автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Исследование сдвигоустойчивости асфальтоцементных композитов для дорожных покрытий

РГб од

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

УДК 625.046:539.4

ШУМЧИК Виктор Касперович

ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГОУСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.23.05 - строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 19 9 7

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В. А. Веренько

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Оппонирующая организация - НПО "Белавтодорпрогресс",

Защита состоится" 23" декабря 1997 г. в 14 часов на заседании Совета по защите диссертаций Д,02.05.05. в Белорусской государственной политехнической академии по адресу : 220027 , г. Минск, пр. Ф. Скорины, 65, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан ноября 1997 г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций

кандидат технических наук,

В,Н. Яглов;

кандидат технических наук, доцент А.Э. Змачинский.

доцент

С. П. Баранов

© Щумчик В.К., 1997

• >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В общем комплексе строительства автомобильных дорог Республики Беларусь большое народнохозяйственное значение имеет выбор строительных материалов для устройства надежных и долговечных конструкций дорожных одежд. Развитие автомобильного транспорта привело к увеличению ин~ энсивности воздействия на дорожную одежду и возрастанию количества дефектов. Особенно остро стоит проблема для перекрестков и остановок общественного транспорта городских улиц м дорог. Широко используемый материал дорожных покрытий - асфальтобетон исчерпал запас надежности на действие современных тяжелых нагрузок, что приводит к появлению сдвиговых деформаций в виде колей уже в первый год эксплуатации. В связи с этим с 70-х годов в странах Западной Европы и США стали применять асфальтоиементные композиты (АЦК), в основном с использованием битумных эмульсий. Однако такие материалы довольно дорогие из-за высокой цены эмульсии и оборудования для их приготовления. Поэтому актуальным является вопрос получения АЦК на традиционном технологическом оборудовании путем ввода определенными способами цемента и воды в состав асфальтобетонной смеси. Для промышленного освоения подобных материалов важно установить механизм структурообразования АЦК и выработать требование к материалу из условия обеспечения его долговечности и сдвигоустойчивости.

Таким образом, тема исследований является актуальной и направлена на создание надежного сдзигоустойчивого нового материала на основе АЦК для дорожных покрытий. Однако требуется проведение дополнительных экспериментальных и теоретических исследований.

Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнялась в соответствии с заданиями тем: ГБ 96 - 31 р 2 "Разработать теоретические основы формирования структуры дорожных бетонов на органо-минеральных вяжущих с анализом свойств и прогнозом долговечности".

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка АЦК для создания сдвигоустойчивых дорожных покрытий в городских условиях эксплуатации и технологии их приготовления на основе закономерностей формирования структуры и обеспечения надежной работы в дорожной одежде.

Задачи исследований:

1 .Получить аналитическую зависимость, позволяющую определять напряжения, возникающие в дорожном покрытии под колесом автомобиля с учетом жесткости и радиуса колеса, а также физико-механических и реологических свойств покрытия.

2.Исследовать закономерности процесса структурообразования АЦК при различных технологических режимах приготовления смесей.

3.Выполнить исследования физико-механических свойств АЦК в зависимости от состава и свойств исходных материалов.

4.Разработать требования к материалу дорожного покрытия из условия сдвигоустойчивости и оптимизировать состав АЦК.

5.На основе проведенных исследований разработать практические рекомендации по приготовлению и устройству сдвигоустойчивых дорожных покрытий из АЦК.

Научная нспизна работы. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм образования связей прогидратировавшего цемента в структуре АЦК, который обусловлен образованием эмульсии на стадии смешения и протеканием процесса гидратации во времени. Впервые обоснована роль минерального порошка как структурного элемента цементного камня в составе АЦК. Проведен анализ возникающих в покрытии напряжений от колес автомобильного транспорта с учетом жесткости шины и реологических свойств АЦК, и разработана методика по определению требуемых характеристик материалов для обеспечения сдвигоустойчивости.

Практическая значимость полученных результатов. Разработан материал для долговечных сдвигоустойчивых покрытий перекрестков и остановок общественного транспорта городских улиц и дорог. Рекомендуемая методика оценки сдвигоустойчивости дорожных покрытий учитывает возникающие напряжения под колесом автомобиля и реологические свойства материала, что позволяет строить дорожные покрытия требуемой сдвигоустойчивости, а также осуществлять оперативный контроль качества выпускаемого материала. Данная методика использована для расчета состава АЦК при ремонте покрытий остановок общественного транспорта в городе Минске.

Применение разработанных технологических режимов для получения АЦК с заданными свойствами позволяет уменьшать общую толщину дорожной одежды на загородных дорогах И - IV технической категорий.

На основе проведенных исследований утверждено "Руководство по подбору составов и устройству сдвигоустойчивых покрытий городских улиц и дорог из бетонов на органоминеральном вяжущем".

Экономическая значимость полученных результатов. Использование АЦК позволяет увеличить надежность и продлить межремонтные сроки службы покрытий улиц и дорог в 3 - 5 раз. На загородных дорогах применение АЦК позволяет экономить около 100 млн. рублей (в ценах 1995 года) на 1 км дорожной одежды.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: механизм образования связей прогидратировавшего цемента в структуре АЦК при вводе воды после обработки смеси битумом; роль минерального порошка как структурного элемента цементного камня в составе АЦК; требования к материалу дорожных покрытий из условия сдвигоустойчивости в зависимости от назначения покрытия и типа АЦК; методика определения соответствия фактических параметров материала требуемым из условия сдвигоустойчивости.

Личный вклад соискателя. Диссертация явилась результатом личной работы автора. Им проведен анализ существующих методик оценки сдвигоустойчивости и имеющихся типов дорожных композитных материалов; сделан анализ возникающих в дорожном покрытии напряжений от воздействия автомобильного колеса с учетом его жесткости и реологических свойств покрытия; теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм образования связей прогидратировавшего цемента при технологии с вводом воды после обработки смеси битумом; обоснована и подтверждена роль минерального порошка в структуре АЦК, а также разработана методика по оценке соответствия рассматриваемого материала требованиям сдвигоустойчивости под расчетную транспортную нагрузку. Разработаны требования к материалу из условия сдвигоустойчивости.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались и одобрены на конференции в г. Владимире в1989 и 1990 гг., международной научно-технической конференции в г. Минске (1994), а также научно-технических конференциях БГПА 1994-1995гг.

Опубликованность результатов. Результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 статьи, 1 авторское свидетельство, 6 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем диссёртации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, 5 глав, списка использованных источников и приложений. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунка, таблицы, список использованных источников включает наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены состояние вопроса и задачи исследования

Исследованием причин возникновения деформаций и разрушений дорожных покрытий занимались Н.Н. Иванов, М.И. Волков, Б.И. Ладыгин. И.А. Рыбьев, Н В. Горелышев. В.А. Золотарев. Л .Б. Гезенцвей. А.П. Виноградов, В.В. Братчун, В.В. Мозговой. В.М. Гоглидзе, Л.С. Губач, И В. Ко-

ролев, ЯН. Ковалев, A.B. Руденский, И.К. ЯЦевич и другие. Ими было установлено, что в течение первых 2-3 лет эксплуатации у остановок общественного транспорта и на перекрестках возникают значительные пластические деформации в виде "колей", волн и наплывов.

Острота проблемы потребовала от исследователей проведения большого объема теоретических работ по установлению критериев сдви-гоустойчивости. Анализ этих критериев и методов их оценок показывает, что многие из них условны, недостаточно полно учитывают физико - механические свойства материалов и условия их работы в дорожном покрытии. Об этом свидетельствует наличие на покрытии остаточных пластических деформаций даже при условии выполнения рекомендаций.

Одним из путей решения этой проблемы является применение асфальтоцементных композитов (АЦК), для получения которых не требуется проводить полную реконструкцию асфальтобетонных заводов. Достаточно произвести дооборудование существующих установок линиями подачи воды.

Теоретические основы структурообразования АЦК и их применение на практике заложены в работах В.Н .Безрука, В.М. Гоглидзе, A.M. Богуславского, H.A. Горнаева и других. Показано, что АЦК обладают по сравнению с цементобетоном большей эластичностью и деформативно-стью, износостойкостью и водонепроницаемостью. От традиционного асфальтобетона их отличает повышенная прочность, лучшая тепло- и водостойкость и большая долговечность.

В диссертационной работе рассматриваются АЦК с равномерным распределением битумных и цементных связей в объеме материала, где свойства цемента проявляются на уровне микроструктуры материала. Закономерности структурообразования данных систем практически неизвестны.

В работах Э.А. Казарновской, Ю.С. Черкинского, Т.П. Лещицкой, В.М,- Гоглидзе, М.Ш. Дзидзигури, H.A. Горнаева, A.B. Потапова и многих других доказано, что битум химически инертен к цементу и не оказывает существенного влияния на процесс гидратации.

Свойства АЦК во многом определяются технологией приготовления. Наиболее простой и в то же время наименее изученной является технология ввода воды после обработки битумом минеральной части. Поэтому данная технология была подробно изучена в представленной работе.

Важную роль в струкгурообразовании АЦК играют процессы смачивания на границе раздела вода-битум. Большой вклад в исследование смачивания на границе вода- битум посвятили свои работы ВА Золотарев, Н А. Горнаев, Е.А. Горнаева , A.B. Потапов, И В. Королев и другие.

Ими исследовался вопрос смачивания и диффузии воды под битумные пленки и было установлено, что процесс диффузии воды усиливается при наличии в битуме тонкодисперсного наполнителя. В то же время механизм процесса гидратации, а также влияние на структуру материала, наряду с цементом, других наполнителей не изучен. Решение этих проблем позволит снизить расход.цемента и стоимость композита.

Во второй главе изложены основные теоретические предпосылки работы. В частности, напряженно-деформированное состояние материала покрытия на контакте колеса с покрытием. В настоящее время при определении контактных напряжений колеса с покрытием исходят из решения задачи о действии штампа, загруженного вертикальной и горизонтальной нагрузками, которые передаются через ровную площадку. В действительности при контакте колеса с покрытием происходит деформирование колеса и поверхности покрытия. Радиус кривизны контактной поверхности зависит от жесткости колеса автомобиля и реологических свойств материала покрытия. Искривление покрытия оказывает существенное влияние на величину горизонтальной составляющей покрытия. Для получения расчетных зависимостей, позволяющих определять величины напряжений, необходимо деформированное колесо привести к равновеликому с радиусом кривизны по поверхности контакта. При этом жесткость композитного материала можно получать из условия

Са = -Г"• '(1)

где г- радиус отпечатка колеса;

|х - коэффициент Пуассона;

Ег модуль ползучести АЦК с учетом прогиба колеса. Ввод Е( позволит в комплексе учесть реологические свойства материала покрытия. Летом, особенно в жаркую погоду, значения модуля ползучести могут уменьшаться до 300 - 400 МПа. Этому способствует наличие чаши прогиба покрытия под транспортным средством..

На основе ряда математических преобразований получены значения растягивающих и сжимающих напряжений в покрытии. Приняв:

А=-

с+с.

Получим:

А'

5

(3)

где Р - давление в шинах;

и -' коэффициент трения скольжения;

- радиус колеса; Р - сила, возникающая на покрытии от действия крутящего момента.

Верхний знак - для передней точки контакта, нижний - для задней.

В результате выполненного анализа формул установлено: напряжение в передней точке контакта колеса с покрытием превосходит напряжение в задней точке; повышение жесткости покрытия за счет ввода цемен та не только увеличивает его прочность, но и снижает величину сдвигающих напряжений. То есть при одинаковых значениях прочности АЦК И асфальтобетона первый будет иметь более высокую надежность.

Результаты расчетов растягивающего напряжения от автобуса «Икарус» и автомобиля МАЗ приведены на рис. 1.

6гЮ%

___ ___Ына^ус

тьаааиш

Икарус торможение МАЪ ■торнощяние ус

троганые

3 1$£±-ЮгПа

Рис. 1. Значения растягивающих напряжений,

вычисленных по формуле (2). 1 - передняя точка контакта; 2 - задняя точка контакта

?

5

На основе полученных данных о напряженно - деформированном состоянии в зоне контакта колеса с покрытием и свойств материала покрытия были разработаны требования к материалу из условия сдвигоустой-чивости.

Большое внимание в работе уделено проблеме структурообразова-ния. При смешении неполярного битума с гидрофильными зернами цемента образуются флокулы. Битумные пленки над пустотами флокул не структурированы. Это облегчает проникание в глубину флокул воды и вызывает ее разрушение. Оптимальное количество битума в смеси с цементом при условии структурированности битумных пленок составляет 14 - 15%. Минимальная толщина битумной пленки на зернах цемента составляет 0,3 - 0,5 мкм. Следовательно, часть зерен цемента не полностью покрыта битумом. Малая толщина битумных пленок, большая удельная поверхность способствуют тому, что вода в первую очередь попадает на поверхность цемента. При вводе воды в покрытую битумом смесь происходит разрушение флокул и смачивание открытых участков поверхности зерен цемента. рН водной среды возрастает, угол избирательного смачивания и кинетический гистерезис смачивания уменьшаются. Смесь при перемешивании представляет собой систему из коротких капилляров. Вращение лопастей смесителя приводит в движение воду, а также неструктурированный битум и создает диспергируюший,эффект. Совместное движение по капиллярам приводит к образованию эмульсии, чему способствуют температура смешения и механическое трение зерен друг о друга. Учитывая, что поверхностное натяжение у воды выше, чем у битума в межзернсвом пространстве , образуется эмульсия типа вода -масло. В результате ослабления битумных пленок за счет поглощения ими воды ускоряется отрыв капель битума от поверхнйсти зерен. Повышение рН среды препятствует мгновенному распаду эмульсии. Зерна цемента из распавшихся флокул работают как твердый эмульгатор.

Таким образов, при вводе воды в смеситель происходит образование прямой и обратной эмульсий. Прямая эмульсия образуется в межзерновом пространстве, а обратная в структуре толстых битумных пленок на крупных зернах заполнителя.

Для полного отслаивания битумных пленок при температуре 80 - 90 °С требуется порядка 20 - 25 минут, поэтому при реальном времени перемешивания АЦК с водой поверхность минеральных зерен покрывается пленками мозаичной структуры. У зерен песка и щебня участки, покрытые битумом, чередуются с участками, покрытыми еодой, а у зерен цемента водой покрываются целые грани.

Образование битумной эмульсии в процессе перемешивания создает условия для гидратации зерен цемента и для образования структуры гид-

ратных новообразований, имеющих жесткие связи за счет срастания друг с другом. Структуры гидратных новообразований наиболее активно появляются е период жизни эмульсии, и их рост продолжается до полного удаления воды из состава смеси.

Если технологический цикл между смешением и укладкой больше времени распада эмульсии, то количество цемента и воды в составе смеси должно исключать полную гидратацию цемента и полное обезвоживание смеси.

Уплотнение уложенного слоя создает активные колебания битумо -водной среды А']К. При этом создается поток водной составляющей битумо - водной среды в межзерновом пространстве, который обладает вьн сокой энергией, способствующей преодолению кинетического .гистерезиса смачивания, что увеличивает количество воды в структуре битумных пленок и на поверхности минеральных зерен.

С увеличением температуры цементобетонной смеси выше 65 °С происходит ускорение процесса гидратации. Поскольку битумные пленки замедляют процесс образования связей гидратных новообразований и смесь в бункере находится в рыхлом состоянии, то процесса запаривания можно не опасаться при достаточно большом количестве цемента и толстых битумных пленках.

Полностью избежать запаривания цемента можно с помощью ввода воды в шнекораспределительное отделение асфальтоукладчика с использованием поливо-моечной машины..

Применение разогрева смеси при использовании технологии ввода воды до битума позволяет сохранить количество воды до 4-8 %.

Цемент в структуре АЦК выполняет роль тонкодисперсного наполнителя, активатора поверхности минеральных зерен и самостоятельного вяжущего, способного образовывать вторичные структуры. Структурные свойства АЦК будут зависеть от того, достаточно ли образовалось продуктов гидратации для создания сплошной структуры во всем объеме материала или упрочнение будет происходить за счет связывания отдельных частиц в агрегаты и укрепления флокул.

Минеральный порошок в структуре АЦК можно рассматривать как структурный элемент цементного камня, роль которого состоит в повышении плотности структуры и увеличении количества центров кристаллизации. С учетом того, что в АЦК часто наблюдается дефицит воды для максимально возможной гидратации цемента, вследствие испарения и выдавливания ее части в процессе уплотнения, в процессе формирования структуры большая часть воды попадает к зернам цемента как за счет большей гидрофильности, так и за счет ее миграции. Поэтому меньшая часть цемента будет выполнять роль тонкодисперсного наполнителя.

В третьей главе изложены результаты исследования процессов гидратации и струкгурообразования АЦК. Высказанные во второй главе предположения о возможности попадания тоды к непокрытым битумом участкам зерен цемента и об образовании эмульсии нашли свое подтверждение. Дискретность битумных пленок подтвердила сорбция паров воды определенная эксикаторным способом, (табл. 1).

Таблица1

С орбция_паров воды образцами битумоцемента, мг/г_______

Марка битума Количество битума в смеси

8 12 16 20 24

БНД 40/60 21 17 14 11 8

БНД 90/130 24 20 17 14 11

ВНД 200/300 28 24 21 18 15

Полученные данные свидетельствуют о линейной зависимости между адсорбцией паров воды и количеством битума, покрывающим цемент, по обратно пропорциональной зависимости. Важно то, что даже при содержании битума в 24 % , когда теоретически вся поверхность цемента должна быть покрыта битумными пленками, сорбция возможна, а следовательно, возможна и гидратация цемента непокрытых участков.

Изучение процесса формирования структуры битумоцементного вяжущего осуществлялось на приборе П.А. Ребиндера путем определения сопротивления сдвигу Рт. <рис. 2).

время, час

Рис. 2. Зависимость сопротивления сдвигу образцов ст времени формирования структуры : а) цементное тесто; б) АЦК с веодом воды до битума; в) АЦК с вводом воды после битума

Анализ полученных результатов показал, что характер формирования цементных связей в структуре битумоцемента подчиняется закономерностям формирования структуры цементного теста. Наличие битума приводит к удлинению коагуляциокного периода структуры от 2-3 часов для

технологии ввода воды до битума и на 3-6- часов для технологии ввода битума после воды.

Микроскопические и ренгенофазовые исследования битумацемент-ных систем подтвердили факт гидратации цемента и образования структур цементных новообразований. Результаты определения степени гидратации представлены в табл. 2 .

Характер распределения линий на рентгенограммах показал, что у образцов битумоцемента присутствуют все характерные для рентгенограмм цемента линии, но количество прогидратировавших минералов меньше.

Таблица2

Степень относительной гидратации битумоцементных образцов, %

Технология Степень относительной гидратации

приготовления к исходному цементу к тесту норм. Густоты

Сзв . С3А • СзБ С3А

Цементное тесто нормальной густоты 56.1 35.3 100 100

Битумоцемент с вводом воды после битума 34.7 20.8 61.8 58.3

Битумоцемент с вводом воды до битума 46.9 29.1 83.6 82.4

Микроскопические исследования подтвердили гипотезу об образовании комплексов гидратных соединений, и их характер расположения подтверждает образование связей в толще битумных пленок по водным каналам, объединяющим отдельные зерна. Характер расположения гидратных новообразований при использовании минерального порошка в составе АЦК подтвердил предположение о роли минерального порошка как структурного элемента цементного камня и дополнительного центра кристаллизации.

Исследование структуры АЦК проводили с помощью экстракции образцов - балочек в растворе спирто - бензола. Результаты экстракции показали, что чем выше содержание цемента, тем монолитнее образцы и уже с объемного содержания битума 0.33 - 0.37 в общем объеме смеси начинается заметное появление каркаса.

В зависимости от объемного соотношения вяжущих цементная фаза может быть разделена толстыми прослойками битума и не взаимодействовать между собой или будут проявляться перколяционные мостики продуктов гидратации.

В четвертой главе проанализированы результаты исследования физико-механических свойств АЦК. Для получения более объективной зависимости свойств АЦК от их состава был проведен эксперимент на основе полного трехфакторного плана. Результаты планирования показали, что для АЦК с вводом воды после битума в зоне низких ( около О °С ) и средних ( около 20 °С ) температур наиболее значимыми факторами являются вязкость и количество битума. Это связано с тем, что битумные связи воспринимают на себя значительную часть нагрузки, хорошо релаксиру-ют и гасят возникшие напряжения.

В зоне действия высоких температур для прочности на сжатие наиболее значимыми факторами являются : качественная характеристика битума ( произведение вязкости битума на его количество), количество цемента и интенсивность изменения его количества, которое влияет на толщину битумных пленок. Наблюдается оптимум содержания битума в пределах 5-5 */„ от массы минеральной части. Наличие оптимума можно объяснить преобладающей ролью битумных связей и выполнением гид-ратными новообразованиями роли активного наполнителя. Несомненный интерес представляют собой данные испытаний по бразильскому методу, так как в прочности на растяжение основную роль играют силы внутреннего сцепления. Наибольшее влияние на данный показатель оказывают интенсивность изменения вязкости битума и его количество, а также би-тумоцементное отношение и количество цемента. Интересно, что у битумов с малой вязкостью нет оптимума содержания битума. Такие зоны появляются у битумов с пенетрацией 40 - 110 °П. Это свидетельствует о том, что усиление или ослаблении роли цемента зависит от вязкости битума, а не только от битумо-цементного отношения.

Изучение результатов математического моделирования при вводе воды до битума показало, что при вязкости битума меньше 110 - 300 °П и при содержании цемента более 7 - 8 % преобладающую роль играют цементные связи.

Более полное представление об отличии АЦК от традиционных асфальтобетонов можно получить путем анализа отношения их прочностей при одинаковом гранулометрическом составе,

При вводе воды после битума отношение прочностей варьируется : при сжатии для 20 °С до 2.3 раз, для 50 °С до 4.7 раз, для 0 °С до 1.4 раз ; при растяжении для 20 °С до 2.2 рал, для 50 °С до 2 -10 раз, при 0 °С до 25%.

При вводе воды до битума отношение прочностей варьируется : при сжатии для 20 °С до 3.3 раз, для 50 °С до 7 раз, для 0 °С до 60% ; при растяжении для 20 °С до 2.8 раз, для 50 °С в 5 - 12 раз. при О °С до 2 раз.

Был произведен аЛализ слагаемых, входящих в состав условия сдви-гоустойчивости. Исследования модуля ползучести Е( показали, что его значение для АЦК колеблется в пределах 1500 - 2500 МПа, количество постоянно упругих связей равно 0,03 - 0,05, а предельный структурный модуль упругости составляет 104 МПа. При проведении расчетов были учтены статистические коэффициенты запаса и установлены следующие требования к материалу покрытия из условия сдвигоустойчивости (табл. 3 и 4 )

ТаблицаЗ

Значение прочности на растяжение по бразильскому методу, МПа

Условия Типы асфальтобетона Нижний

движения Аи Б В ГиД слой

Перегоны 0.15 0.25 0.35 0.15

Участки торможения (перекрестки) 0.35 0.55 0.9 0.4

Таблица4 Минимальная прочность на сжатие при температуре 50 °С, МПа

Условия Тип асфальтобетона Нижний

движения Аи 6 В ГиД слой

Городские улицы 1.4 1.6 1.8 1.2

Участки торможения (перекрестки) 1.8 2.2 2.8 1.5

Сравнение полученных требований с результатами испытания щебенистых АЦК свидетельствует, что при покрытия содержащие более 50 % щебня и более 10 % цемента будут обладать требуемой сдвигоустойчи-востью.

АЦК имеет определенный период формирования своей структуры. В это время происходит увеличение прочности материала и завершаются процессы гидратации. Важно то, что прочность АЦК при вводе воды после обработки битумом уже в первые сутки не уступает прочности асфальтобетона аналогичного зернового состава. Изучение набора прочности во времени при воздействии погодно-климатических факторов показало, что прирост прочности наблюдается в течение двух лет, а затем затухает.

Исследование минерального порошка как элемента комбинированного наполнителя показало возможность замены до 50% цемента для технологии ввода воды после битума и до 30% при вводе воды до битума.

Наличие непрореагировавшего цемента улучшает водо - и морозостойкость АЦК за счет химического связывания воды и кольматации пор.

При кратковременных нагрузках, соответствующих воздействию транспорта, проявляется более высокий релаксационный модуль, который позволяет повысить модуль упругости дорожной одежды в целом, а следовательно, и уровень ее надежности. В то же время медленное деформирование, что наблюдается при охлаждении покрытия, дает значения близкие к показателям асфальтобетона. Это благоприятно сказывается на температурной трещиностойкости дорожного покрытия из АЦК.

В пятой главе обосновывается методика выбора оптимального состава АЦК и приводятся результаты опытно-промышленной проверки полученных результатов.

.Поскольку материал дорожного покрытия должен удовлетворять требованиям не только сдвигоустойчивости, но и трещиностойкости, коррозионной стойкости, усталости, была выполнена оптимизация составов АЦК по методике В.А.Веренько. Проведенные расчеты показали, что АЦК имеет запас надежности на 80 % выше по сравнению с асфальтобетоном.

Практическая реализация результатов исследований проведена в дорожно-строительных организациях Минска, Гродно и Шарковщины. Построены покрытия из рекомендуемых составов: остановок общественного транспорта в городах Минске и Гродно, на дороге Апанасенки - Лужки -Гвоздово, протяженностью 1700 м.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.Полученные формулы позволяют определить сжимающие и растягивающие напряжения в зависимости от жесткости автомобильной шины и покрытия. Анализ формул показал, что с увеличением жесткости по-

крытия происходит уменьшение сдвигающих напряжений. Разработаны требования к материалам дорожных покрытий из условия сдвигоустойчи-вости на основе показателя прочности на растяжение по бразильскому методу при 50 °С для зон остановки общественного транспорта и перекрестков. Предложенный метод оценки сдвигоустойчивости АЦК позволяет производить выбор требуемого материала на основе его прочностных показателей и возникающих от заданной нагрузки напряжений.

2.Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм образования связей прогидратировавшего цемента в структуре АЦК, который обусловлен образованием эмульсии на стадии смешения и протеканием прцесса гидратации во времени. В зависимости от рбъемно-го содержания и степени гидратации цемент в структуре АЦК может выполнять три функции: минерального вяжущего, активатора поверхности и тонкодисперсного наполнителя. При объемной концентрации цемента в составе битумоцементного вяжущего, равного 0,33 - 0,37, начинается образование кристаллизационного каркаса в структуре асфальтовяжуще-го. Прогидратировавший цемент в микроструктуре АЦК играет роль самостоятельного вяжущего и активного наполнителя.

З.Обоснована роль минерального порошка в структуре АЦК, который является дополнительным центром кристаллизации, позволяет за счет перераспределения воды увеличить степень гидратации цемента и увеличить прочность цементного камня за счет создания более плотной структуры. При вводе воды после битума применение минерального порошка позволяет снизить расход цемент.з и увеличить прочностные характеристики композита. Оптимальное количество минерального порошка по условию достижения максимальной прочности составляет 40 - 50%, но по условию водостойкости не должно превышать 35 %.

4.Установлено, что АЦК по своим физико-механическим показателям превосходит традиционные асфальтобетоны. Чем меньшую нагрузку могут воспринимать битумные связи, тем большая разница в прочности асфальтобетона и композита, особенно при высоких летних температурах. Для достижения оптимальной прочности композита и создавая более благоприятных условий необходимо применять битумы с пенетрацией в пределах 100 - 180 х 0.1 мм. АЦК имеет лучшую водо - и морозостойкость по сравнению с традиционным асфальтобетоном, а также более высокую способность к восстановлению структуры в период эксплуатации.

5.Разработана новая технология получения АЦК, заключающаяся в подаче воды непосредственно на стадии укладки, что позволяет продлить время технологического цикла и улучшить качество. Предложены оптимальные составы АЦК для условий интенсивного и тяжелого движения.

6.Результаты исследования нашли применение при строительстве улиц в г. Гродно и г. Минске, что позволило продлить срок службы покрытий и снизить эксплуатационные затраты.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Веренько В.А., Шумчик В.К. Экспериментальные исследования процессов восстановления структуры дорожных композитных материалов / Деп. в ЦБНТИ Минавтодора РСФСР № 134-ад, 1987. - 11 с.

2. Веренько В.А., Шумчик В.К. Критерии и методика оценки сдвиго-устойчивости дорожных композитных материалов / Деп. в ЦБНТИ Минавтодора РСФСР № 178-ад, 1990. - 15 с.

3. А.с.1689491 "Способ возведения дорожного покрытия" Веренько В.А., Шумчик В.К. / Е01С7/00 Б.И. № 34, 1991 заявлено 3.02.1990, опубликовано 08.07.1990.

4. Веренько В.А., Шумчик В.К.Пути повышения водо и морозостг йко-сти органоминеральных смесей с добавками гидравлических отходов производства / Тезисы докладов Региональной НТК "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог".- Суздаль, 1989. - с 64.

5. Веренько В.А., Шумчик В.К. Влияние добавок цемента на свойства битумоминеральных смесей / Тезисы докладов НТК "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог", в Нечерноземной зоне РСФСР." - Владимир, 1990. - с.87.

6. Веренько В.А., Шумчик В.К. Повышение прочности свойств органоминеральных смесей / Тезисы докладов .47 - й НТК, посвященной 70-летию Белорусского политехнического института. - Минск, 1992. - с.97.

7. Веренько В.А., Шумчик В:К. Бетон на органоминеральных вяжущих /Тезисы докладов, МНТК "Проблемы проектирования строительств и эксплуатации местных автомобильных дорог". Минск,1992. - с.51-52.

8. Веренько В.А., Шумчик В.К. Особенности структурообразования органоминеральных смесей с добавлением цемента / Тезисы докладов, МНТК "Проблемы проектирования строительств и эксплуатации местных автомобильных дорог". Минск,1992, - с.53-54.

9. Веренько В.А., Шумчик В.К Исследование влияния минерального порошка на свойства асфальтоцементных композитов, / Тезисы докладов 50 - й НТК преподавателей и сотрудников БГПА.1994. - с. 105

РЭЗЮМЕ ШУМЧЫК В1ктар Касперав1ч ДАСЛЕДАВАННЕ ЗРУХАУСТ0ЙЛ1ВАСЦ1 АСФАЛЬТАЦЭМЕНТАВЫХ КАМПА31ТАУ ДЛ Я ДАРОЖНЫХ ПАКРЫЦЦ Я/

Асфальтацэментавы кампаз1т, жорсткасць, пакрыццё, зрухаустой-л1васць, б|тум, цэмент, вада, эмульая, даугавечнасць, вязкасць, сувязь, сцюканне, расцяжэнне.

Паказана актуальнасць лраблемы будаунщтва зрухаустойл1вых да-рожных пакрыццяу на аснове асфальтацэментавых кампаз1тау.

Аб'екг даследавання - асфальтацэментавыя кампаз1ты, яюя выпуска-юцца па тэхналогм з уводам вады у сумесь пасля апрацоую яе б1тумам у стацыянарным змяшальнку, для будаунщтва зрухаустойптых дарожных пакрыццяу.

Мэта работы - распрацоука новага матэрыяла для будаун1цтва дауга-вечных \ зрухастойлшых дарожных пакрыццяу. Абгрунтаванасць I дак-ладнасць (верагоднасць) навуковых вывадау 1 практычных рэкаменда-цыяу пацверджаны: ужываннем сучасных метадау анал1зу (электронная м!краскашя, рэнгенафазавы анал'13,метад экшатарнай сорбцьн1 I. д.); ужываннем метадау матэматычнага планавання эксперымента 1 статы-стычнай апрацоум вынжау; вышкам1 практычнага дастасавання распра-цовак.

Тяарэтычна абгрунтаваны I экспериментальна пацверджаны мехаызм узт'кнення жорстох сувязяу у структуры асфальтацэйлентавых кампа-з1тау.

Гэтыя сувяз1 утвараюцца пры пдратацьн цэмента дзякуючы эмульга-ванню часта б1тума \ далейшаму распаду эмульси. Цэмент у структуры кампаз1та можа выконваць ролю тонкадысперснага напауняльмка, акты-ватара счаплення \ самастойнага вяжучага.

Упершыню абгрунтавана роля м'|неральнага парашку у складзе кам-паз1та як структурнага элемент цэментнага каменю.

Выкананы тэарэтычныя даследаванж кантактных напружанняу з ултам жорсткасц11 радыюса кола аутамабтя, а таксама уласцюасцяу "матэрыяла пакрыцця.

Распрацаваны матэрыял для пабудовы даугачасовых зрухаустой-л1вых пакрыццяу на перакрыжаваннях I прыпынках грамадскага транспарту, гарадсюх вулщ I дарог.

Рэкамендавэная методыка ацэню зрухаустойл1васц1 матэрыялау дарожных пакрыццяу ул1чвае напружанж.што узжкаюць пад колам1 аутама-бтя 1 уласцшасц1 матэрыяла.

На падставе праведзеных даследаванняу зацверджана « Настау-ленне па падбору саставу I канструкцьм зрухаустойл!вых г.акрыццяу га-радсюх вулщ I дарог з бетонау на арганамЫеральным вяжучым » .

РЕЗЮМЕ Шумчик Виктор Касперович

ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГОУСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Асфальтоцементный композит, жесткость, покрытие, сдигоустой-чивость, битум, цемент, вода, гидратация, эмульсия, долговечность, вязкость, связь, сжатие, растяжение.

Показана актуальность проблемы строительства сдвигоустойчи-вых дорожных покрытий на основе асфальтоцементных композитов.

Объект исследования - асфальтоцементные композиты , выпускаемые по технологии с вводом воды в смесь после обработки ее битумом в стационарном смесителе, для строительства сдвигоустойчивых дорожных покрытий.

Цель работы - разработка нового материала для строительства долговечных и сдвигоустойчивых дорожных покрытий.

Обоснованность и достоверность научных выводов и практических рекомендаций подтверждены: применением современных методов анализа ( электронная микроскопия, ренгенофазовый анализ, метод экси-каторной сорбции и т.д.); применением методов математического планирования эксперимента и статистической обработкой результатов; результатами практического применения разработок.

Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм возникновения жестких связей в структуре асфальтоцементных композитов. Эти связи образуются при гидратации цемента благодаря эмульгированию части битума и последующему распаду эмульсии. Цемент в структуре композита может выполнять роль тонкодисперсного наполнителя, активатора сцепления и самостоятельного вяжущего. Впервые обоснована роль минерального порошка в составе композита как структурного элемента цементного камня. Выполнены теоретические исследования контактных напряжений с учетом жесткости и радиуса колеса автомобиля, а также свойств материала покрытия.

Разработан материал для устройства долговечных сдвигоустойчивых покрытий на перекрестках и остановках общественного транспорта

городских улиц и дорог. Рекомендуемая методика оценки сдвигоустойчи-вости материалов дорожных покрытий учитывает возникающие напряжения под колесом автомобиля и свойства материала.

На основе проведенных исследований утверждено "Руководство по подбору составов и устройству сдвигоустойчивых покрытий городских улиц и дорог из бетонов на органоминеральном вяжущем".

SUMMARY Viktor K.Shumchlk INVESTIGATION OF SHEAR STRENGTH OF ASPHALT CONCRETE AGGREGATE COMPOUNDS DESIGNED FOR ROAD PAVING

Asphalt concrete aggregate compound, hardness, pavement, shear strength, bitumen, cement, water, hydration, emulsion, durability, viscosity, bond, pressure, strain.

The work presents the matter of building pavements resistant to shear, with asphalt concrete aggregate compounds used as the basic constituents, as a topical and urgent problem. The matter for the enquiry comprised asphalt concrete aggregate compounds prepared by adding water to the mix after the latter had been agitated with bitumen in a stationary mixer. Such compounds could be used for durable and shear - strong pavements.

Validity and reliability of the scientific conclusions and suggestions resulting from the investigation were proved with: up-to-date methods of analysis (electron microscopy, roentgen phase tests, exicator sorption method, etc.); mathematically designed experiments, data obtained, processed and statistically collated;

experience in practical application of the newly-designed materials.

The mechanism of rigid bonds being originated and developed in structure of the asphalt concrete aggregate compounds was substantiated theoretically and corroborated experimentally. II is owing to partial emulsification and subsequent decomposition of the emulsion that these bonds are generated and developed. Being a constituent in the structure of the aggregate compound, cement may be used as a fine-grade aggregate, an adhesive catalyst and as a binder in itself. The work represents the first attempt to substantiate the significance of mineral filling powder as a component of cement mixes. Theoretical studies were made into contact stresses, with rigidity and likely wheel radius, as well as the properties of the road paving materials taken into consideration.

A material was designed to confer durability and shear strength to the road pavements. It was applied at some crossroads and urban public transport stops, urban streets and roads. The technique suggested for evaluation of pavement shear strengh makes allowance both for tensions and strains provoked by ihe transport wheels and the properties of the materials themselves.

With reference to the aforementioned research results «Guidelines in Mix Designing and Building Shear-Strong Pavements of Urban Streets and Roads of Concrete and Organic-Mineral Binder» were approved

/

/