автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структура и свойства композиционных материалов на основе органоминерального вяжущего для дорожного строительства



у

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Самохвалов Алексей Борисович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.05. - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Силкин В.В.

Научный консультант кандидат технических наук, профессор Феднер Л.А.

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Принятые условные обозначения...................................................................................4

Введение.......................................................................................................................5

Глава 1. Состояние вопроса. Задачи исследования

1.1. Композиционные дорожные материалы на органоминеральном

вяжущем.........................................................................................................................7

1.2. Влияние свойств органического и минерального компонентов комплексного вяжущего на процессы структурообразования дорожных композиционных материалов.............................................................................................................................21

1.3. Цель и задачи исследования.................................................................................27

Глава 2. Характеристика материалов и методики проведения исследований

2.1. Материалы, используемые в работе.....................................................................29

2.2. Методики исследования органоминерального вяжущего....................................34

2.3. Методики исследования композиционного материала..... ................................38

Выводы по главе..............................................................................;............................40

Глава 3. Теоретические основы регулирования свойств дорожных композиционных материалов на органоминеральном вяжущем

3.1. Механохимическая модификация цементов.........................................................41

3.2. Формирование начальной структуры композиционного материала на органоминеральном вяжущем в процессе технологической обработки....................................48

3.3. Особенности структурообразования композиционных материалов на органоминеральном вяжущем, содержащим рядовые и модифицированные компоненты....................................................................................................................................55

3.4. Выводы по главе.....................................................................................................63

Глава 4. Строительно-технические свойства органоминерального вяжущего и композиционного материала на его основе

4.1. Структура и свойства органоминерального вяжущего.........................................65

4.2. Кинетика формирования композиционного материала на основе органоминерального вяжущего.......................................................................................................88

4.3. Физико-механические свойства композиционного материала на основе органоминерального вяжущего ..............................................................................................94

4.4. Стойкость композиционного материала на основе органоминерального вяжущего к воздействию внешней среды..........................................................................109

Выводы по главе..........................................................................................................126

Глава 5. Проектирование состава композиционного материала на основе органоми-нерального вяжущего

5.1. Принципы проектирования оптимального состава композиционного материала на органоминеральном вяжущем................................................................................129

5.2. Влияние процессов струюурообразования органоминерального вяжущего при оптимизации состава композиционного материала на его основе..........................130

5.3. Определение оптимального содержания воды....................................................134

5.4. Методика проектирования и оптимизации состава композиционного материала..................................................................................................................................137

5.5. Практическая реализация работы.......................................................................149

Выводы по главе..........................................................................................................150

Общие выводы............................................................................................................151

Литература...................................................................................................................153

Приложение. Акты проведения опытно-производственных работ...........................161

Принятые условные обозначения

1. КМ - композиционный материал

2. ОВ - органическое вяжущее

3. Ц - цемент

4. Ц(М) - модифицированный цемент

5. МП - минеральный порошок

6. ОМВ - органоминеральное вяжущее

7. ОМВ(М) - модифицированное органоминеральное вяжущее

8. КМ-ОМВ - композиционный материал на основе органоминерального вяжущего

9. КМ-ОМВ(М) - композиционный материал на основе модифицированного органоминерального вяжущего

10. ПАВ - поверхностно-активное вещество

11. СП - суперпластификатор

12.МХМ - механохимическая модификация

13. ЦНВ - цемент низкой водопотребности

14. СТС - строительно-технические свойства

Введение

Вопрос улучшения технологических и строительно-технических свойств материалов, применяемых для устройства оснований, покрытий и ремонта автомобильных дорог, является актуальным в условиях растущей интенсивности и грузонапряжённости движения.

В настоящее время хорошо себя зарекомендовали и имеют перспективу расширения применения композиционные материалы на органоминеральном вяжущем.

Органоминеральное вяжущее получают, как правило, при совместном использовании битума или битумной эмульсии и цемента.

В ряде работ рассматриваются аспекты структур и свойств различных типов подобных материалов.

Большинство исследователей отмечают, что эти материалы имеют коагу-ляционную структуру, дополненную кристаллизационными связями.

Однако авторы исследований не рассматривали композиционный материал как систему, свойства которой обусловлены конкретными свойствами входящих в неё компонентов.

До сих пор не предпринималось попыток последовательного изучения влияния свойств цемента на свойства композиционного материала на органоминеральном вяжущем, а тем более регулирования свойств конечного продукта (композиционного материала) путём коррекции параметров цемента.

В то же время, достижения ряда фундаментальных и прикладных дисциплин, в первую очередь физико-химической механики, сделали возможным получение минеральных вяжущих с заранее заданными свойствами, требуемыми в зависимости от условий их применения.

Одним из таких путей управления строительно-техническими свойствами цемента является метод его механохимической модификации.

Предварительную механохимическую модификацию цемента можно рассматривать как способ модификации органоминерального вяжущего, осуществляемую путём воздействия на его минеральный компонент.

В основу настоящей работы, таким образом, положена гипотеза о возможности регулирования свойств органоминерального вяжущего и получаемого на нём композиционного материала с помощью предварительной механохимической модификации цемента.

Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании направленного структурообразования композиционного материала на основе органоминерального вяжущего.

Достижение поставленной цели сопряжено с разработкой ряда новых научных вопросов, а именно:

- оценкой влияния предварительной механохимической модификации на свойства органоминерального вяжущего и композиционного материала на его основе;

- изучением особенностей формирования структур и строительно-технических свойств материалов на органоминеральном вяжущем, содержащим модифицированный цемент;

- сопоставлением свойств материалов на основе органоминерального вяжущего при использовании модифицированного и рядового портландцемента.

Глава 1. Состояние вопроса. Задачи исследования.

1.1. Композиционные дорожные материалы на органоминеральном вяжущем

Целесообразность применения композиционных материалов на комплексном органоминеральном вяжущем в дорожном и иных видах строительства теоретически и экспериментально обоснована в работах Ю.М. Баженова, В. Г. Батракова, В.М.Безрука, А.М.Богуславского, В.А.Веренько, Л.Б.Гезенцвея, В.М.Гоглидзе, Н.В. Горелышева, Н.А.Горнаева, Э.А.Казарновской, В.М. Карамыше-вой, А.В.Потапова, И.А.Рыбьева, В.И.Соломатова, Н.Б. Урьева, A.A.Фридман, Ю.С. Черкинского, Daund О., Hamdani S. и др.

Достоинства органоминерального вяжущего обусловлены, как отмечает большинство исследователей, возможностью сочетания и синергизма положительных свойств, присущих каждому вяжущему в отдельности и взаимной компенсации их недостатков.

Можно выделить следующие основные области применения органоминерального вяжущего в дорожном строительстве:

1) Укрепление грунтов и повышение физико-механических свойств минеральных смесей;

2) Получение гидроизоляционных мастик и гидроизоляционных асфальтобетонов;

3) Модификация асфальтобетонов и других битумоминеральных материалов, работающих в покрытиях, подверженных внешним механическим нагрузкам;

4) Модификация цементобетонов и растворов.

Высокая эффективность совместного действия добавок определённого количества битума и цемента достигается при комплексном укреплении грунтов всех типов [4, 38, 39, 66, 81, 89, 90, 100,101].

Исследования В.М. Безрука, Л.И.Ястребовой, И.А.Плотниковой, А.А.Фридман и др. показывают, что грунты, укреплённые цементом и битумным вяжущим (эмульсией или жидким битумом^обладают рядом более высоких физико-механических и эксплуатационных характеристик, чем цементогрунт и грунты, укреплённые только органическим вяжущим. В частности, отмечается значительное увеличение предельных относительных удлинений, благоприятные изменения капиллярно-поровой структуры, высокая трещиностойкость [65, 93, 100, 107].

Для повышения деформативности цементогрунтов при сохранении характерной для них высокой несущей способности А.С.Сахновским предложен двухстадийный способ укрепления грунта цементом и битумной эмульсией [77, 78]. На первом этапе грунт по обычной технологии обрабатывается цементом. Через двое суток набравший определённую прочность грунт подвергается дроблению на цементогрунтовые агрегаты, которые затем перемешиваются с битумной эмульсией и полученная таким образом органоминеральная смесь уплотняется. Такой материал обладает в 2-10 раз большим относительным удлинением, чем цемен-тогрунт и в то же время характеризуется повышенной сдвигоустойчивостью, обусловленной наличием в его структуре жёстких цементогрунтовых агрегатов различной крупности. Рекомендуемый расход вяжущих для укрепления песков по предлагаемой технологии составляет: цемента 8-12%, эмульгированного битума -7%.

Положительные результаты получены при использовании комплексного вяжущего для укрепления слабых известняков [38, 39].

В процессе формирования структуры грунта, укреплённого битумной эмульсией и цементом, происходит поглощение и химическое связывание воды цементом с одновременным появлением гидрата оксида кальция в растворе, за счёт чего ускоряется распад битумной эмульсии и восстановление вяжущих свойств эмульгированного битума. Таким образом , в материале одновременно формируются смешанные типы структурных связей (по П.А.Ребиндеру) - коагуля-ционные термотиксотропные, создаваемые битумом и обусловливающие вязкопла-стичные свойства укреплённого грунта, и необратимые конденсационно-кристаллизационные связи, образованные затвердевшими продуктами гидролиза и гидратации цемента.Исследователи, занимавшиеся изучением физико-химических основ формирования структуры грунтов и других полидисперсных минеральных смесей, укреплённых комплексным вяжущим, сходятся во мнении, что решающее влияние на процессы структурообразования подобных материалов оказывает взаимодействие минерального и органического вяжущих, интенсивность которого определяется как свойствами самих веществ, так и характером поверхности и свойствами грунта или другого укрепляемого материала.

Комплексное органоминеральное вяжущее, применяемое при укреплении грунтов, как и других минеральных смесей, представляет собой трёхкомпо-нентную систему, состоящую из битума, цемента и воды, которая также непосред-

ственно участвует в процессах структурообразования. Известно, что взаимодействие цемента с водой протекает более активно, чем адсорбция её грунтом, поскольку оно обусловлено действием сил главных валентностей, во много раз превышающих силы молекулярного взаимодействия, вызывающие адсорбцию воды на поверхности грунта. При взаимодействии цемента с битумной эмульсией возможна также адсорбция наиболее дисперсных частиц эмульгированного битума, причём её интенсивность повышается с увеличением дисперсности и дозировки цемента [89].

Адсорбционная активность минерального материала по отношению к битуму определяется числом «активных» точек на его поверхности, имеющей микро-и макромозаичное строение из фиксированно расположенных атомов или групп атомов [102]. Введение поверхностно-активных добавок, к которым относятся известь и цемент, увеличивает число активных по отношению к битуму центров. При использовании комплексного вяжущего, состоящего из битумной эмульсии и цемента, необходимость в поверхностной активации отпадает. Активирующее действие цемента объясняется, главным образом, образованием сразу же после его выпуска свободной извести (вследствие взаимодействия с атмосферной влагой), а также значительного количества гидрата оксида кальция, выделяющегося в процессе гидролиза и гидратации основного минерала цемента - трёхкальцие-вого силиката.

Эмульгатор, входящий в состав битумной эмульсии, с одной стороны, замедляет процессы гидролиза и гидратации цемента, и в то же время оказывает на смесь пластифицирующее действие, способствуя равномерному распределению воды и пептизации минеральных зёрен, вследствие чего формируется более плотная и мелкокристаллическая структура цементного камня [ 87, 93 ]. При этом следует учитывать, что часть поверхности минерального материала в битумоце-ментогрунте покрывается плёнками эмульгированного битума и, вследствие проявления эффекта эпитаксии, уменьшается выделение на ней, как на подложке, гид ратных новообразований [89].

Исследования грунтов, укреплённых битумной эмульсией и цементом, выполненные А.А.Фридман, показывают, что на поверхности грунтовых частиц формируется оптимальный слой, состоящий из чередующихся участков с плёнками эмульгированного битума и выделившимися продуктами гидратации цемента. За счёт этого изменяются условия взаимодействия частиц грунта с водой, что

является одной из предпосылок снижения величины водопоглощения. С другой стороны, свойства получаемого материала зависят от вяжущего, преобладающего в межзерновом пространстве. В свою очередь, степень заполнения межзернового пространства тем или иным вяжущим зависит от их количественного соотношения и последовательности подачи в смесь. Грунты, укреплённые двумя вяжущими, обладают положительными свойствами как битумогрунтов, так и цементогрунтов с явным проявлением синергетического эффекта.. На наш взгляд, высказанные автором [89] соображения в полной мере могут быть отнесены и к связыванию оптимальных смесей, составленных из каменных материалов.

Количество воды, химически связанной цементом, в грунтах, укреплённых комплексным вяжущем, больше, чем в цементогрунтах, что вызвано, как указывает А.А.Фридман, повышением степени использования вяжущих свойств свободного от битума цемента, распределённого, благодаря большей плотности, в более тонких, чем в цементогрунте, прослойках. Прочность грунтов, укреплённых двумя вяжущими, до и после экстрагирования битума превышает прочность грунтов, укреплённых одним цементом.

Подтверждается возможность химического взаимодействия продуктов гидролиза и гидратации цемента с активными компонентами битума и эмульгатором [89]. Методами микроскопического анализа установлено, что зона контакта битумной плёнки с продуктами гидратации цемента отличается от плёнки эмульгированного битума своей структурой. Пограничный слой представлен светлыми нитевидными образованиями , пронизывающими битумную плёнку на глубину от 2 до 7 мкм. Образование пограничного слоя является причиной упрочнённой связи эмульгированного битума с поверхностью грунтовых частиц, а также с продуктами твердения цемента [89].

Наличие в межзерновом пространстве разветвлённого, мелкокристаллического каркаса из продуктов гидратации цемента, разделённых битумными плёнками, предопределяет повышенные деформативные свойства системы; кроме того, с течением времени возможно некоторое увеличение относительных удлинений (на 10-12%) [89]. Сдвигоустойчивость материала в этом случае определяется, в первую очередь, величиной структурного сцепления, зависящего от свойств вяжущего [89, 90]. Однако следует отметить, что авторы, по нашему мнению, не учитывают возможных различий в свойствах применяемых цементов,

хотя они оказывают существенное влияние �