автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Дорожный шлаковый асфальтовый бетон

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1Л# Объем производства шлаковых материалов и направление использования их в отраслях народного хозяйства

1.2. Резервы шлаковых материалов для дорожного строительства.

1.3. Химико-минералогический состав, структура и свойства шлаковых материалов.

1.4. Опыт применения шлаковых материалов в асфальтобетонах

1.5. Цель, задачи и методы .доследования асфальтобетонов на шлаковых материалах.

Выводы.

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНАЯ ТЕОРИЯ ШЛАКОВОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА

2.1. Современные представления о структуре'асфальтобетона.

2.2. Теория формирования структуры шлакового асфальтобетона. 53'

2.2.1. Адгезионные процессы в системе шлаковые материалы - битум

2.2.2. Исследование строения битумной пленки на шлаковой подложке.

2.2.3. Формирование коагуляционно-конденсационных и кристаллизационных структур в асфальтобетоне из шлаковых материалов.

Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ШЛАКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ-БИТУМ И ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШЛАКОВЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ . 103 3.1. Исследование устойчивости битумного слоя на поверхности шлакового материала длительным воздействием воды и растворителя.

3.2. Исследование физико-химических процессов в системе шлаковые материалы - битум методом термографического анализа.

3.3. Интенсификация химических процессов в гранулированном доменном шлаке под влиянием температуры.

3.4. Влияние минеральной подложки на термические процессы старения битума

Выводы.

ГЛАВА 4. СВОЙСТВА ШЛАКОВЫХ АСФАЛЬТОВЫХ БЕТОНОВ

4.1. Теория формирования микроструктуры в шлаковом асфальтовом бетоне.

4.1.1. Микроструктура шлакового асфальтобетона

4.2. Исследование физико-механических свойств шлаковых асфальтобетонов.

Физико-механические свойства граншлаковых асфальтовых бетонов.

Исследование свойств шлакопемзовых асфальтобетонов

Исследование свойств шлакопесчаных асфальтобетонов на основе шлакового песка

Исследование свойств асфальтобетона на осн»ве сталеплавильного шлака конверторного производства.

Исследование свойств асфальтобетонов на основе щебня из литого шлакового материала.

4.3. Влияние добавки воды на свойства асфальтобетонов на основе шлаковых материалов

Исследование влияния добавки воды на свойства граншлаковых асфальтобетонов

Исследование влияния добавки воды на свойства шлакопемзового асфальтобетона.

4.4. Влияние длительного водонасыщения на свойства шлаковых асфальтобетонов.

Исследование влияния длительного водонасыщения на свойства граншлакового асфальтобетона . 174 Исследование влияния длительного воздействия воды на свойства шлаколесчаных и шлакопемзовых асфальтобетонов.

Исследование влияния длительного водонасыщения на свойства асфальтобетона на основе щебня из конверторного шлака.

Выводы.

ГЛАВА 5. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ СО

ШЛАКОВЫМИ КОМПОНЕНТАМИ.

5.1. Физико-механические свойства асфальтобетонов на природном и граншлакоюм минеральном порошках

5.2. Физико-механические свойства асфальтобетонов на граншлаковом песке и минеральном порошке.

Выводы.

ГЛАВА 6. МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ШЛАКОВЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ.

6.1. Исследование физико~механических свойств шлаковых асфальтобетонов после циклов замораживания-оттаивания.

Исследование морозостойкости асфальтобетонов из гранулированных доменных шлаков.

Исследование морозостойкости асфальтобетонов из шлакопемзового песка

Исследование морозостойкости асфальтобетонов из шлакового песка.

Исследование морозостойкости асфальтобетонов из сталеплавильных шлаков конверторного производства

Исследование морозостойкости асфальтобетонов из природных минеральных материалов и гранулированного доменного шлака

6.2. Исследование влияния добавки воды и длительного водонасыщения на морозостойкость асфальтобетонов из шлаковых материалов.

6.3. Влияние технологических факторов на морозостойкость асфальтобетонов, приготовленных из гранулированных доменных шлаков.

6.4. Долговечность шлаковых асфальтобетонных покрытий ^

Выводы.

ГЛАВА 7. СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ШЛАКОВЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

7.1. Составы, технология приготовления, укладки и уплотнения шлаковых асфальтобетонов

7.2. Анализ работы покрытий автомобильных дорог из шлаковых асфальтобетонов.

7.3. Примерные конструкции асфальтобетонных покрытий из шлаковых асфальтобетонных смесей

Выводы.

ГЛАВА 8. ЭКОНОМИКА ПРИМЕНЕНИЯ ШЛАКОВЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ В

ПОКРЫТИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.

8.1. Экономическая эффективность от снижения стоимости шлаковых материалов и упрощения технологии приготовления и укладки шлакового асфальтобетонного раствора в покрытия автомобильных дорог .•.

8.2. Экономическая эффективность от продления межремонтных сроков шлаковых асфальтобетонных покры«

8.3. Экономическая эффективность от увеличения производительности асфальтобетонного завода.

8.4. Экономическая эффективность от снижения расчетной толщины морозозащитных слоев.

8.5. Экономическая эффективность от повышения безопасности движения автомобилей на шлаковом асфальтобетонном покрытии.

Выводы.

Интенсивное развитие народного хозяйства СССР обусловливает быстрый рост объемов автомобильных перевозок. В "Основных направлениях", принятых 26-м съездом КПСС, грузооборот автомобильного транспорта общего пользования по сравнению с 10-й пятилеткой планируется увеличить в 1,4 раза и пассажирооборот автобусов общего пользования на 16-18* [¡239] . Для более полного и своевременного удовлетворения потребностей хозяйства и населения в перевозках в "Основных направлениях" предусматривается ускоренное развитие опорной сети магистральных автомобильных дорог, расширение их строительства в сельской местности и в первую очередь дорог, связывающих районные центры, центральные усадьбы колхозов и совхозов с автомобильными дорогами общего пользования, при одновременном улучшении качества строительства, ремонта и содержания дорог с обеспечением повышения безопасности движения.

Сооружение автомобильных дорог требует больших капиталовложений. Однако затраты на их строительство быстро окупаются [13] .

В 11-й пятилетке предусматривается построить и реконструировать 80 тыс.км магистральных автомобильных дорог. Кроме этого, планируется построить на селе в 1981-1990 гг. около 130 тыс.км внутрихозяйственных дорог [240] в связи с выполнением продовольственной программы, принятой на Майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС [252] .

Для выполнения программы по строительству и реконструкции магистральных и сельских автомобильных дорог потребуется большое количество прочных каменных материалов, месторождения которых на территории СССР размещены крайне неравномерно. Базирование же строительства автомобильных дорог на дальнопривозных дорожно-строительных материалах сдерживает размах и удорожает стоимость строительства.

В настоящее время темпы строительства автомобильных дорог продолжают отставать от темпов роста других отраслей народного хозяйства, в том числе и от темпов развития автомобильной промышленности и автомобильных перевозок.

В настоящее время в ряде случаев качество строительства автомобильных дорог продолжает пока оставаться низким. По сообщению Л.Б.Гезенцвея [ 75^ » °рок службы асфальтобетонных покрытий в среднем составляет 10-12 лет, а на городских дорогах эти сроки еще ниже. Имеется также много примеров, когда вновь построенные на автомобильных дорогах асфальтобетонные покрытия выходят из строя в течение 3-5 лет.

В связи с этим, возникает необходимость в широком применении более прогрессивных видов дорожно-строительных материалов и разработке научно-обоснованных способов их применения в слоях дорожных одежд, в том числе и в верхних. В районах с развитой черной металлургической промышленностью такими материалами являются шлаки.

До настоящего времени в асфальтовых бетонах сравнительно широко применяются лишь доменные отвальные шлаки с устойчивой структурой, причем по технологии, принятой для асфальтовых бетонов из природных минеральных материалов, без учета их высокой реакционной способности и гидравлической активности* Для распадающихся отвальных доменных шлаков не установлена степень распада, при которой они могут применяться в асфальтобетонные ■смеси.

В отечественной и зарубежной практике нет опыта применения в асфальтовых бетонах конверторных шлаков. Не было привлечено внимание дорожников к использованию в асфальтовых бетонах шлакопемзового и шлакового песка, ваграночных шлаков, гранулированных доменных шлаков, в том числе и титанистых в качестве единственной минеральной составляющей.

Не находили себе применения в строительстве отходы металлургических комбинатов такие, как коксовая пыль, в качестве активатора минерального материала, молотые корольки и обрезки шлаковаты, доменный и конверторный шламы мокрой газоочистки в качестве минерального порошка в асфальтобетонные смеси.

Асфальтобетонная смесь с применением коксовой пыли нами защищена авторским свидетельство^ на изобретение (а/св.715530, бюл.№ 6 от 18.06.1980 г.). Защищена авторским свидетельством и асфальтобетонная смесь с применением доменного шлама мокрой газоочистки (а/св.№ 727662, бюл.№ 14 от 15.04.80 г.).

За научную гипотезу нами принято следующее.

Шлаковые материалы, обладая химической и гидравлической активностью, хорошо взаимодействуют с водой и битумом. Процессы гидратации будут приводить к модификации поверхности шлаковых зерен под битумной пленкой гидратными новообразованиями, к изменению строения порового пространства в шлаковых зернах и в асфальтобетоне, к армированию битумной пленки кристаллогидратами, к срастанию части зерен шлака между собой. Химическая активность и механохимические эффекты должны обеспечивать возникновение химических и водородных связей между шлаком и битумом.

Гидравлическая и химическая активность шлаковых материалов, а также механохимические эффекты должны приводить к упорядоченной вторичной (надмолекулярной) структуры битумной пленки на шлаковой подложке.

Такие гипотетические представления требуется подтвердить экспериментальным путем и результатами наблюдения за работой шлаковых асфальтобетонных покрытий на дорогах разных технических категорий и в различных дорожно-климатических зонах.

В настоящей работе излагаются:

- состояние проблемы применения шлаков черной металлургии в асфальтобетоны;

- теория формирования структуры в асфальтобетонах из шлаковых материалов;

- результаты исследования строения битумной пленки на шлаковой и для сравнения на природных минеральных подложках;

- процессы формирования коагуляционно-конденсационных и кристаллизационных структур в асфальтобетоне из шлаковых материалов и условия, влияющие на интенсивность их образования в системе битум-шлак;

- значение температуры, добавки воды и способ ее введения в состав смеси, наличие остаточной влажности в минеральном материале к моменту объединения его с битумом на управление структурой битума в шлаковом асфальтобетоне;

- кинетика изменения структурно-механических свойств в шлаковых асфальтобетонах во времени и факторы, влияющие на ускорение процессов структурообразования битумной пленки на поверхности минеральных зерен;

- процессы старения битума на шлаковых подложках и причины, обусловливающие деструктивные явления в органическом вяжущем ;

- результаты исследования морозостойкости и длительной водоустойчивости шлаковых асфальтобетонных покрытий.

На основе обобщения многолетнего опыта эксплуатации шлаковых асфальтобетонных покрытий на дорогах П, Ш и 1У технических категорий во П-1У дорожно-климатических зонах установлены межремонтные сроки средних и капитальных ремонтов.

В работе приведены рациональные конструкции дорожных одежд с устройством верхних слоев из шлаковых асфальтовых бетонов. Излагается методика определения технико-экономической эффективности и подробный расчет экономической эффективности от применения шлаковых асфальтобетонных материалов в покрытия автомобильных дорог.

Исследование оптимальной температуры приготовления шлакового асфальтового бетона, кинетики образования парамагнитных центров в минеральном материале, процессов старения битума, молекулярных и надмолекулярных процессов структурообразования дисперсных систем битум-шлаковые материалы проводились методами ИК-спектроскопии, ядерно-магнитного резонанса, электронно-парамагнитного резонанса, дериватографии, сканирующей электронной микроскопии. Эти методы позволили провести исследование взаимодействия битума с минеральным материалом на молекулярном уровне.

На защиту выносится теория структурообразования в шлаковых асфальтобетонных материалах, учитывающая высокую химическую и гидравлическую активность минеральной составляющей и разработанная на основе экспериментально-теоретических исследований и обобщения результатов многолетнего опыта применения шлаковых материалов в асфальтобетонных смесях для дорожных покрытий в разных климатических зонах.

Работа выполнена в Отраслевой научно-исследовательской дорожной лаборатории Воронежского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института в 1962-1982 годах.

Результаты проведенных исследований апробированы и широко внедряются в дорожное строительство.

Опытные работы выполнены на объектах Минавтодора РСФСР, Грузинской ССР и Министерства коммунального и жилищного строительства РСФСР в 1963-1982 года.

Выводы

1. Приведенная методология расчета отражает наиболее полно экономическую эффективность применения шлаковых асфальтобетонных материалов для устройства покрытий на автомобильных дорогах по сравнению с асфальтобетонными из природных минеральных материал лов.

2. Из расчетов следует, что с использованием I млн.т шлака в смеси с битумом для устройства покрытий на автомобильных дорогах экономический эффект составит: от применения гранулированных доменных шлаков на дорогах Свердловской области 21,6 млн.руб., Воронежской - 22,3 млн.руб., Липецкой - 20,3 млн.руб.

От применения шлакопемзового песка на дорогах: Липецкой области - 17,37 млн.руб., Челябинской « 17,23 млн.руб.

От применения шлакового песка на дорогах Липецкой области -17,37 млн.руб.

В то же время по данным Уральского научно-исследовательского института черных металлов использование титанистых гранулированных доменных шлаков на Нижне-Тагильском цементном заводе приводит к убыткам в сумме 2,65 руб. на I т продукции, что в расчете на годовую программу завода составит около 2,4 млн.руб. в год.

3. С использованием шлаковых материалов в дорожном строительстве резко сокращается парк дорожных машин, необходимый для разработки карьеров дорожно-строительных материалов. Наряду с этим значительно сократится или полностью отпадет необходимость занимать большие площади под шлаковые отвалы, и металлургические заводы избавятся от убытков, которые они несут при транспортировании и содержании шлаковых отвалов.