Дисперсно-армированные бетоны на битумно-цементном вяжущем для строительных и ремонтных работ
На правах рукописи
Строев Дмитрий Александрович ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ НА БИТУМНО-ЦЕМЕНТНОМ ВЯЖУЩЕМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И РЕМОНТНЫХ РАБОТ Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ростов-на-Дону 2013
Работа выполнена на кафедре «Автомобильные дороги» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Илиополов Сергей Константинович
Официальные оппоненты: Невский Владимир Александрович доктор технических наук, профессор, Ростовский государственный строительный университет, проф. каф.
ТВВБиСК Борисенко Юрий Григорьевич кандидат технических наук, доцент, Северо-кавказский федеральный университет, доц. каф. Строительства
Ведущая организация: ОАО Дорожный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «ГИПРОДОРНИИ» (Северо-Кавказский филиал)
Защита состоится «23» мая 2013г. в 10 ч. 00 мин. в ауд. 232 на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022 г. Ростов-на-Дону, ул.
Социалистическая,162, т/ф 8(863) 201-91-65, E-mail:[email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»
Автореферат разослан « 22 » апреля 2013 г.
Учный секретарь диссертационного совета Налимова А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Недостаток качественных строительных материалов устойчивых к воздействию климатических факторов и сдвиговых нагрузок, возникающих при движении технологического транспорта на территориях различных промышленных объектов, приводит к повышению финансовых расходов на ремонт и поддержание эксплуатационного состояния существующих покрытий. Наиболее распространнные материалы, используемые при устройстве полов промышленных цехов и складов, покрытия территорий промышленных предприятий, аэропортов и автостоянок являются цементо- и асфальтобетоны.
Цементобетон имеет ряд недостатков, таких как: низкая ударная прочность, высокая хрупкость, низкая устойчивость к возникающим термическим напряжениям. Асфальтобетоны обладают низкой устойчивостью к развитию пластических деформаций от транспортных нагрузок, и воздействию климатических факторов. Уменьшить влияние указанных недостатков возможно за счт разработки композиционного материала обладающего высокими прочностными и деформативными качествами, на основе битумно цементного вяжущего, сочетающего прочные кристаллизационные связи, образующиеся в процессе гидратации цемента, с пластичными конденсационными контактами битума. Основываясь на мировом опыте, внедрение битумных эмульсий является наиболее экологичным и энергетически выгодным направлением использования вязких битумов.
Как показывают многочисленные исследования, одним из наиболее эффективных методов повышения сопротивления покрытий автомобильных дорог развитию различного рода разрушений и деформаций, является использование дисперсно-армированных строительных материалов. В настоящее время использование волокон в составе различных строительных материалов стало промышленной технологией во многих странах: Франции, Германии, Швеции, Финляндии, Польше, Канаде, Австрии и др.
В этой связи разработка устойчивых к сдвиговым и климатическим воздействиям дисперсно-армированных строительных материалов на основе битумных эмульсий, предназначенных для строительных и ремонтных работ, является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: разработка дисперсно-армированных бетонов на битумно-цементном вяжущем, с повышенной устойчивостью к сдвиговым и климатическим воздействиям, предназначенных для строительных и ремонтных работ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- теоретически обосновать возможность получения битумных эмульсий различных классов с использованием в качестве эмульгатора аминного реагента Эмульзол-4;
- установить влияние неионогенного стабилизатора Оксипав-А.30 на технологические свойства битумных эмульсий;
- оптимизировать состав битумно-цементного вяжущего исходя из условия обеспечения устойчивости бетонов, на его основе, к сдвиговым и климатическим воздействиям;
экспериментально исследовать процессы структурообразования бетонов, приготовленных с применением битумно-цементного вяжущего, армированного тонкодисперсным базальтовым волокном;
- выявить механизм воздействия тонкодисперсной базальтового волокна на процессы формирования структуры и свойства разрабатываемых бетонов;
- осуществить опытно-производственное внедрение разработанного материала.
Объект исследования – дисперсно-армированные бетоны на битумно цементном вяжущем.
Предмет исследования – устойчивость дисперсно-армированных бетонов сдвиговым и климатическим воздействиям.
Научная новизна:
выполнены теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие снижение поверхностного натяжения водной фазы и образования битумно-эмульсионной системы с применением реагента катионного типа - Эмульзол-4;
установлено положительное влияние неионогенного ПАВ - модификатора Оксипав-А.30 на технологические свойства катионных битумных эмульсий и бетонов на их основе;
- выявлен механизм воздействия тонкодисперсного базальтового волокна на процессы структурообразования и физико-механические свойства бетонов приготовленных на битумно-цементном вяжущем;
- установлено положительное влияние структуры битумно-цементного вяжущего на устойчивость бетонов в условиях сдвиговых и климатических воздействий.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке бетонов с повышенной устойчивостью к разрушениям в процессе эксплуатации;
- анализ экспериментальных исследований по выявлению оптимального компонентного состава дисперсно-армированного битумно-цементного вяжущего, оптимизированного по критериям сдвигоустойчивости, трещино- и водостойкости бетонов на его основе;
- результаты экспериментальных исследований по выявлению влияния катионного реагента Эмульзол-4 и неионогенного ПАВ-модификатора Оксипав-А.30 на свойства катионных битумных эмульсий полученных с их использованием.
Практическая значимость:
- доказана возможность получения катионных битумных эмульсий различных классов на основе аминного реагента Эмульзол-4;
- предложены способы модификации битумных эмульсий и бетонов на битумно-цементном вяжущем новым неионогенным ПАВ-модификатором Оксипав-А.30, который позволяет улучшить дисперсность и устойчивость эмульсий, а так же повысить водостойкость бетонов;
- разработаны составы дисперсно-армированных бетонов на битумно цементном вяжущем, обладающие повышенной устойчивостью к сдвиговым и климатическим воздействиям;
- разработан эффективный способ утилизации базальтового волокна (отхода производства базальтовых изделий) Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Строительство 2005 – 2012 гг.) и других международных конференциях: МНТК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды» (Пермь, 2005, 2010 гг.), ВНПК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006 г.), МНПК «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» (Харьков, 2006 г.) Публикации. Содержание диссертации изложено в 26 научных публикациях, включая 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и 3 патентах.
Объём и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка из133 наименований. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста и включает 24 рисунка и 43 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации работы.
В первой главе проведен анализ проблем битумного производства на нефтеперерабатывающих заводах нашей страны. Выявлен ряд причин, в силу которых поставляемые нефтепродукты зачастую не отвечают требованиям современного рынка дорожно-строительных материалов. Отмечено, что одним из эффективных способов подготовки битума к работе является его эмульгирование, позволяющее варьировать качественными показателями продукта в процессе производства и исключающее высокотемпературные процессы на стадиях приготовления битумоминеральных смесей.
Рассмотрена необходимость в разработке и использовании износостойких материалов, ориентированных на современные ресурсосберегающие технологии строительства и ремонта. Однако сдерживающими факторами для применения эмульсионных технологий в России являются отсутствие эффективных отечественных эмульгаторов и высокая стоимость импортных.
Поэтому поиск, разработка и исследование новых отечественных поверхностно-активных веществ, предназначенных для эмульгирования битумов, остаются актуальными задачами.
Анализ процессов структурообразования строительных материалов на основе битумно-цементного вяжущего позволяет сделать заключение о положительном воздействии минерального и органического связующих на формирование структуры композита и придания ему высоких прочностных и деформативных качеств. Процесс поглощения воды, входящей в состав эмульсионной системы, обеспечивает зрнам цемента пребывание в условиях оптимальной влажности, необходимых для протекания процессов твердения цементной матрицы. В этом случае обеспечиваются благоприятные условия для максимального проявления вяжущих свойств, как битума, так и цемента.
Вместе с тем наличие влаги в составе смеси снижает трение минеральных частиц, способствуя достижению максимального уплотнения.
Результаты опытного использования комплексноукреплнных материалов свидетельствуют о ряде преимуществ данного материала перед традиционным горячим асфальтобетоном.
Во второй главе отмечено, что попытки разработки материала, сочетающего высокую деформативность асфальтобетона, а так же прочность и жсткость цементобетона, в нашей стране принимаются с начала 50-х годов прошлого века. Исследованиями по разработке и изучению свойств материалов на основе композиционного вяжущего, в России и за рубежом, в разное время занимались такие учные как: И.А. Рыбьев, Н.В. Горелышев, В.А. Веренько, А.М. Богуславский, В.М. Гоглидзе, P.Vogel, Z. Zelinski, C. Cloosen, и др.
Для получения смесей на основе эмульгированных битумов используют битумные эмульсии II и III классов, которые характеризуются более длительным периодом распада при взаимодействии с минеральными материалами и обеспечивают равномерное распределение битумной плнки по их поверхности. Действующий ГОСТ Р 52128-2003 «Эмульсии битумные дорожные. Технические условия» предъявляет требования к показателю пенетрации остаточного вяжущего не менее 90*0,1 мм, что подразумевает использование для производства битумных эмульсий указанных классов дорожные битумы марок БНД 90/130;
130/200 и выше. Вязкость органических вяжущих во многом определяет характер их взаимодействия с минеральной составляющей смеси. Применение битумов с высоким показателем глубины проникания иглы пенетрометра позволит улучшить процесс эмульгирования битума. Однако прочностные характеристики, термо- и сдвигоустойчивость эмульсионно-минеральных смесей на основе таких связующих, как правило характеризуются низкими значениями. Поэтому необходимость повышения вязкости битумной матрицы и обеспечение термостойкости материала при повышенных температурах определяет актуальность поиска рациональных решений этой проблемы.
Стремление повысить эксплуатационные характеристики строительных конструкций, увеличить их надежность, продлить срок службы, способствовало созданию дисперсно-армированных материалов, обладающих улучшенными свойствами, по сравнению с традиционными. Дисперсное армирование подразумевает введение в состав смеси дискретных волокон различной природы. Основываясь на ранее проведнных исследованиях, установлено, что дисперсно-армированные материалы отличаются повышенной свигоустойчивостью, усталостной прочностью, а также прочностью на разрыв при низких температурах.
Следует предположить, что при введении в состав разрабатываемого материала дисперсных волокон, последним придтся контактировать с двумя связующими материалами, которыми представлено битумно-цементное вяжущее. Наряду с углеводородной средой, фрагменты волокон будут присутствовать и в структуре цементной матрицы.
Работы в области проектирования составов, исследования свойств дисперсно-армированных бетонов и конструкций с их применением принадлежат таким учным как: В.В. Бабков, Ю.М.Баженов, И.В.Волков, Ю.В.
Зайцев, Л.Г. Курбатов, И.А. Лобанов, Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, Б.Г.
Скрамтаев, С.С. Каприелов, Л.В. Моргун, В.П. Харчевников, К.В., Михайлов, В.И. Соломатов, С.Ф. Ястржембский и др.
Анализ существующих волокон, используемых при дисперсном армировании различных строительных материалов, позволяет определить целесообразность использования при дисперсном армировании композиционных органоминеральных смесей базальтовые волокна, как наиболее доступные, экологически безопасные и устойчивые к воздействию щелочной среды цементной матрицы.
В третьей главе описаны применяемые материалы, методика исследований, показаны результаты экспериментальных исследований и статистическое моделирование свойств битумных эмульсий и бетонов на их основе.
Для приготовления битумоминеральных смесей в работе использовался гранитный щебень фракций 5-10, 5-15мм, песок из отсевов дробления, активированный минеральный порошок МП-1, портландцемент марки М500, рубленное тонкодисперсное базальтовое волокно, отход производства базальтовых матов, битумная эмульсия ЭБК-III, приготовленная на битуме БНД 90/130. Для получения битумной эмульсии использовались: катионный реагент типа Эмульзол-4, неионогенный стабилизатор Оксипав-А.30, соляная кислота (К=23%) и вода.
Для определения возможности получения битумных эмульсий, на основе предложенного в работе эмульгатора Эмульзол-4, проведены исследования его влияния на изменение поверхностного натяжения дисперсионной среды битумных эмульсий. С помощью сталагмометрического метода было установлено, что наиболее значительное снижение данного показателя (45%) наблюдается уже при концентрации эмульгатора 0,2 %.
На следующем этапе исследований определялось процентное содержание предложенного реагента необходимое для образования устойчивой эмульсионной системы. В работе использовался битум БНД 90/130, его содержание в эмульсии составляло 60%. Для проведения сравнительного анализа качественных показателей разрабатываемых битумных эмульсий было изготовлено 10 образцов с шаговым изменением концентрации Эмульзол-4, составляющим 0,1%. Установлено, что содержание указанного реагента в количестве 0,5 % позволяет получать битумную эмульсию класса ЭБК-II.
Однако, дальнейшее увеличение концентрации эмульгатора не позволило получить медленнораспадающуюся эмульсионную систему.
С целью получения медленнораспадающейся битумной эмульсии в качестве замедлителя скорости распада в работе предложено использовать новый неионогенный реагент Оксипав-А.30, который является 30%-ым водным раствором окисей алкилдиметиламинов. Использование данного реагента в количестве 0,3 % позволило продлить срок распада эмульсии в соответствие с требованиями, предъявляемыми к классу ЭБК-III.
Для изучения влияния предложенного неионогенного ПАВ модификатора Оксипав-А.30 на дисперсность и устойчивость во времени битумных эмульсий в данной работе предложен метод, основанный на применении лазерного анализатора частиц «Микросайзер - 201».
Исследования показали, что около 90% частиц дисперсной фазы эмульсии, содержащей указанный реагент, на начальной стадии хранения имеют размеры от 2 до 45 мкм. В отличие от модифицированной эмульсии, диаметр 90% битумных частиц контрольной эмульсии изменялся в диапазоне от 2 до 63 мкм. Это свидетельствует о том, что данный модификатор усиливает эмульгирующее действие катионного эмульгатора, уменьшая межфазное поверхностное натяжение битумной эмульсии, что в значительной степени облегчает процесс диспергирования битума в водной фазе. По истечении суток были проведены повторные испытания данных образцов, которые свидетельствовали о значительном укрупнении глобул дисперсной фазы исходной эмульсии, размеры которых достигали 151 мкм. При этом порядка 90% всех частиц контрольной эмульсии имели диаметр 2-94,5 мкм, что говорит об активном протекании процесса коалесценции, т.е. агрегации мелких битумных капель в более крупные. В случае использования стабилизатора Оксипав-А.30 объединение битумных частиц протекало менее интенсивно, так как около 90% весовой доли частиц соответствовало диаметру 63,1 мкм, а их максимальный размер не превышал 114 мкм.
Проведнные исследования позволяют утверждать, что применение неионогенного модификатора Оксипав-А.30 позволит не только улучшить дисперсность битумных эмульсий, но и заметно повысить их устойчивость к расслоению в процессе хранения..
Армирующий агент, в силу достаточно высокой удельной поверхности, наряду с минеральным порошком будет активно участвовать в образовании адсорбционных слов в структуре исследуемого материала. В этой связи, было изучено влияние концентрации базальтового волокна на микроструктуру асфальтового вяжущего. В качестве органического вяжущего были использованы битум БНД 90/130 (Б) и остаточное вяжущее (ОВ), выделенное из эмульсии, приготовленной на его основе.
20 30 40 50 60 70 80 90 а) иглы,при 25 0С,0,1мм Глубина проникания Глубина проникания иглы,при 0 0С,0,1мм 82 77 61 55 33 32 30 29 28 25 23 20 21 19 17 12 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Содержание базальтового волокна, % Б при 25С Б+МП при 25С ОВ при 25С ОВ+МП при 25С Б при 0 С Б+МП при 0С б) - 67 68 - 20 30 40 50 56 размягчения, 0С хрупкости,0С Температура - Температура 48 52 - 45 - -14 - 43 -14, - -15 -15 -15 - -15, - - -16 -16 -16 -16 - -16, - - -17 -17 - -17,5 -17, - - 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Содержание базальтового волокна, % Б Траз Б+МП Траз ОВ Траз ОВ+МП Траз Б Тхр Б+МП Тхр ОВ Тхр ОВ+МП Тхр Рис.1. Влияние базальтового волокна на свойства асфальтового вяжущего:
а) пенетрацию при 0 и 250С, б) температуры хрупкости и размягчения Траз- температура размягчения;
Тхр- температура хрупкости;
Б - битум;
ОВ-остаточное вяжущее;
МП- минеральный порошок.
Введение базальтовых волокон в асфальтовяжущее способствует снижению показателей пенетрации при 0 и 25 С, снижению показателя растяжимости. Выявлено незначительное повышение температуры хрупкости, (при этом более интенсивное изменение данного показателя проявляется с увеличением концентрации модификатора свыше 0,5%), при этом увеличение температуры размягчения достигало 30% (рис.1).
Изучалось влияниее добавки на динамическую вязкость приготовленных образцов асфальтового вяжущего. Введение уже 0,2 % от массы минерального материала базальтовой фибры способствовало повышению динамической вязкости материалов при 60 0С на 60-70 %. С увеличением концентрации модификатора до 1 % динамическая вязкость битума и остаточного вяжущего увеличилась в 5,5 - 6 раз. Показатели асфальтового вяжущего на основе вышеуказанных материалов характеризовались увеличением данного показателя в 6 - 6,5 раз (рис.2).
Динамическая вязкость, Па*с 6000 1165, 2000 ОВ 0 Б 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ОВ+МП Содержание базальтового волокна, % Б+МП Рис.2. Влияние базальтового волокна на динамическую вязкость Необходимость обеспечения деформативных качеств покрытия, а также сохранения технологических свойств материала определяет допустимую концентрацию армирующего агента в составе смеси.
С целью изучения процессов взаимодействия компонентов асфальтового вяжущего и установления их влияния на структурообразование разработанного материала, в настоящей работе с помощью инфракрасной спектроскопии были исследованы минеральные заполнители и органическое связующее по отдельности и в композиции. Наибольший интерес представляло изучение взаимодействия остаточного вяжущего с дисперсно-армирующим агентом базальтовым волокном.
При введении минерального волокна были выявлены изменения кривой инфракрасного спектра асфальтового вяжущего. К полосам поглощения битума см-1, и СаСО3 добавляются полосы поглощения 1214 возможно соответствующие колебаниям С-О-С группы, и сильная полоса поглощения в области 757 см-1, предположительно принадлежащая колебаниям связи С-Н в СН2, причм с появлением этой полосы интенсивность пиков, принадлежащих битуму и СаСО3 значительно уменьшается, а полоса 720 см-1 исчезает, что говорит об отсутствии предельных углеводородов, а именно цепочки (-СН2-)n, участвующей в химической реакции между компонентами системы.
С целью оптимизации физико-механических свойств бетонов в работе выполнен более широкий спектр испытаний, направленных на обеспечение максимальной устойчивости разрабатываемого материала в условиях эксплуатации. Гранулометрический состав минеральной части смесей подбирался в соответствии с требованиями ГОСТ-30491-97, для покрытий.
Помимо стандартных характеристик образцы приготавливаемых смесей дополнительно испытывались на сдвигоустойчивость и трещиностойкость при расколе по методикам, описанным в ГОСТ 12801-98. При определении стандартных физико-механических показателей образцов из полученных органоминеральных смесей (ОМС) было установлено, что необходимое количество органического связующего (% от массы минеральных материалов) находится в интервале 4-5%, что соответствует 7-9% эмульгированного битума.
Количество воды, необходимое для увлажнения минеральной части, определялось по однородности распределения эмульгированного битума при перемешивании смеси.
6, Прочность при 200С, Водонасыщение, % а) б) 2, 5, МПа 2, 4, 2, 3, 0 0,25 0,5 0,75 0 0,25 0,5 0,75 Содержание волокна, % Содержание волокна, % 7% БЭ 8%БЭ 9% БЭ 7% БЭ 8%БЭ 9% БЭ Прочность при 500 С, в) г) 0, 1,75 Водостойкость МПа 0, 1, 1,25 0, 1 0, 0 0,25 0,5 0,75 1 0 0,25 0,5 0,75 Содержание волокна, % Содержание волокна, % 7% БЭ 8%БЭ 9% БЭ 7% БЭ 8%БЭ 9% БЭ д) е) 0,95 2, Предел прочности при 0, водостойкость 2, Длительная расколе, МПа 0, 2, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0 0,25 0,5 0,75 0 0,25 0,5 0,75 Содержание волокна, % Содержание волокна, % 7% БЭ 8%БЭ 9% БЭ 7% БЭ 8%БЭ 9% БЭ Рис.3. Изменение физико-механических показателей ОМС в зависимости от содержания битумной эмульсии (БЭ) и базальтовых волокон а) водонасыщение, б) предел прочности при 20 0С, в) предел прочности при 500С,г) водостойкость, д) водостойкость при длительном водонасыщении, е) предел прочности при расколе.
0, а) б) 0, внутреннего трения Сцепление при сдвиге, 0, Тангенс угла 0, 0, 0, МПа 0, 0, 0, 0, 0,79 0, 0 0,25 0,5 0,75 1 0 0,25 0,5 0,75 Содержание волокна, % Содержание волокна, % 7% БЭ 8% БЭ 9% БЭ 7% БЭ 8% БЭ 9% БЭ Рис.4. Изменение показателей сдвигоустойчивости бетонов в зависимости от содержания битумной эмульсии (БЭ) и базальтовых волокон а) тангенс угла внутреннего трения, б) сцепление.
Концентрация портландцемента определялась по совокупной оценке оптимальных показателей физико-механических свойств. Наиболее значительные показатели сдвигоустойчивости и термостабильности при повышенных температурах материал достигал с концентрацией портландцемента – 3%. Однако показатели трещиностойкости при расколе образцов полученных из данных смесей характеризовались минимальными значениями. Оптимальным принято содержание: портландцемент – 2%, вода затворения - 2%. Бетоны подобранных составов (вода-2%, портландцемент- 2%, битумная эмульсия-7,8,9 %) армировались добавками базальтовых волокон в количестве 0,25;
0,5;
075;
1%. Минеральное волокно вводилось при сухом перемешивании каменного материала в лопастной мешалке. Введение добавки в количестве 0,25-0,5% позволило значительно повысить показатели водостойкости, термоустойчивости материала, несколько улучшить деформативность при пониженных температурах (рис.3), а так же значительно улучшить показатели сдвигоустойчивости материала (рис.4).
С целью изучения влияния предложенного армирующего компонента на устойчивость к термоокислительному старению композиционного материала и традиционного горячего асфальтобетона, были исследованы три серии образцов смесей. Снижение прочностных показателей традиционного асфальтобетона наступает на рубеже 10 часов пребывания в условиях заданной температуры. В то время как у бетонов на битумно-цементном вяжущем порог снижения прочности отмечен в зоне 30-35 часов. Очевидно, это связано с отсутствием высокотемпературного воздействия при приготовлении бетонов, а также с высокой устойчивостью кристаллизационных связей композиционной структуры к разрушающему действию повышенных температур.
Прочность при 20 0С, МПа 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Продолжительность старения, ч тип Б на БНД 90/130 ОМС ОМС+БВ Рис.5. Исследования устойчивости битумоминеральных смесей к термоокислительному старению Влияние волокнистого компонента на процесс старения материала не оказалось существенным, заметно плавное снижение прочности дисперсно армированного материала по сравнению с контрольным образцом (рис.5).
С целью моделирования условий нагружения бетона в покрытии проводились испытания исследуемого материала в сравнении с традиционным асфальтобетоном типа «Б» на приборе динамического нагружения штампом.
Модификация рассмотренных типов строительных материалов добавками минерального волокна позволяет в 1,2 - 1,5 раза снизить интенсивность накопления остаточных деформаций в структуре материала (рис. 6). Установлено, что величина остаточных деформаций под воздействием динамической нагрузки у традиционного асфальтобетона в 5 раз больше чем у бетона на битумно-цементном вяжущем. Коагуляционно-кристаллизационная структура комплексного вяжущего обладает значительной устойчивостью к развитию пластических деформаций.
3, 2, Деформация, мм 1, 0, 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Количество приложений нагрузки ОМС ОМС+БВ тип Б+БВ тип Б Рис.6. Развитие пластических деформаций в битумоминеральных смесях Частые переходы среднесуточной температуры через 0 0С способствуют возникновению растягивающих напряжений в слоях покрытий.
С целью изучения устойчивости разработанного материала к циклическому воздействию пониженных температур проводились испытания по определению морозостойкости контрольных образцов бетонов и дисперсно армированных добавкой базальтового волокна (рис.7).
70 Потеря прочности при 50 50 40 200С,% 30 20 12 10 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Количество циклов замораживания-оттаивания ОМС ОМС+ БВ Рис. 7. Изменение потери прочности при сжатии при 20 0С в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания Анализ полученных результатов позволяет установить, что дисперсно армированный материал более устойчив к температурному воздействию в зимний период времени. Снижение прочностных характеристик дисперсно армированного бетона после 50 циклов замораживания и оттаивания на 14% меньше этого показателя у контрольного образца. Структура кластеров, сформированная в асфальтовяжущем базальтовыми волокнами, способствует увеличению сопротивления воздействию растягивающих напряжений.
Исследования усталостной долговечности композиционного материала проводились на экспериментальном стенде ИУ-01, разработанном в ДорТрансНИИ-РГСУ. Для этого стандартные образцы-призмы размером 4*4*16 см подвергались циклической изгибающей нагрузке с частотой 20 Гц при температуре 20 0С. С введением в состав смеси дисперсных волокон базальта увеличивается число упругих связей способных сопротивляться воздействию циклической нагрузки. Количество циклов нагружения образцов из смеси, армированной базальтовым волокном, в 1,3 раза больше показателей контрольного образца.
В четвёртой главе описана технологическая последовательность приготовления и устройства покрытий из бетонов. Битумная эмульсия на основе эмульгатора Эмульзол-4 и стабилизатора Оксипав-А.30, была использована в технологии струйно-инъекционного ремонта покрытий автомобильных дорог в г. Ростове-на-Дону. Предложенные бетоны использовались при ремонте покрытия проезжей части на пер. Крепостном и пер. Журавлева в 2009 году, для устройства покрытия тротуара на ул.
Левобережной, а так же устройства покрытия на ул. 2-ая Луговая. Отмечены высокие эксплуатационные показатели бетонов при устройстве ремонтных карт, а также слоя покрытия автомобильной дороги в городских условиях ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения бетонов с повышенной устойчивостью к сдвиговым и климатическим воздействиям за счт использования битумно-цементного вяжущего дисперсно-армированного добавкой базальтового волокна.
2. Экспериментально подтверждена возможность получения битумных эмульсий различных классов на основе реагента аминного типа Эмульзол-4, с модификацией дисперсионной среды неионогенным стабилизатором Оксипав А.30.
3. С помощью лазерной микроскопии выявлено положительное влияние предложенного неионогенного стабилизатора Оксипав-А.30 на основные технологические свойства битумных эмульсий.
4. Выявлен механизм влияния тонкодисперсного базальтового волокна на процессы структурообразования и свойства разработанных бетонов.
Формирование системы кластеров, в структуре битумно-цементного вяжущего, повышает вязкость битума и увеличивает число упругих связей в структуре бетона повышающих его устойчивость к воздействию температурных напряжений и транспортных нагрузок.
5. Установлено, что синергизм действия компонентов битумно-цементного вяжущего, способствующий повышению сопротивления материала температурным и сдвиговым воздействиям, наблюдается при концентрации в составе смеси: битумной эмульсии – 8-9%, портландцемента -2% и базальтового волокна 0,25-0,5% от массы минерального материала.
6. Установлено, что полученные бетоны обладают высокой устойчивостью к термоокислительному старению по сравнению с традиционным асфальтобетоном, а введение дисперсно-армирующего агента – базальтового волокна способствует повышению морозостойкости на 14%, усталостной долговечности в 1,3 раза и позволяет в 1,2 - 1,5 раза снизить интенсивность накопления остаточных деформаций.
7. Выполнено производственное внедрение разработанных битумных эмульсий и дисперсно-армированных бетонов. Расчтный экономический эффект за 1 тонну материала в ценах 2013г. от применения разработанных битумных эмульсий составляет – 3720 руб., дисперсно-армированных бетонов – 33 руб.
Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ 1. Строев Д.А., Гаркавенко С.Я. Зависимость деформативных свойств асфальтогранулобетонов от вида применяемых вяжущих и скоростей нагружения // Известия высших учебных заведений «Строительство». – Новосибирск, 2009. № 8(608) – С. 72-77.
2. Строев Д.А., Мардиросова И.В. Влияние неионогенного пав модификатора Оксипав-А.30 на дисперсность и устойчивость при хранении катионных битумных эмульсий // Известия ОрлГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». – Орл: ГТУ, 2010. – №4 (30). – С. 67-73.
3. Строев Д.А. Снижение интенсивности развития пластических деформаций с помощью дисперсного армирования дорожно-строительных материалов добавками минерального волокна /Д.А. Строев, Н.Х. Чан, С.В Горелов // «Вестник ТГАСУ». - Томск, 2011. – № 1(30).- С. 192 - 199.
4. Строев Д.А.Изучение влияния базальтовой фибры на свойства асфальтового вяжущего органоминеральных смесей/Д.А.Строев, Д.В. Задорожний, С.В.Горелов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» - М. 2012.- № 4(13) – режим доступа: www.naukovedenie.ru.
Публикации в других изданиях 5.Строев Д.А., Илиополов С.К., Заднепровская И.А. Замедление процессов старения битумов модифицированием КАДЭМ-ВТ // «Строительство – 2005»:
Материалы Междунар. науч.–практ. конф.. – Ростов-н/Д: РГСУ, 2005. – С. 12–13.
6. Строев Д. А. Оценка пригодности КАДЭМ-ВТ в качестве адгезива при длительном воздействии повышенных температур /И.А. Заднепровская, Д. А.
Строев, Д.С. Черных // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды – Пермь: ПГТУ, 2005. – С. 74 77.
7. Строев Д. А. Исследование влияния водорастворимых полимеров на скорость распада битумных эмульсий / С. В. Горелов, Д. А. Строев // «Строительство-2006» : междунар. науч.-практ. конф.. – Ростов н/Д : РГСУ, 2006.
– С. 9-10.
Строев Д. А. Исследование влияния водорастворимых ПАВ 8.
модификаторов на скорость распада битумных эмульсий / С. В. Горелов, Д. А.
Строев // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений. – Омск: СибАДИ, 2006. – Кн. 3. – С. 173-175.
9. Строев Д. А. Исследование взаимосвязи диэлектрической проницаемости битумного вяжущего с его физико-механическими свойствами / С. В. Горелов, Ю.
И. Гольцов, Д. А. Строев // Вестн. ХНАДУ: сб. науч. тр. - Харьков, 2006. – Вып.
34/35. – С. 127 - 129.
10. Строев Д. А. Изучение влияния ПАВ-эмульгаторов на адгезионные свойства битумных вяжущих с помощью диэлькометрии / С. В. Горелов, Ю. И.
Гольцов, Д. А. Строев // Соврем. технологии и материалы в дорожном хоз-ве :
междунар. науч.-техн. конф.. – Харьков : ХНАДУ, 2006. – С. 83.
11. Строев Д.А. Фотоколометрический метод определения показателя дисперсности битумных эмульсий в зависимости от содержания ПАВ модификатора АЛКАПАВ-1618.30/ С. В. Горелов, С.К. Илиополов, Д. А. Строев // «Строительство – 2007»: Материалы Междунар. науч.–практ. конф. – Ростов-н/Д:
РГСУ, 2007. – С. 3-5.
Строев Д.А. Исследование влияния водорастворимого латекса 12.
«BUTONAL* NS198» на структуру ЭМС // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. - 2007. – № 11 – С.327.
13. Строев Д.А. Исследования воздействия ПАВ различной природы на структурные свойства вяжущего методом ЭПР/ С.В. Горелов, С.К. Илиополов, Д.А. Строев // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. - 2007. – № 11 – С. 133-138.
14. Строев Д.А. Трещиностойкость асфальтогранулобетона укрепленного различными вяжущими / С.К. Илиополов, Д.А. Строев, Д.Д. Булатов // «Строительство – 2008»: Материалы Междунар. науч.–практ. конф.. – Ростов-н/Д:
РГСУ, 2008. – С. 8–9.
15. Строев Д.А. Изучение влияния скорости нагружения образцов асфальтогранулобетона на изменение предела прочности на растяжение при изгибе // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. - 2008. – № 12 – С. 376–377.
16. Строев Д.А. Модифицированная эмульсионно-минеральная смесь для дорожных покрытий / Д.А. Строев, И.В. Мардиросова // «Строительство – 2009»:
Материалы Междунар. науч.–практ. конф.. – Ростов-н/Д: РГСУ, 2009. – С. 8.
17. Строев Д.А. Складируемая органоминеральная композиция для ремонта дорожных покрытий в условиях воздействия низких температур/ Д.А. Строев, М.В. Максименко, Н.И. Ширяев // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. - 2010. – № 14 – С.
312–313.
18. Строев Д.А. Повышение сдвигоустойчивости эмульсионно-минеральных смесей / Д.А. Строев, М.В. Максименко, А.А. Бедусенко // «Строительство – 2010»: Материалы Междунар. науч.–практ. конф.. – Ростов-н/Д: РГСУ, 2010. – С.
9–10.
19. Строев Д.А. Изучение устойчивости битумных эмульсий с помощью лазерного анализатора частиц / С.К. Илиополов, Д.А. Строев // «Инновация в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды»:
Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне, г. Пермь, 28-29 октября 2010 г.
– Пермь: ПГТУ, 2010. – С. 220-225.
20 Строев Д.А. Изучение температурного расширения дорожно строительных материалов / Д.А. Строев, М.В. Максименко// Изв. Рост. гос. строит.
ун-та. - 2011. – № 15 – С. 372–373.
21. Строев Д.А. Изучение свойств асфальтового вяжущего дисперсно армированного добавками минерального волокна / Д.А. Строев, М.В. Максименко // «Строительство – 2011»: Материалы Междунар. науч.–практ. конф.. – Ростов н/Д: РГСУ - 2011. – С. 36–37.
22. Строев Д.А. Дисперсное армирование органоминеральных смесей некондиционными минеральными волокнами / Д.А. Строев, М.В. Максименко// «Строительство – 2012»: Материалы Междунар. науч.–практ. конф.. – Ростов-н/Д:
РГСУ, 2012. - С. 36–37.
23. Строев Д.А. Изучение влияния компонентного состава композиционного вяжущего на свойства органоминеральных смесей для дорожного строительства / Д.А. Строев, М.В. Максименко // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. – 2012. - № 11 – С.
326–327.
Патенты 24. Патент № 2303575 РФ, МПК СО4В 26/26 (2006.01). Вяжущее для дорожного строительства/ С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, Д.А. Строев и др. – Заявка № 2005129190/03 от 19.09.2005, опубл. 27.07.2007, Бюл. № 25. Патент № 2340641 РФ, МПК СO8L 95/00. Битумная композиция для ремонта влажного асфальтобетонного покрытия / С.К. Илиополов, И.В.
Мардиросова, Д.А. Строев и др. – Заявка № 2007126029/04 от 09.07.2007, опубл.
10.12.2008, Бюл. № 26. Патент № 2447035 РФ, МПК СО4В 26/26 (2006.01) ;
СО8L 95/ (2006.01);
СО4В111/20 (2006.01) Плотная органоминеральная смесь/ С.К.
Илиополов, И.В. Мардиросова, Д.А. Строев и др. – Заявка № 2010143025/03 от 20.10.2010, опубл. 10.04.2012.
_ Подписано в печать 22.04.13.
Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф.
Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 163/13.
_ Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022,г. Ростов - на - Дону, ул. Социалистическая,