На правах рукописи

ЧЕРСКОВ Роман Михайлович

КОМПЛЕКСНО-МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ДОРОЖНЫЙ

АСФАЛЬТОБЕТОН С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ

К ТРАНСПОРТНЫМ И ПОГОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2009

Работа выполнена на кафедре «Автомобильные дороги» ГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Илиополов Сергей Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Калгин Юрий Иванович кандидат технических наук, профессор Юндин Александр Николаевич

Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал «СЕВКАВГИПРОДОРНИИ» ОАО Дорожного проектно-изыскательского и научноисследовательского института «ГИПРОДОРНИИ»

Защита состоится 27 мая 2009 г. в 10 ч 15 мин в ауд. 232 на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, т/ф 8(863)263-53-10, E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «24» апреля 2009 г.

Учный секретарь диссертационного совета, д.т.н. профессор Моргун Любовь Васильевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В результате возросшего транспортного воздействия срок службы асфальтобетонных покрытий значительно сократился, что приводит к увеличению затрат на их ремонт. Поэтому в условиях ограниченного финансирования дорожной отрасли весьма актуальной задачей является повышение долговечности асфальтобетонов.

Поскольку основная часть разрушений и деформаций асфальтобетонов в покрытиях автодорог происходит по битуму, то наиболее эффективным решением поставленной задачи признано модифицирование битумов различными полимерными добавками. Среди множества полимеров наибольшее распространение получили термоэластопласты типа стирол-бутадиен-стирол (СБС). Однако их совмещение с окисленными битумами связано с перераспределением ассоциированных асфальтенами масел, которое приводит к коагуляции асфальтенов и расслаиванию модифицированного вяжущего.

Введение индустриального масла препятствует протеканию описанных процессов, но негативно сказывается на адгезии вяжущего к минеральным материалам и снижает его вязкость при повышенных эксплуатационных температурах.

Поэтому на сегодняшний день остается актуальной проблема недостатка эффективных материалов и технологий для повышения долговечности асфальтобетонных покрытий в современных условиях эксплуатации.

Учитывая тот факт, что быстрая потеря работоспособности асфальтобетонных покрытий связана с ростом транспортных нагрузок в сочетании с погодно-климатическим воздействием, весьма важной задачей является улучшение структурно-механических свойств асфальтобетонов во всем интервале эксплуатационных температур.

Цель диссертационной работы: разработка комплексномодифицированных асфальтобетонных смесей с улучшенными структурномеханическими свойствами и повышенной стойкостью к погодноклиматическим факторам.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- научно обоснована возможность приготовления эффективной комплексной добавки, обеспечивающей улучшение структурно-механических свойств асфальтобетона;

- оптимизирован качественный и количественный состав модификатора в битуме и асфальтобетонных смесях;

- исследованы процессы структурообразования в битумах, модифицированных разработанной добавкой, и асфальтобетонах на их основе;

- разработаны оптимальные составы комплексно-модифицированных асфальтобетонных смесей и исследована динамика их старения, а также тепло-, морозо- и трещиностойкость;

- проведена опытно-производственная проверка полученных асфальтобетонных смесей в условиях юга России.

Объект исследования – качество дорожных асфальтобетонов.

Предмет исследования – устойчивость дорожных асфальтобетонов к транспортным и погодно-климатическим воздействиям.

Научная новизна:

- выявлен механизм воздействия разработанного каучукополиолефинового модификатора на процессы структурообразования и структурно-механические свойства битумов и асфальтобетонов;

- научно обосновано и экспериментально подтверждено образование сопряженной асфальтено-полимерной структуры в полученном полимернобитумном вяжущем;

- разработан метод оценки сдвигоустойчивости асфальтобетонов с учетом релаксационного характера процессов накопления пластических деформаций в покрытиях автодорог;

изучено влияние особенностей структуры комплексно- модифицированных битумных вяжущих на развитие в асфальтобетонах процессов накопления характерных для дорожного покрытия деформаций сдвига в условиях ограничения бокового расширения и растяжения при изгибе.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по получению асфальтобетонных смесей с улучшенными структурномеханическими свойствами;

- анализ экспериментальных исследований по выявлению механизмов воздействия разработанной добавки на свойства и структуру битумов и асфальтобетонов;

- результаты исследований особенностей влияния основных рецептурных факторов на коррозионную стойкость, трещино- и сдвигоустойчивость комплексно-модифицированных асфальтобетонов;

- экспериментально-статистические зависимости физико-механических свойств асфальтобетонов от их структуры, содержания битумного вяжущего и разработанного модификатора.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена сходимостью результатов параллельных испытаний, соответствием результатов лабораторных и опытно-производственных работ, выполненных с использованием современных поверенных приборов, оборудования и методов испытаний, в том числе экспериментально-статистических методов математического планирования эксперимента и теории математической статистики.

Практическое значение работы:

- разработан комплексный каучуко-полиолефиновый модификатор (КПМ), обеспечивающий повышение коррозионной, трещино-, сдвигоустойчивости и прочности верхних слоев асфальтобетонных покрытий при строительстве и ремонте автомобильных дорог;

- обоснована возможность получения асфальтобетонов с улучшенными показателями и стабильностью структурно-механических свойств путем управления процессами структурообразования битумных вяжущих на основе применения разработанной добавки;

- предложена методика подбора количества вяжущего в асфальтобетонной смеси, учитывающая прочность асфальтобетона на растяжение при изгибе;

- установлено, что применение разработанной добавки более чем в 1, раза увеличивает стойкость асфальтобетонов к накоплению дефектов и остаточных деформаций, в связи с чем расчетный годовой экономический эффект составил в ценах на 2009 г. 18 руб. на 1 м2;

- по результатам проведенных исследований поданы заявки и получены патенты РФ № 2266934 от 27.12.2005, № 2267465 от 10.01.2006 и № 2303576 от 27.07.2007.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Строительство 2004 – 2008 гг.) и других международных конференциях:

МНТК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Пермь, 2004 - 2005 гг.), ВНПК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, г.), МНПК «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве»

(Харьков, 2006 г.) Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 19 публикациях, в том числе трех патентах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 139 наименований, в том числе на иностранных языках, 3 приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 55 таблиц и 30 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, научная новизна, практическая значимость работы, а также приведены сведения об апробации.

В первой главе представлен анализ проблем эксплуатационной устойчивости дорожных асфальтобетонов в зависимости от их структурного типа, приведен обзор структуры окисленных битумов и их недостатков в условиях возросших транспортных нагрузок, а также способов улучшения свойств битумных вяжущих.

Наибольшую известность в этой области исследований получили работы П.А. Ребиндера, И.А. Рыбьева, Л.Б.Гезенцвея, Н.В. Михайлова, И.В. Королева, Н.В. Горелышева, А.В. Руденского, И.М. Руденской, Г.Н. Кирюхина, В.П. Лаврухина, В.А. Золотарева, А.С. Колбановской, Ю.И. Калгина, Л.М. Гохмана, В.А. Веренько, Г.А. Бонченко и др. Этими авторами рассмотрены факторы, влияющие на структуру асфальтобетонов и битумов. Выявлены основные причины недостаточной устойчивости асфальтобетонов на основе окисленных битумов к колее- и трещинообразованию. Произведен анализ эффективности применения наиболее распространенных полимерных модификаторов. Установлен характер воздействия на битум и асфальтобетон полимеров различных групп: высокая сдвигоустойчивость асфальтобетонов достигается при применении термопластов, в то время как каучуки и термоэластопласты значительно повышают трещиностойкость.

Вышеизложенное позволило сформулировать рабочую гипотезу: получение асфальтобетонов с повышенной устойчивостью к транспортным и погодно-климатическим воздействиям возможно за счет применения комплексного модификатора, сочетающего в себе преимущества полиолефинов и эластомеров и оказывающего влияние на процессы организации структуры битумного вяжущего с образованием асфальтено-полиолефиновой решетки.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки улучшения свойств битумов путем его комплексного модифицирования полимерами различных групп, обоснован выбор компонентного состава комплексной гранулированной добавки для непосредственного введения в асфальтобетонную смесь.

Нами предложен вероятный механизм воздействия разработанного каучуко-полиолефинового модификатора (КПМ) на структуру битума путем образования сопряженной асфальтено-полимерной решетки. Такая структура, сочетая в себе преимущества термопластов и эластомеров, улучшает деформативность вяжущего при низких температурах и повышает его вязкость в жаркий период эксплуатации.

Для выявления особенностей деформирования полимерно-битумных вяжущих были рассмотрены протекающие в процессе деформирования полимерных материалов релаксационные явления, изученные В.Е Гулем, В.Н. Кулезневым, Дж. Ферри, А.А. Аскадским, В.А. Каргиным, Г.Л. Сломинским и др.

Приведен ряд исследований, показывающих недостаточную информативность традиционных методов оценки свойств вяжущих и асфальтобетонов, модифицированных полимерными добавками. В связи с этим, в настоящей работе предлагается ряд нестандартных методов испытаний, которые позволяют полнее оценить воздействие разработанного модификатора на структуру и свойства битумов и асфальтобетонов.

Для выявления особенностей поведения вяжущего с каучукополиолефиновой добавкой предложено определять следующие параметры:

вязкость неразрушенной структуры битума и асфальтового вяжущего в широком диапазоне эксплуатационных температур и усталостную долговечность. А для более полной оценки свойств комплексно-модифицированных асфальтобетонов обоснована необходимость определения предела прочности и деформации при динамическом изгибе, вязкости при растяжении и сдвиге, а также усталостной долговечности при циклическом нагружении и устойчивости к термоокислительному старению.

В третьей главе представлены применяемые материалы, изложена методика исследований, приведены результаты экспериментальных исследований, а также экспериментально-статистическое моделирование свойств полимерно-битумных вяжущих и комплексно-модифицированных асфальтобетонных смесей.

В работе использовались минеральные материалы кислого характера:

гранитный щебень фр. 5 – 10, соответствующий марке по прочности 1400, песок из отсевов дробления, минеральный порошок МП1 неактивированный, битум БНД 60/90 и каучуко-полиолефиновый модификатор (КПМ).

Изучение влияния КПМ на физико-механические свойства битума заключалось в определении температуры размягчения, пенетрации при 0 0С и 25 0С, растяжимости при 0 0С и 25 0С, температуры хрупкости и эластичности. Старение вяжущего определяли по изменению температуры размягчения после прогрева при 160 0С в тонком слое вяжущего в течение 5 часов, а также по методике TFOT (Thin Film Oven Test) согласно стандарту ASTM D 1754. Нетрадиционные методы представлены методами определения вязкости неразрушенной структуры битумов и асфальтовых вяжущих, усталостной долговечности битумных вяжущих, а также методами микроскопического исследования и инфракрасной спектроскопии.

Для оптимизации состава разработанного модификатора и его количества в битуме были приготовлены вяжущие трех вариантов, с различным содержанием добавки. Вариант № 1 - с первым составом КПМ (15 % каучука, 55 % полиэтилена и 30 % гудрона), вариант № 2 –со вторым составом (25 % каучука, 45 % полиэтилена и 30 % гудрона) и вариант № 3 – с третьим составом (35 % каучука, 35 % полиэтилена и 30 % гудрона).

Вяжущие готовились при температуре 150 0С и времени перемешивания 30 минут с содержанием добавки КПМ в количествах 2, 4, 6 и 8 %.

Анализ результатов испытаний (рис. 1) с учетом технологических факторов показал, что максимальный эффект от введения разработанного модификатора достигается при его содержании в количестве 6 % и с составом, содержащим 25 % каучука.

Введение в битум 6 % КПМ оптимального состава приводит к увеличению температуры размягчения на 11 0С, снижению температуры хрупкости на 3 0С, повышению пенетрации при 0 0С на 12 %, увеличению растяжимости при 0 0С на 220 %, а также способствует значительному улучшению адгезии к каменным материалам кислых пород и придает вяжущему эластичные свойства.

Для установления механизма структурных преобразований, протекающих при модифицировании битума добавкой КПМ, использовались методы микроскопического исследования и инфракрасной спектроскопии.

Пенетрация, 0,1 мм при в – пенетрацию при 0 и 25 0С, г – температуры размягчения и хрупкости вяжущего полимерная матрица, т.е. в объеме вяжущего существуют две непрерывные фазы, смешанные друг с другом (рис. 2). Кроме того, ИК-спектр вяжущего с разработанной добавкой отличается от битума без добавки наличием характеристических полос 910-990 см-1, соответствующих двойным связям каучука, содержание которых в процессе термической обработки сокращается без образования карбоксильной и других кислородсодержащих групп. Это свидетельствует о том, что при высокой температуре происходит уменьшение концентрации двойных связей каучука не за счет взаимодействия с кислородом воздуха, а путем их активного взаимодействия со свободными радикалами асфальтенов и смол с образованием ковалентных связей.

Таким образом, улучшение свойств битумов может быть объяснено особенностью получаемой структуры. Оставаясь частично захваченными полиолефиновыми блоками, молекулы каучука, обладая двойными связями, взаимодействуют при повышенных температурах с активными свободными радикалами структурообразующих компонентов битума (асфальтенов и Рис. 2. Микроструктура битума, модифицированного добавкой КПМ в количестве 4 % (слева) и 6 % (справа) (шестисоткратное увеличение) смол). Это способствует образованию в вяжущем в диапазоне эксплуатационных температур единой эластичной асфальтено-полимерной решетки.

Для выявления особенностей поведения битумов, модифицированных разработанной добавкой, в покрытии автодорог, деформации которого относительно малы и возникают при циклическом воздействии, в представленной работе стандартные методы испытаний битумов дополнялись испытанием усталостной долговечности и вязкости неразрушенной структуры.

Исследования усталостной долговечности вяжущих производились по методу, описанному Б.Г.Печеным. Анализ результатов проведенных исследований показал, что зависимость количества циклов до разрушения тонкой пленки вяжущего от температуры, представленная в полулогарифмических координатах, имеет линейный характер (рис. 3). Из этих же данных видно, что введение каучуко-полиолефиновой добавки позволяет значительно увеличить усталостную долговечность вяжущего при заданном режиме нагружения и тем больше, чем выше температура испытания.

Следует отметить, что испытание проводилось в условиях заданной амплитуды деформирования. Такой режим нагружения характерен для асфальтобетонных покрытий в период весеннего ослабления несущей способности грунта земляного полотна, когда возникают максимальные деформации. Поэтому особый интерес представляли значения усталостной долговечности при 0 0С – температуре, характерной для указанного периода. Как показали исследования Б.Г.Печеного, эти значения, по причине существенной продолжительности эксперимента, могут быть найдены путем экстраполирования. Найденные таким образом величины показали, что введение 6 % добавки способствует увеличению количества циклов до разрушения вяжущего при 0 0С на три порядка.

Исследование влияния КПМ на вязкость неразрушенной структуры вяжущего проводилось с помощью устройства типа «сэндвич», применяемого для определения податливости полимерных материалов. Испытания, проведенные в широкой области эксплуатационных температур, показали, что заКоличество циклов до разрушения Рис. 3. Зависимость усталостной долговечности (количество циклов до разрушения) битума БНД 60/90 и битума, модифицированного 6 % КПМ, от висимость вязкости битумных вяжущих от величины обратной температуре, представленная в полулогарифмических координатах, имеет линейный характер.

для изучаемых битумных вяжущих, таким образом, справедливо уравнение Эндрейда где А – постоянная; R – константа Больцмана; T – абсолютная температура;

U – энергия активация.

Полученные значения вязкости битума БНД 60/90 и битума, модифицированного разработанной добавкой, позволили построить зависимости log f ( ) (рис. 4а), по которым рассчитывалась энергия активации.

Для битума БНД 60/90 при температуре ниже температуры размягчения она составила 47,14 ккал/моль, а для модифицированного битума – 39, ккал/моль. Это говорит о меньшей чувствительности вязкости модифицированного битума к температуре, чем битума без добавки. При этом вычислено, что прямые пересекаются при температуре -12 0С и ниже этой температуры (правее точки пересечения) вязкость битума, модифицированного каучуко-полиолефиновым модификатором, ниже вязкости битума без добавки.

Последнее является одной из причин меньшей жесткости разработанного полимерно-битумного вяжущего при низких зимних температурах.

Поскольку вяжущее в составе асфальтобетона находится в тонкопленочном состоянии, что в значительной степени связано с большой удельной поверхностью минерального порошка, то представляло интерес изучить зависимость вязкости асфальтового вяжущего от температуры. Как показали результаты экспериментальных исследований, зависимость логарифма вязкости асфальтового вяжущего от величины обратной абсолютной температуре также имеет линейный характер (рис. 4б).

Вязкость, МПа*10^ Вычисленные значения энергии активации составили для асфальтового вяжущего с битумом без добавки – 39,00 ккал/моль, а для асфальтового вяжущего с битумом, содержащим 6% КПМ, – 29,68 ккал/моль. Отсюда видно, что введение минерального порошка уменьшает энергию активации вяжущего аналогично введению добавки, тем самым уменьшая его температурную чувствительность и вязкость в зоне пониженных температур. Такое влияние объясняется увеличением средней молекулярной массы битума при объединении с минеральным порошком за счет поглощения последним части наиболее низкомолекулярных веществ – масел и структурирования вяжущего у поверхности минеральных частиц. Однако следует заметить, что при уменьшении с добавлением минерального порошка вязкости в области низких температур полученные значения температур хрупкости составили:

для асфальтового вяжущего с битумом без добавки – (-11) 0С, а для асфальтового вяжущего с битумом, содержащим 6% КПМ, – (-15) 0С. Это связано с уменьшением деформативности битумного вяжущего в связи с переводом его в пленочное состояние, в то время как определение температуры хрупкости происходит в режиме заданной амплитуды деформаций.

Для оценки влияния КПМ на качественные показатели асфальтобетонных смесей были приготовлены мелкозернистые смеси трех типов – А, Б и В – с оптимальным содержанием исследуемой добавки (6 % от массы подаваемого в смесь битума) и битумного вяжущего. Для более полной характеристики структурных типов перед проведением испытаний рассчитывались:

суммарная удельная поверхность минеральной части асфальтобетонов, ее битумоемкость и средняя толщина битумной пленки в асфальтобетонной смеси по методу И.В. Королева.

Добавку КПМ вводили одновременно с подачей нагретого до 140 – 150 0С битума на разогретый до 170 0С и перемешанный в течение 30 с минеральный материал, затем перемешивали в течение 1 минуты до полного и равномерного объединения всех компонентов.

Изучены стандартные свойства асфальтобетонных смесей различных типов с добавкой КПМ и без нее. Анализ результатов проведенных испытаний показал (рис. 5), что введение КПМ в исследуемые типы асфальтобетонов положительно сказывается на всем комплексе физико-механических показателей: существенно снижаются такие показатели, как водонасыщение и остаточная пористость, возрастает коэффициент водостойкости, характеризующий коррозионную устойчивость асфальтобетонных смесей. Такое влияние обусловлено высокой адгезией модифицированного вяжущего за счет создания им прочных пленок, с трудом отслаиваемых водой. Влияние добавки ощутимо сказывается также на всех показателях, связанных с вязкостью вяжущего и его когезионной прочностью: на 40 – 50 % увеличивается прочность на сжатие при 50 0С при одновременном уменьшении на 5 – 10 % прочности на сжатие при 0 0С.

В следующей части исследования проведено экспериментальностатистическое моделирование свойств модифицированных асфальтобетонных смесей. В этих целях в диссертационной работе спланирован полный трехфакторный эксперимент по плану Бокса и получены математические модели, адекватно описывающие зависимость функций отклика от варьируемых факторов: количество щебня, количество КПМ и количество битума. Установлены рациональные области значений для исследованных факторов. Получена теоретическая модель оценки и прогнозирования свойств модифицированных смесей, приготавливаемых с использованием указанных компонентов.

Считается, что для оценки трещиностойкости более обоснована методика испытания образцов-призм на изгиб. В связи с этим представляло интерес изучение влияния добавки КПМ на предел прочности при динамическом изгибе в широкой области эксплуатационных температур. Анализ полученных результатов (рис. 6) показал, что увеличение количества вяжущего и уменьшение количества щебня способствуют увеличению прочности при изгибе. В свою очередь предельная деформация увеличивается с повышением количества битума и щебня в смеси.

Введение добавки КПМ, не нарушая описанных выше закономерностей изменения предела прочности и относительной деформации при изгибе от содержания вяжущего и температуры, способствует для всех типов изучаемых асфальтобетонных смесей сдвигу температуры хрупкого состояния на 7–13 0С в зону более низких температур. При этом происходит существенное увеличение величины предела прочности при изгибе, который играет важную роль при расчете конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе (ОДН 218.046-01).

Тангенс угла внутреннего а – водонасыщение; б – прочность при сжатии при 0 0С; в – прочность при сжатии при 20 0С; г – прочность при сжатии при 50 0С; д – тангенс угла внутреннего трения; е – сцепление при сдвиге асфальтобетонных смесей В результате анализа полученных данных предложен графоаналитический метод подбора оптимального количества вяжущего в смеси.

Поскольку при увеличении битума наблюдаются две противоположные тенденции: спад прочности при сжатии и увеличение прочности при растяжении, то целью данного метода являлось оптимально увязать две эти важнейшие характеристики (рис. 7).

Для характеристики сопротивления накоплению остаточных деформаций растяжения исследуемых асфальтобетонов проводились испытания образцов-призм на ползучесть при изгибе. На основании проведенных экспериментальных исследований строились кривые ползучести, по которым вычислялась вязкость асфальтобетона при растяжении при изгибе (рис. 8).

Температура, С Рис. 7. Пример графо-аналитического метода подбора оптимального количества битума для асфальтобетона типа Б Как показывают результаты экспериментальных исследований, полученные при температуре 10 0С, введение добавки КПМ в асфальтобетонную смесь способствует значительному повышению вязкости асфальтобетонов при растяжении. Такое влияние объясняется повышенным временем релаксации модифицированного вяжущего за счет наличия сопряженной асфальтено-полимерной структуры.

Рис. 8. Влияние добавки КПМ и типа смеси на вязкость асфальтобетона при растяжении Методы оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона, принятые в настоящее время, позволяют определить внутреннее трение и сцепление на последнем этапе его деформирования, т.е. при разрушении. Однако пластическое течение наступает при напряжениях гораздо меньших, чем критические. Следовательно, используемые методы не дают представления о работе асфальтобетона в зоне эксплуатационных нагрузок, а полученные результаты не позволяют правильно оценить способность исследуемых асфальтобетонов сопротивляться воздействию сдвигающих усилий.

Для решения этой проблемы на основании анализа существующих методов испытания асфальтобетонов на сдвиг разработан метод определения вязкости асфальтобетона при постоянном сдвигающем напряжении 0, МПа в условиях ограничения бокового расширения при температуре 60 0С.

Вязкость определялась по скорости деформации на прямолинейных участках кривых ползучести при сдвиге, отвечающих установившемуся стационарному процессу пластического необратимого течения при постоянном значении высокоэластической деформации. По данным Ю.Е. Никольского, величина прикладываемого напряжения соответствует суммарному сдвигающему напряжению от вертикальной и горизонтальной нагрузок для участка с транзитным движением.

В качестве испытательного оборудования использовался прибор для определения глубины вдавливания штампа диаметром 25,2 мм (площадью 5 см2) (рис. 9).

Рис. 9. Прибор для определения вязкости асфальтобетона при сдвиге в условиях ограничения бокового расширения:

1 – форма; 2 – упорное кольцо; 3 – испытуемый образец; 4 – нагрузочный штамп; 5 – емкость для выдерживания образца; 6 – стол прибора; 7 – шарик; 8 – рукоятка; 9 – шток;

10 – индикатор часового типа; 11 – опорный столик; 12 – груз Вязкость асфальтобетона определялась по формуле:

где, Па ; Р – нагрузка, Н ; S – площадь поверхности нагружения, м 2, которая, как показали многочисленные эксперименты, с большой степенью приближения может быть принята равной площади боковой поверхности усеченного конуса ABCD; d – относительная скорость деформации сдвига, условно принимаемая равной скорости перемещения одной из двух параллельных пластин с площадью поверхности S, между которыми находится испытываемый материал толщиной, равной отрезку МК, проходящеd v екция скорости деформации сдвига на линию ВС, м/с (рис. 10).

Рис. 10. Схема нагружения асфальтобетонных образцов при испытании на определение вязкости асфальтобетона:

1 – форма; 2 – упорное кольцо; 3 – испытуемый образец; 4 – нагрузочный штамп;

Полученные данные показывают (рис. 11), что в условиях ограничения бокового расширения, характерных состоянию асфальтобетона в покрытии, значительный вклад в показатель вязкости вносит наличие щебеночного каркаса. При этом нужно отметить значительное преимущество асфальтобетона, модифицированного добавкой КПМ. Причем наибольший эффект модифицирования достигается на асфальтобетоне типа А, в котором сопротивление сдвигу щебеночного каркаса подкрепляется высокой вязкостью межзерновых пленок вяжущего.

Поскольку разрушение асфальтобетонов под действием многократных нагрузок обусловлено процессами усталости, т.е. образованием и накоплением микродефектов с постепенным снижением прочности во времени, то крайне актуальным является вопрос исследования усталостной долговечности комплесно-модифицированного асфальтобетона. Результаты экспериментальных исследований, полученные на разработанной в ДорТрансНИИ установке усталостного вибронагружения, показали, что введение разработанного модификатора способствует повышению усталостной долговечности более чем в 1,5 раза.

Таким образом, введение разработанной добавки КПМ позволяет получить асфальтобетоны различных типов с повышенной сдвиго- и трещиностойкостью.

Рис. 11. Влияние добавки КПМ и типа смеси на вязкость асфальтобетона при сдвиге Оценка влияния разработанной добавки КПМ на процесс термоокислительного старения по методу, предложенному Ю.И. Калгиным, выявила положительное влияние модификатора на кинетику изменения прочности асфальтобетона при термоокислительном воздействии, что крайне важно, поскольку работа с модифицированным асфальтобетоном связана с более высокими температурами (рис. 12). Такое воздействие добавки обусловлено присутствием в ее составе пластификатора и полиэтилена, обладающего низкой реакционной способностью.

Рис. 12. Зависимость предела прочности при сжатии при температуре 20 С асфальтобетона на основе битума БНД 60/90 и асфальтобетона, модифицированного КПМ В четвертой главе приведены технология и результаты устройства верхних слоев покрытий из асфальтобетонных смесей, модифицированных добавкой КПМ, на городских улицах г. Ростова-на-Дону. Приготовление смесей и строительство экспериментальных участков производились силами ОАО «ДРСУ» и ГП РО «Ростовское ДРСУ». Отмечены высокие по сравнению с традиционными материалами эксплуатационные показатели модифицированных асфальтобетонов.

Расчетная экономическая эффективность применения асфальтобетонных смесей, модифицированных добавкой КПМ, для устройства верхних слоев покрытий составила 18 р. в год на 1 м2.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения дорожных асфальтобетонов с повышенной устойчивостью к транспортным и погодно-климатическим воздействиям за счет применения разработанного комплексного каучуко-полиолефинового модификатора (КПМ).

2. Разработан состав модификатора, сочетающего в себе преимущества полиолефинов и эластомеров, что позволяет одновременно придать асфальтобетонам необходимую жесткость при высоких эксплуатационных температурах, а также эластичность и трещиностойкость в области низких температур.

3. Выявлены закономерности воздействия разработанного модификатора на структуру битумов. Методами ИК-спектроскопии и микроскопии подтверждена гипотеза образования в полученном вяжущем эластичной асфальтено-полимерной решетки. Исследованы особенности поведения битумов, содержащих каучуко-полиолефиновый модификатор, в условиях малых деформаций и многократного приложения нагрузок путем определения вязкости неразрушенной структуры и усталостной долговечности вяжущих.

4. Установлены закономерности влияния и границы варьирования содержания битума, щебня и модификатора на физико-механические свойства асфальтобетонов. При введении в асфальтобетонные смеси разработанной добавки предел прочности на сжатие при 50 0С повышается на 40 - 50 % при одновременном снижении предела прочности на сжатие при 0 0С на 5 – 10 %, улучшается водостойкость и снижается водонасыщение асфальтобетона.

5. Изучено влияние модификатора на трещиностойкость асфальтобетонов различных типов путем испытания образцов-призм на растяжение при изгибе. Установлено, что комплексно-модифицированные асфальтобетоны обладают повышенными значениями предела прочности при динамическом изгибе; вязкость на растяжение при изгибе увеличивается в 1,5 - 2 раза, а усталостная долговечность - в 1,5 раза.

6. Разработан метод определения вязкости асфальтобетонов в условиях ограничения бокового расширения для характеристики скорости накопления деформаций сдвига при температуре 60 0С. Введение комплексного модификатора позволяет повысить вязкость асфальтобетонов при сдвиге в зависимости от их типа в 2 - 5 раз.

7. Установлено, что полученные модифицированные асфальтобетоны обладают повышенной стойкостью к термоокислительному воздействию.

8. Производственная проверка подтвердила возможность получения дорожных асфальтобетонов с повышенной стойкостью к транспортным и погодно-климатическим воздействиям за счет применения каучукополиолефинового модификатора. Расчетный годовой экономический эффект, достигаемый в результате применения разработанных модифицированных асфальтобетонных смесей в сравнении с такими же без добавок составил в ценах на 2009 г. 18 руб. на 1 м2.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ 1. Черсков Р.М. Свойства асфальтобетонов модифицированных полимерным модификатором на основе вторичного полиэтилена и полибутадиенового каучука // Известия ОрлГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». – 2008. - №3/19(549). – С. 72-78.

2. Черсков Р.М. Применение каучуко-полиолефинового модификатора (КПМ) как способ повышения сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетона // Вестник ВолгГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». – 2009. - Вып.

13(32). – С. 100-104.

3. Пат. № 2266934 РФ, МПК С 08 L 95/00. Резиносодержащий полимерный модификатор битума / С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, А.Г.

Щеглов, Е.Н. Чубенко, Р.М. Черсков, Л.Н. Хаддад. – 2004124006/04 заявлено 05.08.04; опубл. 27.12.05. Бюл. №36. приоритет 05.08.04. – С.7. Автором проведены исследования по оптимизации рецептур заявленных композиций.

4. Пат. № 2267465 РФ, МПК C04B 26/26, E01C 7/08. Битумоминеральная открытая смесь / С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, К.А. Дьяков, Е.Н.

Чубенко, Р.М. Черсков, Д.В. Дементьев, Е.Б. Бурштейн. – 2004117304/03 заявлено 07.06.04; опубл. 10.01.06. Бюл. №01. приоритет 07.06.04. – С.6. Автором проведены экспериментальные исследования, положенные в основу композиций.

5. Пат. № 2303576 РФ, МПК С04В 26/26 Асфальтобетонная смесь / С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, А.В. Каклюгин, М.Б. Еремин, Е.Н. Чубенко, Р.М. Черсков, Д.В. Дементьев. – 2005129191/03 заявлено 19.09.05;

опубл. 27.07.07. Бюл. №21. приоритет 19.09.05. – С.7. Автором проведены исследования по оптимизации физико-механических характеристик заявленных композиций.

6. Чубенко Е.Н., Черсков Р.М. Резиносодержащие добавки для асфальтобетонных смесей // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Междунар. научн.-практ. конф. – Пермь :

ПГТУ, 2004. – С. 46-48. Лично автором выполнена 1 с. Автором выполнены расчеты эффективных рецептур резиносодержащих модификаторов асфальтобетонов.

7. Мардиросова И.В., Чубенко Е.Н., Черсков Р.М. Резинобитумная добавка для асфальтобетонных смесей // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды:

3-й Всерос. научн.-технич. конф. – Пермь: ПГТУ, 2005. – С. 270-273. Лично автором выполнено 2 с. Автором выполнены исследования по оптимизации состава резинобитумного модификатора асфальтобетонов.

8. Черсков Р.М. Резинобитумное вяжущее с использованием отходов изношенных шин // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. – 2004. – № 8.- С. 264.

9. Мардиросова И.В., Чубенко Е.Н., Черсков Р.М. Битумно-резиновая композиция для дорожного строительства // Строительство - 2004: Междунар. научн.-практич. конф. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2004. - С. 18-19. Лично автором выполнено 1,5 с. Автором выполнены исследования по оптимизации состава резинобитумных композиций.

10. Мардиросова И.В., Чубенко Е.Н., Черсков Р.М. Резиносодержащий полимерный модификатор асфальтобетонных смесей // Строительство Междунар. научн.-практич. конф. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2005. –С.

10-12. Лично автором выполнено 1,5 с. Автором выполнены расчеты резиносодержащего полимерного модификатора асфальтобетонных смесей.

11. Илиополов С.К., Черсков Р.М. Асфальтобетон с повышенной температурной и усталостной стойкостью // Строительство - 2006: Междунар.

научн.-практич. конф.– Ростов-на-Дону: РГСУ, 2006. –С. 7-8. Лично автором выполнено 1,5 с. Автором проведены исследования температурной и усталостной стойкости комплексно-модифицированных асфальтобетонов, положенные в основу публикации.

12. Черсков Р.М., Заднепровская И.А. Исследование влияния добавки резиновой крошки на физико-механические показатели нефтяных битумов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений: 1-й Всерос. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых учных. – Омск: СибАДИ, 2006. –Книга 3. –С. 178-181. Лично автором выполнено 3 с. Автором проведены экспериментальные исследования и статистическая обработка их результатов, послуживших основой публикации.

13. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Черсков Р.М. Повышение температурной стойкости асфальтобетонов путем использования резинополимерной добавки // Вестн. ХНАДУ: сб. науч. тр. – Харьков: ХНАДУ, 2006. – Вып. 34/35. – С. 130 - 132. Лично автором выполнено 2 с. Автором представлены результаты разработки эффективного комплексного резинополимерного модификатора асфальтобетонов.

14. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Черсков Р.М. Повышение качественных показателей асфальтобетонов путем введения резинополимерного модификатора // Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве: Мат-лы науч.-практич. конф. – Харьков: ХНАДУ, 2006.

С. 84-85. Лично автором выполнена 1 с. Автором проведены экспериментальные исследования, положенные в основу публикации.

15. Илиополов С.К., Дьяков К.А., Черсков Р.М. Деформативность и долговечность асфальтобетонов // Строительство - 2007: Междунар. научн.практич. конф. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2007. – С. 4-6. Лично автором выполнено 1,5 с. Автором проведены экспериментальные исследования деформативности и долговечности комплексно-модифицированных асфальтобетонов, положенные в основу публикации.

16. Черсков Р.М., Дьяков К.А., Ивановская И.А. Повышение долговечности асфальтобетона // Строительство - 2007: Междунар. научн.практич. конф. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2007. –С. 8-9. Лично автором выполнена 1 с. Автором проведены экспериментальные исследования, положенные в основу публикации.

17. Черсков Р.М., Илиополов С.К., Дьяков К.А. Повышение сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетона путем применения модификатора КПМ // Строительство - 2008: Междунар. научн.-практич. конф. – Ростов-на-Дону:

РГСУ, 2008. –С. 3-4. Лично автором выполнена 1 с. Автором приведены результаты исследований по определению влияния каучуко-полиолефинового модификатора но сдвиго- и трещиностойкость асфальтобетона.

18. Черсков Р.М. Повышение усталостной долговечности битума введением каучуко-полиолефинового модификатора (КПМ) // Строительство Междунар. научн.-практич. конф. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2008. –С.

5-6.

19. Илиополов С.К., Черсков Р.М. Высококачественный асфальтобетон на основе комплексного каучуко-полиолефинового модификатора // Строительство - 2009: Междунар. научн.-практич. конф. – Ростов-на-Дону:

РГСУ, 2009. –С. 4-5. Лично автором выполнена 1 с. Автором проведены положенные в основу публикации экспериментальные исследования качественных характеристик асфальтобетонов, модифицированных комплексным каучуко-полиолефиновым модификатором _ Подписано в печать 16.04.09.

Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф.

Уч. – изд. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ 154.

Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов-на-Дону, 22, Социалистическая,162.