автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Повышение сдвигоустойчивости и износостойкости дорожных покрытий при использовании высокодисперсных отсевов дробления керамзита в асфальтобетонных смесях

На правах рукописи

СОЛДЛТОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СДВИГОУСТОЙЧИВОСТИ и износостойкости ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ОТСЕВОВ ДРОБЛЕНИЯ КЕРАМЗИТА В АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЯХ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2011

005010161

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат техн. наук, доцент,

Борисенко Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор техн. наук, профессор,

Зубков Анатолий Федорович

кандидат техн..наук, доцент, Говоров Василий Васильевич

Ведущая организация: Воронежский филиал

ФГУП «РОСДОРНИИ»

Защита состоится 22 декабря 2011 г. в 1200 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корпус 3, ауд. 3220; тел./факс: (473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Старцева Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время резкое снижение качества и эксплуатационных свойств дорожных асфальтовых покрытий, сокращение межремонтных сроков эксплуатации автомобильных дорог в России в связи с ростом интенсивности движения большегрузных транспортных средств, особенно тяжелых грузовых автомобилей, являются одними из насущных проблем дорожного строительства. На снижение сроков службы дорожных асфальтобетонных покрытий также оказывают влияние невысокие качество и эксплуатационные показатели дорожно-строительных материалов. Низкие физико-механические характеристики материалов покрытий автомобильных дорог, мостовых переходов, тротуаров, многоярусных стоянок являются одними из главных причин снижения сроков их эксплуатации.

Поэтому одной из приоритет ных задач в дорожном строительстве является повышение качества, физико-механических и эксплуатационных характеристик конструкционных материалов на битумных вяжущих.

Создание новых композиционных материалов, удовлетворяющих современным жестким требованиям и обладающих повышенными прочностными характеристиками, сдвигоустойчивостью, теплостойкостью, морозостойкостью, термостабильностью, трещиностойкостыо, износостойкостью, является одним из прогрессивных путей решения данной проблемы.

По нашему мнению, возможность применения горячих асфальтобетонов на плотном заполнителе с наполнителем, модифицированным высокодисперсными отсевами дробления керамзита, - перспективное направление в развитии дорожно-строительных материалов с повышенными эксплуатационными и физико-механическими свойствами.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование увеличения срока службы дорожных покрытий путём применения асфальтобетонов с повышенными эксплуатационными свойствами (повышенными сдвигоустойчивостью и износостойкостью) за счет использования в их составах минерального порошка из высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- выявить особенности процессов структурообразования асфальтобетонов с наполнителем, модифицированным высокодисперсными пористыми отсевами дробления керамзита и позволяющим повысить сдвигоустойчивость и износостойкость асфальтобетонов в дорожном покрытии;

- обосновать целесообразность применения отсевов дробления керамзита в качестве эффективного минерального порошка, обеспечивающего повышение сдвиго-устойчивости и износостойкости асфапьтобетона;

- провести анализ возможности применения асфальтовяжущего на основе высокодисперсных отсевов дробления керамзита для устройства дорожных покрытий и выявить механизм и особенности их взаимодействия с битумным вяжущим;

- изучить влияние содержания пылеватых отсевов дробления керамзита в наполнителе и битума на физико-механические показатели, термостабильность, морозостойкость, трещиностойкость и истираемость горячих плотных асфальтобетонов различного зернового состава;

- разработать оптимальные составы горячих плотных асфальтобетонных смесей, модифицированных высокодисперсными отсевами дробления керамзита, с повышенными физико-механическими показателями, сдвигоустойчивостью, термостабильностью, морозостойкостью, трещиностойкостыо, износостойкостью (истираемостью);

- разработать промышленную технологию приготовления отсевов дробления керамзита и применения их в качестве минерального порошка для асфальтобетонных смесей;

- провести опытное внедрение результатов исследования и определить технико-экономическую эффективность применения асфальтобетонов с минеральным порошком на основе высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита, используемого для повышения сдвигоустойчивости и износостойкости дорожного покрытия.

Научная новизна:

- выявлен на микроуровне механизм взаимодействия высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита по отношению к битумному вяжущему, обусловленный высокой удельной поверхностью и шероховатостью частиц, а также наличием активных адсорбционных центров на их поверхности;

- обоснована возможность получения горячих плотных асфальтобетонов с повышенными сдвигоустойчивостью и износостойкостью за счет применения в их составах высокодисперсных отсевов дробления керамзита;

- определены зависимости физико-механических и эксплуатационных свойств горячих плотных асфальтобетонных смесей от содержания высокодисперсных отсевов дробления керамзита в наполнителе Ск\

- установлено закономерное повышение показателей сдвигоустойчивости горячих асфальтобетонных смесей с увеличением содержания отсевов дробления керамзита в составе наполнителя, которые максимальны при полной замене известнякового минерального порошка на высокодисперсные отсевы (при Ск, равном 100 % по объему);

- разработана технология приготовления горячих плотных асфальтобетонных смесей на минеральном порошке из отсевов дробления керамзита, отличающаяся введением операции предварительной сушки отсевов дробления перед подачей материала в смеситель.

Достоверность полученных результатов подтверждена применением стандартных и нестандартных методов исследований, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающей доверительную вероятность 0,95, экспериментальной и опытно-промышленной проверкой результатов исследований, а также согласованием основных положений работы с результатами исследований других авторов.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и основной гипотезы, самостоятельном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении результатов и производственном внедрении разработанных составов.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны оптимальные составы горячих асфальтобетонных смесей на плотном заполнителе и минеральном порошке из высокодисперсных отсевов дробления керамзита с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» (г. Михайловск, Ставропольский край) была выпущена опытно-промышленная партия дорожной горячей плотной асфальтобетонной смеси иа битуме марки БНД 60/90 с наполнителем из высокодисперсных отсевов дробления керамзита (содержание отсевов в наполнителе - 100 % по объему). Партия смеси была использована ДРСУ на автомобильной дороге в г. Михайловске Ставропольского края по ул. Войкова на участке между пер. Ростовским и пер. Михайловским.

Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости укладки 100 м2 покрытия из асфальтобетонной смеси с наполнителем из высокодисперсных отсевов дробления керамзита в сравнении с традиционными асфальтобетонными смесями на плотном заполнителе в ценах 2009 года составил 970,00 руб.; ожидаемый годовой экономический эффект от изменения себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 42,0 тыс. м2) - 407,00 тыс. руб.

Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО СевКавГТУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий» для специальностей 270102,270105,270115.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXVI, XXXVII и XL научно-технических конференциях по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2006, 2008 и 2010 гг. (Ставрополь, 2006, 2009, 2011); на XI, XII, XIV региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007, 2003, 2010); II всероссийской конференции студентов, аспирантов н молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007); Ежегодной научной сессии «66-я научно-методическая конференция МАДИ (ГТУ) в 2008 г.» (Москва, 2008); Первом всероссийском дорожном конгрессе (Москва, 2009); 1-й международной научно-практической конференции «Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2010); международной научной конференции «Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях» (Ставрополь, 2011).

На защиту выносятся:

- экспериментальное обоснование возможности получения высококачественных горячих плотных асфальтобетонов на пористом наполнителе на основе высокодисперсных отсевов дробления керамзита, обеспечивающем за счет управления процессами етруктурообразования битумных связующих повышение сдвигоустой-чивости и износостойкости;

- механизм и особенности физико-химических взаимодействий высокодисперсных отссвов дробления керамзита с битумным вяжущим;

- оптимальные составы горячих плотных асфальтобетонов с наполнителем, модифицированным высокодисперсными отсевами дробления керамзита, с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами;

- результаты экспериментальных исследований морозостойкости, термостабильности, трещи ностойкости, сдвигоустойчивости и износостойкости горячих плот-

ных асфальтобетонов в зависимости от зернового состава минерального заполнителя и содержания высокодисперсных отсевов дробления керамзита в составе наполнителя;

- технология приготовления горячих плотных асфальтобетонов, модифицированных высокодисперсными отсевами дробления керамзита, с повышенными теплостойкостью, морозо- и трещиностойкостью, термостабильностью, сдвигоустойчиво-стью и износостойкостью.

Публикации. По материалам исследований опубликована 21 научная работа общим объемом 48 страниц. Личный вклад автора составляет 35 страниц. Имеется положительное решение на выдачу патента на изобретение. Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Строительные материалы» и «Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендуемых ВАК изданиях, изложены основные результаты: в работах [1, 5] обоснована возможность применения минерального порошка из высокодисперсных отсевов дробления керамзита в битумноминеральных композициях и асфальтобетонах; в [2] приведены результаты исследований повышения термостабильности легких битумноминеральных композиций путем применения в составе наполнителя композиций высокодисперсных отсевов дробления керамзита; в [3, 4] представлены результаты исследований структуры, состояния поверхности, зернового состава высокодисперсных отсевов дробления керамзита и выявлена их повышенная адсорбционная активность по отношению к битумному вяжущему.

Объём и структура диссертации. Работа общим объёмом 162 страницы машинописного текста состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 155 наименований и двух приложений. В текст диссертации включено 30 таблиц и 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показаны его научная и практическая значимость.

В первой главе представлен обзор и анализ научно-технической и патентной литературы о минеральных наполнителях асфальтобетонов, о перспективах применения некондиционных порошковых материалов и техногенных отходов промышленности в качестве минеральных порошков для асфальтобетонов, используемых с целью повышения сдвигоустойчивости и износостойкости.

Существующий положительный опыт использования легких пористых материалов высокой дисперсности в качестве минеральных наполнителей асфальтобетонов (в частности, керамзитовой пыли) создает предпосылки к дальнейшим исследованиям с целью создания новых конструкционных дорожных и строительных материалов на органическом связующем с повышенными физико-механическими и эксплуатационными показателями - плотных асфальтобетонов с наполнителем, модифицированным высокодисперсными отсевами дробления керамзита.

Во второй главе рассмотрены особенности физико-химических процессов при взаимодействии органического вяжущего и пористого материала, термонапряженное состояние и теоретические представления устойчивости асфальтобетонов при

высоких (летних) и низких (зимних) эксплуатационных температурах и пути повышения их температурной устойчивости.

В работах М.И. Волкова, Л.Б. Гезенцвея, Н.В. Горелышева, И.В. Королева, И.А. Рыбьева и др. показано, что одним из основных недостатков асфальтобетона как дорожно-строительного материала является большая зависимость его прочности от температуры. Изменение показателей прочности ведет и к изменению деформационного поведения асфальтобетона. Условия работы дорожных покрытий предъявляют к этому материалу требования достаточной деформационной устойчивости при высоких летних температурах (т.е. теплоустойчивости) и достаточной деформативной способности при низких зимних температурах (т.е. высокой трещиностойкости).

Как известно, сцепление в органоминеральных смесях зависит от вязкости битума, соотношения «битум-минеральный порошок» и характера взаимодействия битума с минеральным материалом. На величину внутреннего трения материала влияет зерновой состав минеральной части смеси, форма и характер поверхности минеральных частиц. Повысить деформационную устойчивость (сдвигоустойчивость) материала возможно за счет увеличения угла внутреннего трения <р и зацепления минеральных зерен С.

Рыбьев И.А., Г'езенцвей Л.Б., Королев И.В. и др. указывают, что одним из направлений повышения сдвигоустойчивосги асфальтобетонных смесей является усиление сдвигообразующей роли дисперсной системы «битум-минеральный порошок», выполняющей роль вяжущего материала в асфальтобетоне.

Резюмируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что повышение сдвиго-устойчивости, теплостойкости и термостабильности асфальтобетона возможно, например, путем полной или частичной замены наполнителя (известнякового минерального порошка) высокодисперсными отсевами дробления керамзита. За счет применения высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита возможно достичь снижения внутренних напряжений, повышения угла внутреннего трения и сцепления, повышенных теплостойкости и термостабильности асфальтобетонов.

Печеный Б.Г. исследуя напряженное состояние дорожных покрытий и условия трещинообразования в них, отмечает, что при линейном напряженном состоянии при охлаждении на ДГ в дорожном покрытии, работающем в условиях невозможности свободного перемещения, возникают температурные напряжения ат. Для дорожных асфальтобетонных покрытий учитываются растягивающие напряжения при торможении или ускорении автомобиля <т„„ которые могут составлять 0,25-0,7 от вертикальной составляющей, обусловленные давлением колеса автомобиля. Растрескивание дорожного покрытия произойдет при условии, что суммарная величина температурных напряжений ат> напряжений от поднятия грунтового основания а„ и транспортных а„ в интервале температур АТ, равном Т, - Т2, достигнет значения его прочности на растяжение /?„ при температуре Т2-

оу +<т„ + <т„, >Яр.

Данное выражение представляет условие прочности покрытия по предельному напряжению.

Таким образом, температура растрескивания покрытия будет иметь тем более низкое значение, чем ниже температура появления температурных напряжений в асфальтобетоне, чем выше прочность при растяжении асфальтобетона в покрытии и

чем ниже коэффициент Пуассона, а также модуль упругости и коэффициент линейного температурного расширения покрытия и чем больше коэффициент линейного температурного расширения основания.

Можно предположить, что, применяя пористый наполнитель (отсевы дробления керамзита) в составе дорожного асфальтобетона, возможно добиться снижения температурных напряжений в покрытии. Это достигается тем, что прочность на растяжение в таком материале будет выше прочности на растяжение обычного асфальтобетона на известняковом минеральном порошке, так как- трение между пылеваты-ми частицами в материале будет выше за счет большей их шероховатости и удельной поверхности частиц. Вместе с тем необходимо учитывать особенности процессов структурообразования при взаимодействии битумного связующего и высокодисперсных пористых частиц наполнителя. Высокодисперсные отсевы дробления керамзита содержат большое количество открытых пор различного размера (от микро- до макропор), что обусловливает избирательную диффузию более легких и менее активных составляющих битума в поры наполнителя, тем самым модифицируя битум, обогащая его наиболее реакционноспособными асфальтенами, асфальтогено-выми кислотами, что способствует образованию прочных физико-химических и химических связей на поверхности раздела «наполнитель-вяжущее».

Исходя из вышеизложенного, по нашему мнению, включая в состав наполнителя пылеватые отсевы дробления керамзита возможно существенно повысить грещи-носгойкость и термостабильность материала и снизить внутренние напряжения, чему будет способствовать высокая дисперсность и пористость наполнителя.

В третьей главе представлена характеристика применяемых материалов и изложена методика исследования.

В экспериментальных исследованиях использовали материалы, включающие щебень из плотных горных пород (продукты дробления гранитного гравия ГУП СК «Кочубеевский карьер» Ставропольского края), активированный известняковый минеральный порошок Черкесского цементного завода, высокодисперсные отсевы дробления керамзита и нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90 (Саратовского НПЗ). Пылеватые отсевы дробления керамзита (фракции менее 0,16 мм) получали в результате дробления керамзитового гравия марки 450 Ставропольского ЗАО «Завод стеновых материалов и керамзита» (ЗАО ЗСМиК) в лабораторной шаровой мельнице.

Физико-механические свойства полученных высокодисперсных отсевов керамзита определяли согласно ГОСТ Р521293-2003. Определение удельной поверхности активированного минерального порошка и высокодисперсных отсевов проводили на приборе Т-3 (Товарова). Кроме того, измерение удельной поверхности и исследование зернового состава используемых порошковых материалов проводили с помощью микроскопического компьютерного анализатора дисперсного состава порошкообразных материалов «МИКАН».

Адсорбционную активность порошковых материалов определяли фотоколориметрическим методом и оценивали по величине адсорбции минеральными порошками битума из толуольных растворов различных концентраций, а также по величине десорбции из них битума. Также с этой целью использовали метод инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии). ИК-спектрь: исследуемых материалов получали на лабораторном инфракрасном фурье-спехтрометре ФСМ.

Исследование физико-механических свойств горячих асфальтобетонных смесей проводили по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 12801-98. Характеристики сдвигоустойчивости определяли по двум схемам: при одноосном сжатии и при сжатии специальным обжимным устройством по схеме Маршалла (ГОСТ 12801-98). 'Грещиностойкость оценивали по пределам прочности на растяжение при расколе, которые определяли путем испытаний образцов-цилиндров в соответствии с ГОСТ 12801-98.

Износостойкость исследуемых асфальтобетонов оценивали по их истираемости. Для оценки истираемости использовали прибор для определения истираемости бетона и износостойкости нсглазурованных керамических плиток ЛКИ-ЗМ. Работа прибора основана на измерении потери массы испытуемого образца при трении о вращающийся в горизонтальной плоскости чугунный истирающий диск.

В четвертой главе рассмотрены особенности структуры, размера, формы частиц и зернового состава высокодисперсных отсевов дробления керамзита, а также проведено исследование их адсорбционной активности.

Как известно, одной из основополагающих характеристик порошковых материалов является их удельная поверхность. На основании обзора литературных источников и экспериментальных исследований было выявлено, что традиционные методы определения удельной поверхности минеральных порошков зачастую не являются объективными, особенно для пористых порошковых материалов. Поэтому для определения этого показателя применяли не только стандартную методику (по-верхностемер Т-3 (Товарова), но и метод компьютерного анализа дисперсного состава порошковых материалов (анализатор «МИКАН»), позволяющий учитывать и оценивать зерновой состав, форму и топографию поверхности наполнителей.

Согласно данным измерений на поверхностемере Т-3 (Товарова) показатели удельной поверхности активированного минерального порошка и высокодисперсных отсевов дробления керамзита практически одинаковы и составляют соответственно 3100 и 3200 см2/г. Эти же показатели, определенные на анализаторе «МИКАН». значительно различаются и составляют соответственно 4080 см2/г для активированного минерального порошка и 6320 см2/гдля отсевов дробления керамзита, что обусловливается учетом при определении удельной поверхности особенностей зернового состава, пористости и характера поверхности частиц порошков.

В результате определения зернового состава исследуемых порошковых материалов выявлено, что количество частиц, поверхностное и объемное их распределение, особенно наиболее высокодисперсных фракций (2,0-0,5; 5,0-2,0 мкм), у отсевов дробления керамзита значительно превышает аналогичные показатели для активированного минерального порошка (рис. 1).

Адсорбционную активность исследуемых минеральных порошков определяли фотоколоримстрическим методом по количеству адсорбированного битума из раствора толуола. Выявлена высокая адсорбционная активность и структурирующая способность высокодиеперспых отсевов дробления керамзита но отношению к битумному вяжущему, что обусловливается высокоразвитой системой микропор, высокими удельной поверхностью и степенью шероховатости частиц и возможным наличием активных адсорбционных центров на поверхности исследуемого наполнителя. Результаты экспериментальных исследований показали, что адсорбционная ак-

гивность высокодисперсных отсевов дробления керамзита несколько ниже адсорбционной активности известнякового минерального порошка.

а)

б)

(шт.) Число гомеренных частиц 20040 (дкрф)

■ }

А

1181 ;

ш 1 & -У) •04

Рис. 1. Объемное распределение (интегральная кривая / дифференциальные столбцы): а) известняковый минеральным порошок; б) высокодисперсные отсевы дробления керамзита

Термодинамическая обратимость адсорбированного слоя является одним из основных признаков, отличающих процессы физической адсорбции от хемосорб-ционных взаимодействий. Исследование десорбции битума с поверхности порошков показало, что часть битума отслаивается растворителем. Это указывает на то, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности минерального наполнителя состоит из прочно химически и обратимо физически связанного битума. На поверхности отсевов дробления керамзита отмечена более высокая величина десорбции адсорбированного слоя вяжущего. Однако в количественном отношении после десорбции на поверхности отсевов дробления удерживается большее количество битума, чем на поверхности известняка. Так, после десорбции количество органического вяжущего, оставшегося на поверхности керамзита, составило 6,84х Ю"3 кг5ит/кгп„,„ а на поверхности известняка - 6,0* 10"3 кг6ит/кгПО|).

Результаты ИК-спектроскопических исследований подтверждают это (рис. 2).

2~00 2900 3100 ! -«О 500 1100 1300 1500 Г00 1900

Рис. 2. ИК-спектры взаимодействие битума с наполнителем: 1 - чистый битум марки БНД 60/90; 2 - после взаимодействия с известняком; 3 - после взаимодействия с отсевом дробления керамзита

ИК-спектры образцов битума после взаимодействия с образцами отсевов дробления керамзита характеризуются снижением интенсивности соответствующих пиков, что свидетельствует об уменьшении количества нафтеновых (875, 675 см ), ароматических(1600 см"') соединений, а также нарафино-нафтеновых углеводородов (2850-2930 см"1).

Взаимодействие компонентов битума с поверхностью частиц известнякового минерального порошка происходит аналогичным образом. В результате исследований адсорбции и десорбции битума на поверхности высокодисперсных отсевов дробления керамзита и на основании результатов ИК-спектрограмм выявлена достаточно высокая интенсивность взаимодействия битумного вяжущего с поверхностью частиц высокодисперсных отсевов дробления керамзита.

В пятой главе приведены результаты исследований физико-механических и эксплуатационных свойств горячих плотных асфальтобетонных смесей, модифицированных отсевами дробления керамзита. Для изучения влияния высокодисперсных отсевов дробления керамзита на свойства асфальтобетона были запроектированы составы плотной мелкозернистой асфальтобетонной смеси типа Б и плотной песчаной асфальтобетонной смеси типа Г с различным содержанием отсевов дробления керамзита в наполнителе С\ (% по объему).

С целью оптимизации составов и свойств горячих плотных асфальтобетонов проводилось математическое планирование эксперимента. В качестве варьируемых факторов были взяты процентное содержание битума в смеси С; процентное содержание отсевов дробления керамзита в наполнителе Ск и плотность асфальтобетонных смессй р. В качестве параметра выхода взяты пределы прочности на сжатие Л», К20 и Л50 образцов горячих плотных асфальтобетонов. В результате реализации плана эксперимента получены регрессионные зависимости прочностных показателей от содержания битума, отсевов дробления керамзита и плотности асфальтобетон.

Оптимальное содержание битума в предложенных композициях определялось в результате анализа зависимостей влияния содержания вяжущего на их физико-механические показатели. Показатели физико-механических свойств горячих плотных асфальтобетонов при оптимальном содержании битума в смеси и различном содержании огсевов дробления керамзита и наполни!еле Ск приведены в табл. 1.

В связи с тем, что отсевы дробления керамзита отличаются повышенной пористостью, очень важно для эксплуатационной характеристики асфальтобетонов определить морозостойкость и выяснить влияние содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе на этот показатель. В результате экспериментальных исследований установлена повышенная морозостойкость асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита (при С„. равном 100 % по объему), в сравнении с асфальтобетонами на стандартном активированном известняковом минеральном порошке. Зависимости изменения прочности при сжатии ДЛ от количества циклов за-мораживапия-оггаивания приведены на рис. 3.

Для определения характеристик сдвигоустойчивоети асфальтобетонов испыты-вались составы асфальтобетонных смессй с оптимальным содержанием битума и различным содержанием отсевов дробления керамзи та (составы № 2-6, 8-12). Испытания проводили по двум схемам (1'ОСТ 12801-98): при одноосном сжатии и при сжатии специальным обжимным устройством но схеме Маршалла. Для сравнения

испытывали на сдвигоустойчивость образцы плотных асфальтобетонов-прототипов (составы № 1, 7) с наполнителем из активированного минерального порошка. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 1

Физико-механические свойства горячих плотных асфальтобетонных смесей предложенных составов с оптимальным содержанием вяжущего

сЗ са сЗ О =а 2 ° а « 3 § О . Si"! 2 s- § % 1 >■ ю О в К с£ 0 си X X о4 si |1 и ,, 5 ^ с» а ^ о Предел прочности при сжатии R, МПа

о сх о X § * Ё f X * 2 ° Я S г; о й s о С й « с „ §41 2 Ч О " О й и и ч s: о '.о и о « 5 о S u с О. СС ,с и ж о О л 1 0 1 t о г^ rz CJ О <XJ о о 03 са td 5 « О ^ ^ 1 са х 1 I 1 f 1 й а при 0 Г'С, Л, при 20 °С, Р-20 при 50 °С, Ля,

зернового состава типа Б

| 1 0 6,0 2405 2,72 0,52 0,97 0,94 9,7 5,5 2.15

i 2 20 6,0 2392 2,8 0,54 0,9 0,87 9,55 5.3 2,1

3 40 6,0 2380 2,92 0,53 0,91 0,88 9,3 8,8 5,24 1,95

4 60 6,5 2382 1,83 0,27 0,94 0,89 5,26 1,95

5 80 6,5 237! 1,95 0,26 0,95 0,91 8,6 5,45 2,01

6 100 6,5 2360 2,02 0,24" 0,98 0,95 7,6 5,65 2,1

зернового состава типа Г

7 0 7,0 2305 2,57 1,1 0,90 1 0,93 П,6 5,85 2,4

8 20 8,0 2320 1,4 0,6 0,96 0,91 9,4 .5,78 2,24

9 40 8,0 23)0 1,65 0,85 ; 0,96 0,92 9,1 5,67 2,27

10 60 8,5 2295 2,15 0,54 j 0.95 0,93 9,0 5,65 2,28

11 80 8,5 2290 2.86 0,75 ! 0,93 0,88 9,1 5,58 2,37 ■

12 100 8,5 2270 3 3 0,9 [~095 0,902 9,0 5,74 2,43 ~J

120

50

0 25 50 75 100 Ш150175200 Количество циклон замораживания

- огпшвашм —i-.Vo 1 -s~,v°6

120 50

0 25 50 75 100125 150175 200 Количество шоаов замораживания

1'ие. 3. Зависимость изменения прочности при сжатии АЛ образцов асфальтобетонной смеси от количества циклов замораживания-оттаивания: а) зернового состава типа 1>; б) зернового состава типа Г

Согласно результатам испытаний увеличение содержания отсевов дробления керамзита в составе наполнителя асфальтобетонной смеси приводит к устойчивому увеличению коэффициента внутреннего трения и соответственно угла внутренне!« трения (табл. 2). Установлено, что наиболее высокие показатели lg<p соответствуют асфальтобетонам с наполнителем, содержащим только высокодисперсные отсевы дробления керамзита. Выявлено также, ч то внутреннее трение асфальтобетона увеличивается с переходом от композиций песчаного зернового состава к мелкозернистым композициям. В результате экспериментальных исследований установлено, что увеличение содержания отсевов дробления керамзита в композициях асфальтобетонных смесей устойчиво ведет к закономерному увеличению и показателей сдви-гоустойчивости, что связано с. более развитой острогранной поверхностью высокодисперсного пористого наполнителя.

Таблица 2

Зависимость показателей сдвигоустойчивости асфальтобетонов от содержания отсевов дробления керамзита Ск

Номер состава Содержание отсевов дробления керамзита СК, % об Коэффициент внутреннего трения ^'р Угол внутреннего трения <р° Сцепления при сдвиге С„, МП а

Тип Б

Г 1 0 0,815 38°58' 0,49

2 20 0,827 39° 19' 0,51

3 40 0,832 39°36' 0,52

4 60 0,838 39°56' 0,53

5 80 0,851 40°39' 0,55

6 ¡00 0,866 40°59' 0,57

Требования ГОСТ 9128-2009 для 1 марки; IV, V дорожно-климатичсских зон, не менее 0,83 - 0,38

Тип Г

7 0 0,791 38°34' 0,37

В 20 0,813 Г 39°0Г 0,41

9 40 0,825 39°22' 0.45

10 60 0,834 39°47* 0,48

11 80 0,843 40° 13' 0,50

12 100 0,852 40"43' 0,52

Требования ГОСТ 9128-2009 для I марки; IV,V дорожно-климатичсских зон, не менее 0,82 - 0,38

Важнейшей задачей при создании новых асфальтобетонов является разработка материалов, обладающих высокой термостабильностью (температуроустойчиво-стью). Термостабильность оценивали по коэффициенту термостабильности кш.. который определяли как отношение показателей прочности на сжатие образцов асфальтобетона при температурах 0 и 50 °С

Анализируя полученные данные (рис. 4), можно констатировать, что с повышением содержания отсевов дробления керамзита в составе наполнителя, прочность при сжатии при О "С /?« устойчиво понижается и минимальна при содержании отсевов С„ равном 100 % по объему. Повышение содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе ведет к закономерному повышению прочности при сжатии при 50 °С.

Наиболее термостабильными являются композиции с наполнителем из высокодисперсных отсевов дробления керамзита. Наиболее низкий коэффициент термоста- 1 бильности кж, равный 3,7, зафиксирован у асфальтобетонной смеси зернового состава типа Г (состав № 12). Для асфальтобетона зернового состава типа Б отмечается следующее: при повышении содержания отсевов дробления керамзита в наполни- | теле наблюдается повышение коэффициента термостабильности с экстремумом при СК, равном 40 % объема; дальнейшее увеличение Ск в смеси приводит к снижению значений ктс. Коэффициент термостабильности для мелкозернистых смесей типа Б также минимален при полной замене традиционного известнякового минерального порошка на отсевы дробления керамзита и составляет 3.6!.

Результаты экспериментальных исследований трещиностойкости представлены в табл.3. 1

Содержание отсонои дробления керамшта, СК7 % по объему

Рис. 4. Зависимость коэффициентов термостабильности к,„с асфальтобетонных смесей от содержания отсевов дробления керамзита С„ в наполнителе и их зерновых составов

Таблица 3

Зависимость прочности при расколе от содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе С„. горячих асфальтобетонов

Номер сост ава Содержание Предел прочно- Требования П ЗСТ9128-2009для (марки,

с оптимальным отсевов дробления сти на растяже- IV, V дорожно-климатических зон

количеством керамзита С„ ние при расколе Значение для асфальтобетонов марки

битума % по объему МПа 1 11 Ш

Тип Б

1 0 3,3

2 20 3,52

3 40 3,9 4,0-6,5 3,5-7,0 3,0-7,5

4 60 4.38

5 80 4,6

6 100 4,7

Тип Г

7 0 2,9

8 20 3,62

9 40 4,23 4,0-6,5 3,5-7,0 3,0-7,5

10 60 4,38

11 80 4,69

12 100 4,75

Выявлено, что повышение содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе смеси приводит к устойчивому повышению предела прочности на растяжение при расколе. Максимальные значения Л,, в асфальтобетонах соответствуют содержанию отсевов дробления керамзита в наполнителе С„ равном 100 % по объему. Влияние зернового состава исследуемых смесей на предел прочности на растяжение при расколе является незначительным, что указывает на определяющее значение природы асфальтового вяжущего на этот показатель.

Одним из основных факторов, снижающих эксплуатационные характеристики дорожных покрытий, является их преждевременный износ. Вследствие износа покрытия происходит его истирание, выкрашивание, шелушение, а в последующем возможно образование колейности или выбоин со значительной утратой ровности. Износостойкость покрытий исследуемых асфальтобетонов оценивали по их истираемости С, которую определяли на приборе ЛКИ-ЗМ и характеризовали изменением потери массы испытуемых образцов при трении о вращающийся в горизонтальной плоскости истирающий диск. Результаты испытаний представлены на рис. 5.

0,35

0,3

ъ 0,25

0,2

о

А 0,15

"5. 0,1

&■ 0,05

а 0

1 1

--

|

!

1 ' ——* |----, »-----^

-«-топ Г Б

О 20 40 60 80 100

Содержание отсевов дробления керамзита Ск, % гю объему

Рис. 5. Зависимость истираемости асфальтобетонов от содержания отсевов дробления керамзита Ск в наполнителе

Установлено, что истираемость С асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита, устойчиво снижается с увеличением Ск. Наиболее устойчивы к истираемости асфальтобетоны с содержанием отсевов дробления керамзита в наполнителе, равном 100 % об. Так, для песчаной смеси при полной замене активированного минерального порошка на высокодисперсные отсевы дробления керамзита потери в массе составили на 80 % ниже, а для мелкозернистой смеси на 30 % ниже в сравнении с асфальтобетонами на традиционном минеральном порошке. Выявлено, что потери массы при истирании образцов из смесей песчаного зернового состава типа Г выше, чем на мелкозернистых смесях типа Б. По нашему мнению, это объясняется тем, что износостойкость таких композиций в большей степени определяется структурой их минерального каркаса.

В шестой главе описаны технология производства, опытно-промышленные испытания горячих плотных асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита, и дана оценка технико-экономической эффективности применения указанных материалов при строительстве дорожных покрытий.

Разработанная технология производства горячих плотных асфальтобетонных смесей, модифицированных отсевами дробления керамзита, позволяет использовать стандартное современное оборудование, применяющееся для производства обычных горячих дорожных асфальтобетонов.

На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» 8 июля 2009 г. была выпущена опытно-промышленная партия горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси на плотном заполнителе и с наполнителем из высокодисперсных отсевов дробления керамзита на битуме марки БНД 60/90, из которой было произведено устройство верхнего слоя покрытия па автомобильной дороге в г. Михайловске по ул. Войкова на участке между пер. Ростовским и пер. Михайловским.

Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости при производстве и укладке 100 м2 покрытия из предложенной мелкозернистой асфальтобетонной, смеси в сравнении с мелкозернистой стандартной асфальтобетонной смесью-прототипом в ценах 2009 года при полной замене известнякового минерального порошка на высокодисперсный отсев дробления керамзита составил 970,00 руб. Ожидаемый годовой экономический эффект от изменения себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 42,0 тыс. м2) при использовании в качестве наполнителя отсевов дробления керамзита составил 407,00 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения сдвигоустойчивости и износостойкости горячих асфальтобетонов на плотном заполнителе путем модификации наполнителя высокодисперсными отсевами дробления керамзита фракций менее 0,16 мм. На основании экспериментальных исследований физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетонов выявлены направления повышения их качества путем управления процессами етруктурообразо-вания асфальтовяжущих па основе применения в их составах высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита, обладающих высокими удельной поверхностью и адсорбционной способностью.

2. В результате экспериментальных исследований нысокодисперсных отсевов дробления керамзита выявлены на микроуровне особенности их зернового состава, структуры, размера и формы частиц; установлены высокая адсорбционная активность и структурирующая способность по отношению к битумному вяжущему, обусловленные высокими удельной поверхностью и шероховатостью поверхности частиц, а также возможным наличием активных адсорбционных центров на их поверхности.

3. Установлено закономерное увеличение деформативной способности при низких температурах (Ка) с увеличением содержания отсевов дробления керамзита в смеси С\. Зависимости прочностей при сжатии при 20 и 50 °С от Ск имеют экстремальный характер.

4. Исследования на сопротивление температурным воздействиям показали высокую термостабильность предложенных асфальтобетонов, модифицированных высокодисперсными отсевами керамзита. Термостабильность композиций оценивали по коэффициенту термостабилыюсти: ктс = !{,, / К5и.

5. Выявлена повышенная сдвигоустойчивость асфальтобетонов с наполнителем, модифицированным пысокодисперсными отсевами дробления керамзита, в сравнении с асфальтобетонами-прототипами. С увеличением Ск и с переходом от песчаных смесей к мелкозернистым коэффициенты внутреннего трения tg<p и показатели сцепления С„ устойчиво возрастают. Установлено устойчивое повышение пределов прочности при растяжении при расколе /^асфальтобетонов с повышением содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе Ск.

6. Выявлена повышенная износостойкость предложенных композиций, оцениваемая по показателю истираемости G. Установлено устойчивое понижение G асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита, с увеличением содержания огсевов в наполнителе С„ и при переходе от мелкозернистых смесей к песчаным. Наибольшей устойчивостью к истиранию обладают асфальтобетоны с наполнителем только из высокодисперсных отсевов дробления керамзита (при Ск, равном 100 % об.).

7. Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости на производство и укладку 100 м2 дорожного покрытия из асфальтобетонной смеси типа Б за счет применения в качестве минерального порошка высокодисперсных отсевов дробления керамзита составил в ценах 2009 года 970,00 руб., а ожидаемый годовой экономический эффект при годовом объеме 42,0 тыс. м2 составил 407,00 тыс. руб.

Основные результаты исследований отражены в следующих работах:

Статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК

1. Солдаток, A.A. Битумно-минеральиые композиции, модифицированные высокодисперсными отсевами дробления керамзита / Ю. Г. Борисенко, A.A. Солда-тов, С.О. Яшин // Строительные материалы. - 2009. - № 1. - С. 62-63.

2. Солдатов, A.A. Термостабильность легких битумно-минеральных композиций / Ю. Г'. Борисенко, О. А. Борисенко, A.A. Солдатов // Строительные материалы. -2009.-№7.-С. 10-11.

3. Солдатов, A.A. Структуры поверхности пористых порошков на основе отсевов дробления керамзита и их адсорбционная активность / A.A. Солдатов, Ю.Г. Борисенко // Строительные материалы. - 2011. - № 6. - С. 36-38.

4. Солдатов, A.A. Структура и адсорбционная активность минеральных порошков па основе высокодисперсных отсевов дробления керамзита для дорожных асфальтобетонов / A.A. Солдатов, Ю.Г. Борисенко, Ю.И. Калгин // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 4 (24). - С. 98-103.

5. Солдатов, A.A. Повышение качества и эксплуатационных свойств дорожных асфальтобетонов за счет применения в их составе высокодисперсных огсевов дробления керамзита / A.A. Солдатов, Ю.Г. Борисенко, Б.А. Бондарев И Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 4 (24). - С. 104-109.

Патенты на изобретения

6. Положительное решение по заявке № 2010121284/05(030271) от 25.05.2010, МГЖ C08L 95/00. Битумноминеральная композиция / Ю.Г. Борисенко, С.О. Яшин, A.A. Солдатов

Публикации в других научных изданиях:

7. Солдатов, A.A. Влияния режимов уплотнения лабораторных образцов на свойства асфальтобетона / Е.А. Данильян, A.A. Солдатов // Материалы XXXVI на-уч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГ'ГУ за 2006 г. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2006. - С. 183.

8. Солдатов, A.A. Влияние добавок поверхностно-активных веществ на кинетику формирования равновесных структур в битумах / A.A. Солдатов // Материалы

XI регионал. науч.-техн. конф. «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». -Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - С. 189.

9. Солдатов, A.A. Состав, свойства и опыт применения литого асфальтобетона / Е.А. Данильян, A.A. Солдатов // Материалы II всероссийской конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: теория и практика повышения эффективности строительных материалов / под общ. ред. В.И. Калашникова. - Пенза: ПГУАС, 2007.-С. 101-106.

10. Солдатов, A.A. Влияние добавок модифицированного этиленпропиленового термоэластопласта на свойства битумов и асфальтобетонов / Е.А. Данильян, A.A. Солдатов // Ежегодная научная сессия «66-я науч.-метод. конф. МАДИ(ГТУ) в 2008 г.» -М.: МАДИ (ГТУ), 2008. - С. 190-196.

11. Солдатов, A.A. Современные тенденции использования высокодисперсных отходов промышленности и строительной индустрии в качестве минеральных порошков асфальтобетонов / С.О. Яшин, A.A. Солдатов, Ю.Г. Борисенко // Материалы

XII регионал. науч.-техн. конф. «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону»: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2008.-С. 281-282.

12. Солдатов, A.A. Оценка влияния содержания и физико-механических показателей минерального порошка ка свойства битумоминеральиых материалов / A.A. Солдатов, С.О. Яшин, Ю.Г. Борисенко // Материалы XII регионал. чауч.-техн. конф. «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону»: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. - С. 282-283.

13. Солдатов, A.A. Использование асфальтобетонов в конструкциях дорожных одежд / A.A. Солдатов, М.Н. Шальнеа, С.О. Яшин, O.A. Борисенко, Ю.Г. Борисенко // Материалы XXXVIII науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГТУ за 2008 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С. 185-186.

14. Солдатов, A.A. Применение отходов дробления керамзита в битумоминеральиых композициях / A.A. Солдатов, М.Н. Шальнев, С.О. Яшин, Ю.Г. Борисенко, O.A. Борисенко // Материалы XXXVIII науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГТУ за 2008 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С. 186-187.

15. Солдатов, A.A. Минеральный порошок из отсевов дробления керамзита / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Труды Первого всероссийского дорожного конгресса. - М: МАДИ(ГГУ), 2009,- С. 84.

16. Солдатов, A.A. Пути повышения термостабильности асфальтобетонов / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин // Труды Первого всероссийского дорожного конгресса. - М: МАДИ(ГТУ), 2009- С. 86.

17. Солдатов, A.A. Битумио-миперальные композиции с наполнителем, модифицированным высокодисперсными отсевами дробления керамзита / Ю.Г. Борисен-ко, A.A. Солдатов // Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека: материалы 1-й междунар. кауч.-практ. конф. - Тамбов: Издательство Першина Р.В., 2010.- С. 131-133.

18. Солдатов, A.A. Зависимость свойств битумноминеральных композиций от происхождения, количества и физико-механических показателей минеральных порошков / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, Е.В. Гордиенко, С.О. Казарян // Материалы XIV науч.-техн. конф. «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону»: п 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С. 279-280.

19. Солдатов, A.A. Износостойкость битумоминеральных композиций, модифицированных отсевами дробления керамзита / A.A. Солдатов // Материалы XL науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГТУ за 2010 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011.-С. 250.

20. Солдатов, A.A. Применение высокодиспереных отсевов керамзита в битумоминеральных смесях / A.A. Солдатов, В.В. Лынник, Ю.Г. Борисенко // Материалы XL науч.-техн. конф. по итогам работы проф.-преп. состава СевКавГГУ за 2010 г.: в 3 т. Т. 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011. - С. 252.

2.1. Солдатов, A.A. Перспективы использования пористых материалов в составах битумоминеральных композициций / Ю.Г. Борисенко, A.A. Солдатов, С.О. Яшин И Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях: материалы между нар. науч. конф. Т. 1, вып. 6. -Ставрополь: СевКавГТИ, 2011. - С. 51-53.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 17.11.2011 Формат60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,25. Уч.-изд. л. - 1. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ№411. Тираж 120 экз. ФГБОУ ВПО « Северо-Кавказский государственный технический университет» 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» Отпечатано в типографии СевКавГТУ

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ОТСЕВОВ ДРОБЛЕНИЯ КЕРАМЗИТА В КАЧЕСТВЕ НАПОЛНИТЕЛЯ В СОСТАВАХ ПЛОТНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.,.

1.1 Минеральный порошок. Опыт применения некондиционных порошкообразных материалов промышленности в качестве минерального порошка для дорожных асфальтобетонов.

1.2 Влияние содержания и физико-механических свойств минерального порошка на структуру и свойства битумов и асфальтобетонов.

1.3 Асфальтовые бетоны. Состояние вопроса и перспективы использования пористых материалов в составах асфальтобетонов.

1.4 Выводы.

2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ ОТСЕВОВ ДРОБЛЕНИЯ КЕРАМЗИТА В СОСТАВЕ НАПОЛНИТЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ.

2.1 Физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии органического вяжущего и пористых минеральных порошковых материалов в горячих асфальтобетонных смесях.

2.2 Направления повышения и регулирования температурной устойчивости, трещиностойкости и эксплуатационных показателей асфальтобетонов

2.3Выводы.

3 МАТЕРИАЛЫ ПРИНЯТЫЕ К ИССЛЕДОВАНИЯМ. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Характеристика материалов, принятых к исследованиям.

3.2 Методика исследований.

3.2.1 Методики исследования свойств исходных материалов.

3.2.2 Методики исследования свойств асфальтобетона.

4 ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРИСТЫХ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ОТСЕВОВ ДРОБЛЕНИЯ КЕРАМЗИТА С БИТУМОМ.

4.1 Особенности структуры, размера, формы частиц и зернового состава высоко дисперсных отсевов дробления керамзита.

4.2 Исследование адсорбционной активности высокодисперсных отсевов дробления керамзита.

4.3 Выводы.

5 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫМИ ОТСЕВАМИ ДРОБЛЕНИЯ КЕРАМЗИТА.

5.1 Составы асфальтобетонных смесей, принятые к исследованиям.

5.2 Планирование эксперимента.

5.3 Влияние количества и содержания отсевов дробления керамзита в составе наполнителя на свойства горячих асфальтобетонов.

5.4 Исследование водостойкости асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита.

5.5 Исследование морозостойкости асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита.

5.6 Исследование сдвигоустойчивости асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита.

5.7 Исследование термостабильности асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита.

5.8 Влияние содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе на трещиностойкость асфальтобетонов.

Актуальность работы. В настоящее время автомобильные дороги в России подвержены все увеличивающимся нагрузкам из-за резкого повышения скорости и интенсивности движения в первую очередь большегрузных транспортных средств, в том числе тяжелых грузовых автомобилей, что не может не отражаться на их техническом состоянии. Первоначально запроектированные и построенные с учетом значительно меньших нагрузок дорожные одежды в современных условиях эксплуатации стремительно снижают такие качества дороги как ровность, износ, перестают удовлетворять требованиям безопасного и комфортного движения, что выражается в появлении различных дефектов покрытия, приводит к резкому сокращению межремонтных сроков и, в конечном счете, к их разрушению. Немалую роль в снижении сроков службы дорожных покрытий играют невысокое качество и низкие эксплуатационные показатели дорожно-строительных материалов. Поэтому одной из актуальных и приоритетных задач в дорожном строительстве является повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик материалов для дорожных покрытий, особенно на битумных вяжущих.

Применение новых конструкционных материалов на органических связующих повышенного качества для покрытий мостовых переходов, тротуаров, многоярусных стоянок, плоских кровель зданий, гидроизоляции трубопроводов и других инженерных сетей является также не менее актуальной проблемой.

Получение высококачественных и эффективных асфальтобетонов, удовлетворяющих современным жестким требованиям и обладающих высокими прочностными характеристиками, сдвигоустойчивостью, теплостойкостью, морозостойкостью, термостабильностью, трещиностойкостью, износостойкостью является одним из прогрессивных путей решения данной проблемы.

Перспективным направлением в развитии дорожных и строительных материалов, отвечающих вышеизложенным требованиям, является по нашему термостабильностью, морозостойкостью, трещиностойкостью, износостойкостью (истираемостью);

- разработать промышленную технологию приготовления отсевов дробления керамзита и применения их в качестве минерального порошка для асфальтобетонных смесей;

- провести опытное внедрение результатов исследования и определить технико-экономическую эффективность применения асфальтобетонов с минеральным порошком на основе высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита, используемого для повышения сдвигоустойчивости и износостойкости дорожного покрытия.

Научная новизна:

- выявлен на микроуровне механизм взаимодействия высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита по отношению к битумному вяжущему, обусловленный высокой удельной поверхностью и шероховатостью частиц, а так же наличием активных адсорбционных центров на их поверхности;

- обоснована возможность получения горячих плотных асфальтобетонов с повышенными сдвигоустойчивостью и износостойкостью за счет применения в их составах высокодисперсных отсевов дробления керамзита;

- определены зависимости физико-механических и эксплуатационных свойств горячих плотных асфальтобетонных смесей от содержания высокодисперсных отсевов дробления керамзита в наполнителе Ск;

- установлено закономерное повышение показателей сдвигоустойчивости горячих асфальтобетонных смесей с увеличением содержания отсевов дробления керамзита в составе наполнителя, которые максимальны при полной замене известнякового минерального порошка на высокодисперсные отсевы (при Ск равном 100 % по объему);

- разработана технология приготовления горячих плотных асфальтобетонных смесей на минеральном порошке из отсевов дробления керамзита, отличающаяся введением операции предварительной сушки отсевов дробления перед подачей материала в смеситель.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны оптимальные составы и технология приготовления горячих асфальтобетонных смесей на плотном заполнителе и минеральном порошке из высокодисперсных отсевов дробления керамзита с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

На АБЗ МУП «ДРСУ г. Михайловска» (г. Михайловск, Ставропольский край) была выпущена опытно-промышленная партия дорожной горячей плотной асфальтобетонной смеси на битуме марки БНД 60/90 с наполнителем из высокодисперсных отсевов дробления керамзита (содержание отсевов в наполнителе - 100 % по объему).

Опытно-промышленная партия горячей асфальтобетонной смеси была использована ДРСУ на автомобильной дороге в г. Михайловске Ставропольского края по ул. Войкова на участке между пер. Ростовский и пер. Михайловский.

Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости укладки 100 м покрытия из асфальтобетонной смеси с наполнителем из высокодисперсных отсевов дробления керамзита в сравнении с традиционными асфальтобетонными смесями на плотном заполнителе в ценах 2009 года составил 970,00 руб. Ожидаемый годовой экономический эффект от изменения себестоимости укладки покрытия (при годовом объеме 42,0 тыс. м ) составил 407,00 тыс. руб.

Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО СевКавГТУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплинам: «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», «Покрытия и кровли», «Тенденции развития строительных материалов и изделий», для специальностей 270102, 270105, 270115.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- ХХХУ1-Й научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2006 год. (Ставрополь, 2006);

- Х1-й региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007 г.);

- П-й всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007);

- Ежегодной научной сессии «66-я научно-методическая конференция МАДИ (ГТУ) в 2008 г.» (Москва, 2008);

- ХХХУШ-й научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2008 год (Ставрополь, 2009);

- Первом Всероссийском дорожном конгрессе (Москва, 2009);

- 1-й международной научно-практической конференции «Аспекты ноо-сферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2010);

- Х1У-Й региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2010 г. );

- ХЬ-й научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2010 год (Ставрополь, 2011);

- Материалы международной научной конференции «Актуальные проблемы и инновации в экономике, управлении, образовании, информационных технологиях» (Ставрополь, 2011)

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 21 опубликованной работе, имеется положительное решение на выдачу патента на изобретение. Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Строительные материалы» и «Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 155 источников и 2 приложения. Работа изложена на 162 страницах, содержит 116 страниц машинописного текста, 30 таблиц, 33 рисунка.

ОБЩИЕ ВЫВОДВЫ

1. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения сдвигоустойчивости и износостойкости горячих асфальтобетонов на плотном заполнителе путем модификации наполнителя высокодисперсными отсевами дробления керамзита фракций менее 0,16 мм. На основании экспериментальных исследований физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетонов выявлены направления повышения их качества путем управления процессами структурообразования асфальтовяжущих на основе применения в их составах высокодисперсных тонкопористых отсевов дробления керамзита, обладающих высокими удельной поверхностью и адсорбционной способностью.

2. В результате экспериментальных исследований высоко дисперсных отсевов дробления керамзита выявлены на микроуровне особенности их зернового состава, структуры, размера и формы частиц; установлены высокая адсорбционная активность и структурирующая способность по отношению к битумному вяжущему, обусловленные высокими удельной поверхностью и шероховатостью поверхности частиц, а также возможным наличием активных адсорбционных центров на их поверхности.

3. Установлено закономерное увеличение деформативной способности при низких температурах (7?0) с увеличением содержания отсевов дробления керамзита в смеси Ск. Зависимости прочностей при сжатии при 20 и 50 °С (Яго, К50) от Ск имеют экстремальный характер.

4. Исследования на сопротивление температурным воздействиям показали высокую термостабильность предложенных асфальтобетонов, модифицированных высокодисперсными отсевами керамзита. Термостабильность композиций оценивали по коэффициенту термостабильности: ктс = Я0 /

5. Выявлена повышенная сдвигоустойчивость асфальтобетонов с наполнителем, модифицированным высокодисперсными отсевами дробления керамзита, в сравнении с асфальтобетонами-прототипами. С увеличением Ск и с переходом от песчаных смесей к мелкозернистым коэффициенты внутреннего трения tg(p и показатели сцепления Ся устойчиво возрастают. Установлено устойчивое повышение пределов прочности при растяжении при расколе Яр асфальтобетонов с повышением содержания отсевов дробления керамзита в наполнителе Ск.

6. Выявлена повышенная износостойкость предложенных композиций, оцениваемая по показателю истираемости (?. Установлено устойчивое понижение О асфальтобетонов, модифицированных отсевами дробления керамзита, с увеличением содержания отсевов в наполнителе Ск и при переходе от мелкозернистых смесей к песчаным. Наибольшей устойчивостью к истиранию обладают асфальтобетоны с наполнителем только из высокодисперсных отсевов дробления керамзита (при Ск, равном 100 % об.).

7. Расчетный экономический эффект от снижения себестоимости на производство и укладку 100 м дорожного покрытия из асфальтобетонной смеси типа Б за счет применения в качестве минерального порошка высокодисперсных отсевов дробления керамзита составил в ценах 2009 года 970,00 руб., а ожидаемый годовой экономический эффект при годовом объеме 42,0 тыс. м составил 407,00 тыс. руб.