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: Илиополов Сергей Константинович доктор технических наук, профессор
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 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «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 силовых 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 распространнными материалами, используемыми 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 в себе прочные кристаллизационные связи, образующиеся в процессе гидратации цемента, с пластичными конденсационными контактами битума. На основании мирового опыта, 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 и экспериментально подтвердить 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, дисперсно-армированного базальтовым волокном;
- выявить механизм воздействия тонкого 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 также 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, в том числе на иностранных языках, приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста и включает в себя 23 рисунка и 66 таблиц.
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 также 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, Ю.В. Пухаренко, 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 базальтовых волокон, как наиболее доступных, экологически безопасных и устойчивых 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 тонкое базальтовое волокно отход (d=5±1мкм, L=3-7мм), производства базальтовых изделий, 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%-ным водным раствором окисей алкилдиметиламинов. Использование данного реагента в количестве 0,3 % позволило продлить срок распада эмульсии в соответствии 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 (рис.1). 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%.
Изучалось влияние 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 (рис.3) 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 1 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 1,5 0, 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, а также 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 (рис.5). Очевидно, это связано с отсутствием высокотемпературного воздействия при приготовлении бетонов, а также с высокой устойчивостью кристаллизационных связей композиционной структуры к разрушающему действию повышенных температур. Влияние волокнистого компонента на процесс старения материала не оказалось существенным, заметно плавное снижение прочности дисперсно армированного материала по сравнению с контрольным образцом.
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 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 также устройства покрытия на ул. 2-я 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/ от 20.10.2010, опубл. 10.04.2012.
_ Подписано в печать 22.04.13.
Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф.
Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 163/13.
_ Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022,г. Ростов - на - Дону, ул. Социалистическая,