close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

924.Ковалев, Николай Сергеевич.Конструктивные слои дорожных одежд из шлаковых материалов, обработанных органическими вяжущими монография Н. С. Ковалев . , 2014 . 286 с. ил., табл . Библиогр. с. 276 - 284 . ISBN 978-5-7267-0687-0

код для вставкиСкачать
КОВАЛЕВ Н.С.
КОНСТРУКТИВНЫЕ СЛОИ ДОРОЖНЫХ
ОДЕЖД ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ОБРАБОТАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИМИ
ВЯЖУЩИМИ
МОНОГРАФИЯ
Воронеж
2014
Печатается по решению научно-технического совета Воронежского
государственного агроуниверситета
УДК 625.066/.068
ББК 39.311
К 56
Р е ц е н з е н т ы:
Зав. кафедрой строительства и эксплуатации автомобильных дорог
Воронежского архитектурно-строительного университета, советник РААСН, доктор технических наук, профессор
Вл.П. Подольский
Профессор кафедры промышленного транспорта строительства и
геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии кандидат технических наук, профессор
В.Н. Макеев
К 56 Ковалев Н.С. Конструктивные слои дорожных одежд из шлаковых материалов, обработанных органическими вяжущими: монография. – Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГАУ, 2014. – 286 с.
Монография посвящена проблемам использования местных строительных материалов, вопросам повышения долговечности конструктивных слоев дорожных одежд автомобильных дорог с использованием
шлаковых материалов, каменноугольных дегтей пониженной вязкости.
Рассмотрены свойства асфальтобетонных и дегтебетонных смесей,
используемых для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог; изучены процессы химического взаимодействия шлаковых материалов с битумами и дегтями, приведены результаты исследований по комплексному влиянию атмосферно-климатических факторов на асфальто- и
дегтебетон с применением метода математического планирования экстремальных экспериментов.
Издание предназначено для углубленного изучения дисциплин «Инженерное оборудование территории» и «Материаловедение», а также для
научных работников, инженеров, занятых в сфере строительства и проектирования автомобильных дорог, и может быть использовано студентами
землеустроительных и дорожно-строительных специальностей при курсовом и дипломном проектировании.
Ил. 73. Табл. 100. Библиограф.: 118 назв.
ISBN 978-5-7267-0687-0
Ó Ковалев Н.С., 2014
Ó Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», 2014
2
ВВЕДЕНИЕ
В процессе строительства, реконструкции и ремонта автодорог используются большие объемы кондиционного природного минерального сырья в виде песка, щебня, гравия, минерального
порошка, запасы которых истощаются со временем. Основные затраты (около 60-70%) при строительстве автомобильных дорог
приходятся на сооружение дорожной одежды и в первую очередь
на два конструктивных слоя: покрытие и основание.
Актуальной является проблема использования в дорожном
строительстве местных материалов и отходов промышленности.
Снизить стоимости строительства автомобильных дорог можно
путем замены дорогостоящих привозных местными материалами. Однако вместе с этим необходимо иметь в виду, чтобы покрытия и основания автомобильных дорог обладали достаточной долговечностью (надежностью). Только в таком аспекте
применение местных материалов и отходов промышленности
даст высокий экономический эффект, особенно в период интенсивного строительства автомобильных дорог.
На территории Липецкой области отсутствуют месторождения прочных каменных материалов, и дорожные организации
используют в основном привозные дорожно-строительные материалы. В то же время имеются огромные запасы малопрочных
известняков, отходов камнедробления. Наряду с этим на территории области находится Новолипецкий металлургический комбинат, вырабатывающий в качестве побочных продуктов ежегодно миллионы тонн отвальных и гранулированных шлаков,
шлакопемзовых и шлаковых песков, конверторных шлаков, ваграночных гранулированных шлаков, а также каменноугольных
дегтей пониженной вязкости марки Д-3.
Вовлечение этих материалов в технологический процесс
дорожного строительства позволит сократить площади, занимаемые полигонами и свалками, на которых они хранятся и оказывают негативное воздействие на окружающую среду, расширить ресурсную базу отрасли, повысить качество оснований и
покрытий автомобильных дорог и существенно снизить их
стоимость. В настоящее время для устройства оснований и по-
3
крытий автомобильных дорог используются в основном отвальные доменные шлаки.
Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом,
показывают, что гранулированные доменные шлаки и другие
виды шлаковых материалов могут успешно использоваться в
различных конструктивных слоях дорожных одежд.
Покрытия и основания, устраиваемые с применением гранулированных шлаков, шлакопемзовых и шлаковых песков,
имеют достаточно высокую прочность, морозо- и водоустойчивость. Как правило, прочность конструктивных слоев, построенных с добавками шлаковых материалов, возрастает во времени.
Заменяя, частично или полностью, прочные каменные материалы шлаковыми при устройстве покрытий и оснований автомобильных дорог, можно добиться значительного снижения
стоимости дорожной одежды, не снижая ее качества.
В данной работе исследуются вопросы применения гранулированного доменного шлака, шлакопемзового и шлакового песков, конверторного шлака Новолипецкого металлургического
комбината в смеси с другими минеральными материалами (щебень, песок, гранитные высевки и др.) в асфальтобетонных смесях, а также дегтеминеральных смесей на основе шлаковых материалов для устройства конструктивных слоев дорожных одежд.
Исследования процессов структурообразования в лабораторных и производственных условиях проводили как стандартными методами, так и методами инфракрасной спектроскопии,
ядерного магнитного резонанса, растровой сканирующей электронной микроскопии, ртутной порометрии, дилатометрии и др.
Для оценки достоверности результатов исследований применили методы математической статистики. При количественном
описании исследуемых процессов изменения структурномеханических свойств асфальтобетона использовали методы
математического планирования экстремальных экспериментов.
Для приближения характера испытаний асфальтобетона к
условиям реальной эксплуатации в покрытиях автомобильных
дорог разработан метод комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетон с основами
моделирования.
4
ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ШЛАКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ И КАМЕННОУГОЛЬНОГО ДЕГТЯ
НОВОЛИПЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО
КОМБИНАТА В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В настоящей работе исследуется возможность устройства
конструктивных слоев дорожной одежды из следующих материалов:
горячих асфальтобетонных смесей, минеральная часть которых полностью заменяется гранулированным доменным шлаком, шлакопемзовым и шлаковыми песками, ваграночным гранулированным шлаком, конверторными шлаками Новолипецкого металлургического комбината;
горячих асфальтобетонных смесей, минеральная часть которых частично заменяется гранулированным доменным шлаком НЛМК;
горячих асфальтобетонных смесей с использованием в качестве минерального порошка тонкомолотых шлаковых материалов;
холодных асфальтобетонных смесей на основе шлакового
песка;
дегтеминеральных смесей на основе литого шлакового щебня
и шлакового песка.
1.1. Теоретические предпосылки применения
шлаковых материалов и каменноугольного дегтя
Новолипецкого металлургического комбината в дорожном
строительстве
В основу исследования были положены следующие предпосылки:
1. Шлаковые материалы являются гидравлическими вяжущими материалами, и при одновременном воздействии воды и
механических усилий они начинают проявлять свои вяжущие
свойства, благодаря чему в местах контакта зерен шлака образуются жесткие кристаллизационные связи. При использовании
шлаковых материалов в качестве песка и минерального порошка
в асфальтобетонных смесях на щебне из природных каменных
материалов они, заполняя поры между щебенками каменного
материала, образуют вокруг них «обойму», которая с возрастом
5
все больше набирает прочность, тем самым исключает перемещение щебенок в процессе эксплуатации покрытия.
2. В результате высокой дробимости гранулированного
доменного шлака, шлакопемзового и шлакового песков в процессе подогрева, перемешивания и особенно уплотнения образуется большое количество шлаковой мелочи, что дает возможность приготовлять асфальтобетонные смеси без введения в них
минерального порошка.
3. Благодаря высокой дробимости в процессе технологии
подогрева, перемешивания и уплотнения происходит интенсивная механическая активация одного из компонентов минерального материала смеси, наиболее химически активного – шлакового материала. На зернах шлака образуется большое количество свежих поверхностей, обладающих высокой химической активностью.
При этом высокая химическая активность шлака с максимальным эффектом реализуется непосредственно в самом технологическом процессе приготовления, перемешивания и уплотнения асфальтобетонной смеси, в результате появляются новые
активные центры, адсорбирующие компоненты битума.
В процессе перемешивания минеральной части асфальтобетонной смеси, состоящей из природных каменных материалов
и шлака, происходит активация не только шлака, но и поверхности природных каменных материалов за счет твердофазного механохимического синтеза, что приводит к увеличению адгезии
битума к поверхности природных каменных материалов.
4. В асфальтобетонных смесях на шлаковом материале
имеет место комбинация двух видов связей: упругопластических, как результат взаимодействия минерального материала с
битумом, и жестких, кристаллизационных, – как результат
взаимодействия воды и шлакового материала. Благодаря наличию жестких и упругопластических связей покрытие из таких
смесей должно быть сдвигоустойчивым. Поэтому такие смеси
могут найти широкое применение в местах воздействия касательных усилий: на крутых поворотах, у железнодорожных переездов, автобусных и троллейбусных остановок, больших
спусков и подъемов и т.д.
6
5. Так как в таких смесях один из минеральных компонентов является гидравлическим вяжущим материалом, то допускается укладка их на влажное основание и в дождливую погоду,
что позволяет удлинить строительный сезон и с большим эффектом использовать асфальтобетонные смеси и дорожные механизмы.
6. Учитывая гидравлические вяжущие свойства шлаковых
материалов (гранулированного доменного шлака, шлакопемзового и шлакового песков), их высокую уплотняемость, можно
предположить, что в асфальто- и дегтебетонных смесях они будут способствовать:
а) уменьшению дробимости щебня в процессе уплотнения
за счет уменьшения контактных напряжений между щебенками
вследствие заполнения межзернового пространства шлаковыми
материалами;
б) нарастанию прочности покрытия во времени за счет
роста жестких связей в местах контакта зерен шлака, а также
усиления когезионных и адгезионных связей битума и дегтя,
происходящих под влиянием поверхности гидравлически активного минерального материала.
7. Каменноугольные дегти имеют в своем составе большое
содержание активных функциональных групп, которые при
взаимодействии с поверхностью минеральных материалов образуют прочные хемоадсорбционные связи. Это позволит использовать в дорожном строительстве дегти пониженной вязкости.
1.2. Специфические свойства
асфальтобетона из шлаковых материалов
Применению металлургических шлаков в асфальтобетонных смесях посвящено много работ. Особенно большой вклад в
изучение свойств асфальтобетонных смесей на шлаковых материалах внесли исследования М.И. Волкова [19], И.В. Королева
[19], С.И. Самодурова [92, 95] и др. [32, 47, 85].
Исследования С.И. Самодурова [92] показали возможность
получения асфальтобетонных смесей на основе шлаковых материалов и высокую экономическую эффективность их применения при строительстве и ремонте автомобильных дорог. Гранулированные доменные шлаки до настоящего времени перераба7
тывают на шлакопортландцемент и используют в качестве песка
при производстве цементобетонных изделий. Экономические
расчеты показывают, что одна тонна гранулированного доменного шлака, уложенная в дорожную одежду, дает экономический эффект в 5-6 раз больше, чем одна тонна, переработанная
на шлакопортландцемент. Поэтому шлаковые материалы целесообразно использовать в большей степени для дорожного
строительства.
За рубежом (в США, Англии, Франции, ФРГ, Канаде, Болгарии) также в больших масштабах используют в дорожном
строительстве для приготовления асфальтобетонных смесей металлургические шлаки.
Основным отличием шлаковых материалов от обычных
каменных, используемых для изготовления асфальтобетонных
смесей, являются их гидравлические вяжущие свойства, которые позволяют создать материал новой структуры, обладающий
рядом преимуществ по сравнению с природными каменными
материалами. Определяющими факторами активности шлаковых материалов являются химический состав, температура исходного расплава доменного шлака и микроструктура, которая
зависит от скорости охлаждения [18].
В зависимости от содержания главных шлакообразующих
окислов при кристаллизации доменных расплавов могут формироваться следующие минеральные образования: монтичеллит –
CaMgSiO4, белит – 2СаО·SiO2, ларнит – СаSiO4, псевдоволластонит – α-CaSiO3, мервинит – Ca3MgSiO4, диопенд – CaMgSiO2,
волластонит – β-CaSiO3, геленит – Ca2Al(SiAlO7), анортит –
CaAl2Si2O8 и другие минеральные образования.
С точки зрения минералогического состава лучшими шлаками являются те, в которых присутствуют минералы: белит,
ларнит, диопент и геленит. Такие шлаки более активны. Отмечается также существенная роль пироксена, анортита и псевдоволластонита [8]. Быстрое охлаждение шлакового расплава способствует его переохлаждению, скрытая теплота плавления соединений переохлажденного шлака сохраняется в виде внутренней
химической энергии. Это обстоятельство, а также и активное состояние содержащихся в шлаковом стекле кремнезема и глино8
зема, наличие самостоятельно твердеющего двухкальциевого силиката определяют гидравлическую активность шлаков.
Гранулированный доменный шлак получают из доменного
расплава, подвергнутого быстрому охлаждению струей воды
или воздуха. Поверхность зерен остеклованная, с большим количеством выступов и углублений. До 80% от общей массы в
гранулированных шлаках присутствует шлаковое стекло.
Шлаковая пемза представляет собой материал серожелтого цвета с большим наличием микро- и макропор. Стеклофаза в шлаковой пемзе занимает от 30 до 45%.
Литой шлаковый щебень, получаемый медленным охлаждением огненно-жидких доменных шлаков, содержит около 10%
стеклофазы, а шлаковый песок характеризуется наличием частиц разной прочности, шероховатой поверхностью. Наличие
стеклофазы определяет гидравлическую активность шлаковых
материалов. Из рассмотренных нами шлаковых материалов наиболее активными являются гранулированные доменные шлаки,
а наименее активными – шлаковые пески и гранулированный
ваграночный шлак.
Конвертерный шлак кислородно-конвертерного цеха № 2
представляет собой материал черно-коричневого цвета, с плотной, реже – пористой структурой, с большой плотностью. Ввиду
неоднородности конвертерного шлака физико-механические
свойства его изменяются в довольно широком диапазоне. Особенностью этого вида шлаков является подверженность в той
или иной степени силикатному, известковому, железистому и
марганцевому распаду, причем большая доля приходится на известковый распад. Время распада длительное, так как он происходит в местах контакта включений свободной извести и металла с атмосферной влагой.
Химический состав шлаковых материалов, принятых нами
для исследования, представлен в таблице 1.2.1. Из данных таблицы 1.2.1 видно, что в наших исследованиях рассматриваются
материалы, являющиеся основными продуктами цехов шлакопереработки (гранулированные доменные шлаки) или ее побочным продуктом (шлакопемзовые и шлаковые пески), гранулированные ваграночные шлаки, конвертерные шлаки при переходе
на работу металлургических заводов без отвалов.
9
Таблица 1.2.1. Химический состав шлаковых материалов
Наименование
поставщика
Новолипецкий
Новолипецкий
Новолипецкий
Новолипецкий
Липецкий
прочие
Модуль
основности
1,53
0,98
1,53
-
1,53
-
Химический состав, %
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
FeO
а) гранулированные доменные шлаки
37,91 42,88 11,72 5,72 0,24
б) шлакопемзовые пески
37,91 42,88 11,72 5,72 0,24
в) шлаковые пески
37,91 42,88 11,72 5,72 0,24
г) конвертерные шлаки
16,76 54,86
1,50
2,03 13,46
д) гранулированные ваграночные шлаки
38,64 30,50
7,57
16,4 3,08
3,11
2,72
1,01
Гранулометрический состав исследуемых шлаковых материалов приведен в таблице 1.2.2.
Таблица 1.2.2. Гранулометрический состав шлаковых
материалов в естественном виде
Вид материала
Количество частиц мельче данного размера в мм, %
5
2,5
1,25
0,63 0,315 0,16 0,071
Гранулированный
94,82 82,22
доменный шлак
Шлакопемзовый
96.89 77.75
песок
Шлаковый песок
99,91 73,03
Гранулированный
ваграночный
95,50 82,78
шлак
Требования
70-100 56-82
ГОСТ 9128-2009
65,00
35,10
10,40
6,60
3,50
60.85
35.38
23.45
16.65
9.50
47,88
24,06
11,20
7,83
3,60
64,60
38,20
12,15
8,80
3,21
42-65 30-50 20-36 15-25
8-16
Как видно из результатов таблицы, в исходном состоянии
гранулометрический состав шлаковых материалов не удовлетворяет кривым плотных смесей для песчаного асфальтобетона типа Г.
Однако нашими исследованиями и исследованиями
С.И. Самодурова [56, 57, 94, 99] установлено, что в процессе
технологических операций (разогрев шлакового материала, пе10
ремешивание его с битумом и уплотнение асфальтобетонной
смеси) вследствие высокой хрупкости и дробления зерен гранулометрический состав шлаковых материалов удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2009 на песчаные асфальтобетонные смеси типа Г (табл. 1.2.3).
Таблица 1.2.3. Изменение гранулометрического состава
минеральной части асфальтобетона из шлаковых материалов
в процессе технологических операций
Состояние
Исходный
10 МПа
20 МПа
30 МПа
40 МПа
50 МПа
Исходный
После разогрева
После уплотнения нагрузкой 40 МПа
Исходный
После уплотнения нагрузкой 40 МПа
Количество частиц мельче данного размера в мм, %
5
2,5
1,25 0,63
0,28
0,16 0,071
а) гранулированный доменный шлак
94,82 82,22 65,00 35,10 10,40 6,60
3,50
После уплотнения нагрузкой:
99,40 73,80 53,00 36,20 21,80 12,10 6,80
100,00 74,00 53,20 36,70 22,20 13,60 7,60
100,00 74,60 53,20 37,40 26,40 16,40 9,80
100,00 76,20 54,80 38,20 27,80 18,20 12,10
100,00 79,10 59,10 39,40 28,35 20,50 12,90
б) шлакопемзовый песок
96.89 77.75 60.85 35.38 23.45 16.65 9.50
97,79
80,05
65,19
38,53
23,90
17,50
9,79
98,97
86,40
65,36
50,40
31,86
21,46
13,84
99,91
в) шлаковый песок
73,03 47,88 24,06
11,20
7,83
3,60
99,10
86,50
32,00
18,10
10,20
г) гранулированный ваграночный шлак
95,50 82,78 64,60 38,20 12,15
8,80
3,21
Исходный
После уплотнения нагруз100,00
кой 40 МПа
Требования
ГОСТ 9128-2009 70-100
66,10
50,29
76,60
55,80
46,20
16,20
11,10
56-82
42-65
30-50 20-36 15-25
8-16
11
27,80
Поэтому рассматриваемые шлаковые материалы можно
применять в асфальтобетонных смесях в естественном зерновом
составе, т.е. в том, какой получается при грануляции или отсеве
крупных фракций (для шлаковых и шлакопемзовых песков).
Дробление зерен шлаковых материалов происходит по линии наименьшей прочности, и асфальтобетонный монолит обладает оптимальным стабильным гранулометрическим составом. Эффект
дробления не только оптимизирует гранулометрический состав,
но и сопровождается образованием свежих поверхностей, энергетический потенциал которых очень высок.
Исследованиями подтверждено, что образование свежих
поверхностей в условиях отсутствия загрязняющих примесей
приводит к хемосорбционному взаимодействию, увеличению
адгезионных связей между шлаковым материалом и битумом
[48, 49, 55, 85, 96, 97, 104].
В зоне контакта шлаковых зерен между собой в асфальтобетонной смеси происходят процессы гидролиза и гидратации
шлаковых материалов, которые приводят к образованию жестких кристаллизационных связей. В работах С.И. Самодурова,
Г.А. Расстегаевой с участием автора показано, что при экстрагировании битума из образца асфальтобетонной смеси двухмесячного возраста его форма сохраняется за счет срастания шлаковых зерен между собой [49, 85, 96].
Особенностью шлаковых материалов является также их
мелкопористая структура, характеризуемая наличием большого
количества замкнутых пор. Пористая и микрошероховатая поверхность зерен шлаковых материалов является фактором, способствующим возникновению прочного адгезионного контакта
между битумом и шлаком. Особенности строения порового пространства шлаковых материалов свидетельствуют о возможности как избирательной фильтрации компонентов битума в тонкие поры, так и внедрения битума в крупные поры без изменения его группового состава.
Специфическим свойством асфальтобетонов на основе
шлаковых материалов являются также продолжающиеся длительное время процессы структурообразования, что характеризуется нарастанием прочности образцов во времени.
12
Длительный контакт асфальтобетона из шлаковых материалов с водой не оказывает отрицательного воздействия на
структурно-механические свойства: возрастают пределы прочности при сжатии при температурах 20 °С и 50 °С, увеличиваются коэффициенты водоустойчивости и длительной водоустойчивости, уменьшается водонасыщение и остаточная пористость [41].
Исследования, проведенные с участием автора [49, 94, 96,
97, 99] методом инфракрасной спектроскопии и ядерного магнитного резонанса широких линий, доказали, что при соблюдении оптимальной температуры нагрева шлаковых материалов к
моменту объединения с битумом ускоренного старения последнего не наступает.
Оптимальный температурный режим приготовления асфальтобетонных смесей обоснован методами инфракрасной
спектроскопии и термографического анализа. Лабораторными и
опытно-производственными исследованиями установлено, что
оптимальный температурный режим разогрева шлаковых материалов к моменту объединения с битумом равен 110-130 °С. Исследованиями на пирометре Курнакова установлено, что именно
в интервале температур 60-130 °С наблюдается эндотермический эффект, который указывает на термохимические процессы,
происходящие при этих температурах, т.е. именно в этом интервале температур происходят хемоадсорбционные процессы на
разделе фаз битум – шлаковый материал. Методом инфракрасной спектроскопии также подтвержден оптимальный температурный режим приготовления асфальтобетона из шлаковых материалов [96].
Такой температурный режим приготовления обеспечивает
качественное перемешивание битума с разогретым минеральным материалом, позволяет распределить битум на поверхности
зерен равномерным слоем, способствует наиболее прочному
сцеплению битума с минеральным материалом и создает предпосылки для формирования прочной и долговечной структуры
асфальтобетонных материалов.
Исследователи [20, 25] считают, что взаимодействие минеральных и органических вяжущих материалов является важ13
нейшим элементом структурообразования в асфальтобетоне.
Нами [49, 94, 104] показано, что на границе раздела фаз битум –
шлаковый материал могут и происходят процессы физической и
химической адсорбции, в результате которых битум в асфальтобетонных смесях переходит в структурированное состояние.
Протекание хемоадсорбционных процессов на границе
раздела битума и шлакового материала подтверждены исследованиями, выполненными методами инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и термографического анализа. Показано, что при
разогреве шлаковых материалов до температуры 110-130 °С в
последних возникают свободные радикалы, которые взаимодействуют со свободными радикалами битума, образуя устойчивые
структурные связи. В ИК-спектрах смесей шлаковых материалов с битумом в области 800-1100 см-1 наблюдается полоса поглощения, характеризующая возникновение межмолекулярных
водородных связей между несколькими молекулами. По сравнению со спектрами гранулированного доменного шлака, шлакового и шлакопемзовых песков, не обработанных битумом, отмечается сужение и смещение этих полос, указывающее на взаимодействие окислов кальция и магния с карбоксильными группами битума. Анализ инфракрасных спектров смесей шлаковых
материалов с битумом показывает, что в результате их объединения происходит резкое изменение свойств как битума, так и
шлаковых материалов, вызванное физико-химическим взаимодействием составляющих компонентов. Таким образом, оптимизация гранулометрического состава в процессе технологических
операций, повышенное структурообразование битума в асфальтобетонах на основе шлаковых материалов, улучшение структурно-механических свойств асфальтобетона во времени и в результате длительного воздействия воды, интенсивное физикохимическое взаимодействие шлаковых материалов с битумом
при соблюдении оптимального температурного режима являются положительными факторами, обусловливающими долговечность асфальтобетонов из шлаковых материалов и покрытий из
них.
14
1.3. Современные представления о природе
адгезионных связей в дисперсных системах
Современные теории о природе адгезионных связей в дисперсных системах по-разному трактуют механизм адгезии. В
настоящее время известны механическая теория склеивания, адсорбционно-молекулярная, электрическая, электрорелаксационная, диффузная теория адгезии и ряд других.
Адсорбционно-молекулярная теория адгезии Дебройна и
Мак-Лорена [6, 116] рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезии и субстрата. Поэтому важно,
чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию, как это следует
из правила полярности. Адсорбционно-молекулярная теория адгезии делит процесс образования адгезионной связи на две стадии: транспортирование молекул к поверхности субстрата до
расстояния меньше 5 ºА, затем между молекулами адгезива и
субстрата начинают действовать межмолекулярные силы, и постепенно наступает адгезионное равновесие. Взаимодействие
адгезива и субстрата приобретает особое значение при наличии
функциональных групп. Структура и свойства пленки адгезива,
сформированной на твердой поверхности, во многом определяются условиями адсорбции, поскольку из раствора адгезива адсорбируются не только единичные молекулы, но и их агрегаты.
Ориентирующее влияние субстрата оказывается достаточно существенным и простирается на глубину от нескольких десятков
ангстрем до нескольких десятков микрон [6].
При контакте двух разнородных поверхностей силы, ответственные за адгезионную связь, в конечном счете определяются химическим строением контактирующих поверхностей
[12]. При установлении контакта полимерных адгезивов с субстратами различной природы на границе раздела возникает
двойной электрический слой. Этот процесс является следствием
химического взаимодействия адгезива и субстрата, образования
водородных связей, донорно-акцепторного взаимодействия,
ориентированной адсорбции дипольных молекул адгезива на
поверхности субстрата. Во всех этих случаях устанавливается
15
такое распределение электронной плотности, что суммарный
эффект приводит к образованию двойного электрического слоя
на границе раздела фаз [73]. В последующем возникла разновидность электрической теории – электронная, разработанная
Б.В. Дерягиным [33]. Согласно этой теории считают, что высокая адгезия возникает тогда, когда функциональная группа полимера обладает свойствами донора или акцептора электронов,
способных переходить через фазовую поверхность раздела и,
следовательно, создавать двойной электрический слой. В этом
случае возникновение двойного электрического слоя и повышенная адгезия являются следствием взаимодействия пришедших в контакт функциональных групп адгезива и субстрата и
переноса электронов через границу раздела. Б.В. Дерягин предложил следующий донорно-акцепторный ряд [33]: донор NH2 >
OH > OCOR > C6 H5 > COOH > CN > - C = С - акцептор.
Различные комбинации групп гидроксил-гидроксил; гидроксил-карбоксил и других донорно-акцепторных групп позволяют получать высокую адгезию.
Установление контакта между адгезивом и субстратом во
многих случаях не ограничивается адсорбцией полимерных молекул на твердой поверхности. Иногда система может претерпевать дальнейшие более глубокие изменения, что связано с явлением диффузии. Диффузионные процессы на границе раздела
фаз адгезив-субстрат имеют большое влияние на адгезионную
прочность, поскольку одностороннее или взаимное проникновение фаз должно обеспечить более полный молекулярный контакт и, соответственно, большую прочность адгезионной связи.
Как отмечают в [12], диффузия – один из весьма эффективных
способов достижения молекулярного контакта между адгезивом
и субстратом. Чем глубже молекулы адгезива внедряются в субстрат, тем более благоприятны условия для реализации максимально возможного числа связей между молекулами адгезива и
субстрата.
Представления о решающей роли диффузии при установлении адгезионной связи получили широкое распространение
под названием диффузионной теории адгезии [22]. Применительно к битумоминеральным материалам диффузная теория
16
развивалась в работах И.М. Борщ, Л.С. Терлецкой, Л.Б. Гезенцвея [16, 25].
В случае материалов из пористых пород наряду с адсорбционными процессами происходит избирательная диффузия
низкомолекулярных компонентов битума в поры материала под
влиянием разности термодинамических потенциалов и капиллярных сил. Хотя вопросы диффузии низкомолекулярных соединений в системе адгезив-субстрат представляются достаточно важными, но для выяснения механизма адгезионных связей
большой интерес представляет диффузия в субстрат макромолекул адгезива.
Основываясь на общих представлениях о влиянии на коэффициент диффузии молекулярного веса пенетрата, не следовало бы ожидать у адгезивов способности к диффузии в субстрат. Оказалось, что пенетраты полимерной природы могут
диффундировать в материал на значительную глубину. Объяснить это удалось с помощью представлений о сегментарном характере диффузии, в соответствии с которыми гибкие молекулы
аморфных полимеров проникают в вакантные полости отдельными сегментами. Как отмечает С.С. Воюцкий [22], следует
учитывать влияние на диффузию надмолекулярных образований
в полимерном пенетрате. Чем выше молекулярный вес полимера, тем более устойчивы надмолекулярные образования и меньше диффузия.
Таковы современные представления о природе адгезионных связей в дисперсных системах. Переходя к битумам и битумоминеральным смесям, следует заметить, что методы оценки
адгезии битума с поверхностью минерального материала в значительной степени условны и требуют дальнейшей разработки
так же, как и установление природы сил, ответственных за
прочность адгезионных связей в системе битум – минеральный
материал, несмотря на то, что структурно-механические свойства битумоминеральных материалов и поведение их в конструктивных слоях дорожных одежд определяются прочностью сцепления битума с поверхностью каменного материала и свойствами тонких слоев битума на поверхности.
17
А.С. Колбановская и В.В. Михайлов отмечают, что в образовании связей в битумоминеральных материалах принимают
участие вандерваальсовые и химические силы [71].
Краткий обзор современных теорий адгезии позволяет рассматривать взаимодействие материала с битумом как комплекс
более сложных сил, ответственных за адгезионную прочность в
битумоминеральных смесях. Важная роль во взаимодействиях
между молекулами адгезива и субстрата принадлежит водородным связям. Водородные связи способствуют образованию более протяженных линейных структур, в то время как лиофобные
– более компактных – глобулярных [17].
1.4. Выбор и обоснование методов исследования
материалов на основе гидравлически активных
минеральных компонентов
Внутренняя структура и ее изменение под влиянием внешних факторов предопределяет прочность асфальтового бетона.
Поэтому одним из основных методов исследования асфальтобетона из шлаковых материалов был принят метод механических
испытаний. Физико-механические свойства асфальтобетона, определяющие коррозионные и деформативные свойства, исследовали методами, рекомендованными ГОСТ 9128-2009 [30] для
определения свойств асфальтового бетона. Физико-механические свойства определяли после воздействия 50, 75, 100 и 150
циклов замораживания-оттаивания; после предварительного
выдерживания образцов асфальтобетона из шлаковых материалов на воздухе и в воде и последующего замораживанияоттаивания. Кроме перечисленных методов испытания физикомеханических свойств определяли пределы прочности при изгибе, динамические модули упругости при температурах от +20 до
–20 °С. Одновременно с определением этих свойств проводили
ультразвуковые испытания при помощи ультразвукового прибора УК-10П.
Предел прочности при изгибе определяли по схеме балочки
на двух опорах на приборе, созданном по принципу установки в
Ленфилиале СоюздорНИИ. На этой же установке определяли ползучесть асфальтобетона, предельное относительное удлинение при
изгибе с помощью тензорезистивного метода [81] (шлейфовый ос18
циллограф Н-700, тензометрический усилитель ТА-5, тензорезисторы с базой от 10 до 50 мм) и динамический модуль упругости.
При определении динамического модуля упругости продолжительность цикла нагрузка-разгрузка была принята равной 1 с, время действия нагрузки в цикле – 0,1 с [39], а величина нагрузки
принята 0,2 от разрушающей с учетом того, чтобы материал работал в упругой стадии.
ГОСТ 12801-98 [26] дает рекомендации по определению
предела прочности на растяжение при изгибе. Сущность метода
заключается в определении нагрузки, необходимой для разрушения образца при изгибе, и соответствующих деформаций растяжения. Нагрузку прикладывают к балочке посередине пролета
ступенями через каждые 15 с. Деформацию (прогиб) замеряют в
конце каждого 15-секундного периода. Установка для определения предела прочности при изгибе, модулей деформации и упругости приведена на рис. 1.4.1.
Рис 1.4.1. Установка для определения предела прочности при
изгибе
Предел прочности на растяжение при изгибе (R ИЗГ ) вычисляли по формуле
Rизг =
3PL
× 10 -2 ,
2
2bh
где P – разрушающая нагрузка, Н;
L – расстояние между опорами, см;
b – ширина образца, см;
19
h – высота образца, см;
10 -2 – коэффициент пересчета в МПа.
Предельную относительную деформацию растяжения при
изгибе (ε пр ) вычисляют по формуле
ε пр =
6 f пр h
L2
,
где f пр – максимальная величина прогиба образца в момент разрушения, см.
Модуль деформации Е деф вычисляют по формуле
Е деф =
PL3
× 10 - 2 .
4 f пр bh 3
Подготовленный к испытанию образец нагружали, фиксируя упругий прогиб. Для определения модуля упругости (Е упр )
нагрузку прикладывали посередине пролета величиной 0,2 от
разрушающей и использовали значение упругого прогиба после
15 циклов повторных нагружений. Продолжительность действия
нагрузки принималась 0,1 с.
Е упр =
PL3
× 10 - 2 ,
3
4 f упр.bh
где f упр – упругий прогиб образца в середине пролета, см.
Предел прочности на растяжение при расколе определяли путем раскалывания цилиндрического образца по образующей при
скорости холостого хода поршня пресса 50 мм/мин [26].
Сцепление и угол внутреннего трения определяли через сопротивление сжатию и растяжению по зависимостям [34]:
Sin φ =
R-r
R+r
и
С = 0,5 Rr ,
где R – предел прочности при сжатии,
r – предел прочности при растяжении.
Реологические свойства асфальтобетона из шлаковых материалов изучали с помощью методов Я.Н. Ковалева (вязкости
ненарушенной структуры) и кинетических характеристик.
20
По методу Я.Н. Ковалева [70] вязкость ненарушенной
структуры асфальтобетона определяли при сжатии цилиндрических образцов по формуле
2
(h - h )2 Rh
η0 = 21 2 2 1 ·106 ,
(d макс. - d мин. )V
где η0 – вязкость ненарушенной структуры, МПа·с;
h1 и h2 – высоты образца соответственно до и после испытания, см;
V – скорость деформирования, см/с;
R – предел прочности при сжатии, МПа;
d1 и d2 – диаметры образца посередине высоты и у основания, см.
Кинетические характеристики определяли по методу
А.М. Богуславского [13]. С этой целью изменяли высоту h и
диаметр d асфальтобетонных образцов до и после исследования
и предел прочности при сжатии. На основании этих данных рассчитывали значения реологических параметров:
400 × h × Dh 2
.
Время релаксации: Q =
Dd2
1000 × D d
.
Время ретардации: t =
h
Модуль упругости:
K=
R×h
.
Dh
t
g
=
Коэффициент вязкой податливости:
K.
Коэффициент вязкости по Максвеллу: h
m
=Q×K .
1
Параметр Р1:
2×Q .
2
P
=
2
Параметр Р2:
.
t
Соотношение Р1 и Р2 – Р1/ Р2.
P1 =
Исследование процессов структурообразования в асфальтобетонных смесях в лабораторных и опытно-производственных
21
условиях проводили с помощью методов молекулярной спектроскопии и других.
Инфракрасную спектроскопию применили для изучения
механизма взаимодействия битума с поверхностью шлакового
материала, для исследования процессов гидролиза и гидратации
шлаковых материалов в асфальтобетонных смесях в результате
взаимодействия гелеобразных новообразований и для исследования изменения межмолекулярного взаимодействия в асфальтобетонных материалах в процессе эксплуатации покрытий автомобильных дорог [94, 104].
При исследовании процессов структурообразования использовали растровую (сканирующую) микроскопию [99].
Строение порового пространства шлаковых материалов и
асфальтобетона изучалось методами растровой (сканирующей)
электронной микроскопии и ртутной порометрии [11, 52, 63].
При исследовании структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов для оценки достоверности полученных результатов применяли методы математической статистики.
Асфальтовый бетон является одним из наиболее сложных
искусственных конгломератов, что обусловлено главным образом особенностью его структуры, а также большой зависимостью его свойств от многих факторов внешнего воздействия.
За последние годы появилось большое количество работ по
исследованию влияния эксплуатационных и климатических воздействий на изменение свойств асфальтобетона. Значительная
часть этих исследований посвящена вопросам моделирования
внешних воздействий на асфальтобетон с целью прогнозирования его эксплуатационной надежности. Под надежностью следует понимать свойство материала сохранять во времени в процессе эксплуатации единство структуры и физико-механических
свойств, стабильность которых обеспечивает его функциональное назначение.
Известные способы моделирования эксплуатационных и
климатических воздействий на асфальтобетон основаны на
дифференциальном подходе к оценке стабильности его структуры по результатам влияния отдельных факторов. Однако такая
оценка не позволяет учесть одновременное влияние комплекса
22
эксплуатационно-климатических и рецептурных факторов на
асфальтобетон, как это имеет место в реальных условиях эксплуатации покрытий автомобильных дорог.
Существующий ГОСТ на асфальтобетонные смеси и асфальтобетон [30] также не учитывает комплексного воздействия
факторов. Лабораторные методы оценки показателей качества
асфальтобетона не отражают условия его реальной работы в покрытии при изменяющемся температурно-влажностном режиме.
Кроме того, характеристика свойств асфальтобетона дается по
отдельным независимым показателям, а комплексное влияние
эксплуатационно-климатических факторов на свойства асфальтобетона практически не изучено.
Нами предложен и разработан способ подготовки образцов
строительных материалов к испытаниям на прочность [4]. Сущность способа заключается в том, что на один и тот же образец
воздействует комплекс эксплуатационно-климатических факторов, после чего определяются параметры структурно-механических свойств материала. Предварительные исследования, проведенные по предложенному способу, показали, что при комплексном воздействии возможен синергизм эффектов [61, 103].
При исследовании физико-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов для математического описания влияния факторов применили метод математического планирования экстремальных экспериментов, сущность которого
заключается в получении максимальной информации при минимальном количестве экспериментов (ММПЭЭ) [7, 50, 60].
Этот метод отличается от многомерного регрессионного анализа
тем, что исследователь заранее планирует его стратегию, активно вмешивается в эксперимент, а не является пассивным наблюдателем.
i =n
i =n
i =n
Y = b0 + å bixi + å bijxixj + å biixi2,
i =1
i =1
где b0 – свободный член;
bi – линейный коэффициент;
bij – коэффициент взаимодействия;
bii – квадратичный коэффициент.
23
i =1
Перед планированием производится масштабирование
факторов, чтобы получить уравнение полинома второй степени
относительно безразмерных величин xi.
Переход от физических переменных Х i к кодированным xi
осуществляется по формуле
xi =
где Х0 =
l
=
X iв + X iн
2
в
X i - X iн
2
X i - X i0
li
,
– середина диапазона варьирования i-го фактора;
– шаг варьирования i-го фактора;
Х iв и Х шн – соответственно верхний и нижний уровни варьирования i-го фактора.
В результате кодирования переменных верхнему уровню
будет соответствовать значение «+1», нулевому – «0», нижнему
– «–1».
После реализации экспериментов проводится проверка
равноточности опытов в каждой точке по t-критерию Стьюдента
и проверка выборочных дисперсий по c -критерию Кохрена, а
также проверки значимости коэффициентов по t-критерию
Стьюдента и модели на адекватность по F-критерию Фишера.
Сочетание комплексного воздействия факторов и математического метода планирования экстремальных экспериментов
позволяет получить математические модели, связывающие эти
воздействия на свойства асфальтобетона из шлаковых материалов. При этом очередность воздействия не влияет на получение
окончательного результата, так как каждый из факторов воздействия находится на трех уровнях: от минимального до максимального значения.
Для приближения характера испытаний асфальтобетона к
условиям реальной эксплуатации в покрытиях автомобильных
дорог и сокращения их продолжительности представляется наиболее целесообразным цикл испытаний, при которых происходит последовательное накопление в одних и тех же образцах
асфальтобетона результатов комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов.
24
Для моделирования комплекса воздействий внешних факторов из всего их многообразия нами были приняты три: вибровакуумное водонасыщение, циклическое замораживание-оттаивание и облучение искусственным солнечным светом при температуре до +60 °С и периодическом орошении водой в атмосфере, содержащей озон.
Одним из механизмов разрушения асфальтобетона в условиях водонасыщения является образование импульсных гидродинамических давлений в порах под действием динамических
нагрузок от подвижного транспорта.
Исследованиями Гипродорнии было доказано, что механизм ускоренного усталостного разрушения водонасыщенного
асфальтобетона при работе покрытия в режиме циклических
динамических нагружений обусловлен в определенной степени
возникновением импульсных гидродинамических давлений в
насыщенных водой порах [89].
Вводя в комплекс воздействий фактор вибровакуумного
водонасыщения, брали в расчет, что при движении автомобиля,
в зависимости от скорости и ровности покрытия, частота колебаний, передаваемых автомобилем покрытию, составляет от 10
до 25 Гц, а фильтрация воды в порах покрытия происходит преимущественно под действием вакуума, создаваемого шинами
движущегося по покрытию автотранспорта. Совместное действие вибрации и вакуума увеличивают интенсивность внедрения
воды в зоны контакта битум – минеральный материал, которая
существенно снижает сцепление битума с каменным материалом.
Установка вибровакуумного водонасыщения состоит из
стальной цилиндрической вакуумной камеры емкостью 10 л,
укрепленной на вибростенде типа УВ-70/100, и вакуумного насоса МР-10.
Предварительно взвешенные и измеренные образцы асфальтобетона помещались в вакуумную камеру, внутренняя поверхность стенок которой имела резиновое покрытие, заполняли
ее водой, а затем с помощью вакуумного насоса в камере создавалось давление остаточного порядка (0,133-0,199)·104 Н/м 2 , и
включали вибростенд (рис. 1.4.2).
25
Рис. 1.4.2. Установка вибровакуумного водонасыщения образцов асфальтобетона: 1 – плита вибростенда; 2 – вакуумная
камера; 3, 4 – вакуумметры; 5 – вакуумный
насос
Суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции дорожной одежды
за весь срок службы определяют по видоизмененной формуле
[83]
∑N p = 0,7 N p
Kc
g (Tc -1)
T рдг k n ,
где N p – приведенная интенсивность на последний год службы,
авт./сут.;
T рдг – число расчетных дней в году, соответствующее водонасыщенному состоянию покрытия конструкции (определяется в соответствии с [27]);
Т сл – расчетный срок службы, лет, допускается назначать в
соответствии с рекомендациями [83];
k n – коэффициент, учитывающий вероятность отклонения
суммарного движения от среднего ожидаемого [83];
К c – коэффициент суммирования [83];
g – показатель изменения интенсивности движения данного типа автомобиля по годам.
Ниже приведен расчет суммарного расчетного числа приложений расчетной нагрузки для дороги III технической катего-
26
рии, расположенной в III дорожно-климатической зоне (Липецкая и Воронежская область).
Приведенная к нагрузке типа А интенсивность движения
на конец срока службы N p = 900 авт./сут.; приращение интенсивности = 1,04.
Суммарное расчетное число приложений нагрузки к точке
на поверхности конструкции в водонасыщенном состоянии за
весь срок службы равно (данные взяты из [83, 90]):
K
∑N p = 0,7 N p (Tcc-1) T рдг k n = 0,7∙900 20(14-1) 145∙1,32 =
g
1,04
= 1452796.
Так как лабораторная динамическая установка при частоте 12 Гц дает 43200 кол./ч, то время вибровакуумного водонасыщения при моделировании эксперимента будет равно
1452796/43200 = 33,6 ч.
Для математического планирования эксперимента принято
время 20, 40 и 60 часов вибровакуумного водонасыщения.
Для моделирования воздействия на асфальтобетон знакопеременных температур разработана установка для ускоренного
замораживания-оттаивания образцов. При разработке методики
исходили из того, что высокая скорость охлаждения и оттаивания увеличивает разрушающий эффект влияния знакопеременных температур на асфальтобетон. Установка создана на базе
низкотемпературного шкафа Gronland T 25/01, дополненного
электронным устройством, обеспечивающим автоматический
режим охлаждения и оттаивания в диапазоне температур от
–20 °С до +5 °С, и потенциометром для графического контроля
величины и скорости температурных переходов. Контроль температуры осуществлялся термопарой, помещенной внутри контрольных образцов. Скорость охлаждения составляла около
30 °С/ч, а оттаивания – около 60 °С/ч (рис. 1.4.3).
Количество циклов замораживания-оттаивания, воздействующих на шлаковый асфальтобетон в реальных условиях эксплуатации в течение года, соответствует 5-12 циклам замораживания-оттаивания в лабораторных условиях при скорости охлаждения от 2 °C/ч до 5 °С/ч [40, 69].
27
Рис. 1.4.3. Установка циклического замораживания-оттаивания
в автоматическом режиме: 1 – потенциометр КСП-4; 2 – блок автоматического управления; 3 – переключатель термопар; 4 – низкотемпературный шкаф Gronland T 25/01
Если при сроке службы покрытия 14 лет общее количество
циклов следует принять 70-168 при замораживании со скоростью 2-5 °С, то при ускоренном замораживании-оттаивании количество следует определять по формуле
УСК
N МРЗ
= N ОБЩ / K ,
где К – коэффициент, учитывающий влияние скорости охлаждения на разрушение структуры асфальтобетона, в зависимости от
свойств исходных компонентов принимается равным 1,5-5.
Для математического планирования эксперимента количество циклов ускоренного замораживания-оттаивания асфальтобетона из шлаковых материалов взяли 24, 62 и 100 циклов.
Для моделирования процессов термоокислительного старения битума в асфальтобетоне использовали аппарат искусственной погоды ИП-1-3 (рис. 1.4.4), предназначенный для ускоренных
испытаний полимерных материалов.
Известно, что наиболее опасной для полимерных материалов является ультрафиолетовая радиация (длина волн
менее 400 нм). Согласно [90] на долю УФ-радиации, достигшей
поверхности земли, приходится не более 3-4% общего потока
суммарной солнечной радиации.
28
5
4
6
7
3
2
1
8
Рис. 1.4.4. Аппарат искусственной погоды ИП-1-3: 1 – венти9
лятор; 2 – вращающийся барабан
для крепления образцов; 3 – образец; 4 – лампа дуговая; 5 – измеритель влажности; 6,7 – вольтметры;
8 – амперметр; 9 – пусковые кнопки
При этом на долю наиболее эффективной УФ-радиации
приходится лишь 0,1% суммарной радиации. Количество суммарной солнечной радиации за год для центральных районов
европейской части России равно 2360 МДж/м2 [90], следовательно, на долю УФ-радиации приходится 2360 х 0,001 =
2,36 МДж/м2. Среднее значение световой энергии, падающей на
единицу площади в ультрафиолетовой области в аппарате искусственной погоды при двух ртутно-кварцевых лампах типа
ПРК-2 за 1 ч, равно 0,67 МДж/м2.
Количество часов искусственного облучения для моделирования естественного годового облучения определяем по расчету 2,36 : 0,67 = 3,52 ч.
За 14 лет службы покрытия количество часов искусственного облучения в камере составит 3,52 х 14 = 52,8 ч.
Для математического планирования эксперимента принято
40, 50 и 60 ч облучения в камере при температуре 60 °С.
29
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ШЛАКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕСЧАНОГО
ГОРЯЧЕГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
2.1. Исследование физико-химического
взаимодействия шлаковых материалов с битумом
Структурно-механические свойства асфальтобетонных материалов и их поведение в конструктивных слоях дорожных одежд
определяются прочностью сцепления битума с поверхностью минерального материала и свойствами тонких слоев битума на минеральных материалах. Поэтому взаимодействие минеральных и органических материалов считается важнейшим элементом структурообразования в асфальтовом бетоне, а выявление природы сил,
ответственных за адгезионную прочность сцепления органических
вяжущих и минеральных материалов, является первостепенной задачей, от решения которой зависит долговечность асфальтобетонных покрытий и эффективность направленного структурообразования.
При взаимодействии шлаковых материалов с битумом на
границе раздела фаз битум – минеральный материал происходят
хемоадсорбционные процессы. Одним из методов для оценки интенсивности взаимодействия шлакового материала с битумом нами принят метод инфракрасной спектроскопии. Этот метод позволяет оценить степень взаимодействия шлакового материала с
битумом, а также интенсивность процессов старения битума в асфальтобетонных смесях, минеральная часть которых состоит из
одного гранулированного шлака.
При изучении сложных систем, какими являются асфальтобетонные материалы, во многих случаях не представляется
возможным решить проблему физико-химического взаимодействия в полном объеме, поэтому часто пользуются понятиями о
характеристических полосах или групповых характеристических частотах [75, 82], с помощью которых можно решать вопросы межмолекулярного взаимодействия и анализировать природу связей.
В шлаковых материалах есть наличие стеклофазы. Поверхность шлакового стекла схематически можно изобразить следующим образом:
30
H
Si
O-H…O
O
H
H
Si
O-H…O
Si
O-H…O
O
H
H
H
О
Учитывая эти особенности, следует ожидать, что высокой
адгезией к стеклу будут обладать материалы, содержащие гидроксильные, карбоксильные и другие полярные группы, способные к образованию водородных связей с поверхностными гидроксилами, а также к ион-дипольному и химическому взаимодействию [79].
Нами были проведены исследования физико-химического
взаимодействия гранулированного доменного шлака с битумом.
На рис. 2.1.1 представлены инфракрасные спектры поглощения
гранулированного доменного шлака, шлакового и шлакопемзового песков Новолипецкого металлургического комбината, битума
марки БНД 90/130 и их смесей.
Анализируя инфракрасные спектры исходных шлаковых
материалов по областям поглощения, установили:
1. В области частот 3720-3500 см-1 обнаруживается полоса
поглощения, соответствующая свободным колебаниям гидроксильных групп [79, 82]. Интенсивность ее (полосы поглощения)
убывает в последовательности: гранулированный доменный шлак
→ шлакопемзовый песок → шлаковый песок. Это явление, по всей
видимости, связано с высокой гидравлической активностью гранулированного доменного шлака, в котором интенсивно происходят
процессы гидролиза и гидратации. Наличие стеклофазы определяет гидравлическую активность шлаковых материалов. Из рассмотренных нами шлаковых материалов наиболее активными являются
гранулированные доменные шлаки, а наименее активными – шлаковые пески.
31
Рис. 2.1.1. Инфракрасные спектры поглощения битума марки
БНД 90/130, гранулированного шлака и его смеси с битумом:
1 – битум марки БНД 90/130; 2, 3, 4 – соответственно гранулированный
доменный шлак, шлакопемзовый и шлаковый пески; 2',3',4' – соответственно их смеси с битумом
2. Слабая полоса поглощения в области 1640 см-1, обусловленная деформационными колебаниями – ОН, свидетельствует о
наличии физически сильносвязной воды (кристаллогидратной воды), слой которой практически одинаковый на всех шлаковых материалах [79]. Слой сорбированной влаги достигает толщины сотен ангстрем и удаляется с поверхности материала с большим трудом в вакууме при температурах 400-500 °С.
3. В области 1340-700 см-1 наблюдается сильное поглощение, обусловленное валентными колебаниями Si-O и Al-O – связей и валентными колебаниями ионов кальция и магния [76, 79].
4. Поглощение в области 1160 см-1 связано, по всей видимости, с деформационными колебаниями иона (Н3О)+ в геле
кремнезема [76, 79].
32
Анализ инфракрасного спектра битума БНД 90/130 и сопоставление волновых чисел позволяет установить:
1. Поглощение в области 3570-3200 см-1 свидетельствует о
наличии гидроксильной группы [10]. Форма полосы поглощения
свидетельствует о полимерной ассоциации с образованием водородных связей [10, 82].
2. Поглощение в области 1950 см-1 относится к карбоксильной группе [10].
3. Полоса поглощения в области 1601 см-1 характеризует
наличие ароматических соединений и связей типа – С = С – [10, 75].
4. Углеводородные соединения – С-Н характеризуются поглощением в областях 1250-900 см-1.
Анализ инфракрасных спектров поглощения смеси шлаковых материалов с битумом, приготовленной при температуре
130 °С, позволил установить:
1. В области 3720 см-1 уменьшается полоса поглощения,
характеризующая свободные колебания гидроксильных групп.
Учитывая, что на поверхности гранулированного доменного
шлака имеются свободные гидроксильные группы, можно предположить, что битум взаимодействует со шлаковым материалом
по схеме [10, 75, 79]
Si – OH + HO – R
S – O – R + H2O.
2. Интенсивность полосы поглощения в области колебаний
ароматических соединений 1601 см-1 не изменяет своей величины, что свидетельствует об отсутствии интенсивного старения
битума.
3. Сужение и смещение полос в области 1200-800 см-1 свидетельствует о сильном физико-химическом взаимодействии между
шлаковыми материалами и битумом по схеме [75, 79]
Ме+ О- + R – COOH
Me – O – OCR + H2O, а
также возможно взаимодействие по схеме Ме+ О ···- Н+ – OСOR
с образованием ион-дипольного типа связей.
Таким образом, с помощью метода молекулярной спектроскопии установлено, что в образовании адгезионных связей в
асфальтобетонных смесях на основе гранулированного доменного шлака участвуют химические связи типа
Si – O – R ,
33
ион-дипольные связи типа Ме+ О -··· Н+ – OCOR и водородные связи типа Si OH ··· НСООR.
Образование органоминеральных соединений типа М – О –
ОСR, которые не растворимы в воде, ведет к созданию структурно-механического барьера, который в асфальтобетоне из
шлаковых материалов оказывает экранирующее действие, снижая избирательную фильтрацию компонентов битума в поры
минерального материала [25].
Кремнийорганические соединения типа àSi – O – R придают материалам гидрофобные свойства и тем самым способствуют повышению их водо- и морозостойкости. Исследования, проведенные Д.И. Гегелия и Л.Б. Гезенцвеем [24], позволили установить,
что при применении кремнийорганических соединений типа ГКЖ94 М коэффициент морозостойкости увеличился с 0,12 до 0,56 при
применении в качестве минерального порошка гидрофобизированного суглинка.
Следует заметить, что связи типа Si – O - H -···H – COOR значительно превосходят по величине силы вандерваальсова взаимодействия. Образование водородных связей сопровождается возникновением двойного электрического слоя [33]. Электростатические
силы носят дальнодействующий характер, и при снятии нагрузки
это приводит к самозалечиванию трещин.
Особенностью стеклофазы шлаковых материалов является
резкое различие в структуре и химическом составе основной массы
стекла и поверхностного слоя. Это связано с тем, что поверхность
стекла в атмосферных условиях сразу же после ее образования
подвергается изменениям, в результате которых возникает поверхностный слой, отличающийся по химическому составу и физическим свойствам от остальной массы стекла.
Исследования при помощи сканирующего электронного микроскопа (рис. 2.1.2) позволили установить, что под влиянием атмосферной влаги происходит модификация поверхности шлакового
стекла с возникновением новообразований. Подобные пленки, образованные преимущественно кремнеземом, окислами кальция и
магния, обладают значительной адсорбционной способностью.
Последнее обстоятельство свидетельствует о пористом строении
поверхностного слоя стекла [9].
34
3 мкм
1 мкм
Рис. 2.1.2. Влияние атмосферной влаги на модификацию
поверхности шлакового стекла
Свойства поверхностных пленок исследовались И.В. Гребен-щиковым и др. [31]. Установлено, что при соприкосновении
стекла с водой или ее парами на поверхности в результате гидролиза щелочных и щелочноземельных силикатов образуется
кремнеземная пленка. Как уже отмечалось выше, при взаимодействии с битумом это приводит к образованию химических,
водородных и вандерваальсовых связей.
При анализе взаимодействия шлаковых материалов с битумом и образования прочных адгезионных связей между ними
следует учитывать и диффузию компонентов, а также, что особенно важно, «макромолекул» битума в поры шлакового материала и в поры поверхностного слоя стеклофазы.
При неспецифической диффузии отдельных компонентов битума (мальтеновой части) смолы и асфальтены адсорбируются на
поверхности шлакового материала [16, 25]. При этом поверхностный слой обогащается смолами и асфальтенами.
До сих пор предполагалось, что между жидкостью в сольватном слое и объемной жидкостью имеется более или менее
резкая граница, однако [15] проведенные исследования свидетельствуют о том, что между жидкостью в сольватном слое и
объемом существует переходная зона – «подплавленный» слой с
35
повышенной подвижностью по сравнению с объемной жидкостью. Можно предположить, что этот «подплавленный» слой
образован в асфальтобетоне из шлаковых материалов мальтеновой частью (маслами), так как их вязкость значительно ниже
вязкости битума, и вследствие этого – повышенная деформативная способность при отрицательных температурах.
Принимая неспецифическую диффузию как один из факторов
повышения деформативной способности, следует учитывать также
диффузию битума в поры шлакового материала. В этом случае получаемая система битум – шлаковый материал обладает стабильностью к воздействию окружающей среды вследствие армирования шлакового материала битумом.
Приемлемость диффузной теории адгезии к асфальтобетону из шлаковых материалов очевидна. Нарастание прочности во времени у асфальтобетона на шлаковых материалах с
позиции адсорбционной и электрической теории адгезии
труднообъяснимо. И только диффузная теория адгезии легко
объясняет такую зависимость медленной диффузией молекул
битума и его составляющих в поры шлакового материала.
При исследовании строения пленки битума на шлаковой
подложке методом растровой электронной микроскопии установлено (рис. 2.1.3), что глобулы и их ассоциаты, являющиеся
первичными структурными элементами битума, сохраняются в
структуре битумной пленки на поверхности шлаковых зерен в
единичных случаях.
Пленка битума на шлаковых зернах имеет сложную надмолекулярную (вторичную) структуру. Под влиянием активной
шлаковой подложки происходит разворачивание макромолекулярных глобул, которые при дальнейшей агрегации образуют
фибриллы, фибриллярные ленты, разветвленные ленточные
структуры и другие линейные элементы, связанные между собой в единую структурированную сетку.
Глобулярная структура битумной пленки на поверхности
шлаковых материалов встречается крайне редко. Строение битумной пленки на поверхности зерен шлака близко к структуре
пленок полимеров, в том числе и эластомеров.
36
а
б
0,3 мкм
1 мкм
Рис. 2.1.3. Надмолекулярная ленточная фибриллярная (а) и глобулярная (б)
структура битумной пленки на поверхности шлаковых материалов
Учитывая известное положение об улучшении структурномеханических свойств битумов при введении в них полимерных
добавок и установленное сходство строения битумной пленки
на шлаковой подложке со структурами пленок полимеров, можно считать, что такой характер строения органического вяжущего будет являться одним из факторов повышения долговечности
асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов.
Образование вторичных надмолекулярных структур не только приводит к специфическому характеру адсорбции высокомолекулярных компонентов битума, но и предопределяет особенности
взаимодействия молекул адгезива с поверхностью шлакового материала. Развернутая форма макромолекул и их надмолекулярных
элементов улучшает условия взаимодействия адгезива с поверхностью, а глобулярная – препятствует осуществлению достаточного
числа контактов.
Резюмируя вышеизложенное, можно полагать, что на адгезионную прочность асфальтобетона из шлаковых материалов
оказывают влияние силы:
1) электронной адгезии. Электростатические силы имеют значительно больший радиус действия по сравнению с
вандерваальсовыми взаимодействиями и тем более по сравнению с химическими силами. Дальнодействующий характер
электростатических сил особенно важен потому, что может
37
приводить после снятия нагрузки к самозалечиванию возникающих микротрещин, т.е. усталостная прочность материала
повышается, если адгезия обусловлена электростатическими силами;
2) молекулярной адгезии, обусловленной силами химических (ионных и ковалентных связей), водородных и
вандерваальсовых (дисперсионных, ориентационных и индукционных) взаимодействий;
3) диффузной адгезии, обусловленной цепочечным строением битума и гибкостью его элементов. Большое влияние на
адгезионную прочность оказывает как неспецифическая диффузия (диффузия отдельных компонентов битума в поры шлакового материала), так и специфическая диффузия (диффузия макромолекул битума или его сегментов в поры шлаковых материалов). Силы диффузной адгезии наряду с силами адсорбционной и электрической адгезии оказывают большое влияние на
стабильность свойств асфальтобетона из шлаковых материалов
и их долговечность.
Высокая адсорбируемость и прочная адгезионная связь в
системе битум – шлаковый материал обусловлены также в значительной степени возникновением надмолекулярных структур
с достаточно разветвленными и сильно взаимодействующими
друг с другом цепями макромолекул. При этом так же, как и в
случае полимеров, взаимодействие хотя бы одной макромолекулы надмолекулярной структуры (пачки) приводит к адсорбции
на поверхности всей пачки цепей макромолекул, связанной в
единую структурированную сетку с другими пачками цепей
макромолекул. Реальность такой трактовки формирования адгезионного контакта в системе битум – шлак подтверждается
строением битумной пленки на шлаковой подложке, близким к
структуре пленок полимеров.
2.2. Асфальтобетонные смеси на основе гранулированного
доменного шлака
Оптимальная структура асфальтового бетона характеризуется не наивысшей, а оптимально необходимой прочностью, с
которой сочетаются достаточная деформационная устойчивость
при высоких летних температурах, деформативная способность
38
материала при отрицательных температурах и требуемая коррозионная устойчивость.
Определение оптимального содержания битума в асфальтобетоне на основе гранулированного доменного шлака проводили математическим методом планирования экстремальных
экспериментов (ММПЭЭ). Формирование асфальтобетонных
покрытий из шлаковых материалов продолжается длительное
время с момента устройства. Средняя плотность асфальтобетона
из шлаковых материалов в начальный момент эксплуатации соответствует средней плотности образца, сформированного в лабораторных условиях уплотняющей нагрузкой на гидравлическом прессе давлением 10-17 МПа, в последующий период эксплуатации средняя плотность асфальтобетона в покрытии достигает средней плотности образца, уплотненного давлением 2530 МПа. Поэтому уплотняющая нагрузка вошла в план эксперимента независимой переменной.
Шлаковые материалы – хрупкие и высокопористые, при
уплотнении происходит дробление зерен по линии наименьшего
сопротивления. Зерновой (гранулометрический) состав шлаковых материалов в исходном состоянии не удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2009. После уплотнения асфальтобетона из
шлаковых материалов давлением 10, 20, 30, 40, 50 МПа и последующего экстрагирования битума гранулометрический состав
оптимизируется и удовлетворяет требованиям стандарта на
плотные смеси (см. табл. 1.2.3). Разрушение части зерен шлаковых материалов происходит по наиболее ослабленным зонам
при сравнительно высоких напряжениях. Это приводит к повышению среднестатистической прочности за счет ликвидации
дефектов структуры, происходящих при уплотнении и дроблении шлаковых материалов.
Дробление зерен шлаковых материалов приводит к увеличению общей поверхности, и, следовательно, оптимальное содержание битума будет изменяться от величины уплотняющего
давления. Поэтому при проведении эксперимента варьировали
содержание битума в смеси и величину уплотняющего давления. Был использован трехуровневый план второго порядка
двухфакторного эксперимента.
39
Условия планирования и матрица эксперимента по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона из гранулированного шлака в зависимости от содержания битума и
степени уплотнения приведены в таблицах 2.2.1, 2.2.2.
Таблица 2.2.1. Трехуровневый план проведения
экспериментов второго порядка при числе факторов
k = 2 (N = N 1 + Nα + n0)
№ опыта
1
N1 2
3
4
5
Na 6
7
8
9
n0 10
11
Матрица планирования
(x i )
x1
x2
+
+
+
–
–
+
–
–
+
0
–
0
0
+
0
–
0
0
0
0
0
0
Взаимодействие
(xi xj)
x1 x2
+
–
–
+
0
0
0
0
0
0
0
Квадраты переменных
(xi2)
x 12
x 22
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
0
0
+
0
+
0
0
0
0
0
0
Свойства
(выход) yi
Таблица 2.2.2. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона в
зависимости от содержания битума и степени уплотнения
Факторы
Условия
Верхний уровень
Нижний уровень
Основной уровень
Х вi
Х iн
Х 0i
Шаг варьирования
li
Физическое значение
переменных
Х1 – упХ2 – содержалотняюние битума в
щая насмеси, %
грузка,
(сверх 100%
МПа
минеральной
части)
50
11
10
7
30
9
20
40
2
Кодированное значение
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
x1
=
Х 1 - 300
200
,
x2
=
Х
2
- 9
2
.
В результате реализации эксперимента и обсчета матрицы
планирования получены математические модели предела прочности при сжатии асфальтобетона из гранулированного доменного шлака НЛМК при температуре 20 °С в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума марок БНД 40/60;
БНД 60/90 и БНД 90/130. Математические модели приведены в
таблице 2.2.3, а графическая интерпретация – на рис. 2.2.1.
Рис. 2.2.1. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона
из гранулированного шлака от уплотняющей нагрузки и содержания битума марки: А – БНД 40/60; Б – БНД 60/90; В – БНД -90/130.
Образцы испытаны в возрасте 2 сут., цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Говоря об оптимальном содержании битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов по пределу прочности при сжатии, следует констатировать тот факт, что этот показатель крайне условный [41].
Для подтверждения этого были испытаны те же асфальтобетоны на основе гранулированного доменного шлака и битума
марки БНД 90/130 в возрасте 360 суток и после натурного замораживания в возрасте 360 суток. С этой целью отформованные в
лаборатории образцы разместили под открытым небом, хранили
в течение одного года на уровне 1 м от поверхности земли и за41
тем испытали. Параллельно часть образцов хранили в комнатных условиях при температуре 20 °С в качестве эталонных.
В таблице 2.2.3 и на рис. 2.2.2 приведены математические
модели и их графическая интерпретация изменения предела
прочности при сжатии при температуре 20 °С.
Таблица 2.2.3. Математические модели предела прочности при
сжатии при температуре 20 °С асфальтобетона из гранулированного доменного шлака в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума в смеси
Марка
битума
Математическая модель
Возраст испытания – 2 суток
= 5,84+1,12 x1+0,67 x2+0,17 x1 x2–0,14 x22
БНД 40/60
R 20
БНД 60/90
R 20 = 2,11+0,54 x1+0,03 x2+0,02 x1 x2–0,37 x12–0,17 x22
БНД 90/130 R 20 = 1,79+0,51 x1+0,12 x2+0,04 x1 x2–0,20 x12–0,22 x22
Возраст испытания – 360 суток
2
2
БНД 90/130 R 20 = 1,87+0,25 x1+0,48 x2+0,03 x1 x2–0,05 x1 –0,25 x2
После натурного замораживания
2
2
БНД 90/130 R 20 = 1,37+0,3 x1+0,27 x2+0,05 x1 x2+0,03 x1 –0,17x2
Анализ математических моделей и построенных графиков
показал, что не наблюдается максимум прочности в возрасте
360 сут. с момента изготовления образцов и после натурного
замораживания при варьировании битума от 7 до 11%. У асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака
Новолипецкого металлургического комбината прочность при
сжатии монотонно повышается с увеличением содержания битума.
Это еще раз подтверждает, что процессы структурообразования в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются длительное время с момента изготовления, и определяющую роль, по нашему мнению, в этом случае играет диффузия
как отдельных компонентов, так и битума без изменения его
группового состава в поры шлакового материала.
42
Аналогичные результаты получены с применением ультразвуковых методов испытания на тех же образцах того же состава. По скорости распространения ультразвуковых колебаний
можно определить оптимальное содержание битума. Условия
планирования и матрица эксперимента по изучению скорости
распространения ультразвука в асфальтобетоне из гранулированного доменного шлака в зависимости от содержания битума
и степени уплотнения даны в таблицах 2.2.1 и 2.2.2.
Рис. 2.2.2. Изменение предела прочности при сжатии при температуре 20 °С асфальтобетона из гранулированного шлака в зависимости
от уплотняющей нагрузки и содержания битума марки БНД -90/130:
цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
В таблице 2.2.4 приведены математические модели изменения скорости ультразвуковых волн, а на рис. 2.2.3 – их графическая интерпретация.
Таким образом, в асфальтобетоне из шлаковых материалов
понятие об оптимальном содержании битума не совсем корректно. По нашему мнению, следует рассматривать этот вопрос
с позиции «оптимально необходимого» содержания битума в
смеси для обеспечения деформативной и деформационной способности, а также требуемой коррозионной устойчивости.
43
Таблица 2.2.4. Математические модели изменения скорости
распространения ультразвука в асфальтобетоне из гранулированного доменного шлака в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума в смеси при температуре 20 °С
Марка битума
БНД 90/130
БНД 90/130
БНД 90/130
Математическая модель
Возраст испытания – 2 суток
V20 = 1952 + 139 x1 + 130 x2 + 1,25 x1 x2 + 46 x12 + 218 x22
Возраст испытания – 360 суток
V20 = 2050 + 156 x1 + 169 x2 + 48 x1 x2 + 83 x12 – 70 x22
После натурного замораживания
V20 = 1910 + 194 x1 + 196 x2 + 19 x1 x2 + 15 x12 – 52 x22
Рис. 2.2.3. Изменение скорости ультразвука от содержания битума
в смеси и уплотняющей нагрузки в асфальтобетоне на основе
гранулированного доменного шлака НЛМК и битума марки БНД 90/130
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
При опытно-производственном строительстве и в результате 5-13-летних наблюдений за асфальтобетонными покрытиями из шлаковых материалов установлено, что средняя плотность
вырубок из покрытия соответствует средней плотности образца,
уплотненного давлением 25-30 МПа. Таким образом, асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов подвергаются за44
мораживанию-оттаиванию в недоуплотненном состоянии. Известно, что недоуплотненные покрытия подвергаются более
сильному влиянию воздействия знакопеременных температур,
чем плотные. Поэтому были проведены исследования по изучению влияния степени уплотнения на показатели физикомеханических свойств асфальтобетона из гранулированных
шлаков после замораживания-оттаивания.
Оптимально необходимое содержание битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов с учетом воздействия знакопеременных температур представляет несомненный интерес, так
как это позволит прогнозировать долговечность покрытий в реальных условиях эксплуатации. Для изучения влияния содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания был применен трехфакторный трехуровневый план второго порядка (табл. 2.2.5).
Таблица 2.2.5. Трехуровневый план проведения
экспериментов второго порядка при числе факторов
k = 3 (N = N 1 + Nα + n0)
№
опыта
1
N1 2
3
4
5
6
7
8
9
Nα 10
11
12
13
14
15
n 0 16
17
Матрица
планирования (xi)
x1
x2
x3
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
0
0
0
0
0
0
0
+
+
–
–
+
+
–
–
0
0
+
–
0
0
0
0
0
+
+
+
+
–
–
–
–
0
0
0
0
+
–
0
0
0
Взаимодействие
(xi·xj)
x1 x2 x1 x3 x2 x3
+
–
–
+
+
–
–
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
–
+
–
–
+
–
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
45
+
+
–
–
–
–
+
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Квадраты
переменных (xi2)
x12
x2 2
x32
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
0
0
0
0
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
0
0
0
0
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
0
0
+
+
0
0
0
Условия планирования эксперимента по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости от содержания битума, уплотняющей
нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания приведены в таблице 2.2.6.
Таблица 2.2.6. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона из
шлаковых материалов в зависимости от содержания битума,
уплотняющей нагрузки и количества циклов
замораживания-оттаивания
Факторы
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования l
Кодированное
значение
переменных
Физическое значение
переменных
Х1 – содержание
битума в
смеси, %
Х2 – уплотняющая нагрузка,
МПа
Х3 – количество
циклов замораживания-оттаивания
x1
x2
x3
11
50
100
+1
+1
+1
7
10
0
–1
–1
–1
9
30
50
0
0
0
2
20
50
-
-
-
i
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам
х1 =
Х1 - 9
,
2
х2 =
Х
- 30
,
120
2
х3 =
Х 1 - 50
.
50
Для исследования использовали асфальтобетонную смесь
на основе гранулированного доменного шлака Новолипецкого
металлургического комбината и битума марки БНД 90/130.
После реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель изменения предела проч46
ности при сжатии при температуре +20 °С в зависимости от содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания.
R20 = 1,87 + 0,26 x1 + 0,53 x2 – 0,26 x3 + 0,12 x1 x2 – 0,12 x1 x3 –
– 0,15 x2 x3 + 0,16 x12 – 0,29 x22– 0,08 x32,
где x1, x2, x3 – соответственно кодированные значения содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания.
Анализ математической модели позволяет установить влияние каждого фактора на предел прочности при сжатии при температуре +20 °С. Знаки при линейных значениях коэффициентов x1 и
x2 указывают на то, что с увеличением содержания битума в смеси
и уплотняющей нагрузки предел прочности при сжатии возрастает,
причем влияние уплотняющей нагрузки больше, чем содержания
битума в смеси. Отрицательная величина коэффициента при x3
указывает на снижение предела прочности при сжатии с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания. Коэффициенты при парных взаимодействиях x1 x2 указывают на увеличение
предела прочности, а при x1 x3 и x2 x3 – на снижение предела прочности. Коэффициенты при квадратичных x12, x22, x32 указывают на
наличие минимума предела прочности при изменении содержания
битума и наличие максимума – при изменении уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания.
Для более наглядного восприятия полученной математической модели построены графики (рис. 2.2.4). Как видно из этих
графиков, с увеличением содержания битума в смеси пределы
прочности при сжатии увеличиваются после воздействия количества циклов замораживания-оттаивания. Эта закономерность наблюдается при любой уплотняющей нагрузке.
В условиях водонасыщения и попеременного замораживания-оттаивания в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются процессы гидратации шлаковых материалов, которые
носят конструктивный характер. В этом проглядывается несомненное преимущество активных минеральных материалов, какими являются шлаки, перед традиционно применяемыми природными материалами.
47
Рис. 2.2.4. Зависимость предела прочности при сжатии от уплотняющей
нагрузки, содержания битума марки БНД 90/130 и количества циклов замораживания-оттаивания асфальтобетона из гранулированного доменного шлака НЛМЗ при температуре 20 °С
Цифры на кривых – количество циклов замораживания-оттаивания
Материалы на основе гидравлических вяжущих обладают
способностью к восстановлению первоначальной структуры
вследствие «самозалечивания» дефектов, возникающих при попеременном замораживании-оттаивании. Гидратация шлакового
материала сопровождается возникновением контракционных
пор, которые, согласно С.В. Шестоперову [110], играют роль
микроамортизаторов. Усиление процессов структурообразования под воздействием воды при знакопеременных температурах
приводит к образованию коагуляционно-конденсационной
структуры, упрочненной кристаллизационными сростками, стабильной по отношению к воздействию знакопеременных температур.
В таблице 2.2.7 приведены коэффициенты морозостойкости асфальтобетона в зависимости от содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживанияоттаивания.
48
Таблица 2.2.7. Изменение коэффициента морозостойкости
асфальтобетона из гранулированного доменного шлака
от количества циклов замораживания-оттаивания, уплотняющей
нагрузки и содержания битума
Содержание
битума
марки БНД
90/130, %
7
8
9
10
11
Уплотняющая нагрузка, МПа
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
Количество циклов замораживанияоттаивания
0
25
50
75
100
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,07
1,01
0,99
0,98
0,95
1,04
0,95
0,97
0,96
0,94
1,00
0,97
0,96
0,95
0,93
0,98
0,95
0,95
0,94
0,93
1,01
0,94
0,94
0,93
0,93
1,07
1,00
0,96
0,93
0,90
1,03
0,93
0,93
0,91
0,87
0,97
0,93
0,91
0,89
0,86
0,92
0,90
0,89
0,87
0,85
0,90
0,89
0,88
0,87
0,85
1,03
0,97
0,91
0,91
0,82
0,97
0,88
0,87
0,87
0,79
0,89
0,86
0,83
0,81
0,77
0,84
0,83
0,81
0,79
0,76
0,76
0,81
0,80
0,78
0,76
1,02
0,90
0,84
0,79
0,72
0,77
0,79
0,78
0,74
0,68
0,80
0,76
0,74
0,71
0,66
0,72
0,72
0,71
0,69
0,65
0,69
0,70
0,70
0,69
0,66
С увеличением уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания коэффициент морозостойкости
снижается. Влияние содержания битума в смеси на коэффициент морозостойкости незначительно при общей тенденции
уменьшения с увеличением содержания битума.
49
Анализ результатов исследования по определению оптимального содержания битума в асфальтобетонных смесях с учетом воздействия знакопеременных температур показал, что для
асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака
такого понятия, как «оптимальное» содержание битума, не существует. Следует говорить об «оптимально необходимом содержании битума».
Таким образом, с учетом воздействия знакопеременных
температур «оптимально необходимое» содержание битума в
асфальтобетоне из шлаковых материалов следует принимать в
пределах 8,8-9,8% сверх 100% минеральной части, исходя из того, что при содержании битума меньше 8% асфальтобетонные
смеси плохо уплотняются и не более 10% – с точки зрения экономической эффективности.
Известные способы исследования влияния эксплуатационных и климатических воздействий на асфальтобетон основаны
на дифференциальном подходе к оценке стабильности его
структуры по результатам влияния отдельных факторов. Однако
такая оценка не позволяет учесть одновременное влияние комплекса эксплуатационно-климатических и рецептурных факторов на асфальтобетон, как это имеет место в реальных условиях
эксплуатации покрытий автомобильных дорог. Существующий
ГОСТ 9128-2009 на асфальтобетонные смеси и асфальтобетон
также не учитывает комплексного воздействия факторов. Лабораторные методы оценки показателей качества асфальтобетона
не отражают условия его работы в покрытии при изменяющемся
температурно-влажностном режиме, кроме того, характеристика
свойств асфальтобетона дается по отдельным независимым показателям, а комплексное влияние эксплуатационно-климатических факторов на свойства асфальтобетона практически не
изучено.
Для исследования комплексного воздействия на структурно-механические свойства асфальтобетона из гранулированного
доменного шлака продолжительности водонасыщения, возраста
образцов к началу замораживания и количества циклов замораживания-оттаивания применили метод математического планирования экстремальных экспериментов. План эксперимента
50
приведен в таблице 2.2.5, а условия планирования – в таблице
2.2.8.
Таблица 2.2.8. Условия планирования эксперимента по
изучению свойств асфальтобетона в зависимости от количества
циклов замораживания-оттаивания, возраста образцов и продолжительности водонасыщения к началу замораживания
Факторы
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования l
Физическое значение переменных
Кодированное
значение
Х1 – количество
циклов
замораживанияоттаивания
Х2 – возраст образцов к
началу
замораживания,
сут.
Х3 – продолжительность водонасыщения к началу замораживания,
сут.
x1
x2
x3
100
30
60
+1
+1
+1
0
2
0
–1
–1
–1
50
16
30
0
0
0
50
14
30
-
-
-
i
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
Х 3 - 30
Х - 50
Х 2 - 16
x1 = 1
,
x2 =
, x3 =
.
30
50
14
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получены математические модели изменения предела прочности при сжатии при температуре 20 °С в зависимости
от перечисленных выше факторов (табл. 2.2.9 и рис. 2.2.5; 2.2.6).
Установлено, что асфальтобетоны на гранулированном
доменном шлаке и битуме марки БНД 40/60 с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания до 50 повышают
предел прочности, а затем происходит некоторый ее спад.
51
Таблица 2.2.9. Математические модели предела прочности при
сжатии при температуре 20 °С асфальтобетона в зависимости от
количества циклов замораживания-оттаивания, возраста образцов и продолжительности водонасыщения
Составы асфальтобетона
Гранулированный доменный шлак Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 40/60 – 9%
Гранулированный доменный шлак Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 90/130 – 9%
Математическая модель
R20 = 7,33 + 0,08 x1 + 0,16 x2 + 0,13 x3 – 0,54
x1 x2 – 0,03 x1 x3 + 0,14 x2 x3 – 1,12 x12+
+ 0,08 x22 – 1,69 x32
R20 = 1,99 – 0,31 x1+ 0,15 x2 + 0,04 x3 – 0,08
x1 x2 + 0,41 x1 x3 + 0,08 x2 x3 + 0,29 x12+
+ 0,41 x22 – 0,50 x32
Рис. 2.2.5. Влияние количества циклов замораживания-оттаивания, возраста образцов и продолжительности водонасыщения на пределы
прочности при сжатии асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 40/60 – 9%.
Цифры на кривых – продолжительность водонасыщения, сут.
52
Предварительное выдерживание образцов (рис. 2.2.5) до 60
суток в воде оказывает положительное влияние на морозостойкость материала. Нарастание прочности при сжатии в возрасте
объясняется установлением адсорбционно-диффузного равновесия в системе шлак-битум.
Выдерживание образцов в воде способствует модификации
поверхности шлаковых материалов под пленкой битума вследствие диффундирования воды через битум, избыток которой отсасывается сложной системой пор и каналов внутрь. При замораживании-оттаивании асфальтобетона до 50 циклов конструктивные процессы преобладают над деструктивными.
В таблице 2.2.10 приведены коэффициенты морозостойкости асфальтобетона на гранулированном доменном шлаке и
битуме марки БНД 40/60. С увеличением срока выдерживания
образцов к моменту замораживания морозостойкость снижается, а с увеличением времени водонасыщения – морозостойкость снижается при выдерживании в воде до 30 суток, а затем
– возрастает.
Асфальтобетоны на основе гранулированного доменного
шлака и битума марки БНД 90/130 (рис. 2.2.6) с увеличением возраста образцов к началу замораживания до 16 суток несколько
снижают прочность после замораживания, а затем предел прочности при сжатии начинает возрастать. С увеличением продолжительности водонасыщения и количества циклов замораживанияоттаивания наступление адсорбционно-диффузного равновесия
ускоряется, и предел прочности возрастает. Аналогичные результаты получены и при анализе изменения коэффициента морозостойкости (табл. 2.2.10). При сопоставлении коэффициентов морозостойкости асфальтобетона с битумами разной вязкости закономерность изменения морозостойкости сохраняется: чем выше
вязкость битума, тем выше морозостойкость.
В первый период (до 50 суток) преобладают деструктивные процессы, а затем – конструктивные. Несмотря на некоторое снижение предела прочности при сжатии после замораживания-оттаивания, все асфальтобетоны на шлаковых материалах
по прочностным показателям удовлетворяют требованиям [30].
53
54
55
Рис. 2.2.6. Влияние количества циклов замораживания-оттаивания, возраста образцов и продолжительности водонасыщения на пределы
прочности при сжатии асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%
Повышение грузонапряженности автомобильных дорог
приводит к увеличению эксплуатационных нагрузок, которым
подвергается асфальтобетон в дорожных покрытиях.
Асфальтобетонные материалы работают в дорожной конструкции в самых разнообразных условиях. При движении автомобилей в покрытии возникают прогибы, вызывающие деформации растяжения при изгибе; при торможении автомобильного транспорта асфальтобетон подвергается значительным
напряжениям сдвига; при колебании температуры воздуха в покрытии возникают растягивающие или сжимающие напряжения,
а при морозном пучении земляного полотна возникают деформации растяжения и сжатия при изгибе.
Для оценки деформативной способности предложено значительное число показателей: коэффициент теплоустойчивости,
предел прочности на растяжение при изгибе, предельное отно56
сительное удлинение, ползучесть и скорость ползучести, модули
деформации и упругости, вязкость ненарушенной структуры,
кинетические характеристики и др. (Н.М. Распопов, М.М. Гоглидзе, С.В. Бельковский, Н.В. Горелышев, Н.Н. Иванов, В.В. Михайлов, Б.И. Ладыгин, А.М. Богуславский И.М. Руденская). В настоящее время в нашей стране нормируется предел прочности
при изгибе [83], предел прочности при сжатии при температуре
0 °С и предел прочности при расколе по ГОСТ 9128-2009 [30]. В
то же время следует отметить, что определяющим параметром с
точки зрения деформативной способности являются как предел
прочности при изгибе, так и предельное относительное удлинение при изгибе, а также вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона.
Свойства асфальтобетонных материалов изменяются в широких пределах в зависимости от температуры, вида напряженного состояния, величины напряжения и времени действия нагрузки, причем влияние этих факторов неоднозначно.
Основные режимы загружения, встречающиеся при эксплуатации и принятые в исследованиях, следующие: действие
постоянной нагрузки, деформирование с постоянной скоростью,
периодический режим загружения.
Режим действия постоянно возрастающей нагрузки принят
при определении предела прочности при изгибе балочек размером 40х40х160 мм, приготовленных из асфальтобетонной смеси
на шлаковых материалах.
В работе исследовали изменение предела прочности при
изгибе асфальтобетона из гранулированного доменного шлака и
битумов марок БНД 60/90 и БНД 90/130 в зависимости от уплотняющей нагрузки, содержания битума в смеси, возраста образцов, количества циклов замораживания-оттаивания, температуры испытания.
Изучение влияния содержания битума, уплотняющей нагрузки и температуры испытания на пределы прочности при изгибе проводили на асфальтобетоне из гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 90/130 с применением математического метода планирования экстремальных экспериментов.
Условия планирования и матрица эксперимента приведены
в табл. 2.2.1 и 2.2.2. Уплотняющая нагрузка Х изменяется в пре57
делах от 10 до 50 МПа, а содержание битума – от 7 до 11%
сверх 100% минеральной части (кодированные значения изменяются от –1 до +1).
Переход от кодированных значений к физическим осуществляется по формулам:
Х - 30
Х - 9
х1 = 1
и
х2 = 2
.
20
2
В результате проведения эксперимента и обсчета матрицы
планирования получены математические модели изменения
предела прочности при изгибе в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки при температурах –20, 0 и +20 °С:
R-20 = 4,93 +2,01 x1+ 0,75 x2 + 0,03 x1 x2 + 0,02 x12 + 0,26 x22; (1)
R0 = 2,59 +1,13 x1+ 0,43 x2 – 0,18 x1 x2 + 0,05 x12 + 0,18 x22; (2)
R20 = 0,84 + 0,28 x1+ 0,22 x2 – 0,02 x1 x2 + 0,12 x12 – 0,07 x22. (3)
Анализ математических моделей позволил установить, что
прочность при изгибе при температуре –20 °С возрастает при
увеличении уплотняющей нагрузки и содержания битума, так
как коэффициенты при линейных значениях x1 и x2 имеют положительный знак. Значения коэффициентов при линейных переменных указывают на то, что прочность в большей степени
зависит от уплотняющей нагрузки, нежели от содержания битума; коэффициент при x1 x2 указывает, что совместное увеличение содержания битума и уплотняющей нагрузки также приводит к увеличению предела прочности при изгибе. При температуре 0 °С на предел прочности при изгибе положительное влияние оказывает увеличение содержания битума и уплотняющей
нагрузки, причем уплотняющая нагрузка более чем в два раза
оказывает влияние, чем содержание битума в смеси. При температуре +20 °С предел прочности при изгибе также возрастает с
увеличением содержания битума и уплотняющей нагрузки, причем их влияние практически равнозначно.
Более детальный анализ влияния каждого из приведенных
факторов можно провести по графикам, построенным по этим
моделям (рис. 2.2.7).
58
Рис. 2.2.7. Изменение предела прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 60/90 в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки в возрасте 2 суток.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Анализ рис. 2.2.7 позволил установить, что предел прочности при изгибе возрастает с увеличением содержания битума в
смеси и с увеличением уплотняющей нагрузки при любой температуре.
Исследования изменения предела прочности при изгибе в
зависимости от возраста образцов и уплотняющей нагрузки при
температурах –20, 0 и +20 °С проводили на асфальтобетонах
следующих составов:
1. Гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки
БНД 60/90 – 9%.
2. Гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки
БНД 90/130 – 9%.
Матрица эксперимента приведена в табл. 2.2.1, а условия
планирования – в табл. 2.2.11.
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
х1 =
Х 1 - 30
20
и
59
х2 =
Х
2
- 90
.
90
Таблица 2.2.11. Условия планирования эксперимента
по изучению свойств асфальтобетона в зависимости от уплотняющей нагрузки и возраста образцов к моменту испытания
Факторы
Условия
Верхний уровень
Нижний уровень
Основной уровень
Шаг варьирования
Х iв
Х iн
Х i0
li
Физическое значение
переменных
Х1 – уплотХ2 – возраст
няющая на- образцов к нагрузка, МПа чалу замораживания, сут.
50
180
10
0
30
90
20
90
Кодированное значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
Математические модели, полученные после реализации
опытов и обсчета матрицы планирования, представлены в табл.
2.2.12.
По математическим моделям построены графики (рис.
2.2.8 и 2.2.9).
Рассмотрим отдельно математические модели 4-9 и рис.
2.2.8 и 2.2.9 асфальтобетонных материалов на основе гранулированного шлака и битумов марок БНД 60/90 и БНД 90/130. При
температуре испытания +20 °С характер изменения предела
прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона на битуме
марки БНД 60/90 аналогичен асфальтобетону на битуме марки
БНД 90/130. Коэффициенты при линейном x2 больше, чем при x1.
Это указывает на то, что возраст образцов к моменту испытания
оказывает большее влияние на предел прочности, чем уплотняющая нагрузка. Как с повышением уплотняющей нагрузки,
так и с увеличением возраста образцов к началу замораживанияоттаивания предел прочности на растяжение при изгибе возрастает. Увеличение прочности объясняется продолжающимися
процессами структурообразования. Структурообразование происходит как в результате модификации поверхности зерен гранулированного шлака, так и вследствие диффузии битума и его
компонентов в поры материала.
60
61
Рис. 2.2.8. Зависимость предела прочности на растяжение при
изгибе от уплотняющей нагрузки, возраста образцов к моменту испытания и температуры асфальтобетона состава: гранулированный доменный
шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки
БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 2.2.9. Зависимость предела прочности на растяжение при
изгибе от уплотняющей нагрузки, возраста образцов к моменту испытания и температуры асфальтобетона состава: гранулированный доменный
шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки
БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
62
При температуре 0 °С на предел прочности на растяжение
при изгибе большее влияние оказывает уплотняющая нагрузка
по сравнению с возрастом образцов к моменту испытания (коэффициенты при линейных x1 больше x2). В остальном характер
изменения прочности аналогичен пределу прочности на растяжение при изгибе при температуре +20 °С.
При температуре испытания –20 °С у асфальтобетона на
гранулированном доменном шлаке и битуме марки БНД 60/90
наблюдается максимум предела прочности при изгибе. По всей
видимости, процессы структурообразования в асфальтобетоне
на основе гранулированного шлака и битума марки БНД 60/90
протекают более интенсивно, чем на битуме марки БНД 90/130,
и структурированный битум меньше изменяет свои свойства
при отрицательной температуре.
Было изучено также влияние знакопеременных температур
на изменение предела прочности при изгибе. Условия планирования и матрица приведены в таблицах 2.2.13 и 2.2.1. Содержание
битума в смесях принято 9% (сверх 100% минеральной части).
Таблица 2.2.13. Условия планирования эксперимента
по изучению свойств асфальтобетона в зависимости от уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживанияоттаивания
Факторы
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень
Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования
l
i
Физическое значение
переменных
Х1 – уплот- Х2 – количеняющая на- ство циклов
замораживагрузка,
нияМПа
оттаивания
50
100
10
0
30
50
20
50
Кодированное
значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
63
x1
=
Х 1 - 30
20
и
x2
=
Х
2
- 50
50
.
Математические модели изменения предела прочности на
растяжение при изгибе приведены в таблице 2.2.14. Все уравнения адекватно отражают процесс изменения прочности при изгибе.
Детальный анализ математических моделей 10-15 таблицы
2.2.14 и рис. 2.2.10 и 2.2.11 показывает, что при положительных
температурах предел прочности на растяжение при изгибе с
увеличением количества циклов замораживания-оттаивания повышается с возрастанием уплотняющей нагрузки.
Рис. 2.2.10. Зависимость предела прочности на растяжение при
изгибе от уплотняющей нагрузки, количества циклов замораживанияоттаивания и температуры испытания асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината
– 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Это является следствием модификации поверхности шлаковых зерен, приводящих к увеличению их удельной поверхности за счет образования кристаллогидратов, пронизывающих
битумные пленки и армирующих их. Повышение адгезионной и
когезионной прочности наряду с увеличением межмолекулярного контакта объясняется еще и с позиции диффузной теории адгезии. Кристаллогидраты защемляют битум и увеличивают тем
самым механическую адгезию битума к поверхности шлакового
материала.
64
65
Рис. 2.2.11. Зависимость предела прочности на растяжение при
изгибе от уплотняющей нагрузки, количества циклов замораживанияоттаивания и температуры испытания асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината
– 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
С точки зрения структурирующей способности особенность асфальтобетона на гидравлически активных наполнителях
при воздействии знакопеременных температур проявляется при
исследовании предела прочности на растяжение при изгибе в
области отрицательных температур. На рис. 2.2.10 и 2.2.11 видим, что предел прочности на растяжение при изгибе у асфальтобетона имеет экстремальное значение.
Для асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 90/130 наибольший предел прочности на растяжение при изгибе наблюдается после 25-75 циклов замораживания-оттаивания в зависимости от величины уплотняющей нагрузки, а у асфальтобетона на битуме марки БНД
60/90 область максимальных значений предела прочности на
растяжение при изгибе при температуре –20 °С смещается в область большего воздействия количества циклов замораживанияоттаивания (50-75 циклов).
При воздействии знакопеременных температур на водонасыщенные образцы происходит длительный контакт с водой,
который сопровождается процессами диффузии воды через би66
тумную пленку. Система пор и капилляров шлакового материала отсасывает избыток воды внутрь материала, а остальная вода
расходуется на модификацию поверхности шлака. Чем выше
вязкость битума и толще пленка его на поверхности минеральных материалов, тем меньше воды продиффундирует через нее.
Этим можно объяснить то, что максимальный предел прочности
на растяжение при изгибе наблюдается у асфальтобетона на битуме марки БНД 90/130 при воздействии меньшего количества
циклов замораживания-оттаивания и при большей уплотняющей
нагрузке, чем у асфальтобетона на битуме марки БНД 60/90.
Таким образом, при воздействии знакопеременных температур на асфальтобетоны с использованием активных минеральных составляющих структура битумной пленки оптимизируется, весь битум переходит в структурированное состояние, и
он в меньшей степени подвержен температурному воздействию.
Как отмечают авторы [107], по величине предела прочности на растяжение при изгибе нельзя судить о трещиностойкости асфальтобетонных покрытий. Наиболее приемлемым для
прогнозирования трещиностойкости и долговечности является
показатель предельного относительного удлинения при изгибе.
Было исследовано предельное относительное удлинение
при изгибе асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината и битума марки БНД 90/130 в зависимости от содержания битума,
уплотняющей нагрузки и температуры испытания [45, 46] (матрица планирования и условия эксперимента приведены в таблицах 2.2.5 и 2.2.15).
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
х1 =
Х 1 - 30
,
20
х2 =
Х
2
- 9
,
2
х3 =
Х1 - 0
.
20
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования построена математическая модель
e = (28,11 + 1,67 x1+ 4,49 x2+ 12,15 x3– 0,64 x12– 2,26 x22– 3,15 x32–
– 1,72 x1 x2 +2,04 x1 x3 + 4,01 x2 x3)·10-3.
67
Уравнение адекватно отражает процесс изменения предельного относительного удлинения при изгибе.
Таблица 2.2.15. Условия планирования эксперимента
по изучению свойств асфальтобетона в зависимости от уплотняющей нагрузки, содержания битума в смеси и температуры
испытания
Факторы
Физическое значение
переменных
Х1 – уплотняющая
нагрузка, МПа
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования l
i
50
10
30
20
Х2 – содержание битума в
смеси,
%
11
7
9
2
Х3 –
температура
испытания,
°С
+20
– 20
0
20
Кодированное
значение
переменных
x1
x2
х3
+1
–1
0
+1
–1
0
+1
–1
0
Анализ математической модели позволяет установить некоторые закономерности:
1) наибольшее влияние на предельное относительное удлинение при изгибе оказывает температура испытания; с увеличением температуры предельное относительное удлинение увеличивается, на что указывает знак при переменном x3;
2) вторым фактором по своей значимости является содержание битума в смеси;
3) уплотняющая нагрузка также увеличивает предельное
относительное удлинение при изгибе.
Построенный по математической модели рис. 2.2.12 позволил более детально выявить влияние каждого фактора на предельное удлинение при изгибе.
В области положительных температур с увеличением содержания битума в смеси и уплотняющей нагрузки относительное удлинение при изгибе возрастает, причем содержание битума в смеси оказывает большее влияние, чем уплотняющая нагрузка. Иная картина наблюдается при исследовании относи68
Предельное относительное удлинение, 10 -3
тельного удлинения в области отрицательных температур. При
температуре 0 °С с увеличением уплотняющей нагрузки влияние содержания битума на предельное относительное удлинение
при изгибе сказывается меньше. Интенсивность роста предельного удлинения при изгибе при температуре 0 °С снижается.
10
48
44
40
Уплотняющая нагрузка, МПа
30
40
20
20
36
0
10
32
24
10
0
-10 0
20
16
7
8
9 10 11
7
10
0
10
-10 0
0
-10
-20 0
8
50
0
20
0
100
0
0
00
-200
12
20
0
0
20
00
28
8
20
0
0
0
0
0
0
0
-100
-200
-200
-10
-20
0
7 8 9 10 11
7 8
9 10 11
7 8 9 10 11
Содержание битума в смеси, %
9
10 11
Рис. 2.2.12. Влияние уплотняющей нагрузки, температуры
испытания и содержания битума марки БНД 90/130 на предельное
относительное удлинение асфальтобетона из гранулированного
доменного шлака НЛМК.
Цифры на кривых – температура испытания асфальтобетона, °С
При температуре –10 °С и –20 °С наблюдается максимальное значение предельного относительного удлинения при
уплотняющей нагрузке и содержании битума. Максимальное
значение предельного удлинения при изгибе при температуре
–10 °С с увеличением уплотняющей нагрузки смещается в область меньшего содержания битума. Аналогичное изменение
происходит при температуре –20 °С, причем при этой температуре с увеличением уплотняющей нагрузки абсолютная величина максимального удлинения при изгибе уменьшается.
Полученные закономерности на первый взгляд кажутся
противоречивыми. Казалось бы, следовало ожидать увеличения
предельного относительного удлинения при увеличении содер69
жания битума [25]. Однако относительное удлинение должно
было бы тоже увеличиваться с увеличением уплотняющей нагрузки, так как весь битум переходит в структурированное состояние вследствие дробления шлаковых зерен и увеличения
удельной поверхности, толщина битумной пленки в это время
имеет оптимальную величину. Это явление происходит и в реальных условиях, но здесь накладывается явление эффекта диффузии битума в поры материала (того битума, который продиффундировал в поры без изменения группового состава). При увеличении уплотняющей нагрузки зерна шлакового материала дробятся, продифундированный в поры битум освобождается и расходуется на создание битумной пленки оптимальной толщины.
О деструкции асфальтобетонных материалов в процессе
периодического замораживания-оттаивания некоторые авторы
судят по изменению предельного относительного удлинения. По
их данным [107], при увеличении количества циклов замораживания-оттаивания относительное удлинение уменьшается, что
свидетельствует о деструктивных процессах. Проведенные ими
исследования относятся к асфальтобетонным материалам на основе инертных компонентов.
В наших исследованиях в асфальтобетоне применяются
гидравлически активные минеральные компоненты (гранулированные доменные шлаки), и поэтому были проведены исследования по изучению влияния воздействия знакопеременных температур на предельное относительное удлинение при изгибе [45,
46]. Использовали метод математического планирования экстремальных экспериментов. Условия планирования и матрица
эксперимента приведены в табл. 2.2.5 и 2.2.16.
Исследования проводили на асфальтобетонах следующих
составов:
1) гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки
БНД 60/90 – 9%;
2) гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки
БНД 90/130 – 9%;
Независимыми переменными были приняты: уплотняющая
нагрузка (x1), температура испытания (x2) и количество циклов
замораживания-оттаивания (x3).
70
Таблица 2.2.16. Условия планирования эксперимента
по изучению свойств асфальтобетона в зависимости от уплотняющей нагрузки, температуры испытания и количества циклов
замораживания-оттаивания
Факторы
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень
Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования
l
i
Кодированное
значение
переменных
Физическое значение
переменных
Х1 –
Х2 –
уплоттемпеняюратура
щая
испынатания,
грузка,
0
С
МПа
50
+20
10
-20
30
0
20
20
Х3 – количество
циклов
замораживанияоттаивания
100
0
50
50
x1
x2
x3
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
x1 =
Х 1 - 30
20
,
x2
=
Х
- 0
20
2
,
x3
=
Х 1 - 50
50
.
Математические модели для 1-го и 2-го составов выглядят
соответственно следующим образом:
e = (28,16 + 6,55 x1+ 11,55 x2 + 0,14 x3 – 8,67 x12 + 0,68 x22 + 2,76 x32 +
+ 5,33 x1 x2 + 9,08 x1 x3 – 3,38 x2 x3)·10-3,
(16)
e = (29,02 + 2,51 x1+ 15,5 x2 – 0,88 x3 + 1,27 x12 + 3,88 x22 + 0,82 x32 +
+ 0,42 x1 x2 + 0,78 x1 x3 – 1,38 x2 x3)·10-3.
(17)
Уравнения адекватно отражают процесс изменения предельного относительного удлинения при изгибе.
Анализ математических моделей и построенных по ним
графиков (рис. 2.2.13 и 2.2.14) позволяет установить значимость
каждого фактора на предельное относительное удлинение при
изгибе и закономерности его изменения.
71
Рис. 2.2.13. Влияние уплотняющей нагрузки, температуры испытания
и количества циклов замораживания-оттаивания на предельное
относительное удлинение асфальтобетона состава: гранулированный
доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – температура испытания асфальтобетона, °С
Как и следовало ожидать, предельное относительное удлинение при изгибе с понижением температуры уменьшается для
всех составов асфальтобетонных материалов, но влияние вида
вяжущего и минерального материала прослеживается.
Рассмотрим математическую модель 16 и рис. 2.2.13. Из
рис. 2.2.13 видно, что с увеличением уплотняющей нагрузки
предельное относительное удлинение асфальтобетона состава
№ 1 изменяется коренным образом с увеличением количества
циклов замораживания-оттаивания.
При уплотняющей нагрузке 10 МПа предельное относительное удлинение при изгибе с увеличением количества циклов
замораживания-оттаивания снижается в 3,5 раза при температуре +20 °С и в 3,8 раза – при температуре –20 °С. С увеличением
уплотняющей нагрузки влияние воздействия знакопеременных
температур на предельное относительное удлинение при изгибе
уменьшается и приобретает положительное влияние (предельное относительное удлинение увеличивается). Интересен также
тот факт, что при уплотняющих нагрузках 20-30 МПа предель72
ное относительное удлинение при изгибе при положительных
температурах снижается с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания, а при отрицательных – возрастает.
При уплотнении асфальтобетона на основе гранулированного
доменного шлака и битума марки БНД 60/90 нагрузками 40-50
МПа предельное относительное удлинение при изгибе возрастает с первых циклов замораживания-оттаивания. По всей видимости, при уплотняющей нагрузке 10 МПа пленка битума на
поверхности материала препятствует диффундированию влаги и
образованию органоминеральных соединений. С увеличением
уплотняющей нагрузки толщина пленки битума на поверхности
частиц уменьшается, и вода диффундирует через нее. Происходит модификация поверхности гранулированного шлака, и образуются органоминеральные соединения, которые более деформативны при отрицательных температурах.
В области положительных температур с увеличением
содержания битума в смеси и уплотняющей нагрузки относительное удлинение при изгибе возрастает, причем содержание
битума в смеси оказывает большее влияние, чем уплотняющая нагрузка. Иная картина наблюдается при исследовании
относительного удлинения в области отрицательных температур. При температуре 0 °С с увеличением уплотняющей нагрузки влияние содержания битума на предельное относительное удлинение при изгибе сказывается меньше. Интенсивность роста предельного удлинения при изгибе при температуре 0 °С снижается.
Аналогичные явления наблюдаются у асфальтобетона на гранулированном шлаке и битуме марки БНД 90/130. Отличие состоит только в том, что процессы структурообразования происходят
более длительное время (рис. 2.2.14).
Таким образом, воздействие знакопеременных температур
оказывает положительное влияние на деформативность асфальтобетона из гранулированных доменных шлаков, особенно при
отрицательных температурах.
73
Рис. 2.2.14. Влияние уплотняющей нагрузки, температуры испытания и количества циклов замораживания-оттаивания на предельное относительное удлинение асфальтобетона состава: шлаковый песок НЛМК
– 100%, битума марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – температура испытания асфальтобетона, °С
Наиболее характерными деформациями, возникающими в
летнее время на асфальтобетонных покрытиях, являются сдвиговые. Такие деформации особенно часто возникают в местах
фиксированных остановок и на транзитных участках дорог при
изменении скорости движения. Асфальтобетон в дорожном покрытии при достаточно высоких температурах воздуха обладает
свойствами вязко-пластичных тел, и поэтому основным в этом
случае является требование к его сдвигоустойчивости. Сопротивление сдвигу асфальтобетона может быть охарактеризовано
уравнением Кулона [34]. Так как минеральные вещества асфальтобетона покрыты битумными пленками, то прочность при
сдвиге определяется прежде всего трением в пленках. Только
после предварительного сдвига в работу включается минеральный материал, образующий каркас асфальтобетона. Микрошероховатость при большой степени насыщения смеси структурообразующими частицами сказывается на увеличении общей поверхности скольжения, что приводит к увеличению силы сдвига.
74
Шлаковые материалы обладают высокоразвитой удельной
поверхностью и микрошероховатостью, что повышает сопротивление асфальтобетона из этих материалов сдвигу. Асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов в начальный период эксплуатации имеют степень уплотнения, соответствующую
образцам, уплотненным в лабораторных условиях давлением 1015 МПа, но, несмотря на это, на такого типа покрытиях не возникает сдвиговых деформаций. Поэтому нами проведены исследования по обоснованию сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий.
Как известно, прочность на сжатие и растяжение зависит
от угла внутреннего трения φ и сцепления С [34]. Сопротивление трению в основном обуславливается крупностью минерального скелета, его однородностью, количеством вяжущего материала, степенью уплотнения, пористостью, температурой и т.д.
Сцепление в асфальтобетоне зависит от температуры испытания, скорости деформирования, времени приложения нагрузки и
т.д. Однако в оценке влияния на угол внутреннего трения температуры асфальтобетона существуют различные точки зрения
[34].
Учитывая, что сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий обусловливается сцеплением и внутренним трением,
нами проведены исследования φ и С для асфальтобетона на гранулированном доменном шлаке и битуме марки БНД 90/130 в
зависимости от температуры испытания, скорости деформирования, содержания битума в смеси и степени уплотнения. Для
выявления закономерности изменения угла внутреннего трения
и сцепления в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума был использован метод математического планирования экстремальных экспериментов. Матрица планирования
и условия приведены в таблицах 2.2.1 и 2.2.2.
В результате реализации матрицы планирования и обсчета
данных получены математические модели для определения угла
внутреннего трения и сцепления:
φ = 33,7 + 4,3 x1 + 0,6 x2 + 0,4 x1 x2 – 2,3 x12 – 1,9 x22;
С = 0,54 + 0,107 x1 + 0,064 x2 - 0,012 x1 x2 + 0,013 x12 – 0,03 x22,
75
где x1 – кодированное значение уплотняющей нагрузки (физическое значение изменяется от 10 до 50 МПа);
x2 – кодированное значение содержания битума в смеси
(физическое содержание битума изменяется от 7 до 11%).
Переход от кодированных значений к физическим осуществляется по формулам:
Х2 - 9
x2 =
2 .
Х 1 - 30
x1 =
;
20
Анализ математических моделей и построенных по ним
графикам (рис. 2.2.15 и 2.2.16) показывает, что:
на угол внутреннего трения и сцепление большее влияние
оказывает уплотняющее давление, чем содержание битума (коэффициенты при x1 больше, чем при x2);
с увеличением уплотняющего давления и содержания битума в смеси сцепление возрастает;
отрицательные значения коэффициентов в математической
модели указывают на наличие экстремума угла внутреннего
трения.
Рис. 2.2.15. Изменение угла внутреннего трения асфальтобетонной смеси
на основе гранулированного доменного шлака в зависимости от степени
уплотнения и содержания битума марки БНД 90/130.
Цифры на кривых – степень уплотнения, МПа
76
Рис. 2.2.16. Изменение сцепления асфальтобетонной смеси на основе гранулированного доменного шлака в зависимости от степени уплотнения и
содержания битума марки БНД 90/130 при температуре +20 0С.
Цифры на кривых – степень уплотнения, МПа
Ранее нами было показано, что в асфальтобетоне на основе
гранулированного шлака и битума марки БНД 90/130 наблюдается «блуждающий» оптимум битума по максимальной прочности при сжатии, равный 9,36% при уплотняющей нагрузке 10
МПа и 9,72% при уплотняющей нагрузке 50 МПа. Аналогичное
явление наблюдается и при определении угла внутреннего трения в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки.
Содержание битума, соответствующее максимальному
значению угла внутреннего трения в зависимости от степени
уплотнения, можно определить, взяв первую производную
dφ/dx2 и приравняв ее к нулю:
dφ/dx2 = 0,6 + 0,4 x1– 3,8 x2 = 0, отсюда
x2 = (0,6 + 0,4 x1)/3,8.
При уплотняющей нагрузке 10 МПа (кодированное значение x1 = –1), x2 = 0,0526 (Х2 = 9,105% битума) угол внутреннего
трения равен 27,1 градуса. При уплотняющей нагрузке 50 МПа
(кодированное значение x1 = +1), x2 = 0,0526 (Х2 = 9,526% битума) угол внутреннего трения равен 36,1 градуса.
77
Сопоставляя оптимум битума по прочности с оптимумом
битума по максимальному углу внутреннего трения, видим, что
в последнем случае оптимум по максимальному углу внутреннего трения смещен в сторону меньшего содержания битума.
Это еще раз подтверждает, что оптимальной структуры по всем
показателям нет, а необходимо выбирать оптимальные составы
по доминирующим факторам в реальных условиях эксплуатации, что согласуется с выводами А.В. Руденского [89].
Было изучено влияние скорости деформирования на изменение угла внутреннего трения и сцепления (рис. 2.2.17). Как
видно из рис. 2.2.17, угол внутреннего трения практически не
зависит от скорости деформирования, а сцепление возрастает,
что не противоречит современным данным.
Рис. 2.2.17. Влияние скорости деформирования на сцепление и угол внутреннего трения асфальтобетона при температуре
испытания +20 0С
Для объяснения сдвигоустойчивости асфальтобетонных
покрытий из шлаковых материалов был произведен эксперимент по исследованию угла внутреннего трения и сцепления в
зависимости от температуры испытания (рис. 2.2.18). Было установлено, что угол внутреннего трения практически не зависит
от температуры испытания, а сцепление существенно зависит.
В работе Н.Н. Иванова [37] показано, что устойчивость асфальтобетонного покрытия к образованию пластических де-
78
формаций имеет место, когда прочность асфальтобетона при
сжатии будет больше Rрасч., т.е. Rсж > Rрасч.
2shlk
Rрасч. =
æp j ö ,
Dtg ç + ÷
è4 2ø
где σ – расчетное напряжение, действующее на покрытие;
h – толщина слоя асфальтобетона;
λ – коэффициент, учитывающий совместное действие вертикальных и горизонтальных напряжений (для участков торможения достигает 2,5-3);
D – диаметр следа колеса;
φ – угол внутреннего трения (в нашем случае принимаем
32 град.);
k – коэффициент, учитывающий повторность нагрузок,
равный 2.
Рис. 2.2.18. Влияние температуры испытания на угол
внутреннего трения и сцепления асфальтобетона
2 × 06 × 5 × 3 × 2
Rрасч. =
æ p 32 ö = 0,585 МПа.
34tg ç + ÷
è4 2 ø
Фактическая прочность асфальтобетона из шлаковых материалов значительно выше, чем расчетная по условиям сдвигоустойчивости при температуре + 50 °С, и поэтому на асфальто79
бетонных покрытиях из шлаковых материалов не наблюдается
сдвигов, волн и наплывов.
Следует отметить, что после 3 месяцев эксплуатации асфальтобетонного покрытия на основе гранулированного доменного шлака угол внутреннего трения увеличивается до 40-42
градусов.
2.3. Асфальтобетонные смеси на основе
шлакопемзового песка
При переработке шлаковой пемзы на щебень образуются
отходы дробления (шлакопемзовый песок) в количестве до 20%
от массы перерабатываемого материала.
Средняя плотность шлакопемзового песка колеблется в
пределах 1,32-1,35 г/см 3 , поверхность зерен шероховатая. Шлакопемзовый песок обладает более слабыми гидравлическими
свойствами по сравнению с гранулированными доменными
шлаками.
Проведенные лабораторные и производственные исследования позволили установить, что шлакопемзовые пески можно
использовать для изготовления асфальтобетона в естественном
составе, который получается после отсева при дроблении шлаковой пемзы на щебень [42, 93, 102]. В процессе технологических операций (разогрев шлакопемзового песка, перемешивание
его с битумом и уплотнение асфальтобетонной смеси) вследствие высокой хрупкости и дробления зерен гранулометрический
состав удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2009 на песчаные
асфальтобетонные смеси типа Г (см. табл. 1.2.3). Таким образом,
шлакопемзовые пески можно использовать для приготовления
асфальтобетонных смесей без введения дорогостоящего минерального порошка.
Определение оптимального содержания битума в асфальтобетоне на основе шлакопемзового песка проводили математическим методом планирования экстремальных экспериментов.
Формирование асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов продолжается длительное время с момента устройства.
Средняя плотность асфальтобетона из шлаковых материалов в
начальный момент эксплуатации соответствует средней плотности образца, сформированного в лабораторных условиях уплот80
няющей нагрузкой на гидравлическом прессе давлением 10-17
МПа, в последующий период эксплуатации средняя плотность
асфальтобетона в покрытии достигает средней плотности образца, уплотненного давлением 25-30 МПа. Поэтому уплотняющая
нагрузка вошла в план эксперимента независимой переменной.
Условия планирования и матрица эксперимента по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона в зависимости от содержания битума и степени уплотнения приведены в таблицах 2.2.2 и 2.3.1.
Таблица 2.3.1. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона из
шлакопемзового песка в зависимости от содержания битума и
степени уплотнения
Факторы
Х1 – уплотняющая нагрузка,
МПа
Условия
Верхний уровень
Нижний уровень
Основной уровень
Шаг варьирования
Кодированное
значение переменных
Физическое значение
переменных
Х вi
Х iн
Х 0i
50
10
30
20
li
Х2 – содержание битума в
смеси, %
(сверх 100%
минеральной
части)
13
9
11
2
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
x1
=
Х
1
- 30
20
,
x2
=
Х
2
- 11
2
.
В результате реализации эксперимента и обсчета матрицы планирования получены математические модели предела
прочности при сжатии асфальтобетона из шлакопемзового песка
при температуре 20 °С в зависимости от уплотняющей нагрузки
и содержания битума марок БНД 40/60; БНД 60/90 и БНД
90/130.
81
Математические модели приведены в таблице 2.3.2, а их
графическая интерпретация – на рис. 2.3.1.
Таблица 2.3.2. Математические модели предела прочности при сжатии асфальтобетона из шлакопемзового песка при
температуре 20 °С в зависимости от уплотняющей нагрузки и
содержания битума марок БНД 40/60; БНД 60/90 и БНД 90/130
Марка
битума
Математическая модель
БНД 40/60
R 20 = 4,86+1,11 x1+0,03 x2+0,01 x1 x2–0,80 x12–0,41 x22
БНД 60/90
R 20 = 4,50+1,23 x1–0,1 x2+0,01 x1 x2–1,02 x12–0,32 x22
БНД 90/130 R 20 = 3,16+1,04 x1+0,02 x2+0,01 x1 x2–0,50 x12–0,45 x22
Рис. 2.3.1. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона из
шлакопемзового песка от уплотняющей нагрузки и содержания битума
марки: А – БНД 40/60; Б – БНД 60/90; В – БНД -90/130
Образцы испытаны в возрасте 2 сут., цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Как видно из представленных графиков, асфальтобетонные
смеси на основе шлакопемзового песка мало чувствительны к
содержанию битума. Оптимальное содержание битума по пределу прочности при сжатии при температуре 20 °С находится в
пределах 10-11,5% в зависимости от вязкости битума. Однако,
как было указано выше, шлаковые материалы обладают рядом
специфических свойств, и оптимальная структура асфальтового
бетона характеризуется не наивысшей, а оптимально необходи82
мой прочностью, с которой сочетаются достаточная деформативная способность материала при отрицательных температурах
и требуемая коррозионная устойчивость.
В таблице 2.3.3 приведены структурно-механические свойства асфальтобетона на основе шлакопемзового песка с разным
содержанием битума марки БНД 60/90, испытанного в возрасте
2 сут. с момента изготовления.
Таблица 2.3.3. Изменение физико-механических свойств асфальтобетона на основе шлакопемзового песка в зависимости от
содержания битума марки БНД 60/90
Содержание
битума,
%
Средняя
плотность,
г/см 3
Водонасыщение, %
объема
6
7
8
9
10
11
2,07
2,16
2,17
2,18
2,23
2,24
21,5
19,50
17,00
16,40
14,00
13,25
Предел прочности при сжаНабухатии, МПа, при
ние, %
температуре,
объема
°С
20 50
0
0,01
3,5 2,2 10,1
0,00
3,6 2,1 10,5
0,01
4,5 2,2
9,1
0,05
4,7 2,1
9,9
0,12
4,8 2,3
9,1
0,10
4,8 2,3
9,5
Коэффициент
водоустойчивости
0,89
1,00
0,89
0,95
0,95
1,02
Из представленных результатов видно, что при изменении
содержания битума от 6 до 11% асфальтобетонные смеси по
всем показателям (коэффициенту водостойкости, пределам
прочности при сжатии при температурах 20, 50 и 0 °С) удовлетворяют требованиям стандарта, за исключением водонасыщения. Однако, как отмечалось ранее, повышенное водонасыщение является не недостатком, а специфическим свойством всех
асфальтобетонов на шлаковых материалах.
При устройстве первого опытного участка покрытия из асфальтобетона на основе шлакопемзового песка у листопрокатного цеха «Стан-2000» (г. Липецк) при температуре окружающего воздуха свыше 30 °С возникла проблема уплотнения асфальтобетонной смеси. Вследствие повышенной пористости
шлакопемзового песка коэффициент теплопроводности асфальтобетонной смеси примерно в 1,5 раза ниже, чем у асфальтобе83
тонных смесей на природных каменных материалах, и процесс
охлаждения у смесей такого типа идет значительно медленнее.
Для ускорения охлаждения смеси пришлось использовать поливомоечную машину и только после этого удалось уплотнить покрытие [102].
Поэтому в лабораторных условиях с целью установления
возможности удлинения строительного сезона и укладки асфальтобетонных смесей из шлакопемзового песка в покрытия
автомобильных дорог в сырую погоду были проведены исследования по влиянию добавок воды перед уплотнением на структурно-механические свойства асфальтобетона (табл. 2.3.4).
Таблица 2.3.4. Изменение физико-механических свойств
асфальтобетона на основе шлакопемзового песка и битума
марки БНД 60/90 в количестве 9% от добавки воды
Содержание
воды в
смеси, %
Средняя
плотность,
г/см 3
Водонасыщение, %
объема
0
2
4
6
8
10
2,18
2,23
2,24
2,24
2,19
2,13
16,40
15,50
15,20
15,40
15,40
14,00
Предел прочности при сжаНабухатии, МПа, при
ние, %
температуре,
объема
°С
20 50
0
0,05
4,7 2,1
9,9
0,60
4,5 2,2
7,4
0,24
4,5 2,1
7,5
0,15
4,2 2,2
8,6
0,33
4,3 2,1
8,0
1,12
3,4 1,8
6,5
Коэффициент
водоустойчивости
0,95
0,97
1,00
1,00
1,00
1,03
Как видно из приведенных результатов испытаний, добавки воды в асфальтобетонную смесь в количестве до 8% не оказывают отрицательного воздействия на структурно-механические свойства асфальтобетона на шлакопемзовом песке. Вода в
этом случае является пластифицирующей добавкой, о чем свидетельствует некоторое увеличение средней плотности материала и некоторое уменьшение водонасыщения.
Повышенная пористость и водонасыщение может привести
к ускоренному старению битума в асфальтобетоне. Для проверки этого было исследовано влияние возраста образцов на изменение структурно-механических свойств (табл. 2.3.5).
84
Таблица 2.3.5. Изменение физико-механических свойств
во времени асфальтобетона состава: шлакопемзовый песок
Новолипецкого металлургического комбината – 100%,
битум марки БНД 60/90 –9%
Возраст,
сут.
Средняя
плотность,
г/см 3
Водонасыщение,
% объема
Набухание, %
объема
2
7
14
28
60
180
2,18
2,21
2,22
2,21
2,21
2,22
16,40
16,86
16,70
16,58
16,40
16,25
0,05
0,00
0,03
0,05
0,12
0,10
Предел прочности при сжатии,
КоэффициМПа, при темент водоуспературе, °С
тойчивости
20
50
0
4,7
2,1 9,9
0,95
4,6
2,1 8,5
1,00
4,8
2,0 8,7
0,97
4,9
2,1 7,9
0,95
4,9
2,3 7,1
0,95
5,5
2,3 7,5
1,02
Показатели табл. 2.3.5 свидетельствуют о том, что не наблюдается повышенного старения битума в смеси. Пределы
прочности при сжатии при температуре 20 °С во времени увеличиваются незначительно, а при температуре 0 °С происходит
снижение пределов прочности при сжатии. Асфальтобетон становится пластичнее, более трещиностойким при отрицательной
температуре.
Показатели табл. 2.3.5 свидетельствуют о том, что не наблюдается повышенного старения битума в смеси. Пределы
прочности при сжатии при температуре 20 °С во времени увеличиваются незначительно, а при температуре 0 °С происходит
снижение пределов прочности при сжатии. Асфальтобетон становится пластичнее, более трещиностойким при отрицательной
температуре.
Это еще раз подтверждает, что процессы структурообразования в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются длительное время с момента изготовления, и определяющую роль, по нашему мнению, в этом случае играет диффузия
как отдельных компонентов, так и битума без изменения его
группового состава в поры шлакопемзового песка.
В таблице 2.3.6 приведены показатели физико-механических свойств асфальтобетона на шлакопемзовом песке после
длительного водонасыщения.
85
Таблица 2.3.6. Изменение физико-механических свойств асфальтобетона состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 –
9% после длительного водонасыщения
Продолжительность водонасыщения,
сут.
7
14
28
60
Средняя
плотность,
г/см 3
Водонасыщение,
% объема
2,21
2,22
2,24
2,26
17,86
18,70
18,98
18,40
Набухание, %
объема
0,05
0,03
0,05
0,15
Предел прочности при сжатии,
МПа, при температуре, °С
20
50
0
4,4
4,9
4,3
4,4
2,0
1,9
2,0
1,8
9,5
9,3
8,9
8,1
Коэффициент
водоустойчивости
1,02
0,98
0,97
0,91
Длительное воздействие воды практически не оказывает
отрицательного воздействия на свойства асфальтобетона на
шлакопемзовом песке.
Таким образом, асфальтобетонные смеси на шлакопемзовом песке можно применять в условиях избыточного увлажнения.
Повышенное водонасыщение асфальтобетона на основе
шлакопемзового песка потребовало проведения испытаний на
морозостойкость (табл. 2.3.7). Морозостойкость оценивали по
снижению предела прочности после замораживания-оттаивания
(по коэффициенту морозостойкости).
Как видно из результатов, представленных в табл. 2.3.7,
асфальтобетоны на шлаковом песке являются морозостойкими.
Коэффициент морозостойкости даже после 100 циклов замораживания-оттаивания остается достаточно высоким, а прочностные показатели удовлетворяют требованиям стандарта.
В то же время пределы прочности при сжатии при температуре 0 °С меньше 12 МПа, что свидетельствует о повышенной
деформативной способности такого типа смесей. Это является
следствием образования органоминеральных соединений, которые более деформативны при отрицательных температурах.
86
Таблица 2.3.7. Изменение физико-механических свойств асфальтобетона состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 –
9% после замораживания-оттаивания
Количество
циклов замораживанияоттаивания
0
50
100
Средняя
Водонаплот- сыщение,
ность, % объема
г/см 3
2,18
2,22
2,24
16,40
18,70
18,98
Набухание, %
объема
0,05
0,00
0,00
Предел прочности при сжатии,
МПа, при температуре, °С
20
50
0
4,7
4,5
4,3
2,1
18
1,7
9,9
9,6
8,7
Коэффициент
морозостойкости
1,00
0,91
0,87
2.4. Горячие асфальтобетонные смеси на основе
шлаковых песков
При переработке литого шлака на шлаковый щебень образуются отходы дробления литого шлакового щебня (шлакового
песка) в количестве 6-8% от перерабатываемого материала. На
одном Новолипецком металлургическом комбинате выход шлакового песка может достигать до 30 тыс. т в год.
Использование шлакового песка в асфальтобетонных смесях предопределено следующими предпосылками:
гранулометрический состав шлакового песка приближается к требованиям, предъявляемым к гранулометрическим составам песчаных асфальтобетонных смесей типа Г;
зерна шлакового песка острогранные с плотной и пористой
структурой, шероховатой поверхностью. Это обуславливает
лучшее взаимное заклинивание частиц в асфальтобетоне, улучшая его структурно-механические свойства и повышенную
сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий;
имея шлаковую природу, минеральный материал активно
взаимодействует в смесях с битумом, переводя последний в
пленочное структурированное состояние.
Химический состав шлакового песка Новолипецкого металлургического комбината показан в таблице 1.2.1.
Средняя плотность шлакового песка – 1,35 г/см3, истинная
плотность – 2,82 г/см3, пустотность – 52%.
87
Количество частиц меньше данного размера, %
Наряду с плотными и прочными в составе шлакового песка
имеются зерна с высокой пористостью и хрупкостью. При уплотнении зерна шлакового песка подвергаются дроблению и
среднестатистическая прочность материала повышается за счет
ликвидации дефектов структуры. После уплотнения нагрузкой
40 МПа гранулометрический состав минеральной части оптимизируется и удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2009 на песчаные асфальтобетонные смеси типа Г (рис. 2.4.1).
100
80
60
3
1
40
1
20
2
5
2,5
1,25
0,63
0,28
Размер частиц, мм
0,14
0,071
Рис. 2.4.1. Изменение гранулометрического состава шлакового песка в
процессе уплотнения асфальтобетонной смеси:
1 – кривые рекомендуемого гранулометрического состава типа Г по ГОСТ
9128-2009; 2 – исходный гранулометрический состав шлакового песка; 3
– гранулометрический состав шлакового песка после уплотнения асфальтобетонной смеси давлением 40 МПа
Из рис. 2.4.1 видно, что наибольшей дробимости после уплотнения нагрузкой 40 МПа подвергаются зерна размером
1,25 мм, а количество частиц размером мельче 0,071 мм увеличилось в 2 раза. В результате дробления гранулометрический
состав минеральной части полностью отвечает требованиям
плотных смесей.
88
Измельчение шлакового песка в асфальтобетонных смесях
при уплотнении является важным фактором повышения его активности и улучшения процессов структурообразования. Образование свежих поверхностей в асфальтобетоне, которое происходит в момент приготовления и уплотнения смеси, резко изменяет реакционную способность поверхности материала. Дробление сопровождается образованием активных центров, на которых адсорбируются активные компоненты битума, и они оказывают влияние на свойства битума.
Свежеобразованные поверхности обладают повышенной
химической активностью. На активной поверхности уменьшается толщина битумной пленки, увеличивается адгезия и когезия
битума вследствие ориентации его структурных элементов.
Таким образом, эффект дробимости минерального материала в асфальтобетонных смесях, приготовленных на шлаковом песке, используется непосредственно в технологическом
процессе приготовления и укладки их в покрытие без дополнительных затрат энергии.
Для исследования физико-механических свойств асфальтобетонов на основе шлакового песка их изготавливали с добавкой и без добавки минерального порошка.
Оптимальное количество битума в асфальтобетонных смесях на основе шлакового песка без добавки минерального порошка назначали, исходя из максимальной прочности (табл. 2.4.1).
Таблица 2.4.1. Подбор оптимального содержания битума
марки БНД 90/130 в асфальтобетоне на основе шлакового песка
Содержание
битума, %
7
8
9
10
Предел прочности
при сжатии, МПа,
при температуре,
°С
20
50
0
3,7 1,0
1.2
4,2 1,3
1,3
4,1 1,1
1,1
4,3 1,2
1,0
Средняя
плотность,
г/см3
2,13
2,20
2,21
2,27
НабуКоэффициент
Водонахание,
сыщеводостойко%
сти после 15
ние, %
объесуток
объема
ма
14,02
0,00
1,00
12,60
0,00
1,25
9,83
0,50
1,07
5,73
0,04
1,04
Асфальтобетонные смеси с содержанием битума марки
БНД 90/130 в количестве 7, 8, 9 и 10% по основным показателям
89
свойств отвечают требованиям стандарта, за исключением водонасыщения. Небольшая разница в показателях предела прочности у смесей с малым и большим содержанием битума указывает на их слабую чувствительность к дозировке битума вследствие диффундирования масел и сегментов битума в поры шлакового песка. Однако, как показала практика устройства покрытий, смеси с содержанием битума в количестве 7% сухие и плохо уплотняются. Смеси с содержанием битума в количестве 89% являются удобоукладываемыми и хорошо уплотняются.
Смеси такого состава можно считать оптимальными. Образцы
имеют достаточные показатели пределов прочности, высокую
водостойкость, малое набухание. Повышенное водонасыщение
такого типа смесей не является их недостатком, а, скорее, специфическим свойством [62, 101].
В лабораторных условиях исследовали асфальтобетонные
смеси на основе шлакового песка с минеральными порошками из
молотого гранулированного шлака Новолипецкого металлургического комбината, молотой шлаковой пемзы, фильтрпрессовых
отходов сахарной промышленности и известнякового минерального порошка с целью уменьшения водонасыщения в начальные
сроки эксплуатации при устройстве такого типа покрытий на
крутых спусках и остановках транспорта. При этом в состав смесей вводили минеральный порошок в количестве 8, 10, 12%.
Результаты исследований приведены в таблице 2.4.2.
Исследования показали, что асфальтобетон на основе
шлакового песка и минеральных порошков по своим физикомеханическим свойствам удовлетворяют требованиям стандартов на горячие асфальтобетонные смеси и асфальтобетон и их
можно использовать в производственных условиях. Смеси с добавками 10% минерального порошка характеризуются наименьшим набуханием и водонасыщением. Как правило, у этих смесей повышенный коэффициент водостойкости.
Анализ данных, полученных при исследовании смесей с
различными минеральными порошками, показал, что самая
большая средняя плотность и самое малое водонасыщение имеют смеси с добавками известнякового минерального порошка.
90
91
Последний является более плотным и менее пористым,
чем минеральные порошки из гранулированного доменного
шлака, шлакопемзового песка и фильтрпрессовых отходов.
Ввиду большого содержания окислов кальция и магния в
шлаковых материалах минеральные порошки из них отличаются
большим количеством адсорбционных центров в виде катионов
СаО и MgО, что обуславливает их химическую активность. Поэтому в практике дорожного строительства предпочтение следует отдавать шлаковым минеральным порошкам, поскольку добавки известнякового минерального порошка и фильтрпрессовых
отходов в смеси уменьшают прочность образцов, особенно после
длительного водонасыщения (после 60 суток водонасыщения).
Результаты исследований показали, что асфальтобетонные
смеси, приготовленные на шлаковом песке и вязком битуме без
минерального порошка, имеют показатели физико-механических свойств, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 9128-2009,
за исключением водонасыщения, которое является особенностью асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов. Добавки минерального порошка могут быть оправданы в случае,
когда в первые дни эксплуатации необходимо иметь плотные
асфальтобетонные покрытия (крутые спуски и подъемы, места
остановки автомобильного транспорта).
Известно, что высокопористые асфальтобетонные смеси на
природных каменных материалах стареют более интенсивно по
сравнению с плотными смесями. Так как асфальтобетонные
смеси на основе шлакового песка являются высокопористыми,
нами были проведены исследования по влиянию возраста на изменение структурно-механических свойств (табл. 2.4.3).
Из данных, приведенных в табл. 2.4.3, видно, что прочность асфальтобетонной смеси во времени практически не изменяется при любом содержании битума. По всей видимости,
битум находится весь в структурированном состоянии, и он менее подвержен старению. Избыток же битума диффундирует в
поры шлакового материала без изменения группового состава.
Прочность, теплоустойчивость, набухание и водостойкость
у всех составов достаточно высокие, а набухание низкое. В то
же время пределы прочности при сжатии при температуре 0 °С
92
меньше 12 МПа, что свидетельствует о повышенной деформативной способности такого типа смесей.
Таблица 2.4.3. Влияние возраста образцов
на физико-механические свойства асфальтобетона
на битуме БНД 90/130
Состав
смеси
Шлаковый песок –
100%,
битум –
8%
Шлаковый песок –
100%,
битум –
9%
Шлаковый песок –
100%,
битум –
10%
Возраст
образцов,
сутки
2
7
14
28
60
90
180
2
7
14
28
60
90
180
2
7
14
28
60
90
180
Предел прочности при
сжатии, МПа,
при температуре, °С
20 50
0
4,2 1,3 9,0
4,4 1,3 11,0
4,2 1,2 11,0
4,2 1,1 9,7
4,6 1,2 7,9
4,2 1,2 8,7
4,3 1,2 8,9
4,1 1,1 8,1
4,3 1,1 9,6
4,4 1,2 9,4
4,5 1,0 8,5
4,6 1,1 8,5
4,4 1,1 11,3
4,6 1,0 10,1
4,3 1,2 9,9
4,4 1,3 9,2
4,4 1,2 11,0
4,4 1,1 9,3
4,6 1,2 9,5
4,2 1,2 8,8
4,7 1,2 10,3
Сред- Водо- Набу- Коэффиняя
насы- хание,
циент
плот- щение,
%
водоность,
%
объе- стойко3
сти после
г/см
объема
15 сут.
ма
2,20
12,60
0,00
1,25
2,22
9,06
0,03
1,18
2,25
10,00
0,19
1,15
2,23
9,50
0,00
1,15
2,21
12,60
0,00
1,15
2,25
10,20
0,00
1,12
2,26
10,70
0,10
1,14
2,21
9,83
0,50
1,07
2,24
8,20
0,00
1,00
2,22
8,34
0,00
0,96
2,16
11,40
0,00
0,92
2,22
9,20
0,00
0,91
2,21
9,30
0,00
0,97
2,22
9,97
0,00
0,90
2,27
5,73
0,04
1,04
2,30
5,01
0,06
1,02
2,28
5,49
0,05
1,02
2,25
7,50
0,70
0,96
2,25
7,20
0,37
0,95
2,26
6,00
0,00
1,02
2,21
7,60
0,00
0,96
Асфальтобетон из шлакового песка имеет повышенное водонасыщение. Вода, как известно, в асфальтобетонных смесях
на природных каменных материалах отслаивает битумную
пленку от минерального материала, что может привести к разрушению покрытий. С этой целью были проведены исследования водостойкости асфальтобетона из шлакового песка после
93
10-, 20-, 30-, 60- и 180-суточного выдерживания образцов в воде
(табл. 2.4.4).
Таблица 2.4.4. Влияние продолжительности водонасыщения
на физико-механические свойства асфальтобетона
Продолжительность воСостав смеси
донасыщения,
сутки
Шлаковый пе10
сок – 100%, би20
тум марки БНД
30
90/130– 8%
60
180
Шлаковый пе10
сок – 100%, би20
тум марки БНД
30
90/130– 9%
60
180
Шлаковый пе10
сок – 90%, из30
вестняковый
60
минеральный
порошок –
10%, битум
120
марки БНД
90/130– 9%
Предел прочности при сжатии, МПа, при
температуре,
°С
0
20 50
4,0 1,0 9,2
4,1 0,9 8,8
3,9 0,8 8,5
3,8 0,8 7,6
3,9 0,9 9,2
4,1 1,0 8,3
4,2 1,0 8,1
3,9 1,0 7,9
4,1 1,1 8,7
3,9 1,1 8,8
4,1 1,0 7,6
5,0 1,1 9,2
4,7 1,2 8,9
2,1
0,5
9,1
Средняя
плотность,
г/см3
Водо- Набу- Коэфнасы- хание, фициент
водощение, %
% объ- объе- стойкома
сти
ема
2,02
2,22
2,27
2,25
2,33
2,24
2,27
2,31
2,27
2,30
2,31
2,32
2,29
10,80
7,48
4,96
3,56
1,13
5,03
3,10
3,30
0,50
0,70
3,70
3,80
3,88
0,00
0,03
0,00
0,00
0,00
0,00
0,30
0,10
0,00
0,27
0,02
0,20
0,26
1,06
1,02
1,00
0,87
1,03
1,04
0,97
1,00
1,00
1,00
0,95
0,81
0,82
2,34
4,50
0,00
0,74
Из результатов, представленных в табл. 2.4.4, видно, что
асфальтобетон на основе шлакового песка без введения минерального порошка после длительного водонасыщения имеет
достаточно высокие прочностные показатели свойств при любой продолжительности водонасыщения, малое набухание и хорошую водостойкость.
Коэффициент водостойкости практически при любой продолжительности выдерживания образцов в воде выше единицы.
Асфальтобетон с известняковым минеральным порошком обладает
меньшей водостойкостью. Коэффициент водостойкости монотон-
94
но снижается от 0,95 при продолжительности водонасыщения 10
суток до 0,74 при продолжительности водонасыщения 120 суток.
Поэтому асфальтобетонные смеси на основе шлакового
песка можно использовать для строительства асфальтобетонных
покрытий в районах избыточного увлажнения.
Исследованию влияния структурных элементов на морозостойкость битумоминеральных и асфальтовых бетонов посвящено много работ. Влияние строения порового пространства на
стабильность свойств при воздействии знакопеременных температур изучалось в работах [21, 25, 34, 35, 111].
Следует заметить, что отсутствует единое мнение о
влиянии пористости на морозостойкость асфальтобетона. Так,
И.А. Рыбьев [91] отмечает, что пористость оказывает большое
влияние на долговечность материалов. Роль водной среды усиливается при воздействии знакопеременных температур. Уже
после 5 циклов замораживания-оттаивания прочностные показатели снижались на 50% и более. Причем на повышение коэффициента морозостойкости большее влияние оказывает степень
уплотнения при одной и той же пористости, нежели введение
дополнительного количества битума. Автор указывает на положительное влияние замкнутых пор. Л.Б. Гезенцвей [25] считает,
что необходимо дифференцированно подходить к назначению
остаточной пористости в зависимости от дорожно-климатической зоны. Опыт эксплуатации и испытания показывают, что
чрезмерно пористый асфальтобетон быстро разрушается при
воздействии знакопеременных температур. Для создания морозоустойчивых бетонов необходимо получить мелкопористую
структуру с большим количеством замкнутых пор, недоступных
действию воды. М. Дюрье считает опасным оставлять в течение
длительного времени асфальтобетонные покрытия с пористостью выше 2,3-4% [35]. Исследователи [111, 114] также едины
во мнении, что с уменьшением остаточной пористости морозостойкость материалов повышается. Приведенные результаты
исследований в работе [115], напротив, свидетельствуют о повышенной морозостойкости асфальтовых бетонов с пористостью как ниже 3%, так и выше 7%. В работах С.И. Самодурова и
автора [58, 47, 63, 93, 101] приводятся данные о повышенной
95
морозостойкости битумоминеральных смесей на основе шлаковых материалов, имеющих водонасыщение порядка 10-14%.
Фазовый состав воды при отрицательных температурах
под влиянием активности порового пространства в некоторой
степени улучшает сопротивляемость капиллярно-пористых тел
воздействию знакопеременных температур [9, 24, 25].
При рассмотрении влияния пористости и строения порового пространства на морозостойкость битумоминеральных материалов помимо деструктивных процессов, происходящих при
замерзании воды, следует учитывать также интенсификацию
процессов старения битума под воздействием окружающей среды. Старение вяжущих материалов в асфальтобетонных покрытиях с большей пористостью происходит интенсивнее, чем в
плотных смесях [25, 91].
Чтобы защитить покрытие от морозных воздействий, в асфальтовые бетоны добавляют минеральный порошок. В этом
случае капилляры в покрытии будут в достаточной степени
замкнуты, поскольку дисперсные частицы прерывают капиллярное движение воды и в то же время дают возможность расширения капилляра при большом давлении. Образование замкнутых капилляров при наличии мельчайших частиц в минеральном порошке предотвращает разрушение покрытий при замерзании воды. О положительном влиянии минерального порошка
на морозостойкость имеются данные в работах [25, 105]. Добавки активизированного минерального порошка способствуют не
только улучшению структурных связей и увеличению плотности асфальтового бетона, но и получению мелкопористой однородной структуры этого материала, характеризующейся большим количеством замкнутых пор, которые в соответствии с
представлениями С.В. Шестоперова [110] играют роль микроамортизаторов, гасящих давление замерзающей воды. Л.Б. Гезенцвей [25] рекомендует вводить в асфальтобетон известь в количестве 2-3%, а И.А. Рыбьев [91] – цементное молоко. Эти мероприятия упрочняют структуру асфальтобетона.
Положительное влияние на морозостойкость асфальтовых
бетонов оказывает однородность структуры. Из всего семейства
асфальтобетонов наиболее однородным материалом является
песчаный асфальтобетон. Известно, что высокая однородность
96
английского асфальтобетона обусловливает его способность
равномерно распределять напряжения. Крупные неоднородности в асфальтовом бетоне могут индуцировать в зоне контакта
заполнитель – вяжущие микротрещины, способные к дальнейшему развитию. Применение в асфальтовых бетонах однородных по химико-минералогическому составу материалов улучшает их морозостойкость.
Гидрофобные кремнийорганические добавки в асфальтобетонные и битумоминеральные смеси способствуют [24, 105]
образованию структурно-механического барьера и, следовательно, повышают морозостойкость.
Имеющиеся опытно-производственные данные в отечественной и зарубежной литературе [80, 105, 113] свидетельствуют
о повышении морозостойкости с уменьшением вязкости битума,
однако в работе [106, 107] приведены данные об увеличении
морозостойкости асфальтобетона с увеличением вязкости вяжущего. Авторы делают вывод, что оптимальная вязкость битума в асфальтобетоне должна назначаться с учетом его морозостойкости и долговечности.
Вследствие повышенного водонасыщения были проведены
исследования по влиянию замораживания-оттаивания на структурно-механические свойства асфальтобетонных смесей с минеральным порошком и без него (табл. 2.4.5).
Как видно из представленных результатов, асфальтобетонные смеси с минеральным порошком и без него после 15, 25, 50
и 75 циклов замораживания-оттаивания имеют достаточно высокие показатели прочности, хорошую водостойкость, незначительное набухание. Смеси без минерального порошка после замораживания-оттаивания имеют меньшее водонасыщение по
сравнению со смесями с минеральным порошком, что связано с
гидролизом и гидратацией шлакового песка. Продукты гидролиза и гидратации заполняют межзерновые пустоты более интенсивно у смесей без минерального порошка.
У смесей с минеральным порошком после 75 циклов замораживания-оттаивания происходит более быстрое падение пределов прочности, и коэффициент морозостойкости снижается
более интенсивно. Это, по нашему мнению, связано с теплофизическими свойствами смесей.
97
98
Смеси с минеральным порошком более плотные, коэффициент теплопроводности у них больше по сравнению со смесями без минерального порошка.
Вследствие этого время релаксации напряжений у смесей
без минерального порошка значительно больше, чем у смесей с
минеральным порошком.
Повышенное водонасыщение является специфическим свойством асфальтобетонных смесей на основе шлаковых материалов.
Свойства асфальтобетонных смесей без минерального порошка после длительного водонасыщения, продолжительного
выдерживания на воздухе, замораживания-оттаивания ненамного отличаются от свойств смесей с минеральным порошком. Поэтому для упрощения технологии приготовления и снижения
стоимости строительств асфальтобетонные смеси на основе шлакового песка можно приготавливать без введения минерального
порошка, учитывая то, что в процессе технологических операций
(разогрев, перемешивание и уплотнение асфальтобетонной смеси) происходит дополнительное образование мелких фракций за
счет дробления малопрочных зерен шлакового песка.
Для расчета дорожных одежд необходимо знать модули
упругости и пределы прочности при изгибе. Нами проведены
исследования по определению этих параметров при разных температурах для смесей с минеральным порошком и без него, а
для сравнения – асфальтобетонной смеси на природных материалах (табл. 2.4.6).
Таблица 2.4.6. Деформативные свойства асфальтобетона
Состав смеси
Показатели при температурах, °С, МПа
+17
0
–20
Е деф Е упр R изг Е деф Е упр R изг Е деф Е упр R изг
Шлаковый песок – 100%,
14,0 140,5 2,8 47,9 396,0 7,0 163,1 556,0 11,1
битум БНД 90/130 – 9%
Шлаковый песок – 90%,
минеральный порошок – 10%, 15,8 218,0 3,5 75,6 602,3 10,7 147,8 734,0 14,2
битум БНД 90/130 – 9%
Песок природный – 83%,
минеральный порошок – 17%, 17,6 274,9 3,5 38,3 706,0 7,8 140,0 790,0 12,0
битум БНД 90/130 – 6%
99
Из приведенных результатов видно, что асфальтобетоны
на шлаковом песке с минеральным порошком и без него имеют
достаточно высокие показатели пределов прочности при изгибе
и модули упругости.
Существующий ГОСТ на асфальтобетонные смеси и асфальтобетон (ГОСТ 9128-2009) не учитывает комплексного воздействия факторов. Лабораторные методы оценки показателей
качества асфальтобетона не отражают условия его реальной работы в покрытии при изменяющемся температурно-влажностном режиме. Кроме того, характеристика свойств асфальтобетона дается по отдельным независимым показателям, а комплексное влияние эксплуатационно-климатических факторов на свойства асфальтобетона практически не изучено.
Нами предложен и разработан способ подготовки образцов
строительных материалов к испытаниям на прочность [4]. Сущность способа заключается в том, что на один и тот же образец
воздействует комплекс эксплуатационно-климатических факторов, после чего определяются параметры структурно-механических свойств материала.
Для описания влияния комплекса факторов при исследовании асфальтобетона из шлакового песка применили метод
математического планирования экстремальных экспериментов
– 17 точечный трехуровневый план второго порядка при числе
факторов k = 3 (N = N 1 + Nα + n (табл. 2.2.5).
В качестве независимых переменных из всего многообразия факторов нами были приняты вибровакуумное водонасыщение, замораживание-оттаивание и ультрафиолетовое облучение
[50, 51, 54].
Условия планирования эксперимента для дороги III технической категории, расположенной в Воронежской области, приведены в таблице 2.4.7.
Исследовали асфальтобетон состава: шлаковый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Выходными параметрами были: предел прочности при
сжатии и расколе при температуре +20 °С (R C и R P ); сцепление
100
при температуре +20 °С (С); статический и динамический модули упругости (Е СТАТ , Е ДИН ).
Дополнительно проведены исследования реологических
свойств: вязкости ненарушенной структуры, которую определяли по методу Я.Н. Ковалева [70], и отношение кинетических характеристик Р1/Р2, которые определяли по методу А.М. Богуславского [13].
Таблица 2.4.7. Условия планирования эксперимента
по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов в зависимости от продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового
облучения и количества циклов замораживания-оттаивания
Факторы
Х1 – продолжительность
вибровакуумного
водонасыщения,
часы
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования l
i
Кодированное
значение
переменных
Физическое значение
переменных
60
20
40
20
Х2 –
количество
циклов
замораживания –
оттаивания
100
24
62
38
Х3 –
продолжительность
УФоблучения,
часы
60
40
50
10
х1
х2
х3
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
Переход от физических переменных к кодированным осуществляется по формулам:
x1 =
Х 1 - 40
, (1)
20
x2 =
Х
2
- 62
, (2)
38
x3 =
Х 1 - 50
. (3)
10
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель изменения предела
прочности при сжатии при температуре 20 °С (4):
101
R C = 3,29 + 0,3 х1 + 0,21 x1 x2 + 0,4 x1 x3 – 0,11 x2 x3
(4)
– 0,02 x12 + 0,42 x22 + 0,55 x32, МПа.
Анализ математической модели (4) и построенного по ней
рис. 2.4.2 позволили выяснить влияние исследуемых эксплуатационно-климатических факторов на предел прочности при сжатии:
из коэффициентов переменных первой степени оказался
значим только коэффициент при вибровакуумном водонасыщении (х1), которое увеличивает предел прочности при сжатии;
коэффициенты при парных переменных x1 x2 и x1 x3 также
приводят к увеличению, т.е. наблюдается явление синергизма
совместного воздействия вибровакуумного водонасыщения –
количества циклов ускоренного замораживания-оттаивания и
вибровакуумного водонасыщения – ультрафиолетового облучения, а совместное воздействие замораживания-оттаивания и
ультрафиолетового облучения приводит к снижению предела
прочности при сжатии;
коэффициенты при квадратичных переменных неоднозначно влияют на предел прочности при сжатии: вибровакуумное водонасыщение незначительно снижает, а воздействия ускоренного замораживания-оттаивания и УФ-облучения существенно увеличивают предел прочности при сжатии в пограничных областях. Положительные значения при квадратичных членах x12 и x32 свидетельствуют о наличии минимума предела
прочности при сжатии при температуре 20 °С.
Более наглядно влияние факторов прослеживается при
анализе данных, приведенных на рис. 2.4.2.
При минимальном количестве часов УФ-облучения и количестве циклов ускоренного замораживания-оттаивания до 62
продолжительность вибровакуумного водонасыщения уменьшает предел прочности при сжатии; при 81 цикле замораживанияоттаивания – вибровакуумное водонасыщение практически не оказывает влияния на предел прочности при сжатии, а при 100 циклах
ускоренного замораживания-оттаивания предел прочности при
сжатии даже несколько начинает возрастать с увеличением продолжительности вибровакуумного водонасыщения.
102
Рис. 2.4.2. Влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на предел прочности при сжатии
асфальтобетона при температуре +20 °С
С увеличением продолжительности УФ-облучения и количества циклов ускоренного замораживания-оттаивания вибровакуумное водонасыщение приводит к существенному возрастанию предела прочности при сжатии, причем чем больше циклов
замораживания-оттаивания и продолжительность УФ-облучения, тем больше прирост предела прочности.
Как видно из рис. 2.4.2, при воздействии замораживанияоттаивания и УФ-облучения наблюдаются минимальные значения пределов прочности при сжатии. Для определения местонахождения этих экстремальных значений были взяты первые
производные dR/dx2 и dR/dx3 и приравнены к 0.
dR/dx2 = 0,21х1 – 0,11х3 + 0,84х2 = 0,
отсюда х2 = (0,11x3 – 0,21x1)/0,84.
Подставляя в эту формулу кодированные значения x 1 и x 3 в
пределах от –1 до +1 и используя формулу (2), получены физические значения количества циклов замораживания-оттаивания,
103
при которых наблюдается минимальное значение предела прочности при сжатии (табл. 2.4.8) в зависимости от продолжительности вибровакуумного водонасыщения и УФ-облучения.
Таблица 2.4.8. Количество циклов ускоренного
замораживания-оттаивания, при которых наблюдается
минимальное значение предела прочности
Продолжительность
ультрафиолетового
облучения, часы
–1 (40 ч)
– 0,5 (45 ч)
0 (50 ч)
0,5 (55 ч)
1 (60 ч)
Продолжительность вибровакуумного
водонасыщения, часы
–1
– 0,5
0
0,5
1
(20 ч)
(30 ч)
(40 ч)
(50 ч)
(60 ч)
66,9
61,8
57,0
52,1
47,5
69,2
62,1
59,5
54,8
51,9
71,5
66,8
62,0
57,3
52,5
73,8
69,2
64,5
59,7
56,1
76,1
71,7
66,2
62,2
57,4
dR/dx3 = 0,4х1 – 0,11х2 + 1,1х3 = 0,
отсюда х3 = (0,11х2 – 0,4х1)/1,1.
Подставляя в эту формулу кодированные значения х1 и х2
в пределах от –1 до +1 и используя формулу (3), получены физические значения продолжительности УФ-облучения, при которых наблюдается минимальное значение предела прочности
при сжатии (табл. 2.4.9.) в зависимости от продолжительности
вибровакуумного водонасыщения и количества циклов ускоренного замораживания-оттаивания.
Таблица 2.4.9. Количество часов УФ-облучения,
при которых наблюдается минимальное значение предела
прочности на сжатие
Количество циклов
ускоренного
замораживанияоттаивания
–1 (24)
– 0,5 (43)
0 (62)
0,5 (81)
1 (100)
–1
(20 ч)
52,6
53,1
53,6
54,1
54,6
Продолжительность вибровакуумного
водонасыщения, часы
– 0,5
0
0,5
1
(30 ч)
(40 ч)
(50 ч)
(60 ч)
50,8
49,0
47,1
45,4
51,3
49,5
47,7
45,9
51,8
50
48,2
46,4
52,3
50,5
48,7
46,9
52,8
51
49,2
47,4
104
Полученные результаты можно объяснить тем, что шлаковый песок является гидравлически активным минеральным материалом. При воздействии воды и УФ-облучения при температуре
+60 °С возникают микропропарочные камеры, процессы гидролиза и гидратации в шлаковом песке ускоряются, и коагуляционная структура асфальтобетона упрочняется кристаллизационными сростками в местах контакта шлаковых зерен.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель изменения предела
прочности на растяжение при расколе при температуре 20 °С (5) и
дана ее графическая интерпретация (рис. 2.4.3)
R P = 0,5+ 0,05 х2+ 0,06 x12 + 0,08 x22 + 0,12 x32, МПа.
(5)
Рис. 2.4.3. Влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на предел прочности при расколе асфальтобетона при температуре +20 °С
Анализ математической модели 5 и рис. 2.4.3 позволяют
установить следующее.
105
1. При линейных коэффициентах только замораживаниеоттаивание приводит к увеличению предела прочности на растяжение при расколе.
2. Положительные коэффициенты при квадратичных членах свидетельствуют о наличии минимума предела прочности
на растяжение при расколе.
3. Большое влияние на предел прочности при расколе оказывает ультрафиолетовое облучение (коэффициенты при x32
больше других коэффициентов).
4. Меньшее влияние оказывает замораживание-оттаивание
и продолжительность вибровакуумного водонасыщения.
Как видно из рис. 2.4.3, при воздействии циклов замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения наблюдаются
минимальные значения пределов прочности на растяжение при
расколе.
Для определения местонахождения этих экстремальных
значений были взяты первые производные dR/dx1, dR/dx2, dR/dx3
и приравнены к 0.
dR/dx1 = 0,12 x1 = 0,
x1= 0,
откуда из формулы 1 – Х1 = 40 ч.
Минимальное значение предела прочности на растяжение
при расколе имеет место при продолжительности вибровакуумного водонасыщения 40 ч при любой продолжительности ультрафиолетового облучения и любом количестве циклов замораживания-оттаивания. Очевидно, что в первые часы вибровакуумного водонасыщения происходит частичное отслаивание битумной пленки от поверхности шлакового песка в силу его малой гидравлической активности, затем, после 40 ч под действием ультрафиолетового облучения при повышенной температуре,
процессы гидролиза и гидратации усиливаются, битумная пленка армируется кристаллогидратами, усиливается роль механической составляющей адгезии и происходит увеличение предела
прочности на растяжение при расколе.
Для выявления количества циклов замораживания-оттаивания, при котором имеет место минимальное значение предела
прочности на растяжение при расколе, была взята первая производная dR/dx2 и приравнена к 0.
106
dR/dx2= 0,05 + 0,16 x2= 0, x2 = – 0,05/0,16 = – 0,3125,
отсюда из формулы 2 – Х2 = 50 циклов.
Минимальное значение предела прочности на растяжение
при расколе имеет место при 50 циклах замораживания-оттаивания при любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения.
Для выявления продолжительности ультрафиолетового облучения, при котором имеет место минимальное значение предела прочности на растяжение при расколе, была взята первая
производная dR/dx3 и приравнена к 0.
dR/dx3 = 0,24x3 = 0 x3= 0,
отсюда из формулы 3 – Х3 = 50 ч.
Минимальное значение предела прочности на растяжение
при расколе имеет место при 50 ч ультрафиолетового облучения
при любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения и количестве циклов замораживания-оттаивания.
Пунктирная линия на чертеже показывает предел прочности на растяжение при расколе эталонного образца асфальтобетона на основе шлакового песка. Как видно из рис. 2.4.3, предел
прочности при сжатии при моделировании уменьшается к семилетнему сроку (63 цикла замораживания-оттаивания) эксплуатации покрытия, а к 14-летнему сроку достигает исходных значений (но остается выше требований стандарта).
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель изменения статического модуля упругости при температуре 20 °С (6) и дана ее
графическая интерпретация (рис. 2.4.4).
Е СТ = 155,74 + 13,5 x3 + 14,38 x1 x3 – 6,73 x12 – 4,73 x22 +
+33,27 x32.
(6)
Анализ математической модели 6 и рис. 2.4.4 позволяют
установить следующее.
1. Увеличение продолжительности ультрафиолетового облучения способствует повышению статического модуля упругости (коэффициент при x3– отрицательный).
107
2. Совместное воздействие вибровакуумного водонасыщения и продолжительности ультрафиолетового облучения x1 x3
также способствует повышению статического модуля упругости.
3. Отрицательные коэффициенты при квадратичных членах x12 и x22 свидетельствуют о наличии максимума величины
статического модуля упругости при воздействии вибровакуумного водонасыщения и замораживания-оттаивания.
4. Положительный коэффициент при x32 свидетельствует о
наличии минимальных значений статического модуля упругости
при ультрафиолетовом облучении.
Рис. 2.4.4. Влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на статический модуль упругости асфальтобетона при температуре +20 °С
Пределы прочности при сжатии и растяжении, согласно
теории Мора, зависят от угла внутреннего трения и сцепления.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель изменения угла
внутреннего трения при температуре 20 °С (7) и дана ее графическая интерпретация (рис. 2.4.5).
φ = 48,15 – 1,54 х2 – 2,37x12 – 1,19 x22 – x32.
108
(7)
Рис. 2.4.5. Влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на угол внутреннего трения асфальтобетона при температуре +20 °С
Анализ математической модели 7 и рис. 2.4.5 позволяют
установить влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на угол
внутреннего трения асфальтобетона.
1. Увеличение количества циклов замораживания-оттаивания способствует повышению угла внутреннего трения (коэффициент при х2 – отрицательный).
2. Отрицательные коэффициенты при квадратичных членах свидетельствуют о наличии максимума величины угла
внутреннего трения при воздействии вибровакуумного водона-
109
сыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания.
3. Максимальная величина угла внутреннего трения наблюдается при 40 ч вибровакуумного водонасыщения, 50 ч
ультрафиолетового облучения и 37 циклах ускоренного замораживания-оттаивания.
Форма и характер поверхности частиц оказывают большое
влияние на величину угла внутреннего трения. Острогранная
модифицированная поверхность шлакового песка способствует
повышенной величине угла внутреннего трения асфальтобетона
по сравнению с асфальтобетоном на природных каменных материалах (по данным [34] угол внутреннего трения асфальтобетона на природных каменных материалах равен 30 градусам). Асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов более устойчивы к образованию сдвиговых деформаций, наплывов,
волн, колейности в летний период времени.
Сцепление зависит в основном от вязкости исходного битума, соотношения битум – минеральный порошок, характера
взаимодействия битума с минеральными материалами. Нами
проведены исследования по влиянию комплексного воздействия
продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на сцепление.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель сцепления при
температуре 20 °С (8) и дана ее графическая интерпретация (рис.
2.4.6).
C = 0,64 + 0,04 x1 + 0,05 x1 x3 + 0,03x12 + 0,09 x22 + 0,14 x32 МПа. (8)
Анализ математической модели 8 и рис. 2.4.6 позволяют установить влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения
и ускоренного замораживания-оттаивания на сцепление:
при линейных членах только увеличение продолжительности вибровакуумного водонасыщения влияет на сцепление (наличие коэффициента x1);
при парных членах x1 x3 на сцепление оказывают влияние
продолжительность вибровакуумного водонасыщения и ультра110
фиолетового облучения, при этом наблюдается синергизм воздействия этих факторов;
Рис. 2.4.6. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на сцепление при температуре +20 °С
положительные коэффициенты при квадратичных членах
x1 , x22, x32 свидетельствуют о наличии минимума величины сцепления при воздействии вибровакуумного водонасыщения,
ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживанияоттаивания, причем наибольшее влияние на сцепление оказывает продолжительность ультрафиолетового облучения;
минимальная величина сцепления наблюдается при 62
циклах замораживания-оттаивания (при приравнивании первой
производной dR/dx2= 0) для любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения;
при продолжительности ультрафиолетового облучения до
50 ч наблюдается минимальная величина сцепления при про2
111
должительности вибровакуумного водонасыщения от 0 до 50 ч,
затем происходит увеличение сцепления;
при продолжительности ультрафиолетового облучения
свыше 50 ч сцепление увеличивается при любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения.
Как уже отмечалось, сцепление зависит от характера взаимодействия битума с минеральными материалами, от когезии
битума и от соотношения битум – минеральный порошок. В нашем случае между битумом и шлаковым материалом происходит интенсивное химико-физическое взаимодействие, которое
продолжается длительное время, а воздействие вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения ускоряют
эти процессы. Вода под воздействием вибровакуумного водонасыщения диффундирует через пленку битума в шлаковый песок,
в нем происходит модификация поверхности вследствие образования кристаллогидратов, которые существенно увеличивают
поверхность контакта его битумом, армируют битум и поровое
пространство. Это впоследствии и приводит к увеличению сцепления.
Математическая модель вязкости ненарушенной структуры при температуре +20 °С выглядит следующим образом:
η = (624470+ 144235 x1 – 129619 x3 + 94373 x1 x2 – 157753 x2 x3 –
2
2
2
4
– 96666 x1 + 101492 x2 + 109861 x3 )·10 Па·с.
(9)
Анализ математической модели 9 и рис. 2.4.7 позволяют
установить следующее:
при линейных членах увеличение продолжительности вибровакуумного водонасыщения способствует повышению вязкости; ультрафиолетовое облучение уменьшает вязкость, а количество циклов замораживания-оттаивания влияния на вязкость
не оказывает;
при парных членах x1 x2 и x2 x3 на вязкость ненарушенной
структуры оказывают влияние продолжительность вибровакуумного водонасыщения и воздействие замораживания-оттаивания, воздействие замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения;
положительные коэффициенты при квадратичных членах
2
x2 и x32 свидетельствуют о наличии минимума величины вязко112
сти ненарушенной структуры при ультрафиолетовом облучении
и замораживании-оттаивании, причем их влияние на вязкость
однозначно; отрицательный коэффициент при x12 (воздействие
вибровакуумного водонасыщения) указывает на наличие максимума вязкости ненарушенной структуры.
Рис. 2.4.7. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на вязкость ненарушенной структуры
асфальтобетона при температуре +20 °С
Повышение вязкости ненарушенной структуры асфальтобетона с увеличением продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения играет положительную роль в повышении сдвигоустойчивости покрытий автомобильных дорог в летний период времени.
А.М. Богуславский предложил характеризовать сдвигоустойчивость и трещиностойкость асфальтобетонных покрытий
отношением кинетических характеристик Р1/ Р2.
Математическая модель отношения кинетических характеристик Р1/ Р2 при температуре +20 °С выглядит следующим образом:
113
Р1/ Р2 = (4,01 – 2,31 9 x1 + 2,57 x2 + 3,3 x3 – 2,27 x1 x2 –
2
-3
2
2
– 2,54 x1 x3 + 3,66 x2 x3 + 1,94 x1 + 0,96 x2 + 0,96 x3 )·10 . (10)
Графическое изображение модели представлено на рис. 2.4.8.
Рис. 2.4.8. Влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на отношение кинетических
характеристик асфальтобетона при температуре +20 °С
Анализ математической модели 10 и рис. 2.4.8 позволяет
установить следующее.
1. На отношение кинетических характеристик Р1/ Р2 оказывают влияние все факторы.
2. Коэффициент при линейном x1 указывает на уменьшение
отношения кинетических характеристик при увеличении продолжительности вибровакуумного водонасыщения; коэффициенты при x2 и x3 указывают на возрастание отношения кинетических характеристик при увеличении количества циклов замораживания-оттаивания и продолжительности ультрафиолетового
облучения.
114
3. Совместное воздействие вибровакуумного водонасыщения и замораживания-оттаивания (x1 x2) и вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения приводят к снижению отношения кинетических характеристик (x1 x3), а воздействие замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения (x2 x3) приводит к увеличению отношения характеристик.
4. Положительные коэффициенты при квадратичных членах свидетельствуют о наличии минимума отношения кинетических характеристик, причем вибровакуумное водонасыщение
оказывает влияние большее, чем воздействие замораживанияоттаивания и ультрафиолетового облучения.
Как видно из рис. 2.4.8, при увеличении продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения влияние замораживания-оттаивания на отношение кинетических характеристик снижается. Асфальтовый бетон становится вязче, что приводит к повышению сдвигоустойчивости
покрытий.
Эксплуатационная надежность асфальтобетона обусловлена стабильностью его структуры, которая может характеризоваться изменением динамического модуля упругости. Структура
считается стабильной, если динамический модуль упругости
уменьшается наполовину [118]. Для оценки стабильности структуры асфальтобетона были проведены исследования по влиянию вибровакуумного водонасыщения, замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения на динамический модуль
упругости.
Математическая модель изменения динамического модуля
упругости при температуре +20 °С (11) и ее графическая интерпретация (рис. 2.4.9) позволяют установить следующее:
Е ДИН . = 2745,8 + 176 x1 + 439,2 х2 – 446,5 x1 x2 – 144,8 x1 x2 x3. (11)
1. Продолжительность ультрафиолетового облучения
практически не оказывает влияния на динамический модуль упругости.
2. Увеличение продолжительности вибровакуумного водонасыщения существенно влияет на динамический модуль упруго-
115
сти; характер изменения при вибровакуумном водонасыщении
после 40 ч меняется на противоположный.
3. Уменьшение динамического модуля упругости 60 ч вибровакуумного водонасыщения незначительно. Это позволяет
сделать вывод, что структура асфальтобетона из шлаковых материалов стабильная, и асфальтобетонные покрытия обладают
достаточной эксплуатационной надежностью.
Рис. 2.4.9. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на динамический модуль упругости
асфальтобетона при температуре +20 °С
Из проведенных исследований можно сделать следующие
выводы:
- влияние вибровакуумного водонасыщения, замораживания-оттаивания, ультрафиолетового облучения на структурномеханические свойства неоднозначно;
- в районах с избыточным увлажнением и часто повторяющимися знакопеременными температурами высокие водо- и
морозостойкость асфальтобетона являются одним из решающих
116
условий его эксплуатационной надежности. Асфальтовые бетоны из шлаковых материалов позволят создать долговечные покрытия автомобильных дорог;
- предлагаемая нами система моделирования комплексного
влияния эксплуатационно-климатических факторов позволит
прогнозировать эксплуатационную надежность уже на стадии
выбора типа асфальтобетона для конкретных климатических условий.
2.5. Асфальтобетонные смеси на основе
гранулированных ваграночных шлаков
Гранулированные ваграночные шлаки в тонкомолотом состоянии обладают малой гидравлической активностью и вследствие этого не находят применения в цементной промышленности (табл. 2.5.1), а сбрасываются в отвалы.
Таблица 2.5.1. Гидравлическая активность тонкомолотых
гранулированных ваграночных шлаков
Возраст испытания
Пределы прочности при сжатии, МПа
2
28
0,0 0,12
60
0,32
90
0,59
180
0,87
Нами проведены исследования возможности применения
гранулированных ваграночных шлаков в качестве минеральной
составляющей асфальтобетонных смесей. Использовали гранулированные ваграночные шлаки естественного зернового состава без введения минерального порошка, так как в процессе технологических операций происходит дробление шлаковых зерен
и гранулометрический состав их оптимизируется и удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2009 (см. табл. 1.2.3).
Физико-механические свойства асфальтобетона на основе
гранулированного ваграночного шлака в качестве единственной
минеральной составляющей представлены в таблице 2.5.2.
Анализируя данные таблицы 2.5.2, видим, что по прочностным показателям асфальтобетонные смеси на основе гранулированных ваграночных шлаков не удовлетворяют требованиям
стандарта ГОСТ 9128-2009, особенно при температуре испытания 50 ºС.
117
118
Пределы прочности при сжатии при этой температуре также мало изменяются во времени и с повышением вязкости битума. Таким образом, гранулированные ваграночные шлаки в
естественном виде не пригодны для изготовления асфальтобетонных смесей.
С целью улучшения структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей на основе гранулированных ваграночных
шлаков нами предложено вводить активирующие добавки [1].
В качестве активирующей добавки использовали отходы
ионообменных очистных установок, имеющих следующий химический состав в весовых процентах:
NaNO 3
0,20 – 0,40
KNO 3
Ca(NO 3 ) 2
91,00 – 92,00
Mg(NO 3 ) 2
Fe(NO 3 ) 2
0,05 – 0,15
Cr(NO 3 ) 2
1,75 – 3,70
Cd(NO 3 ) 2
4,14 – 5,70
Zn(NO 3 ) 2
Сu(NO 3 ) 2 0,15 – 0,17
Al(NO 3 ) 2
0,20 – 0,41
Физико-механические свойства асфальтобетона с добавками отходов ионообменных очистных установок приведены в
таблице 2.5.3.
Анализ данных таблицы 2.5.3 свидетельствует о том, что
асфальтобетонные смеси на основе гранулированного ваграночного шлака, активированные 2-3%-ными отходами ионообменных очистных установок, имеют показатели физико-механических свойств, удовлетворяющие требованиям стандарта на горячие асфальтобетонные смеси, за исключением водонасыщения.
Как это уже указывалось ранее, это не недостаток, а специфическое свойство асфальтобетона на основе шлаковых материалов.
Активировать поверхность гранулированного ваграночного шлака можно и гипохлоритом кальция (табл. 2.5.4).
Как видно из представленных результатов (табл. 2.5.4),
введение гипохлорита кальция существенно снижает водопоглощение, увеличивает пределы прочности при сжатии при температурах 20 и 50 ºС. Оптимальное содержание гипохлорита
кальция составляет 4%. При таком содержании гипохлорита на119
блюдаются наилучшие показатели структурно-механических
свойств.
Как видно из представленных результатов, введение гипохлорита кальция существенно снижает водопоглощение, увеличивает пределы прочности при сжатии при температурах 20 и 50 ºС.
Оптимальное содержание гипохлорита кальция составляет 4%.
При таком содержании гипохлорита наблюдаются наилучшие показатели структурно-механических свойств.
Таблица 2.5.3. Физико-механические свойства асфальтобетона
на основе гранулированного ваграночного шлака с добавками
отходов ионообменных очистных установок
Состав смеси
Ваграночный гранулированный шлак –
100%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак –
99%, отходы ионообменных очистных установок – 1%, битум
марки БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак –
98%, отходы ионообменных очистных установок – 2%, битум
марки БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак –
97%, отходы ионообменных очистных установок – 3%, битум
марки БНД 60/90 – 9%
Средняя
плотность,
г/см 3
ВодонаНабусыщехание,
ние, %
% по
по объобъему
ему
Предел прочности
при сжатии, МПа,
при температуре,
ºС
20 50 20 вод 0
2,29
8,26
0,22
1,5
0,1
1,8
9,6
2,35
6,70
1,30
4,8
0,5
3,4
8,4
2,39
7,12
1,32
5,0
1,0
4,2
9,8
2,43
7,82
1,40
5,0
1,4
4,6
9,3
120
Таблица 2.5.4. Структурно-механические свойства
асфальтобетона на основе гранулированного ваграночного
шлака с добавками гипохлорита кальция
Состав смеси
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
гипохлорит кальция –
1%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
гипохлорит кальция –
2%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
гипохлорит кальция –
3%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
гипохлорит кальция –
4%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
гипохлорит кальция –
5%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Сред- Водона- Набу- Предел прочности
няя
сыще- хание, при сжатии, МПа,
при температуре,
плот- ние, %
% по
ºС
ность, по объ- объе3
г/см
ему
му
20 50 20 вод 0
2,29
8,26
0,22
1,5 0,1
1,8
9,6
2,30
7,60
0,32
1,6 0,2
1,6
8,7
2,30
6,62
0,44
2,0 0,4
1,9
7,6
2,30
4,45
0,42
2,8 0,5
2,5
6,2
2,29
4,13
0,28
3,3 1,0
2,7
5,6
2,28
4,20
0,51
2,5 0,9
2,6
6,0
Активировать поверхность гранулированного ваграночного шлака можно и пульпой гипохлорита кальция (табл. 2.5.5).
121
Таблица 2.5.5. Структурно-механические свойства
асфальтобетона на основе гранулированного ваграночного
шлака с введением добавок пульпы гипохлорита кальция
Состав смеси
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
пульпа гипохлорита
кальция с содержанием
активного хлора 4% –
4%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
пульпа гипохлорита
кальция с содержанием
активного хлора 6% –
4%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Ваграночный гранулированный шлак – 100%,
пульпа гипохлорита
кальция с содержанием
активного хлора 8% –
4%, битум марки
БНД 60/90 – 9%
Средняя
плотность,
г/см 3
ВодоНабунасыхание,
щение,
% по
% по
объему
объему
Предел прочности
при сжатии, МПа,
при температуре,
ºС
20 50 20 вод 0
2,29
8,26
0,22
1,5 0,1
1,8
9,6
2,30
4,40
0,12
2,2 0,7
2,0
8,6
2,31
4,25
0,18
2,6 1,1
2,6
7,2
2,32
4,10
0,11
2,8 1,2
2,7
7,0
Пульпа гипохлорита кальция является отходом промышленности и получается из электролитического хлора и абгазов
хлорпотребляющих производств поглощением их известковым
молоком и содержит в своем составе в вес. %: гипохлорит кальция 7-15; гидроокись кальция 3-7; карбонат кальция 2-3; окись
кремния 1-2; окись магния 2-3; полуторные окислы железа 1-2;
полуторные окислы алюминия 0-1; вода 69-84.
122
Анализ результатов, представленных в таблице 2.5.5, свидетельствует о положительном влиянии пульпы гипохлорита
кальция на структурно-механические свойства асфальтобетона
на основе гранулированного ваграночного шлака. Существенно
повышаются пределы прочности при сжатии при температурах
20 и 50 ºС, снижается водонасыщение и предел прочности при
температуре 0 ºС.
Из вышеизложенного следует, что гранулированные ваграночные шлаки с введением в них активирующих добавок могут быть использованы для изготовления асфальтобетонных
смесей. Асфальтобетонные смеси на их основе приготавливают
без введения минерального порока, что упрощает технологию
приготовления и снижает себестоимость асфальтобетонных
смесей. Такого типа смеси рекомендуется использовать при
строительстве сельских дорог и подъездных путей к производственным объектам.
123
ГЛАВА 3. АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ СМЕСИ
С ДОБАВКАМИ ГРАНУЛИРОВАННЫХ
ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ
3.1. Методика подбора составов минеральной части
асфальтобетонных смесей
Асфальтовые бетоны на основе гранулированных доменных шлаков нашли широкое применение при строительстве покрытий автомобильных дорог. Гранулированные доменные
шлаки обладают рядом специфических свойств, положительно
влияющих на асфальтовый бетон: высокая химическая и гидравлическая активность, повышенная шероховатость и пористость зерен, малая шлифуемость, чувствительность к воздействию влаги, температуре и вибрации.
Ввиду этого асфальтобетонные смеси из гранулированных
шлаков также обладают рядом свойств, не присущих асфальтовым бетонам на природных каменных материалах.
В связи с этим возник вопрос улучшения структурно-механических свойств асфальтовых бетонов на природных каменных
материалах добавками гранулированных доменных шлаков.
Для исследования влияния гранулированного доменного
шлака на физико-механические свойства асфальтобетонных
смесей были подобраны песчаные типа Г и мелкозернистые составы асфальтобетона соответственно.
Гранулированный шлак естественного зернового состава
использовался в качестве песка в асфальтобетонных смесях.
Наивысшие показатели физико-механических свойств асфальтобетонных смесей с использованием природных материалов и добавками гранулированного шлака естественного зернового состава зависят от рационального соотношения компонентов минерального материала в них.
При подборе рационального содержания гранулированного
шлака в асфальтобетонной смеси необходимо учитывать то обстоятельство, что он используется не только как гранулометрическая добавка, но и как активная гидравлическая добавка, способствующая образованию в смеси наряду с упруго-пластическими связями жестких кристаллизационных связей.
124
При перемешивании природных каменных материалов с
гранулированным шлаком происходит активирование их поверхности, что приводит к усилению физико-химического взаимодействия и улучшению структурно-механических свойств асфальтобетона.
Гранулированный доменный шлак – высокопористый материал, обладающий меньшей средней плотностью по сравнению с природными каменными материалами, который к тому же
в процессе приготовления и уплотнения асфальтобетонных смесей подвержен дроблению. Вследствие этого существующая методика подбора состава минеральной части асфальтобетонных
смесей по кривым плотных смесей непрерывной и прерывистой
гранулометрии не может быть применена.
Нами предложено производить подбор минеральной части
асфальтобетонных смесей с добавками гранулированного доменного шлака по наибольшей средней плотности скелета минеральной части.
Песчаные асфальтобетонные смеси (тип Г)
Выбор оптимального соотношения компонентов минерального материала (гранитных высевок, гранулированного шлака)
для смеси типа Г производили по наибольшей средней плотности
материала в смеси в уплотненном состоянии.
С этой целью были отформованы образцы с различным содержанием гранулированного шлака с добавками воды, играющей роль смазки. Образцы изготовляли в формах h = d = 71,4 мм
под давлением 40 МПа (табл. 3.1.1).
Из результатов, приведенных в таблице 3.1.1, видно, что с
увеличением содержания гранулированного шлака в смеси до
30% средняя плотность скелета минеральной части возрастает.
Дальнейшее же увеличение содержания гранулированного шлака в смеси приводит к уменьшению средней плотности скелета
минеральной части. Принимая во внимание результаты проведенных исследований, за рациональное содержание гранулированного шлака в асфальтобетонной смеси принято 30% от веса
минеральной части:
смесь № 1
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 70%;
гранулированный шлак – 30%.
125
Мелкозернистые асфальтобетонные смеси
Подбор состава мелкозернистых асфальтобетонных смесей
с использованием гранулированного доменного шлака естественного состава (щебень + гранулированный шлак) осуществлялся по максимальной плотности его в образце в уплотненном
состоянии.
Анализ результатов, представленных в таблице 3.1.1, свидетельствует о том, что при содержании гранулированного
шлака в смеси в количестве до 30% плотность скелета минеральной части имеет наибольшее значение. Более того, увеличение гранулированного шлака в смеси более 30% приведет к
раздвижке щебенок, а следовательно, к уменьшению внутреннего трения, что является для асфальтобетонных смесей нежелательным.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что наибольшую плотность скелета минеральной части имеет смесь при
следующем соотношении компонентов:
смесь № 2
гранитный щебень фр. 5-20 мм – 70%;
гранулированный шлак – 30%.
Мелкозернистые асфальтобетонные смеси
с дробленым песком и гранулированным доменным шлаком
Для увеличения плотности и уменьшения пористости минеральной части асфальтобетонной смеси в смесь вводятся добавки природных или дробленых песков.
При определении оптимального содержания гранулированного шлака в смеси, количество щебня оставляют постоянным (в
нашем случае 50%), а содержание гранитных высевок и гранулированного шлака изменяют (в нашем случае от 20 до 40% и от 10
до 30% соответственно) (табл. 3.1.1).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что наибольшую плотность скелета минеральной части в уплотненном
состоянии имеет смесь при следующем соотношении компонентов:
смесь № 3
щебень фр. 5-10 мм – 50%;
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 30%;
гранулированный шлак – 20%.
126
Таблица 3.1.1. Определение оптимального содержания
гранулированного доменного шлака в смеси с природными
каменными материалами
№№
п/п
Состав
смесей
1
2
Средняя плотность
скелета минеральной части образца в
уплотненном состоянии, г/см3
3
Смесь № 1: песчаная асфальтобетонная смесь (тип Г)
1
2
3
4
5
6
Гранитные высевки фр. 0-5 мм – 85%;
гранулированный шлак – 15%, вода –
10% от веса гранулированного шлака
Гранитные высевки фр. 0-5 мм – 80%;
гранулированный шлак – 20%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Гранитные высевки фр. 0-5 мм – 75%;
гранулированный шлак – 25%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Гранитные высевки фр. 0-5 мм– 70%;
гранулированный шлак – 30%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Гранитные высевки фр. 0-5 мм – 65%;
гранулированный шлак – 35%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Гранитные высевки фр. 0-5 мм – 60%;
гранулированный шлак – 40%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
2,18
2,21
2,22
2,23
2,18
2,16
Смесь № 2: мелкозернистая асфальтобетонная смесь
7
8
9
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 80%;
гранулированный шлак – 20%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 75%;
гранулированный шлак – 25%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 72%;
гранулированный шлак – 28%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
127
2,24
2,25
2,27
Продолжение табл. 3.1.1
1
10
11
12
2
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 70%;
гранулированный шлак – 30%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 65%;
гранулированный шлак – 35%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 60%;
гранулированный шлак – 40%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
3
2,28
2,23
2,18
Смесь № 3: мелкозернистая асфальтобетонная смесь
с добавками дробленых песков
13
14
15
16
17
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 50%;
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 40%;
гранулированный шлак – 10%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 50%;
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 35%;
гранулированный шлак – 15%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 50%;
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 30%;
гранулированный шлак – 20%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 50%;
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 25%; гранулированный шлак – 25%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
Щебень гранитный фр. 5-20 мм – 50%;
гранитные высевки фр. 0-5 мм – 20%;
гранулированный шлак – 30%; вода –
10% от веса гранулированного шлака
2,26
2,27
2,30
2,26
2,22
Для сравнения свойств исследуемых асфальтобетонных
смесей с добавками гранулированного шлака был исследован
асфальтобетон на известняковом минеральном порошке состава
№ 4, рассчитанный по кривым плотных смесей:
смесь № 4 гранитные высевки – 60%;
песок – 34%;
известняковый минеральный порошок – 6%.
128
3.2. Методика определения оптимального
содержания битума в смесях с добавками гранулированного
доменного шлака и температуры приготовления
Следующим этапом подбора является установление оптимальной температуры приготовления асфальтобетонных смесей
и содержания битума в смеси. В асфальтобетонных смесях из
шлаковых материалов минеральная часть состоит из одного
компонента, и поэтому оптимальная температура приготовления
легко оптимизируется. Для асфальтобетонных смесей разнородного минералогического состава (природные каменные и шлаковые материалы) этот процесс более трудоемкий.
С целью сокращения числа экспериментов и получения
достоверной математической модели, адекватно отражающей
исследуемые процессы, нами для установления оптимальных
составов асфальтобетонных смесей с добавками гранулированных доменных шлаков пришлось применить метод математического планирования экстремальных экспериментов с использованием двухфакторного трехуровнего плана второго порядка
(табл. 2.2.1).
Условия планирования эксперимента по установлению оптимального содержания битума и температуры приготовления
приведены в таблице 3.2.1.
Таблица 3.2.1. Условия планирования эксперимента
по установлению оптимального содержания битума
и температуры приготовления
Факторы
Условия
Верхний уровень Х вi
Нижний уровень
Х iн
Основной уровень Х 0i
l
Шаг варьирования
i
Физическое значение
переменных
Х1 – температура
приготовления
смеси, 0 С
160
120
140
20
129
Х2 – содержание
битума в смеси,
% (сверх 100%
минеральной
части)
10
8
9
1
Кодированное значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
Интервалы варьирования переменных назначали на основе
предварительных поисковых исследований.
Переход от кодированных переменных к физическим осуществляли по формулам (1, 2):
x1 =
X 1 - 140
,
20
(1)
x2 =
Х2 - 9
.
1
(2)
После проведения экспериментов проводится обработка полученных результатов методами математической статистики по
специально разработанной программе, строится математическая
модель, производится оценка значимости коэффициентов уравнения математической модели по критерию Стьюдента. Незначимые
коэффициенты отбрасывают, по уточненной модели вычисляют
дисперсию адекватности и по критерию Фишера устанавливают
достоверность математической модели.
Для установления оптимальной температуры приготовления смесей необходимо взять первую производную dy/dx1 и
приравнять ее к нулю. Для определения оптимального содержания битума в смеси необходимо взять первую производную
dy/dх2 и приравнять ее к нулю.
Такой метод подбора состава асфальтового бетона с добавками гранулированного шлака позволит проектировать плотные
асфальтобетоны, достоверно установить температуру приготовления и содержание битума в асфальтобетонной смеси с добавками гранулированных доменных шлаков.
Для примера при установлении оптимальной температуры приготовления и содержания битума в смеси был взят состав № 1, содержащий гранитные высевки фр. 0-5 мм в количестве 70% и гранулированный доменный шлак в количестве 30%.
В результате обсчета матриц планирования, статистического анализа получены следующие математические модели (3-7):
R20 = 3,52 – 0,03 х12 – 0,57 х22;
(3)
R50 = 2,03 – 0,28 х12 – 0,12 х22;
(4)
130
R 20В = 3,58 + 0,25 х1 – 0,2 х12 – 0,144 х22;
(5)
B = 3,72 – 0,87 х1 – 1,53 х2 – 0,33 х1 х2 – 0,23 х12 + 0,43 х22; (6)
H = 0,34 – 0,27 х1 + 0,36 х2 + 0,13 х12 + 0,16 х22;
Кв = 1,03 – 0,07 х12 + 0,04 х22.
(7)
(8)
Все математические модели адекватно отражают влияние
исследуемых факторов на свойства асфальтобетонных смесей.
Таблица 3.2.2. Матрица планирования и результаты
экспериментов по исследованию влияния температуры
приготовления и содержания битума в смеси состава: гранитные
высевки – 70% и гранулированный доменный шлак – 30%
Кодирован- Физическое
ное значение
значение
переменных переменных
х1
х2
Х1
Х2
+
–
+
–
+
–
0
0
0
0
0
+
+
–
–
0
0
+
–
0
0
0
160
120
160
120
160
120
140
140
140
140
140
10
10
8
8
9
9
10
8
9
9
9
Пределы прочности при
ВодоНабу- сжатии при температуре
насыхание,
щение,
после
% объ% объводонаема
20 °С 50 °С
ема
сыщения
1,12
3,66
4,90
6,12
2,72
4,20
2,66
5,58
3,72
3,57
3,94
0,63
1,27
0,13
0,43
0,17
0,83
0,93
0,13
0,27
0,87
0,80
2,92
2,75
3,0
2,92
3,50
3,50
2,75
3,17
3,75
3,50
3,25
1,67
1,60
1,53
1,60
1,60
2,02
2,15
1,80
1,87
2,15
1,94
3,42
2,36
3,08
2,67
3,50
3,50
3,58
2,92
3,25
3,50
3,75
Анализ математической модели (3) и рис. 3.2.1 позволяет
выявить влияние факторов на предел прочности при сжатии при
температуре +20 °С.
Наибольшее влияние на предел прочности при сжатии оказывает содержание битума в смеси (величина коэффициента при
х2 значительно больше, чем при х1). Влияние температуры приготовления асфальтобетонной смеси незначительно, на это указывает коэффициент х1.
131
Рис. 3.2.1. Изменение предела
прочности при сжатии при температуре 20 °С в зависимости от
температуры приготовления и содержания битума в смеси
Для определения оптимальной температуры приготовления и оптимального содержания битума в смеси необходимо
взять первые производные dy/dx1 и dy/dx2 от (3) и приравнять их
к 0.
dy/dx1 = – 0,06 х1 = 0, отсюда х1 = 0 и, используя (1)
0 = (х1 – 140)/20,
находим, что оптимальная температура (по пределу прочности
при сжатии при температуре +20 °С) приготовления асфальтобетонной смеси равна Х1 = 140 °С.
Для определения оптимального содержания битума в смеси
необходимо взять первую производную dy/dx2 и приравнять ее к 0.
dy/dx2 = – 1,14 х2 = 0, отсюда х2 = 0 и, используя (2)
0 = (Х2 – 9)/1, находим, что Х2 = 9%.
Таким образом, оптимальное содержание битума в смеси
(по пределу прочности при сжатии при температуре +20 °С) равно 9%.
Анализ математической модели (4) и рис. 3.2.2 позволяют
установить влияние исследуемых факторов на предел прочности
при сжатии при температуре +50 °С.
Большое влияние на R50 оказывает температура приготовления (коэффициент при х1 больше, чем при х2). По всей видимости, это в какой-то мере связано со старением битума в смеси.
132
Рис. 3.2.2. Изменение предела прочности при сжатии при температуре
50 °С в зависимости от температуры приготовления и содержания
битума в смеси
Для определения оптимального содержания битума и температуры приготовления возьмем первые производные от (4) и
приравняем их к нулю.
dy/dx1 = – 0,56 х1 = 0,
отсюда х1 = 0 и, используя (1)
0 = (х1 -140) / 20,
находим, что оптимальная температура приготовления асфальтобетонной смеси (по пределу прочности при сжатии при температуре +50 °С) равна Х1 = 140 °С.
Для определения оптимального содержания битума в смеси
необходимо взять первую производную dy/dx2 от (4) и приравнять
ее к 0.
dy/dx2 = – 0,24 х2 = 0, отсюда х2 = 0 и, используя (2)
0 = (Х2 – 9)/1, находим, что Х2 = 9%.
133
Таким образом, оптимальное содержание битума равно 9% и
температура приготовления смеси 140 °С. Влияние температуры
приготовления по пределу прочности при сжатии при температуре +50 °С несколько больше, чем содержание битума.
Анализ математической модели (5) и рис. 3.2.3 позволяет
выявить влияние каждого фактора на предел прочности при
сжатии после водонасыщения при температуре +20 °С.
Рис. 3.2.3. Изменение предела прочности при сжатии при температуре
20 °С после водонасыщения в зависимости от температуры
приготовления и содержания битума в смеси
Большее влияние на предел прочности оказывает температура приготовления, чем содержание битума в смеси (на это
указывают величины при линейном и квадратичном х1 по сравнению с коэффициентом при х2).
134
Для определения оптимальной температуры приготовления и оптимального содержания битума в смеси (по пределу
прочности при сжатии после водонасыщения при + 20 0С) возьмем первые производные и приравняем их к нулю.
dy/d х1 = 0,25 – 0,4 х1 = 0 х1 = 0,25/0,4 = 0,625, тогда физическое
значение Х1 из формулы 1 равно 0,0625 = (Х1 – 140) / 20, Х1 =
152,оС. Оптимальная температура приготовления 152 оС.
dy/d х2 = – 0,88 х2 = 0; х2 = 0; Х2 = 9% (из формулы 2).
Следовательно, оптимальное содержание битума в смеси
равно 9%.
Рис. 3.2.4. Изменение водонасыщения в зависимости от температуры
приготовления и содержания битума в смеси
Анализ математической модели водонасыщения (6) показывает, что увеличение содержания битума в смеси и температуры приготовления приводят к уменьшению водонасыщения,
причем большее влияние оказывает содержание битума в смеси
135
(рис. 3.2.4). Анализ математической модели (7) позволяет установить влияние каждого фактора на набухание. С увеличением
температуры приготовления набухание снижается, с увеличением содержания битума в смеси набухание возрастает.
Анализируя приведенные данные результатов обсчета и
построенных математических моделей, можно сделать обобщающие выводы:
1. Предложенная методика подбора состава минеральной
части асфальтобетонных смесей с добавками гранулированного
шлака и применение метода математического планирования
экстремальных экспериментов при установлении оптимального
содержания битума в смеси и температуры приготовления позволят разрабатывать рациональные составы с большей достоверностью при минимуме затрат на проведение экспериментов.
2. Температура приготовления асфальтобетонных смесей
на природных каменных материалах с добавками гранулированного шлака должна находиться в пределах 140-150 °С (ближе к
нижнему пределу).
3. Оптимальное содержание битума в смеси состава: гранитные высевки – 70%, гранулированный шлак – 30% равно 9%.
При этом содержании битума асфальтобетонная смесь удовлетворяет требования ГОСТ 9128-2009 по пределам прочности
при сжатии при всех температурах и по водонасыщению.
Из предыдущих исследований с применением математического метода планирования установлено, что оптимальная температура приготовления асфальтобетонных смесей на природных каменных материалах с добавками гранулированного доменного шлака должна находиться в пределах 140-150 °С. Поэтому оптимальное содержание битума в смесях составов 2, 3
находили при разогреве минерального материала до температуры 140 °С. Результаты подбора оптимума битума в этих смесях
представлены в табл. 3.2.3. Как видно из результатов испытаний, представленных в таблице 3.2.3, оптимальное содержание
битума для 2 и 3 составов равно 6%.
136
Таблица 3.2.3. Подбор оптимального содержания битума
в асфальтобетонных смесях с добавками гранулированного
шлака
Содержание
битума, %
Средняя плотность,
г/см3
Водонасыщение, % объема
Набухание,
% объема
Пределы прочности при сжатии,
МПа, при
температуре, °С
2. Гранитный щебень
фр. 5-20 мм – 70%;
гранулированный
шлак – 30%
5
2,29
6,19
0,10
2,58 2,79 0,90
6
2,31
4,59
0,55
2,80 3,00 0,97
7
2,35
3,40
1,90
2,62 2,71 0,76
3. Щебень фр. 5-20
мм – 50%; гранитные
высевки фр. 0-5 мм –
30%; гранулированный шлак – 20%
5
2,29
6,57
0,40
2,38 2,68 1,15
6
2,33
4,22
0,15
2,81 2,93 1,31
7
2,34
2,43
0,15
2,75 2,87 1,42
Номер и состав
смеси
20
20В
50
3.3. Исследование влияния возраста образцов, длительного
водонасыщения и замораживания-оттаивания на
структурно-механические свойства асфальтобетона
Покрытия асфальтобетонных дорог работают в сложных
условиях. Помимо динамических нагрузок от подвижного
транспорта на них воздействуют климатические и временные
факторы: длительное водонасыщение, замораживание-оттаивание, возраст покрытия, солнечная радиация и т. д. Поэтому нами
проведены исследования по влиянию возраста образцов, длительного водонасыщения и замораживания-оттаивания на структурно-механические свойства асфальтобетона с добавками гранулированного доменного шлака.
С течением времени в асфальтобетоне продолжаются процессы структурообразования и возможно старение битума. Поэтому нами были проведены исследования структурно-механических свойств после длительного выдерживания образцов асфальтобетона с добавками гранулированного доменного шлака
на воздухе.
Результаты испытаний приведены в таблице 3.3.1.
137
138
Анализ данных табл. 3.3.1 показывает, что практически у
всех исследуемых составов асфальтобетона происходит колебание изменения прочности при сжатии при 20 °С около усредненной величины.
Колебания предела прочности при сжатии можно объяснить с позиции диффузной теории адгезии и процессов физикохимического взаимодействия шлаковых материалов с битумом.
В начальный период при приготовлении асфальтобетонной
смеси происходит избирательная диффузия компонентов битума
в поры шлакового материала.
Масла, как наиболее подвижная часть битума, диффундируют в поры шлакового материала, а смолы и асфальтены остаются на его поверхности [96, 104]. При этом поверхностный
слой обогащается смолами и асфальтенами. В дальнейшем
происходят процессы физико-химического взаимодействия
битума с поверхностью шлакового материала, образуются
органоминеральные соединения типа Ме – О – О С R и
кремнийорганические соединения типа - Si – O – R.
Образование органоминеральных соединений, которые
нерастворимы в воде, ведет к созданию структурно-механического барьера, оказывающего экранирующее действие и
снижающего избирательную фильтрацию компонентов битума в
поры минерального материала [25]. Между смолами и асфальтенами, адсорбированными на поверхности шлака, и маслами,
продиффундированными в его поры, устанавливается термодинамическое равновесие.
Под влиянием разности термодинамических потенциалов и
капиллярных сил происходит обратная диффузия масел в смолы и
асфальтены, поверхностный слой обогащается ими и становится
более пластичным. Этим можно объяснить колебания предела
прочности при сжатии при температуре +20 °С во времени.
Образование кремнийорганических соединений типа - Si – O
– R придает материалу гидрофобные свойства и тем самым способствует повышению водостойкости асфальтобетона из шлаковых материалов. Практические у всех составов смесей коэффициенты водостойкости и длительной водостойкости выше единицы.
Таким образом, исследованиями установлено, что во времени
асфальтовые бетоны с добавками гранулированного доменного шла139
ка имеют достаточную водостойкость, сохраняют прочность и не изменяют ее, что свидетельствует об отсутствии старения битума.
В весенний и осенний периоды эксплуатации асфальтобетонные покрытия подвергаются интенсивному воздействию
влаги. Этот процесс усиливается вакуумирующим действием
шин автомобильного транспорта. Поэтому были проведены исследования по воздействию длительного водонасыщения на
структурно-механические свойства асфальтобетона с добавками
гранулированных доменных шлаков.
Результаты исследований представлены в табл. 3.3.2.
Анализ результатов, представленных в табл. 3.3.2, свидетельствует о достаточной водостойкости асфальтобетона с добавками гранулированного шлака. Так, смесь № 2 состава: щебень гранитный фр. 5-20 мм – 70%; гранулированный доменный
шлак рядовой – 30%; битум марки БНД 60/90 – 6%, несмотря на
повышенное водонасыщение, имеет достаточно высокий коэффициент длительной водостойкости, превышающий требования
стандарта.
Смесь № 1 на отсеве гранитного щебня и гранулированного доменного шлака также имеет повышенную водостойкость.
Таким образом, исследованиями установлено, что во времени
асфальтовые бетоны с добавками гранулированного доменного шлака имеют достаточную водостойкость, сохраняют прочность и не изменяют ее, что свидетельствует об отсутствии старения битума.
Эталонный состав асфальтобетона на природных каменных
материалах в течение длительного водонасыщения монотонно
снижает прочность, и коэффициент водостойкости все время снижается (смесь № 4).
Интересно поведение смесей № 2 и № 3 на гранитном
щебне с разным содержанием гранулированного доменного
шлака.
У смеси № 2 повышенное водонасыщение по сравнению со
смесью № 3, и, соответственно, она имеет повышенную пористость по сравнению со смесью № 3.
В первоначальный момент (до 60 суток водонасыщения) у
смеси № 2 происходит уменьшение коэффициента водостойкости, а затем он возрастает.
140
141
У смеси № 3 происходит монотонное снижение водостойкости при водонасыщении до 90 суток.
Такое поведение асфальтового бетона с добавками гранулированного доменного шлака объясняется его гидравлическими вяжущими свойствами.
Вода, диффундируя через битумную пленку, попадает на
поверхность и в поры гранулированного доменного шлака и вызывает развитие процессов гидролиза и гидратации шлаковых
минералов, а где больше водонасыщение, там активнее эти процессы и происходят.
Методами растровой сканирующей электронной микроскопии установлено, что после воздействия длительного водонасыщения происходит модификация поверхности шлакового
стекла (рис. 3.3.1.).
Рис. 3.3.1 Модификация поверхности шлакового материала после 90 суток водонасыщения.
Битум отэкстрагирован
Модификация поверхности шлакового материала приводит к возрастанию роли вандерваальсовых сил вследствие увеличения поверхности контакта между битумом и минеральным
материалом, так как поверхность новообразований измеряется
величинами порядка 100-300 м2/г. Основное влияние модификации поверхности шлакового материала, по нашему мнению, заключается в том, что кристаллогидраты армируют битум как по
поверхности шлакового материала, так и тот битум, который
продиффундировал в поры шлакового материала, т.е. модифи142
кация поверхности приводит к усилению диффузионной адгезии
между битумом и минеральным материалом.
Вышеприведенные исследования структурно-механических
свойств асфальтобетона с добавками гранулированного доменного шлака показывают основное преимущество применения гидравлически активных минеральных материалов по сравнению с
природными каменными материалами, когда воздействие влаги
приводит не к деструкции материала, а, наоборот, к значительному упрочнению системы.
Шлаковый асфальтовый бетон к моменту начала водонасыщения обладает коагуляционной структурой. В последующем, в результате модификации поверхности, гидролиза и гидратации шлаковых минералов, структура асфальтобетона из
коагуляционной
превращается
в
коагуляционноконденсационную, упрочненную кристаллическими сростками в
местах контакта шлаковых зерен [48, 49, 52, 85, 104].
Недостаточная коррозионная устойчивость – наиболее частая
причина преждевременного разрушения асфальтобетонных покрытий. Асфальтовый бетон разрушается главным образом при
длительном или периодическом увлажнении и особенно в результате попеременного замораживания-оттаивания [25].
Помимо действия воды при ее замерзании в порах адсорбционные слои воды, понижая поверхностную энергию, облегчают образование новых поверхностей в асфальтобетоне при
его деформировании. Разрушающий эффект усиливается расклинивающими действиями водных пленок, разъединяющих
минеральные зерна и отслаивающих битумные слои [88].
Исследованию влияния структурных элементов на морозостойкость асфальтобетона посвящены работы Рыбьева И.А., Гезенцвея Л.Б., Михайлова Н.В. и др. [25, 74, 91].
При рассмотрении влияния пористости и строения порового пространства на морозостойкость асфальтобетонных материалов помимо деструктивных процессов, происходящих при
замерзании воды, следует учитывать также интенсивность процессов старения битума под воздействием окружающей среды.
Старение вяжущих в асфальтобетонных покрытиях с большой
пористостью происходит быстрее, чем в плотных смесях.
143
Чтобы защитить покрытие от морозных воздействий, в асфальтовые бетоны добавляют минеральный порошок. В этом случае капилляры в покрытии будут в достаточной мере замкнуты,
поскольку дисперсные частицы прерывают капиллярное движение воды и в то же время дают возможность расширения капилляра при большом давлении. Образование замкнутых капилляров
при наличии мельчайших частиц минерального порошка предотвращает разрушение покрытий при замерзании воды [25].
Добавки активированного минерального порошка способствуют не только улучшению структурных связей и увеличению
плотности асфальтобетона, но и получению более однородной
мелкопористой структуры этого материала, характеризующейся
большим количеством замкнутых пор, которые в соответствии с
представлениями С.В. Шестоперова [110] играют роль микроамортизаторов, гасящих давление замерзающей воды.
Гидрофобизирующие кремнийорганические добавки в асфальтобетонные смеси способствуют образованию структурномеханического барьера и, следовательно, повышают его морозостойкость [24].
Гранулированные доменные шлаки являются гидравлически активными минеральными материалами, имеют микропористую структуру, и поэтому можно предположить, что асфальтовый бетон с добавками гранулированного доменного шлака
будет обладать достаточной морозостойкостью.
Нами были проведены исследования структурно-механических свойств асфальтобетона с добавками гранулированного
доменного шлака естественного зернового состава после воздействия знакопеременных температур. Результаты исследований представлены в табл. 3.3.3.
Анализ результатов, представленных в табл. 3.3.3, свидетельствует о повышенной морозостойкости асфальтобетона с
добавками гранулированных доменных шлаков по сравнению с
асфальтобетоном на природных каменных материалах.
У смеси № 1 на отсеве гранитного щебня с добавками 30%
гранулированного доменного шлака при воздействии замораживания-оттаивания до 75 циклов происходит некоторое уменьшение коэффициента морозостойкости.
144
145
Аналогичные изменения коэффициента морозостойкости
происходят и смесей №№ 2, 3. До определенного количества циклов замораживания-оттаивания происходит спад предела прочности, а затем – возрастание, в то время как у асфальтобетона на
природных каменных материалах (смесь № 4) происходит монотонное снижение предела прочности при сжатии при температуре +200 С. Коэффициент морозостойкости после 25 циклов замораживания-оттаивания равен 0,86, а после 100 циклов – 0,83.
Повышенная морозостойкость асфальтобетона с добавками
гранулированного доменного шлака объясняется его специфическими свойствами, отсутствующими у природных каменных материалов, а также процессами структурообразования и физикохимического взаимодействия шлаковых материалов с битумом.
Особенностью стеклофазы шлаковых материалов является
резкое различие в структуре и химическом составе основной
массы стекла и поверхностного слоя. Это связано с тем, что поверхность стекла в атмосферных условиях сразу же после ее образования подвергается изменениям, в результате которых возникает поверхностный слой, отличающийся по химическому составу и физическим свойствам от остальной массы стекла.
Исследования при помощи сканирующего электронного
микроскопа (рис. 3.3.2) позволили установить, что под влиянием
атмосферной влаги происходит модификация поверхности шлакового стекла с возникновением новообразований. Подобные
пленки, образованные преимущественно кремнеземом, окислами кальция и магния, обладают значительной адсорбционной
способностью. Как уже отмечалось, это приводит при взаимодействии с битумом к образованию химических, водородных и
вандерваальсовых связей, а следовательно, и повышению морозостойкости асфальтобетона с добавками гранулированного
шлака.
Микрошероховатая поверхность гранулированного шлака,
ленточное строение шлакового стекла предопределяет и ленточное строение битумной пленки на поверхности шлаковых
материалов, аналогичной пленке органических полимеров [53].
146
Рис. 3.3.2. Влияние атмосферной влаги на модификацию
поверхности шлакового стекла
Пористая и микрошероховатая поверхность зерен шлаковых материалов (рис. 3.3.3) является определяющим фактором,
способствующим возникновению прочного адгезионного контакта между минеральным материалом и битумом в асфальтобетонных смесях с добавками гранулированного доменного шлака, что приводит к созданию морозостойких материалов.
Рис. 3.3.3. Микрошероховатая поверхность
шлакового стекла
Наличие замкнутых шарообразных пор в шлаковых материалах (рис. 3.3.4) повышает морозостойкость асфальтобетона с
добавками гранулированного доменного шлака, что согласуется
с данными С.А. Шестоперова [110].
147
Рис. 3.3.4. Поровая
структура гранулированного доменного шлака
Использование растровой сканирующей электронной микроскопии для изучения структурообразования и изменения
структуры при воздействии знакопеременных температур позволило доказать основную роль процессов гидратации шлаковых материалов для повышения морозостойкости асфальтобетона.
Прежде всего, это относится к поровому пространству.
Поры шлаковых материалов заполняются продуктами гидратации (кристаллогидратами), превращаясь из дефекта структуры в
прочные структурные элементы, так называемые дислокационные барьеры.
Модификация поверхности шлаковых материалов при
воздействии знакопеременных температур также играет одну
из основных ролей в повышении морозостойкости. Модификация поверхности зерен шлака приводит к возрастанию роли
вандерваальсовых сил вследствие увеличения поверхности контакта между битумом и минеральным материалом. Это же приводит к усилению диффузной адгезии между битумом и минеральным материалом и возникновению коагуляционно-конденсационной структуры, упрочненной кристаллизационными
сростками в местах контакта шлаковых зерен (рис. 3.3.5) [48, 49,
52, 85, 104].
Основными дефектами, снижающими срок службы асфальтобетонных покрытий, являются трещины, наплывы, волны. На долю трещин приходится до 50% общего объема всех
дефектов; на долю наплывов и волн – до 25-30%.
148
Рис. 3.3.5. Возникновение коагуляционноконденсационной структуры
в асфальтобетонной смеси в результате воздействия знакопеременных температур
Для оценки деформативной и деформационной способности предложено значительное число показателей: коэффициент
теплоустойчивости, предел прочности на растяжение при изгибе, предельное относительное удлинение, ползучесть и скорость
ползучести, модули деформации и упругости, вязкость ненарушенной структуры, кинетические характеристики и т.д.
Нами для исследования реологических параметров были
приняты методы А.М. Богуславского [13], Я.Н. Ковалева [70].
По методу А.М. Богуславского определяли время релаксации (Q), время ретардации ( t ), модуль упругости (К), коэффициент вязкой податливости ( g ), коэффициент вязкости по Максвеллу; кинетические характеристики Р 1 и Р 2 . По методу
Я.Н. Ковалева определяли вязкость ненарушенной структуры [70].
Реологические характеристики асфальтобетона с добавками гранулированного доменного шлака приведены в табл. 3.3.4.
Исследованиями А.М. Богуславского доказано, что для
обеспечения деформационной способности при положительных
температурах (+ 50 0С) необходимо, чтобы соотношение кинетических характеристик Р1/Р2 было не более 0,005, а для обеспечения деформативной способности асфальтобетона при отрицательной температуре соотношение Р1/Р2 – не менее 0,0003.
Как видно из табл. 3.3.4, асфальтовый бетон с добавками
гранулированного доменного шлака обладает достаточной деформативной устойчивостью, и на нем не будет образовываться
наплывов и волн. Соотношение Р1/Р2 равно 0,0038, что значительное меньше требований, равных 0,005.
149
150
ГЛАВА 4. ХОЛОДНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН
НА ОСНОВЕ ШЛАКОВОГО ПЕСКА
4.1. Подбор оптимальных составов холодного асфальтобетона
Основным достоинством холодных асфальтобетонных
смесей является их способность к длительному хранению и последующему уплотнению в покрытии, что позволяет заготавливать эти смеси на асфальтобетонных заводах заблаговременно, в
течение года. Обеспечение подвижности смесей при хранении
достигается применением битумов пониженной вязкости.
Процесс уплотнения холодных асфальтобетонных смесей
отличается той особенностью, что они не могут быть полностью
уплотнены непосредственно вслед за укладкой. Это объясняется
тем, что пленка жидкого битума вокруг частиц обладает упругими свойствами, и необходимое сближение минеральных частиц происходит лишь с течением времени, после повышения
вязкости битума и уменьшения толщины битумной пленки
вследствие испарения легких фракций и полимеризации смол.
Одной из характерных особенностей холодного асфальтобетона, отличающих его от асфальтобетона, применяемого в горячем состоянии, является способность оставаться в рыхлом состоянии в течение длительного срока после приготовления. Эта
особенность холодного асфальтобетона обусловлена применением битумов с меньшей начальной вязкостью и меньшим количеством вяжущего вещества по сравнению с асфальтобетоном, укладываемым в горячем состоянии.
Применение менее вязких битумов обусловливает склонность холодного асфальтобетона к образованию сдвигов, наплывов и волн. Для повышения сдвигоустойчивости и обеспечения механической прочности в состав холодных асфальтобетонных смесей рекомендуется вводить повышенное содержание
минерального порошка и применять дробленые каменные материалы.
Проведенные нами исследования показали, что шлаковые
пески можно с успехом применять для изготовления холодных
асфальтобетонных смесей [5, 43, 65-67].
Оптимальное количество битума в холодных асфальтобетонных смесях на основе шлакового песка назначали исходя из
151
максимальной прочности и удобоукладываемости (слеживаемости). В табл. 4.1.1 и 4.1.2 приведены результаты исследований
по подбору оптимального содержания битума и добавок минерального порошка гранулированного доменного шлака в холодных асфальтобетонных смесях. В качестве вяжущих веществ использовали битумы марок МГ 70/130, СГ 130/200 и БНД 200/300.
Содержание битума в смеси, %
Слеживаемость,
число ударов
Средняя плотность, г/см3
Водонасыщение,
% объема
Набухание, %
объема
Предел прочности
при сжатии, МПа,
при температуре
+20 °С
БНД 200/300
СГ 130/200
МГ 70/130
Марка
битума
Таблица 4.1.1. Определение оптимального содержания
битума в холодных асфальтобетонных смесях на основе
шлакового песка
5
6
7
8
9
10
4
5
6
7
8
9
4
5
6
7
8
9
1
1
3
3
3
3
1
3
5
7
9
13
2
4
6
9
11
13
2,16
2,21
2,25
2,28
2,31
2,31
2,17
2,21
2,24
2,25
2,28
2,29
2,19
2,21
2,22
2,26
2,27
2,30
14,52
12,96
9,88
8,38
8,05
6,04
17,07
14,74
12,57
11,20
8,49
7,60
17,11
15,05
13,05
9,96
8,92
8,23
0,38
0,61
0,30
0,50
0,39
0,21
0,56
0,72
0,61
0,51
0,34
0,30
0,76
0,63
0,62
0,46
0,34
0,37
1,5
1,5
1,6
1,7
1,6
1,6
2,6
2,6
2,7
2,7
2,7
2,4
2,6
3.2
3.3
3,4
3,5
3,0
152
Коэффициент
водо- длистой- телькости ной
водостойкости
1,00
0,79
1,00
0,73
1,00
0,81
1,00
0,82
1,00
0,93
1,00
0,93
0,81
0,65
0,98
0,69
1,00
0,74
1,00
0,65
1,00
0,64
1,08
0,66
0,85
0,80
0,72
0,79
0,73
0,64
0,71
0,84
0,80
0,86
1,00
0,94
153
Анализ представленных в таблице 4.1.1 результатов свидетельствует о том, что при изменении содержания битума в
смеси не отмечается явно выраженного максимума предела
прочности, как это имеет место для асфальтобетона из природных каменных материалов. При увеличении содержания
битума от 5 до 8% прочность асфальтобетона меняется незначительно.
Это аномальное поведение материала можно объяснить
структурирующей способностью поверхности шлакового песка.
Пленка битума имеет оптимальную толщину, а избыток битума
без изменения группового состава внедряется в пористую
структуру шлакового песка (рис. 4.1.1).
Рис 4.1.1. Характер поверхности шлакового песка
Для холодных асфальтобетонных смесей важной характеристикой является слеживаемость, которая отражает их способность к длительному хранению. Как показывают результаты испытаний, слеживаемость асфальтобетонных смесей с содержанием битумов всех марок в количестве 6-8% достаточно низка и
не превышает 10 ударов даже на вязком битуме БНД 200/300
при содержании его до 7%.
Слеживаемость смесей не повышается и при выдерживании образцов, приготовленных по стандартной методике, в течение 3 месяцев, что указывает на возможность длительного
154
хранения таких смесей. Следовательно, процессы взаимодействия битума с поверхностью шлакового песка, продолжающиеся
длительное время, при уплотняющей нагрузке 0,05 МПа не вызывают увеличения сцепления частиц (слеживаемости).
Наряду с низкой слеживаемостью холодные асфальтобетонные смеси, приготовленные на битумах марок СГ 130/200 и
БНД 200/300, имеют такой же предел прочности при сжатии,
что и горячие смеси.
Гезенцвей Л. Б. [25] рекомендует для холодных асфальтобетонных смесей содержание битума уменьшать на 1-2% от оптимального по пределу прочности при сжатии с целью предотвращения слеживаемости при хранении в штабелях.
Поэтому для дальнейших исследований содержание битума в смесях на основе шлакового песка принято: на битуме МГ
70/130 – 6,5%; на битуме СГ 130/200 – 5%; на битуме марки
БНД 200/300 – 5%; 6% и 6,5%. Для асфальтобетона с добавкой
20% гранулированного шлака содержание битума МГ 70/130
принято 8%.
4.2. Исследование физико-химического взаимодействия
шлакового песка с битумом
Прочность и устойчивость холодного асфальтобетона на
основе шлакового песка при температурных и влажностных изменениях определяется характером и степенью взаимодействия
на разделе фаз битум – шлаковый песок. Наличие прочной связи
на границе раздела связано с интенсивным протеканием хемосорбционных процессов при объединении битума со шлаковым
песком, о чем можно судить по времени экстрагирования битума марки МГ 70/130 из асфальтобетонной смеси (табл. 4.2.1) и
количеству десорбированного битума.
Экстрагирование образцов производили в аппарате Сокслетта спиртобензольной смесью. За окончание экстрагирования принимали время, при котором происходило полное осветление растворителя. Во всех случаях не удалось полностью отэкстрагировать битум из образцов.
155
Таблица 4.2.1. Время экстрагирования битума из холодной
асфальтобетонной смеси на основе шлакового песка
Возраст
образцов к
началу экстрагирования, сутки
4
30
60
90
180
Продолжительность экстрагирования образцов, часы, уплотненных нагрузкой МПа
10
30
40
50
6 ч 00 мин.
6 ч 50 мин.
7 ч 20 мин.
9 ч 30 мин.
10 ч 20 мин.
8 ч 50 мин.
9 ч 0 мин.
9 ч 35 мин.
10 ч 10 мин.
11 ч 30 мин.
9 ч 10 мин.
9 ч 20 мин.
10 ч 10 мин.
12 ч 00 мин.
13 ч 05 мин.
10 ч 15 мин.
11 ч 30 мин.
12 ч 20 мин.
18 ч 05 мин.
19 ч 30 мин.
С увеличением уплотняющей нагрузки и возраста образцов наблюдалась интенсификация процессов на разделе фаз
битум – шлаковый песок. Наименьшим было время экстрагирования образцов в возрасте 4 суток из смеси, уплотненной нагрузкой 10 МПа, наибольшим – в возрасте 180 суток из смеси,
уплотненной нагрузкой 50 МПа. Из образцов раннего возраста и
при меньшей степени уплотнения удавалось отэкстрагировать
битума больше, чем на образцах более позднего возраста и при
большей степени уплотнения.
Увеличение прочности адгезионных связей при повышении степени уплотнения связано с перераспределением битума
на поверхности шлакового песка, которое вызывается улучшением упаковки зерен в шлаковом асфальтобетоне. Увеличение
времени экстрагирования с возрастом образцов указывает на
длительность хемосорбционных процессов на поверхности шлакового песка. Битум на поверхности шлакового песка становится более вязким и упругим, способствуя повышению структурно-механических свойств битумошлаковой системы. В результате активного физико-химического взаимодействия и избирательного фракционирования большая часть битума в холодной
асфальтобетонной смеси переводится в пленочное, структурированное состояние, что обусловливает наряду с высокой механической прочностью таких систем низкую слеживаемость при
хранении даже в том случае, когда для приготовления применяется битум марки БНД 200/300 (табл. 4.1.1).
156
Для исследования процессов на границе раздела фаз битум
– шлаковый песок применен метод молекулярной инфракрасной
спектроскопии, который нашел широкое применение при изучении как органических, так и неорганических соединений. При
взаимодействии поверхности шлакового песка с битумом на разделе фаз проходят активные хемосорбционные процессы, обусловленные повышенной адсорбционной способностью шлакового материала, развитой удельной поверхностью, наличием большого числа активных адсорбционных центров в виде катионов
кальция и магния. Все это предрасполагает к получению системы
с достаточно высокими структурно-механическими свойствами.
В инфракрасном спектре шлакового песка (рис. 4.2.1) наиболее интересной является область волновых чисел от 1400 до
700 см-1. В пределах волновых чисел 1200-800 см-1 наблюдается
широкая полоса поглощения, характеризующая валентные колебания связей -SiO [79]. Полосы поглощения при 600-790 см-1
могут быть отнесены к влиянию алюминатных группировок в
силикатной системе [75]. При волновых числах 3750 см-1 наблюдается полоса поглощения, которая может быть отнесена к
валентным колебаниям изолированных -ОН-групп на поверхности окиси кремния [82].
В инфракрасных спектрах смесей шлакового песка с битумами по сравнению со спектром одного шлакового песка
происходит сужение и смещение в сторону меньших волновых
чисел полос поглощения в области 800-1200 см-1, причем
большее сужение этих полос наблюдается у смесей на битуме
БНД 200/300.
Смещение полосы поглощения при 3750 см-1 в сторону
меньших волновых чисел и уширение ее указывает на возникновение водородных связей между поверхностными гидроксильными группами окиси кремния с активными группами битума. Именно эти группы являются центрами физической адсорбции большого количества различных по своему электронному строению молекул [10]. Появление полос поглощения при
3610 см-1, принадлежащих валентным колебаниям ОН-групп
гидроокиси кальция, и полосы поглощения при 1070 см-1 свидетельствует о прохождении на разделе фаз химической реакции
по схеме [79]:
157
Ca(OH)2+ROH → RO-Ca-OH +H2O.
Смещение в сторону меньших волновых чисел полос поглощения, характеризующих высококальциевые соединения
(855 и 935 см-1) в шлаковом песке и появление полосы поглощения при 890 см-1, указывающей на присутствие нафтеновых
структур на поверхности смеси шлакового песка с битумом, вероятно, связано с взаимодействием окислов кальция с карбоксильной группой битумов [75, 79]:
2RCOOH+CaO = (RCOO)2Ca+H2O.
В результате такой реакции образуются нерастворимые органоминеральные соединения (кальциевые мыла) (RCOO)2, которые на поверхности шлакового песка создают прочный и устойчивый хемосорбционный слой.
Наряду с хемосорбционными процессами на разделе фаз
битум – шлаковый материал происходит образование водородных связей между гидроксильным покровом окиси кремния
шлакового песка и активными группами битума, о чем свидетельствует смещение в сторону меньших волновых чисел полосы поглощения при 3750 см-1, характерной для валентных колебаний изолированных ОН-групп на поверхности окиси кремния.
Причем с увеличением вязкости и реакционной способности битума увеличивается энергия водородной связи его молекул с
гидроксильным покровом окиси кремния, что приводит к большему смещению полосы поглощения при 3750 см-1 в сторону
меньших волновых чисел. Так, у смеси шлакового песка с битумом БНД 200/300 эта полоса смещается до 3500 см-1в отличие от
3560 см-1 для смеси шлакового песка с битумом МГ 70/130 [78].
В результате активного физико-химического взаимодействия битум в холодных асфальтобетонных смесях на основе шлакового песка оказывается переведенным в структурированное
состояние, что обусловливает высокую механическую прочность, водостойкость и малую слеживаемость смесей, даже приготовленных на вязких битумах марки БНД 200/300.
158
Рис. 4.2.1. Инфракрасные спектры шлакового песка и его смесей с битумами: 1 – шлаковый песок; 2 – смесь шлакового песка с битумом БНД
200/300; 3 – смесь шлакового песка с битумом МГ 70/130
4.3. Влияние атмосферно-климатических факторов
на физико-механические свойства
В холодных асфальтобетонных смесях в процессе приготовления, а также под действием атмосферных факторов (ультрафиолетовое облучение, температура) битум изменяет свои
свойства. Эти изменения заключаются в потере легких фракций,
в протекании реакций окисления, полимеризации, поликонденсации, а также в результате взаимодействия битума и минеральных материалов. Изменение свойств битума во времени вызывает, в свою очередь, изменение свойств асфальтобетона.
159
Для оценки изменения свойств холодных асфальтобетонных смесей во времени стандартом предусмотрено ускоренное
проведение испытаний путем прогрева образцов при температуре 90 °С в течение 4-6 ч.
Проведенные нами аналогичные испытания асфальтобетона состава: шлаковый песок – 100%, битум марки МГ 70/130 –
6,5% показали, что свойства асфальтобетона после прогрева
практически не изменяются (табл. 4.3.1). Поэтому в дальнейших
исследованиях физико-механических свойств асфальтобетона
метод прогрева не применяли.
Таблица 4.3.1. Влияние времени прогрева на физикомеханические свойства холодного асфальтобетона
Время
прогрева,
ч
0
4
6
8
Средняя
плотность,
г/см3
2,28
2,28
2,28
2,29
Водо- Набунасы- хание,
щение, % объема
% объема
11,13
0,22
11,00
0,15
11,10
0,00
11,05
0,05
Коэф- КоэффициПредел прочент длифициент
ности при
тельной
водосжатии, МПа,
при темпера- стойко- водостойкости
сти
туре +20 °С
1,8
0,68
0,72
1,7
0,70
0,75
1,8
0,78
0,76
1,8
0,84
0,84
Покрытия из холодного асфальтобетона уплотняются под
действием автомобильного транспорта длительное время. В начальной стадии после устройства они недоуплотнены. Поэтому
было исследовано изменение физико-механических свойств холодного асфальтобетона во времени с разной степенью уплотнения (табл. 4.3.2).
Анализ полученных результатов позволил установить, что
во времени при одинаковой степени уплотнения изменение предела прочности при сжатии практически не происходит (при содержании битума в количестве 6,5%) или даже уменьшается при
большем содержании битума марки МГ/ 70/130 (8%), но процессы структурообразования продолжаются, так как во времени
существенно повышаются коэффициенты водоустойчивости и
длительной водоустойчивости.
160
161
162
В дальнейшем все исследования проводили при степени
уплотнения холодного асфальтобетона 40 Мпа.
Для выявления особенностей структурообразования холодных асфальтобетонных смесей во времени определяли физико-механические свойства образцов, имевших к началу испытания возраст 2, 14, 28, 60, 120 и 180 суток (табл. 4.3.3).
Анализируя данные таблицы 4.3.3, установлено, что наименьшее изменение предела прочности при сжатии происходит
у смесей на битуме марки МГ 70/130 с добавкой воды при изготовлении и без добавки воды. Смеси, изготовленные с использованием битума марки СГ 130/200, во времени к моменту
испытания увеличивают предел прочности при сжатии на
0,7 МПа.
Несомненный интерес вызывают свойства холодного асфальтобетона с разным содержанием битума марки БНД 200/300.
При содержании битума в смеси в количестве 5% прирост предела прочности в возрасте 180 сут. составил 2 МПа; при содержании битума в смеси 6% – 0,8 МПа, а при содержании битума
6,5% – 0,7 МПа.
Объяснить это можно с позиции диффузной теории адгезии. При изготовлении холодной асфальтобетонной смеси происходит избирательная диффузия низкомолекулярных компонентов (масел) в поры шлакового песка под влиянием разности
термодинамических потенциалов и капиллярных сил. Чем больше содержание битума в смеси, тем больше масел проникает в
поры шлакового песка, и тем больше масел со временем будет
диффундировать в пленочный битум, обогащенный смолами и
асфальтенами.
Во времени процессы структурообразования холодных смесей продолжаются на битумах всех марок. Об этом свидетельствует увеличение коэффициентов водостойкости и длительной
водостойкости с увеличением возраста асфальтобетона.
По сравнению с требованиями стандарта холодные асфальтобетонные смеси на шлаковом песке характеризуются несколько повышенными значениями водонасыщения, что может привести к их разрушению при длительном водонасыщении и воздействии попеременного замораживания-оттаивания.
163
164
165
Для оценки длительной водостойкости асфальтобетонов из
шлакового песка и битумов марок СГ 130/200, МГ 70/130, БНД
200/300; шлакового песка (80%), гранулированного доменного
шлака (20%) и битума марки МГ 70/130 их выдерживали в воде
2, 14, 28, 60, 120 и 180 суток с последующим определением физико-механических свойств (табл. 4.3.4).
Образцы из смеси шлакового песка и битума марки СГ
130/200, а также из смеси шлакового песка и битума марки МГ
70/130 имели практически одинаковый предел прочности при
сжатии после 2 и 180 суток водонасыщения. Предел прочности
при сжатии образцов с битумом СГ 130/200 после 2 суток водонасыщения составлял 2,1 МПа, а после 180 суток – 2,2 МПа; для
образцов с битумом МГ 70/130 соответственно 1,5 и 1,4 МПа.
У образцов из смеси шлакового песка и битума БНД
200/300 при содержании битума 6 и 6,5% также происходит
уменьшение предела прочности при длительном водонасыщении соответственно с 3,1 до 2,7 МПа и с 2,3 до 1,7 МПа. У смеси
с содержанием битума марки БНД 200/300 5% пределы прочности при сжатии при длительном водонасыщении возрастают с 2
МПа в возрасте 2 суток до 2,2 МПа в возрасте 180 суток. Это
объясняется тем, что при меньшем содержании битума воде
легче проникать к шлаковому песку, и, соответственно, раньше
начинаются процессы гидролиза и гидратации с образованием
органоминеральных соединений.
При введении в состав смеси 20% гранулированного шлака
предел прочности асфальтобетона в процессе длительного водонасыщения возрастает с 1,2 МПа при длительности водонасыщения 2 суток до 1,9 МПа – в возрасте 180 суток. Это связано
с повышенной гидравлической активностью гранулированного
шлака. В этом случае интенсивнее образуются кристаллогидраты, которые армируют битум, и интенсивнее образуются органоминеральные соединения.
Пределы прочности при сжатии после длительного водонасыщения у всех составов остаются выше требований стандарта.
На основании этого можно утверждать, что такого типа смеси
можно применять для устройства асфальтобетонных покрытий
не только в зоне умеренного, но и в зоне избыточного увлажнения.
166
167
168
Недостаточная коррозионная устойчивость – наиболее частая
причина преждевременного разрушения асфальтобетонных и битумоминеральных покрытий. Асфальтовый бетон разрушается
главным образом при длительном или периодическом увлажнении
и особенно в результате попеременного замораживания и оттаивания.
Помимо действия воды при ее замерзании в порах адсорбционные слои воды, понижая поверхностную энергию, облегчают образование новых поверхностей в асфальтобетоне при
его деформировании, разрушающий эффект усиливается расклинивающим действием водных пленок, разъединяющих минеральные зерна и отслаивающих битумные слои [88].
Пористые асфальтобетонные покрытия подвергаются разрушению после воздействия замораживания-оттаивания в большей степени, нежели плотные. Вода в межзерновых порах замерзает и, расширяясь в объеме, разрывает пластические связи
между зернами минерального материала.
Физико-механические свойства холодного асфальтобетона
определяли после 50, 75 и 100 циклов замораживания-оттаивания и сравнивали их со свойствами образцов, не подвергавшихся замораживанию-оттаиванию. Образцы к моменту замораживания-оттаивания имели возраст 2 сут. Результаты испытания
представлены в табл. 4.3.5.
Анализ полученных результатов позволил установить, что
коэффициенты морозостойкости для большинства составов до 75
циклов замораживания снижаются, а к 100 циклам возрастают.
Интересным также является вопрос о времени прекращения строительства асфальтобетонных покрытий из шлаковых
материалов в осенний период перед наступлением заморозков.
С этой целью проведены исследования морозостойкости холодного асфальтобетона с разным возрастом к началу замораживания-оттаивания.
Для изучения этого взяли смесь состава: шлаковый песок –
100%, битум марки СГ 130/200 – 5%. Образцы в возрасте 2,7,14
и 28 сут. подвергали 50 циклам замораживания-оттаивания. Результаты исследований представлены в табл. 4.3.6.
169
170
171
Таблица 4.3.6. Влияние возраста образцов к началу
замораживания на физико-механические свойства
холодного асфальтобетона
Возраст к
Средняя Водонамоменту
плотность, сыщение,
заморажиг/см3 % объема
вания, сут.
2
2,30
18,01
7
2,30
13,40
14
2,29
15,57
28
2,30
13,83
Набу- Пределы прочноКоэффициент
хание, сти при сжатии,
морозостойко% объ- МПа, при темпести
ема
ратуре 20 °С
0,31
1,50
0,52
0,27
2,10
0,74
0,40
2,20
0,77
0,24
2,20
0,77
Таким образом, анализируя данные табл. 4.3.6, можно
сделать вывод, что покрытия из холодных асфальтобетонных
смесей можно устраивать за неделю до наступления отрицательных температур.
Положительные результаты лабораторных исследований
позволили перенести работы в производственные условия.
Опытные работы проводили на автомобильной дороге «Боринское-Маховище» в Липецкой области.
Наблюдения за покрытиями дорог позволили установить
следующее:
формирование покрытий продолжается 3-4 года с момента
устройства;
на покрытиях отсутствуют сдвиговые деформации, колейность;
коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием
остается стабильным во все время эксплуатации покрытий;
после шести лет эксплуатации на покрытиях отсутствуют
температурные трещины.
Одной из важнейших характеристик холодных асфальтобетонных смесей является их пластичность. Вследствие слабой
когезионной связи между молекулами битума, обусловленной
его малой вязкостью, на покрытиях из холодных асфальтобетонных смесей часто появляются пластические деформации в
местах, где возникают значительные сдвиговые усилия от движущегося транспорта (повороты, спуски, остановки и т.д.). Для
оценки устойчивости холодной асфальтобетонной смеси на
шлаковом песке сдвиговым деформациям был определен коэффициент пластичности.
172
Согласно Н.Н. Иванову [37, 38], зависимость между временным сопротивлением сжатию R и скоростью деформации V
выражается уравнением
R = R0( V )K ,
V0
где К – коэффициент, характеризующий пластичность асфальтового бетона. Для устойчивого против сдвиговых деформаций
асфальтового бетона коэффициент пластичности К должен быть
не более 0,17;
V и V 0 – скорости деформирования образца, мм/мин;
R и R 0 – пределы прочности при сжатии при соответствующих скоростях деформирования, МПа.
К=
R0
R
V0
lg
V
lg
.
Кривые изменения напряжений во времени для холодного
асфальтобетона на шлаковом песке приведены на рис. 4.3.1.
Рис. 4.3.1. Изменение напряжений при скорости деформирования
0,5 мм/мин. (пунктирная линия) и 3 мм/мин. (сплошная линия) в образцах
холодного асфальтобетона из шлакового песка: 1 – на битуме марки СГ
130/200 (6,5%); 2 – на битуме марки МГ 70/130 (6,5%)
173
Для холодного асфальтобетона из шлакового песка и битума марки СГ 130/200 в количестве 6,5% коэффициент пластичности равен 0,11, а для асфальтобетона на битуме МГ
70/130 – соответственно 0,12.
Таким образом, коэффициенты пластичности обоих составов смесей меньше 0,17, что свидетельствует о хорошей сдвигоустойчивости покрытий из холодных асфальтобетонных смесей
на основе шлакового песка.
Деформационную устойчивость холодного асфальтобетона
определяли методом С.К. Носкова [77] с помощью соотношения
модуля упругости (Е УПР ) и истинной вязкости (ή), характеризующего период релаксации напряжений в покрытии (Θ) по
формуле
Θ = ή/ Е УПР .
В лабораторных условиях модуль упругости и истинную
вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона на основе
шлакового песка и битума МГ 70/230 в количестве 6,5% определяли на образцах-балочках размером 4х4х16 см при температуре
+17 °С.
Модуль упругости устанавливали при динамическом нагружении балочек с действием нагрузки 0,1 с и периодом разгрузки 1 с. Он был равен 1531,2 МПа.
Истинную вязкость находили при исследовании ползучести балочек под действием напряжений 0,034 и 0,068 МПа (рис.
4.3.2) по формуле
ή = s - s КР ,
e ОСТ
где σ – полное напряжение, приложенное на образец, 0,034 МПа;
σ КР – напряжение предела текучести, МПа, определяемое
по формуле
σ КР =
s 1 × e 2 - s 2 × e1
e 2 - e1
,
где s 1 и s 2 – напряжения в образцах при ползучести больше
σ КР (0,034 и 0,068 МПа);
e 1 и e 2 – скорости релаксационного течения, определяемые
по рис. 4.3.2.
174
– скорость остаточной деформации, определяемая про
рис. 4.3.3.
Для исследованного асфальтобетона вязкость ненарушенной структуры составила 11·10 4 МПа·с, а время релаксации –
72 с. По данным С.К. Носкова, для асфальтобетона на природных минеральных материалах эти параметры равны соответственно 5·10 6 МПа и 416 с. Поэтому асфальтовый бетон из шлакового песка будет более трещиностойким по сравнению с асфальтовым бетоном из природных каменных материалов.
e ОСТ
Рис. 4.3.2. Ползучесть холодного асфальтобетона при напряжениях:
1 – 0,034 МПа; 2 – 0,068 МПа
Рис. 4.3.3. К определению нарастания остаточной деформации
(σ = 0,04 МПа)
175
На основе проведенных исследований можно сделать
обобщающие выводы.
Шлаковые пески естественного зернового состава можно
использовать для изготовления холодных асфальтобетонных
смесей без введения минерального порошка на битумах марок
СГ 130/200, МГ 70/130 и БНД 200/300.
Методами инфракрасной спектроскопии установлено, что
на границе раздела фаз битум – шлаковый материал происходят
интенсивные хемосорбционные процессы, приводящие к возникновению органоминеральных соединений. Структура шлакового песка, которая отличается тонкой пористостью, способствует избирательному фракционированию битума внутри шлакового материала, вследствие чего битум на поверхности шлакового материала становится более вязким и упругим. Это существенно повышает структурно-механические свойства асфальтобетона. Процессы структурообразования в холодном асфальтобетоне продолжаются длительное время с момента изготовления покрытий.
Шлаковый песок обладает слабыми гидравлическими свойствами. Находясь во влажном состоянии, зерна шлакового песка
подвергаются гидролизу и гидратации, что в последующем приводит к образованию коагуляционно-конденсационной структуры
асфальтобетона, упрочненной кристаллизационными сростками
в местах контакта зерен. Вследствие этого асфальтобетонные
покрытия хорошо работают в условиях избыточного увлажнения, и их можно укладывать в сырую погоду, на влажное основание и практически вплотную до наступления заморозков.
176
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МОЛОТЫХ
ГРАНУЛИРОВАННЫХ ШЛАКОВ В КАЧЕСТВЕ
МИНЕРАЛЬНОГО ПОРОШКА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ
СМЕСЕЙ
5.1. Исследование свойств молотых шлаковых материалов
как минерального порошка
Минеральный порошок – тонкоизмельченная составляющая
– является важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетона. Минеральный порошок в асфальтобетоне выполняет многообразные функции: участвует в формировании прочной структуры асфальтовяжущего вещества, увеличивает поверхность и прочность сцепления минеральной части и битума,
обеспечивает оптимальную толщину битумной пленки, повышает плотность, водоустойчивость и теплостойкость асфальтобетона, стабилизирует свойства битума и асфальтовяжущего вещества и участвует в образовании микроструктуры асфальтобетона.
Все эти функции выполняются только в том случае, если минеральный порошок способен переводить битум из объемного
(свободного) состояния в пленочное (структурированное) состояние.
Свойства минеральных порошков как важнейшего структурообразующего компонента в основном определяются и зависят от развитости удельной поверхности, пористости, химической и гидравлической активности. Наряду с физико-химическим взаимодействием важным элементом взаимодействия
битума с пористым минеральным порошком является избирательная фильтрация компонентов битума [25]. Всем этим условиям для создания прочного и долговечного асфальтобетона
соответствуют минеральные порошки, полученные путем помола металлургических шлаков доменного и конвертерного
производства. Взаимодействие битума с молотыми шлаковыми материалами характеризуется не только развитой внутренней и внешней поверхностью, но и наличием активных центров в виде катионов кальция и магния, а также остроугольными пиками, на которых адсорбируются асфальтены и смолы. Шлаковые материалы обладают повышенной гидравлической активностью, а опыт применения гидравлически актив177
ных веществ как минеральных порошков в асфальтобетоне
имеется [25].
Нами проводились исследования минеральных порошков,
полученных путем помола гранулированных доменных шлаков
Новолипецкого и Череповецкого металлургических комбинатов,
шлакопемзовых, шлаковых песков и конвертерного шлака Новолипецкого металлургического комбината, а также свойств асфальтобетонных смесей, полученных на их основе. В качестве
вяжущего применяли битумы марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД
90/130, БНД 130/200. Для сопоставления результатов исследований в качестве эталона использовали известняковый минеральный порошок завода «Обидимо».
Результаты испытаний минеральных порошков по ГОСТ
52129-2003 приведены в таблице 5.1.1.
По существующим методам испытания минеральных порошков нельзя однозначно судить о пригодности его для изготовления асфальтобетонных смесей, необходимо произвести его апробирование. Н.В Горелышев справедливо поставил под сомнение достоверность существующих методов испытания минеральных порошков и в дополнение к ним предложил испытывать
удельное смачивание. Этот метод характеризует не косвенное исследование минеральных порошков, а непосредственное качественно-количественное.
Удельное смачивание минеральных порошков битумом зависит не только от активности, но и от величины навески битума, продолжительности взаимодействия порошка и битума,
температуры нагревания, гранулометрического состава и удельной поверхности минерального порошка. С целью исключения
влияния гранулометрического состава и удельной поверхности
минерального порошка на удельное смачивание их просеивали
через сито 0,071 мм. Удельная поверхность порошков составляла в этом случае 3600-4000 см 2 /г.
Влияние величины навески битума на удельное смачивание определяли на молотом гранулированном доменном шлаке
Череповецкого металлургического комбината при температуре
прогрева 130 °С (табл. 5.1.2).
178
179
Таблица 5.1.2. Влияние величины навески битума
на удельное смачивание минерального порошка битумом
Продолжительность
нагрева минерального порошка с
битумом, ч
2
3
4
0,2
Навеска битума, г
0,5
0,6
0,8
0,4
1,0
1,2
Удельное смачивание, м2 /г
1,000 1,035
1,076 1,080
1,290 1,270
1,054 1,020 1,015 1,050 1,035
1,088 1,080 1,060 1,090 1,075
1,300 1,310 1,250 1,305 1,250
Результаты исследования показали, что удельное смачивание практически не зависит от величины навески битума, и в
дальнейших исследованиях величину навески принимали в пределах 0,5-0,6 г.
Исследование влияния температуры нагрева на удельное
смачивание изучали на минеральных порошках, полученных
путем помола гранулированных доменных шлаков Новолипецкого и Череповецкого металлургических комбинатов, а для
сравнения исследовали удельное смачивание известнякового
минерального порошка (табл. 5.1.3).
Таблица 5.1.3. Влияние температуры нагрева на удельное
смачивание минерального порошка битумом
Название минерального
порошка
Температура
нагревания,
°С
100
110
130
160
100
110
130
160
100
110
130
160
Известняковый минеральный порошок
Молотый гранулированный доменный шлак Череповецкого металлургического комбината
Молотый гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината
180
Продолжительность
нагревания, ч
2
3
4
удельное
смачивание, м 2 /г
0,606 0,691 0,910
0,408 0,780 0,980
0,508 0,906 1,296
1,126 1,347 1,378
0,442 0,746 0,916
0,340 0,658 0,820
1,054 1,088 1,300
1,218 1,520 1,542
0,708 0,828 0,982
1,325 1,680 1,752
1,500 1,760 1,930
1,308 1,360 1,760
Наибольшее удельное смачивание минерального порошка
из гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината наблюдается в интервале температур
110-130 °С, для известнякового минерального порошка и минерального порошка из гранулированного доменного шлака Череповецкого металлургического комбината – в интервале температур 130-160 °С. Нашими исследованиями установлено, что оптимальная температура приготовления асфальтобетонов из одних шлаковых материалов, не приводящая к старению битума,
должна быть в пределах 110-130 °С [49, 91-93].
Железко Е.П., Печеный Б.Г. [36] установили, что наибольшая концентрация свободных радикалов в битуме наблюдается
при температуре его разогрева 80-130 °С. Исследованиями Самодурова С.И. с участием автора с помощью метода электронного парамагнитного резонанса было установлено, что максимальная концентрация свободных радикалов в гранулированном
доменном шлаке Новолипецкого металлургического комбината
возникает при его разогреве до температуры 130 °С. Следовательно, при температуре 130 °С происходит интенсивное физико-химическое взаимодействие между битумом и шлаком, сопровождающееся рекомбинацией свободных радикалов битума
и шлака [104]. Поэтому асфальтобетонные смеси на основе
шлаковых материалов и молотых минеральных порошках из
шлаковых материалов необходимо изготавливать при температуре разогрева шлаковых материалов к моменту объединения с
битумом 130 °С во избежание старения битума и для полного
протекания свободно-радикального механизма взаимодействия.
В таблице 5.1.4 приведены результаты исследования удельного смачивания минеральных порошков битумом в зависимости
от продолжительности нагревания при температуре 130 °С.
Анализ представленных результатов показывает, что процесс смачивания минерального порошка из молотых гранулированных шлаков битумом продолжается 9-16 ч, а с известняковым минеральным порошком – 3-4 ч.
Вследствие повышенной пористости минеральных порошков из гранулированных доменных шлаков процессы структурообразования битумной пленки на них продолжаются значительно дольше, чем на известняковом минеральном порошке.
181
Таблица 5.1.4. Влияние температуры нагрева на
удельное смачивание минеральных порошков битумом
Удельное смачивание, м 2 /г
Продолжительность на- Молотый гранулиро- Молотый гранулиро- Известнягрева миневанный доменный ванный доменный шлак ковый мирального по- шлак Новолипецкого Череповецкого метал- неральный
рошка с биту- металлургического лургического комбината порошок
мом, ч
комбината
0,5
0,340
0,140
0,125
1
0,754
0,792
0,492
2
1,500
1,054
0,508
3
1,760
1,088
0,906
4
1,930
1,300
1,296
6
2,289
1,374
1,296
9
2,290
1,432
1,296
16
2,290
1,436
1,296
В силу большого удельного смачивания минеральных порошков из гранулированных доменных шлаков, особенно из
Новолипецкого металлургического комбината, толщина адсорбционно-сольватных слоев битума на частичках тоньше, чем на
известняковом минеральном порошке.
Прочность микроструктуры резко изменяется в зависимости от содержания и вида минерального порошка, а также вязкости применяемого битума (рис. 5.1.1 и рис. 5.1.2). При наполнении системы минеральным порошком до определенного предела прочность бинарной системы (битум – минеральный порошок) возрастает, а затем резко снижается. С увеличением концентрации минерального порошка расстояние между отдельными частицами становится меньше, чем сумма толщин двух
структурированных оболочек на частицах минерального порошка, и свойства асфальтовяжущего вещества обусловливаются
степенью взаимодействия этих слоев.
При увеличении количества минерального порошка выше
оптимального содержания в системе образуются воздушные
прослойки, увеличивается пористость, часть частиц не обволакивается битумом, и появляются контакты по твердой фазе.
182
Следует отметить, что структурообразующая концентрация минерального порошка зависит от его природы и от вязкости битума (табл. 5.1.5).
Рис. 5.1.1. Прочность асфальтовяжущего вещества в зависимости
от степени наполнения минеральным порошком и марки битума: А – молотый гранулированный шлак; Б – известняковый минеральный порошок: 1 – битум марки БНД 40/60; 2 – битум марки БНД 60/90; 3 – битум
марки БНД 90/130; 4 – битум марки БНД 130/200
Эти результаты, представленные в таблице 5.1.5, показывают, что для битумов, насыщенных асфальтенами (битум марки БНД 40/60), структурообразующая концентрация смещается
в сторону уменьшения содержания минерального порошка и,
наоборот, для битумов с меньшим содержанием асфальтенов
(битум марки БНД 130/200) структурообразующая концентрация минерального порошка увеличивается.
183
Рис. 5.1.2. Прочность асфальтовяжущего вещества в зависимости
от степени наполнения минеральным порошком и марки битума: А – молотый шлаковый песок; Б – молотый конвертерный шлак; 1 – битум марки БНД 40/60; 2 – битум марки БНД 60/90; 3 – битум марки БНД 90/130;
4 – битум марки БНД 130/200
Таблица 5.1.5. Влияние вязкости битума и вида минерального
порошка на структурообразующую концентрацию
Вид минерального порошка
Структурообразующая концентрация (минеральный порошок / битум), %, на битумах
марок
БНД
БНД
БНД
БНД
40/60
60/90
90/130
30/200
91,5 / 8,5 91,7 / 8,3
91,8 / 8,2
92 /8
Известняковый
Молотый гранулиро86,5 / 13,5
87 / 13
ванный доменный шлак
Молотый шлаковый
86,0 / 14,0
88 / 12
песок
Молотый конвертер87,3 / 12,7 87,5 / 12,5
ный шлак
88 / 12
89 / 11
89,0 / 11,0
91,7 / 8,3
87,8 / 12,2
88 /12
Каждому вяжущему веществу свойственна своя оптимальная толщина пленки, зависящая от физико-химических свойств
материала. В асфальтовяжущем веществе, приготовленном на
битумах различной вязкости, четко прослеживается зависимость
прочности от вязкости вяжущего вещества.
Различие в оптимальном количестве битума можно объяснить строением битумных пленок. В менее вязком битуме со184
держание масел больше, чем смол и асфальтенов. Масла диффундируют в поры минерального материала, а смолы и асфальтены остаются на поверхности. В наиболее вязком битуме толщина битумной пленки всегда будет больше, чем в менее вязких
битумах. Таким образом, в асфальтовяжущем веществе оптимальной структуры битум и минеральный порошок находятся в
наилучшем соотношении. Нарушение этого соотношения в ту
или иную сторону приводит к резкому снижению прочности асфальтовяжущего вещества.
Высокая прочность асфальтовяжущего вещества оптимальной структуры объясняется тем, что битумная пленка полностью находится в зоне действия поверхностных сил минеральных зерен.
Оптимальную толщину битумной пленки можно рассчитать по формуле И.В. Королева [34]
d =
10 AБg М
Кg Б ,
где А – линейный размер зерна, м; Б – содержание битума, %;
γ М – плотность материала; γ Б – плотность битума; К – коэффициент формы зерна.
Оптимальная толщина битумной пленки для разных минеральных порошков и битумов различной вязкости приведена в
таблице 5.1.6.
Таблица 5.1.6. Оптимальная толщина битумной пленки
асфальтовяжущего вещества
Оптимальная толщина битумной
пленки, мкм, на битумах марки
БНД
БНД
БНД
БНД
40/60 60/90 90/130 130/200
0,39
0,37
0,36
0,34
0,39
0,34
0,31
0,28
0,26
0,25
0,23
0,23
0,41
0,37
0,34
0,32
Наименование
минерального
порошка
Известняковый
Гранулированный доменный шлак
Шлаковый песок
Конвертерный шлак
Для известнякового минерального порошка, молотого гранулированного шлака и молотого конвертерного шлака толщина
185
пленки на частицах примерно одинакова, в то время как для молотого шлакового песка толщина битумной пленки значительно
меньше, что вполне объяснимо большей диффузией масел в поры частиц шлакового песка.
Исходя из представления о функциях минеральных порошков подход к оценке их пригодности в асфальтобетоне следует рассматривать с позиции не только структурирующего воздействия на битум, но и обеспечения долговечности асфальтобетонных покрытий. Качество минерального порошка должно
сказаться в первую очередь на водоустойчивости асфальтовяжущего вещества и асфальтобетона.
За основу оценки качества асфальтовяжущего вещества и
асфальтобетона был принят метод выдерживания серии образцов асфальтобетона и асфальтовяжущего вещества в воде. Результаты испытаний оценивали по потере прочности образцов в
процессе длительного водонасыщения, выражаемой коэффициентом водоустойчивости
К B = R20В / R20,
где R20В – предел прочности при сжатии образцов при температуре +20 °С после длительного выдерживания в воде, МПа;
R20 – предел прочности при сжатии эталонных образцов
при температуре +20 °С, МПа.
Удельная поверхность минеральных порошков для приготовления асфальтовяжущего вещества составляла 3600-4000 cм2/г.
Количество битума марки БНД 90/130 для приготовления асфальтовяжущего вещества подбирали таким образом, чтобы первоначальное водонасыщение составляло не менее 8% по объему.
Повышенное водонасыщение принимали с той целью, чтобы
выявить нежелательные свойства порошков под действием воды. Следует отметить, что добиться одинакового водонасыщения не удалось (табл. 5.1.7), но для испытаний подобного рода
при повышенном водонасыщении отклонение на 1-2% не имеет
существенного значения.
Из таблицы видно, что для достижения определенного водонасыщения требуется меньше битума для молотого гранули-
186
рованного доменного шлака и шлаковой пемзы, чем для известнякового минерального порошка.
Таблица 5.1.7. Подбор содержания битума в асфальтовяжущем
веществе по одинаковому водонасыщению
% битуГранулиро% биту% битуШлаковая
Известма
ванный дома
ма
пемза Новоняко(сверх
менный шлак
(сверх
(сверх
липецкого
вый ми100%
Новолипецко100%
100%
металлургинеральминего металлурминеминеческого
ный поральной
гического
ральной
ральной
комбината
рошок
части)
комбината
части)
части)
5
21,9
5
18,0
17
20,9
6+
18,6
6
17,9
18 +
19,3
7
14,3
7+
17,7
19
17,5
8
13,8
8
17,2
20 +
10,5
9
13,5
9
16,4
21
7,7
10
11,8
10
14,4
22
6,8
11
10,1
11
12,1
23
6,0
12 +
8,5
12
8,9
13
6,3
13 +
8,6
14
3,9
14
7,1
15
1,26
15
1,9
Примечание: + – смеси, принятые для испытания на водоустойчивость.
Малое содержание битума для достижения требуемого водонасыщения для первых двух порошков объясняется более
лучшей упаковкой зерен минерального порошка, при этом малое содержание битума полностью согласуется с тем, что адсорбционно-сольватные слои значительно тоньше, чем на известняковом минеральном порошке.
Результаты исследований асфальтовяжущих веществ на
длительную водоустойчивость приведены в таблице 5.1.8.
Как видно из представленных результатов, водостойкость
асфальтовяжущего вещества на основе шлаковых материалов
значительно выше, чем на известняковом минеральном порошке.
После длительного водонасыщения (28-40 сут.) асфальтовяжущие вещества на известняковом минеральном порошке теряют несущую способность и разваливаются.
187
Молотая шлаковая пемза
Новолипецкого металлургического комбината – 100%,
битум БНД 90/130 – 13%;
R20 = 4,6 МПа,
γ = 2,13 г/см3 , В = 8,07%
Коэффициент водоустойчивости
Молотая шлаковая пемза
Новолипецкого металлургического комбината – 100%,
битум БНД 90/130 – 7%;
R20 = 3,1 МПа,
γ = 1,99 г/см3 , В = 17,76%
Предел прочности при сжатии
при температуре
+20 °С
Молотый гранулированный
доменный шлак Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум
БНД 90/130 – 6%;
R20 = 4,8 МПа,
γ = 2,14 г/см3 , В = 8,50%
Набухание,
% объема
1
Молотый гранулированный
доменный шлак Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум
БНД 90/130 – 6%;
R20 = 2,4 МПа,
γ = 2,02 г/см3 , В = 18,59%
Водонасыщение,
% объема
Составы асфальтовяжущего
вещества и их начальные
свойства
Время выдерживания в воде, сутки
Таблица 5.1.8. Влияние длительного водонасыщения на
водоустойчивость асфальтовяжущих веществ
2
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
60
3
18,59
21,02
21,40
22,30
22,10
20,95
8,50
8,60
9,04
11,66
9,80
8,10
7,85
17,76
21,56
24,89
30,85
34,51
32,98
28,22
8,07
8,49
8,99
15,76
23,54
23,16
23,59
4
0,10
0,30
0,57
1,13
0,98
0,87
0,98
0,66
1,72
1,96
1,63
1,73
1,03
2,61
6,78
12,67
14,99
12,33
13,78
0,81
1,62
2,94
7,09
12,86
15,60
13,49
5
2,4
3,0
3,3
4,3
4,7
7,0
7,7
4,8
5,5
4,4
6,4
5,2
4,7
6,2
2,6
1,8
1,8
1,3
1,0
1,3
1,6
3,9
3,4
3,6
2,2
1,5
1,8
2,6
6
1,00
1,25
1,37
1,75
1.96
2,91
3,21
1,00
1,14
0,92
1,33
1,08
0,98
1,31
0,84
0,58
0,58
0,42
0,32
0,42
0,51
0,85
0,74
0,78
0,48
0,33
0,39
0,51
188
Продолжение табл. 5.1.8.
1
Известняковый минеральный порошок – 100%,
битум БНД 90/130 – 18%;
R20 = 3,8 МПа,
γ = 1,74 г/см3 , В = 17,5%
Известняковый минеральный порошок – 100%, битум БНД 90/130 – 20%;
R20 = 7,3 МПа,
γ = 1,77 г/см3 , В = 10,43%
2
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
3
4
17,50 3,49
23,77 11,16
32,04 18,44
39,50 26,27
образцы имеют трещины
развалились
10,43 1,45
13,08 3,96
22,09 11,14
36,49 21,13
38,35 26,29
образцы имеют трещины
развалились
60
5
3,5
2,1
1,7
1,0
1,4
1,4
5,5
4,8
2,9
1,2
1,0
1,0
-
6
0,92
0,55
0,45
0,26
0,36
0,36
0,75
0,65
0,31
0,16
0,14
0,14
-
Шлаковые минеральные порошки в зависимости от активности ведут себя по-разному.
Асфальтовяжущее вещество на минеральном порошке из
гранулированного доменного шлака после длительного водонасыщения набирает прочность. Интенсивность набора прочности
зависит от пористости (содержания битума в смеси). При малом
содержании битума толщина битумной пленки на молотом гранулированном доменном шлаке малая, а диффузия воды в шлаковый материал больше, поэтому происходит гидролиз и гидратация шлакового материала, усиливается роль сил диффузной
теории адгезии и происходит увеличение прочности. При большем содержании битума толщина битумной пленки затрудняет
диффузию воды, и набор прочности замедляется.
Асфальтовяжущее вещество на минеральном порошке из
шлаковой пемзы в силу меньшей гидравлической активности последнего в первые сроки водонасыщения снижает прочность, но
затем после 40 суток прочность начинает возрастать. Это объясняется модификацией поверхности шлаковых частиц из пемзы.
5.2. Структурно-механические свойства асфальтобетона
с минеральными порошками из шлаковых материалов
Водоустойчивость минеральных порошков из шлаковых
материалов существенно выше, чем известнякового минераль189
Песок кварцевый – 83%, молотый гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 17%, битум БНД
90/130 – 7%; R20 = 2,3 МПа,
В = 7,81% γ = 2,20 г/см3 ,
Песок кварцевый – 83%, молотый гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 17%, битум БНД
90/130 – 5%; R20 = 2,0 МПа,
В = 12,01% γ = 2,14 г/см3
Песок кварцевый – 83%, известняковый минеральный
порошок – 17%, битум
БНД 90/130 – 9%;
R20 = 2,0 МПа, В = 6,61%
γ = 2,16 г/см3
Песок кварцевый – 83%, известняковый минеральный
порошок – 17%, битум
БНД 90/130 – 7%;
R20 = 2,1 МПа,
γ = 2,10 г/см3 В = 12,43%
190
12,43
19,44
25,70
32,34
-
1,22
1,4
3,69
1,3
4,42
1,1
5,00
0,7
5,66
1,0
6,09
0,8
5,89
0,8
1,61
1,3
4,05
0,7
5,15
0,7
7,29
1,0
8,59
0,8
5,07
0,8
4,87
1,0
1,19
2,0
7,69
1,8
13,03
1,1
18,83
0,6
19,16
0,6
20,60
0,4
образцы развалились
2,55
2,1
9,26
0,7
14,59
0,5
19,93
0,5
0,4
0,4
образцы развалились
Коэффициент водоустойчивости
7,81
10,92
11,30
11,90
12,39
13,19
14,06
12,01
13,61
16,79
18,67
16,89
17,26
15,06
6,61
13,59
19,80
27,00
-
Предел прочности
при сжатии при
температуре
+20 °С
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
60
0,1
2
7
14
28
40
60
Набухание,
% объема
Водонасыщение,
% объема
Составы асфальтовяжущего
вещества и их начальные
свойства
Время выдерживания в воде, сутки
ного порошка, поэтому и водостойкость асфальтобетонов на их
основе должна быть выше. Для проверки этого положения нами
были апробированы асфальтобетонные смеси неподобранного
гранулометрического состава с повышенным водонасыщением
(табл. 5.2.1).
Таблица 5.2.1. Водоустойчивость асфальтобетонных смесей
неподобранного гранулометрического состава
0,61
0,56
0,48
0,30
0,43
0,35
0,35
0,65
0,35
0,35
0,50
0,40
0,40
0,50
1.00
0,90
0,55
0,30
0,19
0,19
0,52
0,33
0,24
0,24
0,19
0,19
Анализ результатов, представленных в таблице 5.2.1, подтверждает вышесказанное заключение о повышенной водостойкости асфальтобетона с молотыми гранулированными шлаками
в качестве минерального порошка. Коэффициент водостойкости
асфальтобетона на шлаковом минеральном порошке значительно выше, чем у асфальтобетона на известняковом порошке. После 60-суточного водонасыщения образцы асфальтобетона на
известняковом минеральном порошке развалились, в то время
как на порошке из гранулированного шлака они сохраняли
свойства, и даже при меньшем содержании битума водостойкость после 28 суток повысилась. Это связано с модификацией
поверхности шлакового материала в процессе длительного водонасыщения. При меньшем содержании битума диффузия воды через пленку битума усиливается, происходит гидролиз и
гидратация шлакового материала, усиливается роль диффузной
составляющей сил адгезии (рис. 5.2.1).
Рис. 5.2.1. Модификация поверхности
шлакового материала
после 90 суток водонасыщения асфальтовяжущего вещества.
Битум отэкстрагирован
В таблице 5.2.2 приведены физико-механические свойства
асфальтобетонных смесей побранного гранулометрического состава в зависимости от условий хранения. Анализ полученных
результатов свидетельствует о том, что асфальтобетонные смеси
на минеральных порошках из шлаковых материалов оптимального состава требуют на 1-1,5% битума меньше, чем на извест191
няковом минеральном порошке, что согласуется с исследованиями удельного смачивания. У асфальтобетонных смесей на
минеральных порошках из шлаковых материалов существенно
повышается теплоустойчивость и водостойкость после длительного хранения на воздухе, во влажных условиях и в воде.
С течением времени в асфальтобетоне продолжаются процессы структурообразования. Поэтому нами были проведены
исследования структурно-механических свойств после длительного выдерживания образцов асфальтобетона с минеральными
порошками из гранулированного доменного шлака на воздухе.
Результаты испытаний приведены в табл. 5.2.3.
Колебания предела прочности при сжатии можно объяснить с позиции диффузной теории адгезии и процессов физикохимического взаимодействия шлаковых материалов с битумом.
В начальный период при приготовлении асфальтобетонной
смеси происходит избирательная диффузия компонентов битума
в поры шлакового материала.
Масла, как наиболее подвижная часть битума, диффундируют в поры шлакового материала, а смолы и асфальтены адсорбируются на его поверхности [96]. При этом поверхностный
слой обогащается смолами и асфальтенами. В дальнейшем происходят процессы физико-химического взаимодействия битума
с поверхностью шлакового материала, образуются органоминеральные соединения типа Ме – О – О С R и кремнийорганические соединения типа
- Si – O – R.
Образование органоминеральных соединений, которые нерастворимы в воде, ведет к созданию структурно-механического
барьера, оказывающего экранирующее действие и снижающего
избирательную фильтрацию компонентов битума в поры минерального материала [25].
Между смолами и асфальтенами, адсорбированными на
поверхности шлака, и маслами, продиффундированными в его
поры, устанавливается термодинамическое равновесие.
Под влиянием разности термодинамических потенциалов и
капиллярных сил происходит обратная диффузия масел в смолы
и асфальтены, поверхностный слой обогащается ими и становится более пластичным.
192
193
194
Образование кремнийорганических соединений типа
- Si – O – R придает материалу гидрофобные свойства и тем самым способствует повышению водостойкости асфальтобетона
из шлаковых материалов.
Таким образом, исследованиями установлено, что во времени асфальтовые бетоны с добавками гранулированного доменного шлака имеют достаточную водостойкость, сохраняют
прочность.
В весенне-осенний периоды эксплуатации асфальтобетонные покрытия подвергаются интенсивному воздействию влаги.
Этот процесс усиливается вакуумирующим действием шин автомобильного транспорта. Поэтому были проведены исследования по воздействию длительного водонасыщения на структурно-механические свойства асфальтобетона с минеральными порошками из шлаковых материалов.
Результаты исследований представлены в табл. 5.2.4.
Анализ результатов, представленных в табл. 5.2.4, свидетельствует о достаточной водостойкости асфальтобетона с минеральным порошком из гранулированного шлака по сравнению
с асфальтобетоном на известняковом минеральном порошке.
Несмотря на повышенное водонасыщение асфальтобетона
на минеральном порошке из гранулированного шлака, он обладает повышенной водостойкостью. Коэффициент водостойкости
у этой смеси после выдерживания длительное время в воде выше единицы.
Эталонный состав асфальтобетона на природных каменных
материалах и известняковом минеральном порошке в течение
длительного водонасыщения монотонно снижает прочность, и
коэффициент водостойкости все время снижается.
Вышеприведенные исследования структурно-механических свойств асфальтобетона с минеральными порошками из
гранулированного доменного шлака показывают основное преимущество применения гидравлически активных минеральных
порошков по сравнению с известняковыми, когда воздействие
влаги приводит не к деструкции материала, а, наоборот, к значительному упрочнению системы.
195
196
Недостаточная коррозионная устойчивость – наиболее частая причина преждевременного разрушения асфальтобетонных
покрытий. Асфальтовый бетон разрушается главным образом
при длительном или периодическом увлажнении и особенно в
результате попеременного замораживания-оттаивания.
Чтобы защитить покрытие от морозных воздействий, в асфальтовые бетоны добавляют минеральный порошок. В этом
случае капилляры в покрытии будут в достаточной мере замкнуты, поскольку дисперсные частицы прерывают капиллярное
движение воды и в то же время дают возможность расширения
капилляра при большом давлении. Образование замкнутых капилляров при наличии мельчайших частиц минерального порошка предотвращает разрушение покрытий при замерзании
воды [25].
Добавки активированного минерального порошка способствуют не только улучшению структурных связей и увеличению
плотности асфальтобетона, но и получению более однородной
мелкопористой структуры этого материала, характеризующейся
большим количеством замкнутых пор, которые в соответствии с
представлениями С.В. Шестоперова [110] играют роль микроамортизаторов, гасящих давление замерзающей воды.
Положительное влияние на морозостойкость асфальтобетона оказывает однородность структуры. Из всего семейства
асфальтобетонов наиболее однородным материалом является
песчаный асфальтобетон. Крупные неоднородности (по гранулометрическому составу) в асфальтовом бетоне могут индуцировать в зоне контакта заполнитель – вяжущие микротрещины,
способные к длительному развитию. Кроме того, применение в
асфальтовых бетонах однородных по химико-минералогическому составу материалов улучшает и повышает морозостойкость
материала.
Для упрочнения структуры асфальтового бетона и повышения морозостойкости асфальтобетонных покрытий Л.Б. Гезенцвей рекомендует вводить известь в количестве 2-3%, а
И.А. Рыбьев – цементное молоко [25, 91].
Шлаки являются гидравлически активными минеральными
материалами, имеют микропористую структуру, и поэтому
можно предположить, что асфальтовый бетон с минеральными
197
порошками из шлаковых материалов будет обладать достаточной морозостойкостью.
Нами были проведены исследования структурно-механических свойств асфальтобетона в тонкоизмельченном виде в качестве минерального порошка. Результаты исследований представлены в табл. 5.2.5.
Анализ результатов, представленных в табл. 5.2.5, свидетельствуют о повышенной морозостойкости асфальтобетона с
минеральным порошком из гранулированного доменного шлака
по сравнению с асфальтобетоном на известняковом минеральном порошке.
Повышенная морозостойкость асфальтобетона с минеральными порошками из шлаковых материалов объясняется его специфическими свойствами, отсутствующими у природных каменных материалов, и процессами структурообразования и физико-химического взаимодействия шлаковых материалов с битумом.
5.3. Минеральные порошки для асфальтобетона из отходов
камнедробления известняков, модифицированных
гранулированным доменным шлаком
.
Для изготовления минерального порошка используют в
основном известняки с содержанием глинистых частиц до 5%. С
целью расширения сырьевой базы для изготовления минерального порошка нами проведены исследования по возможности
использования отходов камнедробления известняков Кривоборьевского карьера Воронежской области с содержанием глинистых частиц до 22%. В естественном состоянии этот материал
не пригоден для изготовления минеральных порошков.
Нами были проведены исследования по модификации поверхности известняков при совместном помоле с добавками
гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината в количестве 5-10% от массы отходов камнедробления.
198
199
Новый подход к получению качественных минеральных
порошков для асфальтобетонных смесей основан на теории
твердофазных реакций, которые инициируются механическим
воздействием, приводящим к диспергированию и взаимодействию твердофазных реагентов. Разрушение твердых фаз приводит к образованию нарушений атомной структуры, обусловливающих снижение энергетического барьера потенциальных химических реакций. Благодаря диспергированию и интенсификации массопереноса в процессе совместного помола реагирующих веществ становится возможным твердофазный механохимический синтез. Совместный помол карбонатной горной породы (щебня) и гранулированного доменного шлака позволил получить модифицированный минеральный порошок, не только
значительно повышающий качество асфальтобетонов, но и позволяющий утилизировать вскрышные горные породы.
Для определения свойств минерального порошка были изготовлены и испытаны три серии порошков, содержащих при
помоле 0,5 и 10% гранулированного доменного шлака. Отходы
камнедробления известняков с содержанием 22% глинистых
частиц и гранулированный доменный шлак высушивали при
температуре 105 °С, смешивали в заданных пропорциях и размалывали в шаровой мельнице до требуемой тонкости помола.
Результаты испытаний в соответствии с ГОСТ 52129-2003 представлены в таблице 5.3.1.
Как видно из результатов, представленных в таблице 5.3.1,
минеральный порошок из отходов камнедробления без добавки
гранулированного доменного шлака не удовлетворяет требованиям стандарта по набуханию, а с добавками 5 и 10% гранулированного доменного шлака по всем показателям удовлетворяет
требованиям стандарта.
Была проведена апробация минеральных порошков в асфальтобетонной смеси подобранного гранулометрического состава (в вес. %):
песок – 77,9;
минеральный порошок – 14,7;
битум марки БНД 60/90 – 7,4.
200
Таблица 5.3.1. Свойства минеральных порошков
Показатели
Зерновой состав,
% по массе:
мельче 1,25 мм
-//-315 мм
-//-0,071 мм
Пористость, %
объема
Набухание смеси
минерального порошка с битумом,
% объема
Показатель битумоемкости,
г/100 см3
Содержание гранулированного доменного шлака, % от массы минерального материала
0
5
10
Требования
ГОСТ Р
52109 -2003
(МП-2)
100
97
92
100
96
89
100
97
82
95
80
60
28,9
28,9
28,8
не более 40
3,3
1,4
1,3
не более 3,0
62,1
48,4
48,4
не более 80
Результаты испытания асфальтобетона по ГОСТ 9128-2009
представлены в таблице 5.3.2.
Анализ результатов, приведенных в таблице 5.3.2, свидетельствует о пригодности минерального порошка, активированного 5-10% гранулированного доменного шлака, для изготовления асфальтобетонных смесей. Асфальтобетон удовлетворяет
требованиям ГОСТ 9128-2009 по всем показателям. Модифицированные минеральные порошки существенно повышают теплоустойчивость и водостойкость асфальтобетона по сравнению
с немодифицированными.
Из проведенных исследований можно сделать следующие
выводы.
1. Молотые гранулированные доменные шлаки, шлакопемзовые и шлаковые пески, конвертерные шлаки являются высококачественными минеральными порошками для изготовления
асфальтобетонных смесей. Обладая повышенной химической и
гидравлической активностью, они в большей степени структурируют битум, что способствует повышению водо-, сдвиго- и
теплостойкости асфальтобетонных покрытий.
201
2. Асфальтобетонные смеси с применением минеральных
порошков из шлаковых материалов необходимо изготавливать
при температуре разогрева минерального материала в момент
объединения с битумом до 110-130 °С. В этом случае получаются высококачественные асфальтобетонные смеси. При увеличении температуры свыше 130 °С происходит интенсивное старение битума на поверхности частиц шлакового минерального порошка.
3. Минеральные порошки из шлаковых материалов не требуют активации. Модификация поверхности шлаковых материалов происходит спонтанно вследствие образования полидисперсных кристаллогидратов, которые создают пространственное
армирование асфальтобетона.
4. Водостойкость асфальтовяжущего вещества и асфальтобетона на минеральных порошках из шлаковых материалов в
1,5-2 раза выше, чем асфальтобетона на известняковом минеральном порошке.
5. Модификация отходов дробления известняков с повышенным содержанием глинистых частиц путем совместного помола с гранулированным шлаком позволяет получать качественные минеральные порошки для изготовления асфальтобетонных смесей.
6. Для изготовления оптимальных составов асфальтобетонных смесей с применением шлаковых минеральных порошков требуется на 1-1,5% битума меньше, чем для асфальтобетонных смесей на известняковом минеральном порошке.
7. Применение отходов камнедробления известняков, содержащих 22% глинистых частиц и активированных 5-10% гранулированного доменного шлака, существенно расширит сырьевую базу и позволит уменьшить стоимость изготовления асфальтобетонных смесей.
202
203
ГЛАВА 6. АСФАЛЬТОВЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ
КОНВЕРТЕРНЫХ ШЛАКОВ
6.1. Свойства конвертерных шлаков
Конвертерный шлак кислородно-конвертерного цеха № 2
представляет собой материал черно-коричневого цвета, с плотной, реже – пористой структурой, с большой плотностью. Ввиду
неоднородности конвертерного шлака физико-механические
свойства его изменяются в довольно широком диапазоне (табл.
6.1.1).
Таблица 6.1.1. Физические свойства конвертерных шлаков
Размер фракции, мм
5-10
10-20
20-40
Величина показателя
1,68
1,72
1,69
3,13-3,57 3,31-3,69 3,33- 3,45
1,40-1,90 1,00-1,46 1,10-1,90
45,5-51,2 46,6-52,4 45,9-51,5
Показатели
Средняя насыпная плотность, г/см3
Средняя плотность, г/см3
Водопоглощение, % объема
Пустотность, % объема
Минералогический состав конвертерных шлаков представлен в основном двухкальциевым силикатом, трехкальциевым
силикатом, феррохроматом кальция, RO-фазой. Содержание в
шлаке первых двух минералов может достигать 80%.
Одной из характеристик шлаковых материалов является их
активность.
Нами проведены исследования по влиянию возраста шлака
с момента его получения на гидравлическую активность.
С этой целью шлаковый материал размалывали в шаровой
мельнице до тонкости помола 50,5 мм минерального порошка.
Из полученной шлаковой муки изготавливали образцы диаметром и высотой при уплотняющей нагрузке 10 МПа и водошлаковом отношении 0,16.
После изготовления образцы выдерживали 7 суток на воздухе, а затем помещали во влажные условия. Перед испытанием
образцы помещали на двое суток в воду и определяли пределы
прочности при сжатии. Результаты испытаний активности шлаковых материалов в зависимости от возраста шлака, из которого
204
изготовлена шлаковая мука, и от времени выдерживания образцов во влажных условиях представлены в таблице 6.1.2.
Таблица 6.1.2. Влияние возраста шлака на его гидравлическую
активность
Возраст шлака, из
которого изготовлена
шлаковая мука, сут.
20
30
60
90
120
180
270
320
360
Предел прочности при сжатии, МПа, образцов,
хранившихся во влажных условиях, сут.
7
28
60
120
360
1,23
2,00
9,05
8,05
14,50
1,48
1,96
8,08
9,20
15,00
1,70
2,30
9,60
10,11
17,00
1,70
2,20
9,90
10,00
17,60
1,58
2,20
9,00
9,30
16,50
1,50
2,00
8,80
9,10
17,00
1,44
2,00
8,70
8,80
17,50
1,33
1,90
9,20
9,40
18,90
1,28
1,60
7,50
-
Анализ результатов, представленных в таблице 6.1.2, свидетельствует о том, что конвертерный шлак относится к малоактивным шлакам, так как предел прочности при сжатии в возрасте 30 суток меньше 6 МПа.
С увеличением времени хранения образцов из шлаковой
муки во влажных условиях прочность его возрастает, особенно
интенсивно после 30 суток.
Возраст конвертерного шлака к моменту его помола в
шлаковую муку также оказывает существенное влияние на предел прочности. Максимум предела прочности наблюдается у
образцов во всех возрастах испытания, приготовленных из конвертерного шлака, возраст которого к моменту помола в шлаковую муку равен 60-90 суток.
Это объясняется как карбонизацией свободной извести, так
и гидролизом и гидратацией шлаковых минералов.
Особенностью конвертерных шлаков является подверженность в той или иной степени силикатному, известковому и железистому распаду, причем большая доля приходится на известковый распад.
Силикатный распад шлаков происходит при переходе
двухкальциевого силиката из β-формы в γ-форму, что вызывает
205
увеличение объема вещества и создает высокие внутренние напряжения – куски шлака растрескиваются, а часть распадается в
муку.
Железистый распад происходит после увлажнения шлака
водой, когда сульфид железа переходит в гидроокись двухвалентного железа и куски шлака под действием внутренних напряжений растрескиваются.
Известковый распад происходит при взаимодействии минералов конвертерного шлака с водой. Происходят реакции двух
видов [14], которые сопровождаются присоединением воды:
реакции гидратации:
CaO + H2O = Ca(OH)2
2CaO·SiO2 + n H2O = 2CaO·SiO2·n H2O
реакции гидролиза, когда присоединение воды сопровождается распадом основного состава:
3CaO·SiO2 + (n + 1)H2O = 2CaO·SiO2·n H2O + Ca(OH)2
4CaO Al2O3 Fe2O3 + m H2O = 3CaO Al2O3 6H2O + 4CaO Fe2O3 n H2O.
Время распада длительное, так как он происходит в местах
контакта включений свободной извести и металла с атмосферной влагой.
При водотепловой обработке шлака в течение 6 час., согласно ГОСТ 3344, происходят все виды распада.
Влияние степени распада на механические свойства (дробимость, истираемость и морозостойкость) конвертерного шлака фракции 5-10 мм исследовали в различные сроки выдерживания шлака в естественных условиях (табл. 6.1.3).
По дробимости и износу щебень из конвертерного шлака
относится к 1-му классу прочности.
Анализ результатов таблицы 6.1.3 свидетельствует о том,
что, несмотря на распад, морозостойкость конвертерного шлака
превышает 100 циклов.
6.2. Исследование физико-химического взаимодействия
конвертерного шлака с битумом
Физико-химическое взаимодействие конвертерного шлака
с битумом исследовали методами дифференциального термического анализа и инфракрасной микроскопии.
206
Таблица 6.1.3. Механические свойства конвертерного шлака
фракции 5-10 мм и его морозостойкость в зависимости
от степени распада
Возраст
шлака,
сут.
Степень
распада,
%
7
7,1
40
3,7
90
1,5
150
1,4
180
1,3
320
1,25
Количество Потеря
Дробимость,
циклов замо- в массе,
%
раживания
%
0
15
25
50
75
100
0
15
0
15
0
15
0
15
0
15
0,35
0,75
1,00
1,00
1,25
0,50
0,25
0,10
0,10
0,10
7,8
14,2
12,3
13,1
6,8
7,2
-
Износ в
полочном
барабане,
%
17,0
17,0
16,9
16,1
15,8
15,8
-
Сущность метода дифференциального термического анализа заключается в установлении температур, при которых изменяется физическое состояние вещества или его химический
состав, так как физико-химические процессы обычно сопровождаются выделением или поглощением тепла.
На рис. 6.2.1 приведены кривые дифференциального термического анализа битума марки БНД 90/130 и смеси битума с
конвертерным шлаком.
На кривой ДТА битума и смеси его с конвертерным шлаком прослеживаются два эндотермических эффекта: первый –
при температуре 60 и 120 °С и второй – при температуре 195 и
200 °С.
Первый эндотермический эффект связан с переходом битумной пленки из упруго-пластического состояния в упруго-вязкое;
второй – характеризует истинно вязкое состояние битума.
207
Рис. 6.2.1. Кривые дифференциального термического анализа битума
марки БНД 90/130 (1) и смеси битума с конвертерным шлаком (2)
Положение первого эндотермического эффекта различно. Для
битума марки БНД 90/130 оно находится при температуре 60 °С, а у
смеси битума с конвертерным шлаком – 120 °С.
Экзотермический эффект смеси битума с конвертерным шлаком наблюдается при температуре 130 °С, а для битума – 95 °С.
Этот эффект характеризует, по всей видимости, фазовые превращения, тормозящие переход битума из упруго-вязкого в истинно вязкое состояние. Температурный перепад в интервале 120-130 С° обусловлен, по всей видимости, возникновением хемосорбционных
связей при взаимодействии карбоксильных групп битума с окислами кальция и магния, содержащимися в конвертерном шлаке.
Смещение максимума термических эффектов в сторону более высоких температур у смеси битума с конвертерным шлаком по сравнению с битумом подтверждает более высокую термостабильность битумной пленки на поверхности конвертерного шлака.
Установление оптимальной температуры приготовления
асфальтобетонных смесей на основе конвертерного шлака и исследование физико-химического взаимодействия битума марки
208
БНД 90/130 со шлаком проводили методом инфракрасной спектроскопии (рис. 6,2.2).
Поглощение, %
3
2000
4
2
1
1800
1600
1400
1200
1000
800
-1
700 n, см
Рис. 6.2.2. Инфракрасные спектры поглощения: 1 – битума марки
БНД 90/130; 2 – конвертерного шлака; 3 – смеси конвертерного шлака с
битумом, приготовленной при температуре 130 °С; 4 – смеси конвертерного шлака с битумом, приготовленной при температуре 160 °С
На ИК-спектре битума (кривая 1) при частоте колебаний
1601 см-1 наблюдается полоса поглощения, характерная для валентных колебаний группы –С=С– (масел); полоса поглощения
при частоте колебаний 1700 см-1 характерна для валентных колебаний –С=О и –СООН, а в диапазоне частот 800-860 см-1 и
700-750 см-1 она показывает наличие функциональных групп
=С-Н [10].
Конвертерный шлак имеет сложную силикатную систему. На
ИК-спектре конвертерного шлака (кривая 2) в диапазоне частот
800-1200 см-1 наблюдается широкая полоса поглощения, которая
относится к валентным колебаниям групп Са-О и Mg-O. При
частотах 800-700 см-1 появляется ряд полос, характерных для
высококальциевых соединений в силикатной системе [82].
Сравнение спектров поглощения битума конвертерного
шлака и смеси конвертерного шлака с битумом указывает на то,
что на разделе фаз шлак – битум происходят интенсивные про209
цессы взаимодействия. На это указывают смещение и сужение
полос поглощения при частотах 1200-800 см-1. Эти полосы указывают на физико-химическое взаимодействие гидроксильных и
карбоксильных групп битума и с ионами кальция и магния конвертерного шлака. Полоса поглощения при частоте 1601 см-1,
характерная для валентных колебаний соединений ароматического ряда – С=С – (масел), позволяет судить об оптимальной
температуре приготовления асфальтобетонных смесей на основе
конвертерного шлака. При температуре приготовления смеси
130 °С наблюдается эта полоса (кривая 3), а при температуре
приготовления 160 °С (кривая 4) этой полосы не наблюдается.
Это указывает на то, что при температуре приготовления смеси
160 °С происходит интенсивное старение битума, а при температуре приготовления 130 °С интенсивного старения битума не
наблюдается.
6.3. Влияние степени распада на физико-механические
свойства асфальтобетона
Исследование физико-механических свойств проводили по
стандартной методике с учетом особенностей конвертерного
шлака (распад, химическая и гидравлическая активность).
С целью уточнения степени распада, при которой можно
применять конвертерный шлак, образцы изготавливали из шлака, выдержавшего разные сроки на воздухе. После каждого срока выдерживания устанавливали степень распада шлака в автоклаве, формовали образцы и определяли свойства асфальтобетона в возрасте 2 сут. и после пропаривания в автоклаве. Кроме
этого исследовали физико-механические свойства после выдерживания на воздухе в течение 28, 60, 90 и 180 сут. Такая методика исследований позволит судить об изменении свойств асфальтобетона на конвертерном шлаке в зависимости от степени
распада.
Для исследований приняли мелкозернистую асфальтобетонную смесь типа Б, подобранную по кривым плотных смесей,
состав минеральной части которой состоял полностью из конвертерного шлака: шлак фр. 5-10 мм – 40%, шлаковый песок фр.
0-5 мм – 50%, минеральный порошок из конвертерного шлака –
10%, битум марки БНД 90/130 – 7%.
210
Подбор оптимального содержания битума приведен в таблице 6.3.1.
Таблица 6.3.1. Влияние содержания битума марки БНД 90/130
на физико-механические свойства асфальтобетона
Содер- Средняя Водона- Набуха- Пределы прочности Коэффициенты:
жание плот- сыще- ние, % при сжатии, МПа, водостойкости/
битума, ность, ние, % объема при температуре, °С длительной во%
г/см3 объема
достойкости
20
50
6
3,06
2,9
0,15
3,6
1,0
0,92/0,97
7
3,19
0,68
0,70
4,1
1,0
0,98/1,15
8
3,21
0,57
0,34
3,6
1,1
1,00/1,02
9
3,23
0,52
0,29
3,2
1,0
0,99/0,98
Из приведенных результатов исследования видно, что оптимальное содержание битума равно 7%. При таком содержании
битума асфальтобетон удовлетворяет требованиям стандарта по
всем параметрам.
Стабильность физико-механических свойств асфальтобетонных смесей на основе конвертерного шлака зависит от степени распада. Наибольший распад конвертерного шлака наблюдается в начальные сроки с момента его получения. С увеличением срока хранения интенсивность распада снижается.
Для более детального изучения структурно-механических
свойств асфальтобетона на основе конвертерных шлаков с неустойчивой кристаллической структурой образцы формовали из
асфальтобетонных смесей с разной выдержкой шлака (1, 2, 4 и 7
месяцев) и испытывали в возрасте 2, 28, 60, 90, 180 сут. с момента изготовления (табл. 6.3.2).
Анализ данных, приведенных в табл. 6.3.2, показывает, что
образцы асфальтобетонных смесей со степенью распада шлака
5,3% имеют достаточно высокие показатели пределов прочности при сжатии при температурах 20 и 50 °С, малое водонасыщение и высокие коэффициенты водостойкости и длительной
водостойкости. Некоторый прирост предела прочности во времени, особенно при температуре 50 °С, объясняется процессами
гидратации и взаимодействием функциональных групп битума с
окислами кальция и магния конвертерного шлака.
211
Таблица 6.3.2. Влияние степени распада конвертерного шлака
и возраста образцов на физико-механические свойства
асфальтобетона
Возраст
образцов,
сут.
Средняя
плотность,
г/см3
2
28
90
3,19
3,14
3,17
2
2
28
60
90
2,85
2,83
2,83
2,85
2
2,71
2
28
60
90
180
2,80
2,87
2,96
2,81
2,82
2
2,75
2
28
60
90
180
2,68
2,66
2,67
2,69
2,67
2
2,58
Водо- Набу- Пределы прочно- Коэффициенты:
насы- хание, сти при сжатии,
водостойкости/
щение, % объ- МПа, при темпе- длительной воратуре, °С
% объема
достойкости
ема
20
50
возраст шлака 1 месяц, распад 5,3%
0,68
0,70
4,1
1,0
0,98/1,15
1,51
0,46
4,7
1,8
0,94/1,17
0,98
0,91
4,3
1,8
0,98/1,13
после пропаривания в автоклаве
образцы разрушились
возраст шлака 2 месяца, распад 2,4%
3,81
0,72
5,2
2,1
0,98/0,86
3,88
0,19
6,4
1,8
0,81/0,83
4,18
0,58
6,6
2,2
0,82/0,98
4,70
0,34
7,1
2,1
0,83/0,75
после пропаривания в автоклаве
6,05
0,00
1,7
0,6
1,11/1,05
возраст шлака 4 месяца, распад 1,7%
5,49
0,09
4,2
2,1
0,97/0,98
4,06
0,07
4,3
2,2
0,93/0,91
3,03
0,00
5,5
1,5
0,85/1,02
5,87
1,76
5,0
1,1
0,77/1,08
4,13
0,89
4,8
1,2
0,91/0,91
после пропаривания в автоклаве
7,63
0,70
2,6
0,9
0,88/0,97
возраст шлака 7 месяца, распад 1,27%
3,17
0,00
6,1
2,8
0,9/1,15
3,57
0,32
6,0
3,0
1,07/1,15
3,66
0,94
7,2
2,5
1,11/1,11
1,74
0,00
10,9
2,6
0,86/1,05
2,99
0,00
8,1
2,6
0,85/0,75
после пропаривания в автоклаве
7,58
0,00
5,6
1,5
1,07/1,10
Битумная пленка на поверхности шлакового материала
препятствует проникновению влаги, и поэтому нет видимых
разрушений асфальтобетона при длительном хранении его на
212
воздухе. Однако при пропаривании в автоклаве происходит полностью разрушение асфальтобетонных образцов. На них появляются трещины, сколы, выходы продуктов шлакового распада.
С уменьшением степени распада до 2,4% образцы асфальтобетона выдерживают автоклавную обработку, но значения
пределов прочности при сжатии резко снизились ниже требуемых по стандарту. Это свидетельствует о неустойчивой структуре шлакового асфальтобетона и возможности его разрушения
в процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий (рис.
6.3.1).
Рис. 6.3.1. Состояние асфальтобетона после
пропаривания со степенью распада конвертерного шлака 2,4%
При степени распада конвертерного шлака 1,27% асфальтобетон сохраняет стабильные свойства при выдерживании образцов на воздухе и после автоклавной обработки. После пропаривания в автоклаве образцы не изменяют формы и на них не
наблюдается трещин и сколов.
Как показали наши исследования, такая степень распада
наступает ориентировочно не ранее чем через 7-8 месяцев хранения конвертерного шлака на воздухе с интенсивной поливкой
водой.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что для производства асфальтобетона допускается применение конвертерного шлака со степенью распада не более 1,2-1,3%.
Недостаточная коррозионная стойкость асфальтобетона
приводит к преждевременному разрушению покрытий. Асфальтобетон разрушается интенсивно при длительном воздействии
воды и попеременном замораживании-оттаивании. Так как конвертерный шлак имеет неустойчивую структуру, то длительное
воздействие воды эти процессы должно ускорить.
213
Исследование длительного воздействия воды проводили со
шлаком с разной степени распада и продолжительности водонасыщения 2, 28, 90 и 180 суток (табл. 6.3.3).
Таблица 6.3.3. Влияние степени распада конвертерного шлака
и продолжительности водонасыщения на физико-механические
свойства асфальтобетона
Продолжительность
водонасыщения, сут.
2
28
90
180
2
28
60
90
2
28
60
90
180
2
28
60
90
180
Водона- Набу- Пределы проч- Коэффисыще- хание, ности при сжациенты
ние, % % объ- тии, МПа, при водостойтемпературе, °С
объема
ема
кости
20
50
возраст шлака 1 месяц, распад 5,3%
3,04
1,70
0,66
4,9
2,2
1,43
3,04
4,33
0,46
5,7
1,5
1,20
3,03
3,43
0,00
5,7
1,5
1,42
3,04
7,70
1,01
2,7
1,3
возраст шлака 2 месяца, распад 2,4%
2,79
4,06
2,86
6,5
2,2
1,03
2,82
6,50
2,40
5,2
1,3
0,89
2,83
6,27
2,51
4,5
1,3
0,81
2,82
10,83
6,69
4,7
1,1
0,54
возраст шлака 4 месяца, распад 1,7%
2,83
2,25
0,54
6,4
2,0
1,29
2,81
6,55
0,00
6,3
1,6
1,55
2,78
4,50
2,16
4,3
1,6
1,13
2,83
7,65
4,67
3,4
1,2
1,18
2,83
10,63
6,89
3,6
1,0
1,00
возраст шлака 7 месяца, распад 1,27%
2,67
1,78
0,02
7,1
2,9
1,44
2,68
4,26
0,58
4,7
2,6
0,87
2,66
3,34
0,74
6,4
2,2
0,80
2,68
2,73
0,13
7,5
1,9
1,70
2,67
2,97
0,05
7,9
2,1
1,81
Средняя
плотность,
г/см3
Как правило, с увеличением времени хранения образцов в
воде возрастает водонасыщение. Это связано с частичным разуплотнением образцов в процессе водонасыщения и созданием
при распаде шлака резерва пор, которые ранее были недоступны
для миграции воды.
214
С увеличением продолжительности водонасыщения при
степени распада шлака 1,7% и более пределы прочности при
сжатии снижаются, но остаются выше требований стандарта.
Однако на образцах со степенью распада шлака 5,4% после 180
сут. наблюдаются трещины, сколы (рис. 6.3.2). На образцах, изготовленных из шлака со степенью распада 1,7%, наблюдаются
вздутия (рис. 6.3.3), а на образцах из шлака со степенью распада
1,27% этих явлений не наблюдается (рис.6.3.4).
а
б
в
Рис. 6.3.2. Состояние асфальтобетона после 180 суток водонасыщения
со степенью распада конвертерного шлака 5,4% (а); 1,7% (б); 1,27% (в)
Пределы прочности на сжатие асфальтобетона при температуре 20 °С при степени распада шлака 1,27% уменьшаются до
продолжительности водонасыщения 28 сут., а затем возрастают.
Это связано с гидравлической активностью шлака. Битум активно взаимодействует с продуктами гидратации, и на разделе
215
фаз образуется прочный адгезионный контакт, устойчивый к
длительному воздействию воды.
Исследование морозостойкости проводили со шлаком с
разной степенью распада и количеством циклов замораживанияоттаивания (табл. 6.3.4).
Таблица 6.3.4. Влияние степени распада конвертерного шлака
и количества циклов замораживания-оттаивания на физикомеханические свойства асфальтобетона
Количество
циклов замораживания-оттаивания
25
50
100
25
50
75
100
25
50
75
25
50
75
100
Сред- Водо- Пределы прочно- КоэфКоэффисти при сжатии, фициен- циенты
няя
насыплот- щение, МПа, при темпе- ты воморозоратуре, °С
ность, % объдостой- стойкости
3
г/см
ема
кости
20
50
возраст шлака 1 месяц, распад 5,3%
3,03
1,40
5,5
2,0
1,05
1,17
2,99
2,33
4,8
1,8
0,87
0,97
2,79
2,67
3,6
1,6
1,14
0,95
возраст шлака 2 месяца, распад 2,4%
4,81
2,80
6,8
1,5
0,93
0,98
8,15
2,70
5,8
1,7
0,62
0,75
2,69
7,79
5,2
1,5
0,73
0,69
2,61
9,39
3,6
1,0
1,02
0,52
возраст шлака 4 месяца, распад 1,7%
2,88
3,15
4,1
1,9
1,00
0,89
2,82
3,93
4,0
3,0
1,00
0,89
2,79
5,67
4,5
1,6
1,26
0,82
возраст шлака 7 месяца, распад 1,27%
2,68
3,14
6,9
2,0
0,81
1,50
2,70
2,47
8,8
2,0
0,94
1,22
2,67
3,26
10,2
2,5
0,72
0,95
2,66
3,42
10,9
2,6
0,86
0,82
Как видно из представленных результатов, с увеличением
количества циклов замораживания-оттаивания водонасыщение
асфальтобетона возрастает. Это явление объясняется не только
разуплотнением асфальтобетона вследствие перехода воды в
лед и увеличением его объема, но и известковым распадом шлаковых зерен. Отсутствие закономерности изменения водонасыщения от сроков выдерживания конвертерного шлака к моменту
216
применения его для изготовления асфальтобетона можно объяснить неравномерным распределением извести в массе шлака.
По основным показателям физико-механических свойств
асфальтобетон на основе конвертерного шлака с разной степенью распада удовлетворяет требованиям стандарта.
При степени распада шлака 5,3 и 2,4% пределы прочности
при сжатии асфальтобетона уменьшаются, но остаются в пределах требований стандарта. Снижение пределов прочности после
воздействия циклов замораживания-оттаивания связано как с
разуплотнением асфальтобетона (деструкцией), так и с распадом шлака.
При степени распада шлака 1,7 и 1,27% происходит возрастание пределов прочности при сжатии после воздействия
циклов замораживания-оттаивания. Это объясняется процессами гидролиза и гидратации шлака, физико-химическим взаимодействием между функциональными группами битума и шлаковыми минералами с образованием органоминеральных соединений (конструктивные процессы преобладают над деструктивными).
Однако состояние асфальтобетонных образцов с разной
степенью распада после циклов замораживания-оттаивания разное. При степени распада шлака 5,7% наблюдается интенсивное
растрескивание, сколы, трещины, взбугривание поверхности
асфальтобетона (рис. 6.3.3, а). С уменьшением степени распада
шлака до 1,7% (рис. 6.3.3, б) интенсивность трещинообразования и взбугривания асфальтобетона существенно снижается.
Трещины появляются значительно реже. При степени распада
шлака 1,27% ни трещин, ни взбугриваний на образцах асфальтобетона не наблюдается (рис. 6.3.3, в).
Поэтому при исследовании морозостойкости асфальтобетона на основе конвертерных шлаков следует обращать внимание не только на изменение физико-механических свойств, но и
на те условия, при которых после многократных циклов замораживания-оттаивания сохраняется целостность асфальтобетонных образцов.
217
а
б
в
Рис. 6.3.3. Состояние асфальтобетона после 100 циклов
замораживания-оттаивания со степенью распада конвертерного шлака
5,4% (а); 1,7% (б); 1,27% (в)
На основе проведенных исследований можно сделать вывод, что конвертерные шлаки со степенью распада менее 1,27%
можно использовать в дорожном строительстве для изготовления асфальтобетонных покрытий.
6.4. Литые асфальтобетонные смеси
Покрытия автомобильных дорог из литых асфальтобетонных смесей по сравнению с обычными асфальтобетонными смесями имеют ряд достоинств. В уплотненном состоянии у литого
асфальтобетона практически отсутствует пористость, существенно снижаются энергозатраты при уплотнении. Асфальтобетонное покрытие из литого асфальтобетона обладает высокой
прочностью и износостойкостью.
218
Наряду с положительными свойствами литой асфальтобетон имеет и существенные недостатки: пониженную сдвигоустойчивость при высоких летних температурах, недостаточную
трещиностойкость при низких зимних температурах, требует использования битумов повышенной вязкости, приготовления
смеси при высокой температуре (240-250 °С) и поддержания ее
вплоть до момента укладки, а также возникает необходимость
иметь специальные транспортные средства, оборудованные котлом-термосом с принудительным перемешиванием при доставке
смесей к месту укладки для обеспечения нерасслаиваемости
смеси.
С целью повышения сдвиго- и трещиностойкости, уменьнения температуры приготовления и обеспечения нерасслаиваемости смеси предложено использовать для изготовления литых асфальтобетонных смесей шлаки конвертерного и доменного производства [3].
Поставленная цель достигается тем, что смесь содержит в
своем составе конвертерный шлак фракции 0,63-10 мм со степенью распада 1,2%, гранулированный доменный шлак фракции
0,071-0,63 мм и молотый гранулированный доменный шлак
фракции≤ 0, 071 мм при следующем соотношении компонентов
(в вес. %):
конвертерный шлак – 60-68;
гранулированный доменный шлак – 6-12;
молотый гранулированный доменный шлак 15-19,7;
битум нефтяной дорожный 7,4-8,3.
Каждый из вышеперечисленных компонентов выполняет
определенную роль для достижения указанных целей.
Применение в смеси конвертерного шлака способствует
повышению сдвиго- и износостойкости покрытия, увеличению
коэффициента сцепления колеса автомобиля с покрытием и
обеспечения безопасности движения.
Гранулированный доменный шлак фракции 0,071-0,63 мм
препятствует расслаиваемости смеси при транспортировке к
месту укладки и снижению температуры приготовления.
Молотый гранулированный доменный шлак существенно
повышает трещиностойкость покрытий вследствие большой
степени структурирования битума.
219
Шлаковые материалы одного генезиса имеют примерно
одинаковый химический состав, и поэтому температуру приготовления легко оптимизировать, а вследствие их высокой химической активности снизить температуру приготовления до 160180 °С и применить битумы пониженной вязкости БНД 60/90 и
БНД 90/130.
Исследования показали, что при температуре приготовления 160-180 °С происходит прочное сцепление битума с поверхностью шлаковых материалов. Площадь сцепления, установленная методом красителей, с конвертерным шлаком составляет 84-88%, а с гранулированным доменным шлаком – 78-84%.
Составы литых асфальтобетонных смесей, принятые для
исследования, приведены в табл. 6.4.1.
Таблица 6.4.1. Составы литых асфальтобетонных смесей
Наименование компонентов
Конвертерный шлак фракции, мм:
5-10
2,5-5
1,25-2,5
0,63-1,25
Гранулированный доменный шлак фракции, мм:
0,28-0,63
0,071-0,28
≤ 0,071
Битум нефтяной дорожный
Содержание
компонентов, %,
для составов
1
2
3
25,7
21,5
6,4
6,4
27,6
23,0
6,9
6,9
29,0
24,2
7,4
7,4
6,0
6,0
19,7
8,3
4,6
4,6
18,5
7,9
3,0
3,0
18,6
7,4
Физико-механические свойства литых асфальтобетонных
смесей приведены в таблице 6.4.2.
Анализ результатов, представленных в таблице 6.4.2, свидетельствует о том, что при использовании шлаковых материалов можно применять битумы пониженной вязкости БНД
90/130. Пределы прочности при сжатии у литых асфальтобетонных смесей на битумах БНД 40/69 и БНД 60/90 примерно одинаковы, а на битуме марки БНД 90/130 они существенно ниже,
но остаются выше требуемых.
220
Таблица 6.4.2. Физико-механические свойства литых смесей
Номер
состава
смеси
Марка битума
Средняя
плотность,
г/см3
1
БНД 40/60
БНД 60/90
БНД 90/130
БНД 40/60
БНД 60/90
БНД 90/130
БНД 40/60
БНД 60/90
БНД 90/130
2,80
2,81
2,80
2,83
2,81
2,81
2,91
2,90
2,90
2
Водо- Набу
насы- хани
щение, е, %
% объ- объема
ема
0,24
0,28
0,13
0,09
0,26
0,39
0,03
0,24
0,10
0,00
0,00
0,04
0,00
0,00
0,03
0,00
0,00
0,00
Предел
прочности
при сжатии, МПа,
при температуре, °С
20
50
3,50 1,26
3,20 1,20
2,20 0,90
3,30 1,13
3,10 1,10
2,10 0,80
3,00 1,00
2,70 0,90
1,90 0,80
Глубина
погружения
штампа
при температуре
40 °С, мм
1,2
2,4
3,5
1,5
2,6
3,8
1,9
3,0
4,0
Коэффициенты теплопроводности литых асфальтобетонных смесей на шлаковых материалах меньше, нежели у смесей
на природных минеральных материалах. Это обусловливает небольшое снижение температуры смеси при ее транспортировании до места укладки и сохранении удобоукладываемости при
температуре свыше 120 ° С.
Таким образом, проведенные исследования показали, что с
применением в литых асфальтобетонных смесях шлаковых материалов устраняются многие недостатки, которые присущи покрытиям из аналогичных смесей из природных каменных материалов.
221
ГЛАВА 7. ПРИМЕНЕНИЕ ДЕГТЕБЕТОННЫХ И
ДЕГТЕМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЛИТОГО
ШЛАКОВОГО ЩЕБНЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПОКРЫТИЙ
И ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
С целью расширения сырьевой базы и снижения стоимости
строительства автомобильных дорог предложено применять в
качестве вяжущего вещества каменноугольные дегти, а в качестве минеральных наполнителей – доменные шлаки.
В связи с земельной реформой возросла плата за землю. На
металлургических заводах большие площади заняты шлаковыми
отвалами. С целью сокращения площади нерационально используемых земель и повышения экономической эффективности этих
предприятий нами проведены исследования по использованию
шлаковых материалов в сельском дорожном строительстве.
Интенсивно развивающиеся в нашей стране промышленность и сельское хозяйство нуждаются в хорошо развитой сети
автомобильных дорог, особенно в сельской местности. Возросшие темпы дорожного строительства требуют использования в
максимальной степени местных строительных материалов без
ухудшения свойств конструктивных слоев дорожных одежд. В
районах с развитой металлургической промышленностью расширение ресурсов вяжущих материалов возможно за счет применения побочных продуктов коксохимических производств, а
дефицит высокопрочных каменных материалов можно восполнить доменными шлаками.
В 50-е годы каменноугольные дегти широко использовали
в дорожном строительстве, однако в связи с развитием нефтяной промышленности о них неоправданно забыли. Перспективность использования каменноугольных дегтей в настоящее время обусловлена ресурсами углей, намного превосходящими возможные ресурсы использования продуктов нефтепереработки.
Проведенные нами исследования показали технологическую и экономическую целесообразность применения каменноугольных дегтей пониженной вязкости марок Д-3 Новолипецкого
комбината для приготовления дегтебетонных и дегтеминеральных смесей на основе шлаковых материалов при строительстве
покрытий и оснований автомобильных дорог [2, 59, 86, 87, 100].
222
7.1. Характеристика каменноугольного дегтя
Новолипецкого металлургического комбината
Дегтями называют продукт сухой (без доступа воздуха)
перегонки твердых топлив: каменного угля, древесины, торфа,
горючих сланцев и других органических веществ. В зависимости от исходного сырья может быть получен каменноугольный,
древесный, торфяной или сланцевый деготь. Для строительных
целей наибольшее применение получили каменноугольные дегти.
Сырой каменноугольный деготь, получаемый в процессе
коксования и газификации угля, представляет собой вязкую
жидкость черного цвета с характерным запахом фенола, крезола
и нафталина. Сырые высокотемпературные дегти перерабатываются путем фракционной перегонки с выделением ряда веществ, выкипающих до температуры 360 °С.
Для строительных целей и в промышленности строительных материалов применяются дегти отогнанные, получающиеся
после отбора из сырых дегтей летучих веществ, или составленные, изготовляемые смешением горячего пека с антраценовым
маслом или другими жидкими дегтевыми материалами. Наибольшее распространение имеют составленные дегти.
Составленные и отогнанные дегти характеризуются вязкостью (по стандартному вискозиметру) и фракционным составом.
По сравнению с битумами дегти отличаются меньшей теплостойкостью и худшей погодоустойчивостью. Однако адгезия
(прилипание) дегтей выше, чем у битумов, вследствие большего
содержания полярных групп в молекулах масел и смол дегтя.
Каменноугольные дегти – вязкая жидкость черного цвета
со специфическим запахом, в состав которой входит каменноугольный пек (около 50%), антраценовое масло, каменноугольная смола, пековые дистилляты.
Каменноугольная смола – темная вязкая жидкость со специфическим запахом, представляющая собой смесь ароматических соединений, нафталина, антрацена, фенола и других соединений. По своим свойствам она должна удовлетворять требованиям ОСТ 1462-80 «Смола каменноугольная. Технические
условия».
223
Каменноугольные дегти подразделяются на шесть марок:
Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6. Их свойства должны соответствовать требованиям ГОСТ 4641-80 [29]. В качестве вяжущего материала для дорожного строительства применяются в основном
дегти марок от Д-4 до Д-6. Дегти марок от Д-1 до Д-3 в качестве
самостоятельного вяжущего материала не применяются, а используются, главным образом, в качестве исходного составного
компонента для приготовления составленных дегтей и дегтеполимерных вяжущих материалов.
По данным санитарно-химических исследований, каменноугольные дегти могут загрязнять окружающую среду, в частности атмосферный воздух, летучими органическими соединениями, из которых в гигиеническом плане наиболее значимыми являются ароматические моноциклические углеводы: бензол, толуол, ксилолы, а также стирол, нафталин и др.
В таблице 7.1.1 представлен качественный состав летучих
выделений из каменноугольных дегтей, установленный с помощью масс-спектрометрического анализа.
Таблица 7.1.1. Качественный состав летучих компонентов
каменноугольных дегтей
Идентифицированные вещества
Бензол
Толуол
Ксилол
Пропилбензол
Цимол
Инден
Индан, пропенилбензил
Стирол
Нафталин
Метилнафталин
Олефины С2-С5
Парафины С2-С7
Прочие
224
Д-2
Д-4
12,8
1,5
1,75
0,26
0,7
3,6
0,94
2,5
18,8
0,85
32,0
20,1
3,28
9,2
5,6
2,9
2,4
следы
9,7
2,2
3,0
26,0
20,7
18,0
2,2
Качественный и количественный состав химических компонентов, испаряющихся из вяжущих материалов, может изменяться в зависимости от различий в технологии получения вяжущих
материалов, в частности от температуры коксования, полноты
улавливания и очистки коксового газа, а также в зависимости от
температуры нагревания дорожных смесей в процессе приготовления, укладки и дальнейшей эксплуатации покрытий.
В состав дегтевых вяжущих входят в основном непредельные углеводороды ароматического ряда – производные
бензола и их соединения с кислородом, азотом и серой. Поэтому атмосферостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих ниже по сравнению с битумами.
Согласно ГОСТ 25877-83 [28] деготь марки Д-3 для изготовления дегтебетонных смесей не применяется. Нами проведены исследования по использованию дегтя пониженной вязкости
марки Д-3 Новолипецкого металлургического комбината в качестве вяжущего материала при устройстве покрытий и оснований
дорожных одежд на основе литого шлакового щебня.
Показатели свойств дегтя марки Д-3 и требования к нему
по ГОСТ 4641-80 [29] приведены в таблице 7.1.2.
Таблица 7.1.2. Свойства каменноугольного дегтя НЛМК
Наименование показателей
Вязкость С 1030
Содержание воды
Содержание веществ, не растворимых в толуоле, не более
Перегоняемый фракционный состав при температуре, не более:
до температуры 170 °С
до температуры 270 °С
до температуры 300 °С
Температура размягчения остатка после отбора фракций 300 °С,
не более
Единица
измерения
Требования
ГОСТ 4641-80
для дегтя марки Д-3
сек.
%
% по
массе
20-50
Не более 1
Величина
показателей
дегтя
НЛМК
19-25
следы
Не более 20
7
1,5
15
25
0,5
7
28
65
-
% по
массе
225
7.2. Исследование физико-химического взаимодействия
дегтя с поверхностью шлаковых материалов
Каменноугольные дегти в большей степени, чем битумы,
изменяют свои свойства под действием воды, воздуха, солнечной радиации, вызывающих и ускоряющих процессы полимеризации и окисления. Эти воздействия нарушают физикохимическую структуру дегтя, приводят к увеличению содержания свободного углерода, повышению вязкости и т.д.
В таблице 7.2.1 приводятся данные по потере в весе при
прогреве дегтя марки Д-3 при температуре 120 °С и 60 °С. Как
видно из результатов, при прогреве дегтя при температуре практически испарения легких фракций дегтя не происходит.
Таблица 7.2.1. Потери в массе при прогреве дегтя марки Д-3
Температура
прогрева, °С
120
60
Время прогрева, часы
1
2
3
4
5
6
0,4 2,0 2,7 2,8 3,3 4,0
0
0
0
0
-
7
8
9
10
11
4,3
0,01
4,1
-
5,2
0,02
5,4
-
6,7
0,03
В смесях с оптимальной композицией исследовали процессы взаимодействия дегтя с минеральными материалами.
Характер взаимодействия дегтя с минеральными материалами обуславливает наличие структурных связей в дегтеминеральных смесях, предопределяющих долговечность покрытий
автомобильных дорог. Взаимодействие органического вяжущего
с минеральным материалом начинается при технологических
операциях (приготовление, укладка, уплотнение смеси), и продолжается оно в процессе эксплуатации покрытия до тех пор,
пока не наступит равновесное состояние системы. В результате
объединения дегтя с минеральным материалом на разделе фаз
происходят физические и химические процессы взаимодействия.
Для исследования характера взаимодействия дегтя с минеральными материалами был применен метод инфракрасной
спектроскопии, позволяющий произвести анализ природы сил,
обусловливающих адгезионные связи.
226
Для снятия спектров были взяты следующие материалы:
каменноугольный деготь марки Д-3 Новолипецкого металлургического комбината; литой шлаковый щебень; смесь литого
шлакового щебня с дегтем марки Д-3.
Образцы готовились в виде суспензий в вазелиновом масле
(призма NaCl) и во фторированном масле (призма LiF). Спектральные исследования проводились в области колебательных
частот 4000-700 см-1.
На рис. 7.2.1 представлены инфракрасные спектры каменноугольного дегтя марки Д-3, литого шлакового щебня и их
смесей.
3
2
1
4000 3000 2000 2000 1800
1600
1400
1200
1000 900 700
Волновые числа, см -1
Рис. 7.2.1. Инфракрасные спектры поглощения дегтебетонных смесей:
1 – деготь марки Д-3; 2 – литой шлаковый щебень;
3 – смесь литого шлакового щебня с дегтем
В ИК-спектре каменноугольного дегтя (рис. 1, кривая 1) в
области частот 900-770 см-1 наблюдается серия полос, характеризующая неплоские деформационные колебания – С – Н - связей в ароматических углеводородах. В составе каменноугольного дегтя видное место занимают изоциклические и полициклические углеводородные соединения ароматического ряда. О наличии полициклических ароматических углеводородов свидетельствуют полосы поглощения в инфракрасном спектре в об227
ласти 3100-3000 см и в области 1600-1500 см-1. Серию полос в
области 1225-950 см-1 можно отнести к валентным колебаниям
двойной связи - С = С -. Поглощение в области частот 1000 см-1
.
свидетельствует о валентных колебаниях соединений ароматического типа. Полосы поглощения в областях 3900-2700 см-1
свидетельствуют о деформационных колебаниях группы – ОН.
В спектре литого шлакового щебня области частот 37203500 см-1 обнаруживается полоса поглощения, соответствующая
свободным колебаниям гидроксильных групп на поверхности
шлакового материала [79, 82]. Наличие стеклофазы определяет
гидравлическую активность шлаковых материалов.
Слабая полоса поглощения в области 1640 см-1, обусловленная деформационными колебаниями ОН, свидетельствует о
наличии физически сильносвязной воды (кристаллогидратной
воды), слой которой практически одинаковый на всех шлаковых
материалах. По данным [79], слой сорбированной влаги достигает толщины сотен ангстрем и удаляется с поверхности материала
с большим трудом в вакууме при температурах 400-500 °С. В области 1340-700 см-1 наблюдается сильное поглощение, обусловленное валентными колебаниями Si-O и Al-O – связей и валентными колебаниями ионов кальция и магния [76, 79]. Поглощение в области 1160 см-1 связано, по всей видимости, с деформационными колебаниями иона (Н3О)+ в геле кремнезема
[79]. Полосы поглощения при 600-790 см-1 и 755 см-1 в инфракрасном спектре шлакового песка могут быть отнесены к влиянию алюминатных группировок в силикатной системе.
В спектре смеси литого шлакового щебня с дегтем происходит сдвиг этих полос в сторону меньших волновых чисел. Это
указывает на химический характер взаимодействия окислов
кальция и магния шлакового песка с карбоксильной группой
карболовых кислот и их производных, содержащихся в дегте.
Поглощение в области 3570-3200 см-1 свидетельствует о
наличии гидроксильной группы [10, 82]. Форма полосы поглощения свидетельствует о полимерной ассоциации с образованием водородных связей [82].
Поглощение в области 1950 см-1 относится к карбоксильной группе [10]. Полоса поглощения в области 1601 см-1 характеризует наличие ароматических соединений и связей типа – С
228
= С – [10, 75]. Углеводородные соединения – С-Н характеризуются поглощением в областях 1250-900 см-1.
В области 3720 см-1 уменьшается полоса поглощения, характеризующая свободные колебания гидроксильных групп. Учитывая, что на поверхности шлакового песка имеются свободные гидроксильные группы, можно предположить, что деготь взаимодействует со шлаковым материалом по схеме [10, 75]:
Si - OH + HO – R
S – O – R + H2O.
Сужение и смещение полос в области 1200-800 см-1 свидетельствует о сильном физико-химическом взаимодействии между шлаковыми материалами и дегтем по схеме [75, 79]:
Ме+ О- + R – COOH
Me – O – OCR +
H2O, а также возможно взаимодействие по схеме Ме+ О ···- Н+ –
OСOR с образованием ион-дипольного типа связей.
Таким образом, с помощью метода молекулярной спектроскопии установлено, что в образовании адгезионных связей в
дегтебетонных смесях на основе шлакового песка участвуют
химические связи типа
Si - O – R , ион-дипольные связи
+
+
типа Ме О ··· Н – OCOR и водородные связи типа Si OH ···
НСООR.
Образование органоминеральных соединений типа М – О –
ОСR, которые не растворимы в воде, ведет к созданию структурно-механического барьера, который в дегтебетоне из шлаковых материалов оказывает экранирующее действие, снижая избирательную фильтрацию компонентов дегтя в поры минерального материала [25]. Кремнийорганические соединения типа
S – O – R придают материалам гидрофобные свойства и тем
самым способствуют повышению их водо- и морозостойкости.
Из проведенных исследований следует, что в спектрах из
смесей шлакового песка с дегтем наблюдается интенсивное
взаимодействие минеральных материалов с дегтем. Анализ
спектров показывает, что связь деготь – минеральный материал
осуществляется как за счет вандерваальсовых сил, так и за счет
химического взаимодействия.
229
7.3. Свойства дегтеминеральных смесей для устройства
оснований дорожных одежд
Зерновой состав смесей на основе литого шлакового щебня
принимали естественный, так как он близок к рекомендуемым
плотным смесям. В ходе технологических операций (приготовление и уплотнение) происходит дробление зерен минерального
материала с образованием дополнительного количества мелочи,
и зерновой состав еще более приближается к плотным смесям
(табл. 7.3.1). Для определения оптимального содержания вяжущего смеси приготавливали с разным содержанием дегтя (от 4 до
7%). При выборе оптимального содержания вяжущего материала
руководствовались требованиями ВСН 123-77 [23] (табл. 7.3.2).
Таблица 7.3.1. Зерновой состав минеральной части
дегтеминеральных смесей для устройства оснований
Содержание зерен, %, мельче данного размера, мм
25
20
15
10
100 94,1 76,2 59,9
5
42,2
2,5
1,25
0,63
0,315
0,16
0,071
30,3 25,5
16,2
7,75
6,3
2,95
Таблица 7.3.2. Подбор оптимального содержания дегтя
в дегтеминеральных смесях
ВодоНабуСреднасыСодерняя
хание,
щение,
%
жание
плот%
объедегтя, % ность,
объе3
ма
г/см
ма
4
2,18
18,50
0,97
5
2,22
14,75
0,24
5,5
2,20
13,99
0,14
6
2,23
13,96
0,49
7
2,24
12,10
0,81
Предел прочности
при сжатии, МПа,
при температуре °С
20 °С
50 °С
1,4
17
2,0
2,5
2,4
1,1
1,0
1,0
1,1
1,1
Коэффициент водостойкости/длительной водостойкости
1,09/0,88
1,11/ 0,78
0,95/0,90
0,82/0,80
0,85/0,81
Как видно из результатов, представленных в таблице 7.3.2,
все смеси удовлетворяют по прочностным показателям при температуре испытания 20 и 50 °С, коэффициентам водостойкости,
длительной водостойкости и набуханию требованиям нормативных документов для устройства оснований дорожных одежд,
230
за исключением водонасыщения. Повышенное водонасыщение
смесей с применением шлаковых материалов является не их недостатком, а специфическим свойством. За оптимальное содержание дегтя принято 6%.
Процессы взаимодействия каменноугольного дегтя с минеральными материалами продолжаются длительное время с
момента приготовления. В состав дегтевых вяжущих входят в
основном непредельные углеводороды ароматического ряда –
производные бензола и их соединения с кислородом, азотом и
серой, которые под действием кислорода воздуха, ультрафиолетового облучения, воды способны окисляться и интенсивно
стареть. Поэтому были проведены исследования атмосферостойкости материалов на основе дегтевых вяжущих.
Смеси оптимального состава исследовали на изменение
структурно-механических свойств во времени и после замораживания-оттаивания.
В таблице 7.3.3 приведены результаты исследования дегтеминеральных смесей во времени. Анализ данных таблицы
7.3.3 показывает, что с увеличением времени выдерживания
образцов их прочность при всех видах испытания практически
не меняется; как правило, возрастает водоустойчивость. Это
свидетельствует о том, что деготь на поверхности шлаковых
материалов находится в структурированном состоянии и мало
подвержен старению.
При температуре + 20 °С даже происходит некоторое
снижение предела прочности. По всей видимости, это связано с
пористой структурой шлакового материала. В крупные поры
деготь проникает без изменения группового состава. В последующем, когда поверхностные пленки дегтя окисляются и полимеризуются, происходит обратная диффузия масел в поверхностную пленку, которая омолаживает ее строение.
Были проведены испытания дегтеминеральных смесей на
морозостойкость (табл. 7.3.4).
Из приведенных результатов видно, что морозостойкость
смесей достаточно высока, и такие смеси можно рекомендовать
для устройства оснований дорожных одежд.
231
232
7.4. Пористые дегтебетонные смеси для устройства
нижних слоев покрытий автомобильных дорог
Дегтебетонные смеси в зависимости от вязкости применяемого дегтя [29] подразделяются: на горячие, приготавливаемые
на дегтях с вязкостью С 1050 более 10 с и С 1030 более 150 с; холодные, приготавливаемые на дегтях с вязкостью С 1030 менее 150 с.
Учитывая, что деготь марки Д-3 Новолипецкого металлургического комбината имеет вязкость С 1030 19-25 с, приготовленные
дегтебетонные смеси можно отнести к холодным согласно
ГОСТ 25877-83 несмотря на то, что укладывают и уплотняют их
в горячем состоянии. Нами проведены исследования мелкозернистых холодных пористых дегтебетонных смесей на основе
литого шлакового щебня с добавками шлакового и природного
песков.
Минеральную часть таких смесей подбирали согласно ВСН 12377 [23]. Гранулометрические составы минеральной части на щебне со
шлаковым песком (смесь № 1) и с природным песком КузьминоОтвержского карьера (смесь № 2) представлены в табл. 7.4.1.
Таблица 7.4.1. Гранулометрический состав минеральной части
пористых смесей на основе литого шлакового щебня
Номер смеси
1
2
Количество частиц мельче данного размера, %
20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071
100 75 62 40 30 22
14
9
7
2,8
100 75 62 40 27 18
10
7
4,9
0,1
Оптимальное содержание дегтя в дегтебетонных смесях
подбирали по пределам прочности при сжатии, набуханию и коэффициентам водостойкости и длительной водостойкости (табл.
7.4.2). Как видно из приведенных данных, наилучшими показателями обладают смеси: на основе шлакового щебня и песка
Кузьмино-Отвержского карьера в количестве дегтя 6%, а на основе шлакового щебня и шлакового песка – в количестве 6,5%.
У таких составов показатели физико-механических свойств
удовлетворяют требованиям нормативных документов по всем
показателям, за исключением водонасыщения, которое несколько выше. Для смесей из шлаковых материалов повышенное водонасыщение является специфическим свойством [53].
233
234
Большинство высокомолекулярных веществ, входящих в
состав дегтя, имеют ненасыщенный характер. Непредельные углеводороды легко вступают во взаимодействие с окружающей
средой, образуя более сложные химические соединения. Этот
процесс ускоряется при действии высоких температур, солнечной радиации и многих других факторов. В результате совместного протекания процессов испарения легколетучих компонентов и химического видоизменения дегтя он стареет быстрее, чем
нефтяные битумы, находящиеся в равных условиях.
Учитывая, что исследуемые дегтебетонные смеси будут
применяться для устройства нижних слоев покрытия, т.е. на них
ограничивается воздействие солнечной радиации, были проведены исследования по влиянию возраста образцов на свойства
дегтебетонных смесей.
В таблице 7.4.3 приведены основные показатели дегтебетонных смесей после длительного хранения на воздухе в комнатных условиях. Из этой таблицы видно, что с увеличением
возраста с момента изготовления дегтебетонных смесей существенного изменения физико-механических свойств не происходит. Пределы прочности при сжатии при температуре 20 °С находятся практически на одном уровне, но существенно возрастает
теплоустойчивость и коэффициент длительной водостойкости.
Объясняется это хорошим взаимодействием дегтя с поверхностью шлаковых материалов; непредельные углеводороды, входящие в состав дегтя, химически связываются с активными центрами шлакового материала. Процесс химического
взаимодействия продолжается длительное время, что подтверждается повышением теплоустойчивости и длительной водостойкости.
Исследуемые дегтебетонные смеси обладают большой пористостью и водонасыщением. Из литературных источников известно, что важнейшим свойством, определяющим долговечность асфальтобетонных и дегтебетонных смесей, является устойчивость их структуры в условиях изменяющегося температурно-влажностного режима. Вода, проникая в поры материала,
ослабляет связи между каменным материалом и дегтем. Снижение прочности структурных связей приводит к ухудшению
235
свойств покрытия, особенно при интенсивном движении автотранспорта и воздействии знакопеременных температур.
Исследованиями И.А. Рыбьева и других [91] доказано, что
природа минеральных материалов, применяемых в смесях с органическими вяжущими, их кристаллохимические особенности
оказывают существенное влияние на изменение структурномеханических свойств материала после длительного воздействия воды. Применение минеральных материалов, имеющих недостаточное сцепление с органическим вяжущим, приводит к
получению неводостойкого покрытия. Сцепление шлакового
материала в сухом состоянии с дегтем хорошее (определено по
методу А.С. Колбановской).
Исследованию на водостойкость при длительном водонасыщении подвергали дегтебетонную смесь на основе литого
шлакового щебня и шлакового песка ввиду того, что она имеет
водонасыщение выше требований стандарта.
Результаты испытаний представлены в таблице 7.4.4. Как
видно из представленных результатов, пределы прочности при
сжатии при температуре 20 °С при хранении в воде до 90 суток
снижаются, а затем к возрасту 180 суток повышаются. Продукты гидролиза шлакового материала хорошо взаимодействуют с
органическим вяжущим, и поэтому после смещения пленки дегтя водой с поверхности шлакового материала она затем восстанавливается, имея уже несколько иную химическую природу –
органоминеральную. Это подтверждается повышением предела
прочности при сжатии при температуре 50 °С и возрастанием
коэффициента водостойкости. Кроме того, после воздействия
воды происходит модификация поверхности шлакового материала и возможно образование коагуляционно-конденсационной
структуры, упрочненной кристаллизационными сростками в
местах контакта шлаковых зерен [47, 53].
Дегтеминеральные смеси выдерживают длительное водонасыщение, и показатели их свойств после испытаний находятся
выше требований стандарта.
236
237
Исследованиями, проведенными в нашей стране и за рубежом, установлено, что фазовые переходы воды в лед, происходящие при замораживании строительных материалов, могут вызывать процессы прямо противоположные: с одной стороны –
процессы разуплотнения структуры (деструктивные); с другой
стороны процессы ее уплотнения (конструктивные).
В настоящее время о деструктивных процессах предложено много гипотез. Гипотеза об общем кристаллизационном давлении льда предложена Р. Коллинзом, который использовал
предположения о причинах морозного пучения грунтов. Сущность этой гипотезы заключается в том, что разрушение строительных материалов происходит вследствие сегрегации льда
внутри его слоев, что вызывает давление растущих кристаллов
льда в полостях и пустотах материала [112].
Гипотеза о гидравлическом давлении льда предложена Пауэрсом. Он исходит из того, что до начала замораживания материала его поверхностные слои полностью насыщены водой; степень же заполнения остальных слоев несколько меньше. Первоначально замерзающая вода в поверхностных слоях материала
закупоривает поры, выходящие на поверхность материала, последующее замерзание воды ведет к отжатию незамерзающей
воды внутрь образца. Так как отжимаемая вода перемещается не
свободно, а встречает сопротивление тонкопористой структуры
материала, то вследствие этого возникает гидравлическое давление, которое приводит к напряженному состоянию материала, к
последующему разуплотнению и разрушению [117].
Дегтешлаковые смеси – материалы пористые с самой разнообразной структурой пор от десятков тысяч микрон до нескольких ангстрем. В силу поверхностного натяжения и упорядочения молекул воды ее слой толщиной 5-6 молекул не замерзает при низкой температуре. Поэтому не вся вода переходит в
лед, а только 50-79%. Остальная вода не замерзает, а вместе с
порами, незаполненными водой, играет роль упругого компенсатора усилий. Применение однородных каменных материалов
также оказывает положительное влияние на морозостойкость
дегтеминеральных смесей: не возникает дополнительных внутренних напряжений от разности коэффициентов линейного температурного расширения.
238
Исследования дегтебетонных смесей состава: щебень шлаковый литой фракции 20-5 мм – 60%, шлаковый песок – 40%,
деготь марки Д-3 – 6,5% – показали их высокую морозостойкость (табл. 7.4.5), несмотря на то, что деструктивные процессы
все же идут (уменьшение средней плотности). Одновременно
происходят и конструктивные процессы (продукты гидролиза и
гидратации заполняют пространство пор, срастаются, увеличивают удельную поверхность материала, вследствие чего больший процент воды находится в связном состоянии, не замерзает,
и возрастает роль диффузной составляющей адгезии [54].
Таблица 7.4.5. Влияние попеременного замораживанияоттаивания на физико-механические свойства дегтебетонных
смесей
Количество
циклов
замораживанияоттаивания
0
25
50
75
Средняя
плотность,
г/см3
Водонасыщение, %
объема
2,20
2,24
2,16
2,14
14,49
11,52
12,44
15,61
Набухание,
% объема
0,07
0,00
0,00
0,00
Предел прочности при
сжатии, МПа,
при температуре, °С
20
50
2,6
1,8
2,3
2,0
0,8
1,0
1,0
0,9
Коэффициент
водостойкости
морозостойкости
0,92
1,11
0,83
0,90
0,69
0,88
0,80
Для расчета дорожных одежд необходимо знать расчетные
характеристики, т.е. пределы прочности при изгибе и модули
упругости и деформации при разных температурах.
Пределы прочности при изгибе и модули упругости определяли по результатам испытания кратковременными нагрузками образцов-балочек размерами 4х4х16 см, изготовленных в
смеси состава: щебень шлаковый литой фракции 20-5 мм – 60%,
шлаковый песок – 40%, деготь марки Д-3 – 6,5%.
ГОСТ 12801-98 дает рекомендации по определению предела прочности на растяжение при изгибе. Сущность метода заключается в определении нагрузки, необходимой для разрушения образца при изгибе, и соответствующих деформаций растя239
жения. Нагрузку прикладывали к балочке посередине пролета
ступенями через каждые 15 с. Деформацию (прогиб) замеряли в
конце каждого 15-секундного периода.
Большое влияние на расчетные характеристики оказывает
температура испытания и возраст образцов к моменту испытания, так как процессы структурообразования продолжаются
длительное время.
Для сокращения числа экспериментов был применен двухфакторный трехуровневый план второго порядка k = 2, (N =
N 1 + Nα + n 0 ).
Матрица и условия планирования эксперимента приведены
в таблицах 2.2.1 и 7.4.6.
Таблица 7.4.6. Условия планирования эксперимента
Факторы
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень
Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования
l
i
Физическое значение
переменных
Х1 – темпе- Х2 – возраст
ратура ис- образцов к
пытания, °С моменту испытания, сут.
20
180
–20
0
0
90
20
90
Кодированное
значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
Переход к кодированным переменным осуществляется по
формулам:
x1 =
X1 - 0
,
20
x 2 = X 2 - 90 .
90
В результате проведения экспериментов и обсчета матрицы планирования получены математические модели предела
прочности при изгибе, модулей деформации и упругости в зависимости от температуры и возраста испытаний.
R изг = 1,453 – 0,587 x1+ 0,23 x2 – 0,386 x12 – 0,066 x22.
Анализ математической модели предела прочности при изгибе позволяет установить влияние каждого фактора. Большее
240
значение имеет температура испытания. Коэффициенты при линейных и квадратичных x1 больше, чем при x2.
При изменении температуры в интервале 0- –20 °С увеличение предела прочности при изгибе незначительное; при повышении температуры от 0 до +20 °С снижение предела прочности существенное (рис. 7.4.1).
Цифры на кривых – возраст
испытания, сутки
Цифры на кривых – температура
испытания, °С
Рис. 7.4.1. Изменение предела прочности при изгибе в зависимости
от температуры испытания и возраста образцов дегтебетонной смеси состава: литой шлаковый щебень фракции 5-20 мм – 60%, шлаковый песок
– 40%, деготь марки Д-3 – 6,5%
Интенсивность нарастания предела прочности во времени
до 90 суток больше, а в дальнейшем происходит снижение интенсивности нарастания прочности. Это связано, по всей видимости, с затуханием процессов структурообразования в дегтебетонных смесях.
Математическая модель и ее графическая интерпретация
(рис. 7.4.2) показывают, что изменения модуля деформации при
изменении температуры и возраста испытаний носят практически линейный характер (коэффициенты при квадратичных членах очень незначительны).
Е деф = (0,836 – 0,432 x1 + 0,11 x2 + 0,015 x12 + 0,02 x22)·102.
241
Рис. 7.4.2. Изменение модуля деформации в зависимости от температуры испытания и возраста образцов дегтебетонной смеси состава: литой шлаковый щебень фракции 5-20 мм – 60%, шлаковый песок – 40%,
деготь марки Д-3 – 6,5%
Математическая модель изменения модуля упругости выглядит следующим образом:
Е упр = (1,355 – 0,695 x1 + 0,157 x2 – 0,12 x1 x2 – 0,362 x12 –
– 0,017 x22)·10 3 .
Наибольшее влияние на модуль упругости оказывает температура испытания, что видно из величин коэффициентов при
линейных и квадратичных членах математической модели.
Интенсивное снижение модуля упругости происходит в
интервале температур от –10 до +20 ºС, причем влияние возраста образцов в интервале температур +10-+20 °С незначительно.
В интервале температур –10- –20 °С приращение модуля упругости незначительно, а влияние возраста образцов более существенно (рис. 7.4.3).
При расчете дорожных одежд из пористых дегтебетонных
смесей с использованием дегтя марки Д-3 предел прочности при
изгибе необходимо принимать равным 0,8 МПа, а модуль упругости – 800 МПа.
242
Цифры на кривых – возраст испытания,
сутки
Цифры на кривых – температура
испытания, °С
Рис. 7.4.3. Изменение модуля упругости в зависимости от температуры испытания и возраста образцов дегтебетонной смеси состава: литой
шлаковый щебень фракции 5-20 мм – 60%, шлаковый песок – 40%, деготь
марки Д-3 – 6,5%
Вязкость является одной из основных характеристик, определяющей свойства смесей на стадии перемешивания, укладки и уплотнения. Вязкость уплотненного материала непосредственно влияет на накопление остаточных деформаций при положительных температурах; при отрицательных температурах
оказывает существенное влияние на процессы структурообразования. Вязкость ненарушенной структуры определяли методом
Я.Н. Ковалева [70].
Вязкость определяли при температуре 20 ºС и разном содержании дегтя в смеси. Результаты исследований приведены в
таблице 7.4.7.
Наибольшая вязкость ненарушенной структуры пористых
дегтебетонных смесей имеет место при оптимальном содержании дегтя в смеси. При недостатке дегтя в смеси пленка вяжущего вещества получается тонкой и упругой, сблизить частицы
дегтеминеральной смеси очень трудно, и межмолекулярного
взаимодействия ориентированных слоев вяжущего не происходит. При оптимальном содержании дегтя формируется устойчивая структура, возможно также образование коагуляционноконденсационной структуры, вязкость наибольшая. При избыт243
ке дегтя происходит раздвижка зерен, скольжение частиц увеличивается, и вязкость уменьшается.
Таблица 7.4.7. Изменение вязкости дегтеминеральных смесей
при температуре +20 °С
Содержание дег- Вязкость ненаСоставы смесей
тя марки Д-3 в рушенной струксмеси
туры, 1010 Па·с
6,0
2,07
6,5
2,56
Щебень шлаковый литой фракции
20-5 мм – 60%, шлаковый песок –
7,0
2,30
40%
7,5
2,10
8,0
2,06
5,0
1,08
5,5
1,10
Щебень шлаковый литой фрак6,0
1,50
ции 20-5 мм – 60%, песок Кузь6,5
1,22
мино-Отвержского карьера –
7,0
1,21
40%
7,5
1,18
8,0
0,76
При оптимальном содержании дегтя вязкость ненарушенной структуры наибольшая, и поэтому дегтеминеральные покрытия будут более сдвигоустойчивыми.
С увеличением содержания активного шлакового материала вязкость увеличивается. При воздействии воды на дегтебетонные смеси абсолютная величина вязкости ненарушенной
структуры несколько уменьшается, но характер изменения ее
остается тот же самый, как и при температуре +20 °С.
Положительные результаты, полученные при исследовании дегтебетонных смесей на основе литого шлакового щебня и
шлакового песка, позволили запатентовать составы холодных
дегтеминеральных смесей для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог [2].
Целью изобретения является повышение водо-, тепло- и
морозоустойчивости покрытия и упрощение технологии приготовления смеси. Достигается это тем, что холодная дегтеминеральная смесь для покрытия автомобильных дорог, включающая
каменноугольный деготь и минеральный заполнитель, содержит
в качестве минерального заполнителя щебень фракции 5-20 мм
244
и песок из литого шлакового щебня при следующем соотношении компонентов (в вес. %): каменноугольный деготь марки Д-3
– 5,5-6,6; щебень из литого доменного шлака фракции 5-20 мм –
23,4-56,0; песок из литого доменного шлака – остальное.
Составы и свойства холодной дегтеминеральной смеси для
устройства покрытий автомобильных дорог приведены в таблице 7.4.8.
Таблица 7.4.8. Составы и свойства холодной
дегтеминеральной смеси
Состав
смеси в вес. %
Щебень из литого доменного
шлака фракции
5-20 мм - 23,4;
песок из литого
доменного
шлака – 71; деготь марки
Д-3 – 5,6
Щебень из литого доменного
шлака фракции
5-20 мм – 39,7;
песок из литого
доменного
шлака – 54,2;
деготь марки
Д-3 – 6,1
Щебень из литого доменного
шлака фракции
5-20 мм - 56;
песок из литого
доменного
шлака – 39,4;
деготь марки
Д-3 – 6,6
Предел прочности при
сжатии, МПа,
при температуре
Средняя
плотность,
г/см 3
Водонасыщение,
%
объема
Набухание,
%
объема
20 °С
2,18
14,49
0,07
2,20
13,53
2,22
11,53
Коэффициенты
50 ºС
водоустойчивости
теплоустойчивости
морозостойкости
2,1
0,5
1,0
4,2
0,89
0,09
2,6
0,8
0,92
3,3
0,95
0,00
2,6
1,1
0,96
2,4
0,98
245
В процессе технологических операций (разогрев шлакового материала, приготовление и уплотнение дегтеминеральной
смеси) происходит оптимизация гранулометрического состава,
и количество частиц мельче 0,071 мм доходит до 13%, дегтеминеральную смесь готовят без применения минерального порошка, что упрощает технологию ее приготовления. Высокая химическая активность литого доменного шлака и его адсорбционная
способность позволяют использовать для приготовления холодной дегтеминеральной смеси дегти пониженной вязкости марки
Д-3. Слеживаемость холодных дегтебетонных смесей всех составов колеблется от 3 до 8 ударов.
7.5. Дегтебетонные смеси на основе шлаковых материалов
для строительства верхних и нижних слоев покрытия
Положительные результаты, полученные при исследовании дегтеминеральных смесей из шлакового литого щебня в основаниях дорожных одежд и нижних слоев покрытия без введения минерального порошка, позволили продолжить исследования на смесях подобранного гранулометрического состава, рекомендованного ГОСТ 25877-83, с введением минерального порошка из молотого литого шлакового щебня.
Для исследований была принята дегтебетонная смесь мелкозернистая (типа Б) полностью на основе литого шлакового
щебня, шлакового песка и молотого шлакового щебня в качестве минерального порошка:
щебень шлаковый литой фракции 15-10 мм – 20%;
щебень шлаковый литой фракции 10-5 мм – 20%;
щлаковый песок – 52%;
молотый литой шлаковый щебень – 8%;
Асфальтобетонные смеси из шлаковых материалов уплотняются после укладки и уплотнения катками под колесами автомобильного транспорта в течение 3-5 лет в зависимости от
интенсивности движения [54]. Поэтому при подборе оптимального содержания дегтя в такого типа смесях варьировала степень уплотнения дегтебетона.
Для сокращения числа экспериментов был применен двухфакторный трехуровневый план второго порядка.
246
Матрица и условия планирования эксперимента приведены
в таблицах 2.2.1 и 7.5.1.
Таблица 7.5.1. Условия планирования эксперимента
Факторы
Физическое значение
переменных
Х2 – содержание
дегтя в
смеси, %
11
7
9
2
Х1 – уплотняющая нагрузка, МПа
Условия
Верхний уровень Х iв
Нижний уровень
Х iн
Основной уровень Х i0
Шаг варьирования
l
i
50
10
30
20
Кодированное
значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
Переход от физических значений к кодированным осуществляли по формулам:
x
1
=
X 1 - 30
, (1)
20
x
2
=
X2 -9
.
2
(2)
После реализации опытов и обсчета матрицы планирования составлена математическая модель предела прочности при
сжатии при температуре 20 ºС.
R 20 = 1,53 + 0,548 x1 – 0,076 x12 – 0,196 x22.
(3)
Анализ математической модели 3 показал малую зависимость
предела прочности при 20 °С от содержания дегтя (коэффициент
при x2 равен 0), большее влияние оказывает уплотняющая нагрузка.
Отрицательные значения при квадратичных переменных указывают на наличие максимума предела прочности при сжатии.
Для установления экстремума необходимо взять первые
производные dR 20 /dx 1 , dR 20 /dx 2 и приравнять их к нулю:
dR 20 /dx 1 = о,548 – 0,152 x 1 = 0,
отсюда x 1 = 0,548/0,152 =3,61, а это уже выходит за область кодирования (от – 1 до + 1). Следовательно, максимума предела
прочности в заданном интервале уплотнения (10-50 МПа) не наблюдается.
dR 20 /dx 2 = 0,392 x2 = 0, отсюда x2 = 0.
247
Физическое значение определено из формулы 2 Х 2 = 9% при
любой уплотняющей нагрузке. Таким образом, оптимальное содержание дегтя в дегтеминеральной смеси равно 9%.
По математической модели 3 построены графики.
Из графиков (рис. 7.5.1) видна малая зависимость предела
прочности при изменении содержания дегтя от 7 до 11%. Это
объясняется пористой структурой литого шлакового материала:
избыточный деготь диффундирует в поры без изменения группового состава. Изменение предела прочности в зависимости от
степени уплотнения носит почти прямолинейный характер.
Цифры на кривых – степень уплотнения,
МПа
Цифры на кривых – содержание дегтя, %
Рис. 7.5.1. Изменение предела прочности при сжатии при температуре
+ 20 ºС в зависимости от степени уплотнения и содержания дегтя марки Д-3
в дегтеминеральной смеси на литом шлаковом щебне
Математическая модель предела прочности при сжатии
после водонасыщения при температуре 20 ºС выглядит следующим образом (4):
20
R вод
= 1,485 + 0,319 x1 – 0,173 x2 – 0,176 x1 x2 – 0,14 x12 – 0,474 x22 (4)
Анализ математической модели 4 и построенного по ней
графика (рис. 7.5.2) показал, что большее влияние на предел
прочности оказывает уплотняющая нагрузка. Отрицательные
значения при квадратичных переменных указывают на наличие
максимума предела прочности при сжатии.
248
Оптимальное содержание дегтя по пределу прочности при
сжатии после водонасыщения находится в пределах 8-9%.
Цифры на кривых –
степень уплотнения, МПа
Цифры на кривых –
содержание дегтя, %
Рис. 7.5.2. Изменение предела прочности при сжатии после водонасыщения при температуре + 20 ºС в зависимости от степени уплотнения и
содержания дегтя марки Д-3 в дегтеминеральной смеси на литом шлаковом щебне
Математическая модель предела прочности при сжатии
при температуре 50 ºС выглядит следующим образом (5):
R50= 0,624 + 0,202 x1 – 0,047 x12 – 0,076 x22.
(5)
Анализ математической модели 5 и построенного по ней
графика (рис. 7.5.3) показал, что большее влияние на предел
прочности оказывает уплотняющая нагрузка. Оптимальное содержание дегтя при температуре 50 ºС равно 9%.
По показателям пределов прочности при сжатии при температурах 20 и 50 °С исследуемая смесь удовлетворяет II марке дегтебетона по ГОСТ 25877-83 и пригодна для устройства покрытий автомобильных дорог.
Математические модели водонасыщения (6), набухания
(7), коэффициентов водоустойчивости (8) и длительной водоустойчивости (9) приведены ниже:
B = 13.22 – 2 x1 – 2.33 x2 + 0,47 x12 + 1,47 x22
(6)
Н = 0.38 + 0,15 x1+ 0,04 x2 + 0,02 x12 – 0,01 x22
(7)
К В = 0.93 – 0,04 x1+ 0,04 x2 – 0,02 x1 x2 – 0,01 x12
(8)
249
(9)
К ВДЛ =0.81 – 0,1 x1+ 0,02 x2+ 0,01 x12.
По этим моделям построены графики, из которых видно
влияние степени уплотнения и содержания дегтя на эти показатели (рис. 7.5.4-7.5.7).
Цифры на кривых –
степень уплотнения, МПа
Цифры на кривых –
содержание дегтя, %
Рис. 7.5.3. Изменение предела прочности при сжатии при температуре + 50 ºС в зависимости от степени уплотнения и содержания дегтя
марки Д-3 в дегтеминеральной смеси на литом шлаковом щебне
Из рис. 7.5.4 видно, что наиболее интенсивно уменьшение водонасыщения происходит при увеличении содержания дегтя в смеси с 7 до 9%, при дальнейшем увеличении содержания дегтя водонасыщение уменьшается незначительно. Это можно объяснить тем,
что при достижении оптимального содержания дегтя в смеси (9%)
избыток его диффундирует в поры шлакового материала.
Набухание дегтебетонной смеси (рис. 7.5.5) возрастает с
увеличением содержания дегтя в смеси и степени уплотнения.
Причем степень уплотнения оказывает большее влияние, чем
содержание дегтя в смеси. По всей видимости, при увеличении
степени уплотнения происходит дробление зерен шлакового ма-
250
териала, обнажаются его открытые поверхности, и он подвергается гидратации.
Цифры на кривых – степень уплотнения,
МПа
Цифры на кривых – содержание дегтя в
смеси, %
Рис. 7.5.4. Изменение водонасыщения в зависимости от степени
уплотнения и содержания дегтя марки Д-3 в дегтеминеральной смеси на
литом шлаковом щебне
Цифры на кривых – степень уплотнения,
МПа
Цифры на кривых – содержание дегтя в
смеси, %
Рис. 7.5.5. Изменение набухания в зависимости от степени уплотнения и содержания дегтя марки Д-3 в дегтеминеральной смеси на литом
шлаковом щебне
251
Цифры на кривых – степень уплотнения,
МПа
Цифры на кривых – содержание дегтя в
смеси, %
Рис. 7.5.6. Изменение коэффициента водостойкости в зависимости
от степени уплотнения и содержания дегтя марки Д-3 в дегтеминеральной смеси на литом шлаковом щебне
Цифры на кривых – степень уплотнения,
МПа
Цифры на кривых – содержание дегтя
в смеси, %
Рис. 7.5.7. Изменение коэффициента длительной водостойкости в
зависимости от степени уплотнения и содержания дегтя марки Д-3 в дегтеминеральной смеси на литом шлаковом щебне
Коэффициенты водостойкости (рис. 7.5.6) и длительной
водостойкости (рис. 7.5.7) изменяются однообразно. С увеличе252
нием содержания дегтя в смеси коэффициенты повышаются, а с
повышением степени уплотнения – уменьшаются.
По набухаемости, коэффициентам водоустойчивости и
длительной водоустойчивости дегтебетонная смесь удовлетворяет требованиям нормативных документов для устройства покрытий автомобильных дорог IV-V технических категорий.
Таким образом, смесь (на литом шлаковом щебне фр.15-10
мм – 20%, фр. 5-10 мм – 20%, фр. 0-5 мм – 52%, молотом литом
шлаке – 8%) при оптимальном содержании дегтя 8-9% удовлетворяет требованиям нормативных документов II марки горячих
дегтебетонных смесей для устройства покрытий автомобильных
дорог по всем показателям (ГОСТ 25877-83), за исключением
водонасыщения. Эти смеси целесообразно укладывать в покрытие сразу после приготовления, несмотря на низкую температуру приготовления и марку вяжущего, по которым их относят к
холодным дегтебетонным смесям. Повышенное водонасыщение
является специфическим свойством шлаковых смесей, и оно не
является недостатком.
253
ГЛАВА 8. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОКРЫТИЙ ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Положительные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют в некоторой степени судить о
повышенной долговечности покрытий автомобильных дорог из
шлаковых материалов. Гарантировать же долговечность покрытий на основе физико-химических исследований материалов в
лабораторных условиях со 100%-ной уверенностью затруднительно, так как в настоящее время отсутствует достаточное теоретическое обоснование связи работоспособности покрытий автомобильных дорог с процессами структурообразования асфальтобетона из шлаковых материалов в условиях окружающей
среды. В настоящей главе на основании результатов наблюдений за опытными участками асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов, построенных в Липецкой области на разного типа основаниях (жесткое, полужесткое и нежесткое), разработана технология приготовления, укладки и уплотнения, а также приведены результаты обследования опытных участков.
8.1. Технология приготовления, укладки
и уплотнения асфальтобетонных смесей
из шлаковых материалов
Технология приготовления асфальтобетонных смесей из
гидравлически активных минеральных материалов аналогична
технологии приготовления смесей на основе традиционных
природных минеральных компонентов, но имеет ряд особенностей.
Шлаковые материалы обладают гидравлической активностью. Под действием атмосферных факторов (в виде дождя и
снега) они подвержены гидролизу и гидратации, что приводит к
их омоноличиванию. Поэтому хранить шлаковые материалы на
асфальтобетонных заводах рекомендуется не более 6 месяцев.
Как было показано в главах 2-5, высокая химическая активность шлаков, возникновение свободных радикалов, максимальная концентрация которых наблюдается при температуре
110-130 °С, обусловливают необходимость снижения темпера254
туры разогрева шлаковых материалов к моменту перемешивания с битумом до 110-130 °С во избежание повышенного старения последнего. Уменьшение температуры разогрева минеральной части асфальтобетонных смесей позволит существенно снизить энергозатраты на их приготовление.
В минеральном материале (шлаках) допускается присутствие остаточной влажности до 2-3%, что не только не ухудшает
свойства смесей, но и является положительным фактором. В порах шлака возникают микропропарочные камеры, процессы
гидролиза и гидратации шлаковых материалов ускоряются, возникают кристаллогидраты, которые армируют поры, превращая
их из дефекта структуры в конструктивный элемент.
Оптимизация гранулометрического состава шлаковых
материалов в процессе технологических операций (разогрев и
перемешивание шлака при приготовлении асфальтобетонной
смеси, при уплотнении асфальтобетона) позволяет изготовлять
их однокомпонентными, без применения минерального порошка. Это существенно упрощает складское хозяйство асфальтобетонных заводов. Вместо трех складов хранения минеральных
материалов требуется один открытого типа, не требуется устройство крытого склада или силосных складов для хранения
минерального порошка. Это позволяет снизить стоимость
строительства асфальтобетонного завода и смежные затраты по
эксплуатации машин на 5-15%, уменьшить численность персонала АБЗ на 1-2 человека.
Малый коэффициент теплопроводности шлаковых асфальтобетонов [98] позволяет транспортировать смеси на большие расстояния по сравнению с асфальтобетонными смесями на
природных каменных материалах. Это существенно расширит
зону действия асфальтобетонных заводов.
Укладка и уплотнение асфальтобетона из шлаковых материалов тоже имеет свои особенности. Асфальтобетоны из
шлаковых материалов отличаются хорошей удобоукладываемостью и сохраняют ее даже охлажденными до 50-70 °С. Укладывают асфальтобетонные смеси серийно выпускаемыми асфальтоукладчиками при температуре не ниже 70 °С. Коэффициент
уплотнения асфальтобетонных смесей составляет 1,6-1,7.
255
При уплотнении асфальтобетонных смесей из шлаковых
материалов следует строго соблюдать температурный режим
начала и окончания уплотнения. Асфальтобетонные смеси с
температурой выше 60 °С подвижны и при уплотнении даже
легким катком выдавливаются из-под его вальцов. Смеси, охлажденные ниже 40 °С, требуют затрат работы катков в 2 раза
больше, чем смеси, имеющие температуру в момент уплотнения
40-60 °С.
Выбор способа уплотнения является важным фактором в
процессах формирования структуры асфальтобетона. В лабораторных исследованиях установлено, что виброуплотнение асфальтобетона положительно сказывается на структурно-механических свойствах асфальтобетона: повышается прочность при
сжатии, уменьшается водонасыщение, повышается морозостойкость [53].
При уплотнении катками статического действия шлаковые асфальтобетонные смеси уплотняют легкими, средними и
тяжелыми катками. Общее количество проходов по одному следу должно составлять 25-30.
При уплотнении катками вибрационного действия сначала уплотняют легкими катками с выключенной вибросистемой
по 4-7 проходов по одному следу. При охлаждении асфальтобетона до температуры 50 °С включаются в действие средний и
тяжелый катки с выключенной вибросистемой по 5-8 проходов
по одному следу, а затем легкий, средний и тяжелый катки с
включенной вибросистемой по 4-5 проходов по одному следу.
По окончании уплотнения плотность асфальтобетонного
покрытия соответствует плотности образца, уплотненного в лабораторных условиях давлением 12-15 МПа. Доуплотнение покрытий будет происходить в процессе эксплуатации и будет зависеть от интенсивности движения, грузоподъемности машин и
срока эксплуатации.
8.2. Кинетика изменения структурно-механических
свойств асфальтобетонных материалов в процессе
эксплуатации покрытий
Опытные участки асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов (гранулированного до256
менного шлака, шлакового и шлакопемзовых песков, конвертерных шлаков) устраивали на дорогах III-V технических категорий в Липецкой области.
В 1968 году при непосредственном участии автора был
заложен в г. Липецк опытный участок покрытия автомобильной
дороги в районе комбината «Свободный Сокол» из асфальтобетонной смеси состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки
БНД 60/90 – 9%.
В практике дорожного строительства как в нашей стране,
так и за рубежом для приготовления асфальтобетонных смесей
шлакопемзовый песок не применяли. В 1970 году по рекомендациям Отраслевой научной дорожно-исследовательской лаборатории Воронежского инженерно-строительного института
(ВГАСУ) при непосредственном участии автора был заложен
первый опытный участок покрытия автомобильной дороги из
асфальтобетонной смеси состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки
БНД 90/130 – 9%. Опытный участок устраивали силами и средствами липецкого завода железобетонных изделий треста «Железобетон» на автомобильной дороге у листопрокатного цеха
«Стан-2000». В том же году из асфальтобетонной смеси того же
состава был заложен второй опытный участок на основании из
тощего и обычного цементобетона от улицы Зои Космодемьянской до виадука «Западный».
Первый опытный участок покрытия из асфальтобетонной
смеси состава: шлаковый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9% – построен в 1972 году силами и средствами дорожно-строительного управления № 1 «Липецкавтодора» на автомобильной дороге «Липецк-Данков» при обходе с. Куймань.
Опытный участок покрытия из асфальтобетонной смеси
из конвертерных шлаков состава: конвертерный шлак фракции
0-15 мм – 50%, песок Кузьмино-Отвержского карьера – 42%,
минеральный порошок – 8%, битум марки БНД 60/90 – 5% – построен на территории автотранспортного предприятия г. Задонска Липецкой области в 1978 г. Степень распада шлака 2,1%.
257
Опытный участок покрытия из холодной асфальтобетонной смеси состава: литой шлаковый щебень 100%, битум марки
МГ 130/200 – 6% – построен на автомобильной дороге «Боринское - Маховище в 1973 г.
За построенными опытными участками покрытий автомобильных дорог проводили наблюдения в течение 4-15
лет. По результатам лабораторных и производственных исследований с участием автора были разработаны «Технические условия. Смеси битумошлакопемзовые, горячие, дорожные. ТУ № 67–13–02–74» [109], «Технические условия. Смеси
асфальтобетонные дорожные с применением гранулированных доменных шлаков. ТУ № 478–3–77» [108].
Конструкции дорожных одежд автомобильных дорог, на
которых устраивали асфальтобетонные покрытия из шлаковых
материалов, приведены на рис. 8.2.1. Интенсивность движения и
его характер на опытных участках покрытий приведены в таблице 8.2.1.
Таблица 8.2.1. Характеристика интенсивности движения
на опытных участках
Номер
Интенсивность
опытного
движения,
участка
авт./сут.
1
до 300
2
до 12000
3
до 1000
4
до 2000
5
свыше 3000
6
7
8
9
10
до 1000
до 1000
50-100
50-100
до 400
Характер автомобильного движения
70% в составе движения – легковые автомобили и автобусы
80% в составе движения – большегрузные
автомобили
движение только большегрузных автомобилей
до 70% в составе автомобилей – большегрузные и троллейбусы
автобусное, легковое, троллейбусное движение и движение большегрузных автомобилей
распределение движения не фиксировали
распределение движения не фиксировали
автомобили средней грузоподъемности
автомобили средней грузоподъемности
автомобили средней грузоподъемности
258
Участок № 1
Липецк – кольцо на заводе “Свободный Сокол”
4 см – асфальтобетонная смесь на основе
гранулированного доменного шлака
5 см – крупнозернистый асфальтобетон
30 см – отвальный доменный шлак
– супесь легкая
Участок № 2
Липецк – автомобильная дорога
«Ул. Зои Космодемьянской – виадук «Западный»
3,5 см – асфальтобетонная смесь на основе
шлакопемзового песка
4,5 см – крупнозернистый асфальтобетон
(асфальтобетонная смесь на основе
шлакопемзового песка)
20 см – цементобетон (тощий цементобетон)
12 см – среднезернистый песок
– супесь полеватая
Участок № 3
Липецк – автомобильная дорога
у “Стана-2000”
4,5 см – асфальтобетонная смесь на основе
шлакопемзового песка
5 см – cреднезернистый асфальтобетон
20 см – цементобетон
10 см – среднезернистый песок
– cуглинок легкий
Участок № 4
Гг. Липецк – подходы к новому мосту
через р. Воронеж
6 – асфальтобетонная смесь
на шлакопемзовом песке
20 см – цементобетон
10 см – песок среднезернистый
– cуглинок
259
Участок № 5
Автомобильная дорога
“Липецк- Воронеж”
7,5 см – асфальтобетонная смесь
на шлакопемзовом песке
35 см – отвальный доменный шлак
10 см – песок среднезернистый
– c углинок
Участок № 6
Автомобильная дорога
«Липецк-Данков»
6 см – асфальтобетонная смесь
на основе шлакового песка
5 см – крупнозернистый асфальтобетон
35 см – отвальный доменный шлак
– суглинок
Участок № 7
Автомобильная дорога
«Елец-Долгоруково»
6 см – асфальтобетонная смесь на основе
гранулированного шлака
30 см – щебень Аргамачского карьера ,
укрепленный гранулированым шлаком
– суглинок
Участок № 8
г. Лебедянь – подъездная дорога к
совхозу «Покрово-Казацкий»
5 см – асфальтобетонная смесь на основе
гранулированного шлака
20 см – щебень известняковый Рождественского
карьера
– суглинок
260
Участок № 9
Автомобильная дорога - “Боринское - Маховище”
г. Задонск. Территория АТП
5 см - асфальтобетонная смесь на
конвертерном шлаке
20 см - щебень известняковый
10 см - песок среднезернистый
cуглинок
Автомобильная дорога - “Боринское - Маховище”
Участок № 10
Автомобильная дорога “Боринское
- Маховище”
5 см - холодная асфальтобетонная
смесь на литом щебне
25 см - щебень известняковый
10 см - песок среднезернистый
cуглинок
Рис. 8.2.1. Конструкции дорожных одежд на опытных участках дорог
Обследование опытных участков покрытий автомобильных дорог включало в себя:
- отбор проб вырубок для исследования структурообразования асфальтобетона из шлаковых материалов в результате
эксплуатации и для изучения строения порового пространства;
- исследование кинетики формирования покрытий в результате эксплуатации;
- влияния вида основания на процессы трещинообразования;
- определение модуля упругости и коэффициента сцепления колеса автомобиля с покрытием.
Наблюдения за опытными участками покрытий автомобильных дорог показали, что все они находятся в хорошем состоянии. В таблице 8.2.2 приведены результаты испытаний вырубок из покрытий автомобильных дорог через разное время
эксплуатации. Анализ результатов позволяет установить некоторые общие закономерности изменения структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов при
эксплуатации покрытий автомобильных дорог. Определяющее
значение на формирование покрытий оказывает интенсивность
и состав движения. Опыт устройства асфальтобетонных покры261
тий автомобильных дорог из шлаковых материалов свидетельствует о том, что формирование их продолжается длительное
время с момента строительства.
Через две недели после укладки асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов в покрытия автомобильных дорог
и открытия на них движения средняя плотность асфальтобетона
соответствует средней плотности образца, уплотненного в лабораторных условиях на гидравлическом прессе давлением 10-12 МПа.
Под воздействием колес автомобильного транспорта происходит доуплотнение асфальтобетонных покрытий из шлаковых
материалов (рис. 8 6.2.2).
Рис. 8.2.2. Липецк. Автомобильная дорога «Улица Зои Космодемьянской
– виадук Западный». Асфальтобетонное
покрытие на основе шлакопемзового песка
При интенсивности движения свыше 10 000 авт./сут с составом движения тяжелых автомобилей формирование покрытия заканчивается практически через 1-1,5 года с момента его
устройства (табл. 8.2.2, участок № 2). Средняя плотность асфальтобетона после окончания процесса формирования покрытия соответствует уплотняющей нагрузке в лабораторных условиях на гидравлическом прессе 27,5-30 МПа.
262
263
264
265
266
267
Покрытие из асфальтобетонной смеси того же состава, но
с интенсивностью движения 1000 авт./сут. заканчивает формирование на 2-3-й год эксплуатации (табл. 8.2.2, участок № 3).
На опытных участках покрытия из асфальтобетонных
смесей состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%
(табл. 8.2.2, участки №№ 4 и 5) формирование покрытий заканчивается на 2-4-й год эксплуатации (рис. 8.2.8). Следовательно,
можно сделать вывод, что формирование покрытий автомобильных дорог из асфальтобетона на шлаковых материалах с
более вязким битумом заканчивается быстрее, чем на битумах
пониженной вязкости (участок № 3, табл. 8.2.2 даже при меньшей интенсивности движения, чем на участках №№ 4 и 5).
Покрытия автомобильных дорог из асфальтобетонных
смесей на основе гранулированных доменных шлаков (табл.
8.2.2, участки 1, 6, 8) формируются от 2 до 5 лет, в зависимости
от интенсивности движения. На участке №№ 9, 10 формирование покрытия еще продолжается.
На основании результатов обследования покрытий автомобильных дорог установлено, что максимальная уплотняющая
нагрузка в процессе доуплотнения асфальтобетонных покрытий
из шлаковых материалов не превышает 30 МПа. Интересен тот
факт, что при достижении определенной плотности, соответствующей уплотняющей нагрузке примерно 30 МПа, дальнейшего
увеличения средней плотности не происходит, независимо от
интенсивности и состава движения. В то же время у вырубок из
покрытия значительно уменьшается водонасыщение. По нашему мнению (см. главы 2-3), в результате воздействия знакопеременных температур, а также воздействия воды в летний период
времени происходит гидратация шлаковых материалов и в связи
с этим перераспределение открытой и замкнутой пористости.
Вызывает интерес также тот факт, что при достижении максимально возможной средней плотности (около 30 МПа) прочность переформованных образцов в процессе эксплуатации меняется незначительно. Это свидетельствует об отсутствии процессов старения битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов в процессе эксплуатации и об окончании диффузии битума и его компонентов в поры шлаковых материалов.
268
Старение битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов в процессе эксплуатации исследовали методом инфракрасной спектроскопии. На рис. 8.2.3 приводятся инфракрасные
спектры поглощения асфальтобетона из шлаковых материалов
после разного срока эксплуатации покрытий.
Рис. 8.2.3. Инфракрасные спектры поглощения асфальтобетона
из шлаковых материалов после различного срока эксплуатации:
1 – после 3 месяцев эксплуатации с момента укладки;
2 – после 1,5 лет эксплуатации; 3 – после 3 лет эксплуатации
Как видно из приведенных инфракрасных спектров,
при частоте колебаний 1601 см-1 наблюдается широкая полоса
поглощения, характеризующая наличие ароматических соединений – мальтеновой части битума. В процессе эксплуатации
покрытия интенсивность полосы поглощения практически не
меняется.
Процессы структурообразования в асфальтобетоне из
шлаковых материалов продолжаются, о чем свидетельствуют
полосы поглощения в области частот 3750-3000 см - 1 и
700-1100 см-1.
Итак, исследования при помощи инфракрасной спектроскопии свидетельствуют об отсутствии старения битума в
269
асфальтобетоне из шлаковых материалов в процессе их
эксплуатации под воздействием автомобильного транспорта и
окружающей среды.
Воздействие автомобильного транспорта в условиях повышенных эксплуатационных температур [23] приводит к самоуплотнению битума – вызывает его синерезис, на поверхности
асфальтобетонных покрытий из традиционно применяемых
природных каменных материалов выступают масла, которые
разносятся колесами автомобилей, и вследствие этого происходит ускоренное старение битума.
На асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов такое явление не наблюдается, что связано с характером пористой структуры асфальтобетона и особенностями строения
битумной пленки.
Микроскопические исследования образцов, взятых из асфальтобетонного покрытия после 3 лет эксплуатации, на растровом (сканирующем) электронном микроскопе (рис. 8.2.4, а)
показали, что строение битумной пленки на поверхности шлаковых материалов аналогично строению образцов, изготовленных и испытанных в лабораторных условиях. Происходит интенсивная модификация поверхности шлаковых зерен с образованием кристаллогидратов (рис. 8.2.4, б).
Уменьшение водонасыщения вырубок из асфальтобетонных покрытий на шлаковых материалах после доуплотнения
объясняется перераспределением пористости на открытую и закрытую, внутризерновую и межзерновую. Исследования методом ртутной порометрии асфальтобетона из покрытий показывают (рис. 8.2.5), что объем пор крупного размера после
3-летнего периода эксплуатации снижается, а объем пор меньшего размера – увеличивается. Это явление связано как с доуплотнением асфальтобетона из шлаковых материалов, так и с
процессами гидролиза и гидратации минерального материала в
условиях повышенных летних температур и воздействия влаги.
Ускоренному образованию структур коагуляционно-конденсационного типа, упрочненных узлами кристаллизационных сростков, способствуют также и динамические нагрузки.
270
а
б
3 мкм
3 мкм
Рис. 8.2.4. Строение битумной пленки (а) и модификация поверхности шлакового материала (б) после 3-летней эксплуатации покрытия
Рис. 8.2.5. Дифференциальные
кривые распределения объема пор
в асфальтобетоне из шлаковых
материалов по размерам в процессе эксплуатации покрытия:
1 – после 3 месяцев эксплуатации; 2 – после 3 лет эксплуатации
При обследовании опытных участков установлено, что
наименьшее количество трещин или их отсутствие наблюдается
на асфальтобетонных покрытиях, уложенных на основания: из
малопрочных известняков, укрепленных гранулированным доменным шлаком; тощего цементобетона и отвального доменно271
го шлака. Трещины на покрытиях расположены на расстоянии
от 20 до 80 м одна от другой или совсем отсутствуют.
Иная ситуация наблюдается на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов, уложенных на основания из неукрепленного щебня и цементобетона. Трещины возникают на 1-2й год эксплуатации, и расстояния между ними равно 18-40 м.
Интерес, безусловно, представляет также кинетика развития трещин по годам. В таблице 8.2.3 приводятся данные о развитии трещинообразования асфальтобетонных покрытий состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%, уложенных
на основания из отвального доменного шлака и цементобетона.
Интенсивность трещинообразования покрытий на цементобетонном основании значительно выше, чем на основаниях из отвального доменного шлака.
Таблица 8.2.3. Характер трещинообразования
асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов
Наименование асфальтобетона
и вида основания
Шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 90/130 – 9%. Цементобетонное
основание
Шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 90/130 – 9%. Основание из отвального доменного шлака
Количество лет
эксплуатации
1
2
3
4
Расстояние между
трещинами, м
-
20
18
15
-
-
-
45
Приведенные результаты обследования (табл. 8.2.3) позволяют установить, что трещиностойкость асфальтобетонных
покрытий из шлаковых материалов значительно выше, чем у
покрытий, устроенных из традиционно применяемых асфальтобетонных материалов.
Наилучшим типом оснований дорожных одежд с покрытиями из шлаковых материалов следует считать основания из
щебеночных материалов, укрепленных гранулированным до272
менным шлаком, тощего цементобетона и отвального доменного шлака. Таким образом, уже на стадии конструирования и
проектирования дорожных одежд можно управлять долговечностью покрытий, применяя тот или иной тип основания.
Важным критерием транспортно-эксплуатационных качеств дорожных покрытий является коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием. При обследовании опытных участков параллельно проводили определение коэффициента сцепления. Результаты исследований приведены в таблице 8.2.4.
Анализ результатов позволяет установить:
- чем выше интенсивность движения, тем выше коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием;
- увеличение коэффициента сцепления прекращается с
окончанием процесса формирования покрытия;
- с понижением марочной вязкости битума коэффициент
сцепления колеса автомобиля с покрытием уменьшается.
В мае 1974 года на опытных участках провели определение модулей упругости при температуре окружающего воздуха
от 15 °С до 20 °С.
Модули упругости асфальтобетонных покрытий из шлакопемзовых песков находились в пределах 1240-1560 МПа
(большее значение относится к участкам с высокой интенсивностью движения).
Модуль упругости асфальтобетонных покрытий из шлаковых песков (участок № 7) составил 1370 МПа.
Модули упругости асфальтобетонных покрытий из гранулированных доменных шлаков находились в пределах 11201750 МПа (большее значение относится к участкам с высокой
интенсивностью движения).
Таким образом, в результате обследования асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов установлено их хорошее технико-эксплуатационное состояние, высокая трещиностойкость и хорошее сцепление колес автомобиля с покрытием,
обеспечивающим безопасность движения. Выявлены оптимальные виды оснований дорожных одежд при устройстве асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов, и установлены
расчетные модули упругости асфальтобетона.
273
274
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проблеме использования побочных продуктов металлургических заводов в дорожном строительстве, уменьшению их
негативного влияния на окружающую среду уделяется внимание
во всех развитых странах мира.
Удешевление строительства автомобильных дорог возможно за счет использования местных материалов, отходов и
побочных продуктов промышленности. Однако вместе с этим
необходимо иметь в виду, чтобы покрытия автомобильных дорог обладали достаточной долговечностью (надежностью).
Только в таком аспекте применение местных материалов и отходов промышленности даст высокий экономический эффект,
особенно в период интенсивного строительства автомобильных
дорог.
Гранулированные доменные шлаки, шлакопемзовые и
шлаковые пески обладают рядом специфических свойств, позволяющих целенаправленно создавать оптимальные структуры
асфальто- и дегтебетона.
Преимуществом асфальто- и дегтебетонных покрытий из
шлаковых материалов является их повышенная долговечность,
меньшая строительная стоимость. Наряду с этим расширяется
номенклатура дорожно-строительных материалов и снижается
загрязнение окружающей среды за счет использования побочных продуктов черной металлургии.
Разработанный метод комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов с основами моделирования
позволит более достоверно разрабатывать долговечные составы
асфальтобетонных смесей.
Автор монографии готов к сотрудничеству со всеми заинтересованными лицами по данной проблеме и будет благодарен
за все замечания и предложения.
275
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. 608820. СССР МПК 5 С 08L 95/00. Асфальтобетонная смесь
/ Г.А. Расстегаева, С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев, Б.Ф. Соколов, А.А. Кокарев (СССР). – № 2428418; заявлено 13.12.1976; опубл. 30.05.1978, Бюл.
№ 20. – 3 с.
2. А. с. 618391. СССР МПК 5 С 08L 95/00. Холодная дегтеминеральная смесь / С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев, Г.А. Расстегаева, А.А. Кокарев (СССР). – № 2451489; заявлено 09.02.1977; опубл. 05.08.1978, Бюл.
№ 29. – 3 с.
3. А. с. 628155. СССР МПК 5 С 08L 95/00. Смесь для приготовления
литого асфальтобетона / С.И. Самодуров, В.Г. Еремин, Н.С. Ковалев,
В.А. Ломец, Б.Ф. Соколов, Г.А. Расстегаева, С.М. Маслов (СССР). –
№ 2458443; заявлено 01.03.1977; опубл. 15.10.1978, Бюл. № 38. – 3 с.
4. А. с. 665254. СССР МПК 5 G01N17/00. Способ подготовки
строительных материалов к испытаниям на прочность / Б.Ф. Соколов,
С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев (СССР). – № 2564809; заявлено 04.01.1978;
опубл. 30.05.1979, Бюл. № 20. – 3 с.
5. А. с. 707945. СССР МПК 5 С 08L 95/00. Холодная асфальтобетонная смесь / Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев, С.И. Самодуров,
С.М. Маслов (СССР). – № 2520748; заявлено 13.09.1977; опубл.
05.01.1980, Бюл. № 1. – 3 с.
6. Адгезия (клеи, цементы, припои) / Под ред. Н. Дебройна; пер. с
англ. – М.: Изд-во ин. литературы, 1954.
7. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. – М.: Наука,
1976.
8. Александров С.Е. Об устойчивости шлаковых структур /
С.Е. Александров, Л.Н. Титова, А.И. Привалова. Рациональное использование шлаков продуктов шлакопереработки в строительстве. –
Воронеж: ЦЧО, 1982. – С. 27-29.
9. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол / Г.М. Бартенев. – М., 1966.
10. Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул /
Пер. с англ. – М.: Мир, 1971.
11. Беркман А.С. Структура и морозостойкость стеновых материалов / А.С. Беркман, И.Г. Мельникова. – Л.-М., 1962.
12. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров / А.А. Берлин,
Б.Е. Басин. – М.: Химия, 1969.
13. Богуславский А.М. Основы реологии асфальтобетона / А.М. Богуславский, Л.А. Богуславский. – М.: Высшая школа, 1972. – С. 41-64.
14. Бондарев Б.А. Асфальтобетоны на шлаковых заполнителях: монография /Б.А. Бондарев и др. – Липецк: ЛГТУ, 2005. – 183 с.
276
15. Бондаренко Н.Ф. Соотношение между сдвиговой прочностью
жидкостей в объеме и граничных слоях / Н.Ф. Бондаренко, С.В. Нерпин //
Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах. – М.:
Наука, 1972. – С. 281-289.
16. Борщ И.М. Минеральные порошки для асфальтовых материалов
/ И.М. Борщ, Л.С. Терлецкая // Труды ХАДИ. – 1961. – Вып. 26.
17. Водородная связь // Сб. под ред. Н.Д. Соколова. – М.: Наука,
1964.
18. Волженский А.В. Бетоны и изделия из шлаковых и зольных материалов / А.В. Волженский, Ю.С. Буров, Б.Н. Виноградов, К.В. Гладких.
– М.: Стройиздат, 1969.
19. Волков М.И. Доменные шлаки в дорожном строительстве /
М.И. Волков, И.В. Королев, И.Т. Зинов. – Донецк: кн. изд-во, 1962.
20. Волков М.И. Некоторые вопросы теории асфальтобетона /
М.И. Волков // Труды МАДИ. – 1958. – Вып. 23. – С. 31-36.
21. Волков М.И. Структурообразование и взаимосвязь структур в
асфальтобетоне / М.И. Волков, И.В. Королев // Материалы работ симпозиума по структуре и структурообразованию в асфальтобетоне. – М.: СоюздорНИИ, 1968. – С. 38-47.
22. Воюцкий С.С. Аутогезия и адгезия полимеров / С.С. Воюцкий. –
М.: Ростехиздат, 1960.
23. ВСН 123-77 Инструкция по устройству покрытий и оснований
из щебеночных, гравийных и песчаных материалов, обработанных органическими вяжущими. – М., Минтрансстрой СССР, 1978.
24. Гегелия И.Д. Улучшение свойств асфальтобетона кремнийорганическими соединениями / И.Д. Гегелия, Л.Б. Гезенцвей // Труды СоюздорНИИ. – 1972. – Вып. 56. – С. 89-94.
25. Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов / Л.Б. Гезенцвей. – М.: Стройиздат, 1971.
26. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих
для дорожного и аэродромного строительства.
27. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические
параметры климатических факторов для технических изделий.
28. ГОСТ 25877-83 Смеси дегтебетонные и дегтебетон. Технические условия: стандарт. Введ. 1984-01-01. М.: Издательство стандартов,
1983. – 13 с.
29. ГОСТ 4641-80 Дегти каменноугольные для дорожного строительства. Технические условия: стандарт. Введ. 1980-01-01. М.: Издательство стандартов, 1980. – 6 с.
30. ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия: стандарт. Введ. 201101-01. М.: Стандартинформ, 2010. – 20 с.
277
31. Гребенщиков И.В. Просветление оптики / И.В. Гребенщиков,
А.Г. Власов, Н.В. Суйковская. – М.: ГТТИ, 1946.
32. Дагаев Б.И. Битумоминеральные смеси на основе доменных
шлаков с регулируемыми свойствами / Б.И. Дагаев // Автомобильные дороги. – 1973. – № 4. – С. 14.
33. Дерягин Б.В. Адгезия / Б.В. Дерягин, Н.А. Кротова. – Изд-во АН
СССР, 1949.
34. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев,
А.М. Богуславский, И.В. Королев. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.
35. Дюрье М. Асфальтовые растворы и бетоны в дорожном и гидротехническом строительстве / М. Дюрье; пер. с фр. – М.: Мир, 1972.
36. Железко Е.П. О кинетике образования и рекомбинации свободных радикалов в битумах / Е.П. Железко, Б.Г. Печеный // Труды СоюзДорНИИ. – 1970. – Вып. 46. – С. 132-142.
37. Иванов Н.Н. О работоспособности асфальтового бетона в дорожном строительстве / Н.Н. Иванов, Л.Г. Ефремов // Труды МАДИ. –
1973. – Вып. 63. – С. 52-59.
38. Иванов Н.Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных
одежд / Н.Н. Иванов М., 1973.
39. Калашникова Т.Н. Прочностные и деформативные характеристики песчаного асфальтобетона при воздействии повторных нагрузок /
Т.Н. Калашникова // Труды ГипродорНИИ. – 1970. – Вып. 1. – С. 49-54.
40. Ковалев Н.С. Взаимосвязь циклов замораживания-оттаивания
асфальтобетона в лабораторных условиях с реальными в процессе эксплуатации покрытий / Н.С. Ковалев // Совершенствование проектирования и строительства автомобильных дорог. – Л., 1980. – С. 97 –103.
41. Ковалев Н.С. Влияние возраста образцов, натурного замораживания и оттаивания в лабораторных условиях на структурно-механические свойства асфальтобетона из шлаковых материалов / Н.С. Ковалев
// Применение местных дорожно-строительных материалов и отходов
промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ,
1980. – Вып. 4. – С. 53 – 65.
42. Ковалев Н.С. Использование шлаковых материалов в конструктивных слоях дорожных одежд / Н.С. Ковалев // Матерiали III Мiжнародноi науково-практичноi конференцii «Динамiка наукових дослiжень,
2004». – Том 65, Будiвництво та архiтектура. – Днiпропетровськ: Наука i
освiта, 2004. – С. 45-47.
43. Ковалев Н.С. Использование шлаковых материалов для строительства сельских автомобильных дорог / Н.С. Ковалев, Н.А. Рязанов //
Материалы международной научно-практической конференции. Вестник
ХДАУ. – 1999. – № 5. – С. 190-193.
44. Ковалев Н.С. Использование шлаковых материалов для строительства внутрихозяйственных дорог / Н.С. Ковалев // Достижения аграр278
ной науки – стабилизации сельскохозяйственного производства. – Воронеж: ВГАУ, 1991.
45. Ковалев Н.С. Исследование деформативных свойств асфальтобетонов из шлаковых материалов / Н.С. Ковалев // Пути повышения качества и снижения стоимости строительства и эксплуатации дорог на юге
РСФСР. – Ростов-на-Дону, 1980. – С. 13 – 21.
46. Ковалев Н.С. Исследование комплексного воздействия факторов
на предельное относительное удлинение асфальтобетона из шлаковых
материалов / Н.С. Ковалев // Вестник Волгоградского государственного
архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2009. – Вып. 14 (33). – С. 87-94.
47. Ковалев Н.С. Исследование морозостойкости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов: автореф. дис.
… канд. техн. наук / Н.С. Ковалев. – М.: МАДИ, 1979. – 19 с.
48. Ковалев Н.С. Исследование свойств асфальтобетона с добавками
гранулированного доменного шлака НЛМК / Н.С. Ковалев, Я.А. Быкова //
Геодезия, кадастр, землеустройство: сб. науч. трудов. Вып. 6. – Воронеж: Истоки, 2008. – С. 80-97.
49. Ковалев Н.С. Исследование физико-химического взаимодействия шлаковых материалов с битумом / Н.С. Ковалев, Я.А. Быкова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2008. – Вып. 11 (30). –
С. 81-87.
50. Ковалев Н.С. Моделирование влияния внешних воздействий при
ускоренном испытании асфальтобетона / Н.С. Ковалев // «Дороги и мосты».– М.: 2013. – Вып. 29/1, – С. 252-267.
51. Ковалев Н.С. Моделирование эксплуатационно-климатических факторов на покрытия из шлакового асфальтобетона / Н.С. Ковалев, Б.Ф. Соколов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. –
2009. – Вып. 16 (35). – С.81-88.
52. Ковалев Н.С. Морозостойкость битумошлаковых смесей /
Н.С. Ковалев // Применение местных дорожно-строительных материалов
и отходов промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Издво ВГУ, 1976. – Вып. 1. – С. 47 – 54.
53. Ковалев Н.С. Морозостойкость шлаковых асфальтобетонных
покрытий автомобильных дорог: монография / Н.С. Ковалев. – LAP
LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. – 172 с.
54. Ковалев Н.С. Научно-практические основы морозостойкости и
трещиностойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов: монография /Н.С. Ковалев. – Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский
ГАУ, 2012. – 270 с.
279
55. Ковалев Н.С. Обоснование технологических параметров приготовления асфальтобетонных смесей с использованием гранулированных
доменных шлаков / Н.С. Ковалев, Я.А. Быкова // Геодезия, кадастр, землеустройство: сб. науч. трудов. – Вып. 6. – Воронеж: Истоки, 2009. –
С. 119-128.
56. Ковалев Н.С. оптимизация структуры асфальтобетона из шлаковых материалов в процессе технологических операций / Н.С. Ковалев //
Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного
университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2010. – Вып. 18
(37). – С. 56-63.
57. Ковалев Н.С. Особенности шлакового асфальтобетона /
Н.С. Ковалев, Э.А. Садыгов // Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных форм хозяйствования: тез. докл. Межрег. научн.-практ.
конф. – Воронеж: ВГАУ, 1997. – С. 252.
58. Ковалев Н.С. Повышение морозостойкости дорожных одежд с
асфальтобетонными покрытиями / Н.С. Ковалев // Информационный листок № 608-78 Воронежского ЦНТИ, 1978.
59. Ковалев Н.С. Применение каменноугольных дегтей в дорожном
строительстве Н.С. Ковалев / Актуальные направления стабилизации и
развития агропромышленного производства. Материалы LI студ. научн.
конф. – Воронеж: ФГОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2000. – С. 114-117.
60. Ковалев Н.С. Применение метода математического планирования экстремальных экспериментов для изучения свойств асфальтобетона
/ Н.С. Ковалев, С.И. Самодуров, Н.И. Сулин // Применение местных материалов и отходов промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1979. – Вып. 2.– С. 32-40.
61. Ковалев Н.С. Разработка метода комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетоны из шлаковых
материалов / Н.С. Ковалев // Геодезия, кадастр, землеустройство: сб. науч. трудов. – Вып. 7. – Воронеж: Истоки, 2009. – С. 110-119.
62. Ковалев Н.С. Расширение сырьевой базы для строительства
сельских автомобильных дорог / Н.С. Ковалев, В.В. Гладнев // Мiжнародна науково-практична конференцiя «Соцiально-економiчнi та екологiчнi i
охоронин земель в умовах реформування земельних вiдносин». – Харькiв,
2003. – С. 46-48.
63. Ковалев Н.С. Теоретические предпосылки и экспериментальное
обоснование морозостойкости шлакоасфальтобетонных смесей /
Н.С. Ковалев // Применение местных дорожно-строительных материалов
и отходов промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Издво ВГУ, 1979. – Вып. 3. – С. 3-17.
64. Ковалев Н.С. Уменьшение толщины морозозащитных слоев дорожных одежд / Н.С. Ковалев // Строительство автомобильных дорог. –
Л., 1978.
280
65. Ковалев Н.С. Холодные асфальтобетонные смеси для строительства сельских дорог / Н.С. Ковалев // Новые строительные материалы и конструкции для сельского строительства. – М.: МИИЗ, 1985. – С. 23-29.
66. Ковалев Н.С. Холодный асфальтобетон на основе шлакового
песка // Библ. указатель «Депонированные работы», № 7, 1990. Инф.
сборник «Автомобильные дороги». Экспресс-информация». Серия:
Строительство и эксплуатация автомобильных дорог. – 1990. – № 5.
67. Ковалев Н.С. Холодный асфальтобетон на основе шлакового
песка для строительства сельских автомобильных дорог / Н.С. Ковалев //
Современные проблемы землепользования Центрального Черноземья
России. – Воронеж, 1997. – Гл. 2. – С. 23-25.
68. Ковалев Н.С. Экономическая эффективность применения шлаковых материалов в асфальтобетонных смесях / Н.С. Ковалев // Ресурсы и
эффективность строительства. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1984. – С. 144147.
69. Ковалев Н.С. Экспериментально-теоретическое обоснование назначения количества циклов замораживания-оттаивания шлакоасфальтобетона в лабораторных условиях / Н.С. Ковалев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. – 1983. – № 4. – С. 116-119.
70. Ковалев Я.Н. Определение вязкости песчаного асфальтобетона
методом осаживания цилиндров / Я.Н. Ковалев // Автомобильные дороги.
– 1966. – № 8. – С. 15-17.
71. Колбановская А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбановская,
В.В. Михайлов. – М.: Транспорт, 1973.
72. Курц П.Ю. Склеивание стекла со стеклом, фарфором и металлом / П.Ю. Курц. – ПДНТП, 1960.
73. Леб Л. Статическая электризация / Л. Леб. – М.: Госэнергоиздат,
1963.
74. Михайлов Н.В. Физико-химическая механика асфальтового бетона / Н.В. Михайлов // Материалы работ симпозиума по структуре и
структурообразованию в асфальтобетоне. – М.: СоюздорНИИ, 1968. –
С.18-27.
75. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических
соединений / К. Наканиси. – М.: Мир, 1965.
76. Никомото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений / К. Никомото. – М.: Мир, 1966.
77. Носков С.К. Упруго-вязко-пластичные свойства битума и асфальтовых смесей / С.К. Носков // Гидро- и теплоизоляционные материалы и конструкции. М., 1955.
78. Платонов В.В. Инфракрасные спектры ОН-группы в поверхностных окислах / В.В. Платонов, Н.Е. Третьяков, В.Н. Филимонов // Успехи фотоники – Вып. 5. – Л., 1971.
281
79. Плюсина И.И. Инфракрасные спектры силикатов / И.И. Плюсина. – М.: Изд-во МГУ, 1967.
80. Попов Т.Т. Дорожные покрытия из холодного асфальтобетона
и черного щебня на дорогах Украины / Т.Т. Попов // Автомобильные дороги. – 1972. – № 6. – С. 17-19.
81. Почтовик В.Г. Методы и средства испытания строительных
конструкций / Г.Я. Почтовик, А.К. Злочевский, А.И. Яковлев. – М.: Высшая школа, 1973.
82. Применение спектроскопии в химии / под ред. В. Веста. – М.: ИЛ,
1959.
83. Проектирование нежестких дорожных одежд. ОДН 218.046-01.
– М., 2001. – 145 с.
84. Расстегаева Г.А. Исследование процессов структурообразования дегтеминеральных смесей / Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев, А.А. Кокарев // Совершенствование проектирования и строительства автомобильных дорог. – Л., 1977. – С. 47 –54.
85. Расстегаева Г.А. Исследование процессов структурообразования смесей из гранулированного доменного шлака и вязкого битума при
строительстве покрытий автомобильных дорог: автореф. дис. … канд.
техн. наук / Г.А. Расстегаева. – Воронеж, 1970.
86. Расстегаева Г.А. Применение дегтебетонных смесей для устройства нижних слоев покрытия автомобильных дорог / Г.А. Расстегаева,
Н.С. Ковалев, А.А. Кокарев // Применение местных материалов и отходов
промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ,
1976. – Вып. 2.– С. 3 – 8.
87. Расстегаева Г.А. Применение каменноугольного дегтя пониженной вязкости для приготовления дегтеминеральных смесей / Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев // Применение местных материалов и отходов
промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ,
1979. – Вып. 3.– С. 89 – 94.
88. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур / П.А. Ребиндер // Физико-химическая механика дисперсных структур. – М.: Наука, 1966. – С. 6-12.
89. Руденский А.В. Исследование водоустойчивости битумоминеральных материалов / А.В. Руденский, И.М. Горшков // Труды ГипродорНИИ. – 1973. – Вып. 7. – С. 46-51.
90. Русин Н.П. Прикладная актинометрия / Н.П. Русин. – Л.: Гидрометиздат, 1979.
91. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны / И.А. Рыбьев. – М.: Высшая
школа, 1969.
92. Самодуров С.И. Асфальтовый бетон с применением шлаковых
материалов / С.И. Самодуров. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1984. – 106 с.
282
93. Самодуров С.И. Битумоминеральные смеси на шлакопемзовом
песке / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев и др. // Тезисы
докл. и сообщ. на конф. «Использование местных каменных материалов и
отходов промышленности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог». – М.: СоюздорНИИ, 1974. – С. 42-43.
94. Самодуров С.И. Взаимодействие шлаковых материалов с битумом / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев, В.Г. Еремин // Изв.
вузов. Строительство и архитектура. – 1975. – № 1. – С. 128-131.
95. Самодуров С.И. Гранулированные доменные шлаки и шлакопемзовые пески в дорожном строительстве / С.И. Самодуров. – Воронеж:
Изд-во ВГУ, 1975. – 184 с.
96. Самодуров С.И. К вопросу старения битума в битумошлаковых
смесях / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев, В.Г. Еремин //
Материалы XXIХ науч.-техн. конф. ВИСИ. – Воронеж, 1975. – С. 97-98.
97. Самодуров С.И. К обоснованию температурного режима приготовления битумошлаковых смесей / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева,
Н.С. Ковалев и др. // Тезисы докл. и сообщ. на конф. «Использование местных каменных материалов и отходов промышленности в строительстве
и эксплуатации автомобильных дорог». – М.: СоюздорНИИ, 1974. –
С. 44.
98. Самодуров С.И. Методика определения теплопроводности
смесей из гранулированных доменных шлаков и битума / С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. – 1971. –
№ 1. – С. 140-142.
99. Самодуров С.И. О долговечности битумошлаковых покрытий
автомобильных дорог / С.И. Самодуров, С.М. Маслов, Н.С. Ковалев //
Изв. вузов. Строительство и архитектура. – 1976. – № 8. – С. 147-151.
100. Самодуров С.И. Применение дегтя в покрытиях автомобильных дорог / С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев, Г.А. Расстегаева // ЦБНТИ
Минавтодора РСФСР, 1977. -С. 5 – 12.
101. Самодуров С.И. Применение отходов дробления литого шлакового щебня для строительства автомобильных дорог / С.И. Самодуров,
Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев // Экспресс-информация ЦБНТИ Минавтодора РСФСР. – 1974. – № 13. – С. 1-6.
102. Самодуров С.И. Применение шлакопемзового песка в покрытиях автомобильных дорог / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева,
Н.С. Ковалев и др. // Обзорная информация ЦБНТИ Минавтодора
РСФСР. – 1972. – № 4. – С. 3-18.
103. Самодуров С.И. Способ подготовки образцов асфальтобетонов к испытаниям на прочность при сжатии и растяжении при изгибе и
расколе / С.И. Самодуров, Б.Ф. Соколов, Н.С. Ковалев // Изв. вузов.
Строительство и архитектура. – 1980. – № 10. – С. 86-89.
283
104. Самодуров С.И. Термохимические процессы в битумошлаковых смесях, приготовленных на гранулированном доменном шлаке Новолипецкого металлургического завода / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев, В.Г. Еремин // Изв. вузов. Строительство и архитектура.
– 1973. – № 6. – С. 138-141.
105. Сотникова В.Н. Гидрофобизация кремнийорганическими соединениями некондиционных минеральных порошков для асфальтобетона / В.Н. Сотникова // Труды СоюздорНИИ. – 1969. – Вып 34. – С. 189193.
106. Таращанский Е.Г. Исследование деформативных и акустических показателей песчаного асфальтобетона / Е.Г. Таращанский, В.А. Зыков, И.И. Вильсмен // Труды СоюздорНИИ. – 1975. – Вып 79. – С. 141145.
107. Таращанский Е.Г. Повышение деформативных свойств и морозостойкости песчаных битумоминеральных материалов / Е.Г. Таращанский, В.А. Зыков//Автомобильные дороги. – 1973. – № 11.
108. Технические условия. Смеси асфальтобетонные дорожные с
применением гранулированных доменных шлаков. ТУ № 478–3–77.
109. Технические условия. Смеси битумошлакопемзовые, горячие,
дорожные. ТУ № 67–13–02–74.
110. Шестоперов С.В. Долговечность бетона транспортных сооружений. – М.: Транспорт, 1966.
111. Bynum D. JR. Feilure envlopes for asphaltic concrete / D. JR.
Bynum, R.N. Traxler // Mater et constr. – 1973. –V. 6, № 36. – S. 441-446.
112. Collinz A.R. The Destruction of Concrete bu Frost / A.R. Collinz //
Jornal of the Inst. Civ. Eng. – 1944. – V. 32, № 1 – S. 144-160.
113. Gad W. Forschungsergergebnisse uber Asbest-Kautschuk als
Fullerstoff bituminosen Massen / W. Gad // Strassen- und Tiefbau. – 1963. –
B. 17, № 12. – S. 25-29.
114. Henk B. Weisser und grauer Strassenbeton mit hoher Frost- und
Tausalz bestandigkeit / B. Henk // Strassenbautechn. – 1964. – B. 17, № 11.
115. Kjaernsli B. Laboratory tests on asphatic concrete for an impervions membrane on the Venemorockfill Dam / B. Kjaernsli, J. Moum, I. Torblaa // Publ. Norgen geotekn inst. – 1966. – № 11. – p. 17-26.
116. Loren Mc., J. Polimer SCI, – 1948. – № 3. – S. 652.
117. Power T.C. A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete // ACI, – 1945. – № 4. – V. 16.
118. Une neuvelle methode de prevision de la duree de vie en fatiqe des
enrobes bitumineux // Revua generale des routes et des aerodromes. – 1982. –
S. 583.
284
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …..........................................................................................
Глава 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И КАМЕННОУГОЛЬНОГО ДЕГТЯ НОВОЛИПЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА В
ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ…………………………..
1.1. Теоретические предпосылки применения шлаковых материалов и каменноугольного дегтя Новолипецкого металлургического комбината в дорожном строительстве……...
1.2. Специфические свойства асфальтобетона из шлаковых материалов…………………………………………………..........
1.3. Современные представления о природе адгезионных связей
в дисперсных системах………………………………………..
1.4. Выбор и обоснование методов исследования материалов на
основе гидравлически активных минеральных компонентов
Глава 2. ПРИМЕНЕНИЕ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕСЧАНОГО ГОРЯЧЕГО АСФАЛЬТОБЕТОНА………………………………………………………..
2.1. Исследование физико-химического взаимодействия шлаковых
материалов с битумом…………………………………………...
2.2. Асфальтобетонные смеси на основе гранулированного доменного шлака..……………………...……………………….
2.3. Асфальтобетонные смеси на основе шлакопемзового песка..………………………………………………………............
2.4. Горячие асфальтобетонные смеси на основе шлаковых песков…...
2.5. Асфальтобетонные смеси на основе гранулированных ваграночных шлаков…………………………..………...……….
Глава 3. АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ СМЕСИ С ДОБАВКАМИ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ………...
3.1. Методика подбора составов минеральной части асфальтобетонных смесей…………………………………………….
3.2. Методика определения оптимального содержания битума в
смесях с добавками гранулированного доменного шлака и
температуры приготовления………………………………….
3.3. Исследование влияния возраста образцов, длительного водонасыщения и замораживания-оттаивания на структурномеханические свойства асфальтобетона ……..……………..
Глава 4. ХОЛОДНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН НА ОСНОВЕ ШЛАКОВОГО ПЕСКА …………………………………………......
4.1. Подбор оптимальных составов холодного асфальтобетона...
4.2. Исследование физико-химического взаимодействия шлакового песка с битумом …………………………………………
285
3
5
5
7
15
18
30
30
38
80
87
117
124
124
129
137
151
151
155
4.3. Влияние атмосферно-климатических факторов на физикомеханические свойства……………………………………...
159
МОЛОТЫХ
ГРАНУЛИРОВАННЫХ
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ
ШЛАКОВ В КАЧЕСТВЕ МИНЕРАЛЬНОГО ПОРОШКА
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ………………………… 177
5.1. Исследование свойств молотых шлаковых материалов как
минерального порошка………………………………….…..
177
5.2.Структурно-механические свойства асфальтобетона с минеральными порошками из шлаковых материалов……......... 189
5.3.Минеральные порошки для асфальтобетона из отходов
камнедробления известняков, модифицированных гранулированным доменным шлаком………………………………… 198
Глава 6. АСФАЛЬТОВЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ КОНВЕРТЕРНЫХ
ШЛАКОВ……………………………………….….………….. 204
6.1. Свойства конвертерных шлаков…………………….……….. 204
6.2. Исследование физико-химического взаимодействия конвертерного шлака с битумом…………………………………. 206
6.3. Влияние степени распада на физико-механические свойства
асфальтобетона……………………………………..…………. 210
6.4. Литые асфальтобетонные смеси…………………..………. 218
Глава 7. ПРИМЕНЕНИЕ ДЕГТЕБЕТОННЫХ И ДЕГТЕМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЛИТОГО ШЛАКОВОГО ЩЕБНЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПОКРЫТИЙ И ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ…………………………. 222
7.1. Характеристика каменноугольного дегтя Новолипецкого
металлургического комбината…………………………….… 223
7.2. Исследование физико-химического взаимодействия дегтя с
поверхностью шлаковых материалов ………………………. 226
7.3. Свойства дегтеминеральных смесей для устройства оснований дорожных одежд………….………………………..….. 230
7.4. Пористые дегтебетонные смеси для устройства нижних
слоев покрытий автомобильных дорог….…………….…….. 233
7.5. Дегтебетонные смеси на основе шлаковых материалов для
строительства верхних и нижних слоев покрытия…………. 246
Глава 8. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ………………..…………. 254
8.1. Технология приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов………............. 254
8.2. Кинетика изменения структурно-механических свойств асфальтобетонных материалов в процессе эксплуатации покрытий ………………………………………………….…….. 256
Заключение…………………………………………………………….... 275
Список литературы……………………………………………...……… 276
286
Научное издание
Ковалев Николай Сергеевич
КОНСТРУКТИВНЫЕ СЛОИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ
ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ
Монография
Редактор С.А. Дубова
Компьютерная верстка И.А. Остапенко
Подписано в печать 25.04.2014. Формат 60х84 1/16.
Бумага кн.-журн. Печать офсетная.
Гарнитура Таймс. П. л. 18,0.
Тираж 500 экз. Заказ № 9805.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный аграрный университет
имени императора Петра I»
Типография ФГБОУ ВПО Воронежского ГАУ
394087 Воронеж, ул. Мичурина, 1
287
288
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа