автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Особенности технологии холодного асфальтобетона в условиях климата Таджикистана

■> V Ъ ' ' 2.3 »ми«®

На правах рукописи

ДодхоевИлхомбекИмомбекович

Особенности технологии холодного асфальтобетона в условиях климата Таджикистана.

Специальность 05.23.05. - "Строительные материалы и изделия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

МОСКВА -1998

Работа выг.'ОЛп'гна в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (технический университет) на кафедре "Дорожно-строительные материалы''.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Н.В.Горелышев.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор Б.Б.Каримов

~ кандидат технических наук Л.В Поздняева.

- Моеаатодор.

Защита диссертации состоится " О " ^■и'ря 1998г. в час, на заседания диссертационного совета К 053.30.13 ВАК России при Московском автомобильно-дорожном институте (технический университет) по адресу: 125829, ГСП, Москва А-319, Ленинградский проспект, 64, в ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ТУ).

Автореферат разослан п£ " ? 1998г.

Учений секретарь диссертационного совета кандитат технических наук

"У1.П. Бессонова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Сеть автомобильных дорог в Таджикистане в основ-ом сформирована и состоит из 13300 км. дорог общего пользования, из кото-ых 25% относятся к дорогам II и III категориям, а 75% к дорогам IV-V катего-ий.

Существующие покрытая дорог рассчитаны на интенсивность движения, оответствующуго категории дорог, однако быстрое развитие автомобильного ранспорта приводит к тому, что в большинстве случаев реальная интенсив-ость движения превосходит расчетную и это требует усиления покрытия.

Одним из рациональных покрытия для дорожной сети Таджикистана яв-яется холодный асфальтобетон, однако объемы его применения сдерживаются го недостатками - малой прочности и водостойкостью.

К этим недостаткам добавляется недостаточная сдвигоустойчивость, бусловленная продолжительным летним периодом высокой температуры воз-уха, когда температура покрытия доходит до 70 °С, асфальтобетон становится ластичными, его сопротивление сдвигу снижается.

Актуальность диссертационной работы состоит в разработке способа начительного снижения всех перечисленных недостатков.

Цель работы:

Повышение прочности, водостойкости и сдвигоустойчивости холодного сфальтобетона применительно к климатическим условиям республики Таджи-истан.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании азработанных методов повышения прочности, водостойкости и двигоустойчивости холодного асфальтобетона.

В стандартном асфальтобетоне, как в холодном, так и в горячем прочная вязь минеральных зерен в плотный конгломератный монолит обеспечивается яжущим коагуляционной структуры, вследствие чего в асфальтобетоне при оложительной температуре преобладают пластические свойства.

В диссертации показано, что введение в структуру асфальтобетона ристаллизационных связей (без нарушения связей коагуляционных) позволяет овысить сдвигоустойчивость холодного асфальтобетона.

Практическая значимость исследований заключается в том, что редлагаемая технология уплотнения асфальтобетонных смесей сразу после их зготовления в неостывшем виде может резко сократить период формирования лоя покрытия, которое обычно продолжается не менее двух недель и тем амым снизить опасность разрушения формирующегося, еще не окрепшего, лоя колесами автомобилей.

При этом обычная технология уплотнения холодных смесей не :скточается и используется как вариантная при необходимости ранспортирования их на далекие расстояния железнодорожным или водным ранспортом.

Реализация работы; результаты диссертационной работы изложены в иде рекомендаций по повышению прочности, водостойкости и сдвигоустой-ивости холодного асфальтобетона, применительно к условиям Таджикистана.

Апробация работы:

Диссертационная работа одобрена на трех заседаниях кафедры дорожно-строительных материалов Московского ордена трудового красного знамени автомобильно-дорожного института (Технического университета) в 1996-98гг., на 56-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ(ТУ) в 1997г., на всероссийском семинаре-совещании руководителей дорожных, научных и проектных организаций. (Суздаль, 1998г.), а также на научно-производственной конференции Минтрансдорхоза Республики Таджикистан. (Душанбе, 1998г).

Публикация:

По материалам диссертации опубликованы: одна статья в журнале "Наука и техника в дорожной отрасли", тезис доклада на Всероссийском семинаре- совещании руководителей дорожных, научных и проектных организаций (Суздаль, 1998г), в двух депонированных статьи в ВИНИТИ и "Методические рекомендации по приготовлению и применению холодного асфальтобетона в Таджикистане".

Объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 168-х наименований, и приложений. Она изложена на 116-ми страницах машинописного текста и содержит 35 таблиц и 21 рисунка.

На защиту выносятся:

- Теоретические и экспериментальные исследования прочностных и деформационных свойств холодных асфальтобетонов.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обеспечение устойчивости холодных асфальтобетонных покрытий против образования пластических деформаций в жарком климате республики Таджикистан.

- Результаты определения сдвигоустойчивости холодного асфальтобетона различных составов.

- Предложения по высотному районированию применимости холодного асфальтобетона на высотах от 500 до 3500 м от уровня моря.

- Рекомендуемые требования и технология к составам холодных асфальтобетонных смесей с целью повышения их прочности, водостойкости и сдвигоустойчивости.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена изучению режима движения автомобильного транспорта на дорогах Таджикистана и состоянию дорожных одежд, анализу литературных источников по строительству дорожных покрытий из холодного асфальтобетона, определена цель и задачи исследования.

Одной из задач данной диссертации была ее практическая направленность, увязка качества холодного асфальтобетона с реальными эксплуатационными условиями Республики Таджикистан - климатом, рельефом, имеющимися

в наличии строительными материалами, характером движения на дорогах республики.

Все это проводилось путем сбора данных производственных лабораторий и натурных наблюдений, проведением учета движения транспортного потока на автодороге Душанбе-Кофарнихан, по одному из направлений (въезд в Душанбе). Учет движения производился прибором-анализатором типа 2АСТП-7М.

Анализ полученных данных показывает, что на 54% обследованных участков фактическая интенсивность выше нормальной среднегодовой суточной интенсивности для соответствующей категории дороги.

Отличительная особенность асфальтобетонных смесей, укладываемых в холодном состоянии, по сравнению со смесями, применяемыми в горячем состоянии, заключается в их способности сохранять рыхлость длительное время после приготовления и уплотняться в покрытии при температуре, соответствующей температуре окружающего воздуха, под действием легких катков и колес автомобилей.

Исследованию холодного асфальтобетона посвящены многие работы советских и зарубежных исследователей [31,33,69,71,72,73,86,88,121,134,135]. Одним из основных вопросов, рассматриваемых различными авторами, являются составляющие материалы. В качестве вяжущего во многих работах предпочтение отдавалось применению жидкого среднегустеющего битума с вязкостью С560-70/130 [121]. Диссертационные работы П.А.Володько и А.Б.Шестеркина [30,135] посвящены исключительно использованию местных каменных материалов для холодных смесей.

Наиболее полными и охватывающими все аспекты, связанные с холодным асфальтобетоном, являются исследования, проведенные Е.Н.Козловой [70,71]. Она выявила специфические особенности холодного асфальтобетона, в сравнении с горячим, зависящие от применения жидкого битума. Все перечисленные исследования холодного асфальтобетона относятся к 30-60-ым годам.

К современным исследованиям относятся работы М.Б.Сокальской [87.134], которая показала реальный путь преодоления основного недостатка холодного асфальтобетона и его малой водостойкости.

М.Б.Сокальская показала, что применение активированных минеральных порошков повышает не только водостойкость, но также и прочность холодного асфальтобетона на 10-15%. Интересные работы, связанные с хранением холодных смесей, в последние годы проведены В.П.Леонтьевым [97]. Было показано, что от высоты штабеля и температуры укладки смесей в штабель зависит и срок хранения смеси.

В настоящее время требования к холодному асфальтобетону и методам его испытаний регламентируются государственными стандартами ГОСТ 912884 и ГОСТ 12801-84 "Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон", а технология приготовления смесей и устройства из них дорожных покрытий - общесоюзными нормами и правилами СНиП 3.06.03-85 "Автомобильные дороги. Правила производства и приемки работ".

Обзор исследований по холодному асфальтобетону позволил сделать следующие выводы:

1. Теория холодного асфальтобетона отличается лишь немного от теории асфальтобетона из горячих смесей.

2. Проблема рыхлости и неслеживаемости холодных смесей все еще привлекает внимание исследователей, так как точных зависимостей между температурой смеси и ее слеживанием еще не установлена.

3. Недостаточно исследован вопрос о целесообразности уплотнения смеси с жидким битумом сразу после ее приготовления в горячем состоянии.

4. Главные недостатки холодного асфальтобетона - малая прочность и водостойкость.

Целью настоящих исследований является выявление особенностей работы холодного асфальтобетона в условиях климата республики Таджикистан и повышение прочности, водостойкости и сдвигоустойчивости холодного асфальтобетона с учетом вертикального районирования территории.

Задачи, вытекающие из поставленной цели:

Проведение исследований физико-механических и эксплуатационных свойств холодного асфальтобетона в увязке с эксплуатационными и климатическими условиями республики, а также с ориентацией на местные материалы.

Исследования холодного асфальтобетона на сдвиг и раскалывание при разных температурах в сухом и водонасыщенном состоянии.

Комплексное использование всех ранее разработанных предложений по повышению качества холодного асфальтобетона.

Разработка научно-практических предложений по приготовлению и укладке холодных асфальтобетонных смесей для регионов республики Таджикистан.

Во второй главе дана характеристика дорожно-климатических условий и дорожно-строительных материачов Таджикистана.

В силу природных особенностей Таджикистана, (горный рельеф, сложные инженерно-геологические условия и др.) развитие железных дорог, как альтернативы автомобильным дорогам, практически исключено.

Развитие сети автомобильных дорог по новым направлениям затруднено из-за горного рельефа республики. И хотя подавляющее количество городов и населенных пунктов связано между собой автомобильными дорогами с твердым покрытием, однако, с учетом интенсивности движения, многие участки дорог не могут удовлетворить предъявленным к ним требованиям.

Дороги местного значения и подавляющая часть дорог республиканского значения, относится к IV и V категории.

Учитывая все выше перечисленные обстоятельства, можно уверенно сказать, что холодный асфальтобетон является одним из приемлемых и прогрессивных материалов для строительства покрытий на дорогах республики.

Территория республики Таджикистан отнесена к V дорожно-климатической зоне, т.е. рассматривается как теплый и засушливый район. Однако, в действительности, из-за наличия на территории республики как долинных, так и горных районов погодно-климатические условия резко меняются в

зависимости от высоты над уровнем моря и различаются между собой существенно.

Климат республики резко континентален и засушлив. Более половины всей сети дорог Таджикистана находятся на высоте свыше 1500м. К примеру, некоторые автомобильные дороги республиканского значения пролегают на высоте от 300 до 4600 м и выше. Сложность орографии, горные хребты, покрытые вечными снегами, определяют вертикальную поясность климата.

Резко континентальный климат характеризуется, в основном, большими колебаниями температуры, как в течение года, так и суток. Континенталь-ность климата проявляется также в резких колебаниях температуры от года к году. Так, например, если в качестве показателя континентальности принять величину средней годовой амплитуды температуры воздуха, то в Таджикистане она будет практически небольшой для территории СНГ - 27- 37 °С, наибольшие суточные колебания достигают 16-20°С. Абсолютный максимум положительной температуры достигает 48°С, а отрицательный до -23°С.

Основными климатическими факторами являются;

- количество выпадающих осадков;

- температурный режим.

1. Радиационные факторы климата.

Солнечная радиация оказывает основное влияние на метеорологические явления и процессы на земле в атмосфере. Максимальное значение суммарной радиации наблюдается на более высоких отметках.

2. Термический режим.

Годовой ход положительной абсолютной температуры имеет на всех широтах тенденцию возрастания от зимы к лету. Причем максимум приходится на июль, а в горных районах может быть сдвинут на август.

3. Режим увлажнения.

Относительная влажность воздуха в течение года меняется в широких пределах. Наименьших значений она достигает в теплое время, наибольших- благодаря низким температурам и частому выпадению осадков - в холодное.

Осадки на территории республики определяются циклонической деятельностью. Однако распределение осадков по территории зависит не только от циркуляционных факторов, но и от подстилающей поверхности.

Асфальтобетон, как и многие другие пористые строительные материалы, может разрушаться в результате попеременного замораживания и оттаивания. Один из важных факторов, влияющих на трещиностойкость асфальтобетонного покрытия, является скорость понижения температуры воздуха.

На основе изучения многолетних данных по метео- и гидрологическим условиям, ряд видных ученых, таких как В.Д.Казарновский, Б.Б.Каримов, Ю.В.Бутлицкий, Э.А. Муселян, И.В. Мястовский (43,87,88,113), разделили территорию республики по высотной отношении на 4 категории и соответственных групп.

Районирование территории республики для строительства и эксплуатации основывается на учете степени воздействия основных климатических факторов на состояние земляного полотна и дорожной одежды.

В соответствии с этими факторами республика в высотном отношении делится на следующие категории:

- I равнинную, с абсолютной отметкой до 500м;

- II предгорную, с абсолютной отметкой от 501 до 1000м;

- III горную, с абсолютной отметкой от 1001 до 2000м;

- IV высокогорную, с абсолютной отметкой от 2001 до 4000м.

Разные высоты района расположения дороги над уровнем моря характеризуются различными комплексами климатических факторов, которые вызывают определённые требования к строительству и эксплуатации дорог с асфальтобетонными покрытиями.

В основном в качестве заполнителей используется местные материалы, таких как песчано-гравийные смеси. Песчано-гравелистые отложения большой мощности сосредоточены в средних течениях и в низовьях всех рек Таджикистана. Отложения в широких долинах, низовьях рек состоят из мелко и средне-зернистых песков, содержащих 10-15% гравийных частиц с окатанными зёрнами.

В подразделениях дорожного хозяйства действует 23 организации с 50-го дробильно-сортировочными установками. В основном это дробилки производительностью от 25 до 50 м /ч. Щебень и песок, используемые при строительстве автомобильных дорог в республике, соответствуют требованиям ГОСТ 8267-93, ГОСТ 8236-93 .

Основным структурообразующим компонентом асфальтобетона является минеральный порошок. В асфальтобетоне минеральный порошок является наполнителем битума, образуя структурированную дисперсную структуру асфальтового вяжущего вещества.

Активированный минеральный порошок получают в процессе размола исходной горной породы с одновременной обработкой ее активирующей смесью, состоящей из ПАВ и вязкого битума.

Для изготовления известнякового АМП в Таджикистане используется смесительная установка барабанного типа с шаровой мельницей.

В Таджикистане дорожные битумы, получаемые путём окисления гудрона и тяжёлой парафинистой Кичик-Бельской нефти, не удовлетворяют требованиям ГОСТ 22245-76 по растяжимости при 25°С. Проведённые исследования показали, что добавка к гудрону 6-8% госсиполовой смолы и 5-6% серы в процессе окисления позволила получить битумы, отвечающие этим требованиям. Дорожно-строительные материалы в республике Таджикистан в основном соответствуют стандартам и пригодны для приготовления холодных асфальтобетонных смесей.

В третьей главе представлены материалы и методики, применяемые в исследовании. Минеральные материалы, щебень, песок и АМП соответствуют требованиям ГОСТ 8267-93, ГОСТ 8736-93, ГОСТ 16557-78 .

Зерновой состав минеральных порошков, в том числе активированных, портландцемента, шлакопортландцемента и цементной пыли получен на лазерном микроанализаторе "Mastersizer" в химико-технологическом институте им. Д.И. Менделеева. Этот современный метод дает возможность определения крупности минеральных зерен в диапазоне от 0,3 мкм до 1мм.

В качестве вяжущего был использован среднегустеющий жидкий битум, полученный разжижением вязкого битума БНД 60/90 Московского НПЗ дизельным топливом. Получены жидкие битумы СГ 70/130, СГ 130/200, В качестве ПАВ использовалась ортофосфорная кислота (ОФК) в количестве 0,3% по массе битума.

Определение прочности асфальтобетона на растяжение и на сдвиг.

Характеристик качества холодного асфальтобетона только свойствами, нормированными в стандарте ГОСТ 9128-84, для условий республики Таджикистан недостаточно.

Жаркий климат равнинной части республики, предельно крутые участки дорог в горной части, морозы высокогорья - всё это приводит к необходимости характеризовать качество асфальтобетона не только нормированными показателями, но также показателями прочности при сдвиге и растяжении, которые позволяют косвенно судить об эксплуатационных свойствах сдвигоустойчиво-сти и трещиностойкости холодного асфальтобетона.

Сдвигоустойчивость асфальтобетона имеет очень важное значение, так как она влияет на деформативность покрытий в жаркие летние месяцы.

Эти свойства подробно изучают как отечественные, так и зарубежные исследователи, в некоторых странах эксплуатационные свойства уже стандартизированы. В предлагаемой работе этот вопрос рассматривается по следующим причинам:

Во-первых - эксплуатационные свойства изучались на асфальтобетоне из горячих смесей и особенности холодного асфальтобетона в этом отношении малоизвестны;

Во-вторых - разными авторами (Г.К.Сюньи, Н.Н.Иванов, Б.ГЛеченый, Н.В.Горелышев, В.Н.Яромко, В.В.Мозговой, Г.Н.Кирюхин, Ю.Е.Никольский и др.) разработаны и предложены различные методы определения эксплуатационных свойств, однако единая методика отсутствует.

Недостаточная прочность материала покрытия при сдвиге приводит к постоянному накоплению пластических сдвиговых деформаций - волн в местах торможения автомобилей, продольной колеи на транзитных участеах дорог.

Многочисленные предложения по определению сдвиговой прочности асфальтобетона, особенно холодного, очень сложны и практически трудно выполнимы в условиях производственных лабораторий. Широко известен метод вдавливания штампа, предложенный Росдорнии, опубликованный в пособии по строительству асфальтобетонных покрытий 1991 г. и метод Ю .Е.Никольского, опубликованный в журнале "Автомобильные дороги" № 11-12, 1991г.

Существенным недостатком этих методов является невозможность определения основных сдвиговых характеристик - угла внутреннего трения и внутреннего сцепления, от которых зависит способность асфальтобетона длительное время сопротивляться сдвиговым тормозным нагрузкам.

В данной диссертационной работе проведено экспериментальное сравнение трех методов определения прочности при сдвиге и путем их сопоставления выбран метод, предложенный Г.Н. Кирюхиным, опубликованный в стандарте предприятия " Метод испытания асфальтобетона на устойчивость к колееобра-зовагпда" и в журнале "Автомобильные дороги" № 2, 1991г.

Сущность метода заключается в определении максимальных нагрузок и соответствующих предельных деформаций стандартных образцов одинакового размера при двух напряженно-деформированных состояниях: при одноосном сжатии и сжатии специальным разрушающим устройством по аналогии с методом Маршалла. [48,83,84].

Для каждого образца, испытанного как на одноосное сжатие, так и по схеме Маршалла, вычисляют затраченную на разрушение работу по формуле: А = PI /2 = Pt /40, (Дж) (1) где Р - разрушающая нагрузка, (КН);

¡-относительный прогиб после разрушения образцов, (мм); t- время разрушении образцов, (сек); Коэффициент внутреннего трения асфальтобетона tgcp следует вычислять по формуле:

tgcp = 3 (Ам- А™) / ЗАМ - 2АСЖ, (рад, град), (2)

Лабораторный показатель сцепления Сл вычисляют в зависимости от прочности асфальтобетона при сжатии Ret по формуле:

Сл = 1/6 (3-2 tgcp ) Rok, (3)

Лабораторный показатель сцепления зависит от скорости деформирования и температуры испытания образцов, как и прочность при сжатии. Поэтому коге-зионное сцепление является реологической составляющей сопротивления сдвигу, отображая термовязкопластичные и усталостно-тиксотропные свойства асфальтобетона.

Определение угла внутреннего трения и сцепления дает возможность рассчитать предел прочности холодного асфальтобетона на сдвиг по уравнению Кулона:

Rc^Ptgtp + Сл, (4)

где: Р- нормальное удельное давление колеса на покрытие; (МПа) tgcp - коэффициент внутреннего трения, зависящий от зернового состава минеральной части асфальтобетона; Сл - сцепление минеральных зерен битумом, (МПа).

Режим испытания образца:

- образец цилиндр ё = Ь =71,4мм;

- температура испытания 50°С;

- скорость деформации Змм/мин.

Для определения прочности при растяжении холодного асфальтобетона был выбран так называемый Бразильский метод раскалывания цилиндрического образца при его сжатии по образующей при температуре 0°С.

При выборе руководствовались следующими соображениями:

метод прост и доступен для выполнения в лаборатории любого

уровня;

метод не требует специального оборудования; доказательством целесообразности метода является его стандартизация в ТУ дорожного комитета Ленинградской области, в стандартах Финляндии и Белоруссии.

В четвертой главе изложены экспериментальные исследования по повышению физико-механических и эксплуатационных свойств холодного асфальтобетона. Проектирование состава асфальтобетона заключалось в нахождении соотношения минеральных материалов и битума, обеспечивающего получение асфальтобетона требуемых свойств. Для проведения исследований принят холодный асфальтобетон типа Бх, соответствующий условиям движения и климата в Таджикистане. В соответствии с ГОСТ 9128-84 в асфальтобетоне типа Бх содержится от 35 до 50% щебня.

По результатам предварительных экспериментов принят асфальтобетон с содержанием:

щебня 45%;

песка 43%;

минерального порошка 12%.

В соответствии с рабочей гипотезой в диссертационной работе проведены исследования:

1. Изменения свойств холодного асфальтобетона при повышении вязкости применяемого битума.

2. Замени стандартного известнякового минерального порошка цементом,

3. Определение свойств холодного асфальтобетона типа Бх с песком из отсевов дробления.

4. Влияния температуры смеси при уплотнении на свойства холодного асфальтобетона.

5. Комплекса мер для повышения прочности, водостойкости и сдви-гоустойчивоста холодного асфальтобетона.

Исследования проведены на асфальтобетоне типа Бх с применением битумов С Г 70/130 (С/0 -105 сек), СГ 130/200 (С560 -187 сек) и (С560 -255сек). На основании полученных данных установлено оптимальное содержание битума С560 -105 сек (СГ 70/130) и С560 -187 сек (СГ 130/200), равное 4,5% от объема смеси.

Свойства асфальтобетона определялись по стандарту ГОСТ 12801-84 и ГОСТ 9128-84.

Сдвигоустойчивость определялась по методу Г.Н. Кирюхина., прочность при растяжении - методом раскалывания (бразильский метод).

Битум вязкостью 255 сек. хотя и не нормируется стандартом на жидкие битумы, тем не менее включен в исследование для расширения возможности изменения вязкости как средства повышения качества асфальтобетона.

Влияние вязкости битума на свойства асфальтобетона показано в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства асфальтобетона с битумам различной вязкости

Наименование Свойств Показатели свойств асфальтобетона с битумом вязкости, сек

105 ■ 187 255

Плотность, г/см3 2.36 2.37 2.38

Пористость минерального остова, % 19.6 18.9 18.7

Водонасыщение, % До прогрева После прогрева 3.36 3.10 4.37 3.60 2.04 1.73

Набухание, % До прогрева После прогрева 0.73 0.22 0.38 0.12 0.11 0.09

Прочность при сжатии, МПа, 20 °С До прогрева После прогрева 1.35 1.49 1.57 1.63 2.46 2.75

Коэффициент водостойкости До прогрева После прогрева 0.84 • 0.90 0.87 0.91 0.96

Коэффициент водостойкости через 15 суток (до прогрева) 0.57 0.65 0.89

Слеживаемость( по числу ударов) 6-7 9-11

Прочность при расколе, при 0 "С, МПа 0,30 0,34 0,46

Прочность при сдвиге, при 50°С, МПа 0,74 0,82 0,91

Данные, приведенные в таблице, показывают, что при вязкости битума 105 сек свойства асфальтобетона соответствуют требованиям стандарта к марке II.

Повышение вязкости битума до 187 сек лишь частично повышает качество, тогда как битум вязкостью 255 сек существенно улучшает показатели всех свойств холодного асфальтобетона.

В частности, прочность асфальтобетона на битуме вязкостью 187сек на 10% больше, чем асфальтобетона на битуме вязкости 105 сек. Битум вязкостью 255 сек повышает прочность асфальтобетона на 85%, однако при этом трудно, но возможно обеспечить неслеживаемость асфальтобетонной смеси.

Замена стандартного минерального порошка цементом. В стандартах США и Европейских стран в число материалов, применяемых в качестве минерального порошка в асфальтобетоне, включен также цемент.

В отечественных исследованиях также делались опыты по замене стандартного минерального порошка цементом в горячих асфальтобетонных смесях, что повышало на 15-20% физико-механические свойства асфальтобетона.

Исходя, из того, что в смесях с жидким битумом гидравлические свойства цемента могут в большей степени влиять на свойства асфальтобетона, в работе были испытаны портландцемент, шлакопортландцемент и пыль уноса цементного производства.

Благоприятное действие цемента на свойства асфальтобетона обуславливаются рядом причин, среди которых основными являются:

- активирующее воздействие цемента на щебень и песок;

- тонкость помола цемента, повышающая плотность минеральной части асфальтобетона;

- реакция гидролиза и гидратации цемента при увлажнении асфальтобетона, повышающая его прочность.

Активирующее воздействие цемента на щебень и песок объясняется тем, что при реакции цемента с водой, что неизбежно в слое асфальтобетонного покрытия, выделяются гидросликаты кальция:

ЗСао'БЮ + 6Н20 = 2 СаО&Оп Н20 + Са(ОН)2

Активирующее влияние Са(ОН)2 на поверхность зерен щебня и песка аналогично влиянию извести СаО, которую часто используют как добавку в асфальтобетонную смесь.

Сцепление (адгезия) битума с цементом сильнее, чем с известняком, так как здесь, кроме адсорбции битума минеральной поверхностью, возникают еще и хемосорбционные связи.

Для сравнения зернового состава цементов, известнякового минерального порошка и цементной пыли был определен зерновой состав на микроанализаторе "таБСегагег". Полученные результаты приведены в таблице 2 и рис 2.

Таблица 2

Размер зерен мкм Количество частиц %, мельче данного размера, мм

Мин. по- Портландце- Шлакопортландце- Цементная пыль

рошок мент мент

315 100 100 100 100

71 76,38 76,21 89,93 99,97

40 65,18 50,82 79,42 99,23

20 59,48 41,15 74,64 98,75

10 4013 21,54 61,14 96,38

5 23,42 11,4 33,93 76,76

3 12,35 5,61 15,56 45,60

1 4,18 2,26 5,64 13,75

Показатель

Битумоемкости, г 58,7 59,8 62,7 74,3

Зерновой состав порошков

Размер зерен, мкм

Рис 2. Зерновой состав порошков.(1-стандартный минеральный порошок, 2- портландцемент, 3- шлакопортландцемент, 4-цементная пыль).

На графике видно, что помол стандартного минерального порошка немного тоньше помола портландцемента, тогда как зерновой состав цементной пыли делает ее непригодной для использования в асфальтобетоне.

При прочих равных условиях более существенное значение имеет зерновой состав минеральных порошков, т.к. этот показатель функционально связан с плотностью упаковки. Кроме того, химическая активность порошков во многом определятся их зерновым составом, например, при одинаковом химико-минералогическом составе. Известно,что наиболее активными зернами цемента являются фракции до 30 мкм. От зернового состава зависит и битумоемкость порошка.

Замена изветнякового порошка цементом создает в асфальтобетоне новый тип структуры.

Таблица 3

Физико-механические свойства холодного асфальтобетона на разных минеральных порошков.

Показатели свойств асфальтобетона на битуме с вязкостью 105с

Наименование свойств Известняковый Портландцемент Шлакопортла Цементная

минеральный нддемент пыль

порошок

Плотность, г/см3 2,36 2,43 2,46 2,42

Водонасыщение, %

До прогрева 3,36 3,61 3,46 5,76

После прогрева 3,10 2,86 3,20 4,60

Набухание, %

До прогрева 0,73 0,11 0,23 0,40

После прогрева 0,22 0,08 0,11 0,26

Прочность при сжатии,

МПа, при 20°С:

На 1 сутки 1,35 1,23 1,50 2,17

7 суток 1,47 1,61 1,54 2,23

14 суток 28 суток 1,18 0,75 2,41 2,57 1,68 1,78 2,07 1,76

Коэффициент водостойкости До пргорева После прогрева 0,84 0,90 1,02 1,23 0,90 0,97 0,87 0,91

Коэффициент водостойкости, через 15 суток 0,57 1,32 1,04 0,65

Слеживаемость по числу ударов 6-7 7-8 8-9 9-11

Прочность при расколе, при 0°С, МПа 0,3 0,38 0,34 0,34

Прочность при сдвиге, при 50°С, МПа 0,74 0,96 0,92 0,76

Если при обычном минеральном порошке зерна песка и щебня связаны вяжущим, имеющим коагуляционную структуру, то реакции гиролиза и гидратации, превращающие цементные микроагрегаты в зерна цементного камня, добавляют к коагуляционной еще и кристаллизационную структуру связей.

з

2,5

S.

с

Зависимость прочности асфальтобетона от времени .

1 сутки

____-А

Л---

i .......|....." Г.

1 Т

!

| * 1:: —в—2

—о-*!!

7супси

14 супся

28 супск

Время, сутки.

Рис 3. Рост прочности асфальтобетона с разными минеральными порошками.

(1- минеральный порошок, 2- портландцемент, 3- шлакопротландцемент, 4- цементная пыль).

Из представленных на рис 3., данных можно сделать вывод, что при влажном хранении прочность асфальтобетона со стандартным порошком и цементной пылью после 7-14 дней начинает сильно снижатся, В то время как асфальтобетон с портландцементом и шлакопортландцементом непреривно растет (особенно с портландцементом) и в течение 28 суток увеличивает

прочность в два раза. Прочность асфальтобетона, в котором минеральный порошок заменен цементной пылью, в первые сутки значительно больше чем остальные смеси. Рост прочности наблюдается до 14 суток, и после снижается. Очевидно, вопрос применения цементной пыли заслуживает дополнителной исследований. Видимо, снижение прочности асфальтобетона при сжатии в водонасыщенном состоянии зависит от химического состава цементной пыли, так как в цементной пыли наблюдается повышенное количество щелочи.

Увлажнение цемента в асфальтобетоне начинается сразу после его остывания в слое покрытия даже в сухую погоду.

Причиной этого является миграция водных паров вследствие разности температур и влаги из нижележащих слоев дорожной одежды.

Коагуляционно-кристаллизационная структура вяжущего повышает прочность и водостойкость асфальтобетона.

Изменение свойств холодного асфальтобетона при замене в смеси природного песка дробленым.

В ГОСТ 9128-84 и в других нормативно-технических документах не указывается вид песка для асфальтобетона типов Бх и Вх, ито подразумевает возможность применения любого из песков - природного и дробленого.

В республике Таджикистан месторождений природного песка мало и гораздо целесообразнее в асфальтобетонных смесях применять дробленый песок, в частности, песок из отсевов дробления прочных (изверженных) горных пород. Это обясняется тем, что щебень в республике получают при дроблении главным образом изверженных горных пород и отсевов дробления, при этом получается достаточно дробленого леска для производства смесей Бх и Вх

В условиях жаркого климата республики Таджикистан, где летняя температура в слое покрытия достигает 70'С, в холодных смесях следует применять только дробленый песок, что повышает сдвигоустойчивость покрытия.

Таблица 4

Физико-механические свойства холодного асфальтобетона с природным и дробленым песком.

Наименование свойств Показатели свойств асфальтобетона на битумах вязкостью, сек.

105 187

С природным С дробленым С природным С дробленым

Плотность, г/см3 2,36 2,36 2,37 2,37

Водонасыщение, %

До прогрева 3,36 3,45 4,37 4,20

После прогрева 3,10 3,06 3,60 4.11

Набухание, %

До прогрева 0,73 0,16 0,38 0,17

После прогрева 0,22 0,11 0,12 0,08

Прочность при сжатии, при

20°С, МПа

До прогрева 1,35 1,60 1,57 1,68

После прогрева 1,49 1,67 1,63 1,72

Коэффициент

водостойкости

До прогрева После прогрева 0,84 0,90 0,94 0,96 0,87 0,91 0,95 0,97

Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении 0,57 0,66 0,65 0,81

Слеживаемость по числу ударов 6-7 5-6 9-11 7-8

Прочность при расколе, при 0°С, МПа 0,30 0,36 0,34 0,40

Прочность при сдвиге, при 50°С, МПа 0,74 0,95 0,82 0,99

В таблице 4 приведены физико-механические свойства холодного асфальтобетона на природном и дробленом песке. Замена природного песка на дробленый повышает прочность на 10-12%, слеживаемость смеси уменьшается на 30%.

Кроме стандартных испытаний асфальтобетона в работе было проведено определеные сдвигоустойчивости холодного асфальтобетона, так как до настоящего времени это свойства в холодном асфальтобетоне не определялось.

Замена природного песка дробленым повышает прочность при сдвиг асфальтобетона с битумом вязкости 105 с на 28%, а при вязкости 187с - на 11% (табл.5).

Так как в республике дробленый песок получить легче, чем добывать природный, такая мера повышения сдвигоустойчивости представляется целесообразной.

Для асфальтобетона с битумом вязкостью 187с значение прочности, при замене природного песка дробленным повышается на 21%.

В таблице 5 для сравнения приведены сдвиговые характеристики асфальтобетона с природным и дробленым песком.

Таблица 5

Характеристика смесей Сдвиговые характеристики

c¡>, (град) tgq>,(p¡w) Сл, МПа Reas,, МПа

Смеси с природным песком и битумом вязкости 105 с 42 0,90 0,126 0,74

Тоже с битумом вязкости 187с 41 0,87 0,217 0,82

Смеси с дробленым песком и битумом вязкости 105с 43 0,95 0,293 0,95

Тоже с битумом вязкости 187с 43 0,95 0,31 0,99

Для повышения сдвиговой прочности возможен еще один способ -применение смесей типа Ах , что не предусмотрено стандартом, так как малое

содержание минерального порошка в таких смесях снижает сцепление холодного асфальтобетона.

В таблице б и на рис 4 приведено сравнение прочности при сдвиге составов с 30, 45 и 60% щебня, соответствующих смесям Вх, Б* и Ах при температурах 20 и 50 °С.

Таблица 6.

Температура, Содержание щебня и МП Сдвиговые характеристики

°С Щ% МП% Тцо,(рад) С„,МПа Ысяв,, МПа

БИТУМ СГ 70/130, Вязкость 105с

20°С 30 14 0,75 0,34 0,70

45 9 0,82 0,26 0,86

60 6 0,93 0,20 0,90

50°С 30 14 0,75 0,13 0,59

45 9 0,90 0,07 0,70

60 6 0,96 0,06 0,87

Совместное рассмотрение таблиц 5. и б. дает возможность проследить изменение прочности холодного асфальтобетона при сдвиге, в зависимости от

Зависимость прочности при сдвиге от количества щебня

Содержание щебня %

Рис 4. Зависимости прочности при сдвиге от количества щебня. ( 1- при 20°С, 2- при 50 СС).

Зависимость коэффициента внутреннего трения от количества щебня.

Зависимость сцепления битума с каменным материалом от количества щебня.

Рис 5. Зависимости коэффициента угла внутреннего трения и сцепление от количества щебня в смеси. (1- при 20°С, 2- при 50 °С).

зернового состава, вязкости битума и температуры. На рис5. показана зависимость 1дср и Сл от количества щебня и температуры испытания смеси.

Влияние температуры смеси при укладке и уплотнении на свойства асфальтобетона.

Укладка и уплотнение смесей в неостывшем состоянии при температуре 80100 "С без хранения в штабеле не исключает традиционную технологию, а рекомендуется как вариант, который, при определенных условиях, может быть предпочтительным.

Уплотнение- процесс сжатия смеси, при котором минеральные зерна постепенно сближаются, выдавливая при этом битум из мест контакта.

Чем выше температура уплотняемой смеси, тем менее вязок битум, и тем легче выдавить его из зон контакта зерен в межзерновые пустоты и, следовательно, чем большее сближение зерен может быть достигнуто, тем больше будет площадь зоны контакта, что повысит когезионную прочность асфальтобетона, как это показана на рис 6. Кроме увеличения площади контакта на прочность асфальтьобетона при уплотнении влияет также и то обстоятельство, что прочность битума в тонком слое, в зоне контакта его с минеральным зерном выше чем в периферейной зоне.

Рис 6. Схема уплотнения асфальтобетонной смеси при разной темпера-туре. 1-минеральное зерно, 2- слой битума на минеральном зерне, 3- периферийная зона слоя битума, 4- зона слоя битума, адсорбированная минеральным зерном, 5- битум, впитавшийся в минеральное зерно, б- площадь контакта зерен периферийными слоями битума, 7- площадь контакта зерен адсорбированными слоями битума.

Такой способ повышения прочности холодных смесей в Таджикистане имеет шансы стать предпочтительным из-за удлиненного строительного сезона (до 10 месяцев) и очень короткого перерыва, когда целесообразно не накапливать холодные смеси в штабелях, а затратить эти 1,5-2 месяца на ремонт АБЗ.

Физико-механические свойства холодного асфальтобетона на жидких битумах, уплотненного при обычной и повышенной температуре, приведен в таблице 7.

Таблица 7

Наименования показателей свойств Показатели свойств асфальтобетона с битумом вязкости ,сек

105 | 187

Уплотненного при температуре, °С

20 100 20 100

Плотность т/си' 2,36 2,38 2,37 2,42

Пористось минерального остова, % 19,6 18,6 18,9 18,3

Водонасыщение,% 3,36 4,23 4,37 3,72

Набухание,% 0,74 0,17 0,38 0,13

Прочность при сжатии, МПа, 20°С 1,35 1,61 1,57 1,73

Прочность при сдвиге, МПа, 50°С 0,74 0,82 0,82 0,87

Прочность при расколе,МПа, 0°С 0,30 0,39 0,34 0,42

Коэффициент водостойкости 0,84 0,96 0,87 0,98

Коэффициент водостойкости при длительном водонасьццении 0,57 0,87 0,65 0,92

Комплексное использование результатов исследований для повышения прочности, водостойкости и сдвигоустойчивости холодного асфальтобетона.

Исследователи холодного асфальтобетона в разное время предлагали различные меры для повышения качества асфальтобетона и каждая го них немного повышала качество материала.

Рабочая гипотеза исследований, результаты которых содержатся в данной работе, заключается в том, что комплексное использование имеющихся достижений должно существенно повысить качество холодного асфальтобетона.

Применение "комплексных мер" т.е. одновременное применение вышеперечисленных мер (портландцемент, дробленый песок, укладка и уплотнение при 100°С) имеет целью улучшение физико-механических свойств холодного асфальтобетона на известняковых и гранитных щебнях.

Показатели свойств асфальтобетона из смесей, в которых одновременно были заменены стандартный минеральный порошок на портландцемент, природный песок на дробленый, а смеси уплотнялись при 100°С, приведены в таблице 8.

Таблица 8

Наименование свойств Показатели свойств асфальтобетонных смесей, с битумом вязкости, сек

105 187

Обычный смесь С применением "комплекса мер" Обычный смесь С применением "комплекса мер

Плотность, г/см3 2,36 2,40 2,37 2,45

Водонасыщение,% 3,36 5,42 4,37 5,0

Прочность при сжатии, при 20°С, МПа 1 сутки 28 суток 1,35 1,63 2,35 1,57 1,75 2,57

Коэфф. Водостойкости 0,84 0,97 0,87 0,98

Коэфф.водостойкости при длительнем водокасышении 0,57 1,23 0,65 1,25

Прочность при расколе, при 0°С, МПа 0,30 0,40 0,34 0,44

Прочность при сдвиге, при 50°С, МПа 0,74 0,985 0,82 1,107

При применении "комплексных мер" существенно возрастают все характеристики холодного асфальтобетона: прочность при сжатии после 28 суток - на 74%, коэффициент водостойкости через 15 суток - в 2,5 раза, прочность при расколе - в 1,73 раза, прочность при сдвиге - в 1,32 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.По климатическим условиям, наличию строительных материалов и грузонапряженности на дорогах холодный асфальтобетон в наибольшей степени подходит для строительства дорожных покрытий в республике Таджикистан, однако недостатки, присущие холодному асфальтобетону, (малые прочность, водостойкость, сдвигоустойчивость) препятствуют расширению его использования в дорожном строительстве.

2. Резкие различия климатических условий по высоте от уровня моря обуславливают необходимость комплексного использования всех имеющихся и дополнительных возможностей для повышения качества холодного асфальтобетона и повышения сроков службы покрытий из холодных смесей.

3. Замена стандартного минерального порошка портландцементом создает новую структуру холодного асфальтобетона: коагуляционная структура межзерновых связей дополняется кристализационной структурой, что повышает прочность и сдвигоустойчивость покрытия и является новым научным положением.

4. Замена природного песка дробленым в смесях Бх и Вх повышает коэффициент внутреннего трения в асфальтобетоне, что также приводит к повышению сдвигоустойчивости покрытий.

5. Укладка и уплотнение смесей с жидким битумом сразу после выпуска из смесителя (без предварительного охлаждения и укладки в штабль) позволяет эффективно использовать тот период, когда битум находится еще в жидко-текучем состоянии.

6. Одновременное применение мер, изложенных в п.п. 3,4,5 данных выводов позволяет гарантированно повышать качество холодного асфальтобетона, отказаться от обязательности охлаждения асфальтобетонных смесей.

7. Применение портландцемента в смесях вместо стандартного минерального порошка, уплотнение неостывших смесей не соответствуют требованиям ГОСТ 9128-84, поэтому для практического использования этих предложений в Таджикистане составлены методические рекомендации, принятые для использования Минтрансом республики Таджикистан.

8. Определение свойств холодного асфальтобетона типа Ах, не предусмотренного стандартом, показывает возможность использование смесей этого типа в жарком климате, что требует практического подтверждения.

9. Определение прочности холодного асфальтобетона при сдвиге по методу Г.Н.Кирюхина не предусмотрено стандартом так же, как нормирование показателей сдвигоустойчивости, однако для Таджикистана вопрос повышения сдвигоустойчивости является актуальным и поэтому требует продолжения исследований.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Методы определения сдвигоустойчивости холодного асфальтобетона и пути повышения прочности при сдвиге / Додхоев И.И. тезис докладов Всероссийского семинара-совещания руководителей дорожных научных и проектных организаций. Суздаль, 1998, -1с.

2. Особенности технологии холодного асфальтобетона на гранитных щебнях в условиях республики Таджикистан

/ Додхоев И.И. Наука и техника в дорожной отрасли, справка ИД-3/155. 02.10.98 г,-4с.

3. Рекомендация по приготовлению и применению холодного асфальтобетона в Таджикистане / Додхоев И.И. МАДИ (ТУ), деп.в ВИНИТИ 05.10.98 №2934 -В98 -8с.

4. Повышение качества холодного асфальтобетона в условиях республики Таджикистан с увязкой вертикальной зональности

/ Додхоев И.И. МАДИ (ТУ), деп.в ВИНИТИ 05.10.98 №2934 -В98 -Юс.