автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Комплексно-модифицированные холодные асфальтобетонные смеси для круглогодичного ремонта дорожных покрытий

Чернов Сергей Анатольевич

КОМПЛЕКСНО - МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ХОЛОДНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ СМЕСИ ДЛЯ КРУГЛОГОДИЧНОГО РЕМОНТА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 НОЯ 2011

Ростов-на-Дону 2011

4858471

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Илиополов Сергей Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Невский Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Корниенко Зоя Юрьевна

Ведущая организация: ОАО Дорожный проектноизыскательский

и научно-исследовательский институт «ГИПРОДОРНИИ» (Северо-Кавказский филиал)

Защита состоится «24» ноября 2011г. в 10 ч. 15 мин. в ауд. 232 на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, т/ф 8(863)263-53-10, E-maiMis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Автореферат разослан «21» октября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Налимова А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Быстрый рост интенсивности движения и грузонапряженности транспорта на автомобильных дорогах приводит к преждевременным разрушениям дорожных покрытий. Наиболее интенсивно дефекты и разрушения .появляются на асфальтобетонных покрытиях ранней весной. В этот период большинство асфальтобетонных заводов не выпускают горячую асфальтобетонную смесь, что не позволяет быстро и качественно устранять дефекты на покрытии. По этой причине возникает важная и актуальная задача поиска нетрадиционных строительных материалов, способных провести своевременный ремонт асфальтобетонных покрытий и предупредить разрушения дорожных одежд.

Цель диссертационной работы: разработка комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей для круглогодичного ремонта дорожных покрытий с улучшенными структурно-механическими свойствами и повышенной сдвигоустойчивостью.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- теоретически обосновать возможность получения комплексной добавки на основе каучуко-полиолефинов в качестве модификатора холодных асфальтобетонных смесей, существенно улучшающих их структурно-механические свойства;

- экспериментально исследовать процессы структурообразования в битумах, модифицированных разработанной добавкой;

-выявить механизмы воздействия применяемого модификатора на процессы структурообразования в холодных асфальтобетонах и установить влияние технологических факторов приготовления смесей на их эксплуатационные свойства;

- определить и оптимизировать количественное соотношение каучуко-полиолефинового модификатора в битумах и асфальтобетонных смесях;

- методами математического планирования получить экспериментально-статистические модели оценки влияния количества вяжущего, полимерной и адгезионной добавок на физико-механические показатели холодного асфальтобетона;

- экспериментально исследовать динамику старения разработанных комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей;

- осуществить опытно-производственную проверку разработанных холодных асфальтобетонных смесей в региональных условиях юга России.

Объект исследования - холодные асфальтобетонные смеси, предназначенные для ремонта покрытий автомобильных дорог.

Предмет исследования - физико-механические свойства модифицированных холодных асфальтобетонных смесей, отличающихся повышенной сдвигоустойчивостью при высоких летних температурах.

/

/

3

7

Научная новизна:

- теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм воздействия каучуко-полиолефиновой добавки на процессы структурообразования и структурно-механические свойства жидких битумов и холодных асфальтобетонных смесей;

- экспериментально выявлено воздействие основных технологических и рецептурных факторов на свойства холодных асфальтобетонных смесей.

На защиту выносятся:

теоретическое обоснование и результаты экспериментальных исследований технической возможности и экономической целесообразности применения разработанных комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами;

- результаты экспериментальных исследований оптимизации состава вяжущего и оценки воздействия разработанного модификатора на свойства холодных асфальтобетонных смесей;

- математические модели экспериментально-статистических зависимостей физико-механических свойств комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонов от их структуры и количественного содержания вяжущего;

- методика проведения и результаты экспериментальных исследований особенностей влияния рецептурных факторов и технологии приготовления на физико-механические свойства разработанных комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена сходимостью результатов параллельных испытаний; сопоставимостью результатов лабораторных и опытно-производственных работ; использованием современных приборов и оборудования; экспериментально-статистическими методами математического планирования эксперимента и теорией математической статистики.

Практическое значение работы:

- разработан комплексный каучуко-полиолефиновый модификатор, обеспечивающий повышение физико-механических свойств вяжущего и сдвигоустойчивости холодных асфальтобетонных смесей при высоких летних температурах;

- разработана технология приготовления и применения комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей, предназначенных для круглогодичного ремонта покрытий автомобильных дорог;

разработаны методические рекомендации по применению модифицированных холодных асфальтобетонных смесей;

- получены патенты РФ № 2340641 «Битумная композиция для ремонта влажного асфальтобетонного покрытия», № 2418019 «Вяжущее для дорожных пластобетонов» и подана заявка № 2010143025/03 от 20.10.10 «Плотная органоминеральная смесь».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Строительство 2006 - 2011 г.) и других международных конференциях: МНТК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Пермь, 2010 г.), ВНПК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006 г.), а также опубликованы в Известиях высших учебных заведений «Строительство» (Новосибирск, 2009 г.), Известиях ОрёлГТУ. Серия «Строительство и реконструкция» (Орел, 2011 г.) и научно-техническом сборнике «Дороги и мосты» (Москва, 2011 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в двух патентах и 15 публикациях, в том числе в 3 работах в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 140 наименований, в том числе на иностранных языках, 3 приложений. Работа изложена на 218 страницах машинописного текста, содержит 55 таблиц и 39 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации работы.

В первой главе проведен анализ применения традиционных методов и материалов для ремонта покрытий автомобильных дорог, их преимущества и недостатки. Самым распространенным материалом для ремонта асфальтобетонных покрытий являются горячие и литые смеси. Анализ существующих материалов выявил основные проблемы их качества, в первую очередь это невозможность своевременного проведения работ и невысокое качество применяемых битумов. Применение литых смесей вместо горячих не всегда целесообразно, так как требует зачастую дополнительного оборудования и больших экономических затрат.

На основании имеющегося зарубежного опыта, в качестве основного материала для круглогодичного ремонта покрытий автомобильных дорог предложено применять холодные асфальтобетонные смеси.

Проведен подробный анализ структуры и основных свойств холодного асфальтобетона, приготовленного на разжиженных вязких битумах. По работам A.C. Колбановской представлено взаимодействие структурных типов битумов с разжижйтелями. На основании проведенного анализа установлено влияние разжиженных битумов на качество холодного асфальтобетона и выявлено их несоответствие существующим физико-механическим и эксплуатационным требованиям.

Однако, чтобы целенаправленно изменить структуру и свойства холодных асфальтобетонных смесей и улучшить их качество, выявлено, что необходимо применять вяжущие, содержащие структурообразующие и поверхностно-активные добавки.

Во второй главе рассмотрены особенности применения холодного асфальтобетона в качестве материала для круглогодичного ремонта асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.

Проведен подробный анализ зарубежного опыта по приготовлению и применению холодного асфальтобетона на различного рода полимерных и эмульсионных вяжущих. По результатам многочисленных работ отечественных и зарубежных исследователей (П.И. Перегуды, Ф.Н. Пантелеева, Н.И. Иванова, Ю.И. Калгина, E.H. Козловой, В.О. Гельмера, A.B. Космина, И.В. Королева, JL Гранди, JI. Роджерса, Д. Бешева и др.) сформулированы основные требования, предъявляемые к качеству холодных асфальтобетонных смесей.

Для получения ремонтного материала, обладающего повышенными физико-механическими свойствами, был проведен анализ наиболее распространенных в последнее время групп полимерных модификаторов, особенностей их применения, преимуществ и недостатков. В связи с этим был предложен путь улучшения физико-механических свойств разжиженных битумов комплексными модификаторами, сочетающими в себе преимущества термопластов и эластомеров, с образованием сопряженной асфальтено-полимерной решетки. Такая структура улучшает деформативность вяжущего при низких температурах и повышает его устойчивость в «жаркий» период эксплуатации. Наряду с полимерно-каучуковыми и резиносодержащими добавками в составе разжиженных вяжущих особый интерес представляло использование и поверхностно-активных веществ, позволяющих улучшить адгезионные свойства смеси.

Проведенные теоретические исследования позволили сформулировать рабочую гипотезу, получение холодных асфальтобетонных смесей для круглогодичного ремонта покрытий с улучшенными прочностными характеристиками, высокой водостойкостью и повышенной сдвигоустойчивостью может быть достигнуто путем использования каучко-полиолефиновых и резиносодержащих полимерных добавок в сочетании с поверхностно-активными веществами.

Выявлено, что применение модифицирующих добавок приводит к увеличению показателя слеживаемости холодной асфальтобетонной смеси. Поэтому в этой главе подробно рассмотрены мероприятия, направленные на снижение показателя слеживаемости, и внесены коррективы в подбор состава смеси.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по изучению влияния полимерных и адгезионных добавок на показатели разжиженных битумов и по разработке модифицированных холодных асфальтобетонных смесей с улучшенными свойствами.

Представлен обзор применяемых материалов, приведена методика и результаты экспериментальных исследований, а также экспериментально-статистическое моделирование свойств полимерно-армированных и комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей.

В работе использованы минеральные материалы кислых пород:

- гранитный щебень фр. 5 - 10 мм, соответствующий ГОСТ 8269.0-97;

- песок из отсевов его дробления по ГОСТ 8736-93;

- активированный минеральный порошок МП-1 по ГОСТ Р 52129-2003;

- вязкий дорожный битум марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90;

- разжижитель - дизельное топливо;

- поверхностно-активная добавка КАДЭМ-ВТ по ТУ 2482-009-0470 620503 и различные модификаторы (каучуко-полиолефиновый модификатор и резиновый термоэластопласт).

Проведены исследования, посвященные разработке двух составов вяжущих, предназначенных для получения качественных модифицированных холодных асфальтобетонных смесей. В качестве полимерной составляющей в составе одного из вяжущих использовали каучуко-полиолефиновую добавку, а в другом - полимерный модификатор резиновый термоэластопласт. Кроме этого, оба вяжущих содержали поверхностно-активную добавку КАДЭМ-ВТ. Приготовление разжиженных вяжущих в лабораторных условиях осуществляли путем механического перемешивания разогретого до 120 - 140 °С вязкого битума марки БНД 60/90 с остальными компонентами вяжущего в течение 2030 минут в модифицирующей установке, разработанной С. В. Порадеком.

Процесс образования разжиженного модифицированного вяжущего на основе Каучуковой добавки осуществлялся в лабораторных условиях в два этапа - набухание каучука и соответственно само его растворение. По мере увеличения количества поглощенного растворителя возрастают расстояния между макромолекулами, а следовательно, межмолекулярное взаимодействие постепенно ослабевает, что приводит к переходу высокомолекулярного каучука-в гелеобразное состояние. Как показали исследования, именно в таком состоянии раствор полимера, объединяясь с битумом, достигает однородности вяжущего и образует в нем новые структурно-механические связи.

Для выявления необходимого количества каучука в составе вяжущего из условий сохранения марки битума СГ 70/130, одной из применяемых для приготовления холодных асфальтобетонных смесей, были проведены испытания по определению основных физико-механических показателей полученных разжиженных модифицированных битумов (табл. 1).

Из анализа результатов, приведенных в таблице 1, можно сделать вывод о том, что для приготовления качественного разжиженного вяжущего, обладающего повышенной температурой размягчения остатка и высокой температурой вспышки по сравнению с исходным битумом марки СГ 70/130, рекомендуется использовать 3 % каучуковой добавки.

Таблица 1 - Физико-механические показатели разжиженных модифицированных битумов на основе каучуковой добавки

Наименование показателей Требования ГОСТ 11955-82 для битума марки СГ 70/130 Исходный битум марки СГ 70/130 Жидкий модифицированный битум Содержание каучука, %

2 3

Условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 °С, с 70-130 78 82 114

Количество испарившегося разжнжителя, %, не менее 8,0 8,3 8,5 8,7

Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя, °С, не ниже 39 39 43 47

Температура вспышке в открытом тигле, °С, не ниже 50 97 105 119

Испытание на сцепление с мрамором и песком выдерживает по образцу № 2 не выдерживает не выдерживает не выдерживает

Меньшее ее содержание в составе битума незначительно изменяет свойства разжиженного вяжущего, а большее приводит к резкому возрастанию условной вязкости (рис. 1).

4 3 2

Содержание каучука, %

06%

Д 9 % растворы

Рисунок 1. Условная вязкость жидкого БПВ в зависимости от количества каучука

Для повышения температуры размягчения разжиженного вяжущего проводили исследования по разработке комплексной добавки, содержащей в своем составе каучук, полиэтилен и битум. Комплексное сочетание каучуковой и полиолефиновой добавок в разжиженном битуме будет способствовать значительному повышению его устойчивости к высоким летним температурам и улучшению хрупкости при низких температурах. Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что действие добавки основано на образовании полиэтиленом. в объеме битума отдельной армирующей структуры, соединенной высокоэластичными молекулами каучука со структурирующими компонентами битума в единую асфальтено-полимерную структуру. Такая

структура, объединяя преимущества полиэтилена и каучука, предполагает высокую деформативность и прочность вяжущего при низких температурах и обратимую деформацию при повышенных температурах.

В лабораторных условиях добавку готовили с использованием экструдера, позволяющего перемешивать названные компоненты в условиях повышенного давления с целью получения ее однородности.

Результаты экспериментальных исследований вяжущих, модифицированных разработанной каучуко-полиолефиновой добавкой при различном соотношении ее компонентов, представлены на рисунке 2.

По результатам предварительных испытаний было ограничено суммарное количество добавки 4 %, так как дальнейшее увеличение одного из компонентов приводит к резкому возрастанию условной вязкости, что препятствует обволакиваемости каменных материалов битумным вяжущим в процессе приготовления смеси и повышает слеживаемость при ее хранении.

0 12 3

Содержание полизтнлена, '/о

Содержание полиэтилена, %

х 63

<в

у

бз 58

2 У

3 я53 П. X

43

за

■ Й4

59--

........*5б --- 55

...........• 51

^тгщ

43____--—

Содержание полиэтилена, *-'»

- О % каучука

-2%

Содержание полиэтилена, %

Рисунок 2. Зависимости физико-механических показателей разжиженного вяжущего от содержания в нем комплексной добавки каучук-полиэтилен

Методом ИК-спектроскопии проводились исследования разработанного разжиженного вяжущего, содержащего каучуко-полиолефиновую добавку и поверхностно-активные вещества, с целью установления фазового состава полученного вяжущего и процессов структурообразования, происходящих при его приготовлении. Спектры снимались на приборе 8ресогс1-75П1 в жидкой пленке путем испарения растворителя из хлороформенного экстракта на окошках КВг. По результатам экспериментальных исследований было выявлено,что каждый компонент, входящий в состав вяжущего, выполняет свою особую структурообразующую роль:

- дизельное топливо позволяет разжижить вязкий дорожный битум до состояния жидкого битумного вяжущего, необходимого для приготовления холодных асфальтобетонов, и получить вяжущее марки СГ 70/130;

- каучуковый компонент в составе вяжущего обеспечивает холодному асфальтобетону необходимые прочностные характеристики, трещиностойкость, а также пластичность и водостойкость смеси;

- полиэтиленовая составляющая положительно влияет на устойчивость холодного асфальтобетона к воздействию высоких летних температур и обеспечивает повышенную сдвигоустойчивость;

- повехностно-активные вещества повышают пластичность и адгезионные свойства вяжущей композиции.

Процесс образования разжиженного полимерно-битумного вяжущего с резиновым термоэластопластом осуществлялся по технологии отличительной от вышерассмотренного вяжущего. Сначала добавку вводили в разогретый до рабочей температуры вязкий битум (130-140 °С) и перемешивали в течение 2030 минут до получения однородного вяжущего, после чего производили его разжижение до требуемой консистенции. Результаты определения условной вязкости разжиженных модифицированных битумов в зависимости от количества модификатора представлены на рисунке 3. При анализе данных можно отметить, что для получения разжиженного вяжущего марки СГ 70/130 целесообразнее использовать 20 % дизельного топлива и резиновый термоэластопласт в количестве 2-3 %. При 25 % содержании разжижителя необходимо добавлять модификатор больше 4 %, что экономически нецелесообразно. Кроме этого, высокое содержание дизельного топлива в составе вяжущего отрицательно влияет на его адгезионные способности и снижает водостойкость асфальтобетона, приготовленного на его основе.

180

ЕЗ 25%

В 20% диз. топливо

3 2

Содержание РТЭП, %

Рисунок 3. Условная вязкость разжиженного модифицированного вяжущего в зависимости от количества резинового термоэластопласта

Для детального изучения влияния резинового термоэластопласта на физико-механические показатели разжиженного вяжущего были проведены испытания его свойств, результаты которых представлены в таблице 2. Из приведенных результатов исследований (табл. 2) видно, что полученные с резиновым термоэластопластом разжиженные вяжущие отличались повышенной температурой размягчения остатка и температурой вспышки не только по сравнению с исходным битумом марки СГ 70/130, но и вяжущим, приготовленным на основе каучуковой добавки (табл. 1).

Таблица 2 - Физико-механические показатели разжиженных модифицированных битумов, содержащих 20 % дизельного топлива

Наименование показателей Требования ГОСТ 11955- 82 для битума марки СГ 70/130 Исходный битум марки СГ 70/130 Жидкий модифицированный битум

Содержание резинового термоэластопласта, %

2 3

Условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 "С, с 70-130 78 114 124

Количество испарившегося разжижителя, %, не менее 8,0 8,3 9,3 12,0

Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя, °С, не ниже 39 39 46 50

Температура вспышке в открытом тигле, "С, не ниже 50 97 127 156

Испытание на сцепление с мрамором и песком выдерживает по образцу № 2 не выдер живает выдер живает выдер живает |

^ х '-ж х ~ Л.Ы.Л». им«

дальнейшее его увеличение приводит к получению разжиженного битума марки СГ 130/200, что в свою очередь отрицательно сказывается на технологии приготовления холодной асфальтобетонной смеси.

Улучшение адгезионных свойств разжиженных вяжущих при введении резинового термоэластопласта проявлялось слабо и оценивалось в 3 балла по 5 балльной шкале. Для повышения этих свойств были проведены испытания по определению оптимального содержания адгезионной добавки КАДЭМ-ВТ в разжиженном модифицированном вяжущем. Из представленных на рис. 4 результатов видно, что с увеличением концентрации адгезионной добавки незначительно возрастает условная вязкость вяжущего, количество испарившегося разжижителя, температура размягчения остатка и температура вспышки. В то же время при этом визуально наблюдается повышение показателя сцепления вяжущего с каменным материалом (адгезия вяжущего). Результаты лабораторных исследований позволили установить, что для качественной адгезии битума к каменным материалам кислых пород достаточно применения 0,2 % поверхностно-активных веществ.

б) 13

к к si

-I

tp л

чз— W

——' 12,7

и,a >11,9

fZj

О ОД 0,4

Содержание КАДЭМ-В7; •/•

0,2 0,4

Содержание КАДЭМ-ВТ, •/•

02 0,4

Содержание КАДЭМ-ВТ, %

■ 0 % РТЭП -2% -*-2,5% -

0,2 0,4

Содержание КАДЭМ-ВТ, %

-3%

Рисунок 4. Зависимости физико-механических показателей разжиженного битума от содержания резинового термоэластопласта и адгезионной добавки КАДЭМ-ВТ: а) условной вязкости; б) количества испарившегося разжижителя; в) температуры размягчения остатка; г) температуры вспышки в открытом тигле

В диссертационной работе методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) были изучены физические и химические процессы, протекающие в разжиженном битуме марки СГ 70/130, модифицированном резиновым термоэластопластом и адгезионной добавкой КАДЭМ-ВТ. Спектры ЭПР исследуемых образцов снимались при комнатной температуре на трехсантиметровом спектрометре ER-9 фирмы «Zeiss». Магнитное поле спектрометра калибровалось с помощью протонного резонанса. Регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса производили на радиоспектрометре ИРЭС-1001. По интенсивности, форме и ширине этого сигнала определяли содержание свободных радикалов в исследуемом веществе.

Как показали исследования, наибольшая интенсивность парамагнитного поглощения, а следовательно, и максимально достигаемая дисперсность системы установлена для состава вяжущего на основе вязкого битума БНД 60/90, содержащего 2,8 % РТЭП и 20 % дизельного топлива. В таблице 3 представлены результаты проведенных исследований.

Повышенные значения количества неспаренных электронов в модифицированном разжиженном вяжущем объяснены наличием разжижителя, препятствующего сближению парамагнитных молекул, что стабилизирует свободные радикалы асфальтенов.

Таблица 3 - Концентрации парамагнитных центров исследуемых образцов

Наименование образца g (±0,0005) Н2 (±0,8) (гаусс) цЛ)б (±0,3)

Битум БНД 60/90 (исходный) 2,0035 5,7 1,00

Битум БНД 60/90 + 3 % РТЭП 2,0037 6,1 0,82

Битум БНД 60/90 + 2,0 % РТЭП + 20 % дизельного топлива 2,0030 5,6 1,48

Битум БНД 60/90 + 2,8 % РТЭП + 20 % дизельного топлива 2,0031 6,4 2,07

Битум БНД 60/90 + 3,0 % РТЭП + 20 % дизельного топлива 2,0032 5,9 1,73

Битум БНД 60/90 + 2,8 % РТЭП + 20 % дизельного топлива + 0,2 % КАДЭМ-ВТ 2,0030 5,6 1,48

Высвобожденные активные парамагнитные центры битума более активно вступают во взаимодействие с соседними молекулами асфальтенов, структурируя вяжущее. Введение в разжиженный битум ПАВ - КАДЭМ - ВТ вызывает понижение интенсивности парамагнитного поглощения. Отношение т]/т]б при введении адгезионной добавки уменьшается с 2,07 до значений 1,48 (табл. 3), что вызвано утолщением адсорбционно-сольватного слоя асфальтенов вяжущего за счет адсорбции на них молекул поверхностно-активных веществ. При введении в битум марки СГ 70/130 адгезионной добавки не только улучшает его свойства, но и воздействует на дисперсную систему вяжущего, приводя к образованию более укрупненных сложных структур в битуме.

Таким образом, в ходе проведенных исследований методом электронного парамагнитного резонанса установлено, что разжиженный битум марки СГ 70/130, полученный путем разбавления вязкого битума марки БНД 60/90 дизельным топливом с применением резинового термоэластопласта и ПАВ -КАДЭМ-ВТ, является вяжущим со стабильной дисперсной структурой и надежной защитой от спаривания локализованных неспаренных электронов, то есть способствует уменьшению слеживаемости смеси.

Для оценки влияния комплексного модифицированного разжиженного вяжущего на свойства холодных смесей были приготовлены асфальтобетонные образцы с различным содержанием исследуемой полимерно-армирующей добавки и количеством вяжущего. Оптимальное количество добавки было установлено по результатам экспериментального исследования вяжущего и составило 2,8 - 3,0 % резинового термоэластопласта и 0,2-0,4 % адгезионной добавки от массы вяжущего. Дальнейшее увеличение модификатора в составе вяжущего приводит к повышению его вязкости, что технологически отрицательно сказывается на приготовлении качественных холодных смесей и особенно их слеживаемости.

Одной из причин ограниченного применения холодных асфальтобетонных смесей является их длительное формирование в покрытии, которое обусловлено низкой первоначальной плотностью асфальтобетона из-за меньшего содержания вяжущего и жесткости смеси по сравнению с горячей, а также низкой когезионной прочностью применяемых маловязких вяжущих. Для выявления условий приготовления холодных асфальтобетонных смесей с целью получения максимальной плотности и высоких физико-механических показателей проводились экспериментальные исследования, в ходе которых

изучены зависимости свойств смесей от температуры их приготовления и содержания вяжущего. С этой целью количество вяжущего и температура смесей варьировались в пределах соответственно 4 - 5 % с шагом 0,5 % и в диапазоне 20-110 С. Испытанию подвергались образцы до прогрева в соответствии с ГОСТ 12801-98, результаты представлены на рисунке 5.

а)

б)

7,5

г- 7

Я 6,5

«

3 6 § 5,5

я г

Я 5 о

§4,5 «

>6,69 6,34

5,98

ь,/и

5,37

5,07

4,5% 5%

Количество вяжущего — 110'С----70 °С •••»•20 °С

4% 4,5% 5%

Количество вяжущего

■110°С -—-70 "С --*--20°С

к а

&Р

I, я и

Ч

3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5

>.87 :

2,50

3 ■

у 2,18

:1'7В

4% 4,5% 5%

Количество вяжущего -нее ;----7о °с -«*-■-го-с

в к

и 5

6'Ей

о ВЙ

Э

о н -

&'в и

II

1,2 1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6

1,01

,9Ь

0.91 ' 0,87 1 х

' ■ о,; 9

:Г0,66

4% 4,5% 5%

Количество вяял'щего -110°С - — • 70 °С 20°С

д)

е)

1

||0,9

О • г.

.Р 3

«■§0,8 0,75

д,9б

\ и 93 0,92

[¡86^-

* V 0,

г0,78

4% 4,5%

Количество вяжпцего

5%

15 ?13

Ь §11

о ч и о

I | 5

5 5 3

14^

7 7

— " .1— 7

5

4% 4,5% 5% Количество вяжущего -110°С----70 °С --*--20°С -110°С----70 •С-*-20'С

Рисунок 5. Влияние количества вяжущего и температуры приготовления на основные физико-механические показатели холодных асфальтобетонных смесей при содержании модификатора РТЭП в количестве 2,8 %

Из полученных результатов (рис. 5 а) следует, что с уменьшением процентного содержания вяжущего и температуры приготовления смеси происходит увеличение водонасыщения, а значит, и снижение плотности и водостойкости асфальтобетона (рис. 5 д). Существенное влияние на прочностные характеристики холодной асфальтобетонной смеси оказывает не столько температура их приготовления, сколько количество вяжущего и его состав. Из рисунка 5 б, в и г видно, что оптимальными свойствами обладают смеси с количеством битума 4,5 % и температурой приготовления 70 °С. Увеличение температуры приготовления и количества вяжущего в составе смеси приводит к хорошей обволакиваемости материала, но при этом значительно возрастает и важный показатель для холодных смесей -слеживаемость (рис. 5 е).

Уменьшение температуры приготовления и использование влажного каменного материала, требует увеличения количества вяжущего в интервале 4,5 - 5,0 %. Таким образом, для получения качественных модифицированных холодных асфальтобетонных смесей, обладающих высокими физико-механическими показателями и малой слеживаемостью, необходимо использовать сухой каменный материал без его нагрева и вяжущее в количестве 4,5 - 4,75 %, разогретое до температуры 120 - 140 °С. Тогда на выходе из смесителя получается смесь с температурой 40 - 70 °С, что наиболее благоприятно для получения качественного холодного асфальтобетона.

С целью получения возможности более точной оценки изучения влияния двух разработанных составов разжиженных вяжущих на свойства холодных асфальтобетонных смесей было проведено экспериментально-статистическое моделирование. Для этого в диссертационной работе спланировано два полных трехфакторных эксперимента по плану Бокса ВЗ и получены математические модели, адекватно описывающие зависимость функций отклика от варьируемых факторов: количества вяжущего (Х[), полимерной добавки (Х2) (каучуко-полиолефиновой добавки в одном варианте и резинового термоэластопласта - в другом) и адгезионной присадки КАДЭМ-ВТ (Х3). Установлены рациональные области значений для исследуемых факторов и получена теоретическая модель оценки и прогнозирования свойств модифицированных холодных асфальтобетонных смесей, приготавливаемых с использованием указанных компонентов. Изоповерхности основных физико-механических показателей по двум трехфакторным экспериментам представлены на рис. 6 и 7. На основании полученных данных можно с большой вероятностью и точностью прогнозировать воздействие исследованных факторов на свойства модифицированных холодных асфальтобетонных смесей.

Исходя из анализа изоповерхностей (рис. 6), можно сформулировать следующие основные принципы подбора состава холодных смесей и регулирования их свойств:

• изменяя количество вяжущего, можно регулировать плотность, водонасыщение, остаточную пористость, в некоторой степени прочность и водостойкость;

• варьированием количества каучуко-полиолефиновой добавки можно регулировать структуру вяжущего, его прочность, а также прочность его пленок в структуре смеси;

• с увеличением адгезионной присадки повышается водостойкость модифицированной асфальтобетонной смеси.

Изоповерхности водонасыщения

Изоповерхности предела прочности при сжатии при 20 °С

Изоповерхности предела прочности при сжатии при 20 С образцов после длительного водонасыщения

Изоповерхности предела прочности при сжатии при 50 °С

Изоповерхности показателя слеживаемости

Изоповерхности коэффициента длительной водостойкости

Рисунок 6. Изоповерхности основных физико-механических показателей модифицированных холодных асфальтобетонных смесей в зависимости от варьируемых параметров: количества вяжущего (Х0, каучуко-полиолефиновой добавки (Х2) и адгезионной добавки КАДЭМ-ВТ(Хз)

По результатам анализа изоповерхностей экспериментально-статистической моделей всех физико-механических показателей можно сделать вывод, что близким к оптимальному для всех трех компонентов является

16

содержание: вяжущего - 4,75 - 5,0 %, каучуко-полиолефиновой добавки - 2,6 -3,0 % от массы вяжущего и поверхностно-активных веществ аминного типа -около 0,4 %. В этих пределах варьирования смесь обладает следующими свойствами:

- предел прочности при сжатии при температуре 20 °С увеличивается по сравнению с традиционными холодными смесями без добавок: сухих образцов на 20 - 30 %; водонасыщенных образцов на - 15 - 30 %; образцов после длительного водонасыщения на - 10 %;

- предел прочности при сжатии при температуре 50 °С увеличивается на 50 %;

- другие важные показатели, такие как водонасыщение и слеживаемость, остаются в пределах допустимых значений.

Для сравнительного анализа с каучуко-полиолефиновой добавкой в другом трехфакторном эксперименте по плану Бокса ВЗ в качестве варьируемых факторов были выбраны аналогичные параметры.

Анализ экспериментально-статистических моделей холодных асфальтобетонных смесей с резиновым термоэластопластом и адгезионной добавкой КАДЭМ-ВТ указывает на значительные отличия свойств исходной и модифицированной смеси. Все три параметра варьирования оказывают положительный эффект на повышение прочностных характеристик модифицированной холодной асфальтобетонной смеси. Максимальное значение прочности составляет 3,0 МПа и достигается при оптимальном количестве вяжущего 4,3 %. Анализ изоповерхности предела прочности при сжатии при температуре 50 °С (рис.7) показывает, что значительное влияние на этот показатель оказывает содержание модификатора, введение которого в состав холодной асфальтобетонной смеси увеличивает сопротивляемость высоким летним температурам.

Особое внимание следует уделить и показателю слеживаемости холодных смесей, модифицированных резиновым термоэластопластом (рис.7). Из-за наличия в составе полимера и резиновой крошки асфальтобетон приобретает повышенную жесткость, увеличивается когезия, а следовательно, и слеживаемость смеси. Поэтому для получения модифицированной холодной асфальтобетонной смеси с показателем слеживаемости в пределах 7-8 ударов количество добавки было ограничено 3 %.

Изоповерхности водонасыщения

Изоповерхности предела прочности при сжатии при 20 °С

I

9

Изоповерхности предела прочности при сжатии при 20 °С образцов после длительного водонасыщения

....

Изоповерхности сцепления при сдвиге

Изоповерхности предела прочности при сжатии при 50 °С

ЖЩШ

ЯйЯш

' щ

Изоповерхности показателя слеживаемости

Рисунок 7. Изоповерхности основных физико-механических показателей модифицированных холодных асфальтобетонных смесей в зависимости от варьируемых параметров: количества вяжущего (Х0, полимерного модификатора РТЭП (Хг) и адгезионной присадки КАДЭМ-ВТ (Хз)

Одной из особенностей модифицированных холодных асфальтобетонных смесей является сочетание высоких физико-механических показателей прочности, коррозионной устойчивости и водостойкости наряду со стабильной и высокой сдвигоустойчивостью. Исследование сдвигоустойчивости проводилось с помощью комплекса показателей, прямо или косвенно характеризующих способность холодных смесей противостоять сдвигающим напряжениям. Сдвигоустойчивость складывается в основном из двух самостоятельных параметров, тем не менее действующих в комплексе: сцепление вяжущего и угол внутреннего трения. Зависимости влияния полимерного модификатора резинового термоэластопласта и процентного содержания вяжущего на сдвигоустойчивость представлены на рисунке 8.

18

Рисунок 8 Зависимость показателей от процентного содержания вяжущего и количества резинового термоэластопласта: а) коэффициента внутреннего трения; б) сцепления; в} индекса пластической деформации I . Процентное содержание вяжущего в составе смеси, как и предполагалось, имеет оптимум, отклонение от которого отрицательно сказывается на устойчивости асфальтобетона по отношению к высоким летним температура. При увеличении количества вяжущего до 5 % наблюдается его избыток, I увеличивается толщина битумных пленок и происходит со временем испарение ' легких составляющих битума, а недостаточность (4 %) приводит к слабой когезии и адгезии, что легко разрушает структуру асфальтобетона. Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что индекс пластической I деформации возрастает с увеличением количества добавки, которая, благодаря наличию в своем составе полимерной составляющей и резиновой крошки, I способствует повышению сдвигоустойчивости.

Холодные асфальтобетонные смеси в отличие от горячих смесей содержат на 25 - 30 % меньше вяжущего, а значит, существует вероятность их более интенсивного старения в процессе приготовления и на первом этапе хранения. Существует предположение, что применение модификаторов позволяет резко уменьшить скорость протекания окислительных процессов и способствует значительному повышению термоокислительной устойчивости I модифицированного битума и повышению долговечности асфальтобетона на его основе. Устойчивость модифицированных холодных асфальтобетонных смесей к старению оценивали по кинетике изменения физико-механических

19

I

и

свойств асфальтобетона, предварительно прогретых в течение определенного количества часов.

Испытания проводились на асфальтобетоне типа Бх I марки по методике TFOT (Thin Film Oven Test), согласно стандарту ASTM D 1754, за исключением температуры. Испытания осуществлялись с помощью термокамеры «Binder»,, оборудованной системой равномерного распределения воздуха по объему1 камеры. Экспериментальные исследования старения проводились при'" температуре 110 С, соответствующей температуре при испытании вяжущего! для определения количества испарившегося разжижителя и температуре! выпуска готовой смеси в соответствии с рекомендациями по производству холодных асфальтобетонных смесей Изучение процессов старения вяжущего оценивалось изменением физико-мехнических показателей прочности холодного асфальтобетона сухих и водонасыщенных образцов в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-2009 (рис.9).

а)»V S 2,8 Im

а

S 2.0

it* л

tv

О

х 0,8 О

С 0,4'

У N

к

V \

-■•—ч V.4

4

б).

12 16 20 24 28 32 3S 40 Время старения образцов, ч

о 0,8 с од

\

Ч N

12 tt М 24 28 32 36 40

Время старения образцов, ч

Рисунок 9. Зависимость предела прочности при сжатии от времени: а) сухих образцов при температуре 20 °С; б) водонасыщенных образцов при температуре 20 °С;

' модифицированная смесь ■ ■ > ■ • смесь без добавок

Данные показатели определены структурным состоянием битумной пленки и при этом реагируют на изменение состояния асфальтобетона в процессе старения. Из характера кривых видно преимущество термоокислительной устойчивости вяжущего по сравнению с вяжущим без добавок.

По результатам всех экспериментальных исследований предпочтение было отдано вяжущему и холодным асфальтобетонным смесям на его основе, содержащим: вяжущее - 4,3 %, полимерный модификатор РТЭП - 2,8 % и поверхностно-активную присадку КАДЭМ-ВТ - 0,2 %. Разработанные смеси обладают повышенной сдвигоустойчивостью и могут применяться в качестве круглогодичного ремонтного материала.

В четвертой главе изложена технология приготовления разработанных комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей и представлены результаты опытно-производственного внедрения по ремонту покрытий улиц г. Ростова-на-Дону (ул. Вятская, Орская, Стартовая, а также пр. Соколова, пер. Доломановский, пр. Добровольского). Приготовление смесей

и ремонт покрытий на экспериментальных участках производился силами ООО «Дорожник» в октябре 2009 г, марте и июле 2010 г.

Анализ результатов производственного внедрения разработанных холодных асфальтобетонных смесей, содержащих полимерный модификатор и поверхностно-активную добавку, показал, что на август 2011 г. уложенные смеси по всем физико-механическим показателям полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2009, а по отдельным показателям и превосходят требования, предъявляемые к горячим асфальтобетонным смесям.

Высокие по сравнению с традиционными холодными смесями показатели свойств разработанных модифицированных материалов позволяют сделать вывод о возможном продлении сроков службы отремонтированных участков и рекомендовать комплексно-модифицированные смеси к широкому внедрению. На основании результатов проведенных исследований были разработаны «Методические рекомендации по применению модифицированных холодных асфальтобетонных смесей, обладающих повышенной прочностью и сдвигоустойчивостью».

При этом необходимо учитывать, что, как правило, срок службы участков, устроенных литыми смесями в зимний период, составляет всего один сезон. С наступлением летнего времени года на них образуются различного рода пластические деформации в виде волн и наплывов, поэтому возникает необходимость проведения ремонта вновь, но уже горячими асфальтобетонными смесями. Разработанные комплексно-модифицированные холодные асфальтобетонные смеси позволяют проводить ремонт покрытий автомобильных дорог один раз и на длительный срок.

Экономический эффект от применения модифицированных холодных асфальтобетонных смесей на 2011 г. составляет 1043,17 руб. на 1 тонну продукции по сравнению с основным ремонтным материалом в осенне-весенний период (литыми смесями).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена техническая возможность и экономическая целесообразность применения холодного асфальтобетона в качестве альтернативного материала для круглогодичного ремонта;

2. Разработана комплексная добавка на основе каучуко-полиолефинов, позволяющая существенно улучшить структурно-механические свойства холодных асфальтобетонных смесей;

3. Методами электронного парамагнитного резонанса и ИК-спектроскопии выявлен механизм воздействия полимерного модификатора и адгезионной добавки на процессы структурообразования и структурно-механические свойства жидких битумов и установлено образование в них асфальтено-полиолефиновой решетки;

4. Методами математического планирования получены экспериментально статистические зависимости физико-механических свойств комплесно модифицированных холодных асфальтобетонных смесей от их структуры количественного содержания вяжущего, и установлены рациональны границы варьирования исследуемых факторов. При этом выявлен улучшение предела прочности при сжатии при температуре 20 °С сух! образцов на - 20-30 %; водонасыщенных образцов на - 20-30 %, образцо после длительного водонасыщения на - 10 %; предел прочности при сжати при температуре 50 °С увеличился на 50 ;

5. Экспериментальными исследования установлено воздействие основнь технологических и рецептурных факторов на свойства холоднь асфальтобетонных смесей;

6. Установлено, что разработанные комплексно-модифицированные холодны асфальтобетонные смеси на 30-40 % устойчивее к термоокислительном воздействию, чем холодные асфальтобетонные смеси без добавок;

7. Выполнено опытно-производственное внедрение полученных комплексно модифицированных холодных асфальтобетонных смесей. Асфальтобетон н опытных участках обладает стабильно высокой прочностью сдвигоустойчивостью. Экономический эффект в ценах на 2011 г. составляв 1043,17 руб за 1 тонну разработанной комплексно-модифицированной холодной асфальтобетонной смеси по сравнению со стоимостью литых смесей.

Основные положения диссертации опубликованы в 15 работах Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Чернов С.А. Модифицированная холодная асфальтобетонная смесь для ремонта покрытий // Известия высших учебных заведений «Строительство». -Новосибирск, 2009. - № 6 (606). - С. 49-54.

2. Чернов С.А. Исследование устойчивости к старению комплексно-модифицироанных холодных асфальтобетонных смесей // Известия ОрёлГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - Орёл: ГТУ, 2011. - №2 (34) 2011 -С. 108-113.

3. Чернов С.А., Мардиросова И.В. Зависимость физико-механических показателей холодных- асфальтобетонных смесей от температуры их приготовления // «Дороги и мосты»: науч. -техн. сб.. Вып. 25/1.- М., 2011 -

С. 250-256.

Публикации в других изданиях

4. Чернов СЛ., Лбов A.A. Холодная асфальтобетонная смесь для ремонта покрытий автомобильных дорог в неблагоприятных погодных условиях // Материалы 1 Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск: СибАДИ, 2006. - С. 258-262.

5. Чернов С.А., Мардиросова И.В., Лапченко Е.А. Модифицированная холодная асфальтобетонная смесь // «Строительство - 2007»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов-н/Д: РГСУ, 2007. - С. 12-13.

6. Чернов С.А. Холодная асфальтобетонная смесь для ямочного ремонта покрытий автомобильных дорог в зимний период // Изв. Рост. гос. строит, унта. - 2007. - № 11 - С. 326-327.

7. Чернов С.А., Илиополов С.К., Кучеров В.А. Ремонтная холодная асфальтобетонная смесь для асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог // «Строительство - 2008»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф.. -Ростов-н/Д: РГСУ, 2008. - С. 6-7.

8. Чернов С.А. Вяжущее для холодного асфальтобетона // Изв. Рост. гос. строит, ун-та. - 2008. - № 12 - С. 377-378.

9. Чернов С.А., Кучеров В.А. Альтернативный материал для ямочного ремонта покрытий автомобильных дорог // «Строительство - 2009»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов-н/Д: РГСУ, 2009. - С.6.

10. Чернов С.А. Комплексное вяжущее для холодных асфальтобетонных ,... смесей // Изв. Рост. гос. строит, ун-та. - 2009. - № 13. - С. 377-378.

0 11. Чернов С.А., Кучеров В.А., Ивановская И.В. Каучуко-

полиолефиновьш модификатор для дорожных смесей // «Строительство -2010»: Материалы юбилейной Междунар. науч.-практ. конф.. - Ростов-н/Д-РГСУ, 2010.-С.7-9.

12. Чернов С.А., Горелова И.А., Маловичко Ю.А. Основные принципы регулирования свойств холодных асфальтобетонных смесей // Изв. Рост. гос. строит, ун-та. - 2010. - № 14. - С. 357-354.

13. Чернов С.А., Мардиросова И.В. Комплексное модифицированное вяжущее для холодных асфальтобетонных смесей // «Дороги и мосты»: науч. -техн. сб. Выпуск 23/1.- М., 2010. - С. 228-237.

14. Чернов С.А. Материал для ремонта покрытий автомобильных дорог // «Инновация в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне, г. Пермь, 28-29 октября 2010 г. - Пермь: ПГТУ, 2010. - С. 220-225.

15. Чернов С .А., Маловичко Ю.А., Ширяев Н.И. Физико-химическое исследование вяжущего методом электронного парамагнитного резонанса // «Строительство - 2011»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов-н/Д: РГСУ, 2011. - С.22-25.

г *

' О'

Патенты

1. Патент № 2340641 РФ, МПК С08Ь 95/00. Битумная композиция д ремонта влажного асфальтобетонного покрытия / С.К. Илиополов, И. Мардиросова, С. А. Чернов и др. - Заявка № 2007126029/04 от 09.07.200 опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34

2. Патент № 24180*19 РФ, МПК С08Ь 95/00, С04В 26/26. Вяжущее для дорожных пластобетонов / С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, С.А. Чернов и др. - Заявка № 2009145232/04 от 07.12.2009; опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13

Подписано в печать 13.10.11.

Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Ризограф.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 549.

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов - на - Дону, ул. Социалистическая, 162

24

ФГБОУ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чернов Сергей Анатольевич

КОМПЛЕКСНО - МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ХОЛОДНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ СМЕСИ ДЛЯ КРУГЛОГОДИЧНОГО РЕМОНТА

ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

СО

О доктор технических наук,

сч

Т™ о^ профессор Илиополов С.К.

о -

СМ 00

Ростов-на-Дону 2011г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Состояние вопроса и задачи исследования 12

1.1 Анализ эффективности использования традиционных методов ямочного ремонта покрытий автомобильных дорог 13

1.2 Структура и свойства холодного асфальтобетона на основе разжиженных вязких битумов и пути повышения его качества 18

1.3 Цель и задачи исследования 28 Выводы по 1 главе 30

2. Теоретические и технологические предпосылюьприменения холодного асфальтобетона для ремонта асфальтобетонных покрытий 31

2.1 Зарубежный опыт применения холодных асфальтобетонных смесей

в качестве ремонтного материала 31

2.2 Влияние полимерных модификаторов различных» групп на

структуру и свойства битумов и асфальтобетонов * ( - 36

2.3 Выбор компонентов комплексного модификатора 43

2.4 Слеживаемость холодных асфальтобетонных смесей и методы, направленные на ее снижение 52 Выводы по 2 главе 57

3. Экспериментальные исследования по разработке составов и технологии приготовления холодных асфальтобетонных смесей, содержащих структурообразующие и поверхностно-активные добавки 59 3.1 Методы экспериментальных исследований и характеристика исследуемых материалов ( 61

3.1.1 Характеристика материалов, используемых для приготовления холодных асфальтобетонных смесей 61

3.1.2 Методы экспериментальных исследований и испытаний 71

3.2 Исследование, разработка и корректировка технологии приготовления разжиженных модифицированных вяжущих, применяемых для

получения качественных холодных асфальтобетонных смесей 77

3.2.1 Исследование влияния синтетического каучука и комплексной добавки на его основе на физико-механические показатели разжиженного вяжущего 78

3.2.2 Исследование влияния полимерного модификатора РТЭП на физико-механические показатели разжиженного вяжущего 85

3.3 Физико-химическое исследование разжиженного вяжущего

методом электронного парамагнитного резонанса ' 90

3.4 Оптимизация составов и свойств модифицированных холод ных асфальтобетонных смесей, а также корректировка технологиче

ских параметров методом математического планирования 98

3.4.1 Полимерное армирование холодных асфальтобетонных смесей и влияние компонентного состава и технологических факторов

на их свойства 99

3.4.2 Моделирование составов и прогнозирование свойств холодных асфальтобетонных смесей, модифицированных каучуко-полиолефиновой добавкой и поверхностно-активной присадкой КАДЭМ-ВТ ' 107

3.4.3 Выводы по результатам анализа физико-механических свойств модифицированной холодной асфальтобетонной

смеси, приготовленной с использованием каучуко-полиолефиновой добавки и поверхностно-активной присадки КАДЭМ-ВТ 118

3.4.4 Комплексная оценка качественных характеристик и корректировка технологических параметров приготовления

смесей с использованием полимерного модификатора РТЭП и ПАВ 122

3.4.5 Исследование влияния комплексной модификации на сдвигоустой-чивость и устойчивость к старению холодных асфальтобетонных смесей 131

3.4.6 Модель прогнозирования и оценки свойств холодных асфальтобетонных смесей, модифицированных разработанной добавкой 138 Выводы по 3 главе 141

4. Технология устройства и технико-экономическая эффективность применения холодных асфальтобетонов, модифицированных

комплексным вяжущим 143

4.1 Технология приготовления и производства работ 143

4.2 Технико-экономическая эффективность использования

результатов исследования 146

Выводы по 4 главе 152

Общие выводы 153

t

Литература 155

Приложение 1 170

Приложение 2 192

Приложение 3 203

ВВЕДЕНИЕ

Быстрый рост интенсивности движения и грузонапряженности транспорта на автомобильных дорогах приводит к преждевременным разрушениям дорожных покрытий. При этом реальные сроки службы асфальтобетонных покрытий редко превышают 4-5 лет, а в большинстве случаев составляют всего 2-3 года. Наиболее интенсивно дефекты и разрушения появляются на асфальтобетонных покрытиях ранней весной. В этот период большинство асфальтобетонных заводов не выпускают горячую асфальтобетонную смесь, что не позволяет быстро и качественно устранять дефекты на покрытии.

В настоящее время межремонтные сроки службы покрытий автомобильных дорог существенно ниже нормативных требований. Одна из основных причин — это использование устаревших технологий, опирающихся на традиционные материалы, несоответствующие по своим свойствам напряжениям и деформациям, возникающим в покрытии. Это особенно проявляется в климатических условиях юга европейской части России, где верхние слои дорожного полотна работают в значительно более широком диапазоне температур. Ужесточение требований к исходным дорожно-строительным материалам и своевременный ремонт покрытий позволяет увеличить срок службы автомобильных дорог.

Повышение долговечности автомобильных дорог — задача важная и актуальная и решить ее можно, в частности, за счет широкого применения новых технологий и нетрадиционных строительных материалов, позволяющих повысить качество асфальтобетонного покрытия и продлить его межремонтные сроки.

Для ремонта покрытий автомобильных дорог одним из наиболее

перспективных и экономически выгодных материалов явцяются холодные

асфальтобетонные смеси. Достоинства холодного асфальтобетона

заключаются в возможности заготавливать смесь впрок для дальнейшего ее

применения при ремонте асфальтобетонных покрытий не только при

5

благоприятных погодно7климатических условиях, но и при отрицательной температуре воздуха (до - 10 °С) и влажном покрытии. Таким образом, отличительные особенности холодных асфальтобетонных смесей позволяют осуществлять круглогодичный и своевременный ремонт, что дает возможность продлить работоспособность, асфальтобетонного покрытия и сохранить его транспортно-эксплуатационные характеристики.

Несмотря на то, что холодные асфальтобетоны известны в России и странах СНГ еще с 50-х годов прошлого столетия, их применение не получило широкого распространения; так как известные: ранее холодные; смеси на обычных жидких или ражжиженных битумах не отличались эксплуатационной долговечностью. Таким образом, возникает необходимость, использовать в составе холодных смесей; вяжущие,, позволяющие обеспечить высокие, физико-механические показатели и эксплуатационные-свойства асфальтобетона.

Как показали, многочисленные исследования, основная: часть повреждений . на асфальтобетонных покрытиях происходит по битуму. В связи с этим для? обеспечения оптимальных сроков службы- дорожной одежды и качественного своевременного ее ремонта, в первую» очерёдь, необходимо применять битумы, отвечающие современным условиям работы. Повысить качество . битумов возможно путем его модификации специальными добавками, позволяющими повысить водостойкость, прочность и другие характеристики асфальтобетонов. ' . ,

Поэтому, решаемая в работе задача по разработке комплексно -модифицированных холодных асфальтобетонов, содержащих улучшающие добавки; и обладающих повышенной стабильностью структурно-механических свойствj определяющих устойчивость материала к погодно-климатическим факторам и накоплению различного рода дефектов и деформаций, является крайне актуальной. > ;

Повышение качества битумного вяжущего, применяемого в холодных асфальтобетонных смесях, позволит увеличить межремонтные сроки службы

покрытий автомобильных дорог, что в свою очередь дает возможность получить экономический эффект в сотни миллионов рублей, которые могут быть направлены на улучшение состояния дорожной сети в целом.

Объект исследования! — холодные асфальтобетонные смеси, предназначенные для ремонта покрытий автомобильных дорог.

Дель диссертационноШработы:

разработка комплексно-модифицированных холодных

асфальтобетонных смесей для круглогодичного ремонта дорожных покрытий: с улучшенными структурно-механическими свойствами и повышенной сдвигоустойчивостью.,

Научная новизна работы состоит в том, что: ■ ■ .'<

- теоретически: обоснован: и экспериментально подтвержден механизм воздействия; каучуко-полиолефиновой добавки . на процессы структурообразования и структурно-механические: свойства жидких битумов • и холодных асфальтобетонных смесей;

- экспериментально выявлено воздействие основных технологических и рецептурных факторов на свойства холодных асфальтобетонных смесей.

На защиту выносятся: теоретическое обоснование и результаты экспериментальных исследований технической возможности и экономической целесообразности применения; разработанных комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами;

- результаты экспериментальных исследований оптимизации состава вяжущего и оценки воздействия разработанного модификатора-на свойства холодных асфальтобетонных смесей;

математические модели- экспериментально-статистических зависимостей физико-механических свойств комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонов от их структуры и количественного содержания вяжущего; '

- методика проведения и результаты экспериментальных исследований особенностей влияния рецептурных факторов и технологии приготовления на физико-механические свойства разработанных комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена сходимостью результатов параллельных испытаний; сопоставимостью результатов лабораторных и опытно-производственных работ; использованием современных приборов, оборудования; экспериментально-статистическими методами математического планирования эксперимента и теорией математической статистики.

Практическое значение работы: >

- разработан комплексный каучуко-полиолефиновый модификатор, обеспечивающий повышение физико-механических свойств вяжущего и сдвигоустойчивости холодных асфальтобетонных смесей при высоких летних температурах;

- разработана технология приготовления и применения^ комплексно-модифицированных холодных асфальтобетонных смесей, предназначенных для круглогодичного ремонта покрытий автомобильных дорог;

- разработаны методические рекомендации по применению полученных модифицированных холодных асфальтобетонных смесей; >

- получены патенты РФ № 2340641 «Битумная композиция для ремонта влажного асфальтобетонного покрытия», № 2418019' «Вяжущее для дорожных пластобетонов» и подана заявка № 2010143025/03 от 20.10.10. «Плотная органоминеральная смесь».

Апробация результатов исследования: Основные положения

диссертационной работы доложены и обсуждались на ежегодных научно-

практических конференциях Ростовского государственного строительного

университета (Строительство 2006 - 2011 гг.) и других международных

конференциях: МНТК «Проблемы проектирования, строительства и

8

эксплуатации автомобильных дорог» (Пермь, 2010 гг.), ВНПК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006 г.), а также опубликованы в Известиях высших учебных заведений «Строительство» (Новосибирск, 2009 г.), Известиях ОрёлГТУ. Серия «Строительство и реконструкция» (Орел, 2011 г.) и научно-техническом сборнике «Дороги и мосты» (Москва, 2011 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в двух патентах и 15 публикациях, в том числе в 3 работах в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 140 наименований, в том числе на иностранных языках, 3 приложений. Работа изложена на 218 страницах машинописного текста, содержит 55 таблиц и 39 рисунков.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Чернов С.А. Модифицированная холодная асфальтобетонная смесь для ремонта покрытий / С.А. Чернов // Известия Высших Учебных Заведений «Строительство». - Новосибирск, 2009. - № 6 (606) июнь 2009. - С. 49-54.

2. Чернов С.А. Исследование устойчивости к старению комплексно-модифицироанных холодных асфальтобетонных смесей / С.А. Чернов // Известия ОрёлГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». — Орёл: ГТУ, 2011. -№2(34) 2011 (март-апрель). - С. 108-113.

3. Чернов С.А. Зависимость физико-механических показателей холодных асфальтобетонных смесей от температуры их приготовления/ С.А. Чернов, И.В Мардиросова // «Дороги и мосты»: научно-технический сборник, выпуск 25/1.- Москва, 2011. - С. 250-256.

Публикации в других научных изданиях

4. Чернов С.А. Холодная асфальтобетонная смесь для ремонта покрытий автомобильных дорог в неблагоприятных погодных условиях / . С.А. Чернов, А.А. Лбов // Материалы 1 Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. —'Омск: СибАДИ, 2006.-С. 258-262.

5. Чернов С.А. Модифицированная холодная асфальтобетонная смесь / С.А. Чернов, И.В. Мардиросова, Е.А. Лапченко // «Строительство — 2007»: Материалы Международной научно-практической конференции. — Ростов-на-Дону: РГСУ, 2007. - С. 12-13.

6. Чернов С.А. Холодная асфальтобетонная смесь для ямочного ремонта покрытий автомобильных дорог в зимний период / С.А. Чернов // . Изв. Рост. гос. строит, ун-та, 2007. - № 11 — С. 326-327.

7. Чернов С.А. Ремонтная холодная асфальтобетонная смесь для асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог / С.А. Чернов, С.К. Илиополов, В.А. Кучеров // «Строительство — 2008»: Материалы Международной научно—практической конференции. — Ростов-на-Дону: РГСУ, 2008. - С. 6-7.

8. Чернов С.А. Вяжущее для холодного асфальтобетона / С.А. Чернов //Изв. Рост. гос. строит, ун-та, 2008. - № 12 - С. 377-378.

9. Чернов С.А. Альтернативный материал для ямочного ремонта. покрытий автомобильных дорог / С.А. Чернов, В.А. Кучеров // «Строительство - 2009»: Материалы Международной научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009. - С.6.

Ю.Чернов С.А. Комплексное вяжущее для холодных асфальтобетонных смесей / С.А. Чернов // Изв. Рост. гос. строит, ун-та, 2009. -№13-С. 377-378.

11. Чернов С.А. Каучуко-полиолефиновый модификатор для дорожных смесей / С.А. Чернов, В.А. Кучеров, И.В. Ивановская // «Строительство —

2010»: Материалы юбилейной Международной научног-практической, конференции:-Ростов-на-Дону: РГСУ, 2010. — С.7-9.

12. Чернов G.А. Основные принципы регулирования свойств холодных асфальтобетонных смесей / С.А. Чернов, И.А. Горелова, Ю.А. Маловичко // • Изв. Рост. гос. строит, ун-та, 2010. —№ 14 — С. 354—357.

13.Чернов С.А. Комплексное модифицированное вяжущее для холодных асфальтобетонных смесей / С.А. Чернов, И.В Мардиросова // • «Дороги и мосты»: научно-технический сборник, выпуск 23/1.- Москва, 2010. - с. 228-237: "■'.;'■.

14. Чернов С.А. Материал для ремонта покрытий автомобильных дорог / С.А. Чернов // «Инновация в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды.»: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы; советского ; народа в Великой Отечественной войне, г. Пермь, 28-29 октября 2010 г. — Пермь: ПГТУ, 2010. - С. 220-225. . > - ' л

15. Чернов С.А. Физико-химическое исследование вяжущего методомт электронного парамагнитного резонанса / С.А. Чернов, Ю.А. Маловичко; Н.И. Ширяев // «Строительство - 2011»: Материалы Международной научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону: РЕСУ, 2011. — С:22-25

Патенты

17. Патент № 2340641 РФ, МПК C08L 95/00. Битумная композиция для ремонта влажного асфальтобетонного : покрытия / С.К. Илиополов, И.В. '. Мардиросова, С.А. Чернов и др. - заявка № 2007126029/04 от 09.07.2007, опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34

18. Патент № 2418019 РФ, МПК C08L 95/00, C04B 26/26. Вяжущее для дорожных пластобетонов / С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, С.А; Чернов и др. - заявка № 2009145232/04 от 07.12.2009; опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13 '■'•:■

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Автомобильная дорога, как любое другое инженерное сооружение, рассчитана на определенный срок, службы, в течение которого она подвергается различного рода и количества воздействий транспорта и погодно-климатических факторов (влага, температура). Самым первым и наиболее незащищенным ее элементом является асфальтобетонное покрытие [1,98].

В'результате многих сотен и тысяч нагружений, а порой и перегрузок покрытия, износа и старения его материалов, а иногда и не очень высокого изначального их качества или неполн�