БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Столярова Наталія Олександрівна

УДК 625. 859. 3

ЛИТІ ОРГАНОМІНЕРАЛЬНІ СУМІШІ

ДЛЯ РЕМОНТУ ПОКРИТТІВ
НЕЖОРСТКИХ ДОРОЖНІХ ОДЯГІВ
АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРІГ

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг Донбаської національної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка) Міністерства освіти і науки України.

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

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Золотарьов Віктор Олексан-дрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри технології дорожньо-будівельних матеріалів;

кандидат технічних наук Хрипун Микола Дмитрович,
Донецький ПромбудНДІпроект корпорації «Укрбуд», завідувач відділу хімії бетону і довговічності будівельних матеріалів

Захист дисертації відбудеться « 26 » червня 2008 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус №1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий « 23 » травня 2008 р.

В.о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв’язку із зростанням інтенсивності і вантажонапруженості руху транспортних засобів важливе значення набувають своєчасність і якість робіт з поточного і капітального ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг. Це обумовлено тим, що більшість доріг у країнах СНД були розраховані на навантаження групи Б (60 кН на вісь). У той же час в Україні розрахункові автомобільні навантаження на вісь колеса автомобіля встановлені 115 кН і навіть 130 кН. Наслідком цього є підвищення вимог, що пред’являються до дорожньо-будівельних матеріалів, які використовуються для ремонту, і технологій ремонтних робіт покриттів автомобільних доріг.

Витрати, що пов’язані з поточним ремонтом автомобільних доріг (ліквідація вибоїн, просадок, напливів й інших пластичних деформацій, обновлення шорсткості покриттів і заливка тріщин на покритті) складають 60% від вартості дорожнього будівництва. Аналіз світового досвіду поточного ремонту покриттів автомобільних доріг свідчить про те, що для підвищення довговічності відремонтованих покриттів конструктивних шарів нежорстких дорожніх одягів використовують асфальтобетонні суміші, що модифіковані поверхнево - активними речовинами, бітумополімерні суміші, асфальтополімерсіркобетонні суміші, еластомірні суміші, композиції з використанням спінених бітумів, вологі органомінеральні і екзотермічні суміші тощо. Найбільш ефективними дорожньо-будівельними матеріалами для ремонту нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг є вологі органомінеральні суміші та гарячі литі асфальтобетонні суміші, а також модифіковані їх аналоги. У той же час процес формування структури вологих органомінеральних сумішей, укладених у ремонтну карту, є тривалим, що позначається на експлуатаційних характеристиках відремонтованого покриття автомобільної дороги. Недоліками відомих гарячих литих асфальтобетонних сумішей є висока енергоємність (температура виробництва 210-240°С) та вузький температурний інтервал в’язкопружньопластичного стану (70-80°С).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані відповідно до державних науково-дослідних робіт: М 73-2001«Удосконалення технологічних процесів ремонту і утримання міських вулиць і доріг» (замовник – Міністерство освіти і науки України, 2000-2002 р.р);
№ Д-2-2-03 «Ефективні технології переробки промислових відходів органічного і мінерального походження у високоякісні дорожні бетони» №0103U000588 (замовник – Міністерство освіти і науки України, 2003-2005 р.р.) (здобувач виконала експериментальні дослідження структуроутворення литих дьогтешлакових і гарячих асфальтополімерсіркобетонних сумішей і бетонів).

Метою дослідження є розробка складів ресурсо- і енергоекономічних литих органо-мінеральних сумішей для ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг на основі встановлення закономірностей формування структури і заданих адгезійно - когезійних і деформаційно  міцнісних характеристик литих органомінеральних бетонів у системі «ремонтоване покриття –контактний шар – новий матеріал».

Задачі дослідження:–

сформулювати теоретичні положення про закономірності формування структури і заданих адгезійно – когезійних і деформаційно – міцнісних властивостей литих органомінеральних сумішей в системі «ремонтоване покриття – контактний шар – новий матеріал»;–

оптимізувати склади і дослідити процеси формування структури литих дьогтешлакових сумішей і дьогтешлакобетонів;–

оптимізувати склади і дослідити процеси структуроутворення в гарячих литих асфальтополімерсіркобетонних сумішах і асфальтополімерсіркобетонах;–

визначити фізичні та деформаційно – міцнісні властивості литих бетонів;

– виконати дослідно – виробничу апробацію литих органомінеральних сумішей у дорожньому будівництві; економічно обґрунтувати доцільність використання литих органо-мінеральних сумішей для ямкового ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг.

Предмет дослідженя: закономірності формування структури і властивостей литих дьогтешлакобетонів і асфальтополімерсіркобетонів.

Об’єкт дослідження:. литі дьогтешлакові суміші і гарячі асфальтополімерсіркобетонні суміші для ямкового ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг.

Методи дослідження. Процеси структуроутворення в литих дьогтешлакобетонах і асфальтополімерсіркобетонах вивчалися шляхом використання спеціальних методів дослідження: пластометрії, резонансно-акустичного методу, електронної мікроскопії, дериватографії, диференціальної сканувальної калориметрії. Оптимальні концентраційні співвідношення компонентів у гарячій литій асфальтополімерсіркобетонній суміші визначалися з використанням методу математичного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:–

сформульовані теоретичні положення про закономірності формування структури і заданих адгезійно – когезійних і деформаційно – міцнісних властивостей литих дьогтешлакобетонів і асфальтополімерсіркобетонів в системі «ремонтоване покриття – контактний шар – новий матеріал»;–

оптимізовані склади литих дьогтешлакових і асфальтополімерсіркобетонних сумішей; вивчені процеси структуроутворення литого дьогтешлакобетону у процесі гідратації гідравлічно активних мінералів відсіву подрібнення відвального мартенівського шлаку, а також у процесі охолодження у ремонтованій карті литого асфальтополімерсіркобетону;–

вивчені деформаційно – міцнісні властивості і корозійна стійкість литого дьогтешлакобетону і гарячого литого асфальтополімерсіркобетону.

Практичне значення одержаних результатів :–

розроблені рекомендації з виробництва і застосування литих бетонних сумішей для ямкового ремонту нежорстких дорожніх одягів в несприятливих погодних умовах;–

литі дьогтешлакові суміші впроваджені у кількості 15 т у Горлівському ПС ДРБУ ВАТ «Облдоррембуд».

Особистий внесок здобувача:–

оптимізовано склади і досліджено процеси формування структури литих дьогтешлакових і асфальтополімерсіркобетонних сумішей в ремонтованій карті дорожнього одягу;–

визначено деформаційно-міцнісні властивості і атмосферну стійкість литих органо-мінеральних бетонів;–

розроблено рекомендації з виробництва і застосування литих бетонних сумішей для ямкового ремонту нежорстких дорожніх одягів в несприятливих погодних умовах.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи викладені на: міжнародній науковій конференції «Досвід і проблеми сучасного розвитку дорожнього комплексу України на етапі входження у Європейське суспільство» (м. Харків, 2002 р)»; міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Будівлі і споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів» (м. Макіївка, 2003р.); IV міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів ( м. Макіївка, 2005р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 14 статей, у тому
числі 13 в журналах і збірках наукових робіт, рекомендованих ВАК України (три статті
одноосібно).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури з 179 найменувань на 18 сторінках, двох додатків на восьми сторінках. Містить 162 сторінки загального тексту, серед них 32 рисунки (3 сторінки) і 11 таблиць (2 сторінки).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення та галузі реалізації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан питання щодо використання ефективних матеріалів і прогресивних технологій для ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг, а саме: «Деформації і руйнування покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг», «Ефективні матеріали і прогресивні технології ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг», «Сучасний досвід використання вологих органомінеральних сумішей для будівництва і ремонту конструктивних шарів дорожніх одягів автомобільних доріг», «Литі асфальтобетонні суміші для будівництва і ремонту покриттів дорожніх одягів».

Аналіз робіт Васильєва А.П., Жданюка В.К, Каліниченка М.М., Кизими С.С., Кононова В.М., Кияшка І.В., Матросова Д.П., Міховича С.І., Прусенка Є.Д., Рокаса Ю.С, Сєдова А.В. та інших дослідників свідчить про те, що одним із найбільш небезпечних дефектів покриттів нежорстких дорожніх одягів є вибоїни, які виникають у результаті сумісної дії транспортних навантажень і погодно – кліматичних факторів і, передусім, води. Остання, проникаючи у раковини і мікротріщини, чинить розклинюючу дію на тріщину, яка значно зростає при її замерзанні. При дифузії через бітумну плівку вода відділяє її від зерен піску, щебеню і мінерального порошку. При цьому знижується міцність асфальто-, дьогтебетону, втрачається здатність покриття працювати в пружньов’язкопластичному стані. На покритті з’являється сітка тріщин. Опір покриття дотичним і нормальним зусиллям, що виникають від коліс транспортних засобів, що вибивають і висмиктують мінеральні частки, знижується, при цьому формується вибоїна.

Роботами Анева А.М., Аррамбід Ш., Іванова А.Ф., Каліниченка М.М., Мозгового В.В., Островерхого О.Г., Кучми М.І., Гохмана Л.М., Сібільські Д., Алексєєва О.П., Барінова Є.М., Савенка В.Я., Novak I, Fiebach G. та іншими доведено, що для підвищення довговічності відремонтованих покриттів нежорстких дорожніх одягів використовують асфальтобетонні суміші, які модифіковані поверхнево-активними речовинами, комплексними добавками (полімер + активний дисперсний наповнювач), еластомірні і екзотермічні, а також суміші з використанням спінених бітумів, вологі органомінеральні суміші та ін., регенераційні та струминноін’єкційні технології тощо.

У дослідженнях Гоглідзе В., Волкова М.І., Веренька В.А., Гезенцвея Л.Б., Горелишевої Л.О., Горнаєва М.А., Карамишевої В.М., Косміна О.В., Казарновської Є.А. показано, що одним з ефективних способів зниження енергоємності і спрощення технології виробництва асфальто- і дьогтебетонних сумішей, ліквідації первинного (технологічного) старіння органомінеральних сумішей, можливості використання вологих мінеральних матеріалів і відходів промисловості є виробництво і використання холодних і вологих органомінеральних сумішей для будівництва і аварійного ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів.

У роботах Бачуріна О.М., Братчуна В.І., Золотарьова В.О. та ін. доведено, що одним з ефективних матеріалів для виробництва вологих дьогтешлакових сумішей є відсів подрібнення відвальних мартенівських шлаків, який характеризується уповільненим темпом гідравлічної активності. Для активізації в’яжучих властивостей тонкодисперсних часток відвального мартенівського шлаку рекомендується до складу вологих дьогтешлакових сумішей введення лужних і сульфатних добавок.

У той же час склади литих дьогтешлакових сумішей є не оптимізованими. Відсутні дані про технологічні властивості литих органомінеральних сумішей, фізичні і деформаційно-міцнісні характеристики литих дьогтешлакобетонів.

У роботах Жданюка В.К., Іліополова С.К., Мелік-Багдасарова М.С., Проніна В.В., Старицького М.Г. і ін. встановлені вимоги до технології виробництва гарячих литих асфальтобетонних сумішей, литого асфальтобетону і методів визначення показників їх якості у країнах СНД. Недоліками гарячих литих асфальтобетонних сумішей є висока енергоємність виробництва, вузький температурний інтервал в’язкопружньопластичного стану, технологічне старіння у процесі виробництва, незадовільна деформативна здатність (температура склування литого асфальтобетону – 10 … - 150С).

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

При проведенні ямкового ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг у зоні стику утворюється макросистема, у якій можна виділити три основні підсистеми (рис.1): ремонтоване покриття (старий матеріал СМ), контактний шар (КШ) і новий матеріал (НМ).

Рис. . Схема формування макроструктури в ремонтованій карті асфальтобетону (дьогтебетону): СМ – старий матеріал (шар ремонтованого асфальтобетонного покриття); КШ – контактний шар, представлений новим і старим матеріалами; НМ – новий матеріал (лита суміш).

Із умови цільності відремонтованого покриття нежорсткого дорожнього одягу повинні виконуватися насамперед наступні умови: напружено – здеформований стан системи повинен відповідати умові (1).

НДС(см) (Е, з, е,увиг,…) = НДС(кш) = НДС(нм) (1)

де: НДС – напружено - здеформований стан старого матеріалу (см), контактного шару (кш) і нового матеріалу (нм), відповідно;

Е, з, е, увиг – модуль пружності (МПа), в’язкість (Па·с), відносна деформація і межа міцності на вигин (МПа), відповідно.

Когезія контактного шару ук(кш) не повинна перевищувати значення адгезії (уа) в системі СМ-КШ-НМ більше чотирьох (2).

ук(кш) < 4 уа (нм і см) (2)

Для створення міцного з’єднання необхідна присутність в ремонтованій суміші, а також і на поверхнях старого і нового матеріалів, що склеюються, полярних або здатних поляризуватися груп і добре змочування органічним в’яжучим, що знаходиться у контактному шарі, з’єднуваних поверхонь ремонтованої карти.

В теоретичних передумовах розглянуті і аналітично описані: глибини заповнення ремонтованого шару асфальтополімерсірковим в’яжучим і комбінованою органомінеральною пастою; вплив на міцність стику термічної усадки асфальтополімерсіркобетону при охолодженні, а також вологісної і контракційної усадки литого дьогтешлакобетону; вплив старіння на нерівномірність напружено – здеформованого стану; температура в зоні контакту асфальтополімерсіркобетонної суміші з ремонтованим покриттям; дифузійні процеси на поверхні розділу «новий матеріал – ремонтоване покриття»; вплив на міцність стику розчинів протиожеледевих матеріалів; показана доцільність прямого кута примикання нового матеріалу до грані ремонтованого покриття.

Таким чином, довговічність відремонтованих способом ямкового ремонту нежорстких покриттів визначається факторами, що наведені в залежностях (3 і 4):

(3)

(4)

де: Дс – довговічність системи (років); F – морозостійкість (кількість циклів); Квд – коефіцієнт водостійкості при довготривалому водонасиченні; фзсув – межа міцності при зсуву (МПа); Тскл – тріщиностійкість (0С, МПа); Кстар – коефіцієнт старіння; – межа міцності при вигині системи, нового матеріалу, контактного шару і ремонтованого покриття відповідно з урахуванням зміни його в процесі експлуатації (МПа).

У третьому розділі наведено характеристику об’єктів і методів дослідження.

Об’єктами дослідження прийнято: відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку Макіївського металургійного комбінату: насипна щільність 1650-1700 кг/м3; істинна густина 3200-3250 кг/м3; марка за дробильністю в сталевому циліндрі 1200; морозостійкість більше 200 циклів; активність 1 МПа; модуль основності Мо = 1,9; зерновий склад представлений
частковими залишками на ситах з вічками, мм: 10-2%; 5-24%; 1,25-18%; 0,63-14%; 0,315-15%; 0,14-14%; менше 0,071-8%; активізатори в’яжучих властивостей відвального мартенівського шлаку: вапно негашене мелене (ДСТУ Б В. 2. 7-90-99) і портландцемент марки 400
(ДСТУ Б В.2.7-46-96); як кам’яновугільне в’яжуче прийнято кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю (ГОСТ 4641); вода замішування литих дьогтешлакових сумішей відповідала ГОСТ 23732; бітум нафтовий дорожній БНД 40/60 (ДСТУ Б.В.2.7-46-96); каучук
синтетичний бутадієнметилстирольний СКМС-30 (ГОСТ 11138); сірка технічна молота (ГОСТ 127).

У роботі окрім стандартних, використано ряд спеціальних методів досліджень: пластометрія (пластометр МДУ П.О. Ребіндера), резонансно-акустичний метод (установка ІГ-1р І.Г. Гранковського); електронна сканувальна мікроскопія (растровий електронний мікроскоп
ІСІ-60 англійської фірми “ЮНІ - ЕКСПЕРТ”); термогравіметрія (дериватограф Q-1500 системи Paulyc – Paulyc); диференціальносканувальна калориметрія (використано ДСК моделі 912 у складі термоаналітичного комплексу Du Pont 9900).

Для отримання вірогідних експериментальних даних результати дослідів опрацьовували методами математичної статистики.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень.

При виготовленні литих дьогтешлакових сумішей назначені наступні режими виробництва. В асфальтобетонну установку подавали відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку з температурою 80°С і вапно негашене мелене; суміш перемішували 15с; вводили в змішувач кам’яновугільний дорожній дьоготь, підігрітий до температури 80°С і перемішували 45 с, далі додавали воду і перемішували 30с. При такому порядку ведення процесу забезпечується добре змочування поверхні мінеральних частинок кам’яновугільним в’яжучим, що містить у своєму складі ненасичені групи у сполуках гамма- і бета- фракцій дьогтю, що мають ароматичну природу з наступною сорбцією в’яжучих на олеофільних центрах частинок відвального мартенівського шлаку і формування міцних структурованих еластичних шарів, що склеюють частки мінерального кістяка литого дьогтешлакобетону. Вода ж сорбується на гідрофільних ділянках шлакових часток і забезпечує процеси гідратації гідравлічно активних мінералів шлаку.

Часточки меленого негашеного вапна осідають на частках шлаку, утворюючи численні центри на поверхні мінеральних зерен, підвищують їх енергетичний потенціал і активність взаємодії з кислими сполуками кам’яновугільного дорожнього дьогтю. При гідратації вапна або гідролізу аліту – мінералу портландцементу утворюється гідроксид кальцію, у процесі взаємодії якого з фенолвміщуючими сполуками кам’яновугільного в’яжучого утворюються феноляти і крезоляти кальцію на поверхні поділу фаз “органічне в’яжуче – поверхня шлакових часток”. Це приводить до суттєвого зміцнення міжфазного контакту.

Водний розчин гідроксиду кальцію Са(ОН)2 створює високе значення рН > 12, що забезпечує диспергування поверхневих шарів шлаку у результаті розриву ковалентних зв’язків
Si – O – Si і Al – O – Si, руйнуює оболонку з Al (OH)3 і Si(OH)4. Внаслідок цього оголюються і стають доступними для води більш глибокі ділянки склоподібної фази шлакових часток. Це приводить до подальшого гідролізу і гідратації гідравлічно активних мінералів шлаку. Визначальну роль у процесах кристалізаційного структуроутворення відіграють катіони Са2+,
які при взаємодії з кремне- і алюмозолями створюють такі кристалогідрати, як тоберморит
(5СаО·6SiО2·nH2O), ксонотліт (5СаО·6 SiО2·H2O), ріверсайдит (5СаО·6 SiО2·3H2O), гіроліт (2СаО·3SiО2·2,5H2O), гідрогранат (3СаО· Al2О3·1,5SiО2·3H2O) і ін.

Виходячи із заданої рухливості (ОК=15-20см), коефіцієнта розшарування суміші
(Кр не>15%), а також концентрації кам’яновугільного в’яжучого у суміші, при якому забезпечується максимальна міцність литого дьогтешлакобетону (Dм = 6-8%), встановлено оптимальний вміст води замішування (рис. 2), який дорівнює В=19-21% від маси відсіву подрібнення відвального мартенівського шлаку. |

Рис.2. Залежність осадки конуса ОК (1) і коефіцієнта розшарування Кр (2) литої дьогтешлакової суміші складу в масових частках компонентів: відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку – 100; кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю – 7 від вмісту води по осі абсцис.

При даному співвідношенні компонентів у литому дьогтешлакобетоні кількість конденсаційно-кристалізаційних контактів у віці 28 діб складе (5):

(5)

де: R1, R2 – межа міцності при швидкості деформування V1 – 3 мм/хв. і V2 – 15 мм/хв., відповідно; С – коефіцієнт, що дорівнює С = V2 / V1; Rс – гранична структурна міцність, що відповідає максимуму на залежності межі міцності литого дьогтешлакобетону від температури або швидкості деформування.

Таким чином, у литому дьогтешлакобетоні складу у масових частках компонентів: відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку – 100, кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю – 7, вода – 20, вапно негашене мелене –3, утворюється комбінована мікроструктура, яка представлена сполученням взаємопроникаючих мікроструктур – коагуляційної (55%) і конденсаційно-кристалізаційної (45%). Така комбінована мікроструктура забезпечить необхідну зсувостійкість відремонтованого покриття в області високих позитивних температур і деформативність в області негативних температур, а також рекомбінаційну здатність
покриття.

Дані, що отримані реологічним та резонансо-акустичним методами, свідчать про збереження рухливості литою дьогтешлаковою сумішшю протягом п’яти годин (термін транспортування і укладання литої дьогтешлакової суміші у ремонтовану карту покриття нежорсткого дорожнього одягу).

Дані, що наведені на рис. 2, свідчать про те, що зростання міцності литого дьогте-шлакобетону у часі не є сумою міцності конденсаційно-кристалізаційних і коагуляційних
контактів.

Рис. 3. Діаграма межі міцності при стиску при 20°С литого дьогтешлакобетону R20 від часу структуроутворення ф склади бетонів в масових частках компонентів: 1 – відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку –100; вода – 20; 2 – відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку – 100; кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю – 7; 3 – відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку – 100, вода – 20, кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю – 7; 4 – крива, що характеризує зміну межі міцності при стиску литого дьогтешлакобетону у часі з урахуванням адитивності міцності коагуляційних і конденсаційних контактів; 5 – крива, що характеризує зміну межі міцності при стиску литого дьогтешлакобетону у часі структуроутворення.

Так, межа міцності при стиску у 28-добовому віці шлакового каменю складає 0,7 МПа, а дьогтебетону дискретної структури (індекс складу 2, рис. 3) R20 = 1,9 МПа. В той же час межа міцності при стиску при 20°С литого дьогтешлакобетону у віці 28 діб складає 3 МПа.
Основними факторами, що визначають зміцнення структури бетону, яка характеризується
коагуляційно-кристалізаційними контактами, є синтез кристалогідратів і формування на їх основі кристалізаційної сітки, формування хемосорбційних зв’язків на межі міцності розділу фаз «дьогтева емульсія – лужні сполуки шлаку», структурування плівкового дьогтю гідратними новоутворюваннями, інтенсифікація основними сполуками кам’яновугільного в’яжучого синтезу гелевих новоутворень гідратованого шлаку.

Дані, що наведені на рис. 4, свідчать про те, що у 28-добовому віці зерна шлаку покриваються натічними масами гелеподібного матеріалу, концентрація якого на поверхні шлакових часток зростає до двох років твердення.

Методом ДТА встановлені широкі екзотермічні ефекти у дьогтешлакобетонах з екстремумом 400 °С, що характеризують процеси кристалізації при нагріві гелевих новоутворень Al – Si – Са складу, а також ендоефект декарбонізації з екстремумом 800-820°С.

а | б

Рис. 4. Електронномікроскопічні фотографії (х3000) литого дьогтешлакобетону (відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку –100, вода – 20, кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю – 7, вапно негашене мелене –3 у віці: а) 28 – діб гідратації; б) 2 – роки гідратації.

Із зростанням ступеня гідратації криві ендоефекту зміщуються в область більш високих температур, що свідчить про підвищення щільності гелю, а також удосконалення кристалічних структур карбонатів. Для литого дьогтешлакобетону характерна мала залежність межі міцності і модуля пружності від температури (табл. 1).

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості бетонів

№з/п | Склад бетону в масових частках компонентів | Середня щільність, с0, кг/м3 | Межа міцності при стиску, R, МПа, при | Набухання, Н, % | Водонасичення,
W, % | Коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні, Квд

0°С | 20°С | 50°С

1 | Відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку – 100; вода – 20; кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю – 7; вапно негашене мелене – 3 | 2315 | 6,5 | 4,0 | 1,8 | 0,15 | 16,0 | 0,82

2 | Дьогтебетон дрібнозернистий, тип В на гранітних мінеральних матеріалах і вапняковому мінеральному порошку, КД – – 7,5 | 2400 | 10,4 | 3,9 | 0,9 | 0,26 | 3,6 | 0,74

3 | Гарячий асфальтобетон, тип Б на гранітних мінеральних матеріалах і вапняковому мінеральному порошку, Б – П25=59 град. – 6,0 | 2338 | 6,8 | 3,1 | 1,2 | 0,6 | 2,9 | 0,78

Коефіцієнт теплового старіння після 600 часів прогріву при температурі 60°С і ультрафіолетовому випромінюванні Кст = 2,2; коефіцієнт морозостійкості після 50 циклів поперемінного заморожування – відтавання F= 0,52.

Для оптимізації складу бінарної системи «бітумополімерсіркове в’яжуче (бітум П25 = 59град., модифікований 2% бутадієнметилстирольним каучуком СКМС-30 і 40% технічної сірки) в межах 6,5-10,5% – механоактивований мінеральний порошок (МП) (масова концентрація СКМС-30 на поверхні МП 0,5%) в межах 10-20% використано двофакторний композиційний несиметричний план на трьох цілочисельних рівнях (-1; 0; +1) з коефіцієнтом кореляції між факторами ri,j< 0.1, i,j =1,2 и i ? j.

За параметри оптимізації складу матриці асфальтополімерсіркобетону прийняті: межа міцності при вигині при 0°С , У1 (Rвиг, не менше 5,6МПа); коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні, У2 (Квд, не менше 0,96); рухливість суміші при 170°С (У3, не менше 30 мм); глибина занурення штампу при 40°С, У4 (h, не більше 4 мм).

Регресійний аналіз виконано з використанням програми “Actat 2,0”. Отримані рівняння регресії у вигляді неповних і повних поліномів 2-го ступеня (6, 7, 8):

(6)

(м.к.к. = 0,981, Сv=10,6%)

(7)

(м.к.к. = 0,975, Сv=14,4%)

(8)

(м.к.к. = 0,985, Сv = 4,7%)

Характерно, що при всіх значеннях факторів варіювання коефіцієнт водостійкості при довготривалому водонасиченні (У2) забезпечується.

Виходячи із обмежень за показником пластичності литого асфальтополімерсіркобетону (глибина занурення штампу) і за показником рухливості при 170°С (осадка конуса), а також враховуючи економічність литого асфальтополімерсіркобетону, встановлено, що оптимальний вміст у суміші активованого мінерального порошку повинен бути 17-18%, а модифікованого органічного в’яжучого 8-9,5% (рівняння 6, 7, 8, рис 4.).

Як свідчать дані термограми, наведеної на рис.5, до температур 38,11°С спостерігаються температурні переходи, які можна інтерпретувати як розморожування молекулярної рухливості окремих структурних елементів бітуму з температурою склування -32,13°С, 0,66°С, 38,11°С. В подальшому в діапазоні температур 106,03-108,62°С виникає розчинення технічної сірки, яка структурує бітумополімерне в’яжуче.

Формули переходу від кодованих значень факторів до натурних

х1 = 15 + 5·Х1 (9)

х2 = 8,5 + 2·Х2 (10)

Рис.5. Залежність: межі міцності при вигині Rвиг (МПа), (а) при 0°С (У1); рухливості асфальтополімерсіркобетонної суміші ОК (мм) при 170°С (б) (У3); глибини занурення штампу при 40°С h (мм), (в) (У4) і області оптимальних складів Optimalг) асфальтополімерсіркобетонних в’яжучих речовин від співвідношення у системі механоактивованого бутадієнметилстирольним каучуком СКМС-30 вапнякового мінерального порошку і бітумополімерсіркового в’яжучого.

Рис. 6. Залежність теплового потоку W від температури Т в бітумополімерсірковій в’яжучій речовині складу у масових частках компонентів: бітум нафтовий дорожній П25= 59 град. – 100; бутадієнметилстирольний каучук СКМС-30 – 2; технічна сірка – 30; вапняковий мінеральний порошок, активований 2% СКМС-30 – 60.

Литі асфальтополімерсіркобетони характеризуються більш високими значеннями щільності і коефіцієнтом тривалої водостійкості, меншою температурною чутливістю механічних властивостей у порівнянні з традиційними асфальтобетонами.

Дані, що наведені в табл.2, свідчать про те, що литі асфальтополімерсіркобетони більш зсувостійкі, ніж традиційні гарячі асфальтобетони.

Таблиця 2

Значення показників, що характеризують зсувостійкість дрібнозернистих бетонів (тип Б) за методом Маршала (температура випробування 60 °С)

№ п/п | Вид асфальтов’яжучої речовини
в суміші | Умовна пластичність, 1/10, мм | Стійкість, Р, Н | Умовна
жорсткість, А, Н/мм

1 | Нафтовий дорожній бітум П25=59град. шкали пенетрометра, мінеральний порошок вапняковий не активований | 46 | 15256 | 3316

2 | Нафтовий дорожній бітум П25=59град. шкали пенетрометра, модифікований 2,0% СКМС-30 і 40% технічної сірки; вапняковий мінеральний порошок, активований 0,5% СКМС-30 | 38 | 23080 | 5980

Вони більш атмосферостійкі. Так, коефіцієнт старіння (тепловий прогрів виконано при температурі 75°С і ультрафіолетовому опромінюванні в кліматичній камері ШП-1) після
1200 годин прогріву дорівнює Кст = 1,27, а для гарячого асфальтобетону Кст = 1,44.

Коефіцієнт водостійкості при водонасиченні протягом 90 діб для литого асфальтополімерсіркобетону складає 0,82 проти 0,57 для гарячого асфальтобетону. Коефіцієнт морозостійкості після 100 циклів поперемінного заморожування –відтавання складає 0,72, а для традиційного асфальтобетону 0,4.

П'ятий розділ присвячено практичній реалізації досліджень. Для ТОВ ДАК «Автомобільні дороги України» дочірнього підприємства «Донецький облавтодор» розроблені рекомендації з виробництва і використання литих бетонних сумішей для ямкового ремонту нежорстких дорожніх одягів в несприятливих погодних умовах. На асфальтобетонному заводі Горлівського ПС ДРБУ ВАТ «Облрембуд» виготовлено 15 тонн литих дьогтешлакових сумішей, які використані у поточному ямковому ремонту асфальтобетонного шляхопроводу Кузнецова-Зубарева у м. Горлівка Донецької області.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовані і запроектовані склади та розроблено технологію виробництва литих дьогтешлакових сумішей, що включають відсів подрібнення відвального мартенівського шлаку (100м.ч.), кам’яновугільні дорожні дьогті в’язкістю (6-7 м.ч.), воду (19-21 м.ч.), вапно негашене мелене (2-3 м.ч.), що характеризується рухливістю ОК = 15-20 см, які після укладання у ремонтовану карту покриттів нежорстких дорожніх одягів формують у часі комбіновану мікроструктуру, що представлена оптимальним сполученням коагуляційних (контакти між частками шлаку здійснюються через адсорбційно-сольватні структуровані прошарки органічного в’яжучого) і конденсаційно-кристалізаційних контактів прямого зрощування кристалів гідратованих мінералів тонкодисперсних часток відвального мартенівського шлаку; питома кількість конденсаційно-кристалізаційних контактів складає 0,43-0,45; коагуляційна структура забезпечує релаксацію внутрішніх напружень, що виникають при механічних навантаженнях і термічних впливах, а конденсаційно-кристалізаційна забезпечує міцність дорожнього покриття в області високих температур (встановлено реологічним, резонансно-акустичним, електронномікроскопічним методами і методом ДТА).

2. Литі дьогтешлакобетони у віці 28 діб характеризуються наступними показниками якості: середня щільність, с0 = 2315 кг/м3; межа міцності при стиску, при 0°С, R0= 6,5 МПа, при 20°С, R20= 4,0 МПа, при 50°С, R50= 1,8 МПа; коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні, Квд= 0,82; коефіцієнт теплового старіння після 600 годин прогріву при температурі 60°С і ультрафіолетовому випромінюванню, Кст= 2,2; коефіцієнт морозостійкості після 50 циклів поперемінного заморожування –відтавання F= 0,52.

3. З використанням методу планування експерименту оптимізовано склад асфальтополімерсіркової в’яжучої речовини литої асфальтополімерсіркобетонної суміші оптимального складу (масова концентрація механоактивованого 0,5% СКМС-30 у вуглеводневих розчинниках вапнякового мінерального порошку 12,6-20,0%, бітумополімерсіркового в’яжучого
6,7-10,5%), що забезпечує: рухливість суміші при 170°С – ОК>30 мм; занурення штампу при 40°С – h<4 мм; для асфальтополімерсіркобетону межу міцності на розтяг при вигині при
0°С – Rвиг>5,6 МПа; коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні – Квд> 0,96. Методом диференційно-сканувальної калориметрії встановлено, що технічна сірка при температурах 115-118°С переходить у бірадикали і диполі, що забезпечує структурування бітумополімерного в’яжучого у асфальтополімерсіркобетоні.

4. Литі асфальтополімерсіркобетони характеризуються підвищеним опором зсуву при високих позитивних температурах (умовна жорсткість за Маршалом при 60°С – 21,1кН), підвищеною щільністю, коефіцієнтом водостійкості при тривалому водонасиченні (90 діб) – Квд = 0,78; коефіцієнтом морозостійкості після 100 циклів поперемінного заморожування –відтавання F= 0,72; коефіцієнтом теплового старіння після 1200 годин при прогріві в кліматичній камері ШП-1 при температурі 75°С і ультрафіолетовому випромінюванні Кст= 1,27.

5. Для ТОВ ДАК «Автомобільні дороги України» дочірнього підприємства «Донецький облавтодор» розроблені рекомендації з виробництва і використання литих бетонних сумішей для ямкового ремонту нежорстких дорожніх одягів в несприятливих погодних умовах. Результати дослідження впроваджені у Горлівському ПС ДРБУ ВАТ «Облдоррембуд». З використанням литої дьогтешлакової суміші виконано ямковий ремонт асфальтобетонного покриття шляхопроводу Кузнецова – Зубарева в м. Горлівка Донецької області. Зниження собівартості 1 т ремонтної литої дьогтешлакової суміші з урахуванням збільшення терміну експлуатації відремонтованих ділянок автомобільної дороги склало 49,2 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Столярова Н.А. Дорожно-строительные материалы для строительства и текущего ремонта автомобильных дорог / Н.А. Столярова, Р.В. Карпюк // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. – 2001. – вип. 1 (26). – С. 100-103.

Особистий внесок – виконано аналіз світового досвіду ефективних дорожньо-будівельних матеріалів і ремонтних технологій покриттів нежорстких дорожніх одягів.

2. Столярова Н.А. Эффективные материалы для ремонта проезжей части мостов / Н.А. Столярова, К.А. Столяров // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2002. – вип. 64. – С. 255-228.

Особистий внесок – оптимізовано склади литих дьогтешлакових сумішей.

3. Столярова Н.А. Влияние процессов формирования молекулярного контакта на прочность адгезионного соединения ремонтного материала с асфальто- и дегтебетонными покрытиями. / Н.А. Столярова, К.А. Столяров // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. – 2003.-1 (38). – С. 97-99.

Особистий внесок – сформульовані теоретичні принципи формування контактного шару, що забезпечує довговічність ремонтуємої карти дорожнього покриття.

4. Каравайний Д.В. Эффективные материалы для текущего ремонта усовершенствованных покрытий при неблагоприятных погодных условиях. / Д.В. Каравайний, Н.А. Столярова// Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Будівлі та споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів. Матеріали міжнародної наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. – 2002. – вип. 3 (34). – Т.1. – С. 49-50.

Особистий внесок – розроблено технологію виробництва литих дьогтешлакових сумішей.

5. Столярова Н.А. Холодные дегтебетонные смеси с регулируемыми сроками формирования структуры / Н.А. Столярова, А.В. Полищук // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2002. – вып. 19. – С. 186-189.

Особистий внесок – приведені ефективні склади холодних органомінеральних сумішей для ямкового ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів.

6. Столярова Н.А. Литые смеси для текущего ремонта нежестких покрытий автомобильных дорог / Н.А. Столярова // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. – 2003. – вип. 1 (38). – С. 97-99.

7. ??????? В.И. О методах определения некоторых свойств литых асфальтобетонных смесей и износостойкости асфальтобетонного покрытия. / В.И. ???????, Н.А. Столярова, Н.Н. Кумейко // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2004. – вип.. 71. – с. 50-53.

Особистий внесок – сконструйовано та виготовлено прилад для визначення глибини занурення штампа у литу гарячу асфальтобетонну суміш, описано методику.

8. Столярова Н.А. Специальные методы испытаний литых асфальтобетонных смесей / Н.А. Столярова // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. – 2004. – вип. 1 (43). – Т.2.– С. 33-35.

9. Братчун В.И. Закономерности формирования структуры и заданных адгезионно-деформационно-прочностных характеристик в системе «ремонтируемое покрытие – контактный слой – новый материал». / В.И. Братчун, Н.А. Столярова, М.В. Деркач // Вісник Донбаської національної будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. Макіївка, ДонНАБА. МОН України. – 2004. – (49). – С. 28-35.

Особистий внесок – сформульовані теоретичні положення формування структури і заданих адгезійно-когезійних властивостей у системі «ремонтуєма карта – ремонтний матеріал»

10. Столярова Н.А. Современное оборудование для ямочного ремонта дорожных покрытий литой асфальтобетонной смесью / Н.А. Столярова, Т.М. Светличная, П.П. Титов, Е.В. Крюкова // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. Будівлі та споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів. Матеріали IV міжнародної наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. – 2005. – вип. 4 (52). – Т.1. –
С. 67-69.

Особистий внесок – обґрунтовано технологічне обладнання для виготовлення литих асфальтополімерсіркобетонних сумішей та їх транспортування.

11. Братчун В.И. Литые асфальтополимербетонные смеси для ямочного ремонта нежестких дорожных одежд. / В.И. Братчун, Н.А Столярова, В.Л. Беспалов, С.М. Толчин // Вісник Донбаської національної будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. Макіївка, ДонНАБА. МОН України. – 2005.-1 (49). – С. 39-42.

Особистий внесок – оптимізовані склади литих асфальтополімерсіркобетонних сумішей.

12 Братчун В.И. Модифицированные горячие литые асфальтополимербетонные смеси / В.И. Братчун, Н.А. Столярова, В.Л. Беспалов // Современные проблемы строительства. – 2006. – №4 (9). –С. 203-207.

Особистий внесок – розроблено технологію виробництва гарячих литих асфальтополімерсікобетонних сумішей.

13. Столярова Н.А. О стабильности литых асфальтополимерсеробетонов под действием погодно-климатических факторов / Н.А. Столярова // Вісник Донбаської національної будівництва і архітектури. Сучасні будівельні матеріали для будівництва. – 2007. – вип. 1 (63). –
С. 75-78.

14. Братчун В.И. Литые асфальтобетоны повышенной долговечности. / В.И. Братчун, Н.А. Столярова, В.Л. Беспалов, И.Ф. Рыбалко // Вісті автомобільно-дорожнього інституту. МОНУ, Автомобільно-дорожній інститут ДонНТУ. – 2007. – №1(4). – С. 143-146.

Особистий внесок – експериментальні дослідження показників якості литих асфальтополімерсіркобетонів.

АНОТАЦІЯ

Столярова Н.О. – Литі органомінеральні суміші для ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2008 р.

Дисертацію присвячено теоретичному і експериментальному обґрунтуванню отримання складів ресурсо- і енергоекономічних литих органомінеральних сумішей для ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг на основі встановлення закономірностей формування структури і заданих адгезійно - когезійних і деформаційно- міцнісних характеристик литих органомінеральних бетонів у системі «ремонтоване покриття – контактний шар – новий матеріал».

Розроблені склади литих дьогтешлакових і асфальтополімерсіркобетонних сумішей для ямкового ремонту покриттів нежорстких дорожніх одягів. Литі дьогтешлакові суміші включають відсів подрібнення відвальних мартенівських шлаків – 100м.ч., кам’яновугільний дорожній дьоготь в’язкістю ( 6-7 м.ч.); воду (19-21 м.ч.), вапно негашене мелене (2-3 м.ч.) і характеризуються рухливістю ОК =15-20 с. Литий дьогтешлакобетон має межу міцності при стиску при 0°С, R0= 6,5 МПа, при 20°С, R20= 4,0 МПа, при 50°С, R50= 1,8 МПа; коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні – Квд = 0,82; коефіцієнт теплового
старіння після 600 годин прогріву при температурі 60°С і ультрафіолетовому випромінюванню – Кст= 2,2.

Оптимізовано склад асфальтополімерсіркобетонної суміші, що містить механоактивований 0,5% СКМС-30 мінеральний порошок 12,6-20%, бітумополімерсіркове в’яжуче 6,7-10,5% (бітум нафтовий дорожній модифікований 2% бутадієнметилстирольним каучуком СКМС-30 і 40% технічної сірки), що забезпечує: рухливість суміші при 170°С – ОК >30 мм; занурення штампу при 40°С – h < 4 мм; для асфальтополімерсіркобетону межу міцності на розтяг при вигині при 0°С – Rвиг >5,6 МПа, коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні – Квд > 0,96, коефіцієнт морозостійкості після 100 циклів поперемінного заморожування - відтавання – F = 0.72, коефіцієнт теплового старіння після 1200 годин – Кст = 1,27.

Для ТОВ ДАК «Автомобільні дороги України» дочірнього підприємства «Донецький облавтодор» розроблені рекомендації з виробництва і використання литих бетонних сумішей для ямкового ремонту нежорстких дорожніх одягів в несприятливих погодних умовах. Результати дослідження впроваджені у Горлівському ПС ДРБУ ВАТ «Облдоррембуд». З використанням литої дьогтешлакової суміші виконано ямковий ремонт асфальтобетонного покриття шляхопроводу Кузнецова – Зубарева в м. Горлівка Донецької області. Зниження собівартості 1 т ремонтної литої дьогтешлакової суміші з урахуванням збільшення терміну експлуатації відремонтованих ділянок автомобільної дороги склало 49,2 грн.

Ключові слова: литі дьогтешлакові і асфальтополімерсіркобетонні суміші, дефекти покриттів нежорстких дорожніх одягів автомобільних доріг, ямковий ремонт.

АННОТАЦИЯ

Столярова Н.А. Литые органоминеральные смеси для ремонта покрытий нежестких дорожных одежд автомобильных дорог. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2008 г.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию получения составов ресурсо- и энергоэкономичных литых органоминеральных смесей для ремонта покрытий нежестких дорожных одежд автомобильных дорог на основе установления закономерностей формирования структуры и заданных адгезионно - когезионных и деформационно- прочностных характеристик литых органоминеральных бетонов в системе «ремонтируемое