ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

САДЕК АХМЕД КАІД СИНАН

УДК 625.855: 611.185

ПІДВИЩЕННЯ ВОДОСТІЙКОСТІ АСФАЛЬТОБЕТОНУ ДЛЯ РАЙОНІВ

ЄМЕНУ З ВОЛОГИМ КЛІМАТОМ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології дорожньо-будівельних матеріалів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | Кандидат технічних наук, доцент

Космін Олександр Віталійович

Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри

технології дорожньо-будівельних матеріалів

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор

Братчун Валерій Іванович

Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг;

Кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник

Хрипун Микола Дмитрович

Донецький ПромбудНДІпроект Держбуду України, відділу хімії і корозії бетону

Провідна установа: | Українська державна академія залізничного транспорту, кафедра будівельних матеріалів, конструкцій та споруд, Міністерство транспорту України (м. Харків).

Захист дисертації відбудеться “05“ листопада 2002 року о1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (61002, м. Харків, вул. Сумська, 40).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (61002, м. Харків, вул. Сумська, 40).

Автореферат розісланий “ 01 “ жовтня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Ємельяненко М.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Деякі приморські райони Ємену характеризуються вологим кліматом з середньорічною кількістю опадів у вигляді дощу більш 600 мм. Ці опади випадають протягом року нерівномірно: кількість опадів у найбільш вологий місяць року досягає 120 мм. Під впливом опадів у дорожніх асфальтобетонних покриттях виникають руйнування у вигляді лущення, викришування, вибоїн.

Причиною такої поведінки дорожнього асфальтобетону в умовах впливу води, температури і руху транспортних засобів є зміщення плівки бітуму водою з поверхні мінеральних складових асфальтобетону. Зазначені фактори особливо небезпечні при використанні в асфальтобетоні кислих кам’яних матеріалів в якості заповнювачів, низької якості або відсутності у складі асфальтобетону мінерального порошку, застосуванні малоактивних бітумів, порушеннях технології приготування асфальтобетонних сумішей і улаштування дорожніх покриттів.

Для підвищення водостійкості асфальтобетонів використовують різні технологічні заходи, з яких найбільш ефективним є уведення до складу асфальтобетонів добавок поверхнево-активних речовин (ПАР). Ефективність дії цих добавок визначають переважно з використанням методів визначення адгезійних властивостей бітумів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планом науково-дослідних робіт ХНАДУ за темою “Розробка дорожніх матеріалів підвищеної довговічності” (1998 – 2003 рр.).

Мета дослідження. Метою роботи є визначення ефективного способу уведення добавок ПАР до складу асфальтобетону для підвищення його водостійкості; розробка прискореного методу оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР.

Задачі дослідження:

1. Сформулювати теоретичні положення прискореної оцінки адгезії бітумів з добавками ПАР до поверхні мінеральних матеріалів.

2. Розробити прискорений метод оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР за ступенем гідрофобності приготованих з їх застосуванням активованих мінеральних порошків, або обробленої ними фракції 0,16...0,315мм мінерального порошку.

3. Вивчити вплив складу та дисперсності активованих мінеральних порошків та їх вузьких фракцій на ступень їх гідрофобності.

4. Встановити вплив складу та дисперсності активованих мінеральних порошків та їх вузьких фракцій на фізико-механічні властивості асфальтов’яжучих.

5. Вивчити вплив способу уведення добавок ПАР до складу асфальтобетону на його властивості.

Об’єкт дослідження. Асфальтобетони з добавками ПАР підвищеної водостійкості; фракції активованого мінерального порошку.

Предмет дослідження. Уведення добавок ПАР у склад асфальтобетону різними способами: до складу бітуму, на поверхню мінерального порошку і до складу активуючої суміші при виробництві активованого мінерального порошку.

Методи досліджень. Для оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР використовували метод визначення показника зчеплення бітумів нафтових дорожніх в’язких з поверхнею скла та кам’яних матеріалів (ДСТУ Б В.2.7-81-98) та розроблений автором прискорений метод оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР за тривалістю плавання активованих цими бітумами або бітумами з добавками ПАР мінеральних порошків або обробленої ними фракції 0,16...0,315мм мінерального порошку на поверхні киплячої дистильованої води. Взаємодію катіоноактивного ПАР, бітуму та кварцового мінерального порошку у складі асфальтов’яжучого вивчали з допомогою ІЧ – спектрофотометру SPECORD – 75 IR. Для оцінки фізико-механічних властивостей асфальтов’яжучих та асфальтобетонів використовували стандартні методи та прилади для випробування цих матеріалів. Ступінь структурованості асфальтов’яжучих оцінювали за температурою розм’якшення та за величиною опору зсуву на пластовіскозіметрі ПВР-2. Для визначення можливості перерозподілу частини надлишкової кількості ПАР у складі активуючої суміші активованого мінерального порошку на поверхню мінеральних складових асфальтобетону, які не вміщують ПАР, запропоновано метод змішування активованого мінерального порошку з крупною фракцією кварцового піску і метод занурення скляних кульок до активованого мінерального порошку з наступною оцінкою гідрофобних властивостей поверхні кварцового піску, що відсіяна з даної суміші, та скляних кульок, які вилучені з активованого мінерального порошку.

Наукова новизна одержаних результатів

Теоретично обґрунтована можливість прискореної оцінки адгезії бітумів і бітумів з добавками ПАР до поверхні мінеральних матеріалів за тривалістю плавання фракції 0,16...0,315мм активованого з використанням цих матеріалів мінерального порошку на поверхні киплячої дистильованої води.

Встановлено існування оптимального вмісту ПАР у складі активуючої суміші мінерального порошку, після перевищення якого ступінь гідрофобності активованого мінерального порошку зменшується, фізико-механічні властивості асфальтов’яжучих та асфальтобетонів погіршуються.

Показана можливість перерозподілу частини надлишкової кількості ПАР зі складу активуючої суміші активованих мінеральних порошків на поверхню контактуючих з цими порошками заповнювачів асфальтобетону.

Запропоновано формулу для визначення середньої товщини бітумних плівок (плівок активатору) на поверхні зерен вузьких фракцій активованого мінерального порошку. Розрахунки, що виконані з допомогою цієї формули, показали, що зі зменшенням розмірів мінеральних частинок середня товщина бітумних плівок (плівок активатору) на їх поверхні зменшується, а доля активатору, з урахуванням збільшення вмісту дрібних фракцій у складі мінерального порошку, збільшується.

Визначено, що агрегування мінерального порошку у асфальтов’яжучому і асфальтобетоні зменшує реальну поверхню взаємодії в них мінерального порошку з бітумом. Агрегування мінерального порошку необхідно ураховувати під час розрахунку середньої товщини бітумної плівки у асфальтов’яжучому і у асфальтобетоні.

Визначено, що водостійкість асфальтових матеріалів зі збільшенням дисперсності мінеральних порошків у їх складі може знижуватись, внаслідок збільшення агрегування мінеральних порошків і набухання не оброблених бітумом дисперсних мінеральних частинок.

Визначена відсутність хімічної взаємодії у системі бітум – катіоноактивні ПАР УДОМ-1або CECABASE-260 – кварцовий мінеральний порошок за результатами досліджень з допомогою ІЧ – спектрофотометру SPECORD – 75 IR.

Показано зниження температури розм’якшення асфальтов’яжучих при малих кількостях в них мінерального порошку і суттєве зростання цього показника зі збільшенням концентрації порошку. При цьому істинна в’язкість асфальтов’яжучих за результатами випробувань на пластовіскозиметрі ПВР-2 пропорційно зростає зі збільшенням концентрації порошку при усіх температурах випробування як при відсутності у бітумі добавки ПАР, так і при їх наявності.

Достовірність. Достовірність результатів дослідження підтверджується узгодженістю експериментальних даних теоретичним передумовам; відповідністю тенденцій зміни фізико-механічних властивостей асфальтов’яжучих та асфальтобетонів зміні кількості ПАР у складі активуючої суміші активованого мінерального порошку; результатами статистичної оцінки точності експериментальних даних.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

- розробці прискореного методу оцінки адгезії бітумів і бітумів з добавками ПАР до мінеральної поверхні, з допомогою якого можливо оперативно обирати ПАР і визначати ії оптимальне дозування для поліпшення адгезійних властивостей бітуму;

- визначенні оптимального вмісту ПАР у складі активатору активованого мінерального порошку, який суттєво менший, у порівнянні з рекомендованим ГОСТ 16557-78;

- визначенні оптимального вмісту ПАР, що уводять у суміші з бітумом до складу асфальтобетону, перевищення якого погіршує показники фізико-механічних властивостей асфальтобетону;

- пропозиції економного витрачання ПАР у асфальтобетоні за рахунок використання комбінованих активованих мінеральних порошків.

Особистий внесок здобувача полягає у наступному:

- сформульовані теоретичні передумови дослідження;

- запропоновано формулу для розрахунку товщини плівки активатору на поверхні частинок активованого мінерального порошку різної крупності;

- розроблено методику прискореної оцінки адгезійних властивостей бітумів і їх сумішей з добавками ПАР відносно різних мінеральних матеріалів;

- вивчено вплив складу та дисперсності активованих мінеральних порошків та їх вузьких фракцій на фізико-механічні властивості асфальтов’яжучих;

- вивчено вплив способу уведення добавок ПАР до складу асфальтобетону на його властивості.

Апробація результатів дисертації

За результатами досліджень зроблені доповіді на Міжнародній конференції “Автомобільний транспорт і дорожнє господарство на рубежі третього тисячоліття” (Харків, 2000 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології і енергозбереження у дорожньому будівництві” (Київ, 2001 р.), на Сьомих Академічних читаннях Російської академії архітектури та будівельних наук “Сучасні проблеми будівельного матеріалознавства” (Белгород, 2001 р.), на наукових конференціях викладачів та наукових співробітників Харківського НАДУ (2001 р., 2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковані 6 статей та 1 доповідь на науковій конференції.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шости розділів, висновків, списку літератури з 108 найменувань на 9 сторінках, і 11 додатків на 56 сторінках. Містить 163 сторінки основного тексту, серед них 51 рисунок (30 сторінок) і 12 таблиць (4 сторінки).

ОСНОВИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність прийнятого напрямку досліджень, розкриті мета досліджень, наукова новизна та практичне значення.

У першому розділі розглядається стан питання за умовами праці асфальтобетону у приморських районах Ємену з вологим кліматом. У районах Ємену з вологим кліматом з річною кількістю опадів близько 600 мм, за умовою їх нерівномірного випадання протягом року, спостерігаються руйнування дорожнього асфальтобетонного покриття у вигляді лущення, викришування та вибоїн, які викликані діянням води на матеріал дорожнього покриття.

Проаналізовано властивості асфальтобетону у дорожньому покритті, характеристика та причини його руйнування під дією води. В зв’язку з цим розглядаються фактори, що впливають на водостійкість асфальтобетону і шляхи її підвищення, яким присвячено роботи Лисіхіної О.І., Колбановської А.С., Рибьєва І.О., Рибьєвої Т.Г., Горелишева М.В., Волкова М.І., Золотарьова В.О., Корольова І.В., Гезенцвея Л.Б., Братчуна В.І., Борща І.М., Сюньї Г.К., Ковальова Я.М., Бусела О.В., Жданюка В.К., Поясника Г.В., Камруззамана М., Писанко А.О. та ін. дослідників.

У другому розділі розглянуто існуючі методи оцінки адгезійних властивостей бітумів. На зазначених методах ґрунтуються роботи Лисіхіної О.І., Колбановської А.С., Золотарьова В.О., Якубовської Г.Г., Малеванського В.В., Духовного І.Є., Агеєвої О.М., Nicholson V., Riedel W., Weber M., Bloeminc F., Peterman E., Momcheva L., Laradi N., Haddadi S., Langolios R., Frederic C.

Традиційним та найбільш ефективним методом підвищення водостійкості асфальтобетону є уведення до нього добавок ПАР. Лисіхіна О.І. відзначала можливість уведення добавок ПАР до асфальтобетонної суміші у складі бітуму.

За висловлюваннями Гезенцвея Л.Б., найбільш простим та ефективним способом уведення добавок ПАР до асфальтобетонної суміші є активація мінеральних порошків.

Рибьєв І.О. розглядав варіанти уведення добавок ПАР до асфальтобетонної суміші у складі бітуму та на поверхню мінеральних матеріалів.

У роботах Золотарьова В.О., Бельмеждуба М.А., Поясника Г.В., Жданюка В.К., Писанко А.О. розглядається можливість уведення добавок ПАР до складу асфальтобетонної суміші шляхом обробки поверхні мінеральних складових суміші водним розчином добавки.

Для проведення експериментальних досліджень були прийняті гранітні щебінь та висівки, активовані та неактивовані вапнякові та кварцові мінеральні порошки, бітуми в’язкі нафтові дорожні марок БНД 40/60 та БНД 60/90, розріджений бітум марки МГ 70/130. Окрім перелічених бітумів різних марок з добавками ПАР, в якості активатору мінеральних порошків використовували також відпрацьовані мастильні масла (відходи масла). ПАР, що застосовували: катіоноактивні ПАР (КПАР) УДОМ-1 (Україна) та CECABASE-260 (Франція); аніоноактивну ПАР (АПАР) – кубові залишки синтетичних жирних кислот (КЗСЖК) – відходи виробництва синтетичних мийних засобів Шебекінського хімкомбінату (Росія).

У третьому розділі розроблено методику оцінки адгезійних властивостей бітумів за ступенем гідрофобності оброблених цими бітумами мінеральних порошків. Для проведення даних досліджень використовували висушену фракцію кварцового мінерального порошку 0,16…0,315 мм, яку одержували просіюванням мінерального порошку крізь стандартні сита мокрим способом. Цю фракцію порошку, підігріту до температури 130 0С, перемішували з 0,3 % за масою підігрітого до тієї ж температури бітуму або 110 0С - бітуму з добавкою ПАР (активатору). Прийнята кількість активатору повинна була забезпечувати товщину плівки активатору, яка відповідає середній товщині плівки активатору (?0,071) на зернах фракції мінерального порошку дрібніш 0,071 мм при вмісті 2 % активатору (А) за масою у складі порошку.

Необхідна кількість активатору (х) для і-ої фракції визначається за формулою (2):

,%, (2)

де ?і – товщина плівки активатору на поверхні частинок і-ої фракції мкм, при 2% у складі мінерального порошку активатору за масою.

Для визначення товщини бітумної плівки в асфальтовій системі пропонується формула (3):

, (3)

де D – середня величина між розмірами найближчих за розмірами стандартних сит, см; сБ – істинна щільність бітуму, г/см3; mмч – маса мінеральної частини в прийнятому об’ємі асфальтової системи, г; mБ – маса бітуму в прийнятому об’ємі асфальтової системи, г; смч – істинна щільність мінеральної частини, г/см3.

В даному випадку для фракції мінерального порошку 0,16…0,315 мм кількість активатору дорівнює:

.

Простота й оперативність методики оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР за ступенем гідрофобності активованих ними мінеральних порошків або обробленої ними фракції 0,16...0,315 мм мінерального порошку полягає в тому, що вона дозволяє протягом кількох хвилин оцінити ступінь гідрофобності мінерального порошку або обробленої фракції мінерального порошку як здатність його частинок протягом певного часу знаходитись на поверхні киплячій дистильованій води, яка зміщує плівку активатору з поверхні мінерального матеріалу.

При обґрунтуванні методики були вивчені фактори, що впливають на ступінь гідрофобності активованого (гідрофобізованого) мінерального порошку (адгезія активатору – вид та кількість ПАР; товщина плівки активатору – розмір мінеральних зерен, вид та кількість активатору).

Кількість ПАР у складі активатору можливо приймати в залежності від ступеню гідрофобності активованих кварцового та вапнякового мінеральних порошків. У випадку збільшення кількості ПАР у складі активатору понад оптимальну на поверхні частинок мінерального порошку може утворитись додатковий мономолекулярний шар з ПАР, орієнтованих вуглеводневими групами до відповідних груп молекул першого мономолекулярного шару, а полярними групами в напрямку бітуму, що приводить до гідрофілізації адсорбційного шару молекул ПАР і знижує водостійкість асфальтових матеріалів.

Рівняння регресії залежності ступеню гідрофобності активованого мінерального порошку від кількості активатору (бітуму марки БНД 40/60) у його складі (4):

. (4)

Коефіцієнт кореляції дорівнює 0,998.

Залежність між ступенем гідрофобності активованого мінерального порошку і кількістю ПАР (УДОМ-1) у складі активатору (5):

. (5)

У четвертому розділі наведено результати досліджень впливу складу та дисперсності активованих мінеральних порошків на їх властивості. Для серії випробувань при коефіцієнті мінливості Сv = 6,11, щоб одержати шукану середню величину механічної міцності, яка відрізняється від раніш знайденої на ± 4 %, достатньо випробувати 9 зразків асфальтов’яжучого.

Результати досліджень показали, що зі збільшенням дисперсності мінеральних порошків, незважаючи на збільшення вмісту в них бітуму і практично рівні величини залишкової пористості виготовлених з їх використанням стандартних зразків асфальтов’яжучого, величина набухання асфальтов’яжучого зростає, а коефіцієнт водостійкості знижується. Це безпосередньо пов’язано зі зростанням агрегування мінеральних порошків у асфальтов’яжучих.

З наведених на рис. 1 результатів досліджень видно, що при уведенні добавки катіоноактивної ПАР у складі активованого мінерального порошку, основна частина активатору якого представлена рідким бітумом марки МГ 70/130, витрата цієї ПАР виявилась меншою, у порівнянні з активатором на основі в’язкого бітуму марки БНД 40/60.

Пояснення цьому може бути в більшій активності в’язкого бітуму, який вміщує у своєму складі поверхнево-активні речовини аніонного типу. Внаслідок цього частина уведених до складу активатору катіоноактивних сполук витрачається на нейтралізацію асфальтогенових кислот в’язкого бітуму, що потребує додаткової витрати добавки. Згідно рис. 1, збільшення вмісту ПАР у складі активатору супроводжується поліпшенням властивостей асфальтов’яжучих на основі комбінованого активованого мінерального порошку, вплив перевищення оптимальної кількості ПАР на властивості асфальтов’яжучого не спостерігається. Це може бути пов’язано з перерозподілом надлишкової кількості ПАР активованого мінерального порошку на поверхню частинок неактивованого мінерального порошку і сприяє суттєвому поліпшенню показників фізико-механічних властивостей асфальтов’яжучого. Використання комбінованих активованих мінеральних порошків може сприяти тому, що надлишкові полярні групи додаткового мономолекулярного шару ПАР будуть адсорбуватись частинками неактивованого мінерального порошку, а вуглеводними ланцюгами орієнтуватись до зовнішнього середовища (рис.2).

Рис.2. Припустимий механізм перерозподілу надлишку ПАР зі складу активатору при використанні комбінованого активованого мінерального порошку

Дослідження взаємодії добавок ПАР, бітуму і мінерального порошку, що виконані з допомогою ІЧ – спектрофотометру SPECORD – 75 IR (рис. 3), показали, що уведення зазначених добавок до бітуму суттєво не впливає на спектри і означає відсутність хімічної взаємодії поміж бітумом та добавкою. Визначена також відсутність хімічної взаємодії між бітумом та кварцовим мінеральним порошком, що раніш було показано Жданюком В.К. Одержані результати свідчать, що уведення до бітуму добавок ПАР УДОМ-1або CECABASE-260 не призводить до різкої зміни спектрів, тобто

хімічна взаємодія у системі бітум – ПАР – порошок не здійснюється. Поліпшення зчеплення між бітумом та мінеральним порошком можливо пояснити тим, що катіоноактивна добавка сприяє утворенню на границі розподілу водневого зв’язку і призводить до кращого змочування бітумом мінеральної поверхні.

Дослідження впливу ступеню наповнення бітуму та бітуму з добавкою ПАР мінеральними порошками на температуру розм’якшення асфальтов’яжучих показали, що при малих концентраціях порошку (приблизно до 11%) температура розм’якшення системи дещо знижується. Дальше збільшення вмісту мінерального порошку супроводжується зростанням температури розм’якшення, яка різко збільшується при вмісті порошку близько 60% за масою. При визначенні істинної в’язкості асфальтов’яжучих різної концентрації у пластовіскозиметрі ПВР-2 виявлено послідовне збільшення їх в’язкості зі збільшенням концентрації мінерального порошку при усіх температурах випробування, при відсутності та наявності добавки ПАР у бітумі.

а)

б)

Рис.3. ІЧ – спектри а) – бітуму; б) – бітуму та кварцового мінерального порошку:

1 – бітум без добавки; 2 – бітум з добавкою УДОМ-1

У п’ятому розділі наведені експериментальні дані по дослідженню впливу способу уведення добавок ПАР на властивості асфальтобетону. Метою досліджень, результати яких викладені у розділі, є доказ слушності обраної методики визначення оптимального вмісту ПАР у складі активатору мінерального порошку за ступенем гідрофобності активованого мінерального порошку.

Показана більша ефективність способу уведення добавок ПАР до асфальтобетону у складі активованого мінерального порошку, у порівнянні з уведенням їх у складі бітуму (рис. 4).

При уведенні добавки катіоноактивної ПАР до асфальтобетону у складі активуючої суміші мінерального порошку має місце, як і при подібному способі уведення добавки аніоноактивної ПАР, послідовне поліпшення показників фізико-механічних властивостей асфальтобетону. В цілому ці показники вищі, ніж при уведенні добавок катіоноактивних ПАР до асфальтобетону у складі бітуму.

Ця обставина, як і аналогічні результати, одержані при уведенні добавки аніоноактивної ПАР у складі активованого мінерального порошку, показують більш високу ефективність уведення добавок ПАР до асфальтобетону подібним способом, у порівнянні з уведенням їх у складі бітуму. Оскільки ефект перерозподілу надлишку ПАР зі складу активованої суміші активованого мінерального порошку супроводжується помітним поліпшенням фізико-механічних властивостей асфальтобетону за умови перевищення цим надлишком величини оптимального вмісту ПАР в активованій суміші мінерального порошку, для досягнення цього ефекту варто виготовлювати активовані мінеральні порошки зі вмістом ПАР, що відповідає верхньому значенню, що рекомендується (оптимального вмісту) ПАР в складі активованої суміші і навіть трохи більше. Перерозподіл зазначеного надлишку ПАР на поверхню зерен заповнювачів можливий на стадії "сухого" перемішування.

Залежність між водостійкістю асфальтобетону та кількістю КПАР (УДОМ-1) у складі бітуму (6):

(6)

Залежність між водостійкістю асфальтобетону та кількістю УДОМ-1 у складі активатору (7):

(7)

Техніко-економічна доцільність способу уведення добавок поверхнево-активних речовин до складу асфальтобетону, згідно калькуляції собівартості однієї тонни асфальтобетонної суміші типу Б на бітумі БНД 60/90, розробленої по даним АТ “Будінвест” (м. Харків, 2002 р.), випливає з наступного (табл.1).

Таблиця 1

Собівартість однієї тонни асфальтобетонної суміші типу Б на бітумі БНД 60/90

Склад асфальтобетонної суміші | Собівартість однієї тонни асфальтобетонної суміші

без ПАР | 140,96грн.

з 0,7 % ПАР (УДОМ-1) у складі бітуму | 147,96грн.

з 0,7 % ПАР (УДОМ-1) у складі активатору | 138,65грн.

з 4 % ПАР (УДОМ-1) у складі активатору | 140,91грн

У шостому розділі розглянуто виробничі рекомендації щодо прискореного методу оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР, та з оцінки ефективності використання і способу уведення добавок ПАР до складу асфальтобітумної суміші. Критерій ефективності використання (КЕВ) добавок ПАР у складі асфальтобетону може бути представлено як різницю коефіцієнтів тривалої водостійкості асфальтобетонів, які вміщують добавку ПАР (КБП) та не вміщують цієї добавки (КБ), віднесену до відповідної концентрації ПАР (П) (8):

. (8)

Для порівняння ефективності використання добавок ПАР у складі бітуму і у складі активатору, необхідно перевести кількість ПАР у складі активатору до кількості ПАР у складі бітуму (9):

%, (9)

де ПА – кількість ПАР у складі активатору, %; Б – кількість бітуму у складі 1т асфальтобетону кг/т; А – кількість активатору у складі порошку у складі 1т асфальтобетону, кг/т.

Критерій економічної ефективності використання добавок ПАР та способу їх уведення до складу асфальтобетонної суміші може бути поданий як відношення величини коефіцієнту ефективності використання добавок ПАР (КЕВ) до вартості (S) 1 кг ПАР (10):

. (10)

З табл. 2 видно, що, по-перше, при уведенні добавок ПАР у складі бітуму, ефективно уводити ПАР в кількості 0,7 % від його маси, незважаючи на те, що показник водостійкості асфальтобетону вище при вмісті ПАР в бітумі 1%; по-друге, найбільш ефективно уводити 4% ПАР у складі активатору, оскільки при цьому досягається більший ефект, ніж при уведенні 0,7% ПАР у складі бітуму при мінімальній витраті ПАР (табл.2).

Таблиця 2

Ефективність застосування ПАР у складі асфальтобетонної суміші

П, % | КБП | КБ | КЕВ | S | КЕЕ

у складі бітуму

0,7 | 0,61 | 0,55 | 8,57 | 2,73 | 3,14

1 | 0,62 | 0,55 | 7,00 | 2,73 | 2,56

2 | 0,59 | 0,55 | 2,00 | 2,73 | 0,73

3 | 0,53 | 0,55 | -0,67 | 2,73 | -0,24

у складі активатору

0,7 | 0,04 | 0,57 | 0,57 | 0,00 | 2,73 | 0,00

1,5 | 0,086 | 0,58 | 0,57 | 11,63 | 2,73 | 4,26

3 | 0,173 | 0,59 | 0,57 | 11,56 | 2,73 | 4,23

4 | 0,23 | 0,6 | 0,57 | 13,04 | 2,73 | 4,78

У табл.2 кількість ПАР у складі активатору (П,%) перераховано відносно кількості бітуму в асфальтобетоні за формулою (9).

ВИСНОВКИ

1. Розроблено спосіб підвищення водостійкості асфальтобетону при уведенні добавок ПАР до складу асфальтобетону не в суміші з бітумом, як це звичайно здійснюється, а у складі активованого мінерального порошку, з урахуванням рекомендацій щодо дозування ПАР у складі активатору мінерального порошку.

2. Запропоновано прискорений метод оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками ПАР, який полягає у визначенні ступеню гідрофобності фракції кварцового мінерального порошку 0,16…0,315 мм, обробленої 0,3 % активатора за масою, і показує існування оптимального вмісту ПАР у складі активуючої суміші обробленого нею мінерального порошку.

3. Показана можливість перерозподілу частини надлишкової кількості ПАР зі складу активуючої суміші активованих мінеральних порошків на поверхню заповнювачів асфальтобетону, що контактують з цими порошками.

4. Встановлено оптимальний вміст катіоноактивних ПАР у активуючий суміші активованого кварцового мінерального порошку і аніоноактивних ПАР в активуючий суміші активованого вапнякового мінерального порошку за результатами визначення фізико-механічних властивостей асфальтов’яжучих та асфальтобетонів, які складають відповідно 0,7…1,5 та 2,5…5 % за масою. З урахуванням можливого перерозподілу частини ПАР зі складу активатору на поверхню зерен заповнювачів асфальтобетону і до складу бітуму, дозування ПАР може досягати 4 % від маси активатору у випадку катіоноактивних ПАР і 10 % - аніоноактивних. Це значно менше, ніж передбачено рекомендаціями ГОСТ 16557-78.

5. Для економного витрачання ПАР у асфальтобетоні запропоновано використовувати комбіновані активовані мінеральні порошки, які одержують змішуванням активованого та неактивованого мінеральних порошків в різних кількісних співвідношеннях, наприклад, у співвідношенні 1:1 за масою. Вміст ПАР у складі активованої частині мінерального порошку може бути в цьому випадку прийнято вище оптимального вмісту, з урахуванням перерозподілу частини надлишкової кількості ПАР на поверхню неактивованого мінерального порошку і заповнювачів асфальтобетону.

6. Запропонована формула для розрахунку середньої товщини бітумних плівок (плівок активатору) на поверхні частинок вузьких фракцій активованого мінерального порошку. Розрахунки, що виконані з використанням цієї формули, показали, що зі зменшенням розмірів мінеральних частинок середня товщина бітумних плівок (плівок активатору) на їх поверхні зменшується, а доля активатору, з урахуванням збільшення вмісту дрібних фракцій у складі активованого мінерального порошку, збільшується.

7. Визначено, що агрегування мінерального порошку у асфальтов’яжучому та асфальтобетоні зменшує реальну поверхню взаємодії в них мінерального порошку з бітумом. Запропоновано визначати коефіцієнт агрегування мінерального порошку у складі асфальтов’яжучого за величиною зміни витрати бітуму у асфальтов’яжучому зі зростанням питомої площі поверхні мінерального порошку. Показано, що водостійкість асфальтових матеріалів зі збільшенням дисперсності мінеральних порошків у їх складі, особливо порошків з кислих гірських порід, знижується, внаслідок збільшення агрегування мінеральних порошків.

8. Визначена відсутність хімічної взаємодії у системі бітум – катіоноактивна ПАР (УДОМ-1 або CECABASE-260) – кварцовий мінеральний порошок за результатами досліджень з допомогою ІЧ – спектрофотометру SPECORD – 75 IR.

9. Показано деяке зниження температури розм’якшення асфальтов’яжучих при малих концентраціях у них мінерального порошку і суттєве зростання цього показнику при високих концентраціях порошку. При цьому істинна в’язкість асфальтов’яжучих за результатами випробувань у пластовіскозиметрі ПВР-2 зростає зі збільшенням концентрації порошку при усіх температурах випробування як при відсутності у бітумі добавок ПАР, так і при їх наявності.

10. Собівартість 1 тонни асфальтобетонної суміші типу Б при уведенні 4 % катіоноактивної ПАР у складі активатору мінерального порошку і зменшенні витрати в’яжучого більш, ніж на 5 % у порівнянні з початковою сумішшю, знижується на 7,05 грн за рахунок економії витрати ПАР приблизно на 60...70%.

Загальний вміст дисертаційної роботи викладено у таких публікаціях:

1. Космин А.В., Синан Садек Ахмед. Влияние дисперсности активированного минерального порошка на степень его гидрофобности // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета - Харьков, № 12-13 -2000 – С. 158-161.

2. Космин А.В., Синан Садек Ахмед. Степень гидрофобности узких фракций минерального порошка с катионоактивными ПАВ в составе активирующей смеси//Материалы международной научной конференции “Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже третьего тысячелетия”-: Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, 2000. –С.69-70.

3. Синан Садек Ахмед. Определение толщины пленки активатора на поверхности частиц минерального порошка разной крупности // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета - Харьков, № 15-16 - 2001 – С. 87-90.

4. Космин А.В., Синан Садек Ахмед. Температура размягчения асфальтовяжущих различной концентрации с известняковым и кварцевым минеральными порошками//Автомобільні дороги і дорожнє будівництво, Київ, № 62 - 2001. –С. 112-116.

5. Космин А.В., Синан Садек Ахмед. Влияние способа введения добавок ПАВ на свойства асфальтобетона// Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета - Харьков, № 17 - 2002 – С. 97-101.

6. Космин А.В., Синан Садек Ахмед. Влияние агрегирования минерального порошка на свойства асфальтовяжущего // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури – Донецьк, № 32 - 2002 – С. 53-57.

7. Космин А.В., Синан Садек Ахмед. Определение количества асфальтобетонной смеси для получения заданного объема асфальтобетона // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури – Донецьк , № 32- 2002 – С. 58-60.

Особиста участь здобувача в роботах, опублікованих разом зі співавторами. Усі основні результати дисертаційної роботи отриманні автором самостійно. У публікаціях автором виконано: розроблено методику прискореної оцінки адгезійних властивостей бітумів і їх сумішей з добавками ПАР відносно різних кам’яних матеріалів [1,2]; вивчено вплив складу та дисперсності активованих мінеральних порошків та їх вузьких фракцій на фізико-механічні властивості асфальтов’яжучих [4,6]; вивчено вплив способу уведення добавок ПАР на фізико-механічні властивості асфальтобетону [5] ; запропоновано визначати масу асфальтобетонної суміші для одержання певного об’єму асфальтобетону [7].

АНОТАЦІЯ

Садек Ахмед Каід Синан. Підвищення водостійкості асфальтобетону для районів Ємену з вологим кліматом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05- Будівельні матеріали та вироби. Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Харків, 2002 р.

Визначено ефективний спосіб введення добавок поверхнево-активних речовин до складу асфальтобетону для підвищення його водостійкості.

Розроблено прискорений метод оцінки адгезійних властивостей бітумів і бітумів з добавками поверхнево-активних речовин.

Вивчено вплив виду і кількості поверхнево-активних речовин у складі бітуму та у складі активатору мінерального порошку на фізико-механічні властивості асфальтов’яжучого й асфальтобетону.

Розглянута і доведена можливість перерозподілу надлишкової частини поверхнево-активної речовини зі складу суміші, що активує, на поверхню контактуючих з частинками активованого мінерального порошку зерен заповнювачів.

Ключові слова: бітум; мінеральний порошок; поверхнево-активна речовина; адгезія; ступінь гідрофобності; водостійкість; перерозподіл; агрегування; асфальтов’яжче; асфальтобетон.

АННОТАЦИЯ

Садек Ахмед Каид Синан. Повышение водостойкости асфальтобетона для районов Йемена с влажным климатом. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2002.

Разработан ускоренный метод оценки адгезионных свойств битумов и битумов с добавками ПАВ, который основан на установлении степени гидрофобности фракции кварцевого минерального порошка 0,16…0,315 мм, обработанной 0,3 % по массе активатора.

Установлено существование оптимального содержания ПАВ в составе активатора минеральных порошков и их узких фракций по результатам исследований их гидрофобности и физико-механических свойств асфальтовяжущих и с указанными порошками.

Предложена формула для расчета средней толщины битумных пленок (пленок активатора) на поверхности частиц узких фракций активированного минерального порошка, с помощью которой установлено, что с уменьшением размеров минеральных частиц средняя толщина битумных пленок (пленок активатора) на их поверхности уменьшается, а доля активатора в составе порошка, с учетом увеличения содержания мелких фракций в составе минерального порошка, увеличивается.

Показано, что водостойкость асфальтовых материалов с увеличением дисперсности минеральных порошков в их составе, и особенно порошков из кислых горных пород, снижается, вследствие увеличения агрегирования минеральных порошков. Проникающая внутрь агрегатов вода вызывает набухание дисперсных минеральных частиц и набухание асфальтобетона в целом, снижает его водостойкость.

Показана возможность перераспределения части избыточного количества ПАВ из активирующей смеси активированных минеральных порошков на поверхность контактирующих с этими порошками минеральных материалов – заполнителей асфальтобетона или в битум.

Установлено, что величина оптимального содержания катионоактивного ПАВ в активирующей смеси активированного кварцевого минерального порошка составляет 0,7…1,5 % по массе и анионоактивного ПАВ в активирующей смеси активированного известнякового минерального порошка 2,5...5 %. С учетом возможного перераспределения части ПАВ из состава активатора минерального порошка на поверхность зерен заполнителей и в состав битума дозировка ПАВ может достигать 4 % массы активатора в случае катионоактивных ПАВ и 10 % - анионоактивных. Это значительно меньше общепринятых рекомендаций. В связи с этим, введение добавки 4% ПАВ в асфальтобетонные смеси в составе активированных минеральных порошков обеспечивает снижение расхода ПАВ в асфальтобетоне на 60…70%.

Установлено отсутствие химического взаимодействия в системе битум – катионоактивные ПАВ УДОМ-1 и CECABASE-260 – кварцевый минеральный порошок по результатам исследований с помощью ИК– спектрофотометра SPECORD-75 IR.

Показано некоторое снижение температуры размягчения битума при малых содержаниях в нем минерального порошка и существенное возрастание этого показателя с увеличением концентрации порошка. При этом истинная вязкость битума по результатам испытаний в пластовискозиметре ПВР-2 возрастает пропорционально увеличению концентрации порошка при всех температурах испытания как при отсутствии в битуме ПАВ, так и при их наличии.

Для экономного расходования добавок ПАВ в асфальтобетоне предложено применять комбинированные минеральные порошки из активированного и неактивированного в различных количественных соотношениях, например 1:1 по массе.

Ключевые слова: битум; минеральный порошок; поверхностно-активное вещество; адгезия; степень гидрофобности; водоустойчивость; перераспределение; агрегирование; асфальтовяжущее; асфальтобетон.

ABSTRACT

Sadeq Ahmed Qaid Senan. Increasing water resistance of asphalt concrete for the damp climate areas of Yemen. – Manuscript.

Thesis for the degree of a candidate of technical sciences by specialty 05.23.05. - Construction materials and articles – Kharkov State Technical University for Construction and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkov, 2002.

The effective approach to the introduction of surfactant admixtures into the asphalt concrete to increase its water resistance has been established.

The accelerated method of evaluation of the adhesive properties of bitumen and bitumen with surfactant admixtures has been elaborated.

The influence produced by the type and amount of the surfactants contained in the bitumen and in the activating agent of the mineral powder on the physicomechanical properties of the asphalt binding agent and asphalt concrete has been studied.

The opportunity of redistribution of the surplus surfactants contained in the activating admixture on the surface of the fillers’ grains contacting the particles of the activated mineral powder has been considered and substantiated.

Key words: bitumen, mineral powder, surfactant, adhesion, degree of hydrophoby, water resistance, redistribution, aggregation, asphalt binder, asphalt concrete.