автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему: Физико-химическое обоснование температур перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей

Автореферат диссертации по теме "Физико-химическое обоснование температур перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей"

На правах рукописи

ДАНИЛЬЯН ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном техническом университете

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:- доктор технических наук, профессор

•• '■', кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация - ЗАО Производственно-строительная фирма

«ГРАНТстрой», г. Ставрополь

Защита состоится " ¿¿'" Декабря 2000 года в '10 часов на заседании диссертационного Совета Д 064.66.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БелГТАСМ, главный корпус, ауд. 242.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим выслать по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородской государственной технологической академии строительных материалов.

Автореферат разослан " Zi " Ноя оря ¿00О г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

10^ ¿к с, А.Г. Юрьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устройство асфальтобетонных покрытий является одной из наиболее капиталоемких отраслей дорожного строительства. Качество и долговечность асфальтобетонных покрытий определяются не только качеством входящих в их состав компонентов, но и не в меньшей степени тщательностью выполнения двух технологических операций: приготовление асфальтобетонных смесей и их уплотнение в конструктивном слое покрытия. Наряду с использованием большого объема строительных материалов требуются значительные затраты энергоресурсов на приготовление горячих асфальтобетонных смесей. Учитывая многотоннажность выпуска асфальтобетонных смесей (до 100 млн. тонн в год в России), снижение температур их приготовления позволяет экономить в значительных объемах топливно-энергетические ресурсы.

Практический опыт показывает, что при соблюдении стандартных режимов приготовления асфальтобетонных смесей требуемое качество асфальтобетона часто не достигается. Температуры приготовления горячих асфальтобетонных смесей согласно ГОСТ 9128-97 находятся в пределах 120-160 °С и согласно ТУ 400-24-158-89 - 220-240 °С - литых смесей. Сравнение температур перемешивания асфальтобетонных смесей на битумах одинаковой марки, рекомендуемых стандартами различных стран, показывает их значительное отличие. Отсутствует теоретическое обоснование высоких температур приготовления литых асфальтобетонных смесей. До настоящего времени совершенно не выяснено и не нашло какого-либо отражения в нормативной литературе влияние на температуру перемешивания асфальтобетонных смесей минеральных заполнителей, которые могут сильно различаться как по зерновому, так и минералогическому составу. Далеко не изучены и не исчерпаны возможности регулирования режимов приготовления асфальтобетонных смесей за счет введения добавок.

Уплотнение является заключительной стадией формирования структуры асфальтобетона. Температура асфальтобетонной смеси, при которой происходит уплотнение, является важным фактором качества приготавливаемого покрытия. Эта технологическая операция является объектом постоянного внимания многих исследователей, но до настоящего времени нет единого мнения по температурным режимам уплотнения асфальтобетонных смесей различного зернового состава. Отсутствует также удовлетворительное математическое описание процессов, происходящих во время уплотнения и теоретически обоснованные и приемлемые для практики уплотнения асфальтобетонных смесей методы оценки выполнения этой операции и ее регулирования с целью по-

лучения асфальтобетонов оптимального качества, что подтверждается большой неоднородностью плотности в покрытиях и преждевременного их разрушения.

В связи с изложенным весьма актуальным является теоретическое и экспериментальное изучение факторов, определяющих температуры перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей, с целью оптимизации свойств асфальтобетонов и покрытий из них.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных температур перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей и определение влияния на эти процессы зернового и минералогического состава минерального заполнителя, марки битума, а также разработка добавок, понижающих температуры перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей и улучшающих качество асфальтобетона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически обосновать и разработать методику определения температур перемешивания асфальтобетонных смесей, обеспечивающих оптимальное качество асфальтобетонов;

- выявить закономерности влияния зернового и минералогического состава минеральных заполнителей, содержания минерального порошка, марки битума на процессы, происходящие во время перемешивания асфальтобетонных смесей, и обосновать оптимальные температурные режимы их приготовления;

- изучить и обосновать оптимальные температурные режимы уплотнения асфальтобетонных смесей различного состава;

- теоретически обосновать и разработать добавки, понижающие температуры перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей;

- разработать рекомендации по повышению качества асфальтобетонных покрытий за счет оптимизации температур перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей.

- установлено значительное влияние на температуры перемешивания асфальтобетонных смесей зернового состава, особенно содержания минерального порошка и природы минерального заполнителя;

- установлена экстремальная зависимость показателей свойств асфальтобетонов: прочности при расколе, модуля деформации от температуры перемешивания асфальтобетонных смесей, которая положена в основу разработанного метода определения оптимальных температур перемешивания асфальтобетонных смесей;

- выявлены закономерности влияния на оптимальные температуры перемешивания асфальтобетонных смесей вида минерального по-

рошка, марки битума;

- установлено влияние на температуры перемешивания асфальтобетонных смесей добавок ПАВ и дифенилсульфона и определены оптимальные температурные режимы приготовления асфальтобетонных смесей с их применением;

- представлена теоретическая модель процесса уплотнения асфальтобетонных смесей, положенная в основу методики определения их уплотняемости;

- изучена уплотняемость асфальтобетонных смесей различного зернового и минералогического состава заполнителей с добавкой ПАВ и дифенилсульфона. На основании установленных зависимостей определены оптимальные температуры уплотнения асфальтобетонных смесей, обеспечивающие повышение качества асфальтобетонов.

- теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальных температурных режимов перемешивания асфальтобетонных смесей и методику их определения;

- характер влияния на оптимальные температуры перемешивания асфальтобетонных смесей зернового и минералогического состава минерального заполнителя, активированного и неактивированного минерального порошка, марки битума;

- влияние добавок ПАВ и дифенилсульфона на оптимальные температуры перемешивания асфальтобетонных смесей и свойства асфальтобетонов;

- теоретическое и экспериментальное обоснование методики определения уплотняемости асфальтобетонных смесей, способов понижения температур их уплотнения и повышения качества асфальтобетонов.

Практическая ценность работы:

- предложена методика определения оптимальных температур перемешивания асфальтобетонных смесей, позволяющая создавать асфальтобетоны повышенного качества;

- полученные зависимости оптимальных температур перемешивания асфальтобетонных смесей от зернового и минералогического состава минеральных заполнителей, разновидностей минерального порошка, марки битумов позволяют с учетом большого разнообразия по качественным характеристикам и происхождению составляющих компонентов асфальтобетонных смесей, имеющихся на различных АБЗ, создавать асфальтобетоны оптимального качества;

- разработана методика определения уплотняемости асфальтобетонных смесей и оптимальных температурных режимов проведения этого процесса, позволяющая создавать асфальтобетонные покрытия оптимального качества;

- разработаны добавки, позволяющие понижать температуры перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей.

- в строительном управлении дорожных работ г. Ставрополя (ОАО «СУДР») организовано производство асфальтобетонных смесей при оптимальных температурах перемешивания согласно разработанным ТУ 5718-001-03234709-98. Начиная с 1998 г. осуществлено строительство асфальтобетонных покрытий площадью 366 200 м2 из смесей, приготовленных при оптимальных температурах перемешивания.

Ожидаемый экономический эффект за счет увеличения срока службы и сокращения объемов ремонтных работ составляет 4 211 300 руб.

- результаты исследований и методики определения оптимальных температур перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальностям 290300 и 290500.

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены и после обсуждений одобрены на XXVI научно-технической конференции по результатам НИР профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (г. Ставрополь, 1996 г), на XVIII научно-технической конференции по результатам НИР профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (г.Ставрополь, 1998 г), на втором международном конгрессе «Битумные эмульсии» (г. Бордо, Франция, 1997 г), на XXIX научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (г. Ставрополь, 1999 г), На Всероссийской конференции «Город XXI века» (г. Ставрополь, 1999 г), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса России» (Краснодар, 1999 г), на втором международном конгрессе «Битумы и битумные композиции» (г. Букараманга, Колумбия, 2000 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, включающего 34 рисунка, 32 таблицы, списка литературы из 137 наименований, 6 приложений.

Во введении показано современное состояние проблемы по технологии приготовления и уплотнения горячих и литых асфальтобетонных смесей. Обосновывается актуальность темы, ее научная, и практическая целесообразность.

В первой главе представлен обзор литературных и патентных источников и анализ проблем в технологии приготовления и уплотнения асфальтобетонных смесей и зависимость от этих процессов качества асфальтобетонов.

Фундаментальные исследования в теории и технологии производства и уплотнения асфальтобетонных смесей в нашей стране (Н.В. Горелышев, Л.Б. Гезенцвей, И.А. Рыбьев, И.В. Королев, В.Н. Кононов, A.M. Богуславский, Б.Г. Печеный, М.Н. Першин, С.И. Романов, A.M. Гридчин, Е.П. Железко и др.) и за рубежом (К.Г.Олсон, Ф. Экур, Э. Тремски, Г. Вагнер и др.) показали чрезвычайную важность в технологии приготовления асфальтобетонных смесей процесса объединения минеральных материалов с битумом, основной целью которого является равномерное и полное покрытие зерен минерального заполнителя битумом. Интенсивность смачивания и покрытия поверхности заполнителя зависит от ряда факторов: вязкости битума, температуры, времени и скорости перемешивания минерального материала с битумом. В состав заполнителя асфальтобетонных смесей входят различные по размерам и соотношению минеральные компоненты. Щебеночные фракции (более 5 мм), так же как и песчаные (размером от 5 до 0,14 мм), из-за их малой удельной поверхности достаточно быстро смачиваются и покрываются битумом при перемешивании. Присутствие минерального порошка (фракции мельче 0,14 мм) из-за большой его удельной поверхности замедляет процесс смачивания и перемешивания асфальтобетонной смеси в целом.

Разработанные многочисленные способы интенсификации процесса перемешивания асфальтобетонных смесей не получили широкого применения из-за сложности их технологии. ■ >■ . .

Улучшение однородности и качества асфальтобетонов достигает, ся за счет применения поверхностно-активных веществ. Разработано значительное разнообразие анионоактивных ПАВ, введение которых в асфальтобетонные смеси с.основными минеральными заполнителями повышает водостойкость, улучшает., показатели трещиностойкости и прочности асфальтобетонов. Ассортимент катионоактавных ПАВ меньший, они применяются в асфальтобетонных смесях с кислыми минеральными заполнителями. Такое же действие, как и ПАВ, но по иному механизму оказывает на асфальтобетонные смеси и асфальтобетон

Не менее ответственной технологической операцией, в значительной степени определяющей качество асфальтобетонов, является заключительная стадия - процесс уплотнения. Качество уплотнения по современным представлениям зависит от способа уплотнения и типа уплотняющих механизмов, типа, температуры и толщины слоя уплотняемой асфальтобетонной смеси. В свою очередь температуры уплотнения асфальтобетонных смесей дифференцированы в зависимости от вязкости (глубины проникания иглы) битума, а тип уплотняемой асфальтобетонной смеси по зерновому составу, кроме того, учитывается выбором уплотняющих механизмов.

Одним из важных факторов, влияющих на оптимальные температуры уплотнения асфальтобетонных смесей, является содержание минерального порошка, так как с его повышением в смеси увеличивается зависящее от температуры вязкое сопротивление смеси уплотнению, что не находит отражения в нормативной документации.

Во второй главе рассмотрены физико-механические процессы, происходящие при перемешивании и уплотнении асфальтобетонных смесей. При перемешивании минеральных материалов с битумом сразу же за процессом смачивания поверхности происходит избирательная адсорбция компонентов битума, активность которой определяется природой минерального материала, химическим составом битума, наличием в нем полярных и поверхностно-активных компонентов и др. Свойства битума, адсорбированного на поверхности минерального заполнителя, отличаются от его свойств в объеме. Прежде всего, это проявляется в повышении вязкости адсорбированной пленки битума и уменьшении подвижности молекул битума за счет более сильного межмолекулярного взаимодействия с поверхностью заполнителя. Доля битума, находящегося в адсорбированном состоянии в асфальтобетонных смесях определяется содержанием минерального порошка, имеющем очень развитую удельную поверхность. Это положение следует учитывать при объяснении процессов, происходящих при объединении битумов с минеральным заполнителем, содержащим различное количество минерального порошка. С повышением в смеси минерального порошка смачивание значительно затрудняется и требуются большие затраты времени для окончания этого процесса. Повышение температуры перемешивания битума с минеральным заполнителем, содержащим большее количество минерального порошка, вполне оправдано с точки зрения необходимости понижения вязкости адсорбированного битума и не опасно с точки зрения его старения, поскольку из-за меньшей подвижности молекул адсорбированного битума его химические превращения будут происходить с меньшей скоростью.

Анализ динамики формирования структуры асфальтобетона во время уплотнения позволил представить уплотняемость как процесс, определяющийся приращением плотности и реактивным сопротивлением уплотнению (деформированию), состоящему из структурного и вязкого. Первое обуславливается сопротивлением сжатию и смещению минеральной части и пленок битума, второе - процессом переноса количества движения при уплотнении и вязким сопротивлением выжиманию пленок битума из зон контактов. Поэтому приращение плотности с!р пропорционально не только величине уплотняющих нагрузок, находящих отражение в напряжении <7, но и времени их действия I. С другой стороны, приращение плотности с1р уменьшается при увеличении плотности, так как при этом увеличивается как число контактов между минеральными составляющими, так и вязкость битумных пленок вследствие уменьшения их толщины. По мере увеличения плотности деформируемость системы уменьшается, а сопротивление деформированию возрастает. Это позволяет сформулировать следующее дифференциальное соотношение процесса уплотнения:

где к- постоянная, характеризующая интенсивность процесса уплотнения;

Р(р)- некоторая функция плотности.

В процессе экспериментальных исследований были получены значения изменения плотности во времени и выведены математические показатели уплотняемости А и 1пА, которые предложено использовать для оценки уплотняемости асфальтобетонных смесей различных зерновых составов минерального заполнителя при уплотнении в различных температурных диапазонах.

В третьей главе представлены характеристики материалов и обоснование методов исследования. Выбор материалов производился в соответствии с требованиями стандартов для применяющихся в производстве асфальтобетонных смесей: щебень и песок из дробленого гравия Надзорненского карьера и из известняка Пятигорского карьера, песок природный Солдато-Александровского и Черкесского карьеров, активированный и неактивированный минеральный порошок Черкесского цементного завода, битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130. Использовались добавки: анионоактивная: СЖК С;1.2(), катионоактивная БП-4, и дифенисульфон (С()Н5)2502- продукт, образующийся при сульфировании бензола серной кислотой и имеющий температуру плавления 90-100°С. Определение свойств составляющих компонентов асфальтобетона осуществлялось по методикам соответствующих стандартов. Опре-

деление прочности и деформации при расколе цилиндрических асфальтобетонных образцов осуществлялось с помощью разработанного приспособления к прессу УМ-5А, позволяющего фиксировать деформацию образца в процессе испытания. Асфальтобетонные образцы испытыва-лись при 0° С и скорости деформирования 20 мм/мин, что обеспечивало достаточное различие полученных показателей прочности при расколе и деформации различных по составу асфальтобетонных образцов, наряду с тем, что температура 0° С легко достигается в условиях любой лаборатории.

Полученные зависимости прочности при расколе Яр от температуры перемешивания асфальтобетонных смесей ^ имеют четко выраженный экстремальный характер (рис. 1). Следуя логике зависимостей прочностных показателей асфальтобетонов с их трещиностойкостью можно сделать ошибочный вывод, что с повышением температуры перемешивания смеси трещиностойкость понижается (прочность растет), а, достигая максимума прочности, трещиностойкость становится минимальной. При дальнейшем повышении температуры перемешивания смеси Яр понижается, и трещиностойкость якобы должна повышаться. О невозможности характеризовать трещиностойкость асфальтобетонов по одному показателю прочности, в данном случае по прочности при расколе, без учета их деформативности указывается в работах Печеного Б.Г., Губача Л.С. и др. Полученные зависимости Яр от ^ подтверждают эти выводы. Достоверными и не противоречащими теории трещино-стойкости асфальтобетонов являются зависимости модулей деформации Е от температуры перемешивания асфальтобетонных смесей 1:п (рис. 2). Зависимости модулей деформации асфальтобетонных образцов, определенных при расколе, от температуры перемешивания асфальтобетонных смесей также имеют экстремальный характер. Температуры перемешивания смесей, при которых наблюдаются экстремумы значений предела прочности при расколе Яр и модулей деформации Е, совпадают. В связи с этим зависимость прочности при расколе позволяет определить оптимальные температуры перемешивания смесей. Зависимость же модулей деформации от температуры перемешивания позволяет определить оптимальную температуру перемешивания и служить сравнительной характеристикой трещиностойкости асфальтобетонов, полученных при различных температурах перемешивания смеси.

Анализ влияния зернового состава минеральных заполнителей на температуру перемешивания асфальтобетонных смесей показывает, что максимумы прочности при расколе мелкозернистых асфальтобетонных смесей типов А, Б, В и песчаных типов Г и Д по ГОСТ 9128-97 по мере увеличения в смеси минерального порошка сдвигаются в сторону более высоких температур, лежащих вне стандартных пределов температур

перемешивания. Так для асфальтобетонных смесей, приготовленных на битумах марок 60/90 и БНД 90/130 стандартный температурный диапазон составляет 140-160°С, а температура перемешивания указанных смесей, при которых имеется максимум 11р.- 160 -190°С (рис. 1).