На правах рукописи

ДЬЯКОВ Константин Анатольевич

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТНЫХ СЛОЕВ

ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ИЗ

КОМПЛЕКСНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОТКРЫТЫХ

БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог,

метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2005

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Илиополов Сергей Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Столяров Виктор Васильевич кандидат технических наук Шевченко Валерий Иванович

Ведущая организация: МУ «Департамент автомобильных дорог и организации дорожного движения», г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится «19» мая 2005г. в 1000 ч. в ауд. Б203 на заседании диссертационного совета К 212.026.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГАСУ.

Автореферат разослан «14» апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Казначеев С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в связи с ростом скоростей, интенсивности и грузонапряженности движения транспортных средств в условиях ограниченного финансирования дорожной отрасли повышение качества работ по обеспечению эксплуатационных и надежных сцепных свойств защитных и замыкающих слоев дорожных покрытий на максимальный (максимально возможный) срок службы является актуальной и важной задачей дорожников.

Для повышения сцепных и эксплуатационных свойств в качестве материала для защитных и замыкающих слоев покрытий особенно в южных регионах России представляет интерес использование открытых битумоминеральных смесей (БМО). Важное значение имеют: каркасная структура БМО, высокие фрикционные свойства, отличная износостойкость, а также стабильность этих свойств во времени под воздействием транспортного потока и погодно-климатических факторов.

Для обеспечения оптимального уровня эксплуатационной надежности открытых битумоминеральных смесей ставится задача полимерного армирования битумного вяжущего и БМО смесей, что позволит повысить:

температурную устойчивость, деформативность, эластичность, адгезию, устойчивость к старению вяжущего и прочность, водо-, сдвиго- и трещиностойкость и др. показатели БМО смесей.

Это позволяет считать проблему повышения эксплуатационных характеристик защитных и замыкающих слоев дорожных покрытий, а также материалов для них, решаемую в этой работе, весьма актуальной.

Цель диссертационной работы: разработать эффективное покрытие дорожной одежды автомобильной дороги с повышенной трещино- и водостойкостью, а также сдвигоустойчивостью при высоких температурах на основе полимерно-армированной и комплексно-модифицированной открытой битумоминеральной смеси.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить факторы, влияющие на структурные свойства вяжущего и БМО смесей, обеспечивающие повышение сдвиго-, трещино- и коррозионной устойчивости замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий;

- исследовать факторы, обусловливающие устройство защитных слоев битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона;

-разработать технологию полимерного армирования защитного слоя покрытия автомобильных дорог и комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей;

- провести опытно-производственную проверку полученных БМО смесей в условиях юга России и оценить эффективность устройства защитных и замыкающих слоев из них.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- выявлен механизм воздействия комплексной модификации с помощью полимерно-армирующей добавки АрмПЭВА, пластификатора и сфрезерованного асфальтобетона на процессы структурообразования и эксплуатационные свойства открытых битумоминеральных смесей защитного слоя покрытия автомобильной дороги;

- достигнуто повышение прочности, водо- и трещиностойкости, сдвигоустойчивости защитного слоя покрытия путем образования интерполимерной структуры в полученном полимерно-армированном вяжущем для БМО смесей;

- установлен и смоделирован процесс, замедляющий старение вяжущего в БМО смесях при введении в их состав сфрезерованного асфальтобетона и пластифицирующей добавки.

На защиту выносятся:

- результаты исследований, направленных на получение открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами;

- исследования, проведенные для выявления механизмов воздействия на свойства и структуру открытых битумоминеральных смесей полимерноармирующей добавки, сфрезерованного асфальтобетона, а также пластификатора - мазута;

- экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований, показавших правомерность выводов и заключений о целесообразности комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей для улучшения их эксплуатационных качеств.

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:

- разработана технология полимерного армирования и комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей, обеспечивающая повышение коррозионной и сдвигоустойчивости, теплостойкости и прочности замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий при строительстве и ремонте;

- получены экспериментально-статистические модели прочности при 0;

50 и 600С, длительного водонасыщения, сцепления вяжущего и коэффициента внутреннего трения;

- использование БМО смесей более чем в 2 раза увеличивает срок службы шероховатого слоя покрытия, экономический эффект на 1 км покрытия за расчетный срок службы составляет по первому и второму вариантам, соответственно 915090 и 1143847 р., а на момент строительства -179760 и 354051 р. соответственно;

- по результатам проведенных исследований разработаны методические рекомендации по применению БМО смесей, а также поданы заявки и получены патенты РФ 2196750 от 27.04. 2001 и 2241012 от 27.11.2003 года, а также на рассмотрении находится заявка № 2004117304/03 от 7.06.2004.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (1999-2004 гг.) и др. международных конференциях: МНПК "Строительство" (Ростов-наДону, 1999 - 2003 гг.), ВНПК «Современные технические решения по повышению надежности автомобильных дорог и искусственных сооружений» (Краснодар, 2001), конференция «Концепция современного развития автомобилестроения и эксплуатации транспортных средств», (Новочеркасск, 2001), ВНПК «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог»

(Краснодар, 2002), НПК «Новые технологии и материалы применяемые при содержании автомобильных дорог. Использование технологии холодного ресайклинга при реконструкции автомобильных дорог» (Ростов-на-Дону, 2002), ЮМНПК «Строительство - 2004» (Ростов-на-Дону, 2004), НТК «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (Пермь, 2004).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 15 публикациях, в том числе двух патентах.

Объем. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 158 источников, в том числе на иностранном языке, 4 приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 62 таблицы и 25 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий, сформулированы цели, научная новизна, практическая значимость, а также приведены сведения об апробации.

В первой главе «Анализ существующих технологий устройства и опыта применения шероховатых защитных и замыкающих слоев покрытий» дан анализ проблем эксплуатационной устойчивости шероховатых защитных и замыкающих слоев дорожных покрытий, обеспечения надлежащих их характеристик, приведен обзор органоминеральных смесей используемых для устройства шероховатых защитных и замыкающих слоев дорожных покрытий.

Рассмотрены основные факторы, влияющие на шероховатые свойства покрытий автомобильных дорог, а также на их водо-, трещино-, теплостойкость, сдвигоустойчивость. Выявлено, что для обеспечения надлежащей шероховатости поверхности и сцепных свойств дорожного покрытия необходимо устройство защитных и замыкающих слоев по типу поверхностной обработки с высокими параметрами макрошероховатости, при чем каркас минерального материала должен обладать высокой микрошероховатостью. Материал для этих слоев должен быть устойчивым против всего комплекса внешних факторов, воздействующих на него:

погодно-климатических и транспортных. Повышение сдвигоустойчивости обуславливает использование каркасных органоминеральных смесей на вяжущем, обладающем высокой когезионной и адгезионной прочностью, с большим интервалом пластичности и минимально подверженным процессам старения.

Представлен анализ наиболее распространенных материалов, применяемых для устройства шероховатых защитных и замыкающих слоев дорожных покрытий, показавший ряд сложностей технологического и качественного характера, приведены недостатки эксплуатационного характера. Материалы, наиболее устойчивые к тепловому и сдвиговому воздействиям, прочные, долговечные, требуют сложной технологии, либо приготовления, либо устройства, сопряженной с использованием нестандартного оборудования и машин, либо требуют применения дорогостоящих полимерных добавок.

Анализ помог выявить материал, позволяющий в наибольшей степени соответствующий требованиям по эксплуатационной устойчивости, технологичности и экономической эффективности для защитных и замыкающих слоев дорожных покрытий и материалов для них – открытые битумоминеральные смеси (БМО).

Во второй главе «Исследование факторов, обусловливающих устройство защитных слоев автомобильных дорог с применением открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона» рассмотрены теоретические предпосылки приготовления БМО смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона.

Выявлено, что время релаксации битумоминеральных смесей в основном зависит от вязкости. Оно существенно меняется не только в зависимости от температуры, но и от скорости приложения нагрузки, величины напряжений и др.

Многощебенистые смеси с конденсационной структурой в гораздо меньшей степени подвержены пластическим деформациям. Связано это с тем, что основная часть прилагаемых напряжений передается по зонам контактов минерального остова и влияние вяжущего сказывается в значительно меньшей степени. В каркасных смесях снижается и влияние температур окружающей среды. Эксплуатационная устойчивость БМО смесей в основном зависит от реологических свойств вяжущего, окатанности зерен минерального материала, их формы и собственной шероховатости.

Даны анализ наиболее распространенных в настоящее время групп полимерных модификаторов, особенности их применения, преимущества и недостатки. Выявлены механизмы образования ПБВ. Рассмотрены принципы полимерного и полидисперсного армирования, оказываемое ими влияние.

Важное значение имеет устойчивость вяжущих к процессам старения, особенно в южных регионах России, в первую очередь это относится к ПБВ, т.к. в процессе модификации битум подвергается длительному термическому воздействию. Наиболее подходящим для модификации битумного вяжущего в данных условиях является сополимер этилена с винил-ацетатом и его производные (АрмПЭВА), т.к. он относится к группе термопластичных полимеров, устойчивых к многократному нагреванию и охлаждению без деструкции полимерной сетки и т.п.

Проанализирована возможность применения сфрезерованного асфальтобетона в качестве элемента БМО смеси, изучены физикохимические процессы, протекающие при его холодном фрезеровании, а также причины и процессы старения во времени. Отмечена возможность его положительного влияния на эксплуатационные характеристики БМО смесей, особенно при совместном использовании его с пластификатором.

Проведенные теоретические исследования позволили сформулировать рабочую гипотезу: повышение эксплуатационных свойств защитных слоев дорожных покрытий из открытых битумоминеральных смесей, возможно за счет их полимерного армирования и комплексной модификации.

В третьей главе «Разработка технологии полимерного армирования защитного слоя покрытия автомобильных дорог и комплексной модификации открытых битумоминеральных смесей» представлены применяемые материалы, изложена методика исследований, приведены результаты экспериментальных исследований, а также экспериментальностатистическое моделирование свойств полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей.

В работе использовались минеральные материалы кислого характера:

щебень фр. 5 - 15, отсев дробления фр. 0 – 10, соответствующие марке по прочности 1200, природный песок Мкр = 0,98, активированный минеральный порошок, битум БНД 60/90, сфрезерованный асфальтобетон (ФАЛ), мазут марки 100 и добавка АрмПЭВА, представляющая собой адгезионную полимерно-армирующую композицию на основе сополимера этилена с винил-ацетатом (сэвилена), совмещенную с полиэтиленом, облученным проникающей радиацией.

Изучение влияния АрмПЭВА на физико-механические свойства битума заключалось в определении температуры размягчения по КИШ, пенетрации при 0 и 250С, растяжимости при 0 и 250С, температуры хрупкости, эластичности, изменения температуры размягчения после прогрева при 1600С в тонком слое вяжущего 3,2 мм в течение 5 часов, рассмотрения процессов старения вяжущего методом адсорбционно-хроматографического анализа, электронно-парамагнитным резонансом (ЭПР) и рентгенофазовым анализом (РФА).

Для установления необходимого времени перемешивания вяжущее с добавкой выдерживали в лабораторной смесительной установке при постоянном перемешивании и постоянной температуре (150 0С) в течение 15, 30 и 60 мин. (рис. 1).

Лучшие результаты показали ПБВ, приготовленные в лабораторных условиях при температуре 1500С и выдерживании вяжущего в течение мин. при постоянном перемешивании (рис. 1). В производственных условиях в смесительном барабане полимерная добавка еще в большей степени будет совмещаться с вяжущим, что значительно облегчит технологию приготовления БМО смеси.

Вяжущее, приготовленное в лабораторных условиях (t = 1500С, время перемешивания 30 мин.) при содержании добавки АрмПЭВА в количестве 3% с использованием битума БНД 60/90 (с пенетрацией 830,1мм) полностью соответствует марке БНД 60/90. В результате модификации температура размягчения (590С) вяжущего повысилась по сравнению с исходным битумом на 110С, на 40С понизилась температура хрупкости, интервал пластичности увеличился на 150С. Адгезионная композиция на основе севилена, содержащаяся в добавке, улучшила адгезионные свойства вяжущего.

Полимерно-битумное вяжущее показало сцепление с минеральными материалами как основных, так и кислых пород, по контрольному образцу №1 уже при содержании АрмПЭВА в количестве 3%.

Улучшение качественных характеристик битумов, модифицированных АрмПЭВА, объясняется активным взаимодействием молекул этилен-винилацетата, входящих в состав добавки и имеющих полярный характер, с групповыми компонентами битума (углеводородами парафинистого и ароматического характера), что обеспечивает более качественное взаимодействие вяжущего с минеральными материалами. Взаимодействие адгезионной композиции с вяжущим осуществляется за счет раскрытия двойных связей углеводородной цепи полимера и использования потенциала полярных ацетатных групп, заключенных в свободных электронных парах кислорода. Такое активное вовлечения элементов битума (например асфальтенов и парафинистых углеводородов) в создание структуры модифицированного вяжущего требует более низкого расхода добавкимодификатора по сравнению с SBS. Добавку АрмПЭВА рационально вводить в битум в количестве 3% (см. рис. 1). В итоге образуются интерполимерные соединения с взаимопроникающими решетками.

Использование сфрезерованного асфальтобетона в качестве элемента заполняющей части БМО смеси обусловило необходимость применения пластификатора, в качестве которого в работе использовался мазут (табл. 1).

Это связано с тем, что его основная часть – масла и смолы (более 90%).

Поэтому введение мазута позволит омолодить состарившееся в асфальтобетоне вяжущее. Для оценки воздействия пластификатора на физико-механические свойства вяжущего и выявления оптимального его количества была проведена серия испытаний.

Рис. 1. Влияние времени перемешивания и количества АрмПЭВА на:

а- растяжимость вяжущего при 250С; б- растяжимость вяжущего при 00С; впенетрацию при 0 и 250С; г- температуры размягчения и хрупкости вяжущего.

Пластифицированное вяжущее готовили в лабораторной смесительной установке. Количество мазута варьировалось в пределах 1,5 – 6,0%, шагом 1,5% (табл. 1). Из данных табл. 1 видно, что введение мазута позволяет улучшить реологические свойства вяжущего. Повышается растяжимость и пенетрация при 25 и 00С, интервал пластичности. Понижаются температура хрупкости, изменение температуры размягчения после прогрева вяжущего в тонком слое.

Повышенная пористость, а вместе с ней и удельная поверхность открытых битумоминеральных смесей предполагает более интенсивное старение вяжущего. В целях проверки эксплуатационных характеристик разработанного пластифицированного полимерно-армирующего вяжущего Физико-механические показатели битума БНД 60/90 с пластифицирующей Показатели свойств Пенетрация, 0,1мм Интервал пластичности Изменение температуры размягчения после прогрева,0С минеральными материалами 1200 часов при 100 - 1100С. Данные проведенных исследований свидетельствуют о том, что модифицированное вяжущее стареет в значительно меньшей степени, чем исходный битум. Это проявляется в значениях таких показателей, как растяжимость, температура хрупкости, интервал пластичности и др. Вяжущее, включающее в себя помимо полимерного модификатора еще и пластификатор – мазут, подвержено старению в еще меньшей степени.

Проведенные исследования по изучению процессов старения полимерно-армированного вяжущего добавками АрмПЭВА указывают на то, что применение в составе асфальтобетона термопластов определяет возможность многократного нагрева и охлаждения с продолжительным перемешиванием и хранением такого вяжущего без существенного крекинга его полимерной сетки и выпадения ее из структуры.

Замедление процессов старения полимерно-армируюшего вяжущего, в том числе и пластифицированного, по сравнению с битумами без модификатора АрмПЭВА объясняется особенностями его структуры, т.е.

взаимопроникающими решетками. В этих условиях парафины, влияющие на свойства вяжущего, оказываются блокированными в полимерной сетке полиэтиленового модификатора. Асфальтены в такой структуре более изолированы друг от друга и не способны образовывать жесткую и прочную сшивку между собой, что обычно наблюдается при старении вяжущего.

Физико-механические показатели вяжущих до и после старения (в течение 1200 часов при температуре 100 - 1100С) Битум БНД 60/ до старения Битум БНД 60/90 +3% перемешивания – 30 мин.

Битум БНД 60/90 +3% АрмПЭВА, t=1500С, время перемешивания – 30 мин.

Последнее подтверждается результатами исследования группового состава исследуемых вяжущих методом адсорбционно-хромотографического анализа. Пробы вяжущих выдерживались в течение 1200 часов при температуре 100 - 1100С. При введении 3% АрмПЭВА в битуме наблюдается некоторое увеличение содержания асфальтенов, что связано с выделением совместно с этой фракцией дисперсно-армирующих волокон, образующихся при неполном растворении полиэтиленовой составляющей комплексной добавки, обработанной проникающей радиацией. В вяжущем увеличилось содержание смол, уменьшился процент углеводородов (масел), что все вместе делает битум более вязким и более теплоустойчивым. Вяжущее с добавкой АрмПЭВА в наименьшей степени подверглось структурным изменениям, связанным с процессами старения. Относительное увеличение количества асфальтенов составило 2,9% (от 22,35 до 22,99).

При введении в полимерно-армирующее вяжущее 3% мазута количество асфальтенов сокращается на 1,8% по сравнению с полимерно-армированным вяжущим, в тоже время наблюдается повышение количества смол и масел.

Данное явление связано с исключительно высоким содержанием последних пластифицированный мазутом, значительно лучше сопротивляется процессам старения нежели исходный битум: количество асфальтенов в нем возрастает незначительно: от 21,94 до 22,20 % (изменение составило 1,19%).

Показатель структурного типа у модифицированного и модифицировано пластифицированного битумов изменяется очень незначительно по сравнению с исходным битумом: от 0,99 до 1,03 и от 0,90 до 0, соответственно. По дисперсной структуре соответствует оптимальной структуре битумов III структурного типа и не выходит в процессе старения за верхнюю границу этого типа (табл. 3).

Групповой состав исходного битума БНД 60/90 и с добавкой 3% АрмПЭВА до и после старения(в течение 1200 часов при температуре 100 С) Наименование вяжущего ный тип Асфальт С м о л Битум до старения Битум +3% АрмПЭВА до старения Битум +3% АрмПЭВА +3% мазута до старения Битум после старения Битум + 3% АрмПЭВА после старения Битум +3% АрмПЭВА +3% мазута после старения Таким образом, исследования дисперсной структуры полимерноармирующих вяжущих и процессов их старения методом адсорбционнохромотографического анализа позволили установить, что добавка АрмПЭВА в количестве 3% замедляет процессы старения вяжущего. Тоже относится и к полимерно-армирующему вяжущему, пластифицированному мазутом.

Необходимо отметить, что, несмотря на различное влияние, указанные добавки как самостоятельно, так и совместно, в значительной степени препятствуют старению полимерно-армирующего вяжущего.

Совместное использование АрмПЭВА и мазута позволяет, сохранив показатели полимерно-армирующего пластифицированного вяжущего на уровне марки исходного битума, значительно повысить его реологические, технологические и адгезионные свойства.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) позволил исследовать свободнорадикальные процессы, протекающие в вяжущем при добавлении полимера. Он был использован для изучения влияния добавки АрмПЭВА, содержащей полярные ацетатные группы, на структуру и свойства битума. В табл. 4 даны характеристики спектров ЭПР исследуемых образцов. Из представленных данных видно, что в образцах, содержащих битум, наблюдается интенсивный сигнал ЭПР парамагнитных центров.

Проведенные исследования спектров ЭПР, полученных для битума с добавкой 3,0% АрмПЭВА, показали, что концентрация парамагнитных частиц в них значительно превышает зарегистрированную концентрацию в исходном битуме. Более высокая интенсивность парамагнитных частиц в битумах с добавками в сравнении с сопоставляемым исходным битумом свидетельствует и объясняет их более высокую реакционную способность при механо-химических взаимодействиях с минеральными материалами.

Характеристика сигналов ЭПР парамагнитных центров исходного битума Рентгенофазовые исследования структурных свойств дали еще одно подтверждение повышения активности вяжущего, модифицированного АрмПЭВА. Представленная на рис. 2 дифрактограмма битума с добавкой АрмПЭВА имеет также широкий пик галоэффекта, характерный для аморфных соединений, напоминает дифрактограмму исходного битума. Наличие кристаллической, конденсационной фазы на ней не наблюдается, за исключением рефлексов 4,17; 3,38; 3,04( А ), которые можно отнести к частицам полиэтилена, обработанного проникающей радиацией, с самым ярким пиком 4,17( А ).

Дифрактограмма в целом указывает на то, что проба битума с указанными количествами добавки в основном представлена коагуляционной структурой.

Для оценки влияния АрмПЭВА на качественные показатели БМО смесей приготавливали мелкозернистые открытые битумоминеральные смеси с различным содержанием исследуемой полимерно-армирующей добавки (0 - 1,0 % от массы минеральных материалов).

Добавку АрмПЭВА вводили на разогретый минеральный материал, перемешивали в течение 15 – 20 с. до расплавления сэвиленовой составляющей добавки на поверхности минерального материала. Затем в смесь добавлялся обезвоженный битум БНД 60/90, нагретый до 140 – 150 0С и все перемешивалось в течение 20 – 30 с. в лабораторном смесителе до полного и равномерного объединения всех компонентов. Изучены зависимости свойств БМО смесей от температуры приготовления смесей, содержания вяжущего и способов уплотнения.

Б) - битум, модифицированный добавкой АрмПЭВА; В) - АрмПЭВА.

Результаты проведенных испытаний, представленные на рис. 3, указывают на неоднозначное влияние различного количества вяжущего, температур и способов уплотнения на физико-механические свойства открытых битумоминеральных смесей. При оптимальных соотношениях количества битума, АрмПЭВА и технологических приемов значительно улучшаются эксплуатационные характеристики полимерно-армированных БМО смесей: водо-, тепло-, трещиностойкость, сдвигоустойчивость и пр.

При этом наблюдается некоторое снижение прочностных показателей смесей с увеличением содержания вяжущего, что видимо связано с увеличением толщины битумных пленок и уменьшением угла внутреннего трения смеси, а одного сцепления не достаточно для сохранения прочности.

В работе использовался метод стандартного виброуплотнения, ориентировочно равносильный повышению температуры формования на 100С. Данный эффект позволяет производить качественное уплотнение БМО Водонасыщение длительное, %.

Прочность при Прочность при растяжение при расколе, МПа.

Рис. 3. Влияние содержания битума, АрмПЭВА и температуры приготовления на: а- на длительное водонасыщение; б- прочность при сжатии при 200С; в- прочность при сжатии при 500С; г- прочность на растяжение при расколе при 00С БМО смеси.

смесей в случаях, когда в силу ряда причин смесь имеет температуру ниже требуемой, а также позволяет судить о свойствах смесей, приготовленных при повышенных температурах. Положительное влияние виброуплотнения необходимо отметить и в случаях, когда содержание вяжущего находится ниже оптимального. Использование вибрации в данной ситуации позволяет повысить плотность смеси и коэффициенты водостойкости, а также уменьшить водонасыщение и остаточную пористость.

Введение полимерной добавки в открытую битумоминеральную смесь, в количестве до 1,0% положительно сказывается на всем комплексе физикомеханических показателей (см. рис. 3). Наиболее заметное влияние АрмПЭВА на свойства смеси наблюдается при содержании его в количестве 0,5%. По мере увеличения количества добавки свыше 0,5% и до 1,0% влияние полимерно – армирующего компонента также имеет место, но интенсивность его несколько снижается.

Исследованы процессы формирования полимерно-армирующего каркаса в открытых битумоминеральных смесях. Для этого были сформованы образцы БМО смесей, содержащие 0,5% масс. полимерно-армирующей добавки АрмПЭВА и не содержащие ее. Они были помещены в среду органического растворителя – керосина. Образцы погружались на половину их высоты, а также на всю высоту и выдерживались в течение семи суток для растворения и удаления битумного вяжущего с целью установления наличия полимерно-армирующего каркаса и его влияния на устойчивость полученных БМО смесей к воздействию агрессивной среды.

В целом, результаты исследований показали (рис. 4), что при отсутствии в БМО смесях полимерно-армирующей добавки, зерна минерального остова связаны между собой только пленками битумного вяжущего, неустойчивого воздействию растворителя. В результате воздействия легких углеводородов происходит растворение пленок битумного вяжущего в поверхностных слоях образцов и размягчение их в более глубоких, что влечет за собой выкрошивание минеральных частиц с поверхности и полную потерю прочности.

Образцы же, приготовленные из полимерно-армированной БМО смеси полностью сохранили свою целостность (рис. 4), т.к. полимерная добавка в среде вяжущего и совместно с ним распределяется в минеральном каркасе открытой битумоминеральной смеси в виде пленок и таким образом создается пространственная полимерная армирующая решетка. У данных образцов частицы минерального материала связаны между собой пространственным битумно-полимерным армирующим каркасом, который при нагружении и других воздействиях работает более эффективно, чем обычное битумное вяжущее.

Исследование влияния старого сфрезерованного асфальтобетона на физико-механические показатели открытых битумоминеральных смесей проводилось по специальной программе. Моделировался процесс приготовления БМО смеси на смесительной установке АБЗ. Необходимо учитывать, что мелкодисперсный заполнитель уже обработан битумным вяжущим – это значительно облегчает процесс перемешивания всей смеси с битумом и позволяет улучшить показатели водостойкости смеси. Таким образом, использование сфрезерованного асфальтобетона в качестве элемента заполняющей части смеси позволяет предотвратить избирательную фильтрацию компонентов битума в поры минерального материала, т.к., по сути, является особым видом двухстадийной технологии обработки минерального материала вяжущим.

Рис. 4. Образцы БМО смеси после выдерживания в керосине в течение суток. Слева – без добавки, справа – с 0,5% АрмПЭВА Сфрезерованный асфальтобетон уже обработан битумом, причем вяжущее несколько обеднено легкими фракциями. В связи с этим поры необработанного минерального материала закупориваются в основном смолами и асфальтенами, что, тем не менее, предотвращает избирательную фильтрацию при последующем объединении с битумом.

Исследования показали, что для обеспечения хорошего качества и необходимой скорости перемешивания, а также стабильных и высоких физико-механических показателей необходимо ограничить количество сфрезерованного асфальтобетона – не более 20% от массы минерального материала. При превышении указанного количества температура смеси резко снижается и происходит критическое ухудшение всех показателей.

Из рис. 5 видно, что введение в состав заполняющей части фрезерованного асфальтового лома в пределах до 20% масс, позволяет повысить теплостойкость смесей БМО, сократить водонасыщение, повысить прочность при сжатии, при 200С, теплостойкость смесей (R50сж).

Оптимальным, как показал эксперимент, является содержание 3% мазута в БМО смеси, поскольку с увеличением его количества до 6% происходит значительный дисбаланс пропорциональности прочностных показателей – ощутимо понижается прочность на сжатие при 20 и 500С, и в тоже время происходит серьезное увеличение прочности при 00С.

Одним из главных преимуществ открытых битумоминеральных смесей является сочетание высоких прочности, коррозионной устойчивости, долговечной шероховатости и пр. достоинств со стабильной и высокой сдвигоустойчивостью.

Водонасыщение, %.

Прочность при 20 С, МПа.

Рис. 5. Влияние содержания сфрезерованного асфальтобетона и мазута на: а – длительное водонасыщение; б – прочность при растяжении при расколе; в - прочность при сжатии при 200С; г – прочность при сжатии при 500С БМО смеси Варьированием технологическими параметрами приготовления БМО смесей и количествами вяжущего, добавки, пластификатора и ФАЛа удалось добиться оптимального соотношения основополагающих параметров сдвигоустойчивости (рис. 6).

Использование старого сфрезерованного асфальтобетона в качестве элемента заполняющей части открытой битумоминеральной смеси приводит к повышению сцепления. Минеральные материалы, содержащиеся в ФАЛе, обладающие меньшей собственной шероховатостью совокупно с высокопрочным вяжущим, снижают угол внутреннего трения.

Сцепление.

К-т внутреннего трения.

Прочность на сдвиг, МПа.

Рис. 6. Влияние содержания битума, АрмПЭВА, сфрезерованного асфальтобетона и мазута на: а – сцепление; б - коэффициент внутреннего трения; в - сдвиг при 600С по методу Никольского БМО смеси Оптимизировать влияние сфрезерованного асфальтобетона позволяет использование мазута. Оптимальное содержание пластификатора позволяет повысить подвижность БМО смесей, сохранив при этом повышенные прочностные показатели вяжущего.

Избыточное же содержание мазута имеет уже негативное воздействие – чрезмерное пластифицирующее воздействие снижет когезионную прочность битумных пленок. Согласно результатам проведенных исследований (табл. 5) все испытуемые образцы по величине средней высоты выступов шероховатости поверхности являются средне-шероховатыми. По величине коэффициента шага шероховатости в зависимости от способа уплотнения – шероховатошипованными или шипованношероховатыми, соответственно, без участия виброуплотнения и с его участием. Таким образом, в зависимости от способа уплотнения, можно получить макрошероховатую поверхность, соответствующую условиям движения автомобильного транспорта.

Влияние компонентных и технологических факторов Способ уплотнения Количество вяжущего = 5% Количество вяжущего = 5% знаменателе – коэффициент шага шероховатости.

В следующей части исследования проведено экспериментальностатистическое моделирование свойств полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей. В этих целях в диссертационной работе спланировано два полных трехфакторных эксперимента по плану Бокса и получены математические модели, адекватно описывающие зависимость функций отклика от варьируемых факторов:

температура, количество АрмПЭВА и количество битума – для полимерноармированных; и количества ФАЛа, АрмПЭВА и мазута для комплексномодифицированных БМО смесей. Установлены рациональные области значений для исследованных факторов. Получена теоретическая модель оценки и прогнозирования свойств БМО смесей, приготавливаемых с использованием указанных компонентов и технологических факторов.

В четвертой главе «Технология устройства и технико-экономическая эффективность применения полимерно-армированных и комплексномодифицированных БМО смесей» приведены технология, а также данные опытно-производственных работ по результатам исследования, а также результаты устройства замыкающих слоев из полимерно-армированных и комплексно-модифицированных открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами на городских улицах г.

Ростова-на-Дону. Приготовление БМО смесей производилось на оборудовании ОАО «Спецстрой», а устройство экспериментальных участков – силами ООО «ДСУ – 1». Отмечены высокие по сравнению с традиционными материалами эксплуатационные показатели замыкающих слоев покрытий.

Технология укладки и уплотнения открытых битумоминеральных смесей схожа с технологией обычных асфальтобетонов. На старое покрытие разливалась битумная эмульсия из расчета 0,2-0,3 л / м2. С целью повышения качества покрытия укладку смеси производили на полную ширину проезжей части с помощью асфальтоукладчиков на гусеничном ходу. Применялись стандартные асфальтоукладчики, которые располагались уступом на расстоянии 15-20 м друг от друга, их количество определялось шириной укладываемого покрытия. Температура смеси БМО при укладке составляла 145-155 0С.

Далее при уплотнении применялись обычные статического действия легкие гладковальцовые и тяжелые катки на пневмоходу. Уложенный слой БМО уплотняли при температуре от 150 до 90 0С катками, которые двигались по возможности короткими захватками со скоростью не менее 5-6 км/ч, приближаясь как можно ближе к асфальтоукладчику. Уплотнение слоя производили 10 проходами легких катков, а затем 14 проходами тяжелых катков по одному следу. В процессе уплотнения катки двигались по укатываемой полосе челночно от ее краев к оси дороги, а затем от оси к краям, перекрывая каждый след на 20-30 см. Первый проход катка производили, отступив от края покрытия на 10 см. Края уплотняли после первого прохода катка по всей длине захватки.

Экономическая эффективность применения полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей для устройства замыкающих и защитных слоев покрытий составляет:

на момент строительства для полимерно-армированных БМО смесей – 179760р., для комплексно-модифицированных 354051р.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены основные факторы, влияющие на структурные и эксплуатационные свойства вяжущего и БМО смесей защитного слоя покрытия автомобильной дороги, обеспечивающие повышение сдвиготрещино- и коррозионной устойчивости замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий. Установлена эффективность модификации БМО смесей введением в смесь АрмПЭВА, сфрезерованного асфальтобетона и пластификатора – мазута.

2. Исследованы факторы, обусловливающие устройство защитных слоев покрытия автомобильных дорог с применением открытых битумоминеральных смесей с повышенными эксплуатационными свойствами с использованием полимерных добавок и сфрезерованного асфальтобетона. Выявлено, что полимерное армирование и комплексная модификация БМО смесей позволяют улучшить эксплуатационные качества дорожных покрытий. Установлена возможность двухстадийной обработки минерального материала вяжущим за счет введения сфрезерованного асфальтобетона в состав БМО смеси на ранних стадиях перемешивания.

3. Разработаны и получены сдвиго-, тепло-, трещино-, водостойкие комплексно-модифицированные и полимерно-армированные открытые битумоминеральные смеси. Установлены закономерности влияния, границы варьирования основных исследованных факторов на эксплуатационные свойства замыкающих и защитных слоев дорожных покрытий из БМО смесей. Доказана целесообразность применения в качестве полимерноармирующей добавки для БМО смесей отхода производства гидроизоляционных материалов – армирующего полиэтилена, совмещенного с сополимером этилена и винилацетата (сэвилена) – АрмПЭВА, позволяющего улучшать их структурные свойства, замедлять процессы старения, что существенно повышает эксплуатационные свойства защитных слоев дорожных покрытий. Получена теоретическая модель оценки и прогнозирования эксплуатационных характеристик и физико-механических свойств открытых битумоминеральных смесей при устройстве защитных слоев покрытия автомобильных дорог.

4. Проведена опытно производственная проверка полученных полимерно-армированных и комплексно-модифицированных БМО смесей в условиях юга России. Опытные участки, обладают стабильной высокой шероховатостью, прочностью, трещиностойкостью и сдвигоустойчивостью.

Экономический эффект устройства замыкающего слоя покрытия на 7000 м автомобильной дороги составил более 170 тыс. р. для полимерноармированной БМО смеси и свыше 350 тыс. р. для комплексномодифицированной БМО смеси.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Меркулова С.А., Дьяков К.А., Фокин Д.А. Исследование структурных свойств битумов, получаемых на окислительных установках в условиях АБЗ// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство – 99». - Ростов н/Д: РГСУ, 1999. – С. 20.

2. Углова Е.В., Вислобоков Е.М., Дьяков К.А. Температурная и сдвиговая устойчивость асфальтобетонов с добавками гранулированного термоэластопласта// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство – 2000». - Ростов н/Д: РГСУ, 2000. – С.9-10.

3. Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Дисперсноармированный асфальтобетон// Материалы Всероссийской научнопрактической конференции «Современные технические решения по повышению надежности автомобильных дорог и искусственных сооружений». - Краснодар: КубГТУ, 2001. – С.56-58.

4. Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Асфальтобетон повышенной прочности и сдвигоустойчивости// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство – 2001». – Ростов н/Д:

РГСУ, 2001. – С.3-4.

5. Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Комплексное вяжущее для верхних слоев асфальтобетонных покрытий// Материалы конференции «Концепция современного развития автомобилестроения и эксплуатации транспортных средств» – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - С.228-231.

6. Илиополов С.К., Болдырев В.И., Дьяков К.А. Вяжущее для дисперсно-армированного асфальтобетона// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство – 2002». – Ростов н/Д:

РГСУ, 2002. – С.7-9.

7. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Дьяков К.А. Вяжущее, модифицированное полиэтиленом совмещенным с винил-ацетатом// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог». – Краснодар: КубГТУ, 2002. – С. 72-74.

8. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Дьяков К.А. Вяжущее, модифицированное полиэтиленом совмещенным с винил-ацетатом и асфальтобетон на его основе// Материалы научно-практической конференции «Новые технологии и материалы, применяемые при содержании автомобильных дорог. Использование технологии холодного ресайклинга при реконструкции автомобильных дорог». – Ростов н/Д: РГСУ, 2002. – С.38Дьяков К.А. Асфальтобетон с использованием полиэтилен-винилацетата// Сборник Международной научно-практической конференции «Строительство – 2003». - Ростов н/Д: РГСУ, 2003. – С. 30 – 32.

10. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Дьяков К.А. Открытые битумоминеральные смеси для верхних слоев покрытий и шероховатых слоев износа// Региональный ежегодный сборник научных трудов «Дальний Восток: Автомобильные дороги и безопасность движения». - Выпуск №3. – Хабаровск: ХГТУ, 2003г. – С. 13 – 22.

11. Илиополов С.К., Дьяков К.А., Саенко С.С. Экономичный материал для шероховатых слоев дорожных покрытий// Материалы юбилейной Международной научно-практической конференции «Строительство «2004».

– Ростов-на-Дону: РГСУ, 2004. – С. 9 – 11.

12. Дьяков К.А., Дементьев Д.В. Использование фрезерованного асфальтобетона в открытых битумоминеральных смесях// Материалы научно-технической конференции «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог». - Пермь: ПГТУ, 2004.

– С. 89 – 92.

13. Дьяков К.А. Надежное сцепление – залог безопасности движения.

Известия Ростовского государственного строительного университета. - 2004.

- №8. - С. 258.

14. Патент РФ № 2196750 от 27.04.2001 г «Асфальтобетонная смесь».

15. Патент РФ № 2241012 от 27.09.2003 г «Катионная битумная эмульсия для дорожного строительства».

_ Подписано в печать 05.04.05.

Формат 60х84 /16. Бумага писчая. Ризограф.

Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 95.

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