автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Обоснование температурного и сдвигового режимов механоактивации битума для улучшения качества асфальтобетонов

ВВЕДЕНИЕ.5

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРИГО-ТОВЛЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ,

ВКЛЮЧАЮ-ЩИХ АКТИВИРОВАННЫЕ КОМПОНЕНТЫ.8

1.1. Теоретические основы структурообразования в дисперсных системах и получение материалов с заданными свойствами.8

1.2. Существующие представления о активационно-технологической механике асфальтобетона.11

1.3. Методы активации материаллов, их достоинства и недостатки. 13

1.3.1. Ультразвуковой метод обработки.15

1.3.2. Трибоактивация песка.17

1.3.3. Разрядно-импульсная технология обработки материалов.22

1.4. Выводы.25

ГЛАВА II. НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ИССЛЕДОВАНИЮ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ БИТУМА. 28

2.1. Структурно-механические свойства дорожных битумов.28

2.2. Влияние структурных типов битумов на свободно-радикальные процессы.33

2.3. Влияние структурообразования в битуме на межмолекулярные взаимодействия его с минеральным материалом.37

2.4. Выводы.44

ГЛАВА III. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.48

3.1. Характеристики используемых материалов.48

3.2. Зерновые составы минеральной части асфальтобетонных смесей, используемых в исследованиях.

3.3. Методика исследования.50

3.3.1. Определение изменений дисперсности битума оптическим методом. 50

3.3.2. Определение предельного напряжения сдвига и вязкости вяжущего. 53

3.4. Выводы.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. 60

4.1. Технологические особенности обработки битума с помощью метода низкотемпературной механоактивации. 60

4.2. Планирование эксперимента в работе. 63

4.3. Определение влияния режима низкотемпературной механоактивации на косвенные показатели дисперсности битума. 65

4.4. Влияние низкотемпературной механоактивации на структурно-механические свойства битума. 72

4.5. Влияние низкотемпературной механоактивации битума на физико-механические свойства асфальтобетонов. 76

4.6. Влияние скорости сдвига при низкотемпературной механоактивации на энергетические показатели. 95

4.7. Регрессионный анализ результатов эксперимента. 96

4.8. Выводы. 99

ГЛАВА У. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ НА БИТУМЕ, ОБРАБОТАННОМ ПО СПОСОБУ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. 101

5.1. Оборудование используемое при низкотемпературной механоактивации на асфальтобетонном заводе. 101

5.2. Строительство опытных участков покрытий, приготовленных на битуме обработанном по способу низкотемпературной механоактивации. 103

5.3. Технико-экономическая эффективность применения асфальто бетонов, приготовленных на битуме обработанном по способу низ котемпературной механоактивации.104

Решение проблемы повышения качества строящихся асфальтобетонных дорожных покрытий имеет большое народно-хозяйственное значение.

Климатические условия регионов РФ предъявляют повышенные требования к асфальтобетонам, используемым для устройства слоев дорожной одежды. В частности существенное значение имеет повышение водостойкости и сдвигоустой-чивости асфальтобетонных покрытий [25].

Для строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог в нашей стране в год производится более 100 млн. тонн асфальтобетонных смесей. Их выпуск постоянно будет возрастать по мере увеличения объёмов строительства и ремонта дорог [35]. Учитывая многотоннажность выпуска асфальтобетонных смесей, в настоящее время остро стоит проблема усовершенствования старых и внедрения новых интенсивных технологий приготовления асфальтобетонных смесей с целью повышения срока службы асфальтобетонных покрытий. [17].

Одним из наиболее существенных факторов влияющих на качество асфальтобетонных смесей является обеспечение условий для проявления максимального активного состояния минеральных компонентов и органического вяжущего в момент их контактных взаимодействий [9].

В последние годы, с учётом удорожания нефтяных битумов, актуальны стали проблемы поиска дополнительных источников улучшения качества вяжущих для строительства и ремонта дорожных покрытий [10]. Для этих целей необходимо разработать методы безреагенгного улучшения адгезии и усиления вязкости неразрушенной структуры битумов.

Цель работы заключаются в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении улучшения физико-механических свойств асфальтобетона на основе предварительной механоактивации битума в оптимальном температурно-сдвиговом режиме перед перемешиванием вяжущего с минеральным материалом.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи: - теоретически обоснованы эффективные режимные условия сдвиговой механоактивации для повышения условной дисперсности вяжущего и образования активных центров, направленных на взаимодействие с минеральным материалом во время приготовления асфальтобетонных смесей; изучить и обосновать различия технологических режимов низкотемпературной механоактивации для битумов различных структурных типов;

- экспериментально установлены приемлемые технологические режимы сдвиговой механоактивации битумов различных структурных типов;

- выявлено влияние технологических режимов механоактивации битума на улучшение физико-механических свойств асфальтобетона из горячих асфальтобетонных смесей;

- выполнена опытно-производственная проверка результатов теоретических и лабораторных экспериментальных исследований при строительстве опытного участка асфальтобетонного покрытия.

Научная новизна: Обоснован режим интенсивной сдвиговой механоактивации битума на основе учёта эффекта «клетки» и вязкостного фактора, влияющих на процессы разрушения надмолекулярных структурных связей в смолисто-асфальтеновой дисперсной фазе битума и сохранения образующихся при этом активных центров, адсорбируемых минеральным материалом с образованием водостойких битумоминеральных связей. Оптическим методом установлено повышение дисперсности битума за счёт механоактивации, подтверждающее разрыв структурных связей.

Показано повышение водостойкости и прочности при 50°С асфальтобетона с увеличением скорости сдвиговых деформаций и понижением температуры битума во время его механоактивации непосредственно перед перемешиванием с минеральным материалом.

На защиту выносится: теоретическое и экспериментальное обоснование влияния режима механоактивации битума на его структурные свойства и физико-механические свойства асфальтобетонов.

Практическая ценность работы: предложен способ интенсивной сдвиговой механоактивации битума, позволяющий увеличить прочность при сжатии R50 в среднем на 15 %, а также увеличить коэффициент длительной водостойкости Кдв на 15-20 % по сравнению с асфальтобетонами приготовленными на исходном битуме.

Механоактивационное воздействие на битум приводит к значительному уменьшению водонасыщения, что позволило в лабораторных условиях уменьшить содержание битума с асфальтобетонной смеси на 8-10 %.

Снижение температуры при механоактивации до 120°С позволило в производственных условиях уменьшить расход природного газа на разогрев и поддержание битума в рабочем температурном режиме на 12-15%. По результатам промышленного внедрения также установлено, что механоактивация не приводит к существенным затратам электроэнергии и практически не влияет на себестоимость полуфабриката.

Результаты исследований и методика проведения низкотемпературной механоактивации битума внедрены в учебный процесс дисциплины «Прогрессивные методы и технологии организации строительства автомобильных дорог» при подготовке инженеров по специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы».

Подсчитан ожидаемый экономический эффект при устройстве покрытий из асфальтобетонных смесей, приготовленных на битуме обработанном по способу механоактивации в температурном режиме 120°С, который составил 67516 рублей на 1 км или 9.6 руб/ м2 (в ценах 2002 г.).

Реализация работы:

- на асфальтобетонном заводе ДСУ-1 МУП Трест «Дормостстрой» г. Волгограда была разработана конструкция шнековой установки, а также организовано производство асфальтобетонных смесей приготовленных на битуме, обработанном по способу низкотемпературной механоактивации.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, включающего 70 рисунков, 17 таблиц, списка литературы из 89 наименований, 4 приложений.

1. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено улучшение физико-механических свойств асфальтобетонов за счёт интенсивной низкотемпературной сдвиговой механоактивации битумов.2. Установлено, что посредством разрушения надмолекулярных структурньгх связей в битуме с помош;ью приложения мощных сдвиговых усилий при пониженных температурах, преобразуются его структура, улучшается адгезия, способствуя повышению длительной водостойкости и прочности при 50"С асфальтобетона. Из теоретических представлений следует, что разрушение слабых ковалентных связей в битуме с образованием активных свободных радикалов при сдвиговой механоактивации происходит интенсивнее с увеличением скорости сдвига и одновременном снижении температурьг При приготовлении асфальтобетонньпс смесей усиление взаимодействия образовавшихся активных центров с минеральным материалом приводит к улучшению водостойкости асфальтобетона.3. Изучены и обоснованы режимы низкотемпературной механоактивации для битумов марок БНД 60/90 и БН 60/90, на основании которых, разработан новый технологический регламент безреагентното способа активации вяжущего, непосредственно перед перемешиванием с традиционно нагретым минеральным материалом.4. Экспериментально установлено, что при одинаковых температурных режимах битум марки БН требует более интенсивной сдвиговой механоактивации, по сравнению с битумом марки БНД. Исследованиями подтверждено улучшение структурно-механических и реологических свойств битумов обоих структурных типов.5. С помощью экспериментальных; исследований доказано увеличение косвенного показателя дисперсности у механоактивированного битума по сравнению с не активированным.6. Низкотемпературная механоактивация битума улучшила физико механические свойства асфальтобетона и позволила снизить содержание битума в асфальтобетонной смеси, приготовленной в лабораторных условиях на 8-10%.7. Проведена опытно-производственная проверка и подтверждение результатов теоретических и лабораторных экспериментальных исследований.Результаты свидетельствуют об улучшение физико-механических свойств асфальтобетона за счёт низкотемпературной сдвиговой механоактивации.Происходит увеличение предела прочности на сжатие при 50"С для образцов асфальтобетона, приготовленных на механоактивированном битуме в среднем на 15 %. Увеличивает коэффициент длительной водостойкости для асфальтобетонов, приготовленных на механоактивированном битуме в среднем на 15-20 % по сравнению с асфальтобетонами, приготовленными на исходном битуме.

1. Асфальтобетон на активированном минеральном порошке изотработанных формовочных смесей литейного производства / Е Т . Сычевский, Я.Н. Ковалёв, А.В. Бусел. - Мн.,1983. - (Информ. листок БелНИИНТИ № 83-21, сер. 73.31).

3. Афанасьев Н.В., Капельян Н. Влияние давления на величинуэлектрической эрозии металлов при конденсированном искровом разряде // Весщ А Н БССР. Сер.ф1з.- техн. навук - 1965. - №2. - 65 - 71.

4. Ахвердов И.Н. и др. Акустическая технология бетонов / Под.ред.И.Н. Ахвердова. - М.: Стройиздат, 1976. - 144 с.

5. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. - М.: Стройиздат, 1981.462 с.

7. Битумные материалы: асфальты, смолы, леки /Под.ред. А . Д ж .Хойберга/. М.: Химия, 1974. 261 с.

8. Богдасарьян Х.С. Теория радикальной полимеризации. Изд.Наука. М., 1966 г.

10. Воюцкий С. Курс коллоидной химии - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Химия, 1976 г., -512 с.

11. Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон. - М.: Стройиздат, 1964. - 444с.

12. Гончаревич И.Ф. и др. Вибрационная техника в пищевойпромышленности / Под.ред. Н.Б. Урьева. - М.: Пищ.пром-сть, 1977. - 273 с.

13. Горюнов Ю.В. и др. Эффект Ребиндера. - М.: Наука, 1986. - 128с.

14. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих длядорожного и аэродромного строительства: Госстой России - М.: ГУП ЦПП, 1999.

15. ГОСТ 22245-90. Битумы нефтяные дорожные вязкие.Технические условия: Офиц. изд., М.; ИПК Издательство стандартов, 1998.

16. ГОСТ 11501-78 (СТ СЭВ 3658-82). Битумы нефтяные. Методопределения глубины проникания иглы: Офиц. изд., М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.

17. ГОСТ 11503-74. Битумы нефтяные. Метод условной вязкости:Офиц. изд., М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.

18. ГОСТ 11505-75*. Битумы нефтяные. Метод определенияРастяжимости: Офиц. изд., М.: Издательство стандартов, 1993.

19. ГОСТ 11506-73 (CT СЭВ 5473-86). Битумы нефтяные. Методопределения температуры размягчения по кольцу и шару: Офиц. изд., М.: Издательство стандартов, 1993.

20. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород длястроительных работ. Технические условия: Офиц. изд., МНТКС - М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.

21. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромныеи асфальтобетон. Технические условия: Офиц. изд., Минземстой России М . : Г У П Ц П П , 1998.

22. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. - М . : Химия, 1973. - 428 с.

23. Дворкин Л.С. и др. Автоматический контроль технологическихпроцессов в промышленности строительных материалов. - Л.: Стройиздат; Ленингр. отд-ние, 1972. - 184 с.

24. Данильян Е.А. Физико-химическое обоснование температурперемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей. - Дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. - Белгород, 2000. - 4.

25. Дорожная терминология: Справ. / Под.ред. М.И. Вейцмана. - М.:Транспорт, 1985.-310 с.

26. Дорожно-строительные материалы / И.М. Грушко, И.В. Королёв,И.М. Борщ, Г.М. Мищенко. - М.: Транспорт, 1983.-383 с.

27. D I N 1996/ Bitmninose Massen fur den Strasssenbau und verwandteGebite, Teil 1-20 (Ausg. ab 1971)/Köln, 1996

28. Железко E . H . , Печёный Б.Г. О кинетике образования ирекомбинации свободных радикалов в битумах. - В кн.: Труды СоюздорНИИ. - Балашиха, Моск. обл., 1970 г., вып. 46, стр. 137-142.

29. Зинченко В.Н., Золотарёв В.А. Активация битума ультразвуком //Автомоб.дороги. - 1975. №5. - 22 - 23. И З

30. Золотарёв В.А. Долговечность дорожных бетонов. - Харьков:Изд-во при Харков.гос.ун-те издательского об-ния «Вища школа», 1977. 114 с.

32. Инструкция по устройству покрытий и оснований изщебёночных, гравийных и песчаных материалов, обработанных органическими вяжущими: ВСН 123-77 / Офиц. изд., Минтрансстрой СССР - М.: «Транспорт», 1978.

33. Ковалёв Я.Н., Капельян Н. Повышение качества битумов путёмобработки их электрическими разрядами // Строительство / Сб.науч.тр. Белорус.политехн.ин-та. - 1967. - № 1 . - 98 - 100.

34. Ковалёв Я.Н. и др. Изменение группового состава битумов подвоздействием электроразрядов // Изв. АН БССР. Сер.хим.наук. - 1966. №4. - 79-84.

35. Ковалёв Я.Н. Активационно-технологическая механикадорожных асфальтобетонов. - М н . : Выс. шк., 1990.-180 с.

36. Колбановская A . C . Исследование дисперсных структур внефтяных битумах с целью получения оптимального материала для дорожного строительства. // Автореферат дис. на соиск.уч.ст. д.т.н., М.,1967 г.

37. Колбановская A . C . , Михайлов В.В. Дорожные битумы. М.:Транспорт, 1973 г., 261 с.

39. Королёв И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве.- М . : Транспорт, 1986. - 149 с.

40. Королёв И.В. Перспективы развития технологии приготовленияасфальтобетонной смеси/ / Автомобильные дороги. - 1987. №12. - 12.

41. Кучма М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожномстроительстве. - М . : Транспорт, 1980. - 191 с.

42. Леб Л. Статическая электризация. - М.; Л: Госэнергоиздаг, 1963.- 4 0 8 с.

43. Лысихина А.И. Поверхностно-активные добавки для повышенияводоустойчивости дорожных покрытий с применением битумов и дёгтей. - М . : Автотрансиздат, 1959. - 232 с.

44. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии.Киев: Наук, думка, 1983. - 270 с.

45. Михайлов В.В. Элементы теории структуры бетона. - М.; Л:Стройиздат, 1941. - 226 с.

46. Печёный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990.- 2 5 6 с.

47. Практикум по физико-химическим методам анализа /Под ред.О.М. Петрухина. М.: Химия, 1987. 89-90.

48. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. - М.: Знание,1961 . -46 с.

49. Ребиндер П.А. На границах наук. - М.: Знание, 1963. - 40 с.

50. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсныхструктур // Сб.ст. А Н СССР. - М.: Наука, 1966. - 3-16.

52. Романов С И . Физико-химические основы технологии нефтяногобитума и асфальтобетона. Учебное пособие. Волгоград: ВолгГАСА, 1998. - 8 6 с.

53. Романов С И . К теории и практике структурообразованиядорожных нефтяных битумов, Известия вузов № 1 , 1990 г., стр. 99-102.

54. Романов С И . Исследование свойств дорожных битумов методомэлектронного парамагнитного резонанса. - Д и е н а соиск.уч.ст.к.т.н. АлмаАта, 1973.

55. Романов С И . Известия высших учебных заведений истроительство, №2. 1993. 85-88.

56. Руденская И.М., Руденский A . B . Органические вяжущие длядорожного строительства, М.: Транспорт. 1984 г., 232 с.

57. Руденская И.М., Руденский A . B . Реологические свойствабитумов. М.: Высшая школа, 1967 г., 118 с.

58. Рыбьев И.А. Вопросы повышения стойкости строительныхматериалов и бетонов гидрофобизирующими поверхностно-активными добавками // Тр. МИСИ. - 1967. - №15. - 153 - 167.

59. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. - М.: Высш. шк., 1969. - 396 с.

60. Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущихвеществ. - М.: Высш. шк., 1978. - 307 с.

61. Способ приготовления асфальтовяжущего вещества: A.c . №1004515 ( С С С Р ) / Я . Н . Ковалёв, С Е . Кравченко.

62. Способ приготовления асфальтобетонных и других битумноминеральных смесей A.c . № 403804 СССР./ М.И. Волков, В.А. Золотарёв, В.Н. Зинченко.-1973.

64. Сюняев З.И., Сюняев Р.З., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсныесистемы. М.: Химия, 1990. Стр. 151-167.

65. Технические правила по экономному расходованию основныхстроительных материалов. - М., 1984. - 48 с,

66. Унгер Ф.Г. Роль парамагнетизма в образовании структурынефтей и нефтепродуктов // исследование состава и структуры тяжёлых нефтепродуктов. М., 1982 г., стр. 151-167.

67. Унгер Ф.Г., Красногорская H . H . , Андреева Л.Н. Рольпарамагнитных молекул в межмолекулярных взаимодействиях нефтяных дисперсных систем. Томский филиал СО АН СССР, Томск, 1987 г.

68. Унгер Ф.Г., Долматов М.Ю., Кавыев А.Г., Гордеев В.Н.,Огородников В. Д. Влияние парамагнетизма на спектры Я М Р многокомпонентных парамагнитных смесей. Препринт № 2. Томский научный центр. СО АН СССР, Томск, 1989 г.

69. Урьев Н.Б. Образование и разрушение дисперсных структур вусловиях совместного действия вибрации и поверхностно-активной среды: Автореф. дис. д-ра хим. наук. - М., 1976. - 40 с.

70. Урьев Н.Б., Талейсник М.А. Физико-химическая механика иинтенсификация образования пищевых масс. - М.: Пищ. пром-сть, 1976. 233 с.

71. Урьев Н.Б. Физико-химическая механика в технологиидисперсных систем. - М.: Знание, 1975. - 64 с.

72. Устройство для приготовления асфальтовяжущего: A.c . 1073356(СССР) / Я.Н. Ковалёв, С Е . Кравченко.

73. Sigffried Harig. Technologie der Baustoffe: Handbuch für Studiumund Praxis/ Sigffried Harig; Karl Gunther; Dietmar Klausen. - 11., durchges. Auf l . - Karlsruhe: Muller, 1992. S. 472 - 509.

74. Ч. Уоллинг. Свободные радикалы в растворе. М., 1960 г.

75. Шульман Э.П. и др. Электрореологический эффект / Под.ред.A . B . Лыкова. - М н . : Наука и техника, 1972. - 176 с.

76. Эйгельс М.А. Основы флотации несульфидных минералов. - М.;Недра, 1964.-407 с.

77. ZTVbi t - StB 84: Techniche Vorschriften und Richtlinien für den Baubituminöser Fahrbandecken.

78. Z T V T - StB 86: zusatzliche Techniche Vorschriften und Richtlinienfür Tragschichten im Strassenbau.

79. A . c . J4o403804 СССР. Способ приготовления асфальтобетонных идругих битумно-минеральных смесей / Волков М.И., Золотарёв В.А. Зинченко В.Н. - 1973.

80. Пронин C A . К вопросу выбора режима при низкотемпературноймеханоактивации битума. // Материалы межд. научно-техн. конф. «Строительство - 2002». - Ростов н/Д.: РГСУ, 2002. - 63 - 64.

81. Баринов E .H . , Гурьев Т.А., Чижевский Ю . С Математическиеметоды планирования эксперимента в научно-исследовательской работе студентов: Методические указания к выполнению УИРС и НИРС. Архангельск: РИО АЛТИ, 1985. - 36 с.

82. Баринов E . H . , Гурьев Т.А., Чижевский Ю.С. Математическиеметоды обработки результатов эксперимента при научноисследовательской работе студентов: Методические указания к выполнению УИРС и НИРС. - Архангельск: РИО АЛТИ, 1985. - 20 с.

83. Строительство автомобильных дорог. Справочник инженерадорожника. Под. Ред. В.А. Бенина. М.: Транспорт, 1980. - 346 с.

84. Инструкция по определению экономической эффективностииспользования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.: ЦНИИТЭнефтехим, - 1978. - 183 с.

85. Котелевский Н.М., Печёный Б.Г. Исследование битумов методомэлектронного парамагнитного резонанса. Известия вузов № 3 , 1968 г., 167-171.