автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Комплексное укрепление песчано-гравийных покрытий лесовозных дорог с применением сырой нефти

\авахурукописи

Мельницкий Максим Андреевич

КОМПЛЕКСНОЕ УКРЕПЛЕНИЕ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ С ПРИМЕНЕНИЕМ СЫРОЙ

НЕФТИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

щ

Архангельск - 2015

005561572

005561572

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Павлов Фридрих Алексеевич

Официальные оппоненты: Кондрашова Елена Владимировна

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная

лесотехническая академия», профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии.

Борозна Анатолий Алексеевич

кандидат технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный

лесотехнический университет имени С.М. Кирова», профессор кафедры промышленного транспорта.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «УГТУ»)

Защита состоится «30» сентября 2015г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины, д. 17, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru Автореферат разослан _» 2015 года.

Ученый секретарь А / Доктор технических наук, профессор диссертационного советаУ^цЩМД ^ Лг--^Алексей Екимович Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Формирование высокоэффективной транспортной инфраструктуры является основным этапом развития лесозаготовок в Архангельской области. Из существующих видов транспорта наиболее маневренным, мобильным и массовым является автомобильный. Повышенная проходимость и улучшенные эксплуатационные свойства делают автомобильный транспорт основным видом транспорта на лесозаготовках, от эффективности работы которого зависит уровень производства лесозаготовительных предприятий. Данное утверждение приобретает особенное значение в районах с малоосвоенными территориями, где не имеется необходимой сети автомобильных дорог или она есть, но ее техническое состояние не позволяет эксплуатировать автомобильный транспорт в полном объеме. Аналогичная ситуация складывается в лесной промышленности, где в настоящее время ощущается недостаток лесовозных дорог круглогодичного действия, что не позволяет наращивать объемы заготовки и вывозки древесины. Сдерживающим фактором является недостаток местных дорожно-строительных материалов, свойства которых соответствуют нормативным требованиям. Песчано-гравийные смеси, широко применяемые в конструкциях лесовозных дорог, не обладают достаточной прочностью в условиях использования большегрузных современных автопоездов и высокой естественной влажности грунтов. Удаленность участков строительства автомобильных лесовозных дорог от мест подготовки качественных дорожно-строительных материалов существенно уменьшает возможность их эффективного использования. В настоящее время существует потребность в улучшении физико-механических и эксплуатационных свойств местных каменных материалов для строительства лесовозных дорог.

Данное исследование посвящено поиску малозатратного, но в тоже время эффективного способа получения новых материалов для покрытий автомобильных лесовозных дорог на основе доступного каменного материала в виде песчано-гравийной смеси и компонентов вяжущего вещества в виде сырой нефти и битумного порошка.

Цель работы - поиск эффективного способа комплексного укрепления песчано-гравийных покрытий лесовозных дорог (далее ПГС) с применением сырой нефти.

Задачи исследования:

- Изучить опыт применения органических и неорганических вяжущих веществ при комплексном укреплении ПГС сырой нефтью в России и за рубежом.

- Провести теоретическое исследование возможности получения и применения опытной партии битумного порошка совместно с сырой нефтью.

- Исследовать строение и свойства исходных материалов для комплексного укрепления песчано-гравийных смесей.

- Использовать методы математического планирования работ в экспериментальной части исследования.

- Получить опытные образцы песчано-гравийной смеси, укрепленной сырой нефтью и битумным порошком и провести их компрессионные испытания.

- Изучить взаимовлияние компонентов комплексного вяжущего материала на физико-механические свойства укрепленных ГГГС.

- Получить оптимальный состав комплексного вяжущего вещества для укрепления покрытий лесовозных дорог.

Научная новизна исследования:

- применение математического симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента значительно упрощает проведение экспериментальных работ с большим числом комбинаций при изучении взаимозависимости «состав- свойство» укрепленных песчано-гравийных смесей;

- на основании применения методики симплекс-решетчатого метода получены результаты экспериментальных исследований по комплексному укреплению песчано-гравийных смесей с использованием сырой нефти;

- выполнен анализ полученных симплекс-решетчатым методом экспериментальных исследований и получен оптимальный относительный состав компонентов вяжущего материала;

- установлено, что при использовании сырой нефти как компонента вяжущего вещества в качестве разжижителя битумного порошка, прочность образцов повышается в среднем на 25 ... 30 %, водостойкость - на 8 ... 10%.

Теоретическая значимость исследования:

использование математического аппарата в планировании эксперимента посредством симплекс-решетчатого метода значительно уменьшило объем экспериментальной части исследования при условии сохранения требуемой объективности в изучении взаимозависимости «состав-свойство» укрепленных грунтов;

- применение в производстве и использовании комплексного вяжущего вещества различных теорий, таких как теория адсорбционного понижения прочности, теория разжижения и формирования структур нефтесодержащих веществ, теория формирования прочностного контакта органического вяжущего вещества и минеральных частиц и других теорий, позволяющих объяснить явления, происходящие в процессе проведения эксперимента.

- изучение взаимовлияния компонентов, входящих в комплексное вяжущее вещество с получением количественных данных об оптимальном содержании компонентов комплексного вяжущего вещества.

Практическая значимость исследования:

- Получен новый дорожно-строительный материал, с помощью которого возможно расширить область применения усовершенствованных

4

покрытий в конструкциях лесовозных дорог. С применением сырой нефти и битумного порошка появляется возможность снижения затрат на вывозку древесины. Применение комплексного вяжущего вещества совместно с сырой нефтью позволит получить повышенные физико-механические свойства укрепленных песчано-гравийных смесей, которые могут быть использованы в дорожном строительстве.

На защиту выносятся следующие положения:

- Результаты экспериментального исследования комплексного укрепления песчано-гравийной смеси с использованием сырой нефти и битумного порошка.

- Результаты математической обработки физико-механических свойств укрепленных ПГС, полученные в ходе экспериментальных работ в зависимости от содержания компонентов в вяжущем материале.

- Результаты, полученные при помощи методов электронной сканирующей и оптической микроскопии в исследовании макроструктуры компонентов вяжущих материалов.

- Использование математического симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента значительно сокращает объем экспериментальной работы с большим количеством факторов и уровней их варьирования при изучении взаимозависимости «состав-свойство» укрепленных песчано-гравийных смесей;

Объектом исследования являются песчано-гравийные материалы, укрепленные битумным порошком совместно с добавками сырой нефти и керосина.

Предметом исследования является методика симплекс-решетчатого построения планов экспериментальной работы для анализа физико-механических свойств укрепленных песчано-гравийных смесей.

Гипотеза данного исследования заключается в том, что применение сырой нефти совместно с битумным порошком для укрепления песчано-гравийных смесей приведет к положительным результатам компрессионных испытаний и измерительных работ.

Личный вклад в проведение исследовательской работы заключается в анализе вопросов теоретического и практического характера, связанных с темой диссертационного исследования, выборе методик экспериментов, проведении и анализе результатов эксперимента и других мероприятий, связанных с подготовкой, обработкой и оформлением диссертационной работы.

Информационной базой при проведении исследования послужили научные, учебные пособия, монографии, статистические материалы, сведения интернет-ресурсов официальных порталов и др.

Апробация результатов исследования заключается в участии в следующих конференциях: конференция студентов по итогам научно-исследовательских работ за 2008 год, доклад на тему: «Применение нефтегравия для устройства покрытия Хайнозерский лесовозной дороги»

(Архангельск, 15.03.2009г.); научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов САФУ имени М.В. Ломоносова «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения», доклад на тему: «Применение сырой нефти для укрепления гравийных покрытий лесовозных дорог» (Архангельск, 25.03.2014г.); научно-практическая конференция «Современные технологии и техника в лесопромышленном комплексе», доклад на тему: «Применение битумного порошка совместно с сырой нефтью для укрепления гравийных покрытий лесовозных дорог» (Архангельск, 04.04.2014г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы и приложение. Работа изложена на 149 е., список литературы содержит 108 наименований.

Благодарности. Автор благодарит научного руководителя - кандидата технических наук, профессора Ф.А. Павлова за всестороннюю помощь в работе над диссертацией. Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Н.И. Богдановичу за консультирование по вопросам, касающимся теоретической части исследования, генеральному директору ООО «Доринжсервис» Л.Н. Голицыну и кандидату химических наук, доценту Д.Г. Чухчину за помощь в проведении экспериментальной части исследования. Автор благодарен родным и близким за существенную помощь, поддержку и понимание.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель, задачи и научная новизна, представлена практическая значимость исследования, отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведено обобщение накопленного опыта в практике укрепления грунтов и искусственно подобранных каменных материалов сырой нефтью, битумом и минеральными вяжущими материалами в России и за рубежом. Освещены различные способы укрепления грунтов российских и зарубежных авторов, проведен обзор и анализ современных научно-исследовательских работ. Автором проведен анализ развития методов применения вяжущих веществ и их видов при укреплении и ремонте строительных и дорожных конструкций в различные исторические периоды.

В разное время вопросами улучшения физико-механических свойств грунтов за счет укрепления их сырой нефтью и битумным вяжущим веществом занимались следующие ученые: В.М. Безрук, A.B. Линцер, В.А. Юрченко, Б.Ф. Илясов, А.Г. Дорофеев, П.Ф. Мельников, Б.В. Толстопятов, A.C. Еленович, С.С. Фадеев, В.Н. Игнатюк, А.И. Лысихина, Л.Н. Ястребова, К.А. Князюк, Р.И. Зулькарнаев, В.О. Штерн, Е.Б. Таурит, И.М. Руденская, A.B. Руденский, Ю.В. Думский, A.C. Колбановская, В.В. Михайлов, Б.В.

Веселов и др. Исследованиями в области использования нефтесодержащих материалов для укрепления грунтов, в качестве способа утилизации, занимались ученые Н.Е. Ефанова, В.Н. Лукашеевич, И.В. Пиряева, Л.М. Шипигузов, Н.И. Кобянов, А.И. Антропов, P.C. Рахимкулов, П.П. Олейник, З.У. Асадуллинова, В.В. Яковлева и др. За рубежом исследованиями по использованию нефтесодержащих вяжущих веществ занимались исследователи W. James, E.B. House, R. Choudhary, A. Mondai, H. Kaulgud, G. Johnson, R. Kronick и др.

Из обзора многолетнего опыта использования органических и минеральных вяжущих веществ в укреплении грунтов были выявлены преимущества и недостатки каждого из видов вяжущих материалов. С целью уменьшения негативного влияния недостатков каждого из типов вяжущих веществ, ученые сходятся к идеям комплексного укрепления каменных материалов.

В данном исследовании за основу комплексного метода укрепления песчано-гравийных смесей были приняты результаты научно-исследовательской работы СевНИИП по применению битумного порошка. Б.В. Веселовым была доказана эффективность использования дробленого битума с тонкодисперсным материалом в виде строительной извести, которые непосредственно вводились в укрепляемый грунт. В качестве разжижителя порошкообразного битума было предложено использовать керосин, по результатам испытаний выявлена положительная роль в увеличении физико-механических свойств укрепленных грунтов. В данном исследовании альтернативой керосину выступает сырая нефть, которая является наиболее подходящим естественным материалом, служащим не только в качестве разжижителя битума, но и непосредственно выступающим как единичное вяжущее вещество. На основании проведенного обзора научной литературы и анализа информации в теоретической части исследования были сформулированы цель и задачи исследования, указанные выше.

Во второй главе были исследованы теоретические вопросы производства битумного порошка и его совместного применения с сырой нефтью для укрепления песчано-гравийных смесей. Автором изучены состав, структуры и свойства битумов. В ходе исследования удалось установить наиболее важные с практической точки зрения углеводородные группы, такие как мапьтены и ароматические углеводороды, содержание которых определяет степень растворимости асфальтенов, тем самым уменьшая вязкость вяжущего вещества. Парафиновые углеводороды, входящие в состав битума и сырой нефти, уменьшают растворяющую способность мальтенов, что увеличивает вязкость битума. Масла мапьтеновых углеводородных групп, обуславливают реологические свойства битума, тем самым влияя на текучесть битума. Наличие мальтеновых смол указывает на вяжущие свойства и пластичность битума. Присутствие асфальтенов придает битуму твердость и теплоустойчивость. Наличие информации о строении и

твердых включении о sooo 10000 isooo гоооо ™

коагулянтов ИЗ Длина выделенного учэстна

асфальтенов, парафинов и А-В - направление сечения поверхности

других веществ различной Рис. 1. Изображение поверхности сырой

формы и размеров (рис.1 и нефти

2)-

Основным критерием, характеризующим неровности полученных поверхностей битума и сырой нефти, явилась шероховатость, оценку которой определяли при помощи RGB интенсивности, характеризующей цветовую составляющую оценки неровности. Для визуализации общего уклона и максимальных значений неровностей было построено сечение А-В по диагональному направлению из точки с самой низкой отметкой до самой удаленной от нее. Профиль сечения А-В представлен на рисунке 1. Анализ шероховатости проводился в автоматическом режиме. Аналогичные мероприятия были проведены с другими поверхностями, в результате чего

составе исходных вяжущих компонентов увеличивает возможность корректировки их физико-реологических свойств, поэтому предварительное исследование исходных материалов проводилось с целью определения их состава, структуры и свойств.

В третьей главе представлены результаты исследования структуры и свойств исходных материалов, полученных в результате электронной, оптической микроскопии, группового углеводородного анализа битума, сырой нефти и nm ддд^^^уБг^дамажаггч-.дыдв^а!

гранулометрического подбора состава

каменного материала. Для проведения исследования были использованы Щрмньм^*"^

электронный растровый \ микроскоп Zeiss SIGMA VP и оптический j ...'■:■.■:' микроскоп Imager M2m зоооР^Я ЦКП НО «Арктика». В

результате проведения „ РИ^^^^И^^^^^^^И^ИЕШшЬы электронной микроскопии 0 5000 10000 15000 20000 "т

были получены цветовые модели RGB изображения 1 микрон, 10 микрон, 100 | микрон, 100 нанометров | поверхностей образцов ® битума и нефти, на I которых отражены 1

неровности, косвенно доказывающие наличие

было установлено, что поверхности битума имеют среднюю шероховатость на 30% больше, чем в сырой нефти (Табл.1).

В ходе проведения электронной микроскопии образцов сырой нефти были получены изображения ее макроструктуры, в которых обнаруживается

сетчатые включения (рис.2). Установлено, что присутствие множественных сетчатых разветвлений в макроструктуре сырой нефти, представленные на рисунке 2, влияют на

гибкость ее

каркаса, указывая на наличие

упругих свойств и повышенной пластичности. Данная структура уменьшает вероятность множественных ассоциаций асфальтенов при резком понижении температуры, тем самым расширяя интервал пластичности разжижаемого битума и

увеличивая

теплоустойчивость комплексного вяжущего материала при использовании сырой нефти.

На рисунке 3 представлена структура сырой нефти, состоящая преимущественно из объемных, в основном вытянутых в одном направлении включений - глобул. Данные ассоциаты состоят из относительно небольшого числа твердых надмолекулярных углеводородных образований, таких как асфапьтены, парафины и иные компоненты, образующие каркас

Таблица 1 - Результаты электронной микроскопии

Размер увеличения Материал Средняя шероховатость, КС В Наибольшая высота, ИОВ 1 Высота неровностей по 10 точкам, 1ЮВ Средне квадратическая высота, 1ЮВ Асимметрия Эксцесс

1 микрон Битум 29,81 67,3 37,04 34,62 1,26 6,82

Нефть 25,38 100 32,93 28,2 1,68 7,46

10 микрон Битум 55,81 120 57,04 59,62 1,26 6,82

Нефть 37,94 82,18 36,19 39,48 2,07 10,8

100 микрон Битум 64,29 143,81 66,56 68,2 0,38 3,24

Нефть 38,83 87,29 41,74 40,73 1,14 5,11

100 нано метров Битум 37,99 97,8 44,9 43,67 0,01 2,51

Нефть 25,64 45,43 27,98 28,83 0,37 2,49

100. Я

oisJ—я ЩЯЯ --'-,_.

0 100 200 300 цга

Рис. 2. Сетчатая структура сырой нефти

макроструктуры нефти. Наличие асфапьтенов указывает на повышенную

устойчивость к механическим воздействиям. Существует зависимость между

составом структуры и

реологическими

свойствами

нефтесо держащих

материалов, согласно

которой наличие

больших объемных

асфальтеновых

ассоциатов

обуславливают

меньшую вероятность

к их диссоциации в

условиях повышенной

температуры. Данное

„тт. „ обстоятельство

Рис. 3. Твердые включения в структуре

сырой нефти указывает не только на

повышенные

теплоустойчивые свойства сырой нефти, но и наличие прочной нефтяной пленки в зоне контакта вяжущего вещества и минеральных частиц. По данным A.B. Руденской значение модуля упругости нефтяного вяжущего с данной структурой поверхности незначительно варьируется в зависимости от температуры.

Для сравнения на рисунке 4 представлена поверхность дорожного битума марки БНДУ 90/130. В структуре битума БНДУ 90/130 наблюдаются множественные в основном массивные округлые формы глобул (рис. 4),

указывающие на различия в

групповом углеводородном составе

о 500 1000 1500 2000 nm

Рис. 4. Структура битума БНДУ 90/130

основу коагуляционого строения битума из асфальтенов, парафинов и смол.

Структура характеризуется достаточной

ассоциатов, преимущественн о составляющих

однородностью и отсутствием плоских или явно выраженных выпукло-ленточных фибриллярных включений, вытянутых в различных направлениях.

Данные обстоятельства указывают на механическую стойкость битумного материала, теплоустойчивость, вязкость и значительный интервал пластичности. В целях верификации выше представленных заключений был проведен групповой углеводородный анализ, результаты которого представлены на рисунке 5.

60

Парафины Снликагелевые Асфальтены

■ Сырая нефть ■ Битум Б ИДУ 90/130

Рис. 5. Групповой углеводородный состав сырой нефти и битума Исследования показали превышение содержания твердых коагуляционных включений в виде асфальтенов и парафинов в составе битума, процентное содержание которых на 30% и 87% больше, чем в сырой нефти. Содержание селикогеливых смол в битуме на 57% больше, чем в

сырой нефти. В результате

S и

н S, Ü?

И тип «гель»

Асфальтены: менее 18%; Смолы: Солее 36%; Масла: менее 48%.

проведенных стало

исследовании возможным

определение типа структуры битума, которую по критерию содержания

асфальтенов можно отнести к III типу, а по содержанию смол - к II типу. На рисунке 6 представлены схемы II и III типов структур.

Для создания

высокопрочного соединения в местах контакта органической и минеральной частей были изучены Рис. 6. II и III типы структур битума теоретические вопросы

разжижения битумного материала, в результате чего определены «концентрационные пороги», при превышении которых значительно

III тип «золь-гель»

Асфальтены: 21-23%: Смолы: 30-34%: Масла: 45-49%.

изменяются реологические свойства битумов с различными типами структур (рис.7), также автором были изучены вопросы формирования структуры разжиженного битума. Исследуемый битумный материал имеет

«концентрационный порог» в пределах до 1-5% от массы битума, при превышении

которого происходят необратимые процессы изменения

Л1^ ]___Г^** ' _ структуры битумов со

значительным изменением физико-реологических свойств, в частности вязкости.

Результаты исследования

! 7 |б,5 6

' ■ -

2 4 6 8 10

Концентрация разжижнгеля, % по объёму

Битум I типа (разжижитель дизельное топливо) Бтум I типа (разжижитель зеленое масло)

-Битум III типа (разжижитель дизельное топливо)

— —Бкхум II типа (разжижитель зеленое масло) —— Бигум II типа (разжижитель дизельное топливо)

Рис. 7. Влияние разжижителя на вязкость битумов

углеводородного состава исходных материалов показали, что использование сырой нефти в качестве отдельного вяжущего вещества малоэффективно, так как в ее составе недостаточно асфальтенов и парафинов, необходимых для создания прочного каркаса нефтяного вяжущего вещества и скрепления каменного материала. При этом имеются фракции, которые способны разжижать вязкий битум и делать его более пластичным. В свою очередь, в битуме присутствует значительное количество асфальтенов и парафинов, что делает его хрупким при отрицательных температурах (рис.5 и рис.8), поэтому совместное их использование наиболее эффективно в укрепления песчано-гравийных лесовозных дорог.

Установлено, что с практической точки зрения наиболее приемлемым

реологическим состоянием для

диспергирования и получения битумного порошка является упруго-пластичное или упруго-хрупкое состояние, которое достигается для

переходных структур II-III типов битумов при температурах окружающей среды -40...40°С (рис.8).

упруго-хрупкое упруго-пластичное упруго- вязкотекучее

упруго-хрупкое упруго- вязкотекучее

± о н £ £ >> И % \ 3 упруго-пластичное упруго-вязкое вязко-текучее

-40 -20

| 20 40 60 80 100 120 140 Температура, °С Рис. 8. Схема реологических состояний дорожных битумов

Для получения диспергированного битумного материала из всего многообразия методов его производства была установлена эффективность механического измельчения. С целью уменьшения энергозатрат и времени в производстве опытной партии битумного порошка автор воспользовался теорией адсорбционного понижения прочности твердого тела.

Наличие в углеводородном составе сырой нефти асфальтенов, парафинов и смол является преимуществом, так как для создания прочной связи между органическим вяжущим и минеральной частицей наибольшее значение в адсорбционном и диффузионном слоях зоны контакта вяжущего вещества и дорожно-строительного материала имеют указанные элементы, составляющие прочную, тонкую зону контакта при их взаимодействии. Наличие минерального мелкодисперсного вяжущего вещества, обуславливает положительную роль воды в составе комплексного укрепления ПГС.

Дальнейшие исследования свойств и структур исходных материалов заключались в изучении и подборе гранулометрического состава минеральной части. В качестве аналога зернового состава был принят гранулометрический состав нефтегравия, произведенного по финской технологии. Задача заключалась в определении фракционного состава опытной партии нефтегравийной смеси и подборе отечественного аналога с зерновым составом, соответствовавшим нормативно-техническим требованиям. Для этого в соответствии с ГОСТ 12801-98 был исследован минеральный состав вырубки нефтегравийной смеси, взятой из дорожного

покрытия автомобильной дороги областного значения Усть-Вага-Ядриха (Архангельская область). В процессе сравнения

зернового состава

нефтегравия и холодного асфальтобетона, схожего по компонентному составу и технологии производства, были определены

существенные различия

(рис.9) во фракциях 10 мм, 5 мм, 2,5 мм и менее 0,16 мм. В ходе сравнительного анализа гранулометрических составов нефтегравия и песчано-гравийных смесей было принято решение

придерживаться зернового состава ПГС№2 согласно ГОСТ 25607-2009, как наиболее схожего с гранулометрическим составом нефтегравия (рис.10).

100

90 80

У и 70

5 60

Й?

50

1 40

§. 30

20

10

0

N 1.

\ -

\\

0.071 0,16 0,315 0,63 1,25 2,5 5 10 21 Размер отверстий сито, мм -Нефтегравлй

♦ Холодный асфальтобетон (верхняя граница) —А—Холодный асфальтобетон (нижняя граница)

Рис. 9. Гранулометрический состав нефтегравия и холодного асфальтобетона марки «В*»

а)

10 5 2,5 0,63 0,16 0,05 Размеры отверстий в ситах, мм

б)

20 10 5 2,5 0,63 0,16 0,05 Размеры отверстий в ситах, мм

Нефтегравий ♦ ПГС №2 (верхняя граница) А ПГС №2 (нижняя граница)

— Нефтегравий -♦—ПГС №6 (верхняя граница) Л ПГС №6 (нижняя граница)

а - ПГС №2 (согласно ГОСТ 25607-2009) и нефтегравия; б - ПГС №6 (согласно ГОСТ 25607-2009) и нефтегравия. Рис. 10. Гранулометрические составы нефтегравия и ПГС В целях исключения неоднородности состава каменного материала и его влияния на результаты компрессионных испытаний для лабораторных исследований принято решение искусственно провести подбор минерального состава, придерживаясь усредненных значений нормативно установленного гранулометрического состава ПГС №2 (рис.10).

В четвертой главе проведены экспериментальные работы по комплексному укреплению песчано-гравийной смеси совместно с сырой нефтью. Основной задачей проведения экспериментов является практическое подтверждение гипотезы об эффективности использования битумного порошка совместно с сырой нефтью в укреплении дорожных покрытий, состоящих из песчано-гравийных смесей. Кроме того, немаловажным этапом в исследовании является определение оптимального содержания компонентов, входящих в состав вяжущего материала. Решение данных задач невозможно представить без проведения экспериментальной работы, основанной на методах математического планирования эксперимента (далее МПЭ). В основу планирования экспериментальной работы был положен метод математического моделирования — симплекс-решетчатый план эксперимента. Суть метода заключается в математическом описании взаимозависимости «состав-свойство» при помощи полиномов с различной степенью и числом многочленов, величина которых зависит от количества изучаемых факторов. Графическая интерпретация СРМ представляет собой равносторонний ^-1)-мерный треугольник (симплекс) (рис. 13), который имеет собственную локальную кодированную градацию. Каждая точка, взятая в границах треугольника, будет соответствовать кодированным значениям количественного содержания компонентов в смеси. Необходимым условием для возможного применения СРМ является сумма кодированных значений факторов, равная единице.

Экспериментальная часть исследовательской работы состояла из 2 этапов. На первом этапе проводилась 41 серия экспериментов, исследовавших влияние и взаимосвязи между сырой нефтью, дробленым битумом, известью, керосином и водой (рис.11, а). При этом относительное содержание компонентов изменялось согласно таблице 2.

В целях исключения влияния неоднородности каменного материала соотношение фракции в минеральной части укрепляемой смеси оставалась неизменной (рис. 11, а).

Исследуемые факторы Значения уровней варьирования факто Do в, % от каменного материала

0,00 0,10 0,20 0,33 0,60 0,67 1,00

Известь (71) 0,50 1,67 2,84 4,01 5,18 6,35 7,50

Битум (Х2) 2,00 3,33 4,66 5,99 7,32 8,65 10,00

Керосин(23) 0,00 0,33 0,66 0,99 1,32 1,65 2,00

Нефть {Щ 0,00 0,33 0,66 0,99 1,32 1,65 2,00

Вода (15) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

С целью верификации и уточнения результатов 41 серийного эксперимента был проведен второй этап экспериментальной работы, включающий в себя 14 серий опытов. Особенностью данного этапа явилось то, что вместо битума, извести и воды был введен общий внешний фактор -битумный порошок, который включал и заменял три этих компонента. Значения уровней варьирования керосина и сырой нефти были значительно уменьшены по отношению к предыдущему плану и выражены в процентах от каменного материала (таб. 2, рис.11, б).

Рис. 11. Схема взаимодействий и соотношений компонентов в 41 и 14 серийных экспериментах

постоянное соотношение

- постоянное соотношение

В таблицах 3, 4 и 5 представлены матрица планирования эксперимента, значения уровней варьирования компонентов вяжущего вещества и битумного порошка.

Обозначения Исследуем ые факторы Значения уровней варьирования факторов, % от каменного материала

0,00 0,17 0,33 0,67 1,00

г, Битумный порошок 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

7-2 Керосин 0,00 0,25 0,50 0,75 1,0

г, Нефть 0,00 0,25 0,50 0,75 1,0

Таблица 4 - Уровни варьирования фактора битумного порошка

Таблица 5 - Матрица планирования 14 серийного

Значения

Кодированный уровней

состав Фактор варьирования,

битумного варьирования %от

порошка каменного

материала

1 БитумСгО 3,4

Вода(г5) 1,71

Извссть(7.2) 6,00

2 Битум (г,) 4,40

Вода ^0 1,13

Известь (7.2) 7,69

3 Битум (го 6,20

Вода (го 1,43

Известь (/2) 5,68

4 Битум (го 7,45

Вода (го 1,71

Избвесть (72) 4,58

5 Битум (го 7,83

Вода (го 0,75

Известь ('¿г) 5,35

Номер серии Матрица планирования в

кодированных значениях

опыта

Битумный порошок Керосин Нефть

1 1,00 0,00 0,00

2 0,00 1,00 0,00

3 0,00 0,00 1,00

4 0,33 0,67 0,00

5 0,33 0,00 0,67

6 0,00 0,33 0,67

7 0,67 0,33 0,00

8 0,67 0,00 0,33

9 0,00 0,67 0,33

10 0,33 0,33 0,33

11 0,67 0,17 0,17

12 0,17 0,67 0,17

13 0,17 0,17 0,67

14 0,33 0,33 0,33

В ходе осуществления 14 серийного плана в каждой серии опытов было изготовлено 6 образцов, из них 3 - на каждое компрессионное испытание в сухом и водонасыщенном состоянии. В общей сложности было произведено 84 образца. Всего по двум планам эксперимента было произведено 330 образцов. Экспериментальная часть исследовательской работы по укреплению песчано-гравийной смеси битумным порошком совместно с сырой нефтью и керосином проводилась в соответствии с ГОСТ 12801-98, в результате чего были определены такие показатели, как прочность образцов в состоянии до водонасыщения, прочность образцов в состоянии после водонасыщения, водостойкость, водонасыщение и набухание.

На основе результатов прочностных испытаний образцов укрепленного материала были получены компрессионные кривые, представленные на рисунке 12.

I

2,50 2.25 § 2,00 ! !'75 I 1,50

JÉ и*

g. S 1.00 я 0,75 г 0,50 5 0,25 e 0,00

0,07 0,30 0,58 0,84 1,08 1,35 1,59 1,80 2,02 2,20 2,39 2,61 2,86 3,15 Вел нчнна леформации, мм

Рис. 12. Компрессионные кривые исследуемых образцов По результатам компрессионных и измерительных работ были получены данные, которые после математической и статистической обработки при помощи программы Statistica представляли математические модели свойств укрепленной ПГС в зависимости от содержания компонентов (рис.13, 14, 15, 16, 17). Общий вид математического выражения зависимостей представляет собой полином, который выглядит следующим образом: F{XJ;Z)=A-X + BY + C-Z + ABX-Y+AC-X-Z + BC-Y-Z + ABC-X-Y-Z + +ab(a-b)xy(x-y)+ac{a-c)xz(x-z)+bc(b-c}yz{y-z), ('1-)

где F{.Х\ Y\Z)- функция, зависящая от трех переменных значений извести или (и) битума или (и) воды или (и) керосина или (и) сырой нефти;

А, В, С, АВ, АС, ВС, (А-В), (А-С), (В-С) - эмпирические коэффициенты, определяемые посредством многофакторного регрессионного анализа.

Полученные математические модели характеризуются высоким коэффициентом детерминации, равным 0,9...0,95, и статистической значимостью, равной 0,01...0,05. В связи с большим объемом результатов экспериментов в данной работе представлены анализ графических результатов 14 серийного эксперимента (рис. 13, 14, 15, 16, 17).

Нефть

О.ООо 1.00 Область максимальных

/ знамений

Рис. 13. Диаграмма прочности образцов до водонасыщения

17

2,6 2.5 2.4 2.3

1.00

0,00 0,25

Битумным порошок

2,6

■ 2.55

1 1 2.5

о 2.45

2,4

п 235

Z3

■ 2.25

Керосин

На рисунке 13 представлена диаграмма прочности образцов в состоянии до водонасыщения, где максимальная область значений условно делится на два центра сосредоточения. Первый центр находится в зоне, где содержание извести составляет 4,88...6,88%, битума - 5,3...7,6%, воды -1,28...1,33%, керосина - 0,0...0,16%, сырой нефти - 0,16...0,89% от каменного материала. Второй центр находится в области, где содержание извести составляет 4,88...5,35%, битума - 7,6...7,82%, воды - 0,75...1,33%, керосина - 0,16...0,93%, сырой нефти - 0...0,33%. Величина значений прочности образцов в состоянии до водонасыщения в координатах «битумный порошок-керосин-нефть» имеет максимальное значение из всех полученных и составляет 2,59 МПа. Кроме того, установлено отрицательное влияние совместного применения двух или нескольких разжижителей битумного порошка. Сравнивая результаты отдельного применения керосина и сырой нефти, наиболее предпочтительным является использование сырой нефти. Данное обстоятельство объясняется тем, что при использовании сырой нефти в качестве разжижителя порошкообразного битума формируется пластифицированная битумная структура, с множеством разрушенных ассоциатов из асфальтенов. Наличие в составе сырой нефти асфальтенов, смол, парафинов, масел и других углеводородных групп нейтрализуют отрицательное растворяющее воздействие, повышая реологические, поверхностные и теплоустойчивые свойства битумов.

Анализ математической модели прочности укрепленной ПГС в состоянии после водонасыщения показал, что наибольшее значение наблюдается в нескольких точках диаграммы (рис. 14). Первый пик максимальных значений расположен в диапазоне содержания извести 4,84...4,88%, битума 6,46...7,6%, воды 1,33...1,48%, керосина 0...0,33% и сырой нефти 0,41...0,77%. Второй пик наблюдается при содержании извести 4,80...4,88%, битума 6,46...7,6%, воды 1,33...1,48%, керосина 0,55...0,93% и нефти 0,1-0,33%. Третий максимум расположен в области, где содержание извести составляет 6...7%, битум - 3...4%, вода - 1,3... 1,7%, керосин -0,1...0,41 % и нефть - 0,81... 1 %.

Рис. 14. Диаграмма прочности после водонасыщения образцов

Математическая модель водостойкости имеет максимальное значение 0,9...0,95, которое соответствует области концентрации следующих компонентов вяжущего вещества: известь составляет 4,5...7,1%, битум -4,7...7,5%, вода - 1,18...1,71%, керосин - 0,15...0,63%, сырая нефть -0,38...0,81% от каменного материала (рис. 15). Сравнительный анализ показал, что несмотря на наличие воды в составе вяжущего материала, присутствие керосина, как пластификатора, и сырой нефти, как отдельного органического вяжущего вещества, компенсировали воздействие воды.

Нефть

Рис.15. Диаграмма водостойкости образцов На рисунке 15 представлена модель водонасыщения образцов, укрепленных комплексным вяжущим материалом, где четко прослеживается область минимальных значений водонасыщения, которая расположена в зоне концентрации извести 5...7%, битума 4...7%, воды 1,3...1,5%, керосина 0,05...0,22% и сырой нефти 0,63...0,92% от каменного материала.

Рис. 16. Диаграмма водонасыщения образцов На диаграмме набухания образцов (рис. 17) обнаружены три центра сосредоточения минимальных значений, которые составляют 1,4... 1,6% от объема образцов. Данные центры располагаются в следующих зонах

концентрации компонентов вяжущего материала: известь составляет 4,7...5,35%, битум - 7...8%, вода - 0,75... 1,48%, керосин - 0...0,15%, сырая нефть - 0...0,5%; известь - 6...7%, битум - 3...5%, вода - 1,1... 1,7%, керосин -0,81 ...1%, сырая нефть - 0...0,3% от каменного материала.

Рис. 17. Диаграмма набухания образцов Физико-механические свойства образцов, укрепленных битумным порошком совместно с сырой нефтью, керосином и водой, приведены в таблице 6.

Прочность до водонасыщен ия, МПа Прочность после водонасыщения, МПа Водостойк ость Водонасыщение, % по объему Набухание, % объема

максимальное значение 2,59 2,20 0,95 2,40 1,90

минимальное значение 2,21 1,73 0,76 2,18 1,34

среднее значение 2,43 2,08 0,86 2,30 1,65

Нефть

бласть минимальных

1.00 0.00

Бмтумнын порошок

0.00 1.00 Керосин

34%

Содержание компонентов в представлены в кодированном виде, помощью линейной

интерполяции были

получены данные в процентном соотношении. На рисунке 18 представлена диаграмма с соотношением компонентов, входящих в состав вяжущего материала, определенная по

результатам уточняющей серии экспериментов.

На основе результатов компрессионных испытаний и измерительных работ были получены данные физико-механических свойств образцов

20

диаграммах «состав-свойство» После декодирования значений с

52%

7%

О Битум ОВода ■ Известь ■ Керосин ■ Нефть

Рис. 18. Оптимальное содержание компонентов в вяжущем материале

песчано-гравииных смесей,

укрепленных различными комбинациями вяжущих веществ, представленные на рисунках 19-22.

Л 2.80 -

= " 2,59

5 2,60 • -------------------------_--------------------—

I 2,40 ■ 2,30 Н-

1 2,20 .^д .--■-К-2,06-

Ш> 11

о. Битумный Битумныи Битумньш Битумный Аналог Аналог

— порошок и порошок и порошок н порошок, (битумный (битумный

вода керосин нефть вода, кероин и порошок и порошок)

нефть керосин)

■ Прочность до Еодонасыщенпя, МПа ■ Прочность после водонасыщения, МПа Рис. 19. Диаграмма пределов прочности на сжатие образцов ПГС

50,60

ю

0,40

--0,83- 0,88 0,91

--

Битумный порошок Битумный порошок Битумный порошок Битумный порошок, и вода и керосин и нефть вода, кероин и нефть

0 Водостойкость Рис. 20. Диаграмма водостойкости образцов ПГС

5 б.оо

^ 5,00

I | 4,00 1

3 о 2,00

о 1,00

е*

и о.оо

5,12

5Д0

I I I ■ I ■

Битумный Битумньш Битумньш битумньш Аналог Аналог

порошок и порошок и порошок и порошок, (битумный (битумный

вода керосин нефть вода, кероин порошок и порошок)

и нефть керосин) О Водонасыщенпе, % от объема

Рис. 21. Диаграмма водонасыщения образцов ПГС

В процессе анализа результатов эксперимента было установлено повышение значений пределов прочности образцов в состоянии до и после водонасыщения в среднем на 25...30% (рис. 19), водостойкости на 8...10% (рис. 20) и понижение значений водонасыщения на 30...40% (рис. 21) и набухания укрепленных образцов песчано-гравийной смеси на 20...30% (рис. 22).

Битумный Битумный порошок и порошок и вода керосин

Битумный порошок,

Аналог (битумный

Битумный порошок и нефть вода, кероин и порошок и нефть керосин)

И Набухание, % от объема

Рис. 22. Диаграмма водонасыщения образцов ПГС

Аналог (битумный

В пятой главе приводятся рекомендации по дозировке компонентов комплексного вяжущего вещества, проведен анализ воздействия компонентов комплексного вяжущего вещества на организм человека и окружающую среду, доказана экономическая эффективность от применения результатов исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе проведенных исследований решена актуальная задача по изучению возможности использования сырой нефти для укрепления природных песчано-гравийных материалов в строительстве лесовозных дорог. В результате проведения исследования получены следующие результаты:

1. Изучен опыт применения органических и неорганических вяжущих веществ в укреплении дорожно-строительных материалов в России и за рубежом.

2. Проведено широкое теоретическое исследование возможности получения и применения опытной партии битумного порошка и сырой нефти с подтверждением возможности применения комплексного укрепления грунтов.

3. Исследованы строение и свойства исходных материалов, в результате чего выявлены существенные различия в структуре и свойствах сырой нефти и битума. Установлено процентное содержание асфальтенов, парафинов и смол, которое на 30%, 87% и 57% больше, чем в сырой нефти.

Данное обстоятельство указывает на повышенную механическую стойкость, теплоустойчивость и наличие значительного интервала пластичности битумного материала. Особенность структуры сырой нефти проявляется в наличии упругих свойств, повышенной пластичности и текучести. Совместное использование сырой нефти и битумного порошка повысит реологические, поверхностные и теплоустойчивые свойства комплексного вяжущего вещества. Проведен подбор оптимального фракционного состава каменного материала, за основу которого была принята наиболее схожая с нефтегравием гранулометрическая кривая песчано-гравийной смеси №2 (ГОСТ 25607-2009).

4. Проведено комплексное укрепление песчано-гравийных смесей сырой нефтью совместно с битумным порошком, в результате чего получены опытные образцы, компрессионные и измерительные испытания которых подтвердили теоретические предположения и гипотезы, а именно:

- Установлено положительное влияние разжиженного порошкообразного битума на физико-механические свойства. Отдельное применение керосина в пластификации битума позволило увеличить предел прочности укрепленных образцов ПГС в состоянии до и после водонасыщения на 6 и 19%, соответственно, по отношению к образцам укрепленных непластифицированным битумным порошком. Также установлено повышение водостойкости на 5% и уменьшение водонасыщения и набухания в среднем на 20.. .30%.

- Доказана сравнительная эффективность использования сырой нефти для разжижения дорожного битума. По результатам компрессионных испытаний предел прочности до и после водонасыщения увеличился на 69%, водостойкость на 3%, а набухание и водонасыщение уменьшилось в среднем на 25% по отношению к результатам, полученным от использования керосина.

— Выявлена нецелесообразность совместного использования сырой нефти и керосина.

— Определена положительная роль воды в совместном использовании сырой нефти и битумного порошка при комплексном укреплении песчано-гравийной смеси, поскольку добавление воды в количестве 20,3 % от массы извести не только не уменьшило физико-механические свойства укрепленной песчано-гравийной смеси, но и позволило улучшить ее качество.

5. На основе сырой нефти и битумного порошка разработан состав комплексного вяжущего материала, включающий в себя следующие компоненты: дробленый битум в количестве 7,5 % от каменного материала, известь в количестве 66,4 % от массы битума, вода в количестве 20,3% от массы извести, керосин в количестве 1,2% от битума, сырая нефть в количестве 11,9% от массы битума, достигнуты повышенные физико-механические свойства исследуемых дорожно-строительных материалов.

6. В экспериментальной части исследования эффективно применены методы математического планирования - симплекс-решетчатые планы.

Посредством математической и статистической обработки результатов эксперимента получены тернарные поверхности, описывающие зависимость «состав-свойство», что позволило всесторонне изучить как отдельное влияние каждого из компонентов, входящих в состав комплексного вяжущего вещества, так и взаимовлияние изучаемых компонентов.

Результаты проведенного диссертационного исследования отражены в следующих опубликованных работах:

- Melinitckiy, М.А., Pavlov, F.A., Low-Volume Roads in Russia and North America //Ломоносовские научные чтения аспирантов и молодых ученых 2014: сборник материалов конференции. - Архангельск: изд-во САФУ, 2014. - С. 204-208.

- Мельницкий, М.А., Павлов, Ф.А. Исследование сырой нефти и дорожного битума методами электронной микроскопии // Ломоносовские студенческие научные чтения студентов, аспирантов и молодых ученых 2014: сборник материалов конференции. Архангельск: изд-во САФУ, 2014. -С. 136-139.

- Жабин, В.И., Мельницкий, М.А., Герасимов, О.В. Эмпирическая оценка прочностных характеристик нефтегравийных покрытий автодорог/ В.И. Жабин, М.А. Мельницкий, О.В. Герасимов. // Лесной журнал: научный журнал. Известия высших учебных заведений. Архангельск, 2013 - С.79-85.

- Павлов, Ф.А. Мельницкий, М.А., Голицын, Л.Н. Исследование влияния компонентов песчано-гравийной смеси на укрепление лесовозных дорог сырой нефтью / Ф.А. Павлов, М.А. Мельницкий, Л.Н. Голицын. // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал: научный журнал. Архангельск, 2014 - С.69-81.

- Павлов, Ф.А., Мельницкий, М.А. Применение битумного порошка совместно с сырой нефтью для укрепления песчано-гравийных дорог/ Ф.А. Павлов, М.А. Мельницкий// Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). М., 2015. - С.62-67.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с указанием фамилии, имени, отчества, почтового адреса, адреса электронной почты, наименования организации, должности, шифра и наименования научной специальности в соответствии с номенклатурой, по которой защищена диссертация, лица, составившего отзыв, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, САФУ имени М.В. Ломоносова, диссертационный совет Д 212.008.01.

Подписано в печать 23.06.2015. Формат 60x84/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3728

Издательский дом имени В.Н. Булатова САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56