автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик лесных автомобильных дорог с применением специальных добавок

На правах рукописи

Левушкин Дмитрий Михайлович ---

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕСНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДОБАВОК

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат 005048839

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З І ЯНВ 2013

Москва-2013

005048839

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса» (МГУЛ)

Научный руководитель: доктор технических наук, Заслуженный

работник высшей школы РФ, профессор Камусин Альберт Абетдино-вич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент, ФГБОУ

ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», профессор кафедры технического сервиса и технологии машиностроения Кондрашова Елена Владимировна

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова», заведующий кафедрой сухопутного транспорта леса Салминен Эро Ойвович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государст-

венный университет»

Защита диссертации состоится « 15.» февраля 2013 г. в 10°° час на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Московском государственном университете леса (141005, г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д.1)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУЛ.

Автореферат размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru/

Автореферат разослан « 15 » января 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н., профессор J^., í íБ.М. Рыбин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Россия занимает первое место по площади, запасам и приросту лесных ресурсов. О месте лесопродукции в мировом производстве сырьевых ресурсов можно судить по общей стоимости их в мировом потреблении (в млрд. долл. США): нефть - 405,3; каменный уголь - 147,6; древесина - 318,1; полуфабрикаты из древесины - 366,6. Это говорит о значительной доле лесного сектора в мировом промышленном производстве. В последнее десятилетие основной объём перевозок лесопродукции к потребителю осуществляется автомобильным транспортом, который обладает большой мобильностью и гибкостью. Интенсивное движение приходится не только на лесовозные дороги, но и на дороги общего пользования.

В ситуации, когда потребности лесопромышленных регионов в развитии транспортной инфраструктуры велики, а финансовые возможности предприятий ограничены, проблема повышения эксплуатационных качеств и продления сроков службы дорожных покрытий лесных автомобильных дорог является весьма острой.

Эксплуатационные качества действующих или строящихся лесных дорог можно улучшить устройством поверхностной обработки из асфальтобетона на магистральных дорогах из гравия, щебня, грунта, укрепленного вяжущим и др.

Особую социальную значимость это имеет на дорогах, связывающих населенные пункты лесных районов. При экономической целесообразности лесные дороги могут быть построены из асфальтобетона или цементобетона с поверхностной обработкой.

Большинство лесных районов страны не имеют запасов качественных дорожно-строительных материалов. Поэтому перед наукой и практикой дорожного строительства стоит основная стратегическая задача - применение экономичных дорожных конструкций и технологий, повышение надёжности, сроков службы дорог за счёт использования и внедрения новых нетрадиционных дорожно-строительных материалов.

В промышленности образуется много разнообразных отходов производства -пыль уноса, шлаки котельных, тепловых электростанций, цементных заводов; отходы целлюлозно-бумажного производства, металлургических комбинатов и другие.

Отходы промышленности оказывают негативное воздействие на окружающую среду, занимая большие площади для их хранения. Дождевые и талые воды вымывают вредные вещества, которые загрязняют почву, грунтовые и поверхностные воды.

Анализ отходов металлургической промышленности свидетельствует о целесообразности их использования в дорожных покрытиях и снижения расхода битума. Необходимость использования вторичных ресурсов вызвана рядом причин, главными из которых следует считать истощение природных ресурсов и нерентабельность перевозки сырьевых материалов на большие расстояния, а также утилизацию отходов, накопленных в огромных количествах и загрязняющих окружающую среду.

Несмотря на работы предшественников, выполненные в НИИ и вузах страны, проблема повышения долговечности дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог не получила должного развития. Всё это в целом обусловило постановку названной темы и её выполнение в Московском государственном университете леса.

Исследования выполнялись в соответствии с темами научно-исследовательских работ: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий эксплуатации лесовозного автотранспорта» (№ ГР 01960010574), «Вопросы теории и практики строительства и эксплуатации лесовозных дороге (№ ГР 0182.2003308); «Разработка методологии системного проектирования сети лесных дорог и способов перевозки древесины» (№ ГР 01860126422) и Федеральной программой развития лесопромышленного комплекса Российской Федерации, утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации № 1123 от 20.11.95 г.

Степень разработанности проблемы. Исследованиям минеральных порошков и их влияния на свойства дорожных покрытий посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных учёных. Большое влияние взаимодействия битума с поверхностью минеральных частиц на свойства бинарных смесей «битум-минеральный порошок» и асфальтобетон показано в работах Л.И. Лысихиной, JI.C. Терлецкой, Я.Н. Ястребовой. А.Ф. Мутулем и Г.Т. Беляновым, Е.А. Михайлусовым.

В работах К. Лутс, С.И. Гельфанд, М.А. Залейщикова, P.A. Амброс рассматривались вопросы получения вяжущего путём разжижения нефтяных битумов сланцевыми смолами. Анализ результатов этих работ показывает, что существенной экономии нефтяных битумов при разжижении их сланцевыми смолами авторам получить не удалось.

Значительный вклад в теорию создания и практику использования активацион-ных методов для получения модификационных компонентов асфальтобетона внесли учёные Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, В.А. Золотарев, В.И. Резванцев, М.И. Першин и др. В то же время, несмотря на большой объём выполненных исследований, недостаточное внимание уделялось оценке особенностей работы дорожных покрытий из отходов промышленности под нагрузкой, не определены границы области их применения, не установлены деформационно-прочностные характеристики слоёв покрытий, необходимые для расчёта конструкций дорожных одежд.

Необходим поиск новых нетрадиционных материалов - побочных продуктов и отходов промышленности, которыми можно было бы заменить известняковый минеральный порошок и уменьшить расход битума. Методология применения отходов основывается на всесторонней оценке их специфических свойств и установлении эффективных способов снижения отрицательных и использования положительных качеств в структуре покрытий с выходом на нормативный документ.

Целью работы является повышение долговечности и эксплуатационных характеристик дорожных покрытий лесных автомобильных дорог путём применения активных и активированных минеральных порошков в составе асфальтобетонов.

Задачи исследований:

1. Разработать физико-математическую модель реологии асфальтобетонов с применением поверхностно-активных добавок.

2. Разработать способ повышения адгезии битума к минеральным материалам путем активации минерального порошка.

3. Разработать технологию приготовления активных минеральных порошков из отходов промышленности.

4. Разработать технологию приготовления, укладки и уплотнения дорожных покрытий на основе активных и активированных минеральных порошков.

Объектами исследований являлись: отходы коксохимической и металлугрической промышленности с целью возможного их применения в дорожном строительстве; технология приготовления активированных минеральных порошков и применения их в асфальтобетонных смесях; процессы реологии асфальтобетона с применением поверхностно-активных добавок, их влияние на повышение адгезии битумов к поверхности частиц минерального порошка из отходов промышленности.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований.

Системный анализ и теория вероятности и надёжности, лабораторные и опытно-производственные исследования, которые выполнены с применением современных приборов, оборудования, в том числе инфракрасного спектрометра, растрового электронного микроскопа, на основе современных физико-химических методов исследования.

Новизна полученных результатов.

1. Разработана физико-математическая модель реологии асфальтобетона с применением поверхностно-активных добавок, отличающаяся учётом нестабильных свойств дорожных покрытий во времени.

2. Разработан способ повышения адгезии битума к минеральным материалам путем применения активного минерального порошка, отличающийся учётом процессов старения битума в асфальтобетонных покрытиях.

3. Создана и апробирована технология приготовления активных минеральных порошков, отличающаяся совмещением физико-химической обработки с механическими воздействиями.

4. Разработана технология приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей на основе активных и активированных минеральных порошков из отходов промышленности, отличающаяся минимизацией воздействия на окружающую среду с получением высокопрочных дорожных покрытий.

Практическая ценность работы заключается: в разработке рекомендаций по приготовлению активного минерального порошка; технологии приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей на основе активных и активированных минеральных порошков из отходов промышленности; в расширении ресурсной базы дорожного строительства за счет использования активных отходов металлургической промышленности и коксохимического производства; в экономической эффективности применения отходов коксохимического, доменного и конверторного производства в процессах приготовления асфальтобетонных смесей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Физико-математическая модель реологии асфальтобетона с применением фусов, позволяющая описать напряжение и деформацию материала во времени.

2 Способ повышения адгезии битума к минеральным материалам путем физико-химической активации минерального порошка фусами и влияние их на процессы старения битума в асфальтобетонных покрытиях.

3 Технология приготовления минеральных порошков, активированных фусами, позволяющая уменьшить стоимость машино-часа по текущим затратам и расход компонентов асфальтовяжущего.

4 Технология приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей на основе отходов промышленности, позволяющая уменьшить капитальные вложения в дорожно-строительные материалы.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к п. 15: «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений» из паспорта специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».

Достоверность полученных результатов подтверждается: методологической базой исследований, основанной на достижениях дорожной науки и практики; проверкой достаточности объёма данных для однозначного толкования результатов исследований; сходимостью результатов аналитических и фактических значений оцениваемых параметров; лабораторными и опытно-производственными исследованиями, которые выполнены с применением современных приборов, оборудования.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях МГУЛ, СпбЛТА.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в производство: ООО «АДМ-проекгг» (Калужская и Воронежская области), ООО «Центр дорожно-мостового проектирования Магистраль» (Центрально-Черноземный регион), ЛОГУП «Тербунский лесхоз» (Липецкая обл.), Теллермановское опытное лесничество института лесоведения РАН (Воронежская обл.), Серебряноборское опытное лесничество института лесоведения РАН (Московская обл.) и учебный процесс МГУЛ и ВГЛТА.

Личное участие автора в получении результатов. Все работы по организации эксперимента, обработке данных, их анализ и математическое моделирование выполнены автором при консультации научного руководителя доктора технических наук, профессора Камусина A.A.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 134 наименований, 9 приложений. В работе содержится 155 страниц машинописного текста, 30 рис. и 25 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная и практическая значимость полученных результатов, представлена структура диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлен анализ применения отходов промышленности при строительстве лесных автомобильных дорог.

Использование отходов коксохимической и металлургической промышленности расширяет ресурсную базу дорожно-строительных материалов и позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду за счёт освобождения территорий, занятых под свалку и полигоны для хранения отходов производства.

Исследование гранулометрического состава и физико-механических свойств доменных и конвертерных шламов свидетельствуют о реальной возможности применения их в качестве минерального порошка согласно ГОСТ Р 52129-2003.

Анализ, оценка и разработка научного сопровождения дорожных проектов, направленных на повышение долговечности дорожных покрытий лесных автомобильных дорог делает лесные автомобильные дороги объектом постоянного внимания

науки. Решение практических задач требует проведения теоретических и широкомасштабных экспериментальных исследований.

В соответствии с этим были сформулированы основные направления исследований, обеспечивающие повышение эксплуатационных характеристик дорожных покрытий лесных автомобильных дорог.

Во втором разделе выполнено теоретическое обоснование целесообразности применения активных минеральных порошков из отходов промышленности для устройства дорожных покрытий лесных автомобильных дорог.

Дефицит битумов и минерального порошка, испытываемый многими дорожно-строительными организациями лесного комплекса, активизирует в настоящее время поиск побочных продуктов и отходов промышленности, которыми можно было бы заменить традиционный минеральный порошок и наполнитель и уменьшить расход битума.

В качестве минерального порошка представляется перспективным использование отходов металлургической промышленности - шламов мокрой газоочистки доменного и конвертерного производства. Возможность применения фусов предопределяется наличием в их составе высокоактивных смол и тонкодисперсных минеральных примесей, которые частично заменяют минеральный порошок.

Для получения максимального эффекта необходимо для модификации поверхностности зерен применять вещества, позволяющие сблизить молекулярные свойства адсорбционного слоя и среды, которую заполняет минеральный порошок. В данном случае функцию такого вещества наилучшим образом могут выполнить фусы. Для вывода математических уравнений, описывающих воздействие добавок на физико-механические свойства асфальтобетона разработана физико-математическая модель реологии асфальтобетона с применением отходов промышленности, в которую нами был введен элемент 1, иллюстрирующий вязкие свойства фусов (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Реологическая модель среды 1 - фусы, 2 - минеральный порошок, 3 - минеральный наполнитель, 4 - битум Модель состоит из 4 элементов. Упругие элементы (2 и 3) моделируют работу упругого наполнителя асфальта. Последующее соединение элементов 1 и 2 моделирует обработку фусами минерального порошка. Все элементы, кроме 1, линейны по напряжениям. Битум (4), является нелинейной средой и может быть представлен для описания малых перепадов напряжений. Фусы (1) моделированы нелинейной вязкой средой с модулем вязкости, зависящим от напряжений. Предполагается, что активизация фусов при действии напряжений возрастает. Поры минерального порошка «отдают» вязкие добавки и скорость этого процесса возрастает линейно одновременно с ростом напряжений.

Полученные уравнения модели имеют вид

а

є1а) = лі(а)01(1)п;лі =Ло "Р^Ло =0,0025; (3 = 0,0090.

Вязкие элементы

а

84(1) = Л4а4(0;<*4 = ^СО-

Упругие элементы Є2 (і) =

СТ2(Х>. е2 '

в3« =

<0(0.

сг2 =СТ!-

0

Уравнение для напряжения 1 —-+Т)] С| (0" — 83(1).

Е2 а

Деформация смеси состоит из суммы деформаций (2.2 и 2.1)

Преобразовав уравнения деформаций, получим д_

вз(0 = [|в(1)]-тио(0, (2-6); ^83(1) = К*)

Уравнение, описывающее реологическую модель, имеет вид

-(О

е2

-йц

ді

(0-^4^(0

1 + -

Е2,

(2.1) (2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5) (2.7)

1,(2-8)

где Е- модуль упругости; о-напряжение; г|- вязкость; 8- деформация; Г коэффициент нелинейности, учитывающий влияние фусов на реологические свойства асфальтобетона, £ = п(ЕзГ|4 |оа)+ а -Езб(0-

Согласно уравнению (2.8) построены теоретические и экспериментальные кривые ползучести асфальтобетона с применением фусов при различных уровнях напряжений (рисунки 2.2, 2.3), свидетельствующие об адекватности математической модели экспериментальным данным.

осч1лкосчи)г-.осм"ю^о<м*1пг-.'о Время, мин

-Асфальтобетон с добавкой фусов (0.1 МПа) -»—Асфальтобетон с добавкой фусов (0.2 МПа)

-Зталон(0,1 Мпа)

Эталон (0,2 Мпа)

Рисунок 2.2 Теоретические кривые ползучести асфальтобетона с применением фусов и эталонного при различных уровнях напряжения

0,025

Время, мин

■ &х$нльтобетон с доба&<ой фусов (0,1 МПа) -«—Асфальтобетон с добавкой ф>соа (0,2 МПа) -Эталон(0,1 Шэ) -«¡¿—Эталон (0,2 ГЛта)

Рисунок 2.3 Экспериментальные кривые ползучести асфальтобетона с применением фусов и эталонного при различных уровнях напряжения

Анализ характера экспериментальных и теоретических кривых показывает, что действие фусов оказывает структурирующее воздействие на повышение реологических свойств асфальтобетона за счет замедления процессов старения, протекающих под действием различных природно-климатических и эксплуатационных факторов.

Для решения задачи оптимизации состава асфальтобетона на ЭВМ использовался метод математического планирования эксперимента с последующим расчетом коэффициентов уравнений регрессии при кодированных значениях переменных. Проверка статической значимости коэффициентов производилась по 1- критерию Стьюдента и адекватности полученных моделей по Б-критерию Фишера. На основании полученных результатов осуществлялся переход от кодированных значений независимых переменных к натуральным показателям.

Условия планирования эксперимента по изменению прочностных свойств асфальтобетона в зависимости от массовой доли битума, минерального порошка из шламов и температуры приготовления смеси приведены в таблицах 2.1 и 2.2. Количество битума принималось сверх минеральной части. Приняты следующие обозначения варьируемых факторов (натуральные): Хр массовая доля минерального порошка из шлама доменного производства, %; Х2 - массовая доля битума, %; Хз- температура приготовления, °С. Выбор уровня варьирования обоснован предварительными экспериментами.

Таблица 2.1 - Условия опыта в трехфакторной задаче оптимизации состава асфальтобетонной смеси и температуры ее приготовления_

Уровень варьирования Значение )акторов

Кодированные Натуральные

Xi Х2 Хз Xj х2 х3

Основной уровень 0 0 0 12 8,0 140

Верхний уровень +1 +1 +1 14 9,0 160

Нижний уровень -1 -1 -1 10 7,0 120

Интервал варьирования 2 1 20

Таблица 2.2 - Условия опыта в трехфакторной задаче оптимизации состава асфальтобетонной смеси

Значение переменных

Уровень варьирования Массовая доля битума Массовая доля минерального порошка Массовая доля фусов

Х1 коди- Х1 на- Х2 ко- Х2 на- х3 Х3 на-

рован тур., % ДИр. тур., % кодир. тур., %

Основной уровень 0 7,5 0 12 0 2,5

Верхний уровень +1 8,5 +1 16 +1 3,5

Нижний уровень -1 6,5 -1 14 -1 1,5

Интервал варьирования - 1 - 2 - 1

С целью повышения реологических свойств асфальтобетона применялись фу-сы для активации известнякового порошка и в качестве структурирующей добавки в битум. Пределы варьирования содержания фусов назначались с учетом результатов теоретического анализа и поисковых работ в количестве от 2,5 до 5 % от массы минерального порошка, и от 1 до 3 % от массы битума.

Оптимальное количество минерального порошка из шламов доменного и конвертерного производства в асфальтобетоне составило 12 % по массовой доле, массовая доля битума соответственно 8 и 7,5 % и температура приготовления смеси 140°С. Оптимальная добавка фусов в качестве активатора минерального порошка составила при массовой доли 2,5 %, а как структурирующая добавка в битум - 2,0 % от массовой доли битума. Нами разработана программа расчета на ЭВМ для расчета оптимального состава асфальтобетонной смеси, на которую получено Свидетельство о государственной регистрации.

В третьем разделе исследованы свойства асфальтобетонных смесей, приготовленных на активных минеральных порошках.

Для выяснения химических взаимодействий активных минеральных порошков с битумом был использован метод инфракрасной спектроскопии, позволяющий выявить структурные особенности молекул анализируемых веществ и причины старения битума.

Для изменения спектров были взяты активные минеральные порошки из шлама конвертерного и шлака электросталесплавильного производства. Инфракрасные спектры снимались при помощи двухлучевого спектрофотометра ИКС-29 в области призмы №С1. Сравнение спектров поглощения асфальтовяжущего вещества и ИК-спектрами чистого минерального порошка показали, что на разделе фаз идут интенсивные процессы взаимодействия, о чём свидетельствует смещение и сужение основных полос поглощения при 1200-800 см'1, 2700-3050 см'1 и появление новых полос поглощения при 3610 см"1, 1601 см"1. Смещение полосы при 800-1100 см"1 в спектре асфальтовяжущего вещества по сравнению со спектром активного минерального порошка указывает на химическое взаимодействие ионов кальция и магния с компонентами битума.

Активация минерального порошка из природных минеральных порошков отходами коксохимического производства - фусами оказывает существенное влияние на замедление процессов старения битума и снижение его расхода.

Анализируя ИК-спектры (рис. 3.1) установлено, что смеси известняка и нефтяного битума характеризуются менее интенсивной полосой карбонального поглощения в области 1600 см"1, чем смесь нефтяного битума и известняка, модифициро-ваного фусами. Это можно объяснить замедленным процессом образования асфаль-тенов из низкомолекулярных фракций нефтяного битума вследствие нейтрализации полуторных окислов, выступающих в качестве катализаторов старения в ходе их взаимодействия с фенолами.

Исследованы физико-механические свойства асфальтобетонов после длительных сроков водонасыщения, многократных циклов замораживания-оттаивания. В качестве минерального наполнителя использовались гранитные высевки, песок, щебень из доменного шлака, электросталесплавильный шлак.

Анализ результатов, приведенных в таблице 3.1, свидетельствует о том, что асфальтобетонные смеси с использованием шламов в качестве минерального порошка по всем показателям физико-механических свойств отвечают требованиям ГОСТ 9128-97 за исключением водонасыщения. Повышенное водонасыщение у асфальтобетонных смесей с применением активных минеральных материалов не явля-

д - известняк + фусы + битум

Таблица 3.1 - Свойства асфальтобетонов, приготовленных на минеральном порошке из шламов мокрой газоочистки доменного и конвертерного производства

Состав смеси Водо-насыщение по объему % Набухание по объему % Предел прочности при сжатии, при температуре С, МПа Водо-устой-чи-вос ть

Плот ность г/см3 R20 RB20 R50 о 15сут к20 Ro

Гранитные высевки - 44% Песок - 44% Минеральный порошок из доменного шлама - 12% Битум марки БНД 60/90 -8% 6,60 0,9 2,2 3,80 3,20 1,60 2,30 5,4 0,8

Гранитные высевки - 44% Песок - 44% Минеральный порошок из конверторного шлама- 12% Битум марки БНД 60/90 -8% 2,20 3,3 0,3 3,23 3,63 1,30 2,51 5,60 1,1

В лабораторных условиях для определения оптимальной температуры приготовления асфальтобетонных смесей минеральный материал к моменту перемешивания с битумом разогревался до 110, 130, 150, 160 °С, а битум до рабочей температуры. Установлено, что максимальная прочность при сжатии при температуре 20°, 20°вод, 20°is суг наблюдается у образцов из смесей, минеральная часть которых состояла из гранитных высевок - 44 %, песка - 44 %, конвертерного шлама 12 % и разогретая к моменту перемешивания с битумом до 150 °С. У смесей, минеральная часть которых состояла из электросталеплавильного шлака и конвертерного шлама, более высокие прочностные показатели при разогреве минеральной части к моменту перемешивания с битумом до 130 °С (рисунок 3.2). Снижение температуры пе-

Температура приготовления смеси,°С

Рисунок 3.2 - Зависимость прочности образцов от температуры приготовления смеси. Испытания проводились при температуре: 1 - 20°, 2 - 20°вод, 3 - 20° 15 суг.

-Гранитная высевка+песок+конверторный шлам;

—Электросталеплавильный шлак+конверторный шлам

В таблице 3.2 приводятся результаты испытаний физико-механических свойств асфальтобетонных образцов с применением доменных и конвертерных шламов в качестве минерального порошка после 25 циклов попеременных замораживаний-оттаиваний.

Таблица 3.2 - Физико-механические свойства асфальтобетонных образцов

Водо- Набу- Предел прочности при сжатии,

Объ Водо- Набухание, % по объему насы- хание при температуре °С, МПа і" 8 ¡3

Состав смеси ємная масса г/см3 насыщение, % по объему щение 15 суток, % по объе- после 15 суток, % по объе- К-20 Я*20 Язо и15 К сут Водостойкосі Длительная во^ стойкость о >н о Й О Г> 0 о. 1

му му

Гранит. высев.-44% После 25 циклов МРЗ

песок природ. -44% домен, шлам -12% битум марки БНД 60/90 -8,0% 2,35 0,56 0,42 0,84 0,24 2,10 2,00 1,10 6,40 1,8 0,95 0,86 0,84

Эталонная

2,34 0,44 0,41 2,69 0,58 2,50 2,40 1,30 7,00 2,3 0,96 0,92 -

Гранит. высев.-44% После 25 циклов МРЗ

песок природ. -44% конверт, шлам -12% битум марки БНД 60/90 -8% 2,28 4,94 0,11 | 6,14 0,31 3,40 3,00 1,90 7,50 2,9 0,88 0,85 0,9

Эталонная

2,28 6,21 0,11 8,40 0,42 3,70 2,90 1,70 6,90 2,8 0,86 0,76 -

Деформационную устойчивость асфальтобетона в летнее время и деформа-тивную способность при отрицательных температурах можно оценивать с помощью неизменяющегося физического показателя - его вязкости. Исследование изменения вязкости асфальтобетона проводились при разной скорости деформирования (1,3,5 и 10 мм/мин) и разной температуре образцов (0 °С, 20 °С, 50 °С). Вязкость ненарушенной структуры асфальтобетонных смесей с применением электросталеплавильного шлака и шлама мокрой газоочистки конвертерного производства исследовалась методом осаживания образцов цилиндрической формы (табл. 3.3).

Таблица 3.3 - Изменение вязкости ненарушенной структуры асфальтобетонных образцов от содержания битума и температуры_

№ п/ п Состав смеси Битум в смеси, % Вязкость ненарушенной структуры, пуаз. 10 при 1, °С

20 °С 50 °С 0 С

1 Электросталеплавильный шлак фр. 0-10 мм -88 %; Минеральный порошок из шлама конвертерного производства -12 % 7 4,83 1,68 20,05

8 8,39 3,37 39,70

9 5,17 1,94 57,80

2 Электросталеплавильный шлак фр. 0-10 мм -88 %; Минеральный порошок обидимский -12% 7 9,42 3,25 48,08

8 16,30 2,27 52,94

9 13,33 2,17 43,16

Важным показателем свойств асфальтобетона является величина модуля упругости. Модуль упругости измерялся с помощью прибора УК-14П на асфальтобетонных образцах. Ультразвуковой модуль упругости определяется

Е = У2р, (3.1)

где V - скорость прохождения ультразвука, см/с; р - плотность материала, г/см3.

Проведенные исследования модуля упругости (Е) ультразвуковым прибором показывают, что с увеличением срока выдерживания в воде до 20 суток Е0др возрастает, а с увеличением срока выдерживания до 30 суток он несколько снижается, но его значения остаются выше первоначального. После циклов замораживания-оттаивания Е возрастает до 10 циклов, а после 30 циклов - находится на уровне первоначального. Рост Еот„ свидетельствует об упрочнении структуры асфальтобетона при воздействии влажных условий и знакопеременных температур.

Влияние фусов на свойства асфальтобетона определяли по коэффициенту упрочнения (к) - параметру, характеризующему его реологические свойства (таблица 3.4). Данные свидетельствуют о прочностном преимуществе с добавкой фусов.

Таблица 3.4 - Показатели коэффициента упрочнения

Время, мин Абсолютная деформация, мм .Ю'"

Нагрузка, МПа

ОД | 0,2 ОД і 0,2

А/б с добавкой 3% фусов А/б без добавок фусов (эталонный)

3 323 564 311 430

6 395 658 379 520

9 439 712 426 578

30 582 869 580 797

40 613 934 623 867

к 3,07 4,32 2,75 2,71

В четвёртом разделе разработана технология приготовления, применения активных и активированных минеральных порошков для устройства асфальтобетонных покрытий на их основе.

Приготовление асфальтобетонных смесей с использованием отходов промышленности может осуществляться в серийно выпускаемых установках периодического и непрерывного действия с принудительным перемешиванием (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Технологическая схема установки приготовления минерального порошка, активированного фусами

1 - бункер с вибролотком; 2 - транспортеры; 3 - дробилка мелкого дробления (при крупном исходном щебне); 4 - бункер с дозатором непрерывного действия; 5 - шаровая мельница; 6 - пылеулавливающая установка; 7 - элеватор наклонный; 8 - бункер с тарельчатым питателем; 9- обогреваемая цистерна; 10-две камеры для подогрева фусов до рабочей температуры объемом на 0,5 -сменный расход фусов - каждая; 11 - насос; 12 - дозатор непрерывного действия; 13 - шаровая мельница; 14 - вертикальный элеватор; 15 - склад активированного минерального порошка; 16 -кольцевой фусопровод (аналогично битумопроводу); 17 - краны фусопровода

Минеральный материал к моменту перемешивания с битумом разогревался до 110... 130 °С, битум - до рабочей температуры. Приготовление асфальтобетонной смеси осуществлялось в смесителе марки Д-597.Смесь на выходе из смесителя имела температуру 110. ..130 °С. Из отобранной на выходе асфальтобетонной смеси из смесителя формовались образцы и через двое суток по ним после лабораторных испытаний были определены физико-механические свойства: средняя плотность — 2,38 г/см3; набухание - 0,16 % по объёму; водонасыщение - 3,59 % по объему; предел прочности при сжатии - 4,0 МПа (при 20 °С), 1,5 МПа (при 50°С), 3,4 МПа (при 20°С), 6,8 МПа (при 0°С); водостойкость - 0,93; длительная водостойкость -0,85.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что асфальтовый бетон с применением активированного фусами минерального порошка отвечает требованиям государственного стандарта ГОСТ 9128-97 для первой марки.

Строительство участков из асфальтобетонных смесей, приготовленных с использованием отходов коксохимического производства (фусов) и отходов мокрой газоочистки доменного и конвертерного производств проводилось в Воронежской, Московской, Липецкой и Калужской областях. Расчеты конструкций дорожных одежд (рис. 4.2) осуществляли на разработанной нами программе для ЭВМ, на которую получено Свидетельство о государственной регистрации

Еибш-гзммпа

191 МПа

Рисунок 4.2 - Конструкция дорожных одежд 1-мелкозернистый а/б; 2-крупнозернистый шлаковый а/б; 3-щебень шлаковый; 4-щебень известняковый укрепленный шлаком; 5-песок среднезернистый; 6-супесь; 7-суглинок

Технико-экономическая эффективность оценивалась с учетом получения чистого дисконтированного дохода (ЧДЦ). Расчеты показатели, что применение отходов промышленности фусов и шламов позволяет получить экономический эффект ЧДЦ в размере 125995 руб/км. Приготовление асфальтобетона по новой технологии дало уменьшение расхода битума на 10%, активного минерального порошка из шламов на 5 % и увеличена производительность смесительной установки на 3 %.

Кроме того, отпадает необходимость содержания территорий для хранения отходов, уменьшается запыленность ими атмосферы и загрязнение поверхностных и грунтовых вод.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведен анализ процесса формирования покрытия из асфальтобетонной смеси с использованием активных и активированных минеральных порошков из отходов промышленности, позволяющий установить, что добавка из фусов способствует повышению прочностных свойств, деформативной способности, деформационной устойчивости асфальтобетонного покрытия.

2. Разработана физико-математическая модель реологии асфальтобетона с применением фусов, позволяющая осуществлять прогнозирование эксплуатационных параметров дорожных покрытий с учетом нестабильности их свойств во времени.

3. На основе исследований процессов взаимодействия битума, модифицированного фусами и результатов его взаимодействия с поверхностью минерального порошка из отходов промышленности методом инфракрасной спектроскопии, разработан способ повышения адгезии битума к минеральным материалам, замедляющий процесс старения органического вяжущего и повысить работоспособность покрытий в процессе эксплуатации.

4. Получены закономерности прогнозирования роста кристаллогидратов в межзерновом и внутрипоровом пространстве во времени при использовании активных отходов промышленности на основе сравнения разновременных снимков электронной микроскопии, дающие возможность спрогнозировать деформативные и прочностные характеристики асфальтобетонных смесей.

5. Производственные испытания показали, что введение фусов в битум изменяет его структурную сетку, уменьшая количество асфальтенов в единице объёма и оказывая на битум пластифицирующее воздействие. В случае приготовления смесей на шлаковом щебне оптимальная добавка фусов составляет 1 %, на основе природного песка - до 3 % от массы битума.

6. Разработана технология приготовления минеральных порошков, активированных фусами, облегчающая условия обволакивания минеральных частиц битумом и создать условия равномерного распределения их в смеси. При использовании инактивных отходов фусами обрабатывается минеральная часть, а при активных отходах фусы вводятся в битум. Предлагаемая технология отработана в производственных условиях.

7. Разработана технология приготовления, укладки и уплотнения дорожных покрытий на основе активных и активированных минеральных порошков, позволяющая проектировать асфальтобетонные покрытия с заданными свойствами.

8. В соответствии с современными требованиями технико-экономическая эффективность применения фусов для активации минеральных порошков и вяжущих фусами определена по приведенным затратам с учетом дисконтирования. Экономи-

ческий эффект от внедрения новой технологии составил 126 тыс. руб/км без учета природоохранных аспектов.

9. По результатам исследований получены 5 актов внедрения в производство от сторонних организаций, 2 акта внедрения в учебный процесс, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Содержание диссертационной работы отражено в 14 работах (5,5 п.л.)

Публикации в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России

1. Левушкин, Д.М. Расчет потребности в ресурсах при строительстве лесовозных автомобильных дорог / Д.М. Левушкин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, 2011. - № 5 - С. 66-70.

2. Левушкин, Д.М. Исследование работоспособности рабочего слоя поверхностной обработки лесовозных автомобильных дорог на основе традиционных и модифицированных битумов/ A.A. Камусин, Д.М. Левушкин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, 2011. - № 5 -С. 70-75.

3. Левушкин, Д.М. Изучение свойств дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при воздействии различных факторов // Современные проблемы науки и образования, 2011. - № 6 (38); URL: www.science-education.ru/100-5279.

4. Левушкин, Д.М. Ресурсное обеспечение в условиях вероятностного характера дорожного строительства лесовозных автомобильных дорог/ Д.М. Левушкин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, 2012. -№ 2 - С. 123-126.

5. Левушкин, Д.М. К вопросу оптимизации ремонтных работ дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог/ Д.М. Левушкин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, 2012. - № 2 - С. 127-129.

6. Левушкин, Д.М. Исследование адгезионных свойств модифицированных битумов/ A.A. Камусин, Д.М. Левушкин// Лесной журнал, 2012. - №3 - С.

Материалы региональных конференций

1. Левушкин, Д.М. Организационно-технические проблемы лесных дорог в России / Д.М. Левушкин, В.Я. Ларионов // Материалы научно-технической конференции СПбЛТА, 2009. - С. 37-40 .

Статьи в отраслевых сборниках

1. Левушкин, Д.М. Строительство лесных дорог - решение транспортной доступности лесных массивов / ДМ. Левушкин, В.Я. Ларионов // Лесопромышленник, 2010.-№4(56).-С. 22-26.

2. Левушкин, Д.М. Комплектование парка дорожно-строительных машин / Д.М. Левушкин, В.Я. Ларионов, P.A. Стариков // ТОЛП: науч.тр. - вып. 356. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2011. - С. 64-66 .

3. Левушкин, Д.М. Строительство лесных дорог - решаемая проблема / Д.М. Левушкин, В Л. Ларионов // ТОЛП: науч.тр. - вып.356. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2011. -С.67-74.

4. Транспортная инфраструктура лесного комплекса как фактор его устойчивого развития / Д.М. Левушкин [и др.] // Актуальные проблемы, направления и механизмы развития производительных сил Севера: мат. науч. сем. - Сыктывкар, 2011. -С. 167-181.

Свидетельство на программное обеспечение ЭВМ

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611194 Программа подбора оптимального состава асфальтобетонной смес* для дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог [Текст] / Левушкин Д.М.; правообладатель ФГБОУ ВПО МГУ Л; зарегистр. в Реестре программ ДЛ5 ЭВМ 27.01.2012 г.

2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВ№ № 2012615903 Программа определения прочности дорожных покрытий лесовозные автомобильных дорог [Текст] / Левушкин Д.М.; правообладатель ФГБОУ ВПС МГУЛ; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 27.06.2012 г.

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВ1У № 2012615902 Программа расчета безопасности движения лесовозных автопоездо1 на лесовозных автомобильных дорогах и дорогах общего пользования [Текст] / Ле вушкин Д.М.; правообладатель ФГБОУ ВПО МГУЛ; зарегистр. в Реестре программ, для ЭВМ 27.06.2012 г.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.146.03 илі выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями т адресу: 141005, г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д.1, ФГБОУ ВПО «МГУЛ» уче ному секретарю. Тел. /факс 8 (495) 583-64-90

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 09.01 2013. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

\

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение \

высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

04201357056

На правах рукописи

ЛЕВУШКИН Дмитрий Михайлович

Повышение эксплуатационных

характеристик лесных автомобильных дорог с применением специальных добавок

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор техническх наук, профессор Камусин А.А.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................6

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.....12

1.1 Характеристика дорожно-транспортной сети лесного комплекса..............12

1.2 Изучение, применение и улучшение органических вяжущих.....................16

1.2.1 Вязкие битумы..............................................................................................17

1.2.2 Жидкие битумы...........................................................................................18

1.2.3 Дегти, сланцевые битумы, битумосодержащие породы........................19

1.2.4 Дорожные битумные эмульсии.................................................................21

1.2.5 Улучшение физико-механических свойств битумов, полимерно-битумные вяжущие..............................................................................................23

1.2.6 Поверхностно-активные вещества...........................................................26

1.2.7 Регулирование свойств асфальтобетона...................................................27

1.2.8 Исследование физико-механических свойств асфальтобетона и принципы проектирования.................................................................................29

1.2.9 Использование вторичных ресурсов.........................................................34

1.3 Выводы...............................................................................................................36

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИКАТОРОВ В ВЯЖУЩИХ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ..............................38

2.1 Физико-механические свойства базовых и модифицированных битумов 38

2.1.1 Модифицирующие высокополимерные добавки....................................41

2.1.2 Адгезионные добавки.................................................................................45

2.1.3 Растворители и разжижители....................................................................46

2.1.4 Инертные материалы, применяемые при исследовании работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог.................................46

2.2 Решение задачи оптимизации состава асфальтобетона................................52

2.3 Выводы...............................................................................................................54

2

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ПУТЁМ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВЯЖУЩИХ...................................56

3.1 Методы исследований, характеристика применяемого оборудования и приборов..................................................................................................................58

3.1.1 Оценка твердости дорожного покрытия...................................................59

3.1.2 Оценка качества вяжущего в дорожном покрытии.................................61

3.1.3 Оценка сохранности слоя дорожных покрытий при длительном действии нагрузки................................................................................................62

3.1.4 Характеристика применяемого оборудования и технологического процесса для приготовления модифицированного битума (окислительная установка).............................................................................................................63

3.1.5 Мешалка лабораторная для приготовления раствора модификатора...66

3.2 Оценка изменения твердости традиционного и модифицированного асфальтобетона на основе модифицированных битумов...................................66

3.3 Выводы...............................................................................................................74

4 ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ....................................75

4.1 Обоснование применения активного минерального порошка в составе асфальтобетонных покрытий дорог лесопромышленных регионов................75

Массовая доля, %.......................................................................................................80

4.2 Активация минеральных порошков................................................................82

4.3 Планирование эксперимента...........................................................................87

4.4 Влияние специальных добавок на процессы старения асфальтобетонных покрытий..................................................................................................................90

4.5 Исследование физико-механических свойств асфальтобетонных смесей на активных минеральных порошках........................................................................94

4.6 Физико-механические свойства асфальтобетонных смесей в производственных условиях................................................................................108

4.7 Технологический процесс приготовления активированного минерального

3

порошка..................................................................................................................113

4.8 Выводы.............................................................................................................122

5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛАКОВЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ В ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЯХ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.........................124

5.1 Особенности шлаковых асфальтобетонов...................................................124

5.2 Теоретическое обоснование целесообразности применения шлаковых асфальтобетонов...................................................................................................125

5.3 Шлаковый асфальтобетон и его применение в дорожных покрытиях лесовозных автомобильных дорог......................................................................127

5.4 Деформационно-прочностные свойства крупнозернистых и мелкозернистых шлаковых асфальтобетонов....................................................129

5.5 Оценка деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов методом вдавливания шарового штампа............................................................135

5.6 Выводы.............................................................................................................141

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..................................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................145

Приложение А Матрица планирования и результаты эксперимента испытания

образцов асфальтобетона на сжатие при 20 °С...................................................159

Приложение Б Матрица планирования и результаты эксперимента испытания

образцов асфальтобетона при 20° С......................................................................161

Приложение В Матрица планирования и результаты эксперимента испытания

образцов асфальтобетона на сжатие при 0° С.....................................................163

Приложение Г Матрица планирования и результаты эксперимента испытания

образцов асфальтобетона на сжатие при 20° С....................................................165

Приложение Д Стоимость приготовления песчаной асфальтобетонной смеси

типа Д с применением фусов и шламов................................................................167

Приложение Е Стоимость приготовления песчаной асфальтобетонной смеси

типа Д с традиционными материалами................................................................168

Приложение Ж Рекомендации по применению минерального порошка, активированного отходами коксохимического производства, в

асфальтобетонные смеси.........................................................................................169

Приложение 3 Свидетельства на программное обеспечение для ЭВМ.............173

Приложение И Акты внедрения.............................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В последнее десятилетие основной объём перевозок лесопродукции к потребителю осуществляется автомобильным транспортом, который обладает большой мобильностью и гибкостью. На дорогах увеличилось количество автотранспортных средств, в том числе лесовозных автопоездов и большегрузных автомобилей. Интенсивное движение приходится не только на лесовозные дороги, но и на дороги общего пользования (магистрали).

В ситуации, когда потребности лесопромышленных регионов в развитии транспортной инфраструктуры велики, а финансовые возможности предприятий ограничены, проблема продления сроков службы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог является весьма острой. Одним из направлений решения проблемы долговечности дорожных покрытий и увеличения межремонтных сроков дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог (ЛАД) является применение модифицированных битумов. Более высокие качественные показатели модифицированных битумов будут способствовать улучшению структуры дорожного покрытия.

Анализ отходов металлургической промышленности свидетельствует о целесообразности их использования в дорожных покрытиях и снижения расхода битума. Необходимость использования вторичных ресурсов решает проблему утилизации отходов и нерентабельность перевозки сырьевых материалов на большие расстояния.

Необходимость развития сети лесовозных автомобильных дорог, при одновременном поддержании требуемого уровня основных потребительских качеств существующих дорог, на обозримую перспективу ставит перед наукой основную стратегическую задачу - применение экономичных дорожных конструкций и технологий, повышение надёжности, сроков службы дорог за счёт использования и внедрения новых нетрадиционных дорожно-строительных материалов.

Работа выполнялась автором в соответствии с темами: «Вопросы теории и практики строительства и эксплуатации лесовозных дорог» (№ ГР 0182.2003308); «Разработка методологии системного проектирования сети лесных дорог и способов перевозки древесины» (№ ГР 01860126422) и Стратегией развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года (приказ Минпромторга России и Минсельхоз России от 31 октября 2008 г. №248/482).

Степень разработанности проблемы. В работах К. Лутс, С.И. Гельфанд, М.А. Залейщикова, P.A. Амброс рассматривались вопросы получения вяжущего путём разжижения нефтяных битумов сланцевыми смолами. Анализ результатов этих работ показывает, что существенной экономии нефтяных битумов при разжижении их сланцевыми смолами авторам получить не удалось.

Исследованиями различных модификаторов и добавления их в битум занимались A.B. Руденский, Вл.П. Подольский, Е.Б. Тюков и другие учёные. Однако в данных работах не выявлены составы асфальтобетонных смесей, наиболее полно отвечающих конструктивному решению, что является одной из причин ускоренного развития повреждений дорожных покрытий в процессе эксплуатации.

Исследованиями минеральных порошков и их влияния на свойства дорожных покрытий посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных учёных. Большое влияние результатов взаимодействия битума с поверхностью минеральных частиц на свойства бинарных смесей «битум-минеральный порошок» и асфальтобетон показано в работах Л.И. Лысихиной, Л.С. Терлецкой, Я.Н. Ястребовой. А.Ф. Мутулем и Г.Т. Беляновым, Е.А. Ми-хайлусовым на протяжении ряда лет производились работы по улучшению известняковых минеральных порошков путём обработки их битумом.

Исследованию возможности применения металлургических шлаков в асфальтобетоне посвящены работы Л.Б. Гезенцвея, Н.В. Горелышева, В.А. Золотарева, В.И. Резванцева, М.И. Першина, С.И. Самодурова, Е.Б. Тюкова, Носова Е.А. и др. В то же время, несмотря на большой объём выполненных исследова-

7

ний, недостаточное внимание уделялось оценке особенностей работы дорожных покрытий под нагрузкой, не определены границы области их применения, не установлены деформационно-прочностные характеристики слоев покрытий, необходимые для расчёта конструкций дорожных одежд.

Необходим поиск новых материалов для снижения расхода битума и повышения долговременных транспортно-эксплуатационных показателей. Методология применения модификаторов, отходов промышленности и минеральных материалов основывается на всесторонней оценке их специфических свойств и установлении эффективных способов снижения отрицательных и использования положительных качеств в структуре покрытий с выходом на нормативный документ.

Целью работы является повышение долговечности дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог путём применения модификаторов вяжущих, активных минеральных порошков и искусственных строительных конгломератов.

Задачи исследований:

1 Теоретическое обоснование целесообразности применения модификаторов вяжущих в дорожных покрытиях лесовозных автомобильных дорог.

2 Исследование физико-механических свойств асфальтобетонов на основе модифицированных битумов.

3 Разработка методики определения расхода вяжущего, вида и количества модификатора в вяжущем при устройстве дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог.

4 Разработка способа повышения адгезии битума к минеральным материалам путём активации минерального порошка.

5 Усовершенствование методики оценки деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов.

Объектами исследований являлись: процессы реологии асфальтобетона, физико-механические свойства асфальтобетонных смесей на основе традиционных и модифицированных битумов; асфальтобетонные смеси с применением

8

активных минеральных порошков; деформационно-прочностные свойства шлаковых асфальтобетонов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований.

Системный анализ и теория вероятности и надёжности, лабораторные и опытно-производственные исследования, которые выполнены с применением современных приборов, оборудования, на основе современных физико-химических методов исследования.

Новизна полученных результатов.

1 Выявлены эффективные модификации вяжущих в дорожных покрытиях лесовозных автомобильных дорог.

2 Характер изменения физико-механических свойств асфальтобетонов на основе модифицированных битумов даёт возможность рекомендовать для лабораторий асфальтобетонных заводов осуществлять выбор оптимального содержания битума по показателям плотности и прочности.

3 Разработана методика определения расхода вяжущего, вида и количества модификатора в вяжущем, отличающаяся учётом нестабильных свойств дорожных покрытий во времени и эффективности устройства износостойких слоев.

4 Разработан способ повышения адгезии битума к минеральным материалам путем применения активного минерального порошка, отличающийся учётом процессов старения битума в асфальтобетонных покрытиях.

5 Разработана методика оценки деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов, отличающаяся' возможностью оценки качества устройства асфальтобетонного покрытия и слоев по показателям коэффициента уплотнения и сохранения сплошности устраиваемых слоев без отбора кернов и вырубок.

Практическая ценность работы: увеличение сроков службы между ремонтами покрытия и значительное снижение затрат по производству ремонтов лесовозных автомобильных дорог; минимизация воздействия на окружающую

9

среду при использовании отходов промышленности, утилизация отходов; меньшая стоимость шлаковых материалов со снижением транспортных расходов за счёт эффективного использования местных дорожно-строительных материалов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Теоретическое обоснование целесообразности применения модификаторов вяжущих, позволяющее увеличить срок службы дорожного покрытия между ремонтами и снизить затраты на ремонт.

2 Методика исследования физико-механические свойств асфальтобетонов на основе модифицированных битумов, позволяющая обосновать их применение и долговременные транспортно-эксплуатационные показатели.

3 Методика определения расхода вяжущего, вида и количества модификатора в вяжущем, позволяющая повысить эффективность устройства износостойких слоев дорожного покрытия и уменьшить капитальные вложения в дорожно-строительные материалы.

4 Способ повышения адгезии битума к минеральным материалам путем физико-химической активации минерального порошка отходами промышленности и влияние их на процессы старения битума в асфальтобетонных покрытиях.

5 Методика оценки деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонов, позволяющая расширить область их применения и определить предельно-допустимые напряжения, при которых'материал будет работать без остаточных деформаций.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к п. 15: «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений» из паспорта специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».

Апробация работы. Основные научные положения и результаты иссле-

10

дований, обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях МГУЛ, СпбЛТА.

Реализация работы. Разработанные технологические модели на основе активного минерального порошка использовали: ООО «АДМ-проект» (Калужская и Воронежская области), ООО «Центр дорожно-мостового проектирования Магистраль» (Центрально-Черноземный регион), ЛОГУП «Тербунский лесхоз» (Липецкая обл.), Теллермановское опытное лесничество института лесоведения РАН (Воронежская обл.), Серебряноборское опытное лесничество института лесоведения РАН (Московская обл.).

Личное участие автора в получении ре�