автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Повышение сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий путем применения асфальтобетона каркасной структуры на модифицированном битуме

На проча рукиисы

\

Строкин Александр Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ СДВИГОУСТОЙЧИВОСТИ И СРОКА СЛУЖБЫ

ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАРКАСНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ АДГЕЗИОННЫХ ДОБАВОК

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003472955

Воронеж «2009

003472955

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Калгин Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Зубков Анатолий Федорович

кандидат технических наук, доцент Внуков Дмитрий Николаевич

Ведущая организация: Пензенский государственный университет

Защита состоится « 25 » июня 2009 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ВГАСУ, 1 корпус, аудитория 3220 (конференц-зал).

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

Автореферат разослан 22 мая 2009 г.

Ученый секретарь

архитектуры и строительства

диссертационного совета Д 212.033.02

Старцева Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наиболее широко применяемым материалом для строительства покрытий автомобильных дорог в настоящее время и на ближайшую перспективу остается асфальтобетон. Анализ эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий показывает, что через 3-4 года на дорожном покрытии требуется проведение ремонтных работ в связи с накоплением пластических деформаций в асфальтобетоне. Основными причинами этого являются значительный рост транспортных нагрузок, а также недостаточная сдвигоустойчивость покрытия в летний период.

Повышение устойчивости покрытий к образованию пластических деформаций - задача важная и актуальная, и решить её можно, в частности, за счет применения асфальтобетона каркасной структуры на основе битумно-полимерных вяжущих. Использование асфальтобетона с повышенными физико-механическими показателями позволит значительно повысить срок службы асфальтобетонных покрытий.

Цель диссертационной работы - научно обоснованное повышение срока службы дорожных покрытий путем применения эффективного асфальтобетона каркасной структуры на основе битумно-полимерного вяжущего с разработкой технологических положений его получения и применения.

В качестве основной гипотезы при проведении исследований было принято следующее положение: повышение долговечности дорожных покрытий может быть достигнуто путем применения эффективного асфальтобетона каркасной структуры на основе модифицированного битума, характеризующегося повышенной устойчивостью к старению и возникновению пластических деформаций.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1) обосновать целесообразность применения конкретных видов модифицированных вяжущих взамен традиционных битумов при строительстве дорожных покрытий и исследовать влияние различных модификаторов на срок службы асфальтобетонных покрытий;

2) исследовать влияние синтетических каучуков, дивинилстирольных термоэластопластов и полимерных адгезионных добавок на сдвигоустойчивость и долговечность каркасного асфальтобетона;

3) определить структурно-реологические показатели модифицированного асфальтобетона и обосновать модель битумных пленок с применением различных модификаторов битумов на минеральных зернах для прогнозирования деформационно-прочностных и эксплуатационных свойств модифицированного асфальтобетона каркасной структуры;

4) определить оптимальное содержание модификатора, обеспечивающее устойчивость дорожного покрытия к возникновению пластических / деформаций; /

5) разработать промышленную технологию приготовления и применения полимерных адгезионных добавок и составить методические рекомендации по их использованию при строительстве дорожных покрытий;

6) провести опытное внедрение результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность применения полимерных адгезионных добавок.

Научная новизна:

1) для увеличения срока службы дорожных покрытий впервые обоснована эффективность применения асфальтобетона каркасной структуры, модифицированного полимерной адгезионной добавкой «Мобит», позволяющей повысить сдвигоустойчивость и эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий;

2) экспериментально доказано, что применение полимерной адгезионной добавки значительно повышает устойчивость к пластическим деформациям асфальтобетона каркасной структуры и его деформационно-прочностные показатели в процессе эксплуатации в дорожном покрытии;

3) установлено впервые сравнительное влияние полимерной адгезионной добавки и ранее известных модификаторов - синтетических каучуков, дивинилстирольных термоэластопластов на сдвигоустойчивость и устойчивость к старению дорожных покрытий из каркасного асфальтобетона;

4) определены структурно-реологические показатели модифицированного асфальтобетона и предложена модель битумных пленок на минеральных зернах в модифицированном асфальтобетоне, позволяющая объяснить положительное влияние полимерных адгезионных добавок и синтетических каучуков на свойства асфальтобетона каркасной структуры;

5) установлены зависимости изменения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных каркасных асфальтобетонов от вида и содержания синтетических каучуков и полимерной адгезионной добавки и определено оптимальное содержание модификатора в вяжущем.

Практическое значение работы:

1) получены оптимальные составы битумно-полимерных вяжущих и выявлены рецептурно-технологические положения получения модифицированного каркасного асфальтобетона;

2) разработан состав и технология приготовления полимерной адгезионной добавки, обеспечивающей повышение деформационно-прочностных показателей каркасного асфальтобетона и эксплуатационных свойств дорожных покрытий;

3) разработана промышленная технология приготовления вяжущего, содержащего полимерную адгезионную добавку, модифицированной асфальтобетонной смеси и составлены методические рекомендации по

применению полимерной адгезионной добавки «Мобит» для строительства асфальтобетонных покрытий.

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением стандартных и нестандартных методов исследований, положительными результатами существенного объема внедрения разработанных составов модифицированных вяжущих при строительстве дорожных покрытий на автомагистрали М 4 «Дон».

Реализация результатов научных исследований. Разработанные составы битумно-полимерных вяжущих с применением растворов синтетических каучуков, полимерной адгезионной добавки «Мобит» были использованы при строительстве асфальтобетонного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон»: км. 740 (развязка в двух уровнях) и участок км. 740+650 - км. 756+300; км. 736 (транспортная развязка).

Результаты теоретических исследований в области модификации полимерами битумов и каркасных асфальтобетонных смесей включены в состав учебной дисциплины «Технология и организация строительства автодорог» для студентов ГОУВПО ВГАСУ, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».

Основные положения, выносимые на защиту:

- научное обоснование эффективности применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для строительства сдвигоустойчивых и долговечных дорожных покрытий;

- экспериментально-теоретическое обоснование применения полимерной адгезионной добавки «Мобит» для повышения эксплуатационных свойств и срока службы дорожных покрытий;

- обоснование рациональных границ варьирования основных рецептурных и технологических факторов в составах модифицированного вяжущего, используемого при приготовлении каркасных асфальтобетонов, позволяющих повысить сдвигоустойчивость и срок службы дорожных покрытий;

- результаты экспериментальных исследований и анализа модели структуры битумных пленок в модифицированном асфальтобетоне с применением различных модификаторов, определяющих эксплуатационные показатели и срок службы дорожного покрытия;

- методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки «Мобит» для строительства асфальтобетонных покрытий. Апробация работы: основные положения диссертационной работы

представлены на научно-практических конференциях • ВГАСУ (Воронеж, 2004-2009 гг.), международных научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2006), «Строительство - 2007» (Ростов-на-Дону, 2007) и «Строительство - 2009» (Ростов-на-Дону, 2009 ), а также на заседаниях кафедры строительства автодорог ВГАСУ (2004-2009 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ общим объемом 7,5 печатных листов, из которых автору принадлежит 3,5 печатных листа. Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК (Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура; Вестник ВолГАСУ. Серия: Строительство и архитектура). В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведено экспериментально-теоретическое обоснование применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для повышения сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий; в работе {2] дано обоснование применения полимерных поверхностно-активных добавок для повышения деформативно-прочностных характеристик асфальтобетона; в работе [3] приведены результаты экспериментально-теоретических исследований влияния модификаторов на структуру и реологические свойства асфальтобетона и сдвигоустойчивость дорожного покрытия.

Новизна рецептурно-технологических разработок подтверждена Патентом РФ «Способ приготовления битумно-каучукового вяжущего». Заявитель и патентообладатель - Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии. Общий объем работы составляет 178 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 40 таблиц, 42 рисунка, библиографический список из 105 источников, а также 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы и результаты её , анализа, выявляющего причины необратимого деформирования асфальтобетонных покрытий и пути повышения устойчивости горячего асфальтобетона к возникновению пластических деформаций. Проведен анализ исследований по повышению сдвигоустойчивости асфальтобетона в покрытии и показана возможность эффективного применения битумно-полимерных вяжущих с целью повышения долговечности и сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий. Рассматриваемым проблемам посвящены работы A.M. Богуславского, А.П. Васильева, Л.Б. Гезенцвея, Н.В. Горелышева, Л.М. Гохмана, В.А. Золотарева, С.К. Илиополова, Г.Н. Кирюхина, Ю.Е. Никольского, A.B. Руденского, Л.В. Поздняевой и др. ученых.

Проведенным анализом показано, что для решения проблемы повышения устойчивости покрытия к колееобразованию и увеличения срока

его службы необходимо: направленное улучшение структуры и свойств вяжущего для улучшения показателей адгезионных свойств, деформативности, теплоустойчивости в зависимости от конкретных требований и условий применения вяжущего за счёт добавок поверхностно-активных веществ и полимеров; улучшение физико-механических показателей смесей за счет придания асфальтобетону повышенной каркасности (скелетности); применение составов асфальтобетона, обладающего повышенной усталостной долговечностью.

Приводятся результаты исследований различных авторов по улучшению свойств вяжущих и асфальтобетонов; отмечается, что к настоящему времени наилучшие результаты были получены при применении полимеров типа СБС (термоэластопластов) и синтетических каучуков (эластомеров). Сложившаяся к настоящему времени научно-теоретическая база по применению полимеров в промышленности строительных материалов показывает, что синтез новых модификаторов позволяет получить наиболее значительный эффект. К числу таких материалов относятся полимерные адгезионные добавки, которые объединяют в себе достоинства полимерных модификаторов и адгезионных присадок. Таким модификатором битума является полимерная адгезионная добавка «Мобит», предназначенная для улучшения сцепления вязких битумов с каменными материалами и повышения деформативных свойств вяжущих.

Во второй главе изложены результаты экспериментально-теоретических исследований по определению эффективности применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для строительства сдвигоустойчивых и долговечных дорожных покрытий. Сложный характер деформационного поведения асфальтобетонных покрытий, значительные изменения деформативных и прочностных свойств асфальтобетона в процессе эксплуатации требуют детального анализа всех факторов, определяющих устойчивость асфальтобетона к развитию пластических деформаций и в целом долговечность дорожного покрытия. В качестве упрощения при рассмотрении асфальтобетонных покрытий как сложной системы, длительная работа которой зависит от большого числа независимых факторов, под долговечностью понимали межремонтный период, определяемый неизбежностью проведения работ по устранению пластических деформаций и восстановлению первоначальных эксплуатационных показателей дорожных покрытий. Структура факторов, определяющих долговечность покрытия с учетом вышеприведенного допущения, показана на рис. 1. Из представленной схемы очевидно, что определяющее влияние на критерии сдвигоустойчивости асфальтобетона оказывают характеристики вяжущего, величина которых зависит от применяемого полимерного модификатора битума.

В главе описаны методы испытаний и дана характеристика применяемым материалам. При проведении исследований в качестве модификаторов применялись: синтетический каучук общего назначения марки СКС-30 АРКМ-15, группа I по ГОСТ 11138-78, ТУ 38.403121-98; синтетический каучук

общего назначения марки СКС-30 АРКМ-27, сорт 1 по ТУ 38.303-03070-2001; синтетический каучук общего назначения марки СКС-30 АРК, сорт 1 по ТУ 38.40355-99; синтетический каучук общего назначения марки СКС-30 АРКПН, группа 1 по ТУ 38.40384-99; каучук синтетический дивиниловый СКД, сорт I по ТУ 38.403750-2001; дивинилстирольный термоэластопласт марки ДСТ 30-01, группа I по ТУ 38.40327-98; полимерная адгезионная добавка «Мобит» из опытной партии, приготовленной на опытно-промышленной установке Воронежского филиала научно-исследовательского института синтетического каучука имени Лебедева, а также использованы адгезионные добавки, как известные - «Амдор-9» (ТУ 0257-003-3547559696), так и новые «Адгезол» (по ТУ 0257-014-57258729-2005).

Факторы определения сдвмгох сто(№нвости и долговечности асфальтобетонного покрытия

Рис. 1. Факторы, определяющие долговечность дорожного покрытия по интенсивности развития пластических повреждений асфальтобетона , в.процессе эксплуатации

Основные физико-механические показатели асфальтобетона и характеристики сдвигоустойчивости (по методу Маршала) горячего каркасного асфальтобетона определяли в соответствии с ГОСТ 12801-98. Для дополнительной оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона использовали метод, разработанный Ю.Е. Никольским, заключающийся в том, что в процессе испытания центральная часть образца сдвигается относительно остального его объема.

Применение модификаторов незначительно влияет на физические показатели асфальтобетона (среднюю плотность, водонасыщение), но очень значительно на деформативно-прочностные показатели асфальтобетона каркасной структуры (табл. 1). Рассматривая стандартный показатель прочности асфальтобетона в области повышенных температур (при 50 °С) при применении модификаторов отмечено значительное его улучшение - в 1,05 - 1,5 раза. Использование модификаторов практически в 1,5 раза повысило предел прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона. Наиболее эффективно для повышения деформативно-прочностных показателей применение каучука типа СКС-30 АРКМ-15 или СКД при содержании модификатора в вяжущем количестве 2,5-3 % по массе.

В третьей главе приведены результаты исследования усталостного разрушения модифицированного асфальтобетона в режимах, имитирующих старение материала в дорожном покрытии, и обоснована целесообразность применения вяжущих, модифицированных полимерными адгезионными добавками.

Широкий диапазон колебаний температуры асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации и значительная зависимость прочностных и деформативных свойств асфальтобетонов от режима нагружения обусловливают специфическую особенность работы асфальтобетонных покрытий - нестационарность их характеристик, проявляющуюся в непрерывных изменениях эксплуатационных показателей покрытия. Но более значительные изменения происходят в результате ухудшения свойств асфальтобетона в результате физико-химических процессов, протекающих при старении материала в процессе его эксплуатации в покрытии. Установлено влияние модификаторов на изменение предела прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона в течение срока его службы.

Первый этап оценки долговечности модифицированного асфальтобетона в лабораторных условиях соответствовал старению при технологическом процессе приготовления асфальтобетонных смесей. Для этого смеси готовили при предельно высокой температуре 155-160 °С, и перед формовкой при указанной температуре приготовленную смесь выдерживали в течение 30 минут. На втором этапе моделировали старение асфальтобетона в летний период эксплуатации в покрытии. Для этого образцы прогревали при 70 °С в термостате по 10 часов в течение 30 суток. На третьем этапе проводили полное водонасыщение образцов с последующим попеременным замораживанием и оттаиванием в количестве 100 циклов. Все перечисленные этапы воздействия на асфальтобетонные образцы приняты за один условный год эксплуатации в покрытии. Результаты эксперимента приведены на рис. 2-4.

Таблица 1

Физико-механические свойства горячего плотного асфальтобетона типа А на модифицированном и традиционном битуме

Наименование и содержание модификатора в вяжущем Средняя плотность г/см3 Водонасыще-ние, % по массе Предел прочности при сжатии, МПа, при t С Коэффициент водостойкости Предел прочности при сдвиге, при 50 °С, МПа (метод Маршала) Предел прочности при сдвиге, при 50 °С, МПа (метод Никольского)

0 20 50

СКД, 3% 2,43 1,36 7,65 3,37 1,35 1,00 5,89 2,95

СКД, 2,5% 2,43 1,17 11,64 4,90 1,51 0,98 5,98 2,46

СКД, 2% 2,42 1,6В 9,46 4,00 0,93 0,93 4,90 2,15

СКС 30 АРКПН, 3% 2,43 1,39 10,55 3,90 Ш 1,00 6,82 2,97

СКС 30 АРКПН, 2,5% 2,43 1,47 9,72 4,75 1,20 0,90 5,40 2,59

СКС 30 АРКПН, 2% 2,43 1,35 12,77 4,08 1,05 1,00 5,06 2,28

СКС 30 АРКМ 27, 3% 2,43 1,33 11,64 5,12 1,22 1,00 5,85 2,91

СКС 30 АРКМ 27, 2,5% 2,43 1,72 12,34 4,87 1,75 1,00 5,39 2,72

СКС 30 АРКМ 27, 2% 2,43 1,26 11,56 5,12 1,41 0,98 5,17 2,17

СКС 30 АРКМ 15,3% 2,43 1,27 10,37' 3,95 1,38 1,00 5,89 3,02

СКС 30 АРКМ 15, 2,5% 2,42 1,57 14,71 5,72 1,30 0,75 5,52 2,90

СКС 30 АРКМ 15,2% 2,43 1,82 11,72 4,53 1,18 1,00 5,21 2,58

БНД 60/90 (контрольный) 2,43 1,69 11,59 3,83 1,00 0,98 5,00 1,94

ПБВ 60 (ДСТ 30-01, 3,5%) 2,43 1,48 9,60 5,03 1,83 0,91 6,67 2,51

с р

......I......... 1 .........1.....

1 "Г

"1 Л- 1

1 / * 1

г" |—г

-"Г' —Т 1

1 }

2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,0 2,9 3 содержание мучук* в вяжущем, % по

- СКД Исход

СКД После 1гад а

• СКС-30 АРКПН Исход

СКС-30 АРКПН После

1Г0ДЭ

- СКС-30 АРКМ-27 Исход

СКС-30 АРКМ-27 После

1года

СКС-30 АРКМ-15 Исход

СКС-30 АРКМ-15 После

1года

Рис. 2. Зависимость предела прочности при сжатии при 50 °С асфальтобетона каркасной структуры (тип А), модифицированного эластомерами, от содержания модификатора в вяжущем после одного условного года эксплуатации

- Ч- • СКД Исход --»СКД После 1года

• - СКС-30 АРКПН Исход

—■—СКС-30 АРКПН После 1годэ

• -А- - СКС-30 АРКМ-27 Исход

—*—СКС-30 АРКМ-27 После 1геда

СКС-30 АРКМ-15 Исход

~ - СКС-30 АРКМ-15 После _1года_

Рис. 3. Зависимость предела прочности при сдвиге (по методу Никольского) асфальтобетона каркасной структуры (тип А), модифицированного эластомерами, от содержания модификатора в вяжущем после одного условного года эксплуатации

содержание жаучужя а вяжущем, % по массе

- СКД Исход

СКД После 1года

.... СКС-30 АРКПН Исход

СКС-30 АРКПН После

1года

- -А- - СКС-30 АРКМ-27 Исход

СКС-30 АРКМ-27 После

1года

СКС-30 АРКМ-15 Исход

СКС-30 АРКМ-15 После

1года

Рис. 4. Зависимость предела прочности при сдвиге (по методу Маршала) асфальтобетона каркасной структуры (тип А), модифицированного эластомерами, от содержания модификатора в вяжущем после одного условного года эксплуатации

После старения показатель предела прочности при сжатии при 50 °С для традиционного асфальтобетона типа А снизился практически на треть, что можно объяснить резкими изменениями, произошедшими в результате старения во внутренней структуре материала. Установлено, что показатель сцепления у традиционного асфальтобетона снизился с 0,281 до 0,269, а угол внутреннего трения уменьшился с 0,923 до 0,886.

Модифицированные асфальтобетоны типа А в зависимости от вида добавки и её содержания имели исходный показатель прочности при сжатии при 50°С в пределах от 0,9 до 1,8 МПа. Наилучшие значения показателя были установлены при применении 2,5-3 % по массе каучуков типа СКД, СКС-30 АРКМ-27 и СКС-30 АРКМ-15, а также термоэластопласта ДСТ 30-01. Наименьший эффект наблюдался при минимальном содержании добавки (2 % по массе), а также при использовании каучука СКС-30 АРКПН. Для всех модификаторов, положительно повлиявших на прочность асфальтобетона при повышенной температуре, показатели сцепления и угла внутреннего трения имеют наилучшие значения, как у исходных составов асфальтобетона, так и после старения.

Рассматривая изменение показателей предела прочности при сдвиге по методу Никольского и по методу Маршала, было отмечено незначительное изменение их величины после одного условного года эксплуатации. Наименьшее значения показателей имеет традиционный асфальтобетон типа А на БНД 60/90. Наилучшие значения предела прочности при сдвиге имеют асфальтобетоны, содержащие в вяжущем 2,5-3 % всех рассмотренных типов каучука.

В результате старения у традиционного каркасного асфальтобетона отмечается повышение зависимости прочности материала от температуры, которую оценивали по показателю коэффициента температурной чувствительности. В наименьшей степени зависимость прочности от температуры по исходным значениям, а также после старения показали материалы, в которых в качестве модификаторов были использованы каучуки типа СКС-30 АРКМ-15 и СКС-30 АРКМ-27 с содержанием 2,5 % добавки в вяжущем или с применением ДСТ 30-01.

Проведенный эксперимент выявил значительный положительный эффект от применения эластомеров и термоэластопластов для повышения деформационно-прочностных показателей асфальтобетона каркасной структуры. Однако применение указанных материалов для модификации асфальтобетона осложняется рядом их существенных недостатков: высокой стоимостью, многокомпонентным составом вяжущего и многостадийным технологическим процессом его получения. Таким образом, синтез новых полимерных модификаторов, лишенных вышеуказанных недостатков, позволяет получить наиболее значительный эффект. К числу таких материалов относятся полимерные адгезионные добавки.

К настоящему времени накоплен значительный опыт работы по получению полимеров методом «живущей» растворной полимеризации мономеров в присутствии литийорганических соединений. Это позволяет на основе различных мономеров получать полимеры с заданной средней

молекулярной массой и узким молекулярно-массовым распределением (ММР) и, кроме этого, создавать материал с активной функциональной группой, например ]ЧН2 или ОН.

Полимеризация мономеров типа бутадиена, стирола или изопрена протекает в углеводородных средах без обрыва и переноса цепи по реакции:

п С4II, 1.1 + М п С4 Н» М„ 1л, с < 1)

где п - желаемая степень полимеризации.

Заданная молекулярная масса полимера достигается путем выдерживания соотношения Мп = Вес полимера, г / дозировка активного лития, моль.

Строение линейного полибутадиена «литиевой» полимеризации, который может использоваться в качестве основы полимерного ПАВ, описывается формулой (2)

Н

I

Н - ( СН2 - С = С - СН2 )„ - Ф, (2)

I

н

где Я - углеводородный радикал, Ф - функциональная группа литийорганического соединения; п=20-200.

Полистирол «литиевой» полимеризации имеет строение, соответствующее формуле (3): -

К- ( С ~ С - )„,- Ф, ш - 40 -100. (3)

Строение полиизопренового олигомера описывается формулой (4): СН3

I

R - ( СН2 - СН = С - СН2 )р - Ф, р = 15-50. (4)

В зависимости от конкретных условий состав полимерного ПАВ может изменяться. Основой является углеводородный полимер с функциональной группой. В «Мобите» отсутствуют компоненты с неприятным запахом. Для предотвращения окисления полимеров используются антиоксиданты, которые предотвращают деструкцию полимерной основы при температуре переработки битумных композиций и положительно влияют на термоокислительную устойчивость битума. Битумные композиции, содержащие 1-2 % полимерного ПАВ «Мобит», могут выдерживаться при 150-160 °С до 6 часов.

Положительное влияние «Мобит» на адгезионные свойства битума обеспечиваются за счет функциональных групп, которые облегчают смачивание и обволакивание битумом минеральной поверхности, а полимерная основа, растворяясь в битуме, модифицирует структурированные битумные пленки на минеральных зернах (рис. 5-6).

Сравнительные исследования асфальтобетона с применением полимерного ПАВ и других наиболее эффективных присадок («Амдор-9», «Адгезол») подтвердили его положительное влияние (рис. 7-8).

1 - асфальтены,

2 - ароматические углеводороды,

Рис. 5. Строение битумной пленки с каучуком

3 - парафино-нафтеновые углеводороды,

4 - макромолекулы синтетического каучука,

5 - молекулы полимерного ПАВ

Рис. 6. Строение битумной пленки с «Мобитом»

Рис. 7. Зависимость предела прочности при сжатии при 50 °С модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип А) от вида адгезионной добавки

Рис. 8. Зависимость предела прочности при сдвиге (по методу Никольского) модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип А) от вида адгезионной добавки

Установлено повышение показателя прочности каркасного асфальтобетона при сдвиге, оцениваемого как по методу Никольского, так и по стандартному методу Маршала, а также стандартного показателя по ГОСТ 912897 предела прочности при сжатии при 50 °С. При применении адгезионных добавок величина показателей прочности при повышенных температурах увеличивается на 10-30 % в сравнении с контрольным составом, а применение «Мобит» дополнительно положительно сказывается на деформативности каркасного асфальтобетона в области низких температур.

Реологические показатели модифицированного асфальтобетона типа А (время релаксации 0, время ретардации т, вязкость т|м) приведены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние синтетического каучуков, термоэластопласта ДСТ 30-01, ПАВ «Мобит» на структурно-реологические свойства асфальтобетона типа А при

Наименование Структурно-реологические показатели

модификатора, содержание 0, т, Пм. Ксж,

в вяжущем с с ТПа с МПа

СКД, 3 % 28600 20,98 10,57 1,30

СКС-30 АРКМ-15, 3% 28600 21,96 7,12 1,40

ДСТ 30-01, 3,5 % 28200 42,25 • 9,19 1,80

«Мобит», 1,5 % 29722 35,46 6,13 1,35

БНД 60/90 (контрольный) 32975 33,34 4,39 1,00

Применение ПАВ «Мобит» положительно повлияло на структурно-реологические показатели асфальтобетона при повышенной температуре, незначительно уступая применению термоэластопласта ДСТ 30-01, и только использование добавок синтетического каучука носит более выраженный положительный эффект. Однако технологический процесс приготовления вяжущего с добавкой «Мобит» является одностадийным, может быть реализован на несложном оборудовании, что в отличие от многостадийного процесса получения битумно-каучукового вяжущего дает дополнительное преимущество.

В четвертой главе приведены разработанная технология получения и применения полимерных адгезионных добавок и проведенные опытно-производственные работы по приготовлению промышленной партии ПАВ «Мобит». Технологический процесс приготовления добавки состоял из нескольких этапов, что показано на принципиально-технологической схеме на рис. 9.

На первом этапе, называемом «полимеризация», в среду растворителя подается расчетное количество мономера - стирола, бутадиена или изопрена, затем катализатор - литийорганическое соединение С4Н9Ы. Происходит образование каучукоподобного полимерного соединения. На втором этапе, «полимердезактивация», происходит- обрывание цепи и создаются функциональные группы. Используемые для этого реагенты - кислород, мочевина, ортофосфорная кислота - выступают в роли вещества-обрывателя цепи, вступая в химическую связь с активным полимером. В этом случае

полимеризация прекращается, т.е. «живущий» полимер дезактивируется. В результате путем варьирования ряда технологических параметров получаем полимер, молекулярную массу которого можно изменять в пределах от 2 до 60 тысяч единиц и который имеет при этом активные функциональные группы. При направленном получении добавки с небольшой молекулярной массой 2-10 тысяч полимер будет легко растворяться в битуме, но его эффект по влиянию на структурно-реологические характеристики будет меньше, чем при молекулярной массе от 10 до 60 тысяч. Но в последнем случае для растворения добавки в битуме будет необходима мощная перемешивающая установка.

0

[ полимеризация, П-завершекие полимеризации, Ш-отгон растворителя, IV-фасовка

1 - растворитель (толуол, бензол) 7 - мочевина

2 - мономер (бутадиен, стирол, изопрен) 8 - раствор полимера (полистирол или полибутадиен)

3 - катализатор 9 - холодильник

4 - обогрев 10 - растворитель (повторное использование)

5 - дезактиватор полимеризации

6 - ортофосфорная кислота

Рис. 9. Принципиально-технологическая схема синтеза полимерного

ПАВ "Мобит"

Приготовление ПАВ «Мобит» было проведено на производственной базе Воронежского филиала научно-исследовательского института синтетического каучука им. Лебедева (рис. 10-11). Опытное применение полимерного ПАВ проведено при строительстве верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на автомагистрали «Дон». В г. Павловске Воронежской области 21.09.2006 г. предприятием ООО «Дорснаб» было приготовлено 19 тонн вяжущего по следующей технологии: в смеситель подавали дорожный битум марки БНД 60/90, нагретый до температуры 160 °С, а затем при работающей мешалке порционно загружали ПАВ «Мобит». В последующем все перемешивалось при указанной температуре в смесителе в течение 1,5 часов. С применением вышеуказанного вяжущего на АБЗ, принадлежащем ООО «УС-2

Интердорстрой», приготовлено 530 тонн асфальтобетонной смеси, которая была использована при строительстве асфальтобетонного покрытия на км. 736 М 4 «Дон» (транспортная развязка в двух уровнях).

чЖЖК»

Рис.10. Технологическое оборудование 1-го этапа

Рис. 11. Технологическое оборудование 2-го и 3-го этапов

Анализ экономической эффективности внедрения результатов исследований проводился по основные показателям, приведенным на рис. 12.

Расчеты показали, что применение адгезионной добавки «Мобит» позволит получить экономический эффект ЧДЦ 414632,5 р./км, с учетом погашения долга по инвестициям и отчислений банку 22,5 % от дохода.

Экономическая эффект результатов работы

Экономическая эффект применения ас ф а л ьто 0 его на, модифицированного адгезионной добавкой "Мобит"

Экономический эффект применения методики оценки требуемой сдв неустойчивости асфал ьто бетон а

I о в ы ш е н н ы е прочно с г н ы е и ¿¿формативные характеристики асфальтобетона, модифицированного адгезионной добавкой "Мобит"

Увеличение срока службы покрытия (удлинение межремонтных сроков)

; Возможность применения материалов, имеющих пон ижен ны е п роч ностн ы е характеристики, но расположенных в неп о ср ед ств е н н о и б л изо ст и

Уменьшение себестоимости продукции

Точный учет факторов, влияющих на сдвигоустойчивость асфальтобетона, для определения трьоуёмых свойств асфальтобетона

Уменьшение расходов на содержание и ремонт дорог

Экономическая прибыль появления

дополнительных свободных ресурсов

Рис. 12. Экономический эффект применения асфальтобетона, модифицированного полимерной адгезионной добавкой «Мобит»

выводы

1. В отличие от существующих способов модификации дорожных битумов и каркасных асфальтобетонов обоснована целесообразность применения вяжущих на основе полимерных адгезионных добавок взамен традиционных битумов для повышения срока службы дорожных покрытий и их устойчивости к пластическим деформациям.

2. Экспериментально установлено, что применение синтетических каучуков или дивинилстирольных термоэластопластов в вяжущем в количестве 2,5-3 % по массе повышает предел прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона в 1,2-1,5 раза, а при использовании 2,0 % по массе полимерной адгезионной добавки «Мобит» - в 1,3 раза в сравнении с асфальтобетоном на нефтяном битуме.

3. Разработана методика, позволяющая смоделировать усталостное разрушение модифицированного асфальтобетона каркасной структуры в режимах, имитирующих старение материала в дорожном покрытии, и установлено, что деформационно-прочностные и физико-механические показатели асфальтобетона в наибольшей степени сохраняются при применении синтетических каучуков различных типов, а также полимерной адгезионной добавки «Мобит».

4. Определены структурно-реологические показатели (вязкость, время релаксации и ретардации) каркасного асфальтобетона на основе полимерной адгезионной добавки «Мобит», а также дивинилстирольного термоэластопласта, синтетических каучуков различных типов, и предложена модель битумных пленок на минеральных зернах в модифицированном асфальтобетоне, позволяющая объяснить положительное влияние различных модификаторов на свойства асфальтобетона каркасной структуры.

5. Разработана технология приготовления и применения полимерной адгезионной добавки «Мобит», и установлено её оптимальное содержание в вяжущем из условия обеспечения повышенной устойчивости дорожного покрытия к возникновению пластических деформаций и деформационно-прочностных характеристик асфальтобетона.

6. Разработаны методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки при строительстве дорожных покрытий и согласованы с внедряющей подрядной дорожно-строительной организацией.

7. Приготовлена опытно-промышленная партия полимерной адгезионной добавки «Мобит», модифицированные вяжущие и асфальтобетонная смесь, и проведено строительство опытного участка асфальтобетонного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон».

8. Наблюдением в течение трехлетнего периода за опытным участком и натурными испытаниями подтверждена эффективность применения полимерных адгезионных добавок.

9. Установлено, что при применении добавки «Мобит» может быть получен экономический эффект в размере 414632 рублей в ценах 2008 г. на один приведенный километр автомобильной дороги.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в работах: статьи в журналах, входящих в перечень ВАК

1. Строкин A.C. Повышение сдвигоустойчивости дорожных покрытий путем применения асфальтобетона каркасной структуры на основе модифицированных битумов / A.C. Строкин // Научный Вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2008. № 2 (10). - С. 134-139.

2. Строкин A.C. Полимерное поверхностно-активное вещество «Мобит» для повышения деформативно-прочностных характеристик асфальтобетона каркасной структуры и долговечности дорожных покрытий / A.C. Строкин, Ю.И. Калгин // Вестник ВолГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. -

2008.-Вып. 11(30).-С. 52-56.

3. Строкин A.C. Влияние синтетических каучуков и полимерных адгезионных добавок на структурно-реологические свойства асфальтобетона и сдвигоустойчивость дорожных покрытий/ A.C. Строкин Ю.И. Калгин, В.А. Козлов // Научный Вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2009. -№2(14). - С. 81-87.

статьи в общих изданиях

4. Строкин A.C. Исследование влияния вязкостных характеристик модифицированного битума на сдвигоустойчивость асфальтобетона / A.C. Строкин, Ю. И. Калгин // Научный вестник ВГАСУ. Серия: Дорожно-транспортное строительство. - 2004. - Вып. № 3. - С. 156-159.

5. Строкин A.C. Исследование влияния вязкостных характеристик модифицированного битума на сдвигоустойчивость асфальтобетона /

A.C. Строкин, Ю.И. Калгин // Научный вестник ВГАСУ. Серия: Студент и наука,- 2005. -№ 1.-С. 48-51;

6. Строкин A.C. Применение полимерного поверхностно-активного вещества «Мобит» при строительстве асфальтобетонного покрытия на автомагистрали M 4 «Дон» / C.B. Сиринько, Ю.И. Калгин, A.C. Строкин, В.П. Юдин // Автомобильные дороги - 2006.-№ 11.-С. 79-81.

7. Пат. 2270846, МПК7 C08L 95/00 C09D 195/00 С04В 26/26. Способ приготовления битумно-каучукового вяжущего / Ю.И. Калгин,

B.И. Алферов, A.A. Михайлов, A.C. Строкин; заявитель и патентообладатель ВГАСУ. - № 2004124336/04(026204); заявл. 09.08.04г., опубл. 27.02.06, Бюл. №6.-8 с.

8. Строкин A.C. Исследование сдвигоустойчивости асфальтобетона на основе модифицированных битумов / A.C. Строкин, Ю.И. Калгин // Строительство - 2007: мат. междунар. научно-практич. конф. «Строительство-2007». - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2007. - С. 35-37.

9. Строкин A.C. Испытания дорожных битумов и асфальтобетонных смесей: лаб. практикум / Ю.И. Калгин, A.C. Строкин, Е.Б. Тюков // Воронеж: гос. арх.-строит. ун-т, 2008. - 96 с.

Ю.Строкин A.C. Полимерное поверхностно-автивное вещество «Мобит» для повышения деформативно-прочностных характеристик асфальтобетона / A.C. Строкин, Ю.И. Калгин // Строительство-2009: мат. междунар. научно-практич. конф. «Строительство-2009». - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т,

2009. - С. 68-69.

СТРОКИН АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

Повышение сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий путем использования модифицированного каркасного асфальтобетона на основе полимерных

адгезионных добавок

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.05.09. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Уч.-изд. л. 1,3. Усл. печ. л.1,4.

Тираж 100 экз. Заказ № 288 Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ исследований по оценке и повышению сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий.

1.1 Анализ причин, вызывающих необратимое деформирование асфальтобетонных покрытий, и пути повышения устойчивости горячего асфальтобетона к возникновению пластических деформаций.

1.2 Оценка сдвигоустойчивости дорожных асфальтобетонных покрытий и предпосылки повышения их устойчивости к возникновению пластических деформаций путем применения модифицированного битума.

Глава 2. Обоснование повышения сдвигоустойчивости и долговечности в дорожном покрытии асфальтобетона каркасной структуры за счёт применения модифицированного битума.

2.1 Анализ факторов, определяющих долговечность асфальтобетонных покрытий по интенсивности развития пластических повреждений в разнообразных эксплуатационных условиях.

2.2 Применяемые материалы и методы исследований.

2.2.1 Характеристика применяемых материалов.

2.2.2 Применяемые методы исследований.

2.3 Исследование физико-механических и деформационно-прочностных характеристик каркасного асфальтобетона, модифицированного синтетическим каучуком или бутадиен-стирольным термоэластопластом.

Глава 3. Обоснование целесообразности применения вяжущих на основе полимерных адгезионных добавок для повышения работоспособности модифицированных асфальтобетонов и их устойчивости к пластическим деформациям.

3.1 Разработка и обоснование применения полимерных адгезионных добавок для повышения физико-механических, деформационно-прочностных характеристик каркасного асфальтобетона.

3.2 Прогнозирование работоспособности модифицированного асфальтобетона каркасной структуры в процессе эксплуатации в дорожном покрытии.

3.3 Обоснование реологической - модели, описывающей влияние модификаторов битумов и адгезионных добавок на возникновение пластических дефектов на дорожном покрытии из асфальтобетона каркасной структуры.

Глава 4. Разработка технологии и оценка эффективности, применения модифицированного асфальтобетона для повышения долговечности и улучшения эксплуатационных характеристик дорожных покрытий.

4.1 Анализ применения асфальтобетона каркасной структуры, модифицированного синтетическим каучуком, при строительстве дорожного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон» за период 2002-2008 гг.

4.2 Опытное строительство дорожного покрытия с применением асфальтобетона на основе полимерного ПАВ «Мобит» на автомагистрали М 4 «Дон».

4.2.1 Технология получения «Мобит».

4.2.2 Применение ПАВ «Мобит» при строительстве опытного участка.

4.2.3 Технология приготовления асфальтобетонной смеси, модифицированной полимерной адгезионной добавкой «Мобит».

4.2.4 Технология устройства покрытия из модифицированного асфальтобетона.

4.2.5 Наблюдения за экспериментальным участком.

4.3 Определение технико-экономической эффективности применения горячего модифицированного асфальтобетона каркасной структуры для повышения долговечности и улучшения эксплуатационных свойств дорожных покрытий.

Актуальность темы. Наиболее широко применяемым материалом для строительства покрытий автомобильных дорог в настоящее время и на ближайшую перспективу остается асфальтобетон. Анализ эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий показывает, что через 3-4 года на дорожном покрытии требуется проведение ремонтных работ в связи с накоплением пластических деформаций в асфальтобетоне. Основными причинами этого являются значительный рост транспортных нагрузок, а также недостаточная сдвигоустойчивость покрытия в летний период.

Повышение устойчивости покрытий к образованию пластических деформаций — задача важная и актуальная, и решить её можно, в частности, за счет применения асфальтобетона каркасной структуры на основе битумно-полимерных вяжущих. Использование асфальтобетона с повышенными физико-механическими показателями позволит значительно повысить срок службы асфальтобетонных покрытий.

Цель диссертационной работы - научно обоснованное повышение срока службы дорожных покрытий путем применения эффективного асфальтобетона каркасной структуры на основе битумно-полимерного вяжущего с разработкой технологических положений его получения и применения.

В качестве основной гипотезы при проведении исследований было принято следующее положение: повышение долговечности дорожных покрытий может быть достигнуто путем применения эффективного асфальтобетона каркасной структуры на основе модифицированного битума, характеризующегося повышенной устойчивостью к старению и возникновению пластических деформаций.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1) обосновать целесообразность применения конкретных видов модифицированных вяжущих взамен традиционных битумов при строительстве дорожных покрытий и исследовать влияние различных модификаторов на срок службы асфальтобетонных покрытий;

2) исследовать влияние синтетических каучуков, дивинилстирольных термоэластопластов и полимерных адгезионных добавок на сдвигоустойчивость и долговечность каркасного асфальтобетона;

3) определить структурно-реологические показатели модифицированного асфальтобетона и обосновать модель битумных пленок с применением различных модификаторов битумов на минеральных зернах для прогнозирования деформационно-прочностных и эксплуатационных свойств модифицированного асфальтобетона каркасной структуры;

4) определить оптимальное содержание модификатора, обеспечивающее устойчивость дорожного покрытия к возникновению пластических деформаций;

5) разработать промышленную технологию приготовления и применения полимерных адгезионных добавок и составить методические рекомендации по их использованию при строительстве дорожных покрытий;

6) провести опытное внедрение результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность применения полимерных адгезионных добавок.

Научная новизна:

1) для увеличения срока службы дорожных покрытий впервые обоснована эффективность применения асфальтобетона каркасной структуры, модифицированного полимерной адгезионной добавкой «Мобит», позволяющей повысить сдвигоустойчивость и эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий;

2) экспериментально доказано, что применение полимерной адгезионной добавки значительно повышает устойчивость к пластическим деформациям асфальтобетона' каркасной структуры и его деформационно-прочностные показатели в процессе эксплуатации в дорожном покрытии;

3) установлено впервые сравнительное влияние полимерной адгезионной добавки и ранее известных модификаторов - синтетических каучуков, дивинилстирольных термоэластопластов на сдвигоустойчивость и устойчивость к старению дорожных покрытий из каркасного асфальтобетона;

4) определены структурно-реологические показатели модифицированного асфальтобетона и предложена модель битумных пленок на минеральных зернах в модифицированном асфальтобетоне, позволяющая объяснить положительное влияние полимерных адгезионных добавок и синтетических каучуков на свойства асфальтобетона каркасной структуры;

5) установлены зависимости изменения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных каркасных асфальтобетонов от вида и содержания синтетических каучуков и полимерной адгезионной добавки и определено оптимальное содержание модификатора в вяжущем.

Практическое значение работы:

1) получены оптимальные составы битумно-полимерных вяжущих и выявлены рецептурно-технологические положения получения модифицированного каркасного асфальтобетона;

2) разработан состав и технология приготовления полимерной адгезионной добавки, обеспечивающей повышение деформационно-прочностных показателей каркасного асфальтобетона и эксплуатационных свойств дорожных покрытий;

3) разработана промышленная технология приготовления вяжущего, содержащего полимерную адгезионную добавку, модифицированной асфальтобетонной смеси и составлены методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки «Мобит» для строительства асфальтобетонных покрытий.

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением стандартных и нестандартных методов исследований, положительными результатами существенного объема внедрения разработанных составов модифицированных вяжущих при строительстве дорожных покрытий на автомагистрали М 4 «Дон».

Реализация результатов научных исследований. Разработанные составы битумно-полимерных вяжущих с применением растворов синтетических каучуков, полимерной адгезионной добавки «Мобит» были использованы при строительстве асфальтобетонного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон»: км. 740 (развязка в двух уровнях) и участок км. 740+650 - км. 756+300; км. 736 (транспортная развязка).

Результаты теоретических исследований в области модификации полймерами битумов и каркасных асфальтобетонных смесей включены в состав учебной дисциплины «Технология и организация строительства автодорог» для студентов ГОУВПО ВГАСУ, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».

Основные положения, выносимые на защиту:

- научное обоснование эффективности применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для строительства сдвигоустойчивых и долговечных дорожных покрытий;

- экспериментально-теоретическое обоснование применения полимерной адгезионной добавки «Мобит» для повышения эксплуатационных свойств и срока службы дорожных покрытий;

- обоснование рациональных границ варьирования основных рецептурных и технологических факторов в составах модифицированного вяжущего, используемого при приготовлении каркасных асфальтобетонов, позволяющих повысить сдвигоустойчивость и срок службы дорожных покрытий;

- результаты экспериментальных исследований и анализа модели структуры битумных пленок в модифицированном асфальтобетоне с применением различных модификаторов, определяющих эксплуатационные показатели и срок службы дорожного покрытия;

- методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки «Мобит» для строительства асфальтобетонных покрытий. Апробация работы: основные положения диссертационной работы представлены на научно-практических конференциях ВГАСУ (Воронеж, 2004-2009 гг.), международных научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2006), «Строительство - 2007» (Ростов-на-Дону, 2007) и «Строительство - 2009» (Ростов-на-Дону, 2009 ), а также на заседаниях кафедры строительства автодорог ВГАСУ (2004-2009 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ общим объемом 7,5 печатных листов, из которых автору принадлежит 3,5 печатных листа. Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК (Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура; Вестник ВолГАСУ. Серия: Строительство и архитектура). В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] приведено экспериментально-теоретическое обоснование применения модифицированных каркасных асфальтобетонных смесей для повышения сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий; в работе [2] дано обоснование применения полимерных поверхностно-активных добавок для повышения деформативно-прочностных характеристик асфальтобетона; в работе [3] приведены результаты экспериментально-теоретических исследований влияния модификаторов на структуру и реологические свойства асфальтобетона и сдвигоустойчивость дорожного покрытия.

Новизна рецептурно-технологических разработок подтверждена Патентом РФ «Способ приготовления битумно-каучукового вяжущего». Заявитель и патентообладатель - Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии. Общий объем работы составляет 178 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 40 таблиц, 42 рисунка, библиографический список из 105 источников, а также 4 приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В отличие от существующих способов модификации дорожных битумов и каркасных асфальтобетонов обоснована целесообразность применения вяжущих на основе полимерных адгезионных добавок взамен традиционных битумов для повышения срока службы дорожных покрытий и их устойчивости к пластическим деформациям.

2. Экспериментально установлено, что применение синтетических каучуков или дивинилстирольных термоэластопластов в вяжущем в количестве 2,53 % по массе повышает предел прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона в 1,2-1,5 раза, а при использовании 2,0 % по массе полимерной адгезионной добавки «Мобит» - в 1,3 раза в сравнении с асфальтобетоном на нефтяном битуме.

3. Разработана методика, позволяющая смоделировать усталостное разрушение модифицированного асфальтобетона каркасной структуры в режимах, имитирующих старение материала в дорожном покрытии, и установлено, что деформационно-прочностные и физико-механические показатели асфальтобетона в наибольшей степени сохраняются при применении синтетических каучуков различных типов, а также полимерной адгезионной добавки «Мобит».

4. Определены структурно-реологические показатели (вязкость, время релаксации и ретардации) каркасного асфальтобетона на основе полимерной адгезионной добавки «Мобит», а также дивинилстирольного термоэластопласта, синтетических каучуков различных типов, и предложена модель битумных пленок на минеральных зернах в модифицированном асфальтобетоне, позволяющая объяснить положительное влияние различных модификаторов на свойства асфальтобетона каркасной структуры.

5. Разработана технология приготовления и применения полимерной адгезионной добавки «Мобит», и установлено её оптимальное содержание в вяжущем из условия обеспечения повышенной устойчивости дорожного покрытия к возникновению пластических деформаций и деформационно-прочностных характеристик асфальтобетона.

6. Разработаны методические рекомендации по применению полимерной адгезионной добавки при строительстве дорожных покрытий и согласованы с внедряющей подрядной дорожно-строительной организацией.

7. Приготовлена опытно-промышленная партия полимерной адгезионной добавки «Мобит», модифицированные вяжущие и асфальтобетонная смесь, и проведено строительство опытного участка асфальтобетонного покрытия на автомагистрали М 4 «Дон».

8. Наблюдением в течение трехлетнего периода за опытным участком и натурными испытаниями подтверждена эффективность применения полимерных адгезионных добавок.

9. Установлено, что при применении добавки «Мобит» может быть получен экономический эффект в размере 414632 рублей в ценах 2008 г. на один приведенный километр автомобильной дороги.

1. Ахметова Р. С. Дорожные битумы нефтеперерабатывающих заводов СССР и современные требования, предъявляемые к их качеству / Р. С. Ахметова, В. В. Фрязинов, JL Р. Торбеева // Труды БашНИИ. — 1968. — Вып. 8. —С. 159—167.

2. Авсеенко А.А., Петров Ю.Н., Цыганков В.И. Экономика, планирование и управление в дорожном хозяйстве М.: Центроргтруд Минавтодор РСФСР, 1990, 363с.

3. Автомобильные дороги. СНиП 3.06.03-85/Госстрой СССР. М., 1986.111с.

4. Артеменко А. И., Органическая химия / А. И. Артеменко. М.: Высш. Шк., 2002.-559 с.

5. Березников А. В. Влияние условий окисления на состав и свойства окисленных битумов / А. В. Березников : автореф. дис. . канд. техн. наук. —Л., 1975. —20 с.

6. Бируля А. К. Работоспособность дорожных одежд / А. К. Бируля, С. И. Михович. —М.: Транспорт, 1968. — 172 с.

7. Битумные материалы / под ред. А. Дж. Хойберга; пер. с англ. — М. : Химия, 1974. —248 с.

8. Богуславский А. М. Основы реологии асфальтобетона / А. М. Богуславский, Л. А. Богуславский. — М. : Высш. шк., 1972. — 200 с.

9. Богуславский А. М. Прогнозирование сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетонных аэродромных покрытий / А. М. Богуславский // Строительство аэродромов : Тр. МАДИ. — М., 1974. — Вып. 57. — С. 49—58.

10. Бодан А. Н. Роль температуры в процессе получения окисленных битумов / А. Н. Бодан // Исследование свойств битумов, применяемых в дорожном строительстве : Тр. СоюздорНИИ. — М., 1970. — Вып. 46. — С. 48—54.

11. Бодан А. Н. Влияние температуры окисления на состав и свойства битумов / А. Н. Бодан, О. М. Кулик, В. И. Храпко // Структурообразование, методы испытаний и улучшения технологии получения битумов : Тр. СоюздорНИИ. — М., 1971. — Вып. 49. — С. 141—150.

12. Н.Бонченко Г. А. Асфальтобетон. Сдигоустойчивость и технология модифицирования полимером. — М.; Машиностроение 1994, с. 175

13. Виноградов М. В. Термохимическое и кинетическое исследование процесса окисления битума / М. В. Виноградов: автореф. дис. . канд. техн. наук. — JL, 1971. — 20 с.

14. Валильев А. П. Причины образования колей и пути их устранения. Наука и техника в дорожной отрасли 1999, №2 с.6-9.

15. Валильев А. П. Проблемы разработки методов прогнозирования глубины колеи на автомобильных дорогах. Проблемы строительства и эксплуатации а/д в начале ХХ1в. Сборник научных трудов МАДИ. М., 2000г.

16. Гнатенко Г.Ф., Досвщ використання поверхнево-активних речовин для пщвищення водотшкост1 асфальтобетонного покриття. / Гнатенко Г.Ф., Ефремов С.В., Жданюк В.К., Золотарев В.О. // Автошляховик Украши. -1999.-№1.-С. 38-39.

17. Гезенцвей JI. Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов / JI. Б. Гезенцвей. — М. : Стройиздат, 1971. — 225 с.

18. Гезенцвей JI. Б. Дорожный асфальтобетон / JI. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, А. М. Богуславский. — М. : Транспорт, 1985. — 350 с.

19. Гезенцвей Л.Б. Пути улучшения структурно-механических свойств асфальтобетона. Автореферат докт. дисс. М., 1964.

20. Глинка H.JI. Общая химия./В. А. Рабинович. — Ленинградское отделение, 1982.-780с.

21. ГОСТ 9128-97 Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. М., 1998.

22. Гордеев С. О. Деформации и повреждения дорожных асфальтобетонных покрытий / С. О. Гордеев. —М., 1963. — 132 с.

23. Гоглидзе В.М. Разработка положений сдвигоустойчивых и износостойких полужестких и дорожных покрытий. Дис. д-р техн. наук/ МАДИ, М 1980.

24. Горелышев Н. В. Принципы структообразования асфальтобетона / Н. В. Горелышев // Тр. СоюздорНИИ. — М., 1979. — Вып. 7. — 117 с.

25. Горелышев Н. В. Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы /Н. В. Горелышев. — М. ; Можайск : Терра, 1995. — 176 с.

26. Горелышев Н.В. Без дефектов и ремонтов. Дороги России XXI века. № 3, 2002. с. 56 57.

27. Гохман Л. М. Битумно-полимерное вяжущее с применением дивинил-стирольных термоэластопластов / Л. М. Гохман // Тр. СоюздорНИИ. — М., 1971. —Вып. 50.

28. Гохман Л. М. Структура полимерно-битумных композиций на основе ДСТ в зависимости от типа дисперсных структур битумов / Л. М. Гохман // Тр. СоюздорНИИ. — М., 1975. — Вып. 80. — С.

29. Гохман Л. М. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства / Л. М. Гохман и др. : Информационный сборник. — М. : Информавтодор, 2002. — Вып. 4. — 112 с.

30. Грудников И. Б. Производство нефтяных битумов / И. Б. Грудников. — М. •.Химия, 1983. —192 с.

31. Гун Р. Б. Нефтяные битумы / Р. Б. Гун. — М. : Химия, 1973. — 286 с.

32. Гун Р. Б. Производство нефтяных битумов / Р. Б. Гун, И. Л. Гуревич. — М. : РосИНТИ, 1960. — 311 с.

33. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973.-270 с.

34. Догадкин Б. А. Химия эластомеров / Б. А. Догадкин. — М. : Химия, 1972. — 391 с.

35. Дорожный асфальтобетон / под ред. JI. Б. Гезенцвея. — М. : Транспорт, 1985. —350 с.

36. Золотарев В. А. Долговечность дорожных асфальтобетонов / В. А. Золотарев. — Харьков : Высш. шк., 1977. — 155 с.

37. Илиополов С. К. Органические вяжущие для дорожного строительства : учеб. пособие для вузов / С. К. Илиополов и др.. — М. : Изд-во Юг, 2003. —428 с.

38. Иванов Н. Н. К обоснованию показателей механических свойств асфальтобетонных смесей. / Н. Н. Иванов, М. Я. Телегин // Сб. Исследования органических вяжущих материалов и физико-механических свойств асфальтовых смесей. Дориздат. 1949, - с. 106-133.

39. Иванов Н. Н. Определение требуемой прочности асфальтобетона с учетом его пластичности и конкретных условий работы покрытий. / Н. Н. Иванов, А. В. Руденский // Труды СоюздорНИИ. 1967. - Вып. 11.-е. 41-49.

40. Иванов И. Н. Развитие требований к асфальтобетонным и другим • битумоминеральным покрытиям и их практическое значение. / И. И.

41. Иванов //Доклады и сообщения нанаучно-технических совещаниях по строительству дорог.: М. 1963. - с. 24-31.

42. Ильин С. В. Обеспечение сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий исходя из условий их эксплуатации. / Ильин С. В. // Дис. Кан. техн. наук.: МАДИ. М., 2004. - с. 186.

43. Калгин Ю. И. Экономическая целесообразность применения модифицированных . битумов при устройстве верхних слоев асфальтобетонных покрытий / Ю. И. Калгин // Дороги России 21 века. —2002. — № 3. — С. 69—71.

44. Калгин Ю. И. Как продлить дорожный век / Ю. И. Калгин, В. В. Чересельский // Автомобильные дороги // 2003. — № 1. — С. 86—87.

45. Калгин Ю. И. Технико-экономические аспекты повышения межремонтных сроков дорожных одежд / Ю. И. Калгин // Научный вестник ВГАСУ. Серия: дорожно-транспортное строительство. — Воронеж, 2003. — Вып. 1. — С. 47—51.

46. Калгин Ю. И. Дорожные битумоминеральные материалы на основе модифицированных битумов / Ю.И. Калгин. Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. Ун-та, 2006. - 272 с.

47. Калгин Ю. И. Улучшение свойств асфальтобетонных смесей добавками синтетических каучуков / Ю. И. Калгин, Н. И. Свиридова // Материалынауч.-практ. конф. «Дороги Башкирии — 2003». — Уфа : Изд-во ГУЛ ИНХП, 2003. — С. 54—58.

48. Кирпичников Г. А. Химия и технология синтетического каучука / Г. А. Кирпичников и др.. — JI. : Химия, 1970. — 528 с.

49. Кирюхин Г. Н. Повышение сдвигоустойчивости асфальтобетона с добавками полимеров / Г. Н. Кирюхин, В. М. Юмашев // Автомобильные дороги. — 1992. — № 7—8. — С. 18—22.

50. Ковалев Я.Н. Исследования температурного режима дорожных покрытий из песчаного асфальтобетона и уточнение требований к температурным свойствам применяемых битумов. Автореферат канд. дисс. Минск 1963.

51. Колбановская А. С. Структурообразование дорожных битумов / А. С. Колбановская, А. Р. Давыдова, О. Ю. Сабсай // Физико-химическая механика дисперсных структур. — М. : Наука, 1966. — С. 103—113.

52. Колбановская А. С. Дорожные битумы / А. С. Колбановская, В. В. Михайлов. —М. : Транспорт, 1973. — 246 с.

53. Колбановская А. С. Регулирование процессов структурообразования нефтяных битумов добавками дивинил-стирольного термоэластопласта / А. С. Колбановская, JI. М. Гохман, К. И. Давыдова // Коллоидный журн. — Т. 34, № 4. — 1972. — С. 6—17.

54. Королев И.В. Дорожный теплый асфальтобетон Киев: Вища школа, 1984г.- 198с.

55. Королев И. В. Модель старения битумной пленки на минеральных зернах в асфальтобетоне / И. В. Королев // Известия вузов. Строительство и архитектура. — 1981. — № 8. — С. 63—67.

56. Кретов В. А. Эффективный путь повышения срока службы дорожных одежд / В. А. Кретов, В. П. Лаврухин // Наука и техника в дорожной отрасли. — 1999. — № 3. — С. 16—19.

57. Кретов В. А. Проблемы повышения качества дорожных битумов: экономические и технические аспекты / В. А. Кретов, А. В. Руденский // Дороги России 21 века. — 2002. — № 3. — С. 62—65.

58. Ладыгин Б.И., Ким А.Х., Шумчик К.Ф. ДАН БССР, 1969, т XIII, №2.

59. Ладыгин Б. И. Прочность и долговечность асфальтобетона / Б. И. Ладыгин и др.. — Минск : Наука и техника. — 1972. — 285 с.

60. Ладыгин Б.И., Яцевич И.К. Принцип расчета предельной вязкости битума, минеральных бетонов по условиям сдвигоустойчивости дорожного покрытия. Доклад АН БССР. XI, №8, 1967, 56-716.

61. Лаврухин В. П. Усталостная долговечность асфальтобетонов на модифицированных битумах / В. П. Лаврухин, Ю. И. Калгин, В. Т. Ерофеев // Вестник Мордов. ун-та. — 2001. — № 3—4. — С. 128—135.

62. Лаврухин В. П. Свойства асфальтобетонов на модифицированных битумах / В. П. Лаврухин, Ю. И. Калгин // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2002. — № 1. — С. 14—18.

63. Леоненко В. В. Некоторые аспекты модификации битумов полимерными материалами / В. В. Леоненко, Г. А. Сафонов // Химия и технология топлив и масел. — 2001. — №5. — С. 43—45.

64. Методические рекомендации по оценке сдвигоустойчивости асфальтобетона. М.: Росавтодор, 2002. - 20с.

65. Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. М.: Транспорт, 1985.

66. Никольский Ю.Б., Гмыря Б.С. Новый эффективный способ оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона// Автомобильные дороги. 1992 №1112 020-21.

67. Обзорная информация о отечественных и зарубежных методах предотвращения колееобразования на асфальтобетонных покрытиях в условиях современных транспортных нагрузок. М.: Росавтодор, 2005. — 130с.

68. Першин М. Н. Сланцевые вяжущие в дорожном строительстве / М. Н. Першин и др.. — М. : Транспорт, 151с.

69. Печенный Б. Г. Битумы и битумные композиции / Б. Г. Печенный. — М. : Химия, 1990. —256 с.

70. Подольский Вл. П. Определение экономической эффективности дорожно-ремонтных работ / Вл. П. Подольский, Ю. И. Калгин // Вестник отделения строительных наук. — М., 2004. — С. 312—318.

71. Платонов А.П. Полимерные материалы в дорожном и аэродромном строительстве. -М.: Транспорт, 1994.- 157с.

72. Применение полимерно-битумных вяжущих на основе блоксополимеров типа СБС : сб. статей. — М. : Центр метрологии, испытаний и сертификации МАДИ(ТУ), 2001. — 108 с.

73. Рекомендации по выбору битумов для строительства дорожных одежд в различных климатических условиях. — М. : СоюздорНИИ, 1974. — 26 с.

74. Розенталь Д. А. Изменение свойств дорожных битумов при контактировании с минеральным наполнителем / Д. А. Розенталь, А. М. Сыроежко // Химия и технология топлив и масел. — 2000. — № 4. — С. 41—45.

75. Руденская И. М. Органические вяжущие для дорожного строительства / И. М. Руденская, А. В. Руденский. — М. : Транспорт, 1984. — 229 с.

76. Руденская И. М. Реологические свойства битумов / И. М. Руденская, А. В. Руденский. — М. : Высш. шк., 1967. — 118 с.

77. Руденский А. В. Анализ работы асфальтобетонных покрытий как конструкций с нестационарными характеристиками / А. В. Руденский // Тр. ГипродорНИИ. — 1979. — Вып. 27. — С. 66—78.

78. Руденский А.В. Исследование влияния пластичности на нормативные и прочностные характеристики асфальтобетона, дисс. к.т.наук- М.,1965, 168с.

79. Руденский А. В. Опыт строительства дорожных асфальтобетонных покрытий в разных климатических условиях / А. В. Руденский. — М. : Транспорт, 1983. — 64 с.

80. Руденский А. В. Повышение эффективности и качества строительства дорожных асфальтобетонных покрытий / А. В. Руденский. — М. : Транспорт, 1982. — 61 с.

81. Руденский А. В. Закономерности усталостного разрушения дорожных одежд / А. В. Руденский, Б. С. Радовский, С. В. Коновалов // Тр. ГипродорНИИ. — 1975. — Вып. 10. — С. 3—8.

82. Руденский А. В. Реологические свойства битумоминеральных материалов / А. В. Руденский, И. М. Руденская // М.: Высш. шк., 1971. — 131 с.

83. Руденский А. В. Дорожные асфальтобетонные покрытия / А. В. Руденский. —М.: Транспорт, 1992. — 255 с.

84. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение : учеб. пособие для строительных вузов. — М. : Высш. шк., 2003. — 701 с.

85. Салль А.О. Труды СоюздорНИИ Вып, 34 М., 1969 с 34-38.

86. Соломатов В.И. Развитие полиструктурной теории композиционных строительных материалов// Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1985. №8. -с.58-64.

87. Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Химмлер К.Г. Полимерные композитные материалы в строительстве.- М.: Стройиздат, 1988 -308с.

88. Томпсон Д. К. Каучуковые модификаторы / Битумные материалы: Асфальты, смолы, пеки / под ред. А. Дж. Хойберга. — М. : Химия, 1974. — С. 216—241.

89. ТУ 2294-001-41201704—97. Растворы каучуков в сланцевом масле для дорожного строительства. — Воронеж, 1997. — 11 с.

90. ТУ 5718-004-03443057—98. Битумно-каучуковые вяжущие для дорожного строительства. —Воронеж, 1998. — 10 с.

91. Шумчик В.К. Исследования сдвигоустойчивости асфальтобетонных композитов для дорожных покрытий. Автореферат канд. дисс. Минск 1997, 19с.

92. Эфа А. К. О причинах структурного старения битума / А. К. Эфа и др. // Химия и технология топлив и масел. — 2002. — № 2. — С. 38—43.

93. Mechanical properties of an inorganic oil absorbent hardener for asphalt pavement of heavy traffic roads. / Ando Yutaka, Yamada Masaru // Mem. Fac. Eng. / Osaka City Univ. 1996. - 37. - C. 69 - 78.

94. Modifizierte Walzasphalte im Spurbildungstestvergleich. / Radenberg M. // Asphalt (BRD). 1997. - 31, №4. - C. 20 - 24.

95. Modifizierte Walzasphalte im Spurbildungstestvergleich. / Radenberg M. // Asphalt (BRD). 1997. - 31, №4. - C. 20 - 24.

96. Widerstand von Asphalt fahrbahnbefestigungeh gegen Spurrinnenbildung. Bemessungtechnische Grundladen. Teli 1 / Gratz B. // Bitumen. 1998. - 60, № 4.-C. 136-141.