Регулирование структуры и свойств асфальтобетона, содержащего материалы кислых горных пород Уральского региона, введением добавки полимера

При современных темпах строительства автомобильных дорог большое значение приобретает развитие производства эффективных строительных материалов.

На территории Уральского региона, в частности в Пермской области, имеются значительные запасы гравийных материалов, включая песчано-гравийные смеси (ПГС). Однако, несмотря на то, что вопросу их использования в практике дорожного строительства посвящены работы многих исследователей, эти материалы до сих пор не допускаются к широкому применению в асфальтобетоне.

Одной из основных причин, по которой ограничено применение гравийных и песчаных материалов Уральского региона в верхних слоях асфальтобетонных покрытий, является недостаточная коррозионная устойчивость асфальтобетона. Это проявляется в том, что при эксплуатации покрытия под воздействием природных факторов (воды и мороза) и автомобильных нагрузок зерна гравия обнажаются, выкрашиваются и на покрытии образуются значительные коррозионные области.

К недостаткам гравийных материалов относится и то, что во многих случаях они отличаются большой разнородностью по прочности и петрографическому составу, минеральные частицы имеют гладкую, хорошо окатанную поверхность. Асфальтобетон на основе гравийных и песчаных материалов имеет недостаточную сдвигоустойчивость при высоких температурах — покрытия подвержены колееобразованию. Повысить сдвигоустойчивость возможно путем снижения количества вяжущего в асфальтобетонной смеси, однако в этом случае снижается трещиностойкость покрытий при отрицательных температурах. Таким образом, асфальтобетон на основе кислых гравийных и песчаных материалов имеет показатели физико5 механических свойств, не соответствующие требованиям, и не обладает необходимым сопротивлением к колееобразованию, трещинообразованию и выкрашиванию.

В силу вышеуказанных причин камский гравий и ПГС для устройства верхних слоев асфальтобетонных покрытий не применяется, хотя камскую ПГС и другие гравийные и песчаные материалы кислых пород Уральского региона можно считать наиболее перспективным материалом для массового применения в дорожном строительстве.

Поэтому возникает проблема поиска эффективных способов улучшения структуры и свойств асфальтобетонных смесей с целью более широкого использования песчано-гравийных материалов в практике дорожного строительства, в частности, для устройства верхних слоев асфальтобетонных покрытий.

Считается, что недостаточная коррозионная устойчивость связана с плохим сцеплением битума с поверхностью зерен минерального материала, так как минеральные частицы относятся по минералогическому составу к кислым породам, и, кроме того, имеют гладкую, плотную, окатанную поверхность [1]. Поэтому все имеющиеся способы улучшения свойств гравийного асфальтобетона направлены на улучшение сцепления битума с поверхностью кислых материалов. Это следующие способы.

1.Дробление гравия и дробление гравия с одновременной активацией свежеобразованных поверхностей поверхностно-активными веществами (ПАВ);

2.Использование для улучшения сцепления битума с кислыми минеральными материалами катионактивных ПАВ, среди которых наиболее эффективной является добавка БП-3.

3.Активация поверхности кислых частиц неорганическими веществами (известью, цементом, растворами хлористого кальция, солей железа и т. д.).

Все эти способы имеют различную степень эффективности, определенные 6 преимущества и недостатки. Однако само по себе хорошее сцепление битума с каменными материалами, определяемое методом кипячения, еще не является достаточной гарантией обеспечения коррозионной устойчивости асфальтобетона. Кроме того, многие добавки, используемые для улучшения сцепления битума с минеральными материалами, могут приводить к ухудшению показателей свойств асфальтобетона.

Например, поверхностно-активное вещество БП-3 позволяет значительно улучшить сцепление вяжущего с поверхностью кислых материалов, что подтверждается испытанием по методу кипячения. Но избыток ПАВ приводит к снижению коэффициентов водои морозостойкости асфальтобетона, к падению прочности образцов при 50 °C, а также к росту водонасыщения и набухания [2]. Именно эти показатели, в том числе коэффициенты водостойкости и морозостойкости, могут служить для косвенной оценки коррозионной устойчивости, так как отражают реальные условия работы асфальтобетона [1]. Для количественной характеристики прочности адгезионного контакта вяжущего с минеральным заполнителем необходимо использовать величину усилия разъединения контактирующих поверхностей.

Отметим, что одним из способов, улучшающих свойства асфальтобетона, является использование в асфальтобетонных смесях вместо битума полимернобитумного вяжущего (ПБВ) на основе вязкого битума и полимера класса термоэластопластов марки ДСТ-30. Полимер ДСТ-30 вводится непосредственно в вязкий битум и при температуре 170−180°С растворяется до однородного состояния. Полимер создает в битуме дополнительный каркас (сетку) из крупных молекул, изменяя структуру вяжущего, его свойства, а также процессы взаимодействия вяжущего с каменным материалом. ПБВ обладает высокой теплостойкостью, эластичностью, устойчивостью к старению, высокой растяжимостью при 0 °C, а асфальтобетон на его основе обладает повышенной сдвигоустойчивостью, водои морозостойкостью. Однако исследования по подбору составов и изучению свойств асфальтобетонных смесей (АБС) на основе гравийных и песчаных материалов кислых горных пород Уральского региона с использованием полимернобитумных вяжущих не проводились, поэтому данная работа является актуальной.

Цель работы — разработка методики подбора оптимальных составов асфальтобетонных смесей, отвечающих требованиям коррозионной и сдвиговой устойчивости, на основе гравийно-песчаных материалов кислых горных пород Уральского региона и полимернобитумных вяжущих.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1.Оценить физико-механические свойства гравийных и песчаных материалов, подобрать зерновые составы.

2.Исследовать физико-механические и физико-химические свойства полимернобитумных вяжущих при различном содержании полимера в битуме, определить эффективные пределы изменения количества полимера в ПБВ.

3.Исследовать влияние добавки полимера на прочность сцепления битума с минеральным материалом и на адгезионную прочность битумоминерального материала.

4. Установить влияние добавки полимера на показатели физико-механических свойств асфальтобетона, содержащего гравийные и песчаные материалы кислых горных пород.

5.Разработать методику подбора оптимальных составов асфальтобетонных смесей, используя методы планирования эксперимента и многокритериальной оптимизации.

Во введении кратко обоснована актуальность работы, указано на необходимость исследования свойств камских песчано-гравийных смесей, используемых для приготовления асфальтобетона, а также свойств битумов, полимернобитумных вяжущих и их характеристик. Сделан вывод о необходимости исследования влияния полимерных добавок на водои 8 морозоустойчивость, а также на сдвигоустойчивость асфальтобетонов, полученных на основе камских песчано-гравийных смесей. Сформулирована цель исследования и вытекающие из нее задачи.

Первая глава посвящена изложению теоретических основ взаимодействия битума с каменными материалами.

В первом разделе этой главы рассмотрены основные характеристики материалов, составляющих асфальтобетонные смеси, и их влияние на прочность и теплоустойчивость асфальтобетона. Во втором разделе рассмотрены особенности структуры и свойства асфальтобетона, приготовленного с использованием кислых и ультракислых каменных материалов, а также способы улучшения этих свойств. В третьем разделе первой главы определена роль полимерных добавок в регулировании свойств органических вяжущих и асфальтобетона. В конце главы сделан вывод о необходимости исследования свойств гравийных и песчаных материалов кислых горных пород Уральского региона, битумов и полимернобитумных вяжущих, применяемых для производства асфальтобетонных смесей.

Во второй главе исследованы основные характеристики материалов, составляющих асфальтобетонные смеси. Рассмотрены составы и свойства камских гравийных и песчаных материалов, характеристики минеральных порошков и битумов. В последнем разделе второй главы исследованы составы ПБВ при различном содержании полимера в битуме, установлены эффективные пределы изменения количества ДСТ в ПБВ, изучены физико-механические свойства, включая сцепление и адгезионную прочность, полимернобитумных вяжущих. Сделаны выводы о материалах, предлагаемых к использованию: исходные материалы (гравий и песок, минеральные порошки, битум) по показателям физико-механических свойств соответствуют требованиям ГОСТ и могут быть использованы для приготовления асфальтобетонных смесей. Полимернобитумное вяжущее имеет неудовлетворительное сцепление, 9 определяемое методом кипячения, с мелкими фракциями песка, как и чистый битум. Однако адгезионная прочность и морозоустойчивость битумоминерального материала на основе песчано-гравийных материалов и полимернобитумного вяжущего в два раза выше, чем на основе чистого битума. Поэтому полимернобитумное вяжущее может быть использовано в гравийных асфальтобетонных смесях с целью повышения коррозионной устойчивости асфальтобетона.

В третьей главе выполнено исследование физико-механических свойств асфальтобетонов, приготовленных на основе камских гравийно-песчаных материаловвыполнен сравнительный анализ показателей физико-механических свойств асфальтобетонных смесей на основе битума и полимернобитумного вяжущего. Изучено влияние добавки полимера на показатели физико-механических свойств асфальтобетона. Сделаны выводы о повышении прочности, морозоустойчивости, температуроустойчивости асфальтобетонных смесей на основе ПБВ.

Четвертая глава посвящена вопросу об оптимизации составов асфальтобетонных смесей (АБС) с использованием полимернобитумных вяжущих. В первом разделе выполнено планирование эксперимента по изучению влияния двух факторов — количества вяжущего в АБС и количества полимера в вяжущем — на основные характеристики его физико-механических свойств (водои морозоустойчивость, а также прочность). На основе полученных в третьей главе опытных данных составлены ортогональные планы первого порядка и разработаны соответствующие математические модели для двух типичных составов асфальтобетонных смесей. Для каждой из исследуемых характеристик найдены наилучшие из возможных значений. Эти значения использованы для составления целевой функции, которая позволяет оптимизировать все рассматриваемые характеристики в совокупности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— исследовано влияние добавки полимера в битум на прочность сцепления вяжущего с минеральными материалами кислых горных пород (камским речным песком);

— доказано, что добавка полимера не влияет на показатель сцепления (величину поверхности, покрытой битумом), если сцепление оценивается методом кипячения;

— исследовано влияние добавки полимера в битум на морозоустойчивость и адгезионную прочность битумоминерального материала, содержащего гравийные и песчаные материалы кислых горных породдля оценки адгезионной прочности битумоминерального материала впервые использован метод, основанный на определении усилия отрыва одного слоя материала от другого;

— показано, что использование полимернобитумного вяжущего приводит к повышению морозостойкости и адгезионной прочности битумоминерального материала;

— установлены закономерности влияния полимернобитумного вяжущего на структуру, прочностные и деформационные свойства асфальтобетона, содержащего минеральные материалы кислых горных пород Уральского региона;

— разработана методика подбора оптимальных составов асфальтобетонных смесей, отвечающих требованиям сдвигоустойчивости, морозостойкости и коррозионной устойчивости.

Практическая значимость работы. Внедрение результатов исследований в условиях Уральского региона сократит дефицит дорожно-строительных материалов, позволит расширить область применения кислых каменных материалов в дорожном строительстве, повысит транспортно-эксплуатационные характеристики конструкций дорожной одежды.

II.

Разработанная методика подбора асфальтобетонных смесей, содержащих гравийные и песчаные материалы кислых горных пород, была использована при реконструкции дорожного покрытия на автомобильной дороге третьей технической категории Оса-Чернушка в октябре 1995 г. Контрольные обследования участка были выполнены в мае 1996 г. и в ноябре 1999 г. Результаты обследования положительны: коэффициент уплотнения составил 0,99 — 1,0- трещин и деформаций сдвига на покрытии нет, выкрашивания гравийных и песчаных частиц с поверхности покрытия нет.

Реализация результатов работы. Разработанная автором методика подбора оптимальных составов асфальтобетонных смесей на основе местных кислых каменных материалов и полимернобитумного вяжущего была реализована в производственно-строительном объединении «Пермдорстрой» г. Оса при строительстве асфальтобетонного покрытия на автомобильной дороге Оса-Чернушка третьей технической категории.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на семинаре треста «Пермдорстрой» «Резервы повышения эффективности производства и улучшения качества строительства автомобильных дорог» (1990 г.) — на 25, 26, 27, 28, 29(1986;1998 г.) научно-технических конференциях Пермского государственного технического университетана областной коференции «Повышение эффективности производства на основе научно-технического прогресса» (Пермь, 1988 г.) — на региональной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и экология» (Ижевск, 1990 г.) — на международной конференции «Проблемы окружающей среды на урбанизированных территориях» (Пермь, 1995 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано десять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и содержит 142 страницы машинописного текста,.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1.Показано, что гравийные и песчаные материалы Уральского региона по минералого-петрографическому составу (кремнисто-кварцевые) относятся к кислым горным породам. По прочности, зерновому составу и другим показателям физико-механических свойств эти материалы соответствуют нормативным требованиям и могут быть рекомендованы для разработки составов асфальтобетонных смесей.

2.Установлено, что асфальтобетон, содержащий гравийные и песчаные материалы кислых горных пород обладает низкой коррозионной устойчивостью при воздействии неблагоприятных факторов (водонасыщение, замораживание-оттаивание) и несдвигоустойчив (подвержен колееобразованию) при высоких температурах.

Низкая коррозионная устойчивость асфальтобетона обусловлена плохим сцеплением битума с поверхностью минеральных частицвеличину сцепления принято оценивать по методу кипячения.

3.Показано, что качество асфальтобетона может быть улучшено в результате использования в асфальтобетонной смеси полимернобитумного вяжущего. Предложено в качестве полимернобитумного вяжущего использовать вязкий битум марок БНД 60/90, БНД 90/130, модифицированный добавкой дивинилстирольного термоэластопласта ДСТ 30−01.

4.Экспериментально установлены закономерности влияния добавки полимера ДСТ 30−01 на физико-механические и физико-химические свойства битумов. Определены эффективные пределы изменения количества полимера.

5.Исследованиями установлено, что добавка полимера не влияет на величину сцепления, определяемого методом кипячения.

Предложено прочность сцепления вяжущего с минеральными материалами оценивать величиной межслоевой адгезионной прочности материала.

6.Установлено, что асфальтобетон, содержащий гравийные и песчаные материалы кислых горных пород Уральского региона и полимернобитумное вяжущее, характеризуется адгезионной прочностью, в два раза превышающей адгезионную прочность асфальтобетона, в котором в качестве вяжущего использован битум.

7.Доказано, что использование полимернобитумного вяжущего приводит к улучшению физико-механических характеристик, к повышению коррозионной и сдвиговой устойчивости асфальтобетона, содержащего гравийные и песчаные материалы кислых горных пород Уральского региона.

8.Разработана методика подбора оптимальных составов асфальтобетонных смесей, отвечающих требованиям сдвигоустойчивости при высоких температурах и коррозионной устойчивости при воздействии неблагоприятных климатических факторов.