Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор 6
1 1. Применение цементобетонных покрытий на автомобильных дорогах и аэродромах 6
1.2. Битумные вяжущие материалы 12
1.2.1. Состав, структура и основные свойства дорожных битумов 13
1.2.2. Применение битумных вяжущих в дорожном строительстве ... 21
1.3. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве 26
1.3.1. Основные понятия о структуре ПАВ и их свойствах 26
1.3-2. Классификация ПАВ 31
1.3.3. Влияние ПАВ на взаимодействие битумов с минеральными материалами 34
1.4. Факторы, влияющие на долговечность цементобетонных покрытий 38
1.4.1. Физическая коррозия цементного камня 38
1.4.2, Химическая коррозия цементного камня 41
1.5. Применение цементобитумных композитов в дорожном строительстве,,., 51
1.6. Выводы к аналитическому обзору 53
Материалы и методы исследования - 54
2.1.. Характеристика использованных материалов 54
2.2. Физико-химические методы анализа 55
2.3. Исследование строительно-технических свойств материалов 55
2.4. Исследование деформативных характеристик 56
2.5. Исследование коррозионной стойкости ;... 57
2.6. Определение структурных характеристик 51
2.7. Исследование свойств дорожных бетонов 57
2.8. Обработка экспериментальных результатов 58
Исследование влияния модификаторов на гидрофильные и адгезионные свойства битумов 59
3.1, Исследования влияния добавок-моднфнкаторов на гидрофилыюсть битумных пленок > 61
3.2. Исследование влияния добавок-модификаторов на свойства битумных эмульсий 63
3.3- Влияние добавок-модификаторов на адгезию битума к цементному камню б6
3.4. Выводы к главе 3 71
Влияние добавок битума на свойства цементного камня 72
4.1. Разработка и анализ цементобитумных композиционных материалов оптимального состава ,., 72
4.2. Исследование свойств цементобитумных композиционных материалов оптимального состава * 77
4.3. Выводы к главе 4 83
Исследование свойств цементобитумных композиционных материалов с добавками промышленных битумных эмульсий 85
5.1. Влияние промышленных битумных эмульсий на свойства цементного камня 85
5.2. Исследование свойств цементобитумного композиционного материала оптимального состава с добавками промышленных битумных эмульсий,.. 9S
5.3. Исследование коррозионной стойкости цементобитумных композиционных материалов 112
5.4. Выводы к главе 5 115
Исследование свойств дорожных бетонов с добавками модифицированного битума
Опытно-промышленное испытание модифицирован ных дорожных бетонов
- Битумные вяжущие материалы
- Исследование строительно-технических свойств материалов
- Исследование влияния добавок-модификаторов на свойства битумных эмульсий
- Исследование свойств цементобитумных композиционных материалов оптимального состава
Введение к работе
В последние годы резко возрос дефицит органических вяжущих, применяемых в дорожном строительстве, ухудшилось их качество. Одновременно в связи с интенсивностью движения увеличилась нагрузка на дорожное покрытие. В результате срок службы покрытий становится меньше нормативного, ухудшаются их транспортно-эксплуатационные качества, а это приводит к большим дорожно-транспортным расходам.
Наиболее перспективными материалами для использования в дорожном строительстве являются цементные бетоны. Они обладают рядом ценных качеств, а именно высокой прочностью, долговечностью, способностью сопротивляться внешним неблагоприятным факторам окружающей среды. Установлено, что коэффициент сцепления колес автомобилей с цементным бетоном выше, чем с обычным асфальтом,
К сожалению, бетонные покрытия дорог имеют ряд недостатков: малую ударную прочность, высокую хрупкость, не обладают способностью к компенсации возникающих термических напряжений, что делает необходимым нарезку специальных температурных швов в дорожном полотне.
Известно [ 1 ], что указанные недостатки можно уменьшить путем введения в состав цементных бетонов органических добавок, то есть путем создания специальных орга-номинеральных композиционных материалов, включающих в себя положительные свойства традиционных бетонов и отличающихся высокой долговечностью, низкой хрупкостью и по* вышенной ползучестью.
В соответствии с теорией П.А. Ребиндера [ 2 ], высокий модуль упругости цементного камня, приводящий к его низким деформативным свойствам, связан с преобладанием в структуре цементного камня жестких и прочных кристаллизационных контактов, С другой стороны, конденсационные контакты, образующиеся при твердении полимеров и других органических веществ, более подвижны и обеспечивают высокие деформативные характеристики этим материалам. Поэтому следует ожидать, что композиционный материал, в котором часть кристаллизационных контактов замещается конденсационными, будет обладать пониженным модулем упругости и повышенной ползучестью по сравнению с чистым цементным камнем.
Целью данной работы является разработка составов органоминеральных композиционных вяжущих материалов и бетонов на их основе для использования в дорожном и аэродромном строительстве.
5 Научная новизна работы заключается в том, что:
разработаны методы улучшения эксплуатационных характеристик дорожных бетонов путем частичной замены жестко-упругих кристаллизационных контактов между кристаллогидратами цементного камня на вязко-упругие конденсационные контакты, образующиеся в результате присутствия в затвердевшем цеметтте тонких пленок вяжущего вещества полимерной структуры - нефтяного битума;
установлено, что для равномерного распределения битума в затвердевшем цементном камне в виде пленок молекулярной толщины битум должен быть модифицирован органическими соединениями, повышающими его адгезию к кристаллогидратам цементного камня; в качестве таких модификаторов могут быть использованы поверхностно-активные вещества различной природы;
получен новый тип вяжущего - органоминеральный композиционный материал, обладающий в сравнении с обычным цементом пониженным модулем упругости, высокой ударной прочностью и треіциностойкостью; бетоны, произведенные на основе органомине-ралыюго композиционного вяжущего материала, характеризуются высокой прочностью, непроницаемостью и коррозионной стойкостью.
Практическая значимость работы состоит в разработке состава битумсодержащих добавок и способов их введения в органоминеральный композиционный вяжущий материал, исследовании свойств дорожных бетонов на его основе, а также в разработке рекомендаций по использованию полученного материала в качестве оснований и одежд дорог и аэродромов, работающих в сложных эксплуатационных условиях.
Битумные вяжущие материалы
Для повышения деформативпых характеристик дорожного бетона были выбраны битумные вяжущие, так как они являются одними из наиболее распространенных материалов, применяемых в дорожном строительстве.
Битумы - это органические вяжущие вещества коагуляционного твердения, состоящие из высокомолекулярных углеводородов нафтеинового, метанового и ароматических рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных [11].
По виду сырья битумы разделяют на нефтяные, получаемые из нефти и ее смолистых остатков; природные, встречающиеся в чистом виде, извлекаемые из асфальтовых горных пород ( известняков, песчанников, песков и др.); сланцевые - продукт переработки сланцевой смолы, получаемые при сухой перегонке горючих сланцев,
В зависимости от главнейших строительных свойств и консистенции при нормальной температуре битумные вяжущие материалы условно разделяют на твердые, вязкие и жидкие. Твердые битумные вяжущие при температуре 20 - 25С обладают вязко-упругими свойствами. Подвижность и текучесть они приобретают при температуре 180 - 200 С. Вязкие битумы при температуре 20 -25С находятся в вязко-пластичном состоянии с незначительной упругостью. Переход их в текучее, то есть рабочее состояние происходит при нагреве до температуры 120 - 180С. Жидкие битумы при 20 - 25С находятся в жидком малоподвижном состоянии. В интервале температур 20 - 120С они становятся текучими. По мере окисления, полимеризации и испарения легких фракций приобретают свойства вязких, а затем твердых битумов. Помимо нагрева, вязкие и жидкие органические вяжущие переводят в текучее состояние путем эмульгирования.
Каждый вид битумных вяжущих имеет несколько марок, однако вяжущие одной и той же марки не представляют собой одинакового продукта, так как сырье, из которого они вырабатываются, и технология производства на различных заводах разная. Различают битумы нефтяные строительные (ГОСТ 6617-76), кровельные (ГОСТ 9548-74), изоляционные (ГОСТ 9812-74), дорожные вязкие (ГОСТ 22245-76) и дорожные жидкие (ГОСТ 11955-74) [12].
Дорожное покрытие из бетона на органических вяжущих имеет ряд преимуществ перед другими покрытиями. Оно износостойкое, прочное и стойкое против воздействия различных климатических условий, не пылит и легко очищается от пыли и грязи, хорошо поглощает вибрацию и шум при движении автотранспорта.
Битумные вяжущие материалы термопластичны, хорошо растворяются в органических растворителях (бензине, керосине, бензоле, толуоле и др.), водонепроницаемы, стойкие против действия атмосферных явлений, имеют хорошие изоляционные свойства, малую плотность, низкий коэффициент теплопроводности, повышенную теплоемкость, К недостаткам, ограничивающим область их применения, относятся хрупкость при отрицательных температурах, пониженная теплостойкость, горючесть [ 13 ],
Битумные вяжущие представляют собой дисперсные системы, свойства которых в основном обусловливаются природой сырья и технологией получения. Состав их характеризуется содержанием элементов (С, Н, S» О, N) и наличием функциональных групп (ОН-, -СН-СН-, СОО-, -СООН), Отношение С/Н позволяет оценить химическую структуру- Так, нафтеновые углеводороды имеют более высокие значения отношения С/Н, чем парафиновые, а ароматические - выше, чем нафтеповые,
Элементарный состав битумов ( % по массе ): углерода 80 - 85; водорода 8 - 12,5; кислорода 0,2 - 4; серы 0,5 - 7; азота 0,2 - 0,5 и незначительное количество некоторых металлов (V, Ni» Со, Fe, U) в виде сложных комплексов. Элементарный состав битума не дает полного представление о его физических свойствах. Поэтому в настоящее время принято разделять битум на отдельные группы образующих его соединений. Различная растворимость компонентов битума в органических растворителях дала возможность получить сведения о его углеводородном составе и свойствах веществ, входящих в эти группы. Из битумов обычно выделяют следующие группы углеводородов: масла, смолы ( кислые и нейтральные ), асфальтены, реже асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, карбены и карбоиды, парафины.
Примерный состав битума (масс. %): масла 60 - 80, смолы 20 - 40, асфальтены 10 - 25, карбены и карбоиды 1 - 3, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - 1, парафин 0,6 -5.
Масла — вещества желтого цвета плотностью ниже 1000 кг/м3, состоят из смеси парафиновых, нафтеновых, ароматических и полициклических углеводородов с молекулярной массой 300 - 500. Масла выделяют из битума легким бензином и придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения-Смолы - легкоплавкие вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета плот ностью около 1000 кг/м3. Смолы состоят из более сложных, чем масла, углеводородов с молекулярной массой 600 - 800. По химическому составу они в основном относятся к гетероциклическим ароматическим высокомолекулярным соединениям [ 14 ]. Большую часть смол составляют химически нейтральные вещества, меньшую вещества кислого характера, содержащие группы СООН, ОН, В смолах сконцентрирована основная масса сернистых, кислородных, а в большинстве случаев и азотистых соединений ( до 2% ). Эти соединения в большей части полярные, поверхностно-активные, хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водоустойчивые пленки. Смолы преимущественно состоят из конденсированных ароматических соединений с алифатическими боковыми цепями, более развитыми, чем у масел. Смолы плохо растворяются в этиловом спирте и ацетоне, хорошо растворяются в этиловом эфире, бензине, бензоле, хлороформе, образуя истинные, а не коллоидные растворы. Содержанием смол обуславливается растяжимость и эластичность битумов.
Асфальтены - твердые неплавкие вещества плотностью немного больше 1000 кг/м , состоят из смеси насыщенных гетероциклических соединений, содержащих наряду с углеродом и водородом кислород или серу. Они весьма близки по элементарному составу и строению к смолам, но отличаются от них более высокой (в 2 - 3 раза) молекулярной массой. Химический состав асфальтепов, в следствии его сложности, изучен недостаточно. Асфальтены растворимы в бензоле и являются важной составной частью вяжущих, они влияют на процессы структурообразования в битуме, содержание асфальтенов определяет температурную устойчивость, вязкость и твердость ( хрупкость) битумов.
Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко, преимущественно в крегинг-битумах, в количестве 1 - 2%. Увеличение их содержания повышает вязкость и хрупкость битума. По составу и свойствам карбены похожи на асфальтены, по они нерастворимы в бензоле.
Асфальтеновые кислоты и их ангидриды - вещества коричнево-серого цвета, обладают густой маслянистой или смолистой консистенцией. Плотность их выше 1000 кг/м3, они хорошо растворяются в спирте, хлороформе и плохо в бензине. Асфальтеновые и карбоно-вые кислоты и их ангидриды наиболее полярные компоненты вяжущих, а следовательно, и наиболее активные. Их содержание определяет интенсивность прилипания к основным карбонатным породам.
Парафин относится к твердым метановым углеводородам. Его содержание в битумах зависит от исходного сырья. При содержании парафина более 4% ухудшаются свойства битумов: ослабевает сцепление с поверхностью каменных материалов, уменьшается растя жимость, увеличивается хрупкость при отрицательных температурах. Парафины снижают дискретность асфальтенов и их растворимость в других компонентах битума, что связано с нарушением структуры битума [ 15 ],
Свойства исходного сырья и технологий получения сказываются не только на количественном содержании отдельных компонентов, но и на качественных характеристиках различных углеводородов, смол и асфальтенов. Химический состав битума зависит и от природы нефти. При близком исходном сырье и одинаковой технологии получения химический состав битумов, приготовленных на нефти разных месторождений, различен.
Строение битумов изучали многие отечественные и зарубежные ученые [ 16, 17, 18, 19, 20 ]. Битумы рассматриваются, как мицеллярные коллоидные растворы, как цепочечно-сетчатые дисперсные структуры, или как истинные растворы высокомолекулярных асфальтенов. В настоящее время большинство исследователей придерживаются коллоидной теории структуры битума, согласно которой в битуме различают три компонента: лиофобную часть (асфальтены), окруженную лиофильными защитными телами ( смолами), которые вместе образуют мицеллы, суспендированные в маслах. Стабильность системы зависит от поверхностного взаимодействия между мицеллами и масляной средой. Коллоидная теория основывается на том, что растворы битумов в бензоле дают эффект Тиндаля, а суспендированные частички обладают заметным броуновским движением.
Исследование строительно-технических свойств материалов
Определение нормальной густоты и сроков схватывания цементного теста осуществлялось по стандартной методике [ 120 ] на малом приборе Вика» Основные параметры прибора: диаметр пестика 4,8 мм; диаметр иглы - 1 мм; масса подвижной части - 135 г; высота конуса - 12 мм; нижний диаметр конуса т 30 мм; верхний диаметр конуса - 25,5 мм.
В некоторых исследованиях определение вышеуказанных характеристик проводилось на стандартном приборе Вика в соответствии с ГОСТ 310.3-76,
Определение прочности при изгибе и сжатии образцов- балочек размером 1x1x3 см осуществлялось по стандартной методике [ 120 ] с помощью испытательной машины Р 05 и гидравлического пресса П-10. Испытания проводились при скорости нагружения 0,3 В некоторых исследованиях: определение предела прочности при изгибе и сжатии проводилось на образцах-балочках размером 4 х 4 х 16 см в соответствии с ГОСТ 310,4-81. Определение ударной прочности материалов проводилось на образцах-балочках размером 1x1x3 см с помощью маятникого копра типа ХР-05 [ 121 ]. Диапазон измерений: 0 -1,0-4 11/м. Расстояние между опорами - 22 мм.
Определение модуля упругости материалов динамическим методом проводилось па образцах-балочках размером 1x1x3 см согласно методике, приведенной в [ 122 ]. Расчет модуля упругости осуществлялся по формуле: Е= 0,9653 10"6-(l/h)m/b-f2J где Е - модуль упругости, МПа; [ - длина образца, мм; Ь - ширина образца, мм; h - высота образца, мм; m - масса образца, г; f — частота, Гц. Определение деформации ползучести материалов проводилось на образцах-балочках размером 4 х 4 х 16 см по специально разработанной методике с помощью установки, представленной парисЛ. 1 — штатив; 2 - образец-балочка; 3 - опоры; 4 - часовой микрометр; 5-груз Рис, 5. Установка для определения деформации ползучести материалов Расстояние между опорами 11 см. Масса груза - 2Э8 кг. Цена деления микрометра -0,001 мм.
Исследование коррозионной стойкости материалов проводилось в образцах-балочках размером 4x4x16 см, изготовленных из раствора с соотношением цемент : песок равным 1 : 3 (В/Ц = 0,41), согласно методике, представленной в [ 120 ]_ В качестве коррозионно-активной среды использовались 3%-ный раствор MgS04 и 5%-ный раствор Na SO Коэффициент коррозионной стойкости материалов определялся как отношение прочности при изгибе образцов, твердевших в растворе сульфатов, к прочности образцов, твердевших в воде.
Определение пористости материалов проводилось на образцах-балочках размером 1x1x3 см согласно методике, изложенной в [ 120 ]. В качестве насыщающей жидкости использовался гептан.
Определение капиллярного водопоглощения материалов проводилось на образцах-балочках размером 1x1x3 см, предварительно высушенных при температуре 90С до постоянной массы. Образцы вертикально помещались в емкость с небольшим количеством воды так, чтобы глубина погружения образца в воду не превышала 1 мм. Измерение массы образца осуществлялось на технических весах с точностью 0,005 г через каждые 10 мин в течении 2,5 часов. Обработка результатов осуществлялась на ЭВМ по специально разработанной программе.
Исследование свойств дорожных бетонов, полученных на основе цементобитумных композиционных материалов, на соответствие требованиям ГОСТ 26633-91, СНиП 32-03-96 "Аэродромы", СНиП 2.05.02-85 "Автомобильные дороги" выполнялись в соответствии со стандартами: - подбор состава дорожного бетона - ГОСТ 27006-86; - определение свойств бетонных смесей - ГОСТ 10181-2000; -определение предела прочности бетонов при изгибе и сжатии-ГОСТ 10180-90; - определение модуля упругости - ГОСТ 24452-80; - определение морозостойкости - ГОСТ [0060.0-95, ГОСТ 10060,2-95; - определение водонепроницаемости - ГОСТ 12730-5-84; - определение усадочных деформаций - ГОСТ 24544-81.
Для обработки экспериментальных результатов на ПЭВМ использовались стандартные программы Excel с пакетом анализа данных. Для построения графиков применялись программы Excel и GRAPHER,
Важнейшим свойством композиционного материала является однородность получаемой структуры с образованием прочных связей между её отдельными компонентами [123], При обработке влажных минеральных материалов битумом можно наблюдать, что гидрофобный органический материал не смачивает поверхности частиц, не обволакивает их при перемешивали, а лишь распределяется между ними в виде отдельных сгустков-шариков [ 123, 124 ]. Естественно, что при таких условиях не происходит адсорбции битума па поверхности минеральных частиц, а следовательно, нет и его прилипания, чему может мешать слой воды на частицах. Это явление приводит к резкому снижению прочности битумсодер-жащих бетонов. Причиной недостаточного прилипания битума является отсутствие надлежащего ионного или молекулярного взаимодействия между битумом и минеральным материалом [ 8 ]. Поэтому основным направлением исследований на начальном этапе работы был поиск добавок-модификаторов, предотвращающих агрегирование частиц битума, а также улучшающих адгезию данного компонента к гидратированному цементному камню.
Одним из путей повышения адгезии, основанном па повышении гидрофобности поверхности цементного камня, является введение в состав материала поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других органических добавок [ 55, 56,125]»
Молекулы ПАВ обладая высокой поверхностной активностью, обеспечивают плотное межфазное взаимодействие между контактирующими материалами различной природы ( в нашем случае - цементом и битумом ), адсорбируясь на их поверхности в виде тонкой, но в тоже время достаточно прочной пленки. Под действием межмолекулярных сил, образующихся в структуре пленки ПАВ, и происходит сцепление (адгезия) частиц битума с гидрати-рованным цементным камнем [ 47 ].
ПАВ обычно применяются в технике и в качестве эмульгаторов, при отсутствии которых в эмульсиях наблюдается явление коалесценции - слияние капель диспергированной жидкости. ПАВ, обладая поверхностной акгивностью, адсорбируются на поверхности капель "раздробленной" жидкости- Концентрация их в адсорбционном слое довольно велика, и поэтому образуется структурированная оболочка (пленка), обладающая определенной вязкостью, прочностью, упругостью. При соударении частиц она, как правило, не разрушается и не выдавливается и поэтому эмульсия приобретает высокую устойчивость [ 46,47 ].
Исследование влияния добавок-модификаторов на свойства битумных эмульсий
Битумные эмульсии нашли широкое применение в современном дорожном строительстве- Одними из наиболее распространенных видов работ с использованием битумных эмульсий являются подгрунтовка (нанесение эмульсии путем распыления в виде тонкого слоя, обеспечивающего надежное сцепление укладываемой асфальтобетонной смеси с нижним слоем) и поверхностная обработка эмульсией асфальтобетонных и цементобетоиных покрытий для обеспечения необходимого сцепления колес автомобиля с поверхностью покрытия, а также для увеличения сроков службы покрытий.
Битумные эмульсии обладают благоприятными защитно-изоляционными свойствами и могут придавать различным материалам большую водонепроницаемость. Эмульсии легко наносятся на различные поверхности, проникая за счет невысокой вязкости в поры материалов, хорошо смешиваются с минеральными материалами и связывают их частицы. При нанесении на поверхность битумные эмульсии хорошо разливаются и дают ровную, блестящую, эластичную и быстро высыхающую пленку.
В соответствии с ГОСТ Р 52128-2003 к дорожным битумным эмульсиям предъявляются следующие требования: - массовая доля битума с эмульгатором в эмульсиях должна быть 45-55 %; - условная вязкость эмульсии при 20С должна быть не более 35 с; - эмульсии должны быть однородными по размеру частиц битума; массовая доля частиц битума крупнее 0,14 мм не должна быть более 0,5 %; - эмульсии должны быть устойчивыми при хранении: массовая доля частиц битума крупнее 0,14 мм через 30 суток не должна быть для анионных эмульсий более 1,2 %, для ка-тионных эмульсий - более 0,8 %; - эмульсии должны быть устойчивыми при транспортировании, rt е- не должно происходить разделения эмульсии на битум и воду; - в качестве эмульгаторов для анионных эмульсий применяют ПАВ типа органических кислот или их солей (мыл), а для катионных эмульсий — ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов и четвертичных аммониевых солей.
Применяемый тип эмульгатора должен обеспечивать необходимые, определяемые технологией использования, характеристики эмульсии и, в первую очередь, скорость распада и адгезию к конкретным минеральным материалам [41,130 ],
В данной работе использовались 50%-ные водно-битумные дорожные эмульсии двух видов, выпускаемые заводом ОАО "АСДОР" в соответствии с ГОСТ 18659-81: с катионак-тивным (ЭБК) и анионактивным (ЭБА) эмульгатором.
При производстве данных битумных эмульсий использовался нефтяной дорожный битум марки БНД 90/330 по своим свойствам соответствующий ГОСТ 22245-76. Концентрация битума в катионнои эмульсии составила 50 -55 %, а в анионной - 45 -50 %. В качестве катионного эмульгатора применялась смесь первичных, вторичных и третичных аминов в количестве 0,6 масс, % (катамин Б). В качестве анионного эмульгатора - лигиосульфонат технический в количестве 0,3 масс. %. При производстве катионнои битумной эмульсии раствор подкисляли соляной кислотой в количестве 1 масс. % по ГОСТ 857-78 с целью увеличения степени диссоциация эмульгатора.
На основании полученных ранее результатов (см. главу 4) в качестве модификатора битума использовалась добавка триэганоламина, вводимая в состав ЦБКМ в количестве 0,25 % от массы цемента. Так как введение битумных эмульсий приводит к некоторому увеличению нормальной густоты цементного раствора, то для снижения водопотребности дополнительно вводился суперпластификатор С-3 в количестве 035 и 1 % от массы цемента, В качестве образца сравнения использовался бездобавочный цемент. Твердение образцов осуществлялось как в нормальных условиях, так и в условиях тешювлажностной обработки (ТВО), проводимой по режиму 2+2+7+3 при температуре изотермической выдержки 85 С, Составы образцов цементобитумных композиционных материалов и результаты их исследований представлены в таблицах 10-13»
Как видно из полученных данных, введение в состав композитов, твердевших в нормальных условиях» модифицированных битумных эмульсий (как ЭБА так и ЭБК) в количестве 2 и б % от массы цемента приводит к увеличению водопотребности цементного теста, к снижению прочностных характеристик во все сроки твердения, а также к уменьшению ударной прочности материалов (таблицы 10-11). Это можно объяснить отсутствием надлежащей связи (адгезии) между модифицированным битумом и цементным камнем.
Введение триэтаноламина, а также суперпластификатора С—3 в состав цементоби-тумпых композитов способствует уменьшению нормальной густоты цементных растворов, увеличению прочности образцов как при изгибе тале и при сжатии, повышению ударной прочности, что свидетельствует о повышении плотности материала за счет лучшей адсорбции модифицированного битума на поверхности минеральных частиц.
В результате исследований установлено, что наилучшими свойствами по сравнению с бездобавочным цементом обладает ЦБКМ, содержащий 2 масс. % ЭБА, 0,25 масс. % триэта-ноламина и 0,5 масс. % суперпластификатора С-3. Например, в возрасте 28 суток прочность при изгибе достигает: для бездобавочного образца 12,9 МПа, для ЦБКМ 14,2 МПа; прочность при сжатии — 53,8 и 60,7 МПа; ударная прочность —2,7 10 и 3,8 10 Дж/м соответственно.
При исследовании свойств ЦБКМ, подвергнутых тепловлажностной обработке, наблюдается эта же тенденция (таблицы 12-13).
Таким образом, оптимальный состав полученного цементобитумного композиционного материала с добавками промышленных эмульсий аналогичен полученному ранее и соответствует 1 % битума, 0,25 % триэтаноламина и 0,5 % суперпластификатора С-3 от массы цемента.
На следующем этапе работы проводились исследования фазового состава и микроструктуры гидратированного цементного камня, модифицированного добавками битума, триэтаноламина и суперпластификатора С-3 при помощи ренттенофазового (РФА), дифференциально-термического (ДТА) и элсктронномикроскопических методов анализа. Составы исследуемых образцов представлены в таблице 14. Часть исследуемых образцов твердела длительное время (28 суток) в нормальных условиях, а другая часть подвергалась тепловлажностной обработке на 3 сутки твердения. Расшифрованные данные РФА образцов, твердевших при нормальных условиях, представлены в виде штрих-рентгенограмм на рис.15, а образцов, подвергнутых ТВО, на рис.1 б.
Исследование свойств цементобитумных композиционных материалов оптимального состава
Бетонное покрытие автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов в процессе эксплуатации подвергается воздействию изгибающих нагрузок. В связи с этим оно должно обладать повышенной прочностью при изгибе и ударе, высокой деформатишюй способностью ("мягко" воспринимать внешние нагрузки и внутренние напряжения, возникающие под действием изменений температуры или усадочных явлений без возникновения в бетоне напряжений, которые могут вызвать его разрушение). Такое покрытие должно иметь высокую плотность и морозостойкость, обладать малой усадкой и истираемостью.
При получении бетона использовался цемент для дорожных и аэродромных покрытий, соответствующий по ГОСТ 10178-85 марке 500 (ПЦ 500-ДО-Н). Основные строительно-технические хараюеристики цемента представлены в таблице 16.
В качестве крупного заполнителя для получения дорожного бетона использовался гранитный щебень с максимальным размером куска 20 мм, объемной массой 1,37-1,38 кг/л и пустотностью 38 %. В качестве мелкого заполнителя применялся природный песок с модулем крупности М к = 2,4, Качество заполнителей удовлетворяет требованиям ГОСТ 8736-93, ГОСТ 8267-93 ИГОСТ26633-91.
Для регулирования строительно-технических свойств бетонных смесей и затвердевшего бетона использовалась комплексная добавка, включающая суперпластификатор С-3 (ТУ 6-36-0204229-625) и воздухововлекающую добавку СНВ (смола нейтрализованная воз-духововлекающая ТУ 13-0281078-90).
Битум, используемый с целью повышения деформативных характеристик дорожного бетона, вводился в состав бетона в виде 50 % - ной водно-битумной эмульсии с анионоак 118 тианым эмульгатором (ЭБА), вьтпускаемой заводом ОЛО "ЛСДОР" в соответствии с ГОСТ 18659-8U Для улучшения гидрофилшости битума, а также для повышения его адгезии к гидратированному цементному камню в состав битумной эмульсии вводилась добавка три-этаноламина (ТЭА).
Оптимальные дозировки добавок установлены экспериментальным путем. Вода для приготовления бетонных смесей соответствовала ГОСТ 27792-79. Были осуществлены расчет и подбор составов бетонов класса прочности на сжатие В 30 (марка 400). Состав бетона гюдбирался в соответствии с ГОСТ 27006-86, определение свойств бетонных смесей проводилось по стандартным методикам (ГОСТ 10181-2000).
Составы бетонных смесей представлены в таблице 17, а их основные характеристики и свойства полученных бетонов представлены в таблице 18.
Бетонные смеси отличаются удовлетворительной пластифицируемостью, хорошей удобоукпадываемостью, водоотделения не наблюдается. При рекомендуемой минимальной дозировке суперпластификатора С-3 0,6 масс, % редуцирующий эффект по воде равен 25-35%.
В соответствии с требованиями технологии бетонирования монолитных дорожных покрытий осадка конуса бетонных смесей была выбрана 2-4 смэ что соотпетствует марке по удобоукладьгоаемости П1. Осадка конуса бетонной смеси с добавкой анионной битумной эмульсии после 1 часа выдержки снижается до 2 см, тогда как у контрольной - до 3 см.
В соответствии с ГОСТ 26633-91 содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси должно находится в пределах 5-7 %. Установлено, что бетонная смесь с добавкой тризтано-ламина обладает большим воздухововлечением (7,0 %) после 30 минут хранения, чем кон 119 трольный состав (6,1 %), что, вероятно, является следствием использования данной добавки. Как видно из полученных данных, бетоны по прочности полностью удовлетворяют заданным требованиям. Кинетика нарастания прочности бетонов достаточно хорошая. Установлено, что прочность дорожного бетона с добавкой анионной битумной эмульсии, как при сжатии так и при изгибе несколько превышает прочность бездобавочного бетона на всех сроках твердения, что свидетельствует о более равномерном формировании структуры бетона и отсутствии в ней внутренних напряжений. Например, прочность при сжатии в возрасте 3 суток для бетона с добавкой анионной битумной эмульсии составляет 54 %ч а для контрольного бетона - 49%от 28-суточной.
Исследование деформативных характеристик, а именно определение модуля упругости полученных дорожных бетонов проводился в соответствии с ГОСТ 24452-80. Модуль упругости бетона с добавкой модифицированных битумных эмульсий, определенный при 30 и 50 % - ной нагрузке от разрушающей, в среднем на 20 % меньше, чем у контрольного образца. Это может свидетельствовать о повышенной деформативпости и более высокой тре-щиностойкости модифицированного бетона.
Морозостойкость дорожного бетона с добавками модифицированных битумных эмульсий превышает 300 циклов попеременного замораживания - оттаивания и не уступает морозостойкости контрольного бетона, определенной по второму базовому методу в соответствии с ГОСТ 10060.2-95.
Исследование водонепроницаемости полученных бетонов проводилось с использованием установки АГАМА-3 по прилагаемой к ней методике (ГОСТ 12730.5-84). Установлено, что водонепроницаемость бетона с использованием цементно-битумного композиционного вяжущего увеличивается с класса W 8 до класса W 18, Высокая непроницаемость битумсодержащего бетона приводит к снижению скорости проникновения коррозионно-активных растворов в тело бетона, что, как было показано в главе 5.3,, вызывает заметный рост его коррозионной стойкости по отношению к различным видам агрессивных сред.
Для формирования структуры цементного камня в бетоне, его прочности и долговечности большое значение имеет усадка.
При сооружении дорожных и аэродромных покрытий, имеющих высокое отношение поверхности к объему, главной причиной появления усадки является быстрое испарение воды с поверхности свежеуложенного бегона. В этом случае усадки можно избежать только при своевременном и качественном уходе за бетоном.
