природных цеолитов и бурых углей.
Разработаны составы асфальтовых вяжущих веществ с применением минеральных порошков из природных цеолитов и бурых углей, определены их физико-механические характеристики. Установлено, что асфальтовяжущие с применением предлагаемых минеральных порошков в активированном состоянии обладают повышенными значениями водостойкости, что положительно сказывается на водостойкости асфальтобетонов и улучшает показатели долговечности асфальтобетонных покрытий.
Разработаны рецептурные составы асфальтобетонов с применением минеральных порошков из местного минерального сырья. Установлено, что использование в составе асфальтобетона минеральных порошков из природного цеолита и бурого угля позволяет повысить показатели прочности при сжатии, температурной чувствительности, термостабильности и теплостойкости по сравнению с асфальтобетонами на традиционном известняковом минеральном порошке. Рецептуры асфальтобетонов с применением порошков природного цеолита и бурого угля защищены двумя патентами РФ.
Выполнена оценка экономической эффективности при использовании минеральных порошков из природных цеолитов и бурых углей. Показано, что за счет улучшения физико-механических характеристик и повышения коррозионной стойкости асфальтобетонов возможно увеличение их долговечности, что приведет к существенной экономии денежных средств в процессе эксплуатации автомобильной дороги без необходимости проведения ремонтов покрытия.
Сооружены опытные участки автомобильных дорог из асфальтобетона с применением минеральных порошков из природных цеолитов и бурых углей, выполнены эксплуатационные испытания с регулярным определением технических характеристик методами неразрушающего контроля качества.
Методология работы и методы исследований
Данные, представленные в работе, получены с использованием стандартных методик, описанных в соответствующих нормативных документах и применением современных методов исследования структуры материалов: рентгенофазового анализа, электронной растровой микроскопии, ИК-спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и т.д.
Достоверность результатов работы. Достоверность полученных
результатов исследований обеспечена: применением стандартных методик,
регламентируемых нормативными документами, использованием
аттестованного оборудования и современных методов исследования структуры минеральных порошков, асфальтовых вяжущих веществ и асфальтобетонов. Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора, кроме специально оговоренных случаев.
Внедрение результатов исследований. Построено 3 экспериментальных участка с применением минеральных порошков из местного минерального сырья. Проведены мониторинговые исследования эксплуатационного состояния покрытий на всех экспериментальных участках.
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований используются при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 «Строительство», профиль «Автомобильные дороги», а также при подготовке студентов по специальности 08.05.02 «Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей», что отражено в учебных программах дисциплин «Дорожностроительные материалы», «Инновационные технологии в дорожном материаловедении», «Физическая химия в дорожном материаловедении».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: международных – «Синтез знаний в естественных науках. Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование» (г. Пермь, 2011 г.), VI евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 2013 г.); всероссийских – «Физико-технические проблемы добычи, транспорта и переработки нефти и газа в северных регионах» (г. Якутск, 2013 г.), «Химия: образование, наука и технология» (г. Якутск, 2013 г.), «ЭРЭЛ – 2013» (г. Якутск, 2013 г.), «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы» (г. Улан-Удэ, 2014 г.) «Материалы для технических устройств и конструкций, применяемых в Арктике» (г. Москва, 2015 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК. Получено 2 патента РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, включающего 18 таблиц, 33 рисунка и фотографии, список литературы из 140 наименований отечественной и зарубежной литературы, 3 приложения.
Природные добавки для улучшения свойств битума
Ранее было дано определение асфальтобетонной смеси, на основании этого можно выделить следующие составные части асфальтобетона: минеральные заполнители (щебень, песок) и асфальтовое вяжущее (битум + минеральный порошок).
Щебень – это продукт дробления скальных горных пород, он играет роль крупного заполнителя и является основой, формирующей каркас асфальтобетона. Важно принимать во внимание размер индивидуальных частиц зерен щебня. ГОСТ 9128-2013 регламентирует содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, так как от их количества зависит пустотность асфальтобетонной смеси. Кубовидные зерна обладают большей прочностью, чем зерна игольчатой и пластинчатой форм [11, 19].
Песок в асфальтобетоне является мелким заполнителем. Главная его задача – заполнить пустоты между зернами крупного заполнителя (щебня), что повышает плотность асфальтобетона. Пески могут быть как природные (кварцевые), так и искусственные (пески из отсевов дробления) [6].
Минеральный порошок представляет собой полидисперсный материал, являющийся важнейшим структурообразующим компонентом. Впервые назначение минерального порошка в асфальтобетоне как структурообразующего компонента определил П.В. Сахаров: смесь минерального порошка и битума образует «асфальтовое вяжущее вещество», которое сцепляет зерна в асфальтобетоне [9].
Основное назначение минерального порошка – переводить битум из объемного состояния в пленочное. В таком состоянии повышается вязкость и прочность битума. Благодаря этому асфальтобетоны также получают ряд положительных свойств: повышается прочность, плотность, трещиностойкость, улучшается теплоустойчивость. Так как под термином «асфальтовое вяжущее вещество» понимается смесь битума и минерального порошка, то немаловажным фактором, в дальнейшем определяющим физико-механические показатели асфальтобетона, является способность минерального порошка к прочному сцеплению со связующим. Силы, возникающие между битумом и поверхностью зерен минерального порошка, имеют первостепенное значение для свойств асфальтобетона. Это взаимодействие обуславливается физико-механическими процессами, происходящими на границе раздела фаз «каменный материал – вяжущее», благодаря которым на поверхности минеральных частиц образуется тонкая битумная пленка, не только обволакивающая их, но и прочно сцепленная с ними [6, 10].
Вяжущими в асфальтобетоне, в зависимости от климатического районирования, могут быть жидкий и вязкий дорожные битумы. Битумы бывают природные (из битуминозных пород, природные асфальты) и искусственные (т.е. полученные в результате деятельности человека). В свою очередь, в зависимости от способа производства, битумы подразделяются на окисленные (получаемые окислением нефтяных остатков кислородом воздуха), остаточные (получаемые перегонкой остатков и тяжелых нефтей), осажденные (получаемые деасфальтацией остатка перегонки нефти) и компаундированные (получаемые подбором определенных масляных фракций, асфальтенов и мальтенов) [20]. Битум можно представить как дисперсную систему, в которой асфальтеновая часть растворена в мальтеновой части.
Асфальтеновая часть представлена асфальтенами. Асфальтены – это наиболее высокомолекулярные соединения нефти, в которых имеются кислород, сера, азотсодержащие соединения и металлические комплексы. При нормальной температуре они представляют собой твердые тела с несовершенной кристаллоподобной структурой.
Мальтеновая часть представлена смолами и маслами. Масла – это жидкости высокой вязкости, содержащие циклические углеводороды (способные оказывать растворяющее действие на асфальтены) и углеводороды парафинового, циклопарафинового и гибридного строения (не являющиеся ни растворителями, ни способными осаждать асфальтены). По своему химическому составу и строению молекул смолы близки к асфальтенам, отличаются от них более низким содержанием отношения углерода к водороду (С:Н) и меньшим суммарным содержанием атомов S, N, O и металлов. Также смолы растворимы во всех углеводородах нефти и являются переходной средой от неполярной части нефти(масла) к полярной части (асфальтены). Под влиянием окислителей и адсорбентов смолы могут уплотняться с образованием асфальтенов [12].
Асфальтобетон – многокомпонентный строительный материал. Его свойства сильно зависят от состава и структуры. Качество и количество минеральной части, качество вяжущего, его реакционная способность, их взаимное расположение и характер связи в цепочке «минеральная часть – связующее» – это те параметры, которые определяют структуру асфальтобетона.
Структуру асфальтобетона формируют две части: структура минерального остова и структура битума. Для более полного понимания процессов, происходящих при замешивании асфальтобетонных смесей, необходимо рассмотреть их отдельно.
Н.В. Горелышев [10] писал, что структура минерального остова в асфальтобетоне может быть каркасной, полукаркасной и бескаркасной.
Минеральный остов асфальтобетона будет называться каркасным в том случае, если он на 50-65% состоит из крупного заполнителя – щебня. Пустоты между зернами щебня заполнены асфальтовым раствором – смесью песка, минерального порошка и битума. При этом наиболее крупные зерна песка не больше размера пустот каркаса и не раздвигают его ни своим размером, ни объемом (рисунок 1.2. а). Асфальтобетон с таким видом минерального остова имеет высокие сдвиговые характеристики. В том случае, если зерна щебня частично раздвинуты повышенным объемом асфальтового раствора, минеральный остов будет называться полукаркасным (рисунок 1.2. б).
Методы исследования структуры, физико-механических и физико-химических свойств минеральных порошков, асфальтового вяжущего вещества и асфальтобетонных образцов
Гранулометрический состав и удельная поверхность минеральных порошков характеризуют степень их диспергирования. Гранулометрический состав обычно задается с помощью функций распределения частиц по фракциям. Однако, данные функции являются достаточно сложными и не укладываются в распределение Гаусса [92]. Для более точной характеристики распределения частиц минеральных порошков по размерам до и после механоактивации, измерения проводили методом лазерной дифракции на приборе FritschParticleSizer «Analysette 22». К геометрическим параметрам минеральных порошков помимо гранулометрического состава и размера частиц также следует относить и форму индивидуальных частиц. При производстве минеральных порошков важно знать форму частиц, так как от нее зависит степень прилегания частиц друг к другу, площадь контактной поверхности и, следовательно, сила аутогезионного взаимодействия [110].
Анализ структуры минеральных порошков проводился в Институте геологии алмаза и благородных металлов СО РАН при помощи растрового электронного микроскопа высокого разрешения JEOL JSM-6480LV позволяющего выполнять качественный и количественный анализ состава структур с использованием метода энергодисперсионной спектрометрии.
Для определения адсорбционной активности минеральных порошков применялся метод, предложенный Колбановской А.С. [111] с изменениями, принятыми в работе Босхолова К.А [112]. Метод основан на фиксировании изменения оптической плотности 0,1% раствора битума в бензоле в зависимости от вида применяемого минерального порошка.
Перед началом опыта был построен калибровочный график, отражающий изменения оптической плотности раствора в зависимости от известных концентраций битума в бензоле. Калибровочный график охватывал весь интервал концентраций битума в бензоле, необходимый для дальнейших опытов (от 0% до 1%). Изменения оптической плотности раствора битума в бензоле с различными концентрациями фиксировали при помощи фотоколориметра КФК-2.
Навески минеральных порошков массой 1 гр. заливались 10 мл. 0,1% раствора битума в бензоле. Пробирки встряхивались для лучшего перемешивания порошка и жидкости. Для отделения частиц минеральной части от жидкости по прошествии 60 минут пробирки подвергались центрифугированию в течение 15 минут при скорости 1000 оборотов в минуту. По величине падения оптической плотности раствора, применяя интерполяцию определяли концентрацию битума в бензоле. Количество адсорбированного из раствора бензола битума определяли по формуле: (Сх - С2) V а = , 771 где q - адсорбционная активность, мг/г; Сі - начальная концентрация раствора, мг/мл; С2 - конечная равновесная концентрация раствора, мг/мл; V -объем раствора, взятого для адсорбции, мл; m - навеска минерального порошка, г.
Наиболее удобно для оценки характера дисперсности минеральных порошков использовать значение их удельной поверхности. Удельная поверхность сравнительно легко поддается измерению различными методами адсорбции газов [92]. Поэтому для анализа измерения удельной поверхности минеральных порошков применен метод БЭТ, основанный на тепловой десорбции газа-адсорбата (азота) с поверхности исследуемых материалов на приборе «Сорбтометр ТМ». Помимо метода БЭТ также был применен метод определения газопроницаемости Козени и Кармана при помощи прибора ПСХ-11М. Данный метод основан на измерении сопротивления, которое оказывает дисперсная среда протеканию воздуха (разряженного или находящегося под атмосферным давлением). Определение группового состава асфальтовых вяжущих веществ, рабочего температурного интервала и исследование рельефа поверхности АВВ
Химический анализ полученного асфальтового вяжущего вещества проводился в лаборатории геохимии и каустобиолитов Института проблем нефти и газа СО РАН по методике определения группового состава хлороформенных битумоидов пород, почв и отбензиненных нефтей (свидетельство об аттестации методики №222.0119/01.00258/2014).
Помимо этого, образцы асфальтового вяжущего вещества изучались с помощью ИК-Фурье-спектрометра FTS 7000, методом неполного внутреннего отражения. Применение метода ИК-спектроскопии необходимо для изучения механизма взаимодействия между минеральными порошками и применяемым вяжущим. Дешифрование и анализ ИК-спектров проводили по известным методикам с использованием библиотеки спектрометра и данных по ИК-спектрам органических веществ [54, 113, 114].
Рабочий температурный интервал асфальтовых вяжущих веществ (интервал температур, в котором вяжущее остается в вязко-пластичном состоянии) определяли как разность между температурой размягчения по кольцу и шару (КиШ) и температурой хрупкости по Фраасу. Определение температуры размягчения проводилось в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 11506-73 [115], определение температуры хрупкости – в соответствии с ГОСТ 11507-78 [116].
Для изучения микрорельефа получаемых асфальтовых вяжущих веществ был применен метод атомно-силовой микроскопии. Изучение рельефа поверхности проводилось при помощи сканирующего зондового микроскопа Ntegra Prima с применением кантилевера NSG30 в полуконтактном режиме. Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ) доступно описан в работе [117]. Изображение, получаемое на АСМ формируется в результате «ощупывания» поверхности исследуемого образца кантилевером. Основными параметрами, получаемыми в результате исследований с помощью сканирующего зондового микроскопа помимо графического изображения поверхности исследуемого образца являются: максимальная высота пика, нм; десять точек по высоте, нм - параметр описывающий шероховатость поверхности по выбранным пяти координатам максимальных впадин и высот; средняя арифметическая шероховатость, нм - параметр, определяющий шероховатость в виде двумерного среднего арифметического значения [118].
Определение физико-механических свойств минеральных порошков
Помимо этого, полученные изображения рельефа поверхности АВВ подтверждаются полученными ранее данными в результате изучения гранулометрического состава. АВВ с минеральными порошками, содержащими частицы меньших размеров характеризуются как меньшей высотой пиков, так и большей шероховатостью поверхности на выбранном участке сканирования. В таблице 3.5 представлены результаты измерения некоторых параметров поверхностей образцов асфальтовых вяжущих. Установлена прямая зависимость между максимальной высотой пиков и впадин, характеризующих поверхность и средней арифметической шероховатостью. Например, у образца АВВ с применением диспергированного бурого угля зафиксирована максимальная высота пика среди остальных образцов, равная 6795,98 нм, при наибольшей среди всех образцов средней арифметической шероховатостью поверхности равной 1313,41 нм.
Порошки, подвергнутые механоактивации, характеризуются уменьшенной шероховатостью по сравнению с порошками в диспергированном состоянии. Это доказывает тот факт, что микрошероховатость поверхности напрямую связана с размером частиц минеральных порошков. С уменьшением среднего диаметра частиц минерального порошка происходит уменьшение микрошероховатости поверхности асфальтовяжущего, снижается высота фиксируемых пиков.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что минеральные порошки из местного минерального сырья обладают лучшей структурирующей способностью по отношению к битуму. Они характеризуются улучшенными текстурными характеристиками по сравнению с известняковым минеральным порошком, традиционно применяемым в дорожном строительстве. Позволяют расширить рабочий температурный интервал вяжущего. Асфальтовые вяжущие с применением предлагаемых минеральных порошков характеризуются улучшенным рельефом поверхности – большей разницей высот между пиками и впадинами, большей микрошероховатостью поверхности.
Перевод битума в структурированное состояние может произойти лишь в том случае, когда на зернах наполнителя будут сформированы тончайшие битумные пленки, которые способствуют упрочнению контактов между зернами. Такое состояние битума возможно лишь при определенном соотношении компонентов асфальтовяжущего вещества – битума и минерального порошка, считаемом оптимальным. В случае если в данной системе будет наблюдаться избыток битума, то часть битума, оставшаяся в объемном состоянии будет способствовать пластическим деформациям. Если же наблюдается недостаток битума, то часть зерен минерального порошка останется не покрытой битумной пленкой, что также скажется как на свойствах асфальтовяжущего вещества, так и асфальтобетона [2, 5, 6, 127, 128].
Для подбора оптимального состава в системе «битум – минеральный порошок» использовалась стандартная методика, указанная в ГОСТ Р 52129-2003 [105]. В качестве параметра, характеризующего оптимальное соотношение битума к минеральному порошку использовался показатель водонасыщения образцов битума с минеральным порошком, который должен находиться в диапазоне от 4 до 5%.
Как говорилось ранее, за исходные образцы были приняты Основной особенностью климата в районе г. Якутска является резкая континентальность, которая проявляется в больших годовых и суточных колебаниях температур и недостаточном количестве выпадающих осадков.
Основные климатические показатели характеризуются следующими параметрами: суровая зима в течение 7 месяцев (октябрь-апрель), среднемесячная температура составляет от -9,1С до -41,4С. Минимальная температуры в январе достигает -63С. Средняя годовая температура самого теплого месяца – июля составляет +16,5С, а максимальная температура - +37С. Среднесуточные колебания температуры в весенний и осенний периоды могут достигать 20-30 градусов, в том числе и с несколькими переходами через 0С за одни сутки. Среднегодовая температура почвы -12С [136].
Среднегодовая скорость ветра составляет 4,6 м/с. Доминирующими в теплое время года являются ветра северо-западного направления, в зимнее время – северное направление.
В районе строительства залегают многолетнемерзлые грунты. Верхняя граница многолетнемерзлых грунтов вскрыта на глубине 2,0 – 3,2 м. По сложности мерзлотно-грунтовых условий район строительства может быть отнесен к сложным [137].
Краткая характеристика автомобильных дорог «Умнас» и «Вилюй» Автомобильная дорога республиканского значения «Умнас» связывает г.Якутск с г.Ленск, обеспечивает перевозки автотранспорта между промышленными и сельскохозяйственными районами вдоль р. Лена и проходит через населенные пункты: г. Покровск, п. Мохсоголлох, г. Олекминск, с. Дабан, с. Чапаево, с. Турукта и т.д. Общая протяженность дороги составляет 1049,04 км, в том числе общая протяженность автозимников равна 493,98 км. Автомобильная дорога «Умнас» проходит вдоль р.Лена и связана с территориальными дорогами, пристанями и речными портами. Кроме этого в зимний период года дорога обеспечивает подъезд к ряду ледовых переправ через р. Лена, обеспечивающих транспортные перевозки с правобережних сенокосных угодий, вывозку леса с делян и завоз грузов к приискам и горнодобывающим предприятиям. В г. Якутске автомобильная дорога «Умнас» через городскую дорожно-уличную сеть имеет связь с дорогами «Вилюй», «Нам», «Колыма», «Лена», а также с основным аэропортом Республики Саха (Якутия) в г. Якутске, аэропортом местных авиалиний в п. Маган речным портом.
Автомобильная дорога «Умнас» проходит через 4 административных единицы: г. Якутск, Хангаласский район, Олекминский район, Ленский район.
Общая протяженность автомобильной дороги составляет 1049,04 км, в том числе по типам покрытия: - с усовершенствованным типом покрытия – 107,81 км. - с переходным типом покрытия–341,87 км; - с низшим типом покрытия–105,38 км; Средняя приведенная интенсивность движения на действующей сети автомобильной дороги «Умнас» составляет 711 ед./сутки. Однако, стоит отметить что значительная часть интенсивности дорожного движения приходится на первые 100 километров автомобильной дороги и составляет 1848,2 ед./сутки.
Трасса автомобильной дороги федерального значения «Вилюй» проходит через населенные пункты: п. Верхнемарково (Иркутская область) – п. Таас-Юрях (Республика Саха (Якутия)) – г. Мирный (Республика Саха (Якутия)) – г. Якутск (Республика Саха (Якутия)). Общая протяженность дороги составляет 2143,72 км, в том числе, автозимник от п. Верхнемарково до п. Таас-Юрях протяженностью 836,155 км.
Автомобильная дорога «Вилюй» на территории Республики Саха (Якутия) имеет протяженность 1535,96 км и проходит через 7 административных единиц: г. Якутск, Горный район, Вилюйский район, Верхневилюйский район, Нюрбинский район, Сунтарский район, Мирнинский район. На территории Иркутской области автомобильная дорога «Вилюй» имеет протяженность 581,55 км и проходит через 3 административных единицы: Катангский район, Киренский район, Усть-Кутский район.
Общая протяженность автомобильной дороги с твердым покрытием составляет 1307,565 км, в том числе по типам покрытия: - с переходным типом покрытия- 1240,716 км; - с усовершенствованным типом покрытия- 66,849 км; Средняя приведенная интенсивность движения на действующей сети автомобильной дороги «Вилюй» на участке км 7+380 - км 1310+585 составляет 845 ед./сутки. Определение модуля упругости дорожной одежды Измерение модуля упругости дорожной одежды выполнено в соответствии с ОДМ 218.2.024-2012 «Оценка прочности нежестких дорожных одежд» при помощи установки динамического нагружения ДИНА-3М.
Установка ДИНА-3М предназначена для определения модуля упругости методом кратковременного динамического нагружения. На легковом прицепе установлено механизированное устройство для подъема груза массой 160 кг на определенную высоту с последующим сбросом его на штамп, опускаемый на поверхность дорожного полотна. В момент приложения динамической нагрузки измеряется упругий прогиб дорожной конструкции в миллиметрах. По величине упругого прогиба конструкции дорожной одежды, модуль упругости определяется с использованием зависимости.
образцы, приготовленные с использованием известнякового минерального порошка. Установлено, что оптимальное соотношение «битум – минеральный порошок» в данной системе достигается при содержании битума равном 11% (рисунок 3.13.).
В образцах асфальтового вяжущего с использованием природного цеолита в качестве минерального порошка для достижения оптимума требуется большее количество битума. Так, например, при 18%-ом содержании битума в образцах асфальтового вяжущего, водонасыщение этих образцов лежит в интервале от 6,51% до 9,66%. В случае использования в качестве минерального порошка природного цеолита, оптимальным выявлено содержание в асфальтовяжущем 19% битума (рисунок 3.14). -6 - 5 N 3 -2 -1 - r 19 Содержание битума, % МП в исходном состоянии Активированный МП
Рисунок 3.15. Водонасыщение образцов АВВ с применением минерального порошка из бурого угля в зависимости от содержания битума Использование в качестве минерального порошка бурых углей дает результат, схожий с предыдущим случаем. Выявлено оптимальное содержание битума в асфальтовом вяжущем, равное 18,5% (рисунок 3.15).
Для образцов асфальтового вяжущего вещества оптимального состава было найдено значение водостойкости (таблица 3.6). Установлено, что минеральные порошки, подвергнутые механоактивации, обладают большим значением водостойкости, чем порошки в диспергированном состоянии. Улучшение данного показателя происходит возможно за счет возникновения большего количества битумных пленок, связанного с увеличением дисперсности минеральных порошков.
Оценка коррозионной устойчивости образцов асфальтобетона с применением минеральных порошков из природного цеолита и бурого угля
Для оценки экономической эффективности от внедрения в качестве минерального порошка природных цеолитов и бурых углей, проводилось сравнение с традиционным минеральным порошком - тонкодисперсным известняком.
Экономическая целесообразность применения минеральных порошков из местного минерального сырья обусловлена высокой стоимостью традиционного минерального порошка, ввиду больших затрат по доставке в Республику Саха (Якутия). Помимо этого, улучшенные физико-механические характеристики асфальтобетонов с применением минеральных порошков из природных цеолитов и бурых углей позволяют прогнозировать увеличенные межремонтные сроки, а, следовательно, снижают затраты на ремонт и содержание автомобильных дорог. Обширна также и сырьевая база для предлагаемых минеральных порошков: запасы природных цеолитов в Кемпендяйском месторождении оцениваются в 3,5 млрд. тонн; добыча бурого угля в промышленных масштабах осуществляется в центральных, восточных и западных районах Якутии – только лишь возле города Якутска находится 6 месторождений бурого угля (3 крупных месторождения, 1 среднее и 2 малых).
Среднегодовая стоимость минерального порошка (в ценах 2015 года) из природного цеолита равна 2500 рублей за тонну, минерального порошка из бурого угля – 2400 рублей за тонну.
Для расчета стоимости дорожной одежды был проанализирован один из вариантов, разработанный для реконструкции автомобильной дороги федерального значения «Вилюй» в Горном районе Республики Саха (Якутия) (рисунок 5.5). Для оценки экономической эффективности приняты три варианта дорожной одежды: I вариант – однослойное покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона марки II типа Б на БНД 90/130 толщиной 0,05 м на однослойном основании из горячего пористого крупнозернистого асфальтобетона марки II на битуме БНД 90/130 толщиной 0,07 м.; на дополнительном слое основания из щебеночно-песчаной смеси С-4 толщиной 0,40 м. II вариант – однослойное покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона марки II типа Б на БНД 90/130 с применением минерального порошка из природного цеолита толщиной 0,05 м на однослойном основании из горячего пористого крупнозернистого асфальтобетона марки II на битуме БНД 90/130 толщиной 0,07 м.; на дополнительном слое основания из щебеночно песчаной смеси С-4 толщиной 0,40 м. III вариант – однослойное покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона марки II типа Б на БНД 90/130 с применением минерального порошка из бурого угля толщиной 0,05 м на однослойном основании из горячего пористого крупнозернистого асфальтобетона марки II на битуме БНД 90/130 толщиной 0,07 м.; на дополнительном слое основания из щебеночно-песчаной смеси С-4 толщиной 0,40 м.
При укладке 1000 м2 асфальтобетонного покрытия по предложенной выше конструкции дорожной одежды экономический эффект от применения природных цеолитов в качестве минеральных порошков может составить 72 950 рублей 82 копейки, т.е. на 3,3% меньше, чем при производстве асфальтобетона с традиционным минеральным порошком. Применение бурых углей в качестве минеральных порошков позволяет снизить стоимость асфальтобетона на 73 982 рубля 45 копеек, т.е. на 3,4% меньше, чем при производстве асфальтобетона с традиционным минеральным порошком.
1. Данные, полученные в ходе мониторинговых исследований покрытий автомобильных дорог с применением минеральных порошков из местного минерального сырья, позволяют сделать заключение о возможности применения таких порошков наряду с традиционно применяемым. Установлено, что рост модуля упругости на опытных участках асфальтобетона в процессе эксплуатации происходит медленнее чем на контрольных участках. На основании этого можно сделать вывод о замедлении процессов старения вяжущего, происходящих в асфальтобетоне с применением минеральных порошков из местного сырья. Показатели ровности и колейности покрытий автомобильных дорог соответствуют требованиям нормативных актов.
2. Экономический эффект от применения в качестве минерального порошка для производства асфальтобетонов порошков из местного минерального сырья составил 3,3% - при использовании природного цеолита и 3,4% - при использовании бурых углей. При укладке 1000 м2 асфальтобетонного покрытия толщиной 5 см использование природных цеолитов в качестве минерального порошка в составе асфальтобетона позволит сэкономить на исходных материалах 72 950 рублей 82 копейки, использование бурых углей – 73 982 рубля 45 копеек.
3. Замена традиционных минеральных порошков на порошки из природного цеолита или бурого угля не приводят к удорожанию строительства автомобильных дорог в климатических условиях Якутии, при этом в перспективе следует ожидать повышения долговечности асфальтобетонных покрытий.