ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Гончаренко Валентин Валентинович

УДК 691. 16:662

БАГАТОКОМПОНЕНТНе КАМ'ЯНОВУГІЛЬНе В'ЯЖУЧе

З ШИРОКИМ ІНТЕРВАЛОМ ПЛАСТИЧНОСТІ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України на кафедрі технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Братчун Валерій Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Золотарьов Віктор Олександрович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, завідувач кафедри технології дорожньо-будівельних матеріалів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Хрипун Микола Дмитрович, Донецький ПромбудНДІпроект корпорації “Укрбуд”, відділ хімії і корозії бетону.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України (кафедра будівельних матеріалів і виробів).

Захист дисертації відбудеться “22” березня 2001 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий " 20 " лютого 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Довговічність дорожнього покриття визначається, насамперед, властивостями застосовуваного органічного в'яжучого матеріалу. Кам'яновугільні дорожні дьогті мають високі температури переходу в пружньо-крихкий стан і низькі температури текучості, характеризується незадовільними адгезійно-когезійними властивостями, а також схильні до інтенсивного старіння. Це призводить до передчасного руйнування дорожнього покриття і накопичення дефектів у вигляді тріщин, вибоїн, напливів та ін. Розширення інтервалу пластичності органічних в'яжучих дозволяє значно збільшити деформативність при негативних температурах і водночас – зсувостійкість при підвищених температурах. Відомо, що інтервал пластичності кам'яновугільних в'яжучих не перевищує 40°С, у той час як у бітумів він коливається від 55°С до 90° С. Для одержання кам'яновугільних в'яжучих з широким інтервалом пластичності їх доцільно модифікувати відсівом полівінілхлориду і комбінованим активним дисперсним наповнювачем (деревний гідролізний лігнін у сполученні з технічною сіркою), одержуючи таким чином багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче (БКВ). Проте теоретичні і технологічні основи одержання багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого вивчені недостатньо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані в межах кафедральної держбюджетної теми К-2-5-96 “Композиційні будівельні матеріали підвищеної довговічності на основі відходів промисловості та енергоощадні технології їх виробництва” (1.01.1996–31.12.2000), а також в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи № 0100U000930 “Встановлення закономірностей модифікування поверхневих властивостей мінеральних дисперсій за допомогою речовин органічного складу з метою вдосконалення структури будівельних матеріалів і виробів конгломератного типу”. Замовник - Міністерство освіти і науки України, 2000 - 2002 рр.

Метою досліджень є теоретичне й експериментальне обгрунтування одержання багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого з широким інтервалом пластичності, встановленням закономірностей формування в ньому комплексно-сполученої мікроструктури поданої коагуляційним каркасом із часток колоїдно-диспергованого активного дисперсного наповнювача в концентрованому розчині полівінілхлориду в гамма-фракції дьогтю.

Задачі досліджень:

·

· визначити області оптимальних складів багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого;

· дослідити процеси структуроутворення в системі “дьоготь - відсів полівінілхлориду - комбінований активний наповнювач”;

· встановити оптимальні температурні режими укладання й ущільнення бетонних сумішей, виготовлених на БКВ;

· вивчити деформаційно-міцнісні властивості й атмосферну стійкість дьогтеполімербетону;

· розробити рекомендації щодо виробництва і застосування багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого;

· здійснити дослідно-промислову перевірку досліджень;

· дати економічне обгрунтування доцільності застосування дьогтебетонних сумішей, виготовлених із використанням БКВ як органічного в'яжучого.

Об'єкт досліджень. Закономірності формування структури в багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому з широким інтервалом пластичності.

Предмет досліджень. Багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче.

Методи досліджень. Процеси структуроутворення в багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому вивчалися з застосуванням спеціальних методів досліджень: ІЧ-спектроскопії, калориметрії, диференційно-термічного аналізу, реології. Оптимальні концентраційні співвідношення в багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому визначалися з використанням методу експериментально-статистичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

·

· із використанням методу експериментально-статистичного моделювання встановлено область оптимальних складів багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого;

· виявлено особливості структуроутворення в системі “дьоготь - відсів полівінілхлориду - комбінований активний дисперсний наповнювач (деревний гідролізний лігнін і технічна сірка)”;

· показано, що бетони, які приготовлені на багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому, за деформаційно-міцнісними характеристиками наближаються до асфальтобетонів.

Практичне значення отриманих результатів:

·

· бетони, приготовлені на багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому, впроваджені в Краснолиманському райавтодорі Донецького об'єднання облавтодор у кількості 100 тонн. Собівартість однієї тонни модифікованої дьогтебетонної суміші склала 123,85 грн.

Особистий внесок здобувача. Предметом захисту є особисто отримані автором:

·

· деформаційно-міцнісні характеристики дьогтебетона на БКВ;

· рекомендації по виробництву і застосуванню Бкв із широким інтервалом пластичності.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи викладені на академічних читаннях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 1998 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Екологія промислових регіонів” (м. Горлівка, 1999 р.); на X Всеукраїнській науковій конференції аспірантів і студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (м. Донецьк, 2000 р).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 статей (2 у часописах і 4 у збірниках наукових праць) і тези доповіді.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох глав, висновків, списку літератури з 161 найменування на 16 сторінках і двох додатків на 7 сторінках. Вміщує 124 сторінки рукописного тексту, включаючи 33 малюнка і 17 таблиць.

ЗАГАЛЬНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність досліджень, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, наведено положення про наукову новизну і практичне значення результатів роботи.

У першому розділі розглянуто вплив якості органічних в'яжучих матеріалів на фізико-механічні властивості покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг, виконано аналіз стану питання про вплив складу і структури розчинів високомолекулярних з'єднань і органічних в'яжучих на температурний інтервал їх пластичності, а також розглянуто існуючі засоби розширення інтервалу пластичності органічних в'яжучих матеріалів.

З аналізу робіт А.М. Богуславського, В.І. Братчуна, М.І. Волкова, Л.Б. Гезенцвея, В.О. Гельмера, М. Дюр'є, В.К. Жданюка, В.О. Золотарьова, М.М. Іванова, А.С. Колбановської, І.В Корольова, Б.І. Ладигіна, В.В. Мозгового, І.М. Руденської, І.О. Риб'єва, Г.К. Сюньї можна дійти висновку про те, що для одержання дорожнього покриття з необхідним комплексом експлуатаційних характеристик варто застосовувати органічне в'яжуче, якому притаманні необхідні адгезійно-когезійні властивості і яке забезпечує покриттям достатню деформативність при низьких негативних температурах і, одночасно – зсувостійкість при високих позитивних температурах. Теоретичні основи одержання органічних в'яжучих матеріалів з широким інтервалом пластичності повинні грунтуватися на закономірностях формування структури концентрованих розчинів високомолекулярних з'єднань (ВМЗ) і модифікованих олігомерами, полімерами і комплексними домішками органічних в'яжучих.

Роботами В.О. Золотарьова, В.І. Братчуна та О.І. Повзуна показано, що ефективним засобом розширення інтервалу пластичності кам'яновугільного дорожнього дьогтю (КДД) є їхнє структурування комплексними домішками, що складаються з полімеру (первинні відходи виробництва полівінілхлориду і полістіролу) і активного дисперсного наповнювача (кубові залишки дистиляції фталевого ангідриду, деревний гідролізний лігнін, довгополуменеве вугілля). Водночас такі системи характеризуються високими температурами переходу в пружньо-крихкий стан.

Ефективним засобом розширення інтервалу пластичності КДД із забезпеченням його деформативності в області негативних температур є вплив на структуру кам'яновугільних в'яжучих комплексними домішками – на дисперсійне середовище КДД відсівом полівінілхлориду, а на дисперсну фазу комбінованим активним дисперсним наповнювачем, що складається з деревного гідролізного лігніну і технічної сірки, одержуючи, таким чином, багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче. Проте оптимальні концентраційні співвідношення компонентів і процеси структуроутворення в багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому, а також фізико-механічні і деформаційні властивості бетону, виготовленого на БКВ, не вивчені.

В другому розділі сформульовані теоретичні передумови досліджень, що полягають у наступному.

При введенні в кам'яновугільний дорожній дьоготь комплексних домішок відсів полівінілхлориду (ПВХ) - деревний гідролізний лігнін (ДГЛ) - технічна сірка (TS) у залежності від в'язкості вихідного дьогтю, необхідно встановити таке концентраційне співвідношення компонентів у системі, при якому у в'яжучому формується структура, представлена полімерною сіткою з надмолекулярних утворень полівінілхлориду, адсорбційно пов'язаних із частками дисперсної фази дьогтю (альфа-фракція) і частками активного дисперсного наповнювача (ДГЛ і TS) у вузлах сітки. Властивості такої системи будуть визначатися властивостями зміненого дисперсійного середовища дьогтю і термомеханічними властивостями коагуляційного каркасу, утвореного дисперсною фазою дьогтю і частками активного дисперсного наповнювача.

Здатність ПВХ до сольватації й асоціації при об'єднанні з дисперсійним середовищем дьогтю, а також розгортання глобул полімеру у витягнуті конформації призведе до утворення в області переходу ПВХ у склоподібний стан у дьогтеполімерному в'яжучому структури, представленою просторовою термофлуктуаційною полімерною сіткою, утвореною диполь-дипольними взаємодіями C-Cl макромолекул ПВХ. Наявність комбінованого активного дисперсного наповнювача (деревний гідролізний лігнін та сірка) при оптимальній концентрації сприятиме формуванню коагуляційної структури в дьогтеполімерному в'яжучому із часток активного дисперсного наповнювача (ДГЛ + TS), що взаємодіють між собою через прошарки дисперсійного середовища, поданого концентрованим розчином ПВХ у гама-фракції дьогтю.

За аналогією з концентрованими розчинами полімерів інтервал пружньов'язкопластичного стану визначається інтервалом молекулярно-масового розподілу компонентів, кількістю вузлів зв'язку і кінетичної гнучкості ефективних полімерних ланцюгів між вузлами просторової термофлуктуаційної полімерної сітки. Розширенню спектра молекулярно-масового розподілу в БКВ сприятимуть пластифікація і розчинення глобулярних утворень полівінілхлориду і диспергування до колоїдного стану часток деревного гідролізного лігніну і технічної сірки гама-фракцією дьогтю (багатокомпонентна суміш ароматичних та гетероциклічних з'єднань). При цьому необхідно експериментально встановити таке концентраційне співвідношення в системі КДД – ВПВХ – ДГЛ – ТS, при якому у тримірній термофлуктуаційній коагуляційній структурі повинно бути сформоване оптимальне співвідношення між вузлами з альфа-фракції дьогтю і колоїдно-диспергованих часток деревного гідролізного лігніну і технічної сірки, що забезпечує підвищення температури переходу БКВ у в'язко-текучий стан і кінетично гнучкими й еластичними макроланцюгами з макромолекул і надмолекулярних утворень ВПВХ між ними, що забезпечує деформативність БКВ в області негативних температур. Введення сірки в обсязі до 20% від маси кам'яновугільного в'яжучого призведе до розчинення частки TS до молекулярного рівня, що збільшить обсяг дисперсійного середовища у в'яжучому (зросте вільний об'єм у БКВ). У результаті взаємодії колоїдно-диспергованих часток сірки з активними групами бета- та альфа-фракцій дьогтю відбудеться часткове руйнування коагуляційного каркасу в БКВ. Це призведе до зниження температури склування багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого.

У третьому розділі наведено характеристику об'єктів та методів досліджень.

Як в'яжучі прийнято складені кам'яновугільні дьогті марок Д-4… Д-6 (ДСТ 4641-80), отримані шляхом змішування середньотемпературного пеку марки Б (ДСТ 1038-75) і антраценового мастила (ТУ 14-666-71).

Для одержання багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого в даній роботі використовувались: первинний відхід виробництва полівінілхлориду – відсів (ВПВХ) (Днепродзержинське об'єднання “Азот”), деревний гідролізний лігнін (ДГЛ) Запорізького та Бобруйського гідролізних заводів і технічна сірка (TS) Горлівського ОАТ “Стирол”.

Відсів полівінілхлориду використовувався з частками розміром (3,15-6,3)*10-5 м; молекулярною масою від 20000 до 120000; щільністю - 1350 - 1450 кг/м3. За фізико-механічними властивостями відсів відповідає вимогам ДСТ 14332-78.

Деревний гідролізний лігнін – відхід спиртового і дріжджового виробництва; високомолекулярний природний полімер із молекулярною масою близько 11000. Термічні характеристики ДГЛ в інтервалі температур від 60 до 150°С свідчать про те, що при температурах суміщення їх із дорожнім дьогтем вони є термічно стабільними. Перед використанням ДГЛ висушували і здрібнювали до часток розміром менше 71*10-6 м.

Сірку використовували ромбічну з температурою плавлення 112,8??С, температурою кипіння 445°С і щільністю 2070 кг/м3. Атомна маса сірки - 32,06.

Мінеральний порошок – вапняковий. Для дослідження впливу властивостей багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого на показники якості дьогтебетону був прийнятий дрібнозернистий бетон (тип В). Щебінь і пісок одержували роздрібненням і розсівом граніту Каранського родовища.

У даній роботі, крім стандартних прийнято низку спеціальних методів досліджень. Процеси і явища, що відбуваються в комплексно-модифікованому кам'яновугільному в'яжучому вивчали із застосуванням ІЧ-спектроскопії, диференційно-термічного аналізу і калориметрії. Інфрачервоні спектри отримані на двопроміневому спектрофотометрі "Perkin Elmer 180" в області від 400 до 4000 см-1. Дериватографічні дослідження виконано на derivatografe системи Paуlyk - Paylyk у діапазоні температур 20 - 450° С. Взаємодія компонентів модифікованого кам'яновугільного в'яжучого вивчалася в запаяних скляних ампулах на мікрокалориметрі типу Кальве конструкції ОІХВ АН СРСР - МКС - 250 у режимі сканування (швидкість підйому температури 1°С/мин). Реологічні дослідження кам'яновугільних в'яжучих виконано на ротаційному пластовіскозиметрі ПВР-2.

Ущільненість, а також деформаційно-міцнісні характеристики модифікованого дьогтебетону вивчали на приладах, розроблених у Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті. Зсувостійкість, умовну пластичність та умовну жорсткість дьогтебетонів в області високих температур визначали на приладі Маршалла.

Для статистичного опрацювання експериментальних даних і проведення регресійного аналізу використовувася пакет програм "Астат 2.0".

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень.

При оптимізації складу багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого вивчався вплив концентрації модифікуючих компонентів на фізико-механічні властивості багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого і бетону, виготовленого з використанням БКВ.

Аналіз залежності температури розм'якшення від концентрації сірки в БКВ виявив, що при вмісті сірки до 15% спостерігається зниження температури розм'якшення. Внаслідок пластифікації органічним в'яжучим сірка розчиняється масляними компонентами органічного в'яжучого; збільшується об'єм дисперсійного середовища багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого.

При введенні деревного гідролізного лігніну в БКВ у обсязі до 10% зростання температури розм'якшення наповненого в'яжучого незначне. Проте, при концентрації ДГЛ понад 10% відбувається різке зростання в'язкості та температури розм'якшення наповненого в'яжучого за рахунок посилення структуруючої дії ДГЛ.

Для оптимізації складу багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого був застосований метод експериментально-статистичного моделювання. Використовувався 18-крапковий чьотирьохфакторний план на трьох цілочисельних рівнях (-1; 0; +1).

У таблицях 1, 2 наведено значення факторів варіювання складу багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого та граничні значення функцій відклику.

Таблиця 1

Значення факторів варіювання, діючих на систему“

дьоготь - ПВХ - комбінований дисперсний наповнювач”

№ п/п Код фактора Фізичний зміст фактора Од. вим. Інтервал варіювання Рівні фактора

-1 0 +1

1 X1 Умовна в'язкість дьогтю, С с 50 50 100 150

2 X2 Масова концентрація відсіву ПВХ у дьогті, СmВПВХ % 0,5 1 1,5 2

3 X3 Масова концентрація ДГЛ у дьогті, СmДГЛ % 5 10 15 20

4 X4 Масова концентрація сірки у дьогті, СmTS % 5 10 15 20

Таблиця 2

Параметри оптимізації складу багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого

і їхні граничні значення.

№ п/п Код фактора Фізичний зміст параметра оптимізації Од. вим. Граничні значення функцій відгуку

1 Y1 Температура розм'якшення за КіК, Тр °С не менш 45

2 Y2 Температура крихкості, Ткр °С не більш мінус 10

3 Y3 Еластичність при 00С, Е0 % не менш 40

Отримані математичні моделі у вигляді неповних поліномів другого ступеня:

Y1(x1,x2,x3,x4)=37,833+2,749Чx1+1,705Чx2-1,022Чx3+1,51Чx4+0,44Чx1Чx4+

+2,095x3Чx4-2,237Чx+1,847Чx; (1)

Y2(x1,x2,x3,x4)=19+1,573Чx1+0,43Чx2-0,293Чx4-1,266Чx1Чx2-1,277Чx--0,671Чx+0,662Чx; (2)

Y3(x1,x2,x3,x4)=55,97+2,847Чx1+2,002Чx2+2,045Чx3-1,448Чx4++2,962Чx1Чx2+4,495Чx1Чx3-

-1,071Чx1Чx4-2,54Чx2Чx3+4,343Чx2Чx4+2,344Чx3Чx4-5,411Чx-7,742Чx-3,547Чx-4,204Чx. (3)

Моделі зі значущими значеннями коефіцієнтів рівнянь регресії перевірялись на адекватність за критерієм Фішера. Коефіцієнт множинної кореляції математичних моделей 0,852; 0,939; 0,885; коефіцієнт варіації 0,041; 0,052; 0,09 відповідно.

Оптимальні концентрації компонентів у багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому визначалися через область допустимих значень факторів X1, X2, X3, X4. Ці області обмежені поверхнями рівня функцій відгуку по кожному з параметрів оптимізації (рис.1).

Аналіз області оптимальних складів дозволив зробити висновок про те, що при в'язкості дьогтю від С=125с до С=145с, концентрації ДГЛ і TS-20%, концентрації ВПВХ від 1,9% до 2% інтервал пластичності (ІП) складає від 59,5°С до 61,5°С, що на 20°С більше, ніж ІП кам'яновугільного дорожнього дьогтю марки Д-6. Багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче оптимального складу характеризується такими фізико-механічними властивостями: глибина проникання голки пенетрометра при 25°С, П25  град. ; температура розм'якшення, Тр °С; температура крихкості, Ткр ,5°С; еластичність при 0°С, Е0 %.

Рис. . Залежність температури роз-м'якшення (Тр), температури крихкості (Ткр) та еластичності (Е0) при 0°С багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого (при фіксованих значеннях концентрації ДГЛ - 20% і TS - 20%) від в'язкості дьогтю і концентрації відсіву ПВХ, а також область оптимальних складів багатокомпонентного ка-м'яновугільного в'яжучого (Opt) при фіксованих значеннях факторів Х3 та Х4. Перехід від кодованих значень до натурального здійснюється за формулами (4, 5, 6, 7).

Х1=100+50*х1 (4)

Х2=1,5+0,5*х2 (5)

Х3=15+5*х3 (6)

Х4=15+5*х4 (7)

Бетон, виготовлений на БКВ оптимального складу (дьоготь С = 125с, ВПВХ - 2%, ДГЛ - 20% і TS - 20%), характеризується такими показниками фізико-механічних властивостей: щільність - 2430 кг/м3; водонасичення - 1,7%, набухання - 0%; межа міцності під час стиску при 0°С - 9,87 МПа, при 20°С - 4,56 МПа, при 50°С - 1 ,55 МПа; коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні - 0,82.

Методом ІЧ-спектроскопії, а також дериватографічними і калориметричними дослідженнями встановлено існування більш сильної міжмолекулярної енергетичної взаємодії між складовими БКВ на межі поділу фаз “дьогтеполімерне в'яжуче – активний дисперсний наповнювач”, ніж між компонентами кам'яновугільного дьогтю. ІЧ-спектр ДГЛ показує, що гідролізний лігнін має у своєму складі реакційно-спроможні функціональні групи - гідроксильні, карбоксильні і карбонильні, що сприяє взаємодії ДГЛ із кам'яновугільним дорожнім дьогтем при об'єднанні при 120°С. У той же час основні смуги поглинання функціональних груп наповнювачів (ВПВХ, ДГЛ і ТS) на ІЧ-спектрах БКВ і ДПВ практично не помітні, що свідчить про відсутність хімічної взаємодії між компонентами БКВ.

З даних, наведених на рисунку 2, очевидно, що деструкція кам'яновугільного дорожнього дьогтю починається вже при 65°С. У той же час початкова температура деструкції дьогтеполівінілхлоридного в'яжучого – 100°С, а багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого – 150°С. Це свідчить про те, що макромолекули і надмолекулярні комплекси полівінілхлориду у випадку ДПВ сорбують велику частину низькомолекулярних вуглеводнів дисперсійного середовища і тим самим підвищують енергію активації процесу їхнього випарювання. Ще міцніше утримуються легкокиплячі компоненти дисперсійного середовища у багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому.

Рис. 2. Залежність втрати маси органічних в'яжучих Dm від температури t: 1 – кам'яновугільний дорожній дьоготь, С=125с; 2 - дьогтеполівінілхлоридне в'яжуче (дьоготь С =125 с з 2% ВПВХ); 3 - багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче (дьоготь С =125с з ВПВХ - 2%, ДГЛ - 20%, TS - 20%).

Термогравиметричні характеристики органічних в'яжучих матеріалів свідчать про те, що в області температур, що відповідають технологічним температурам приготування модифікованих в'яжучих (100 – 125°С), втрата маси БКВ майже в два рази менше, ніж втрата маси ДПВ і традиційного дьогтю. Загальна втрата маси БКВ, ДПВ і складеного кам'яновугільного дьогтю в інтервалі температур від 40°С до1000°С складає 92,2, 97,5 і 99,7% відповідно. Це свідчить про більш сильну міжмолекулярну взаємодію на межі поділу фаз “дьогтеполімерне в'яжуче - дисперсний наповнювач” у багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому в порівнянні із взаємодією між компонентами в дьогтеполімерному в'яжучому й особливо в традиційному дьогті.

Калориметричні дослідження свідчать про диспергування в кам'яновугільному в'яжучому дисперсного наповнювача. Підтвердженням цього є більш інтенсивний нахил залежності теплового потоку бінарних і потрійних систем від температури порівняної з вихідними компонентами (кам'яновугільний дьоготь, відсів полівінілхлориду, деревний гідролізний лігнін). Це сприяє збільшенню міжфазної поверхні в багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому, що і забезпечує більш високу структурованість системи.

Відмітною рисою реологічної поведінки багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого при 25°С у порівнянні з такими для кам'яновугільного дьогтю в'язкістю С =125с (початкове модифікуюче середовище) і дьогтеполімерним в'яжучим (дьоготь С =125с модифікований 2% ВПВХ) є наявність яскраво вираженої аномалії в'язкості с=0,4; для ДПВ с=0,7; для кам'яновугільного дьогтю с1,0 (рис.3), а також поява межі зсувної тривкості ?* при швидкості зсуву =1,591 с-1 (t=25°С) і відсутність ?* на кінетичних кривих виходу напруг зсуву на сталий режим плину при =1,591 с-1 для ДПВ і КД (рис.4).

Рис. 3. Залежність напруги зсуву t органічних в'яжучих від швидкості деформування

при температурі 25°С: 1 – багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче (дьоготь С =125с,

ВПВХ - 2%, ДГЛ - 20%, TS - 20%); 2 - дьогтеполівінілхлоридне в'яжуче (дьоготь С =125с, ВПВХ - 2%); 3 – кам'яновугільний дорожній дьоготь в'язкістю С =125с.

Рис. 4. Кінетика виходу напруг зсуву t на сталий режим плину при температурі 25°С і швидкості зсуву =1,591 с-1 органічних в'яжучих: 1 - багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче (дьоготь С =125с, ВПВХ - 2%, ДГЛ - 20%, TS - 20%); 2 - дьогтеполівінілхлоридне в'яжуче (дьоготь С =125с, ВПВХ - 2%); 3 – кам'яновугільний дорожній дьоготь в'язкістю С =125с.

Це свідчить про існування в БКВ термофлуктуаційної просторової сітки, що обумовлює фізико-механічні властивості модифікованого органічного в'яжучого в області експлуатаційних температур.

Вивчення ущільнювальності модифікованих дьогтебетонів показало, що вони досягають більш вищих значень щільності (2400 – 2430 кг/м3) у більш широкому температурному інтервалі ущільнення (58 - 107°С) порівняно з традиційними гарячими дьогтебетонами (2400 – 2410 кг/м3 при 58 - 86°С). Коефіцієнт ущільнення дьогтебетону на БКВ, на ДПВ і на традиційному складеному дьогті, що характеризує середню витрату енергії на збільшення одиниці середньої щільності, складає 0,063, 0,116 і 0,14 Дж*м3/кг відповідно.

Максимум на кривій температурної залежності межі міцності при вигині бетону на багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому усунутий в область негативних температур (-15°С), що свідчить про його більшу деформативну спроможність при негативних температурах порівняно з гарячим дьогтебетоном на складеному кам'яновугільному дьогті (Ткр =

-10°С) (рис.5). Коефіцієнт температурної чутливості К у модифікованого дьогтебетону складає 0,037, а у традиційного гарячого дьогтебетону - 0,043. Отже, вони більш стійкі до процесів тріщіноутворювання.

Рис.5. Залежність межі тривкості при вигині Rвиг дрібнозернистого дьогтебетону (тип В) від температури t, на кам'яновугільному в'яжучому: 1 – дьоготь С =75с; 2 – дьоготь С =125с, ВПВХ - 2%, ДГЛ - 20%, TS - 20%; 3 – дьоготь С =180с із 1,5% ВПВХ.

На температурній залежності комплексного модуля пружності можна виділити три ділянки. При критичних негативних і позитивних температурах залежність комплексного модуля пружності від температури зменшується, що свідчить про перехід в'яжучого в склоподібний і в'язкотекучий стани відповідно (рис.6). При цьому ділянка, яка відповідає в'язкопружньому стану, для дьогтебетону дорівнює 50°С, для дьогтеполімербетону - 56°С, а для дьогтебетону, приготовленого на БКВ - 67°С.

Модифіковані дьогтебетони характеризуються підвищеною зсувостійкістю при позитивних температурах. Умовна жорсткість модифікованого дьогтебетону вдвічі вище, ніж у гарячого дьогтебетону, отже, їх можна рекомендувати для будівництва ділянок покриттів нежорстких дорожніх одягів, що піддаються великим дотичним напругам (табл.3).

Рис.6. Температурна залежність комплексного модуля пружності Е* дрібнозернистого дьогтебетону (тип В) при частоті деформування 0,1 Гц на в'яжучому: 1 – дьоготь С =75с; 2 – дьоготь С =180с із 1,5% ВПВХ; 3 - С =125с із 2% ВПВХ, 20% ДГЛ і 20% TS.

Таблиця 3

Значення показників, що характеризують зсувостійкість дьогтебетонів

за методом Маршалла

№ п/п Дрібнозернистий бетон (тип В) на органічному в'яжучому із складом: Стійкість, Н Умовна пластичність, 1/10 мм Умовна жорсткість, Н/мм

1 Дьоготь С =125с із 2% ПВХ, 20% ДГЛ, 20% ТS, МП -вапняковий 24492 20,5 11947,3

2 Дьоготь С =75с, МП - вапняковий 18234 33 5525

Бетони із застосуванням БКВ менш схильні до процесів старіння, ніж традиційні дьогтебетони. Коефіцієнт старіння після прогріву в кліматичній камері ІП-1 при температурі 60°С і дії ультрафіолету протягом 900 годин складає для бетону на БКВ – 1,5, а для гарячого дьогтебетону – 2,4.

П'ятий розділ присвячений практичному застосуванню результатів досліджень.

За результатами досліджень розроблено рекомендації щодо виробництва і застосування багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого і бетонів на його основі. На асфальтобетонному заводі Краснолиманського райавтодору Донецького об'єднання облавтодор у 2000 році вироблено 100 т дьогтебетонної суміші з використанням у якості в'яжучого БКВ. Суміш покладено у верхній прошарок дорожнього одягу автомобільної дороги Київ - Харків – Должанський у районі села Доліна. При будівництві ділянки дорожнього одягу суміш відрізнялася доброю зручноукладальністю і досягала проектної щільності за меншу кількість проходів котка. У результаті дослідно-промислової перевірки бетонні суміші з використанням БКВ можна рекомендувати для будівництва верхніх шарів нежорстких дорожніх одягів II і III технічних категорій. Собівартість однієї тонни модифікованої дьогтебетонної суміші склала 123,85 грн.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично й експериментально доведено, що ефективним засобом розширення температурного інтервалу пластичності, зниження температурної чутливості кам'яновугільних дорожніх дьогтів (КДД) і, таким чином, підвищення деформативності при негативних і зсувостійкості при позитивних температурах дьогтебетонних дорожніх покриттів є структурування КДД комплексною домішкою, що складається з відсіву полівінілхлориду (ВПВХ), деревного гідролізного лігніну (ДГЛ) і технічної сірки (TS).

2. З використанням методу експериментально-статистичного моделювання встановлено області оптимальних складів багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого (БКВ). Область оптимальних значень обмежується значенням в'язкості від С =125с до С =145с, концентрацією ВПВХ від 1,9% до 2% при концентрації ДГЛ і TS – 20%. Інтервал пластичності в цій області коливається від 59,5°С до 61,5°С. Найбільше значення інтервалу пластичності - 61,5°С досягається при концентрації в дьогті в'язкістю С = 125с ВПВХ - 2%, ДГЛ - 20% і TS - 20%. При цьому у в'яжучому формується оптимальна коагуляційна структура з часток дисперсної фази (альфа-фракція дьогтю, частки колоїдно-диспергованих ДГЛ і TS), що взаємодіють між собою через прошарки дисперсійного середовища поданої концентрованим розчином ВПВХ у гама-фракції дьогтю.

3. За методом ІЧ-спектроскопії а також дериватографічними і калориметричними дослідженнями було доведено існування більш сильної міжмолекулярної взаємодії між складовими БКВ на межі поділу фаз “дьогтеполімерне в'яжуче - активний дисперсний наповнювач” у порівнянні з міжмолекулярною взаємодією між гама-, бета- і альфа-фракціями в кам'яновугільному дьогті. Це сприяє: а) формуванню просторової структури модифікованого кам'яновугільного в'яжучого з широким спектром молекулярно-масового розподілу компонентів; б) розширенню інтервалу пластичності; в) зниженню температурної чутливості БКВ. Реологічними дослідженнями доведено існування просторової структурної сітки, утвореної макромолекулами і надмолекулярними утвореннями ПВХ, і коагуляційного каркаса з часток дисперсної фази дьогтю і колоїдно-диспергованих ДГЛ і TS.

4. Модифіковані дьогтебетонні суміші характеризуються підвищеною ущільнювальністю в інтервалі температур від 58 до 107°С, а бетони – підвищеним опором зсуву при позитивних температурах (умовна жорсткість при 60°С - 11947,3 Н/мм) і високими значеннями динамічного модуля пружності. Крім цього, за рахунок розширення інтервалу пластичності БКВ збільшується температурна область, у якій дьогтебетон знаходиться в пружньов'язкому стані. Вони більш стійкі до старіння. Дьогтебетони, виготовлені на БКВ оптимального складу, характеризуються підвищеними фізико-механічними властивостями і за своїми показниками наближаються до гарячих асфальтобетонів.

5. Розроблено рекомендації щодо виробництва і застосування багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого. Багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче впроваджено у Краснолиманському райавтодорі Донецького об'єднання облавтодор. Із використанням БКВ було виготовлено 100 тонн дьогтебетонної суміші. Собівартість однієї тонни модифікованої дьогтебетонної суміші склала 123,85 грн.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в наступних публікаціях:

1. Ходун В.Н., Доля А.Г., Гончаренко В.В., Левченко Д.В., Беспалов В.Л., Рыбалко И.Ф. Об особенностях работы дегтебетона в нежестких дорожных покрытиях // Вестник ДГАСА. – Макеевка. – 1998. – вып.№1(9). – С. 35-36.

2. Гончаренко В.В. Комплексне кам'яновугільне в'яжуче для дорожнього будівництва // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - №56. – 1998. – С. 70-72.

3. Гончаренко В.В. Многокомпонентное каменноугольное вяжущее // Вестник ДГАСА. – Макеевка. – 1999. – вып. №2(16). – С.113 – 114.

4. Гончаренко В.В. Комплексное каменноугольное вяжущее для дорожного строительства // Сборник трудов международной научно-технической конференции “Экология промышленных регионов” - г. Горловка, 1999. – С. 263 – 266.

5. Братчун В.И., Гончаренко В.В. Оптимізація складу багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого з широким інтервалом в'язкопружньої поведінки // Автошляховик України. – 2000, № 1 (159). – С. 41-42.

6. Братчун В.И., Гончаренко В.В., Ходун В.М., Александров В.Д. Дослідження поверхневих явищ у дьогтьополівінілхлоридному в'яжучому, структурованому комбінованим наповнювачем (деревний гідролізний лігнін + технічна сірка) // Вестник ДГАСА. – Макеевка. – 2000 – 2(22). – С.62-64.

7. Гончаренко В.В. Вивчення ущільнювальності дьогтьобетонних сумішей, що приготовлені на багатокомпонентному кам'яновугільному в'яжучому // Вестник ДГАСА. – Макеевка, - 2000 – 2 (22). – С.170-172.

8. Гончаренко В.В., Емченко Е.В. Улучшение свойств каменноугольных вяжущих за счет введения отходов промышленности // Материалы X Всеукраинской научной конференции аспирантов и студентов “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. – Донецьк. – 2000. – С. 58 – 59.

Особистий внесок автора у ціх публікаціях. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У публікаціях автором: розглянуто деформаційно-напружений стан дорожніх покриттів, що влаштовуються із застосуванням органічних в'яжучих матеріалів [1]; показана можливість одержання комплексного кам'яновугільного в'яжучого шляхом введення комбінованого активного дисперсного наповнювача [2]; експериментально вивчені фізико-механічні властивості багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого і бетону з його використанням [3]; виконана оптимізація складу багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого [5]; методами ІЧ-спектроскопії, ДТА і калориметрії експериментально вивчені поверхневі явища в системі “дьогтеполівінілхлоридне в'яжуче - активний дисперсний наповнювач” [6]; визначені оптимальні температурні режими приготування й ущільнення дьогтебетонів, одержаних із застосуванням багатокомпонентних кам'яновугільних в'яжучих [7].

АННОТАЦИЯ

Гончаренко В.В. Многокомпонентное каменноугольное вяжущее с широким интервалом пластичности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05. – Строительные материалы и изделия. – Донбасская государственная академия строи-тельства и архитектуры, Макеевка, 2001.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию получения многокомпонентного каменноугольного вяжущего с широким интервалом пластичности, установ-лением закономерностей формирования в нем комплексно-сопряженной микроструктуры пред-ставленной коагуляционным каркасом из частиц коллоидно-диспергированного активного дис-персного наполнителя в концентрированном растворе полимера в g-фракции дегтя. При модифи-кации каменноугольного дорожного дегтя отсевом поливинилхлорида в результате разворачива-ния глобул полимера в вытянутые конформации формируется пространственная полимерная сет-ка, образованная за счет переплетения и межмолекулярного взаимодействия макромолекул и над-молекулярных образований ПВХ. Оптимальное содержание активного дисперсного наполнителя способствует образованию коагуляционной структуры в вяжущем и повышению общей структу-рированности системы. Структурирующее действие ДГЛ одновременно с пластифицирующим действием серы будет способствовать смещению температуры перехода вяжущего в вязко-текучее состояние в область более высоких положительных температур и смещению температуры стекло-вания в область более низких отрицательных температур. Следовательно, многокомпонентное ка-менноугольное вяжущее (МКВ) будет характеризоваться более широким интервалом пластично-сти. С использованием метода экспериментально-статистического моделирования определены оп-тимальные концентрационные соотношения комбинированного дисперсного наполнителя в ка-менноугольном дорожном дегте. При содержании в дегте вязкостью С=125с 2% отсева поливи-нилхлорида, 20% древесного гидролизного лигнина и 20% технической серы интервал пластично-сти многокомпонентного каменноугольного вяжущего достигает 61°С. Наличие в составе актив-ного дисперсного наполнителя реакционно-способных функциональных групп, обеспечивает вы-сокую адгезионную активность модифицированного органического вяжущего. Методом ИК-спектроскопии, а также дериватографическими и калориметрическим исследованиями доказано существование сильного межмолекулярного взаимодействия, способствующего созданию в МКВ непрерывного спектра молекулярно-массового распределения, расширению интервала пластично-сти и снижению температурной чувствительности МКВ. Модифицированные дегтебетоны дости-гают высоких значений плотности при уплотнении в широком температурном интервале уплотне-ния, а также характеризуются высокими показателями сдвигоустойчивости и динамического мо-дуля упругости по сравнению с горячими дегтебетонами. Они обладают более высокой водо- и морозостойкостью, и менее склонны к старению, чем горячие дегтебетоны. Многокомпонентные каменноугольные вяжущие внедрены в Краснолиманском райвтодоре Донецкого объединения об-лавтодор.

Ключевые слова: многокомпонентное каменноугольное вяжущее, интервал пластичности, отсев поливинилхлорида, древесный гидролизный лигнин, техническая сера, физико-механические и деформационные свойства.

АНОТАЦІЯ

Гончаренко В.В. Багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче з широким інтервалом пластичності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05. – Будівельні матеріали та вироби. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2001.

Дисертація присвячена теоретичному і експериментальному обгрунтуванню одержання багатокомпонентного кам'яновугільного в'яжучого з широким інтервалом пластичності на основі встановлення закономірностей формування в них комплексно-сполученої мікроструктури поданої коагуляційним каркасом із часток активного дисперсного наповнювача у концентрованому розчину полімеру в гама-фракції дьогтю. При модифікації кам'яновугільного дорожнього дьогтю відсівом полівінілхлориду в результаті розгортання глобул полімеру у витягнуті конформації формується просторова полімерна сітка, утворена за рахунок переплетення і міжмолекулярної взаємодії макромолекул і надмолекулярних утворень ПВХ. Оптимальний зміст активного дисперсного наповнювача сприяє утворенню коагуляційній структури у в'яжучому і підвищенню загальної структурованості системи. Структуруюча дія ДГЛ одночасно з пластифікуючою дією сірки буде сприяти зміщенню температури переходу в'яжучого у в'язко-текучий стан в область більш високих позитивних температур і зсуву температури склування в область більш низьких негативних температур. Отже, багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче буде характеризуватися більш широким інтервалом пластичності. З використанням експериментально-статистичного моделювання встановлені оптимальні концентраційні співвідношення комбінованого дисперсного наповнювача в кам'яновугільному дорожньому дьогті. Методом ІЧ-спектроскопії, а також дериватографічними і калориметричними дослідженнями доведено існування тривкоі міжмолекулярної взаємодії, що сприяє створенню в БКВ безперервного спектра молекулярно-масового розподілу, розширенню інтервалу пластичності і зниженню температурної чутливості БКВ. Вивчені фізико-механічні та деформаційно-міцнісні властивості БКВ та бетонів на їх основі. Результати роботи упроваджені в Краснолиманському райавтодорі Донецького об'єднання облавтодор.

Ключові слова: багатокомпонентне кам'яновугільне в'яжуче, інтервал пластичності, відсів полівінілхлориду, деревний гідролізний лігнін, технічна сірка, фізико-механічні і деформаційні властивості.

ABSTRACT

Goncharenko V.V. Multicomponent coals binder, with wide interval plasticity. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a Speciality 05.23.05. - Building materials and products. - Donbass state academy of building and architecture, Makeyevka, 2001.

The thesis is dedicated to the idealized and experimental substantiation of obtaining multicomponent coals binder with a broad interval of a plasticity, installation of legitimacy of formation in it of a complex conjugate microstructure by an introduced coagulate framework from fragments is colloidal-dispersed of a fissile dispersed filling material in a strong solution of polymer in a gamma-fraction of tar. At modification of carboniferous road tar the fines breeze of polyvinylchloride (PVC )as a result of turning about globules of polymer in the prolated conformations reshapes a spatial polymer grid derivated at the expense of an interlacing and an intermolecular interaction of macromolecules and supramolecular formations PVC. The optimum contents of a fissile dispersed filing material promotes formation of coagulate frame in astringent and increase of general structuredness of a system. The structured operating wood hydrolyzing lignin is simultaneous with plasticizing operating of sulphur will promote displacement of a junction temperature astringent in a viscous-flow condition in area of higher positive temperatures and displacement of glass transition in area of lower negative temperatures. Therefore, multicomponent coals binder will be characterized by more broad interval of a plasticity. With usage of a method of experimentally- statistical simulation the optimum concentration ratio of a combined dispersed filling material in carboniferous road tar are determined. At the contents in tar by viscosity C=125sec 2% of fines breeze of PVC, 20% of wood hydrolyzing lignin and 20% of technical sulphur the interval of a plasticity MCB reaches 61,5°C. Modified tarconcretes reach high values of density at seal in a broad temperature band of seal, and also are characterised by high parameters of shift-stability and complex modulus of resiliency as contrasted to ardent tarconcrete. They have higher water- and frost hardiness, and are less inclined to an aging, than ardent tarconcrete. Multicomponent coals binder are inserted in Krasniy Liman rayavtodor of Donetsk affiliation oblavtodor.

Key words: Multicomponent coals binder, interval plasticity, fines breeze of polyvinylchloride, wood hydrolyzing lignin, the technical sulphur, physical-mechanical and is deformation properties.