автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Индустриальная технология дорожного строительства с применением композиционных материалов на основе карбамидоформальдегидных смол и грунтов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНДУСТРИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНЫХ СМОЛ И ГРУНТОВ (НА ПРИМЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)

05.23.11 - строительство автомобильных дорог и аэродромов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

на правах рукописи

Василий Николаевич

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре автомобильных дорог Автомобильно-дорожного института Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Научный руководитель: академик Академии транспорта РФ,

доктор технических наук, профессор Платонов А.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Васильев Ю.М. доктор технических наук, профессор Кнатько В.М.

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной и газовой промышленности им. В. И. Муравленко р1ипротюменнефтегаз").

Защита состоится _1996г. в ч.

на заседании специализированного Совета К 063.31.04 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 198103, г. Санкт-Петербург, ул. Курляндская, 2/5, ауд.340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан /

Ученый секретарь

специализированного Совета Л

1996г.

1

канд. техн. наук, ст. научн. сотр. / И.И.Столяров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сеть автомобильных дорог нашей страны находится в стадии становления и ее развитие требует значительных материально-технических затрат. Поэтому очевидна актуальность задачи снижения ресурсоемкое™ дорожного строительства, так как даже незначительное продвижение в этом направлении обеспечит ощутимый экономический эффект. Одним из вариантов решения этой проблемы в условиях Западной Сибири является использование в дорожных конструкциях композиционных материалов на основе местных грунтов. Здесь находят применение различные виды вяжущих и способы укрепления грунтов, что позволяет сократить издержки на транспортировку традиционных каменных материалов из других регионов страны и компенсировать их дефицит.

Новые возможности в строительстве автомобильных дорог раскрывают композиционные материалы на основе местных грунтов и полимерных вяжущих. Из всего многообразия синтетических материалов наиболее часто грунты обрабатывают карбамидоформальдегидными смолами (КФС). Это обусловлено сравнительно низкой стоимостью, совместимостью с химико-минералогическими свойствами грунтов Западной Сибири, высокой адгезионной способностью и стойкостью к воздействию агрессивных сред КФС. Вместе с тем удельный вес композиционных материалов на основе КФС и грунтов в общем объеме производства незначителен. В какой-то мере сложившееся положение можно объяснить осторожным отношением практиков к новому материалу, но пожалуй решающее значение имеет сравнительно низкий уровень физико-механических свойств. Поэтому композиционные материалы на основе КФС и грунтов не всегда выдерживают сравнение с другими дорожно-строительными материалами.

Диссертация посвящена разработке эффективной технологии, обеспечивающей реализацию потенциальных возможностей КФС в композиции с местными песчаными грунтами, и ее органичному сочетанию с современным дорожно-строительным комплексом Западной Сибири. Работа выполне-

на в рамках комплексной программы "Нефть и газ Западной Сибири", проблема 07 "Автодорожные проблемы Тюменского нефтегазового комплекса".

Цель и задачи исследований: теоретически и экспериментально обосновать индустриальную технологию дорожного строительства в Западной Сибири с применением композиционных материалов на основе КФС и грунтов, при их термокаталитическом отверждении и поверхностной пропитке продуктами переработки нефти.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- разработать способ термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов;

- оценить долговечность композиционных материалов на основе КФС и грунтов при их термокаталитическом отверждении и поверхностной пропитке продуктами переработки нефти;

- отработать технологию и проверить работоспособность технических решений, обеспечивающих трещиностойкость асфальтобетонных покрытий на сборных плитах из композиционных материалов на основе КФС и грунтов и снижение ре-сурсоемкости оснований сборных плит;

- определить экономическую эффективность внедрения в производство результатов исследований и разработать практические рекомендации.

Основная научная гипотеза состоит в том, что тепловая обработка смеси КФС и грунта обеспечит концентрацию водородных ионов, необходимую для протекания реакции поликонденсации, за счет взаимодействия свободного формальдегида с едким натром по реакции Тищенко-Канницарро с образованием муравьиной кислоты и метилового спирта и ускорит процессы структурообразования в соответствии с уравнением Аррениуса. Так как повышенная температура смеси КФС и грунта выполняет функции катализатора,предлагаемый способ отверждения назван термокаталитическим. При этом кинетика отверждения будет определяться температурой смеси и концентрацией КФС, а степень поликонденсации полимерной матрицы периодом тепловой обработки. Термокаталитическое

отверждение в совокупности с поверхностной пропиткой продуктами переработки нефти композиционных материалов на основе КФС и грунтов повысят технологичность, однородность структуры, степень поликонденсации полимерной матрицы за счет вывода из смеси побочных продуктов реакции (вода, формальдегид), размерную точность и долговечность изделий в дорожных конструкциях.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработан способ термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов и поверхностной пропитки изделий из них продуктами переработки нефти;

- предложена модель процесса термокаталитического отвер-ждения,которая описана системой дифференциальных уравнений формальной кинетики химических реакций. В результате упрощений общего решения получена зависимость, раскрывающая влияние концентрации и расхода КФС, температуры и времени отверждения на кинетику набора и показатели прочности композиционных материалов на основе КФС и грунтов; - • V

- в лабораторных и производственных условиях исследован процесс термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов и доказана адекватность результатов экспериментов разработанной зависимости;

- обоснованы и определены рациональные параметры тепловой обработки изделий при термокаталитическом отверждении композиционных материалов на основе КФС и грунтов;

- в течение 8 лет в открытом грунтовом лотке исследовано агрессивное влияние солнечной радиации, кислорода воздуха, влаги, перепада температур и других природно-климатических факторов на композиционные материалы на основе КФС и грунтов, и доказана эффективность поверхностной пропитки продуктами переработки нефти изделий из них для защиты полимерной матрицы от старения и деструкции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается соответствием результатов теоретических, лабораторных

и опытно-производственных работ, выполненных с использованием современных методов исследований. Степень достоверности экспериментальных исследований составляет 95%.

Практическая ценность работы. Внедрение результатов исследований в условиях Западной Сибири сократит дефицит дорожно-строительных материалов, снизит ресурсоемкость дорожного строительства и повысит транспортные и дорожно-эксплуатационные характеристики конструкций дорожной одежды. Перспективным направлением последующих исследований в этой области является сочетание синтеза полимерной матрицы из мономеров непосредственно в массиве грунта и термокаталитического отверждения.

Реализация результатов работы. Разработанные конструктивно-технологические решения прошли опытно-производственную проверку в дорожно-строительных организациях про-ектно-ремонтно-строительного объединения "Тюменьавтодор" и трестов:"Надымдорстрой"; "Уренгойгаздорремстрой" и " ЗапСибдор строй".

Апробация работы Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на всесоюзной научно-исследовательской конференции "Перспективные экономичные и долговечные конструкции автомобильных дорог и технология их сооружения" (г.Балашиха, 1987г.), на 44, 46 и 48 научных конференциях Ленинградского инженерно-строительного института (1987 - 1991 г.) и научно-технической конференции Тюменского инженерно-строительного института (1990г.),на международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири"(г.Тюмень 1996 г.),на республиканской научно-технической конференции "Проблемы дорожного строительства" (г.Суздаль 1996 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ и получено три авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит страниц машинописного текста, включая таблиц, рисунков, приложений. Список литературы включает наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе проведен анализ конструкций и технологии строительства дорожных одежд в Западной Сибири, опыта получения и применения композиционных материалов на основе КФС и грунтов в дорожном строительстве. Результаты обследования покрытий из сборных железобетонных плит наряду с обзором литературных и патентных источников позволил сделать следующие выводы:

- сложные природно-климатические и гидрогеологические условия, движение автомобилей большой грузоподъемности предопределили использование в дорожных конструкциях Западной Сибири сборных конструктивных элементов из бетона и железобетона с высокими показателями прочности и морозостойкости. Однако в этих условиях реальный срок службы покрытий из сборных железобетонных плит значительно меньше нормативного. Устройство асфальтобетонных покрытий на сборных плитах повышает эксплуатационные характеристики конструкций дорожной одежды, но обостряет проблемы снижения ресурсоемкости дорожного строительства и дефицита дорожно-строительных материалов;

- индустриальный метод изготовления конструктивных элементов из композиционных материалов на основе цемента и грунта позволяет повысить экономическую эффективность дорожного строительства и сократить дефицит дорожно-строительных материалов;

- тенденции в развитии народного хозяйства и условия Западной Сибири обуславливают необходимость использования в композиционных материалах на основе грунтов вяжущих альтернативных цементу. Исследования, проведенные П.А. Ребиндером, М.Т. Кострико, В.М. Безруком, И.И. Черкасовым, Б.А. Ржаницыным, М.Н. Першиным, А.П. Платоновым, Н.Ф. Мищенко, j\,A. Марковым, Л.Н. Ястребовой, Т.М. Луканиной, А.Н. Шуваевым, A.B. Линцером и др., показали целесообразность использования в этом качестве КФС,

создали теоретическую базу формирования оптимальных структур композиционных материалов на основе КФС и грунтов, определили требования к исходным материалам и их соотношению в композиции. Вместе с тем существующие составы вяжущего, последовательность и режимы отверждения не обеспечивают реализацию потенциальных возможностей КФС в дорожном строительстве;

- при исследовании процессов старения и эффективности способов повышения долговечности композиционных материалов на основе КФС и грунтов недостаточное внимание уделено наблюдениям за изменением свойств полимерной матрицы в реальных условиях эксплуатации за период времени, сопоставимый со сроком службы конструктивных элементов.

Кроме того рассмотрены существующий опыт и основные тенденции в дорожном строительстве, обеспечивающие снижение ресурсоемкости и повышение эксплуатационных характеристик конструкций дорожных одежд с использованием сборных плит и требующие дополнительной опытно-производственной проверки в условиях Западной Сибири.

Полученные выводы предопределяют технологический аспект исследований на стадиях получения и применения в дорожном строительстве композиционных материалов на основе КФС и грунтов. При этом необходимо обеспечить совместимость результатов исследований с существующим индустриальным дорожно-строительным комплексом Западной Сибири. Это позволит исключить или значительно сократить затраты на создание • материально-технической базы и ускорить внедрение результатов исследований в производство.

Анализ механизма образования карбамидоформальдегид-ных полимеров показал актуальность разработки индустриальной технологии термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов, то есть способа, при котором нагрев смеси КФС и грунта обеспечит необходимые условия реакции поликонденсации без отвердителя и ускорит процессы структурообразования в соответствии с уравнением Аррениуса.

Реализация этого способа отверждения позволит:

- исключить из состава вяжущего отвердитель и регулировать начало и скорость структурообразования;

- повысить гибкость макромолекул метилольных производных, что облегчит взаимодействие их концевых функциональных групп;

- сместить равновесие в сторону повышения степени поликонденсации путем испарения побочных продуктов реакции (вода, формальдегид) из реакционной смеси грунта и вяжущего;

- уменьшить полидисперсность полимерной матрицы за счет воздействия температуры.

Заметим также, что термокаталитическое отверждение позволяет активно влиять на формирование химического состава и строения макромолекул, надмолекулярных образований полимерной матрицы и макроструктуры материала.

Автор полагает, что совокупность этих факторов позволит повысить показатели физико-механических свойств композиционных материалов на основе КФС и грунтов. Вместе с тем в реальных условиях эксплуатации полимерная матрица композиционных материалов на основе КФС и грунтов подвергается интенсивным воздействиям физико-химического и механического характера (гидролитическая и термоокислительная деструкции, солнечная радиация, механические нагрузки, перепад температур и др.), ухудшающим ее свойства.

Для устранения этого недостатка предложена поверхностная пропитка изделий из композиционных материалов на основе КФС и грунтов продуктами переработки нефти (битум, гудрон и т.п.).

На основании вышеизложенного определены цель и задачи исследований.

Во второй главе проведены теоретические исследования трещиностойкости изделий из композиционных материалов на основе КФС и грунтов при тепловой обработке. Опасность нарушения сплошности изделий возникает в период охлаждения, когда сформировавшаяся жесткая высокомолекулярная структура затрудняет собственные деформации, а температурные напряжения совпадают по знаку с усадочными.

Для правильного назначения режимов тепловой обработки изделий при термокаталитическом отверждении были проведены расчеты кинетики температуры в отдельных точках изделий и ее распределения в объеме изделий в различные моменты времени. Расчеты выполнены на ПЭВМ с помощью программы, составленной на основе решений П.В. Лыкова уравнения теплопроводности для неограниченной пластины. В качестве исходных данных использованы результаты исследований В.И. Соломатова, В.В. Патуроева, Л. Рафальского и др. Предельные значения температуры среды составили 130-200 °С, что обеспечивает при прочих равных условиях большее количество эфирных связей, лучшую водостойкость и учитывает термостойкость основных структурных элементов КФС.

Результаты численного эксперимента, расчет температурных и усадочных напряжений показали, что в целом для всего периода тепловой обработки при термокаталитическом отверждении композиционных материалов на основе КФС и грунтов целесообразен следующий режим:

- быстрый подъем температуры среды до 180 - 200 °С и изотермический нагрев поверхности изделий до 135 - 140 °С;

- быстрое снижение температуры среды до 130 - 135 °С, изотермический нагрев изделий и постепенное снижение температуры среды до 100 - 120 °С. На этом этапе градиент температуры изменит свой знак и сблизит степень поликонденсации полимерной матрицы по толщине изделий, а более высокая, чем у среды температура на их поверхности ускорит процессы испарения побочных продуктов реакции;

- распалубка и погружение изделий в ванну с пропитывающей жидкостью, нагретой до 80 - 130 °С. Пропитывающая жидкость, проникая в структуру материала, ослабит жесткость связей на контакте КФС - грунт и повысит их релаксационную способность. Опасность возникновения трещин при этом снижается, поскольку усадка полимерной матрицы компенсируется деформациями ее набухания;

- слив пропитывающей жидкости, складирование и охлаждение изделий до нормальной температуры. Перепад темпера-

тур по толщине изделий при этом не превышает предельно допустимого значения и дополнительно сблизит степень поликонденсации полимерной матрицы в центре и на поверхности.

Для точного определения продолжительности этапов тепловой обработки получена зависимость, описывающая процесс набора прочности композиционными материалами на основе КФС и грунтов при термокаталитическом отверждении.

В ряде работ рост прочности композиционных материалов на полимерном вяжущем во времени описывают зависимостью:

К! = К (1 - ехр (- а Ц) (1)

где 1 - длительность твердения;

а - показатель, характеризующий скорость твердения; IV прочность по истечении времени; К - конечная прочность.

Показатель а характеризует природу конкретного композиционного материала и зависит от температурных и влажно-стных условий твердения.

Нетрудно заметить формальный, феноменологический характер зависимости, которая не раскрывает и не отражает механизм поликонденсации КФС потому, что кроме основной реакции - реакции роста полимерной цепи при получении композиционных материалов в реальных условиях протекает ряд других: образование реакционных центров; обрыв полимерных цепей; образование простых веществ и т.п.

Прочность материалов в конечном счете определяется конкуренцией реакции роста цепи полимера и реакций, приводящих к обрыву или прекращению роста полимерных цепей. Такая конкуренция зависит от природы протекающих реакций и их относительной скорости, обусловленной химическим составом (концентрация смолы, наличие примесей и т.п.), технологическими параметрами (температура, давление и т.п.)

Мы полагаем, что более четкое представление о процессе набора прочности при термокаталитическом отверждении воз-

можно при использовании уравнений формальной кинетики химических реакций.

Известно, что типичные механические характеристики (пределы прочности при растяжении, изгибе, сжатии и т.п.) очень резко изменяются в зависимости от молекулярного СCi в области значений молекулярных весов реальных полимеров. Изменение среднечислового молекулярного 8ecct в процессе реакции поликонденсации было описано системой кинетических уравнений:

dC(t)

(2)

dN(t)

при начальных условиях: С(0) - С0 N(0) = 0 k(0h,2= 0

где C(t)- количество пар молекул, содержащих реакционные центры (метилольные и иминогруппы); N(t)- количество межмолекулярных связей, образующихся в процессе отверждения;

k(t)12 - константы скорости реакций роста полимерных цепей и их деструкции соответственно.

k(t) = В ехр (Еа / R)T(t)) (3)

где В - постоянная, пропорциональная концентрации КФС; Еа- энергия активации; Rp универсальная газовая постоянная; T(t)- температура реакционной среды,ьК .

При последующих упрощениях общего решения системы уравнений (2) получена формула для случая изотермического отвержения

Я = А 1 ехр (- к! 1) (4)

где И - характеристика прочности (пределы прочности при изгибе и сжатии, модуль упругости и т.п.), МПа; Ь - время отверждения, час.

А - параметр, зависящий от структурных (наполнение, пластификация и т.п.) и технологических (перемешивание материалов, уплотнение смеси и т.п.) факторов.

Полученная зависимость (4) соответствует теоретическим представлениям о механизме реакции поликонденсации КФС, раскрывает влияние концентрации и расхода КФС, температуры и времени отверждения на характеристики прочности композиционных материалов на основе КФС и грунтов. Линеаризация формулы (4) логарифмированием допускает использование метода наименьших квадратов при статистической обработке экспериментальных данных.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований.

Сложный механизм реакции поликонденсации КФС и новизна предлагаемого способа термокаталитического отверждения определили для всего объема экспериментальных исследований стадийное выполнение работ в следующей последовательности:

- экспериментальная проверка рабочей гипотезы исследований об эффективности индустриальной технологии термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов и поверхностной пропитки изделий из них продуктами переработки нефти;

- изучение процесса термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов при воздействии на него структурных (расход и концентрация КФС) и технологических (температура и продолжительность тепловой обработки) факторов;

- отработка технологии и проверка работоспособности технических решений, обеспечивающих трещиностойкость асфальтобетонных покрытий на сборных плитах из композиционных материалов на основе КФС и грунтов и снижение ресурсоемкое™ оснований сборных плит.

Для изготовления смеси использовали мелкие пески из трех карьеров. В качестве вяжущих применяли наиболее распространенные и доступные карбамидоформальдегидные смолы марок КФ - МТ и КФ - Ж производства Нижнетагильского завода пластмасс.

На первом этапе была реализована серия однофакторных экспериментов. В качестве функций отклика рассматривали пределы прочности при изгибе и сжатии. Условия и результаты экспериментов приведены в таблице.

Полученные результаты показали целесообразность дальнейших исследований. Для того, чтобы исключить влияние факторов и эффектов взаимодействия, зависящих от конкретных условий производства и оборудования, был проведен ПФЭ типа 2^.

Ранее было установлено, что продолжительность перемешивания свыше 3 минут при любом составе смеси не приводит к значимому увеличению прочности, поэтому в качестве независимых факторов были выбраны:

Х1 - расход КФС марки КФ - МТ в % от массы грунта, 6 -10 %; Х2 - влажность грунта, 1 - 5 %; Х3 - продолжительность виброуплотнения смеси, 2-4 мин.

В результате получено линейное уравнение регрессии:

Яизг = 7.24 + 2.05 X! - 0.99 Х2 (5)

адекватное эксперименту по критерию Фишера. Незначимость коэффициентов а3, а12, а[з, а2з, а^з по критерию Стьюдента определили в дальнейших исследованиях продолжительность перемешивания и виброуплотнения в течение 3 минут.

Условия эксперимента и результаты Расход КФС от массы грунта, % Продолжительность перемешивания КФС и грунта, мин Продолжительность тепловой обработки час

Грунт песок мелкий воздушной влажности

Расход КФС в % от массы грунта 4-20 6 6

Продолжителы юсть перемешивания КФС и грунта, мин 2 1,5-4 3

Продолжительность виброуплотнения смеси при инерционном пригрузе (6 х 10"3 Мна), мин 3 3 3

Температура тепловой обработки, °С 150 150 130,150,180

Продолжительность тепловой обработки, час 4 4 1,5-6

Предел прочности, Мпа - при изгибе - при сжатии 4,5-12,0 15-46 7-12 2-11,6

Для исследования водостойкости композиционных материалов на основе КФС и грунтов при их термокаталитическом отверждении была изготовлена серия из 12 образцов. Расход КФС марки КФ-Ж составил 12 % от массы грунта, а отверждение проведено при 150 °С в течение двух часов.

Установленные потери прочности при водонасыщении и частичное ее восстановление после сушки свидетельствует о том, что в полимерной матрице под воздействием воды происходят необратимые химические процессы (гидролитическая деструкция) и абсорбция воды полимерной матрицей (обратимое снижение прочности).

Показанное обстоятельство в совокупности с другими деструктивными факторами не может обеспечить требуемые долговечность и надежность изделий из композиционных материалов на основе КФС и грунтов в дорожных конструкциях. Поэтому, в соответствии с выводами, сделанными ранее, была апробирована поверхностная пропитка битумом БНД 200 / 300

образцов - балочек 4 х 4 х 16 см. Пропитку выполняли погружением образцов, после отверждения при 150 °С и распалубки, в пропитывающий материал, нагретый до 130 °С. Глубину пропитки (1-2 см) регулировали временем выдержки образцов в ванне.

После пропитки образцы выдерживали в воде в течение семи суток и испытывали на изгиб . Испытания показали, что наблюдается незначительное водопоглощение, обусловленное пониженным содержанием битума в поверхностном слое без снижения прочности.

Исследование процесса старения полимерной матрицы проводили в открытом грунтовом лотке в естественных климатических условиях г. Тюмени при непосредственном воздействии солнечной радиации, кислорода воздуха, атмосферных и других факторов. Испытания образцов на прочность при изгибе в 1988 и 1991 гг. и дисперсионный анализ результатов по критерию Фишера показали, что деструктивные факторы оказали незначимое воздействие на показатели прочности.

Второй этап экспериментальных исследований и статистическая обработка его результатов выполнены в следующей последовательности:

- по результатам испытаний серии образцов (три образца в каждой точке) на изгиб и их половинок на сжатие методом наименьших квадратов определены параметры зависимости (4):

R = A Q k) t ехр (- к! t)

ki= 3iCi ехр (- 1946 / Т) (6)

где Q - расход вяжущего, % от массы грунта; Сг концентрация КФС, %;

А - структурно-технологический параметр. В нашем случае величина А составила:

предел прочности при изгибе - 3,54 МПа / % предел прочности при сжатии - 13,60 МПа / %

- в области экстремума все опыты дублировали, а затем во всех исследованных точках факторного пространства проверяли адекватность модели результатам эксперимента по критерию Стьюдента.

Второй этап экспериментальных исследований, статистическая обработка его результатов и геометрическая интерпретация расчетов показали (рис.1 и 2):

- разработанная модель процесса термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов вполне удовлетворительно (соответствие критериям Стыодента и Фишера) описывает результаты эксперимента и раскрывает влияние периода и температуры отверждения, расхода и концентрации КФС на показатели прочности (предел прочности при изгибе, сжатии и модуль упругости);

- константа скорости реакции поликонденсации находится в прямопропорциональной зависимости от концентрации КФС и для нее соблюдается уравнение Аррениуса;

- при продолжительности отверждения свыше величины обратной константе скорости реакции поликонденсации в полимерной матрице композиционных материалов на основе КФС и грунтов преобладают процессы деструкции.

Дополнительно к показателям прочности при изгибе и сжатии на установке статистического нагружения исследовали реологические свойства. Полученные экспериментальные зависимости "напряжение - деформация" и "деформация - время" (рис.3 и 4) свойственны для хрупкого типа материалов при выраженном упруговязком характере развития деформаций. Хрупкое разрушение объясняется стеклообразным состоянием полимерной матрицы, при котором конформации цепей главных валентностей практически заморожены.

Результаты лабораторно-экспериментальных исследований позволили положительно оценить возможность изготовления и долговечность малогабаритных конструктивных элементов из композиционных материалов на основе КФС и грунтов при термокаталитическом отверждении и поверхностной пропитке изделий из них продуктами переработки нефти . Этот вывод основан на сопоставимости размеров и условий испытаний долговечности образцов с толщиной малогабаритных изделий (балочки и плитка для укрепительных работ, тротуарная плитка и т.п.) и реальными условиями их эксплуатации.

к к

г

к

о а. о а и

2 =

Я

о *

5

2,00

1,75

1,50

1,25

1,20

о

1 X

в

0,0022 0,0023 0,0024 0,0025

Величина, обратная абсолютной температуре отверждения, (К") ' Рис. 1. Зависимость константы скорости реакции от температуры отверждения

к

X

ет ч

<а (1) а

В

с Ё

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

30 40 50 60

Концентрация КФС, %

Рис. 2. Зависимость константы скорости реакции от концентрации КФС

1 = 0.011 + 0.028 • г"' е Т " (Г

напряжени я в образце - .1 МПа

расход КФС : - 6 % от массы грунта

О 50 75 /ОО

Время под нагрузкой, час

Рис. 3. Зависимость прогиба середины образца 4 х 4х 16 см. от времени

0,40

0,30

а ю

3 к

к <

ю 8 ь-О

а С

0,20

0,10

0,00

разруи [ение образца

• расход КФС : - 6 % от массы -рунта

2 3 4

Напряжения, МПа

Рис. 4. Зависимость прогиба середины образца 4 х 4х 16 см от напряжения

Технологию термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов в крупногабаритных изделиях апробировали при изготовлении дорожных плит 400 х 150 х 16 см. В сентябре - ноябре 1989 г. был оборудован опытный цех. Опытная технологическая линия состояла из штабеля мелкого песка карьера "Андреевский" воздушной влажности, склада КФС марки КФ - Ж в бочках, смесителя принудительного действия С - 250, двух глубинных вибраторов, ручного катка, двух металлических форм, кран-балки грузоподъемностью 5 т, установки тепловой обработки плиты с системой принудительной вентиляции и ванны для поверхностной пропитки. Всего было изготовлено 6 плит.

Для проверки работоспособности плит, конструктивно-технологических решений по повышению трещиностойкости асфальтобетонных покрытий на основании из сборных плит и снижению ресурсоемкое™ конструкций дорожной одежды была построена серия опытных участков.

В мае 1990 г. на автомобильной дороге IY категории Демь-янское - Речпорт (ПК , 22) был построен опытный участок дорожной одежды общей площадью 24 м2. Проектом было предусмотрено устройство двухслойного покрытия из горячего асфальтобетона марки III, тип Б, толщиной 8 см на основании из сборных железобетонных плит 300 х 150 х 16, уложенных на дополнительный слой основания из ПГС толщиной 15 см. В конструкции дорожной одежды на опытном участке железобетонные плиты были заменены на плиты опытной серии.

В августе 1985 г. на автомобильной дороге IV категории Го-лышманово-Бердюжье (ПК 200 - ПК 200 + 35) был построен опытный участок дорожной одежды с покрытием из холодного асфальтобетона марки II, тип Бх, толщиной 6 см на основании из сборных плит 175 х 175 х 20 см со скосами боковых граней из цементогрунта с расходом цемента М - 400 16 % от массы грунта. Верхнюю часть швов, образованную скосами боковых граней, заполняли автогрейдером, надвигая щебень "от себя". В остальном технология не отличалась от известной. Общая площадь опытного участка составила 220 м2 .

Летом 1989 года на автомобильной дороге III категории Новый Уренгой - Ямбург (ПК 40 + 40 - ПК 41 + 20) был построен опытный участок с трещинопрерывающей прослойкой между покрытием из горячего асфальтобетона марки II толщиной б см и основанием из сборных плит ПДН, общей площадью 640 м2.

Опытно-производственное строительство подтвердило возможность устройства трещинопрерывающей прослойки из щебня на жестком основании и показало преимущество заклинки асфальтобетонной смесью, что обеспечивает большую устойчивость слоя щебня.

Технология устройства "облегченного" основания под сборные плиты была отработана при строительстве опытного участка на концевой полосе безопасности взлетно-посадочной полосы аэродрома в п.Ямбург. Конструкция основания на опытном участке состояла из поперечных полос пескоцемента шириной 100, 150 и толщиной 15 см, размещенных под поперечными швами, серединой плит и сплошного слоя пескоцемента толщиной 10 см, уложенного сверху. Общая площадь опытного участка составила 485 м2.

Результаты опытного строительства "облегченного" основания показали, что предлагаемая конструкция позволяет сократить расход вяжущего, не требует изменений в технологии укрепления грунтов смешением на дороге и предполагает точность разбивочных работ,, достижимую в любой дорожно-строительной организации.

В процессе обследования опытных участков установлено, что они находятся в удовлетворительном состоянии и не отличаются от проектных.

В четвертой главе выполнен анализ результатов исследований с точки зрения "теории внедрения" и приведены практические рекомендации.

Анализ результатов исследований с точки зрения " теории внедрения" показал, что индустриальная технология дорожного строительства с применением изделий из композиционных материалов на основе КФС и грунтов снизит ресурсоемкость и повысит эксплуатационные характеристики конструкций до-

рожных одежд, сократит дефицит дорожно-строительных материалов. Расчетный экономический эффект использования плит из композиционных материалов на основе КФС и грунтов в конструкциях дорожных одежд для условий Среднего При-обья и Крайнего Севера Тюменской области составляет 70 -100 тыс. руб / км в ценах 1991 года.

Состав и последовательность операций по производству изделий из композиционных материалов на основе КФС и грунтов базируется на известной технологии железобетона и его поверхностной пропитке. Практические рекомендации содержат требования к исходным материалам, параметры технологический операций, способы контроля качества изделий, рекомендации по конструкции плит и дорожной одежды, особенности технологии устройства дорожных одежд с применением плит из композиционных материалов на основе КФС и грунтов и обеспечивают безопасные условия труда и охрану окружающей среды.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа опыта получения и применения композиционных материалов на основе КФС, механизма реакции поликонденсации КФС и их эксплуатационной надежности, предложена технология термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов и поверхностной пропитки изделий из них продуктами переработки нефти.

2. В результате теоретических исследований трещиностой-кости изделий в процессе термокаталитического отверждения и численного эксперимента определена общая схема и предельные параметры тепловой обработки.

3. Для расчета рациональных режимов тепловой обработки получена зависимость,описывающая процесс термокаталитического отверждения композиционных материалов на основе КФС и грунтов .Зависимость раскрывает влияние концентрации и расхода полимерного вяжущего, температуры и периода отверждения на показатели прочности композиционных материалов на основе КФС и грунтов и соответствует теоретиче-

ским представлениям о механизме реакции поликонденсации КФС,

4. В процессе статистической обработки результатов экспериментальных исследований определены параметры зависимости,описывающей процесс термокаталитического отверждения и подтверждено ее соответствие результатам эксперимента по критериям Стьюдента и Фишера .

5. Установлено, что термокаталитическое отверждение обеспечивает высокие показатели прочности (К изг = 5-11 МПа, И сж= 20 - 40 МПа),однородности (С V изг = 0,10; С V сж = 0,25) при расходе КФС 45 - 85 кг/мЗ по сухому остатку. Хрупкое разрушение композиционных материалов на основе КФС и грунтов при термокаталитическом отверждении сочетается с выраженным вязкоупругим характером развития деформаций, предельное значение которой при изгибе составляет 8 = 0,003 - 0,004.

6. Испытания образцов в открытом грунтовом лотке на воздействие естественных природно-климатических и атмосферных факторов г. Тюмени, солнечной радиации, влаги и кислорода воздуха показали, что поверхностная пропитка композиционных материалов на основе КФС и грунтов продуктами переработки нефти на глубину не менее 10 мм практически исключает деструкцию полимерной матрицы.

7. Изделия из композиционных материалов на основе КФС и грунтов при термокаталитическом отверждении и поверхностной пропитке продуктами переработки нефти могут быть использованы для строительства покрытий и оснований дорожной одежды, укрепления откосов подтопляемых насыпей и отверстий малых искусственных сооружений, устройства покрытий тротуаров и аллей,

8. Устройство асфальтобетонного покрытия на основании из сборных плит существенно повышает эксплуатационные характеристики проезжей части, а трещиностойкость покрытия обеспечивается конструкцией плит со скосами боковых граней либо трещинопрерывающей прослойкой из щебня между покрытием и основанием. В случае недостаточной несущей способности грунта земляного полотна вертикальная ус-

тойчивость дорожной одежды может быть достигнута при строительстве основания в виде полос укрепленного грунта под продольными швами и краями (поперечными швами и серединой) плит.

9. Индустриальная технология дорожного строительства с применением композиционных материалов на основе КФС и грунтов, при их термокаталитическом отверждении и поверхностной пропитке продуктами переработки нефти, способствует снижению транспортных издержек, ресурсо- и энергоемкости в дорожном строительстве, сокращает дефицит дорожно-строительных материалов,обеспечивает высокое качество изделий,безопасные условия труда и охрану окружающей среды.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Агейкин В.Н. //Тез.докл. XI Всесоюзной научно-исследовательской кон-ференции"Перспективные экономичные и долговечные конструкции автомобильных дорог и технология их сооружения'-'-М., 1987гС.36.

2. Агейкин Б.Н., Бурматов Е.П. // Тез.докл. научно-технической конферен-ции.-Тюмень, 1990.-С. 35 - 37. "

3. Агейкин B.H.-,(Линцер A.B., Платонов В.П.//;Способ укрепления ресчаного грунта.А.с.Ы 1536914 /СССР/. -,...-.

4. Агейкин В.Н., Бурматов Е.П., Линцер A.B., Скрипка В.В. // Установка для испытаний образцов на усталость. Äx. N 1480542 /СССР/.

5. Агейкин В.Н., Бурматов Е.П., Линцер A.B., Скрипка В.В. // Установка для испытаний образцов на усталость при изгибе. A.c. N 1494710 /CQCР/.

6. Линцер A.B., Агейкин В.Н. // тр. СоюздорНИИгМ.: СоюздорНИИ, 198/гС.

гг-73-,

7. Платонов А.П., Линцер A.B., Агейкин В.Н. // Межвуз. сб. тр.-А.: ЛИСИ, 1990гС. 23 - 26.

8. Агейкин В.Н. // Тез.докл.международной научно-технической конференции " Нефть и газ Западной Сибири ^,Тюмень? 1996-.-С. 172.

9. Агейкин В.Н. // Тез. докл. республиканской научно-технической конференции " Проблемы дорожного строительства^Суздаль,!996гС.46.