автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структура и свойства асфальтобетона на модифицированных твердыми полимерами минеральных материалах

. ....../

/

Московский государственный автомобильно-дорожный институт

(технический университет)

На правах рукописи

КУРДЕНКОВА Ирина Борисовна

Структура и свойства асфальтобетона на модифицированных твердыми полимерами минеральных материалах

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы

и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук,

профессор |И.В.Королев

Москва

1999г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР................................................................10

1.1. Некоторые вопросы работы асфальтобетона в дорожном

покрытии в различные критические периоды..........................................10

1.2. Современные представления о структуре асфальтобетона.......................13

1.3. Сырьевая база производства минерального порошка................................15

1.4. Улучшение свойств асфальтобетона введением

полимерных добавок..................................................................................18

1.5. Применение вторичных полимеров как модификаторов минерального порошка в асфальтобетоне.................................................23

1.6. Постановка задачи.......................................................................................27

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

МЕХАНОХИМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.....................................................29

2.1. Анализ процесса измельчения минеральных материалов.........................29

2.2. Физико-химические процессы, происходящие

при диспергировании твердых тел............................................................33

2.3. Особенности диспергирования полимерных материалов.........................36

2.4. Механохимическое модифицирование минеральных .

материалов..................................................................................................37

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................43

3.1. Методология исследований механохимического модифицирования минерального порошка

твердофазными полимерами......................................................................43

3.2. Методы исследований при оценке степени модифицированности................................................................................. 47

3.3. Методы исследований факторов структурообразования..........................50

3.4. Материалы, использованные в экспериментальных

исследованиях.............................................................................................52

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДИСПЕРГИРОВАНИИ МИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА И ТВЕРДОФАЗНОГО ПОЛИМЕРА..........................................................................................58

4.1. Особенности диспергирования материалов различной

, химической природы..................................................................................58

4.2. Механизм и топография прививочной полимеризации

минеральной поверхности..........................................................................65

4.3. Зависимость механохимического модифицирования

от количества и вида полимерного модификатора...................................67

4.4. Выводы.........................................................................................................74

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ

МОДИФИЦИРОВ АННОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО

ПОРОШКА НА СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА.........................76

5.1. Реологические свойства битумоминеральных материалов

на основе модифицированных минеральных порошков..........................76

5.2. Влияние модифицированного минерального порошка,

на адгезионные свойства асфальтовяжущего...........................................88

5.3. Влияние вида и количества полимерного модификатора

на физико-механические свойства асфальтобетона.................................93

5.4. Влияние механохимического модифицирования минерального порошка на усталостные свойства

асфальтобетона.........................................................................................101

5.5. Выводы по главе 5.....................................................................................110

ГЛАВА 6. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ РАБОТЫ ПО

ПРОИЗВОДСТВУ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА МИНЕРАЛЬНОМ ПОРОШКЕ, МОДИФИЦИРОВАННОМ

6.1. Опытно-производственные исследования по оценке качества

асфальтобетонного покрытия..............................................................112

6.2. Технико-экономичёское обоснование способа

механохимического модифицирования минерального

порошка твердофазными полимерами.................................................115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................................................................120

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества дорожно-строительных материалов, и, прежде всего асфальтобетона, является непременным условием повышения эффективности дорожного строительства. Создание современной сети автомобильных дорог требует совершенствования отрасли производства дорожно-строительных материалов. Для строительства одного километра дорожного асфальтобетонного покрытия необходимо около 2200 м щебня, 1500 м песка, 100 т минерального порошка, 90 т нефтяного битума. Всего для ремонта и строительства дорожных покрытий в стране выпускается в год около 100 млн. т асфальтобетонных смесей.

Значительные темпы роста дорожного строительства могут быть обеспечены за счет широкого применения в технологии производства дорожно-строительных материалов местных материалов, вторичного сырья, техногенных продуктов и отходов промышленного производства.

Наряду с традиционно применяемыми местными материалами и отходами, такими как различные виды шлаков, зол и др., есть ряд материалов, как правило, кремнеземсодержащих, использование которых не столь распространено. К числу таких материалов относятся мелкие кварцевые пески, отработанные формовочные смеси, отходы дробления гранитных горных пород, отсевы переработки песчано-гравийных смесей и др.

Такого рода материалы не отвечают требованиям действующих стандартов на традиционно применяемые материалы и в естественном виде представляют собой некондиционное сырье.

Перспектива использования таких материалов в технологии асфальтобетона открывается при условии их модифицирования в целях улучшения взаимодействия с битумом.

И.А.Рыбьев указывает на перспективность использования местных материалов при производстве дорожного асфальтобетона, ставя непременное условие проведения специальных мероприятий по активированию таких материалов

или битума [66]. Л.Б.Гезенцвей показал эффективность применения в этих целях физико-химической активации минеральных материалов, используемых в дорожном асфальтобетоне [16].

Очевидно, влияние модифицирования составляющих асфальтобетонной смеси на интенсификацию физико-химических факторов структурообразования асфальтобетона, что свидетельствует о необходимости более пристального изучения физико-химических процессов структурообразования асфальтобетона с точки зрения особенностей, связанных с использованием местных материалов и техногенных продуктов.

Фундаментальные исследования, проведенные академиком П.А.Ребиндером, послужили основой современных представлений о структуро-образовании асфальтобетона. Развитие представлений о структурообразовании асфальтобетона связано с работами П.В.Сахарова, И.А.Рыбьева. Значительным этапом исследований в этой области явились работы Л.Б.Гезенцвея в направлении использования активированных минеральных порошков для совершенствования структурообразования асфальтобетона. Решению проблемы улучшения свойств кремнеземсодержащего минерального сырья и вторичных ресурсов путем использования активационно-технологической механики дорожного асфальтобетона посвящены исследования Я.Н.Ковалева [41].

Развитие исследований в области механохимического синтеза материалов позволило подключить к технологии модифицирования минеральных материалов большую группу исключительно трудно утилизуемых техногенных продуктов и отходов, а именно твердофазных дисперсных полимеров. Использование этих материалов в качестве модификаторов минеральных составляющих асфальтобетона, помимо повышения технико-экономической эффективности технологии асфальтобетона, выражающейся в повышении долговечности асфальтобетона и экономии битума, имеет важное экологическое значение вследствие острой экологической обстановки, связанной с наличием большого количества, захоронений твердофазных полимерных отходов во многих регионах России.

Теория адсорбционного модифицирования минеральных наполнителей, разработанная С.Н.Толстой [77], послужила обоснованием для разработки новых способов совершенствования структурообразования асфальтобетона за счет модифицирования минерального порошка.

Исследования, проведенные Э.Хинтом [80], а также практические результаты, полученные под его руководством, и высокоэффективное оборудование, разработанное в СКБ "Дезинтегратор", открыли перспективу практического осуществления модифицирования минерального порошка для асфальтобетона.

Цель работы - создание научно обоснованного способа улучшения физико-механических свойств и долговечности дорожного асфальтобетона путем меха-нохимического модифицирования минерального порошка твердофазными полимерами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследованы особенности механохимического модифицирования минеральных материалов различного генезиса;

- установлены закономерности влияния вида и количества полимерного модификатора на механохимическое модифицирование минерального порошка;

- показано, что присутствие добавки твердофазного полимерного модификатора в измельчаемой системе приводит к значительной интенсификации процесса диспергирования минеральных материалов различного генезиса;

- исследовано влияние модифицированного минерального порошка на структурообразование и свойства асфальтовяжущего;

- установлено влияние модифицированного минерального порошка на повышение качества и долговечности асфальтобетона.

На защиту выносятся:

- физико-химические аспекты механохимического модифицирования минерального порошка в асфальтобетоне;

- закономерности влияния природы полимерного модификатора и его количества на механохимическое модифицирование минерального порошка;

- данные по интенсифицированию помола минеральных материалов в присутствии полимерного модификатора;

- закономерности влияния модифицированного минерального порошка на структурообразование асфальтовяжущего;

- результаты исследования влияния минерального порошка, модифицированного твердофазным полимером, на физико-механические свойства и долговечность асфальтобетона.

Практическая значимость работы определяется обоснованием использования механохимического модифицирования с целью расширения сырьевой базы производства минерального порошка, экономии битума, повышения качества и долговечности асфальтобетона.

Реализация работы осуществлена на предприятиях Мосавтодора. Построены опытные участки асфальтобетонного покрытия Орехово-Зуевским ДРСУ в 1985 г., Ногинским ДРСУ в 1990 г.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научно-исследовательских конференциях МАДИ в 1980-89 годах. Всесоюзной конференции "Управление структурообразованием, структурой и свойствами дорожных бетонов" (Харьков, 1983 г.). Всесоюзной конференции "Пути совершенствования технологических процессов при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог" (Владимир, 1987 г.), Всесоюзной конференции "Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог" (Владимир, 1991 г.), Республиканской конференции "Повышение эффективности проектирования и строительства дорог в горных районах и в условиях жаркого и сухого климата" (Душанбе, 1969 г.), Республиканской конференции "Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов" (Алма-Ата, 1990 г.), региональных научно-технических конференциях (Суздаль, 1989 г., Владимир, 1987 г.), Всесоюзной конференции по коллоидной химии природных дисперсных систем (АН УССР, Канев, 1987 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и получено 1 авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 26 рисунков. Список литературы включает 103 наименования, в том числе 16 зарубежных литературных источников.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Некоторые вопросы работы асфальтобетона в дорожном покрытии

в различные критические периоды

Многолетний опыт строительства и эксплуатации асфальтобетонных дорожных покрытий на территории бывшего СССР и за рубежом позволил выявить основные факторы и степень их влияния на прочностные свойства и долговечность этих конструкций в экстремальных условиях.

В трудах отечественных ученых А.М.Богуславского, М.И.Волкова, Л.Б.Гезенцвея, И.В.Горелышева, Н.Н.Иванова,' А.А.Калерта, И.В.Королева, В.Н.Кононова, А.И.Лысихиной, В.В.Михайлова, И.А.Рыбьева, А.В.Сахарова, Г.К.Сюньи и других были сформулированы научные принципы строительства асфальтобетонных покрытий и разработаны основные требования к качеству асфальтобетона и его составляющих.

Из всех конструктивных элементов автомобильной дороги асфальтобетонное покрытие работает в наиболее сложных условиях. С одной стороны, это влияние статических воздействий и динамических транспортных нагрузок и, связанные с ними сдвигающие, растягивающие и изгибающие усилия, приводящие к возникновению в покрытии напряжении. Выдерживать такие напряжения может материал, обладающий достаточным запасом прочности. Увеличивающаяся с каждым годом интенсивность движения, рост скоростей ставят актуальную задачу создания долговечного асфальтобетонного покрытия, устойчивого к действию переменных по величине, скорости и повторяемости приложения, нагрузок от движущихся автомобилей в любые критические периоды.

С другой стороны, важным фактором, воздействующим на покрытие, являются климатические условия. Под влиянием кислорода воздуха, солнечной радиации, перепадов температур (суточных и годовых), атмосферных осадков в асфальтобетоне могут происходить необратимые физико-химические процессы,

приводящие к старению, в результате чего снижается его деформативная способность, коррозионная устойчивость.

При воздействии колебаний низких температур возможен хрупкий разрыв материала, приводящий к трещинообразованию. Способность материала противостоять таким воздействиям определяется структурой, обеспечивающей водостойкость асфальтобетона. Длительное воздействие влаги на асфальтобетон приводит к снижению его прочности в связи с "набуханием".

Сочетание неблагоприятных климатических факторов может привести к разуплотнению асфальтобетона вследствие циклического воздействия знакопеременных напряжений.

В реальных условиях работы покрытия, как правило, наблюдается одновременное воздействие больших нагрузок и экстремальных климатических условий. При этом в покрытии развиваются пластические деформации и, в случае недостаточной устойчивости его к деформациям, может происходить разрушение.

Движущийся транспорт оказывает на асфальтобетонное покрытие вертикальное давление (в зависимости от вида автомобилей 0,6-0,8 МПа); динамическое воздействие (удельное давление возрастает до 20-90 %) [28], а также касательное воздействие силы, главным образом при торможении. При этом интенсивность таких воздействий с каждым годом все возрастает в связи с увеличением скоростей движения, совершенствованием тормозных устройств автомобилей и т.д.

Под действием многократных нагрузок от движущихся автомобилей в асфальтобетоне накапливается суммарная остаточная деформация, в количественном отношении равная деформации, развивающейся под действием длительной нагрузки с временем действия, равным суммарному времени всех импульсных воздействий. При этом скорость накопления деформации асфальтобетона, при циклических воздействиях равномерно возрастает до определенного (критического) числа приложений нагрузки, после которого наблюдается

резкий скачок скорости накопления, связанный с разрушением структуры асфальтобетона, резко проявляющимся после критического числа приложения нагрузки. Деформационное поведение асфальтобетона в интервале температур, при которых работает дорожное покрытие в реальных условиях определяет его долговечность.

Отличительной особенностью асфальтобетона является его способность к релаксации напряжений - процесса последействия, выражающегося в падении напряжений в результате перехода упругой деформации в пластическую. При этом проявление асфальтобетоном упругих или вязких свойств определяется соотношением между временем действия нагрузки и временем релаксации напряжений. При одинаковом времени действия нагрузки асфальтобетон проявляет себя как упругое или вязкое тело в зависимости от температуры.

Зимой асфальтобетон