автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему: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

005532197

2013

005532197

Работа выполнена на кафедре «Автомобильные дороги» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».

Научный руководитель: 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, Е-таП:йз_$оуеГ_^и@таП.ги

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Автореферат разослан « 22 » апреля 2013 г.

Учёный 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 распространёнными 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 счёт 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.

з

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.ЗО 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.ЗО 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.ЗО 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.ЗО, 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, 3 приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста и включает в себя 23 рисунка и 66 таблиц.

6

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 зёрнам цемента пребывание в условиях оптимальной влажности, необходимых для протекания процессов твердения цементной матрицы. В этом случае обеспечиваются благоприятные условия для

7

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 комплексноукреплённых материалов свидетельствуют о ряде преимуществ данного материала перед традиционным горячим асфальтобетоном.

Во второй глапе отмечено, что попытки разработки материала, сочетающего высокую деформативность асфальтобетона, а также прочность и жёсткость 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 учёные, как: И.А. Рыбьев, Н.В. Горелышев, В.А. Веренько, A.M. Богуславский, В.М. Гоглидзе, P.Vogel, Z. Zelinski, С. 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 плёнки 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

8

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 проведённых 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 придётся 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 учёным 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 (<3=5±1мкм, Ь=3-7мм), отход производства базальтовых изделий, битумная эмульсия ЭБК-Ш, приготовленная на битуме БНД 90/130. Для получения битумной эмульсии использовались: катионный реагент типа Эмульзол-4, неионогенный стабилизатор Оксипав-А.ЗО, 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-П. 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.ЗО, 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-Ш.

Для изучения влияния предложенного неионогенного ПАВ-модификатора Оксипав-А.ЗО 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 14 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.ЗО 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.

Проведённые исследования позволяют утверждать, что применение неионогенного модификатора Оксипав-А.ЗО позволит не только улучшить

11

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 слоев 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.

а)

О 0,2 0.4 0.6 0,8 1

Содержание базальтового волокна. %

- Б при 25С —8—Б+МП при 25С —Йс— ОВ При 25C

- ОВ+МЛ при 25С —л— Б при 0 С —О— Б+МП при ОС

—В— Б Траз —Л— Б ТХр

0,2 0.4 0.6 0.8

Содержание базальтового волокна. % -Б+МП Траз —ñ—ОВТраз - Б+МП Тхр —— ОВ Тхр

о— ОВ+МП Траз -X— ОВ+МПТхр

Рис.1. Влияние базальтового волокна на свойства асфальтового вяжущего: а- пенетрацию при О и 25°С, б- температуры хрупкости и размягчения Трщ- температура размягчения; Т^- 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 гязкость приготовленных образцов асфальтового вяжущего. Введение уже 0,2 % от массы минерального материала базальтовой фибры способствовало повышению динамической вязкости материалов при 60 °С 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).

Содержание базальтового волокна, % иб+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 и СаСОз добавляются полосы поглощения 1214 см"1, возможно соответствующие колебаниям С-О-С группы, и сильная полоса поглощения в области 757 см'1, предположительно принадлежащая колебаниям связи С-Н в СН2, причём с появлением этой полосы интенсивность пиков, принадлежащих битуму и СаСОз значительно уменьшается, а полоса 720 см"1 исчезает, что говорит об отсутствии предельных углеводородов, а именно цепочки (-СН2-)П, 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

14

минеральной части, определялось по однородности эмульгированного битума при перемешивании смеси.

распределения

6,5 : б

I/.

л 4.? ^

1 4 о

ю

л

„л А

г" V' /

/ /

— 1 з г к г

А... /

«пш/ С—.

О 0,25 0,5 0,75 1 Содержание волокна, %

--0--7%БЭ ~е~8%БЭ —Д™ 9% БЭ

б)

В в

л 1=2,75

и «5

I ^ 2,5 о в гС 2,25

Г/"" ¡Ьтгп к Ч ч р 1

Г- __.< л г-" .— < ч N ч 1л

N N

.......£

0 0,25 0,5 0,75 1 Содержание волокла, % -•0-~7%БЭ —В~8%БЭ —Д~9%БЭ

1 г,

5 1.-5

= с £ «

С «й 1,5

I и

I. 1.25

7

-Ж-

"¿с

г)

0,25

0,5

0,75 1

Содержание волокна, % ~©--7%БЭ —И -8%БЭ --Д— 9% БЭ

1

0.95 ■Л 0,9

5 5

В 3 0,85 ¡а £ О-

3 о 0.8 ЛЬ С

Р о 0.75

ч: ? ,

И 0,7

0.65

~Д

у-—

ГЧ

\

О 0,25 0,5 0.75 Содержание волокна, % ■ -О- - 7% БЭ —□ — 8%БЭ —Д—9%БЭ

е)

X

0,95

2 0.9 Е?

В

о 0,85 <>-«

0.8

13—

о

±

—<>

о

0,25 0,5 0,"5 1 Содержание волокна,.% - -О - 7% БЭ —в -8%БЭ —Д™ 9%БЭ

3

2.75

2.5 А^

о сг

= I

& «

&

0 0.25 0,5 0,75 1 Содержание волокна, % • О--7% БЭ —Ш - 8%БЭ —Д~ 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 °С, в- предел прочности при 50°С, г-водостойкость, д- водостойкость при длительном водонасыщении, е- предел прочности при

расколе.

« 0.89 1 § £.0,87 В £ в и 5 о,8з н Э & 0.81 а 0,79 л л ► р ¡1

" Л 3— N

г / > / { К

г ► / Л х-' "X 1

{ /

/ /

0.25 0,5 0,75 1 Содержание волокна, % 'о БЭ —Ш - 8% БЭ —А— 9%БЭ

0.4 0 И 0.35 а 1 1 £ § в ЕЯ г* 1 5°>25 У ^ од 0,15 --0--7

У -С /п ч. к г

А Г 1 N ч

/ Г- г * »

/ г <

»

0,25 0.5 0.75 Содержите волокна, % % БЭ —Ш — 8% БЭ —Д~~ 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 I образцов полученных из данных смесей характеризовались минимальными значениями. Оптимальным принято содержание: портландцемент - 2%, вода затворения - 2%. Бетоны подобранных составов (вода-2%, портландцемент- 2%, I 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.Г). 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.

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.

Рис.6. Развитие пластических деформаций в битумоминерапьных смесях Частые переходы среднесуточной температуры через О °С 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).

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Количество циклов іаморажнвашія-оттапвашія ■ ОМС □ ОМС+ К В

Рис. 7. Изменение потери прочности при сжатии при 20 °С 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 °С. 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.ЗО 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

19

климатическим воздействиям за счёт 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.ЗО.

3. С помощью лазерной микроскопии выявлено положительное влияние предложенного неионогенного стабилизатора Оксипав-А.ЗО 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. Расчётный экономический эффект за 1 тонну материала в ценах 2013г. от применения разработанных

20

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 асфапьтогранулобетонов 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.ЗО на дисперсность и устойчивость при хранении катионных битумных эмульсий // Известия ОрёлГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - Орёл: 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.Изучен'ие 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. 7477.

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.

8. Строев Д. А. Исследование влияния водорастворимых ПАВ-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.

12. Строев Д.А. Исследование влияния водорастворимого латекса «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/ C.B. 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 Межцунар. 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, A.A. 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 С04В 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. № 21

25. Патент № 2340641 РФ, МПК С08Ь 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. № 34

26. Патент № 2447035 РФ, МПК С04В 26/26 (2006.01) ; С08Ь 95/00 (2006.01); С04В111/20 (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 60x84 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, 162

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописй

Строев Дмитрий Александрович

ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ НА БИТУМНО-ЦЕМЕНТНОМ ВЯЖУЩЕМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И РЕМОНТНЫХ РАБОТ !

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, | доктор технических наук С.К. Илиополов

Ростов-на-Дону 2013 г.

СОД Г РЖА Н ИТ

Введение 5

1. Состояние вопроса и задачи исспедования 9

1 1 Эффек1ивнос1ь использования битумных эмульсий для сфоитель-

ства и ремонта автомобильных дорог 1 1

1 2 Современные предеIавпеиия о процессе змулы ирования дорожных битумов 16

1 3 Анализ процессов с1рук!)рообразования в ор| аноминеральных смесях на основе бшумо-цемсн I ною вяжущего 20

1 4 Опьи испогщзованпя матерпамов на основе композиционною вяжущ^ о в торожном с I рои юльс I вс 25

Выводы по 1 I паве 34

2. Теоре1 ические предпосылки исследований 35

2 1 Выбор компопепюв комппсксного вяжущего и обоснование возможное Iи )лучшенпя свойсIв ор1 аноминеральных смесей на С1 о основе 35

2 3 Анализ эффекшвпосш дпспсрсно1 о армирования композиционно! о вяжуще! о минераньными волокнами 43

Выводы по 2 1 1аве 5 1

3 Исспедование влияния компонентою сос!ава и дисперсно-армирующей добавки па свойс I ва ор| аноминеральных смесей 52

3 1 Мсюды проведения эксперимент и характеристика исследуемых материалов 53

3 2 РазрабоI ка комнонсн 1 ною сос гава он I> мных змульсий 67

3 2 1 Исследование змумы ир> ющпх свойс I в реа! ен 1а Эм> иьзоп-4 68

3 2 2 11роек 1 ированне сое I авов би I) мных эмульсий разпичных классов на основе катонного ПАВ Эмупьзои- 4 с модификацией ниснерсиоппой среды реа!снюм Оксппав-А 30 74

3 2 3. Изучение влияния hchohoi енного ПАВ-модифика юра Оксипав-Л.ЗО на дисперсное i ь и усюйчивос1ь при хранении кат ионных бш умных эмупьсий 76

3.2.4 Комплексная оценка качественных показателей бтумных эмульсий с помощью жсперимсшально-аашсшческого меюда планирования эксперимент 83

3.3. Изучение свойств асфалыового вяжущего органоминеральных смесей армированного добавками базалыового волокна 90

3.3.1. Изучение влияния содержания базальтовых волокон на свойспза асфалыовою вяжчщек) органоминеральных смесей 91

3 3 2 Исследования асфалыовот вяж\щею, дисперсно-армированно! о добавкой минеральною волокна методом инфракрасной спектроскопии 97

3.4 Изучение свойспз opi аноминеральных смесей дисперсно-армированных добавками базалыовых вопокон 101

3.4 1 Моделирование сос!авов и npoi позирование свойств органоминеральных смесей, армированных минеральным волокном 106 3.4 2. Исследование процесса стрения беюнов на би 1умно-цемен i ном вяжущем 112

3 4 3 Исследование мороюсюйкосiи бетонов из органоминеральных смесей 113

3 4 4 Исследование ус юйчшзос i и покрьиия на основе opi аноминераль-ной смеси к развитию пластических деформаций 1 15

3 4 5 Изучение ус i алое той дол i овсчнос i и нокры i ий с применением органоминеральной смеси 1 17

Выводы по 3 I лаве 118

4. Технология усфойсгва и 1ехнико-экономическая эффективность применения дисперсно-армированных беюнов на би 1умно-цсмен i ном вяжущем 119

4.1. Особенности технологии приготовления материала и производства работ 1 19

4.2. Технико-экономическая эффективность использования разработан-

ма1ериалов 123

Выводы по 4 1 лаве 128

Общие выводы 129

Ли герат ура 131

Приложение 1 144

Приложение 2 165

Приложение 3 176

ВВЕДЕНИЕ

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 распространёнными 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 счёт 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 возможность получения битумных эмульсий различных классов с использованием в качестве эмульгатора аминного реагента Эмульзол-4;

- установить влияние неионогенного стабилизатора Оксипав-А.ЗО 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.ЗО 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.ЗО на свойства катионных битумных эмульсий, полученных с их использованием.

Пр а кт и ческа я значимость:

- показана возможность по 1учсния кагионных бтумных эмульсий различных классов на основе аминного pcaicura Эмульзоп-4,

- предложены способы модификации битумных эмульсий и бетонов на битумно-цсмснтном вяжущем новым неионо1 снным ПАВ-модификаюром Оксипав-А 30, коюрыи позволяем \лучши1ь чисперсносiь и \сгойчивос i ь эмульсий, a i ак/кс повысит ь водос i ой кос i ь бе гонов,

- разработаны cociaBbi чисперспо-армированных бетонов на бшумно-цемешном вяжущем, облачающие повышенной ус гойчивос i ыо к сдвиювым и климатическим воздействиям,

- разрабо!ан эффек i ивныи способ ужлизании базалыового волокна (отхода производства базалыовых изделий)

Апрооаиия результатов исс. {едоваиия.

Основные положения auccepi анионной рабош допожены и обсуждапись на научно-практ ических конференцияч Ростовскою i осучарст вен но1 о ci роительно! о универси ie га (С i рои i емьс i во 2005 - 2012 гг ) и друi ич межчунарочных конференцияч МНТК «Проблемы проек i ировапия, с i рои i с i ьс i ва и эксплуа i ации ав i омоби пьиыч чоро! Охрана окружающей среды» (Пермь, 2005, 2010 п ), ВНПК «Пробпемы проек! ировапия, строи 1стьс гва и эксплуаитции фанспоршых сооружении» (Омск, 2006 i ), МНПК «Современные iexnonoinn и ма!ериалы в доро/кном хозяйстве» (Харьков, 2006 г )

Пуп.шкаиии. Содержание диссертации изпожено в 26 научных публикациях, вкпючая 4 С1атьи в ведущих рецензируемых ж)рнапах. входящих в перечень ВАК, и 3 iiaieinax

Объем и структура работы.

Дпссер[ация сосюш из введения. 4 гпав. общих выводов.

библиографического списка из 133 наименовании, в юм числе на

иносфанных языках. 3 приложений Pa6oia изпожена на 192 С1раницах

машинописною 1сксга и включае1 в себя 23 рисунка и 66 1аблиц

8

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Недостаточные объёмы, и низкое качество производимых в России дорожных битумов - является следствием ряда причин. К ним можно отнести сезонность потребления этого материала. Мировой опыт подсказывает определённые пути решения сложившейся проблемы. Влияние сезонности потребления нефтепродукта можно компенсировать путём разработки и получения битумных материалов, имеющих определённую всесезонность применения и длительный срок хранения. В странах Европы проблемы зависимости качества битума, от качества сырья не возникает в связи с целевым использованием тяжёлых смолистых нефтей. К сожалению, в нашей стране достаточно сложно реализовать подобную стратегию, учитывая наличие централизованного трубопроводного снабжения сырьем большинства крупных нефтеперерабатывающих заводов, а так же отсутствием на них технологических возможностей раздельной переработки различных типов нефти. Наряду с этим следует отметить необоснованную систему ценообразования, при которой отпускная цена битума составляет лишь 70-80% от стоимости исходной нефти. При этом технологическая схема производства нефтяного битума включает ряд сложных процессов, требующих соответствующих материальных и энергетических затрат. Такая ситуация в сфере битумного производства России возникает вследствие:

- низкой загруженности существующих производственных мощностей (менее 40% при среднемировом уровне 90-96%);

- применения устаревших технологий и оборудования;

- несоответствия качества сырья;

- низкой степени автоматизации управления всеми стадиями процесса.

Перечисленные выше причины объясняют не только низкую

инвестиционную активность крупнейших российских нефтяных компаний по созданию современных битумных производств, но и практически парадоксальную ситуацию, при которой компаниям экономически выгодно

не только не повышать качество производимых дорожных битумов, но и полностью прекратить их выпуск.

Усугубляют ситуацию особенности российского бизнеса, направленного на извлечение прибыли любым путем, даже за счет качества продукции, и непредсказуемость годовой и сезонной ценовой политики крупнейших российских нефтяных компаний. Это приводит как к нецивилизованному коммерческому хранению битумов и извлечению прибыли за счет практически удвоения цен на них в строительный сезон, так и к строительству малотоннажных региональных установок с неконтролируемым качеством сырья и продуктов. В любом случае говорить о долговечности дорожных покрытий на основе таких материалов не приходится. В сложившейся ситуации необходимо разрабатывать рациональные методы улучшения качества дорожных битумов. 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. Битумные эмульсии характеризуются хорошим сцеплением с поверхностью холодных и даже влажных минеральных материалов. Они достаточно устойчивы в условиях хранения и транспортирования. Организация производства битумных эмульсий позволяет решить ряд важнейших проблем:

- повышение рентабельности битумного производства в целом;

- круглогодичная занятость персонала на производстве;

- стабильность обеспечения дорожной отрасли высококачественными битумными материалами.

Следует также обратить внимание на разработку экономичных высокоэффективных катионных эмульгаторов, ассортимент которых достаточно ограничен на отечественном рынке.

Необходимость расширения производства эмульгированных битумов

связана с возникшим в настоящее время резким разрывом между

10

ассортиментом и качеством выпускаемой нефтеперерабатывающими предприятиями продукции, а так же возросшим спросом на современные битумные материалы в народном хозяйстве.

1.1. Эффективность использования битумных эмульсий для строительства и ремонта автомобильных дорог.

По данным агентства «Автостат» темпы роста автомобилизации России, продолжают неуклонно увеличиваться. К началу 2012 года на каждую 1000 жителей страны приходится 250 автомобилей, хотя в начале столетия этот показатель находился на уровне 200 автомобилей. Однако, прирост сети автомобильных дорог значительно отстаёт от темпов автомобилизации и составляет всего 1,5 % в год. Для создания необходимого ресурса развития экономики страны федеральную дорожную сеть необходимо увеличить в 1,5 - 2 раза. При протяженности многополосных автомагистралей в 4,3 тыс. км потребность в них составляет 8 тыс. Вместе с тем, с увеличением протяжённости сети автомобильных дорог возникнет потребность в увеличении средств на её содержание. В сложившейся ситуации всё большую актуальность приобретает необходимость поиска инновационных экономически и энергетически выгодных технологий и материалов для строительства и ремонта, автомобильных дорог Российской Федерации.

Самым распространённым строительным материалом для ремонта и строительства дорог являются битумоминеральные смеси, стоимость которых повышается в связи с ростом цен на нефть и продукты её переработки. Технологии, основанные на применении горячего битума, так же имеют ряд значительных недостатков:

- большая энергоёмкость, связанная с необходимостью поддержания высокой температуры материала и рабочих органов технологического оборудования;

- снижение экологической безопасности в результате испарение лёгких фракций нефтепродукта в атмосферу;

- необходимость использования адгезионных присадок в связи неудовлетворительным сцеплением битума с поверхностью минеральных материалов;

- повышенная опасность производства работ, так как используются материалы, нагретые до температуры 150-180 °С;

- невозможность варьирования качественными параметрами битума в зависимости от производимых работ;

Одним из эффективных направлений использования такого многотоннажного и вместе с тем дефицитного вяжущего материала как битум, является внедрение в практику дорожного строительства битумных эмульсий. С помощью эмульгированных битумов проводятся различные работы по ремонту и строительству конструктивных слоев автомобильных дорог. В последние годы заметен значительный рост числа строительных организаций, которые приобретают компоненты и оборудование для производства и внедрения этого материала. Ежегодно вводится в эксплуатацию до 15 заводов по производству эмульгированных битумов [1]. В отличие от вязких дорожных битумов эмульсии используются в холодном виде, что делает их применение выгодным не только в энергетическом, но и в экологическом плане. Прирост объёмов производства дорожных эмульсий в России достигает 20 % в