СОДЕРЖАНИЕ.
1. Виды органоминеральных смесей на увлажненных минеральных материалах и требования, предъявляемые к их свойствам. |
|
2. Влияние качества и соотношения компонентов, входящих в состав органоминеральных смесей на основе вспененного битума, на процессы структурообразования. 2.1. Зерновой состав минеральной части. 2.2. Укрепление цементом. 2.3. Формирование структуры при укреплении каменных материалов добавкой цемента совместно с битумом. 2.4. Стабилизация вспененным битумом. |
|
3. Результаты подборов составов и исследования свойств песчано-гравийных смесей, укрепленных вспененным битумом совместно с цементно-водной суспензией. |
|
4. Природно-климатические характеристики, влияющие на работу материалов слоев дорожной одежды. 4.1. Основные принципы территориального дорожного районирования и учет природно-климатических факторов при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. 4.2. Влияние метеорологических воздействий на работу конструкций дорожных одежд. 4.3. Характеристики некоторых климатических параметров Пермской области. |
|
Выводы |
|
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, УКРЕПЛЕННЫХ ВСПЕНЕННЫМ БИТУМОМ СОВМЕСТНО С ЦЕМЕНТНО-ВОДНОЙ СУСПЕНЗИЕЙ, И ИХ РАБОТА В КОНСТРУКТИВНЫХ СЛОЯХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ПЕРМСКОЙ ОБЛАСТИ
1. Виды органоминеральных смесей на увлажненных минеральных материалах и требования, предъявляемые к их свойствам.
2.
Материалы, обработанные вспененным битумом с цементно-водной суспензией, относятся к группе смесей на увлажненных минеральных материалах. Такие смеси содержат в своем составе воду. Вода в них подается в минеральный материал в не большом количестве, близком к значению оптимальной влажности используемых материалов.
Эту небольшую группу составляют влажные органоминеральные смеси (ВОМС); смеси, получаемые на основе вспененных битумов и смеси на разжиженных битумах (Nab-Sand-влажный песок).
Согласно определению, данному в обзорной информации [], смесь, приготовленная на вспененном битуме (ВБ), - это материал, содержащий обычные для горячих асфальтобетонов минеральные материалы (щебень, песок, минеральный порошок) и битум в диспергированном состоянии. Диспергирование битума осуществляется чаще всего способом, основанным на подаче через специальные устройства горячего битума при температуре 130-1700С совместно с водяным паром или водой на предварительно увлажненные минеральные материалы. При подаче водяного пара получают, главным образом, горячую смесь, воды – холодную.
При диспергировании битума на предварительно увлажненные материалы в минеральную смесь необходимо вводить активаторы – минеральные порошки с высоким содержанием свободной окиси кальция. Количество частиц мельче 0,071 мм ограничивается 7-14%, воды 7-14%, битума – 4-7%.
В обзорной информации также отмечается, что способ обработки материала и тип органоминеральной смеси необходимо выбирать с учетом целого ряда факторов, в том числе климатических характеристик. При этом кроме климатических факторов учитываются местные погодные условия на момент строительства. Во всех случаях следует выбирать погодные условия, когда смесь успеет сформироваться.
Материалы, приготовленные на вспененном битуме, еще мало применяются в дорожных хозяйствах России, но имеющийся опыт устройства таких слоев позволяет рекомендовать их наряду с ВОМС.
Рекомендуется применять мобильное оборудование для приготовления и укладки смеси. Этот способ работ позволяет избежать снижения качества некоторых материалов при транспортировании и составить план организации работ таким образом, чтобы использовать промежутки времени с оптимальными для устройства дорожных одежд погодными условиями, когда в целом погода в районе работ неустойчива.
С этой точки зрения представляет интерес опыт восстановления и строительства слоев дорожной одежды методом холодного ресайклинга с использованием специального оборудования фирмы Wirtgen. Комплект этого оборудования в настоящее время используется для строительства слоев оснований дорожных одежд в Пермской области. Руководство по применению разработано известной консультативной фирмой, специализирующейся на технологиях восстановления дорожных одежд – A.A.Loudon & Partners [].
Машины для ресайклинга были разработаны несколько лет назад путем соответствующей модернизации дорожных фрез и машин для стабилизации грунта. Поскольку современные ресайклеры предназначены специально для ресайклинга на большую глубину за один проход, они представляют собой крупные мощные машины на гусеничном или колесном шасси, обеспечивающем им высокую проходимость.
Основным рабочим органом машины является фрезерно-смешивающий барабан с большим количеством специальных резцов. Вращаясь, барабан измельчает материал дорожной одежды.
При фрезеровании в рабочую камеру ресайклера впрыскивается вода. Ее количество точно дозируется насосом, управляемым микропоцессорной системой, чтобы после смешивания с материалом, измельченным фрезерным барабаном, влажность получаемой смеси была оптимальна для ее уплотнения.
Жидкие стабилизаторы, такие как цементно-водная суспензия или битумная эмульсия, вводятся в рабочую камеру таким же способом. Кроме того, через отдельную, специально разработанную распределительную систему в рабочую камеру может быть введен вспененный битум.
Холодный ресайклинг имеет несколько преимуществ:
1. Отсутствие загрязнения окружающей среды благодаря полному использованию материала старой дорожной одежды.
2. Качество ресайклированного слоя вследствие последовательного, высококачественного смешивания полученных на месте материалов с водой и стабилизаторами. Смешивание отвечает самым высоким требованиям, поскольку компоненты принудительно перемешиваются в рабочей камере.
3. Структурная целостность дорожной одежды. Холодный ресайклинг позволяет получать связные слои большой толщины, которые отличаются гомогенностью материала. Благодаря этому не требуется розлив жидких вяжущих между тонкими слоями дорожной одежды.
4. Сохранение целостности грунта. Обычно холодный ресайклинг выполняется за один проход ресайклером на пневмошинах, который оказывает малое давление на грунт и, следовательно, мало деформирует его.
5. Уменьшение продолжительности сроков строительства. Современные машины для ресайклирования отличаются высокой производительностью, что существенно сокращает сроки строительства по сравнению с традиционными методами устройства дорожных покрытий.
Наличие местных материалов часто является решающим при выборе типа органоминеральных смесей (ОМС) и способа их получения. Необходимо также учитывать сезон строительства, температуру воздуха при укладке и уплотнении, влажность воздуха и даже скорость ветра [].
Колебания климатических условий наиболее важны при выборе оптимальной технологии ресайклинга: для регионов с малым уровнем осадков необходимы совершенно другие технологии по сравнению с регионами, где этот уровень высок. Результаты воздействия экстремальных температур, такие как растрескивание слоя, вызванное циклами замораживания-оттаивания, также должны учитываться при выборе необходимой технологии [].
Толщина конструктивных слоев дорожной одежды из органоминеральных смесей обычно составляет 30-80 см. Для них основные требования – водостойкость и прочностные показатели. Для таких конструктивных слоев могут быть рекомендованы ВОМС, нефтегравий и, в том числе, смеси на вспененном битуме.
Реконструкция грунтовых гравийных дорог может быть осуществлена укреплением их вспененным битумом совместно с цементом с последующим перекрытием защитным слоем. Глубина ресайклинга этого типа обычно равна от 100 до 150 мм.
Отмечено, что весьма эффективно применение конструктивных слоев из приведенных выше материалов в сочетании с тонкими и сверхтонкими слоями (20-40 мм, 15-25 мм).
Органоминеральная смесь – это смесь минеральных материалов (щебня, песка, минерального порошка), органического вяжущего и воды.
Физико-механические и технологические свойства ОМС обусловлены свойствами и соотношениями составляющих их компонентов, а также технологией приготовления смесей.
Набор необходимых свойств смесей зависит от назначения материала и технологических процессов его получения и применения. Все ОМС, используемые при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог, должны обладать следующими свойствами:
-иметь хорошую водостойкость, которая характеризуется соотношением прочностей при температуре 200С сухих и водонасыщенных образцов;
-водонасыщение и набухание материала не должны превышать установленные для данной смеси пределы;
-иметь достаточные для эксплуатации покрытия прочности при нормальной, повышенной или пониженной температурах, в зависимости от условий эксплуатации материала.
Водостойкость и водонепроницаемость материала зависят прежде всего от количества и качества вяжущего в смеси. Причем в качестве вяжущего рассматривается не только чисто органическое вяжущее, но и его смесь с мелкодисперсной фракцией минеральной части, называемая асфальтовым вяжущим.
Известно, что чем больше в смеси содержится органического вяжущего, тем более водостойким и менее водопроницаемым будет материал. Однако простое увеличение количества органического вяжущего ведет к падению прочностных характеристик материала и уменьшению его теплоустойчивости, поэтому необходимо повышать содержание в смеси именно асфальтового вяжущего.
Свойства материала, полученного путем уплотнения смеси, определяются свойствами и количественными соотношениями исходных материалов.[] Для ВОМС с целью выяснения влияния многочисленных факторов на физико-механические свойства материала был проведен эксперимент с привлечением факторного анализа. В качестве критериев были приняты основные физико-механические показатели материала – плотность, водонасыщение и прочностные показатели сухих и водонасыщенных образцов. В результате была установлена степень влияния всех выбранных для анализа факторов на изменение перечисленных выше показателей свойств ВОМС. []
Проведенный с привлечением методов статистической обработки анализ позволил расположить факторы по степени их влияния на свойства ВОМС (по убывающей):
-соотношение между количеством органического вяжущего и тонкодисперсных частиц минерального порошка;
-содержание тонкодисперсных частиц;
-вязкость органического вяжущего;
-количество воды;
-содержание активной составляющей минеральной части (количество свободной окиси кальция);
-вид и количество ПАВ, гранулометрических добавок и др;
-содержание и размер щебеночной фракции;
-количество песка, размер и форма его зерен.
(ВОМС представляют собой многокомпонентную систему, состоящую из увлажненных минеральных материалов подобранного гранулометрического состава, активатора или ПАВ и жидкого органического вяжущего).
Для других видов органоминеральных смесей порядок расположения, а для некоторых смесей и набор факторов, могут быть иными.
Для органоминеральных смесей на основе вспененного битума и цементно-водной суспензии набор факторов и их порядок по степени влияния на свойства получаемого материала может быть следующим:
-соотношение между количеством органического вяжущего и тонкодисперсных частиц в смеси;
-содержание тонкодисперсных частиц;
-качество вспененного битума;
-количество и качество цементно-водной суспензии;
-содержание и размер щебеночной фракции;
-количество песка, размер и форма его зерен;
-условия формирования структуры материала: влажность при уплотнении, температура воздуха (скорость высыхания) и др.
В горячих смесях процессы формирования структуры завершаются в основном, на стадии уплотнения смесей, а в холодных – основным фактором формирования структуры материала является его доуплотнение в результате движения транспортных средств. В процессе уплотнения таких материалов получают только минимально необходимую механическую прочность и устойчивость при воздействии климатических и эксплуатационных факторов.
Для увлажненных органоминеральных смесей процесс уплотнения играет важную роль в формировании материала. Однако процессы структурообразования под воздействием движения транспортных средств являются основными.
Увлажненные смеси могут довольно длительное время и в широком диапазоне температур оставаться однородной системой.
Условием успешного применения, например, ВОМС является присутствие в их составе достаточного количества мелкодисперсных фракций в сочетании с оптимальной пористостью смеси, обеспечивающей условия миграции свободной воды, которая используется для улучшения условий смачивания минеральных частиц органическим вяжущим, то есть играет роль пластификатора.
Как показали результаты исследований [], в момент обволакивания органическим вяжущим минеральных зерен в смесях типа ВОМС или нефтегравий происходит вытеснение определенного количества воды с поверхности зерен в поровое пространство. Если остаточная пористость пластичных смесей меньше оптимальной, то это затрудняет миграцию свободной воды и не позволяет в оптимальные сроки сформировать структуру этих материалов. Поэтому после открытия движения по несформировавшемуся покрытию на нем возникают дефекты.
Предварительное уплотнение наиболее целесообразно проводить пневмокатками, так как катки гладковальцовые, заглаживая поверхность материала, затрудняют процесс испарения воды из смеси. Это не позволяет получить необходимые начальные физико-механические свойства материала, которые влияют на сроки открытия движения транспортных средств и создают предпосылки для возникновения дефектов покрытия.
Вода. присутствующая в ВОМС, положительно воздействует на процесс уплотнения, снижая внутреннее трение минеральных частиц, а это способствует повышению степени уплотняемости смеси при сохранении оптимальной пористости.
Вытеснение воды при формировании структуры ВОМС в поровое пространство происходит таким образом, что на минеральных зернах формируется тонкая пленка органического вяжущего в присутствии структурирующей добавки (извести или цемента), которая сочетает в себе жесткость и эластичность, упругость и пластичность.
При формировании материала из нефтегравия, пористость которого недостаточна, чтобы обеспечить свободную миграцию воды, а уплотняющая нагрузка большая, происходит защемление воды между сравнительно толстыми слоями маловязкого органического вяжущего. Смесь будет плохо уплотняться, ее уплотняемость значительно снизится.
Уплотняемость – одна из основных технологических характеристик смеси – это способность материала изменять свой объем под действием уплотняющей нагрузки. Характер зависимости уплотняемости ВОМС от температуры уплотнения таков, что позволяет сделать вывод о том, что максимальный эффект уплотнения ВОМС будет проявляться в интервале температур –10 - +150С. Движение транспортных средств открывают сразу после уплотнения слоя с ограничением скорости движения до 40 км/ч на сутки для ВОМС и на 6-7 суток для нефтегравия. []
2. Влияние качества и соотношения компонентов, входящих в состав органоминеральных смесей на увлажненных минеральных материалах, и требования, предъявляемые к их свойствам
2.1. Зерновой состав минеральной части.
Состав ОМС проектируется с учетом назначения смесей, условий их применения и формирования структуры, а также свойств исходных материалов. В настоящее время для большинства видов ОМС считается наиболее целесообразным метод подбора минеральной части по принципу предельных кривых. Для ряда смесей (ВОМС) регламентируется содержание только некоторых фракций минеральной части, наиболее важных для обеспечения оптимальных свойств смеси – водостойкости, сдвигоустойчивости, шероховатости.
Суммарное количество воды и вяжущего в таких смесях обычно подбирается по принципу получения значения влажности минеральной части, близкой к пределу пластичности (для ВОМС).
Для смесей типа ВОМС важное значение имеет рациональное соотношение минеральной части и органического вяжущего.
Суммарное количество воды и органического вяжущего в смеси определяют исходя из предпосылки, что поры смеси должны быть заполнены на 3/4 своего объема. Количество воды в ВОМС должно быть равным или несколько превышать количество вяжущего, но не более, чем на 20 %. Обычно ориентировочное количество воды в смеси составляет 3-4 %, а вяжущего – около 3,5 %, если содержание мелкой фракции не превышает 10 %.
При увеличении количества воды по отношению к вяжущему, получают смеси с высокими прочностными характеристиками, но более низкой водостойкостью, при уменьшении соотношения вода – вяжущее водостойкость и теплостойкость смеси возрастают, прочностные характеристики резко снижаются.
При определении количества воды и вяжущего в нефтегравии (НГ) рекомендуется руководствоваться "правилом числа 13", когда сумма содержания частиц размером меньше 0,071 мм, влажность минерального материала и количества вяжущего не должна превышать величину 13. Обычно содержание органического вяжущего в НГ не превышает 4,0 %, а влажность минерального материала – менее 3,0 %.
Такое соотношение вода – вяжущее позволяет прогнозировать невысокие прочностные показатели смеси. Для повышения этих показателей в смеси предусмотрено содержание щебня размером зерен 5 – 20 мм в количестве более 60 %.
По данным руководства по применению "Холодный ресайклинг" пригодность материала оценивается следующим образом: "… Материал с недостатком мелких фракций будет плохо смешиваться со вспененным битумом. Минимум 5 % материала должно проходить через сито 0,075 мм (номер сита 200). При недостатке таких фракций вспененный битум не распределяется должным образом и склонен к образованию так называемых "стрингеров", или пропитанных битумом агломераций мелких зерен, проходящих ресайклированный материал. Размер стрингеров изменяется в соответствии с недостатком мелких фракций, их большой дефицит вызывает образование большого числа крупных стрингеров, которые действуют подобно смазочному материалу в смеси, и ведут к снижению прочности и стабильности.
Материал с недостатком мелких фракций может быть улучшен добавкой цемента. Однако, добавки более 2 % цемента от массы минерального материала следует избегать из-за его отрицательного влияния на усталостные характеристики укрепленного слоя".
Рекомендуемый руководством гранулометрический состав смесей, используемых для укрепления вспененным битумом, наиболее полно соответствует зерновому составу С-11, смесей для оснований (полуприрывистая гранулометрия), в соответствии с требованиями ГОСТ 25607-94 "Смеси щебеночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия".
В Пермской области существует много карьеров природных песчано-гравийных смесей, зерновой состав которых может сильно отличаться от рекомендуемых составов как по содержанию гравийной части (зерен крупнее 5 мм) так и по содержанию частиц размером менее 0,075 мм. Следовательно, необходим подбор зерновых составов и исследование влияния зернового состава на свойства укрепленного материала.
Таблица
Таблица сравнения рекомендуемых зерновых составов.
В соответствии с требованиями руководства к применению "Холодный ресайклинг" | ||||||||||||||
| Полный остаток на ситах размером, мм | |||||||||||||
Размер отверстий сит, мм | 26,5 | 19,0 | 13,2 | 9,50 | 6,70 | 4,75 | 2,36 | 1,70 | 1,18 | 0,60 | 0,425 | 0,25 | 0,15 | 0,075 |
Требования рекомендаций | 0 – | 7 – | 14 – | 20 – | 27– | 32 – | 43 – | 48 – | 52– | 61 – | 65 – | 70 – | 75 – | 80 – 95 |
В соответствии с требованиями ГОСТ 25607-94 (смесь для оснований) | ||||||||||||||
| Полный остаток на ситах размером, мм | |||||||||||||
Размер отверстий сит, мм |
|
| 2,5 |
|
| 0,63 |
|
| 0,16 | 0,05 | ||||
Требования ГОСТ 25607-94, смесь С-11 | 0 – | 0 – |
| 18 – |
| 32 – | 42 – |
|
| 60 – |
|
| 83 – | 95 –100 |
В соответствии с требованиями ГОСТ 30491-97* | ||||||||||||||
| Остатки на ситах размером, мм | |||||||||||||
Размер отверстий сит, мм |
|
|
|
|
|
|
|
| 0,63 |
|
|
| 0,071 | |
Требования ГОСТ 30491-97 Покрытие |
|
|
|
|
| не более 35-65 |
|
|
| не менее 24-50 |
|
|
| не менее 8 - 12 |
Требования ГОСТ 30491-97 Основание |
|
|
|
|
| не более35 - 70 |
|
|
| не менее12 - 30 |
|
|
| не менее0 - 4 |
* требования в зависимости от максимального размера заполнителя
2.2. Укрепление цементом.
Цемент - наиболее широко используемое вяжущее для укрепления каменных материалов, применяемых в основаниях дорожной одежды.
Преимуществами применения цемента являются:
- существенное повышение предела прочности при сжатии с большинством материалов;
- повышение водостойкости материалов.
Однако укрепление цементом требует большого внимания. Все полученные с применением цемента материалы, включая и бетон, склонны к растрескиванию.
Цементобетон имеет склонность к раскалыванию по двум очень различным причинам. Первая - результат химической реакции, которая протекает при гидратации цемента в присутствии воды. Вторая причина - результат нагрузки от транспортных средств [].
При гидратации цемента образуются пальцеобразные кристаллы силиката кальция сложной формы, сцепляющие между собой частицы материала. Материал сжимается, что вызывает образование трещин, обычно называемых усадочными. Эти трещины являются одной из особенностей работы с цементом. Интенсивность (расстояние между трещинами) и величина (ширина) трещин, или степень растрескивания, в значительной степени зависят от следующих факторов:
- содержание цемента. Усадка, которая происходит в течение гидратации, является функцией количества цемента в материале. Поэтому повышение содержания цемента увеличивает растрескивание. Добавка очень небольшого количества (менее 2 % по массе) рассматривается только в случае введения цемента в процессе ресайклинга в виде суспензии;
- тип стабилизируемого материала;
- влажность при уплотнении;
- скорость высыхания. При быстром высыхании материала усадка развивается быстрее набора прочности, что сопровождается образованием узких (волосяных) трещин. Медленное высыхание влечет за собой менее интенсивное образование трещин, но их ширина в этом случае больше. Поверхность законченного цементобетонного слоя должна быть защищена от высыхания в течение семи дней.
Перечисленные преимущества и недостатки справедливы для материалов, укрепленных небольшим количеством цемента, применяемых в слоях дорожной одежды.
2.3. Формирование структуры при укреплении каменных материалов
добавкой цемента совместно с битумом.
Выделяющийся при гидратации и гидролизе цемента Ca(ОН)2 насыщает поры грунта и поверхность частиц катионами кальция, что способствует повышению адгезии битума к поверхности частиц грунта.
Цементобитумогрунт характеризуется не только высокой прочностью и морозостойкостью, но и обладает повышенной деформативностью и малой истираемостью. Эти свойства позволяют применять такой материал в суровых климатических условиях (во II и даже I дорожно-климатических зонах) и эффективно использовать его в конструктивных слоях дорожных одежд на дорогах I - III категорий (верхний слой основания) [].
Изучение структуры цементобитумогрунта дает основание предположить, что при введении добавок цемента и битума в массе укрепленного грунта формируется сильно разветвленная пространственная структура смешанного типа. Отдельные микрообъемы грунта сложной конфигурации характеризуются преобладанием упруго-вязкой коагуляционной структуры, формирующейся под действием битума, который связывает частицы грунта и их микроагрегаты в монолитную массу. В других микрообъемах укрепленного грунта преобладает жесткая кристаллизационная структура, обусловленная цементирующим действием гидратированных зерен цемента и новообразований. Такие микроблоки (или участки) с диаметрально противоположной структурой чередуются между собой, имеют очень изломанную и неровную поверхность и связываются в монолитную массу пленками битума или новообразованиями цемента. Такая мозаичная, часто чередующаяся и взаимопроникающая структура смешанного типа и обуславливает полезные качества комплексно укрепленного грунта: прочность, высокую морозостойкость, повышенную деформативность, большую сдвигоустойчивость при повышенных температурах (50оС) и износостойкость [].
Данная структура образуется при добавлении 5-10 % цемента и 5 % эмульгированного битума, т.е. основным вяжущим является цемент.
2.4. Стабилизация вспененным битумом.
Вспенивание битума происходит, когда небольшое количество воды добавляется к горячему битуму, при этом увеличивается площадь его поверхности и существенно уменьшается вязкость битума. В такой форме битум более благоприятен для смешивания с холодным, влажным каменным материалом.
Вспененный битум может использоваться в качестве стабилизатора с самыми разными материалами: от щебня хорошего качества до низкокачественного гравия с относительно высокой пластичностью. Основными преимуществами стабилизации вспененным битумом являются:
- уменьшение расхода вяжущего и транспортных затрат, так как вспененный битум готовится из стандартного битума при добавке воды до 2 % от массы битума;
- обработанный вспененным битумом материал может быть уложен, уплотнен и открыт для движения сразу после перемешивания;
- этот материал не теряет своих свойств в течение длительного времени и может обрабатываться при неблагоприятных погодных условиях без вымывания битума из каменного материала.
К обработанному вспененным битумом материалу обычно в небольших количествах добавляется цемент. Кроме увеличения прочности, такая добавка повышает диспергирование битума благодаря увеличению доли фракции 0,071 мм.
Вспененный битум характеризуется относительным расширением и периодом полураспада. Относительное расширение определяется как отношение максимального объема битума во вспененном состоянии к его объему без вспенивания. Период полураспада - время (в секундах) оседания пены до половины ее максимального объема.
На характеристики битума оказывают влияние многочисленные факторы, наиболее важными из которых являются:
- температура битума. Характеристики вспенивания большинства битумов улучшаются при более высоких температурах;
- количество воды, добавляемой к битуму. Обычно коэффициент расширения повышается с увеличением количества добавляемой воды, в то время как период полураспада уменьшается;
- давление, при котором битум вводится в расширительную камеру. Низкое давление (ниже 3 бар) отрицательно сказывается как на коэффициенте расширения, так и на периоде полураспада.
Вообще, чем лучше характеристики вспенивания, тем лучше будет качество готовой смеси. Большие коэффициенты расширения, увеличенные за счет периода полураспада, или наоборот, как правило, влекут за собой более низкое качество смеси по сравнению с тем, когда обе характеристики оптимальны.
Дисперсия битума: в отличие от горячей асфальтобетонной смеси, цвет материала, стабилизируемого вспененным битумом, не черный. Причина заключается в том, что более крупные частицы каменного материала не покрыты битумом и обычно свободны от него. Когда вспененный битум входит в контакт с каменным материалом, капельки битума разрываются на миллионы крошечных “пятен”, которые разлетаются и прилипают к мелким частицам, особенно к зернам 0,071 мм. Это приводит к связи наполнителя с битумом, который ведет себя подобно раствору в отношении крупных частиц. Поэтому после обработки материал лишь немного темнеет.
Добавка цемента способствует диспергированию битума, особенно там, где ресайклированный материал беден мелкими фракциями, т.е. через сито 0,071 мм проходит менее 5 % материала.
Процесс вспенивания битума заключается в его переходе из объемного изотопного состояния в тонкодисперсное с образованием двухфазной гетерогенной дисперсной системы “битум-газ”, для которой характерна специфическая ячеисто-пленочная сплошная структура[].
Образовать двухфазную дисперсную систему типа пены могут битумы, находящиеся в жидком (текучем) состоянии. У вязких битумов это состояние проявляется при их нагреве до высоких температур.
Процесс образования пены включает три основных стадии:
1. Равномерное распределение зародышей полярной фазы (воды или насыщенного водяного пара) в объеме битума. Равномерное распределение в битуме зародышей дисперсной фазы достигается методами конденсации или дисперсии. Введение в битум зародышей дисперсной фазы возможно в случае его использования в жидком агрегатном состоянии.
2. Рост газовых включений полярной фазы (увеличение их объема). Рост может происходить в результате кипения в объеме горячего битума мелких капель воды, содержащих на своей поверхности включения воздуха и пара. Эти включения будут являться зародышами газовых пузырьков (дисперсной фазы), необходимых для обеспечения процесса кипения.
3. Диффузия молекул ПАВ из глубины битума к межфазной поверхности и образование на ней адсорбционного слоя. Адсорбируясь на межфазной поверхности, молекулы ПАВ снижают избыточную (свободную) поверхностную энергию формирующейся дисперсной системы, позволяя получить устойчивую пену. Основными условиями образования адсорбционного слоя являются наличие в битуме ПАВ, способных адсорбироваться на границе раздела “битум-пар”, и низкая вязкость битума (поверхностно-активные вещества, содержащиеся в битуме, представлены, главным образом, асфальтенами, асфальтогеновыми и карбоновыми кислотами и их ангидридами).
С помощью пара и ПАВ весь битум переводится в пленочное состояние. При этом пленкообразующие свойства ПАВ в значительной степени будут определяться их способностью образовывать прочные межфазовые пленки. Из всей группы соединений нефтепродуктов асфальтены позволяют получить наиболее прочные пленки на границе раздела.
Пленка битума контактирует одновременно с двумя паровыми пузырями, т.е. имеет две поверхности и, следовательно, на ней должны формироваться два молекулярных слоя ПАВ. Эти слои молекул ПАВ обрамляют пленку, придают ей повышенную прочность, эластичность, устойчивость. Толщина слоя ПАВ на границе раздела фаз определяется размером его молекулы, главным образом углеводородным радикалом. Принимая во внимание, что основными ПАВ в битуме являются асфальтены с максимальным размером макромолекул (16-20)10-10 м, можно предположить, что толщина одного слоя ПАВ на границе раздела фаз “битум-пар” соответствует этим значениям.
В местах стыка пленок, принадлежащих трем соприкасающимся пузырям, возникают утолщения (ребра), поперечное сечение которых представляется в виде треугольника. Эти ребра названы каналами Плато-Гиббса. Каналы взаимосвязаны и представляют систему, пронизывающую всю структуру пены. В каналах Плато-Гиббса битум находится в свободном состоянии и может течь под действием гравитационных сил или вследствие капиллярного всасывания, вызывая разрушение пены. Жидкость в каналах Плато-Гиббса находится в постоянном движении и под различным давлением. Разность давлений в пленках пены приводит к возникновению в ней капиллярных явлений (всасыванию межпленочной жидкости в сторону более толстых участков пленки, испытывающих меньшее давление, и ее течению по каналам Плато-Гиббса) и диффузии газа между пузырями. Эти процессы, интенсивность их протекания в пене определяют ее основные свойства, в частности, устойчивость [].
Во вспененном битуме адсорбционный слой на границе раздела фаз “битум-пар” насыщен асфальтенами. Контакт вспененного битума с поверхностью минерального материала может происходить по пленкам и будет сопровождаться разрушением паровых пузырей (разрывом пленок). При этом битумная пленка экранирует поверхность минерального материала от контакта с паром, а разрушение паровых пузырей приводит к образованию новых пузырей меньшего размера и увеличению площади контакта пленок с минеральной поверхностью. При контакте пленок битумной пены с минеральной поверхностью асфальтены будут адсорбироваться уже на ней. В этом случае поверхность минерального материала сохраняет и усиливает структурные изменения в поверхностном слое битума, вызванные его вспениванием.
Таким образом, благодаря концентрации асфальтенов на поверхности битумных пленок адгезия вспененного битума с минеральной поверхностью при прочих равных условиях всегда будет выше адгезии того же битума, не подвергнутого предварительному вспениванию. В процессе перемешивания битумная пена подвергается многократным механическим ударным воздействиям со стороны минеральных зерен, которые, дробя и разрушая паровые пузыри, сокращают время существования пены. В тоже время битумная пена сохраняется на протяжении большей части процесса перемешивания минеральной смеси с вяжущим.
Установлено, что длительность прилипания тонкодисперсных минеральных частиц к пене колеблется от сотых до десятых долей секунды. Минеральная частица на поверхности пены будет закрепляться тем прочнее, чем больше кинетической энергии она потеряет.
Таблица
Результаты подборов состава органоминеральных смесей на увлажненных материалов
на основе вспененных битумов 1999 г.
Наименование показателей
| Требования ГОСТ 30491-97 | Содержание цемента и битума в смеси | ||||||||
Цемент 1,0 % + | Цемент 1,5 % + | 1.5 % мин. порошка + 4 % битума БНД 90/130 | ||||||||
2,0 % битума БНД 60/90 | 2,5 % битума БНД 60/90 | 3,0 % битума БНД 60/90 | 3,5 % битума БНД 60/90
| 2,0 % битума БНД 60/90 | 2,5 % битума БНД 60/90 | 3,0 % битума БНД 60/90 | 3,5 % битума БНД 60/90 | |||
Предел прочности на сжатие, МПа, при температурах, оС, не менее:
|
1,5
¾ |
0,64
¾ |
0,73
¾ |
0,71
¾ |
0,78
¾ |
0,56
¾ |
0,76
¾ |
0,87
¾ |
0,93
¾ |
0,69
0,45 |
Предел прочности на сжатие водонасыщен-ных образцов при 20 оС, МПа, не менее | 1,0 | 0,54 | 0,71 | 0,71 | 0,71 | 0,56 | 0,74 | 0,67 | 0,74 | ¾ |
Предел прочности на растяжение при из-гибе водонасыщенных образцов при 20 оС, МПа, не менее |
0,4 |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
Водонасыщение, % по объему, не более | 12,0 | 19,3 | 19,0 | 17,8 | 16,1 | 17,9 | 17,0 | 17,7 | 14,3 | 6,64 |
Набухание, % по объему, не более | 2,0 | 0,89 | 0,18 | 0,12 | 0,00 | 0,10 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,27 |
Примечание: Испытание образцов проводились в возрасте 1 сутки.
Таблица
Результаты подборов состава органоминеральных смесей на увлажненных материалов
на основе вспененных битумов на а/д Ильинский – Чермоз, 25-30 км, Осинцево-Кордон, 0-20 км, 2000 г.
Наименование показателей
| Требования ГОСТ 30491-97 | Содержание цемента и битума БНД 90/130 в смеси | ||||||||
Ильинский-Чермоз, глинистых в ПГС – 2,0 % | уч. Осинцево-Гари, глинистых в ПГС – 35,6 % | Уч. Гари-Пашево, глинистых в ПГС – 14,6 % | ||||||||
Цемент – 2 % Битум – 3,5 % | Цемент – 2 % Битум – 4,0 % | Цемент – 2% Битум – 4,5 % | Цемент – 2 % Битум – 3,5 % | Цемент – 2 % Битум – 4,0 % | Цемент – 2 % Битум – 4,5 % | Цемент – 2 % Битум – 3,5 % | Цемент – 2 % Битум – 4,0 % | Цемент – 2 % Битум – 4,5 % | ||
Предел прочности на сжатие, МПа, при температуре 20 оС, не менее: |
1,5 |
1,86 |
1,96 |
2,26 |
3,18 |
3,66 |
2,52 |
3,01 |
3,29 |
3,43 |
Предел прочности на сжатие водонасыщен-ных образцов при 20 оС, МПа, не менее |
1,0 |
1,26 |
1,60 |
1,93 |
1,32 |
1,66 |
1,18 |
1,87 |
2,07 |
2,15 |
Предел прочности на растяжение при из-гибе водонасыщенных образцов при 20 оС, МПа, не менее |
0,4 |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
Водонасыщение, % по объему, не более | 12,0 | 11,41 | 9,08 | 7,41 | 7,34 | 5,33 | 5,21 | 5,90 | 4,50 | 4,52 |
Набухание, % по объему, не более | 2,0 | 0,04 | 0,11 | 0,00 | 2,11 | 1,51 | 1,00 | 0,04 | 0,00 | 0,00 |
Морозостойкость, количество циклов | ||||||||||
Объемный вес, г/см3 | ¾ | 2,21 | 2,23 | 2,24 | 2,19 | 2,20 | 2,20 | 2,19 | 2,20 | 2,20 |
Примечание: Образцы испытывались в возрасте 14 суток. Набор прочности проходил в лабораторных условиях при температуре 20 –23 оС.
Таблица
Результаты подборов состава органоминеральных смесей на увлажненных материалов
на основе вспененных битумов на а/д Осинцево-Кордон, 0-20 км, 2000 г.,
а/д в Кишертском районе Пермской области, 2001 г.
Наименование показателей
| Требования ГОСТ 30491-97 | Содержание цемента и битума БНД 90/130 в смеси | ||||||||
уч. Пашево – Кордон глинистых в ПГС – 8,6 % | уч. по населенным пунктам глинистых в ПГС – 13,8 % | А/д в Кишертском районе Пермской области глинистых в ПГС – 2,3 % | ||||||||
Цемент – 2,0 % Битум – 3,5 % | Цемент – 2,0 % Битум – 4,0 % | Цемент – 2,0 % Битум – 3,5 % | Цемент – 2,0 % Битум – 4,0 % | Цемент – 2,0 % Битум – 4,5 % | Цемент – 1,5 % Битум – 4,0 % | Цемент – 1,5 % Битум – 5,0 % | Цемент – 2,0 % Битум – 4,0 % | Цемент – 2,0 % Битум – 4,5 % | ||
Предел прочности на сжатие, МПа, при температуре 20 оС, не менее: |
1,5 |
2,01 |
2,71 |
2,26 |
2,56 |
2,88 |
1,52 |
1,46 |
1,66 |
1,88 |
Предел прочности на сжатие водонасыщен-ных образцов при 20 оС, МПа, не менее |
1,0 |
1,14 |
1,69 |
1,53 |
1,89 |
1,68 |
1,01 |
1,36 |
1,32 |
1,62 |
Предел прочности на растяжение при из-гибе водонасыщенных образцов при 20 оС, МПа, не менее |
0,4 |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
¾ |
Водонасыщение, % по объему, не более | 12,0 | 9,18 | 6,17 | 6,41 | 4,01 | 5,47 | 11,12 | 9,87 | 11,34 | 10,01 |
Набухание, % по объему, не более | 2,0 | 0,03 | 0,00 | 1,97 | 1,26 | 0,90 | 0,00 | 0,18 | 0,25 | 0,00 |
Морозостойкость, количество циклов |
| ¾ | ¾ | ¾ | ¾ | |||||
Объемный вес, г/см3 | ¾ | 2,15 | 2,16 | 2,19 | 2,20 | 2,21 | 2,12 | 2,14 | 2,15 | 2,16 |
Примечание: Образцы испытывались в возрасте 14 суток. Набор прочности проходил в лабораторных условиях при температуре 20 –25 оС.
Таблица
Набор прочности
Наименование показателя
| Требования ГОСТ 30491-97 |
Продолжительность набора прочности, суток
| |||||
Предел прочности на сжатие при 20 оС, МПа |
1,5 |
0,95 |
2,09 |
2,23 |
2,28 |
2,83 |
3,03 |
По результатам испытаний набора прочности образцов смеси, отобранной на дороге непосредственно после перемешивания (цемент – 2,0 % + битум БНД 90/130 – 4,3 %), а также по результатам лабораторных подборов, можно сделать следующие выводы:
1. Активный набор прочности происходит в течении первых пяти суток, далее процесс продолжается по затухающей.
2. Прочностные показатели в первую очередь зависят от содержания цементного вяжущего в смеси.
3. Увеличение содержания битумного вяжущего приводит к повышению морозостойкости образцов. Однако, морозостойкость материала не удовлетворяет предъявляемым требованиям (25 циклов).
Таблица
Физико-механические показатели смеси отобранной на дороге
после ресайклирования 2000 г.
Наименование показателей
| Требования ГОСТ 30491-97 | А/д (1 сутки лежал в лаборатории в герм) | А/д Осинцево-Кардон Цемент – 2,0 % Битум – 4,2 % |
Предел прочности на сжатие, МПа, при температуре 20 оС, не менее |
1,5 |
2,42 |
2,90 |
Предел прочности на сжатие водонасыщен-ных образцов при 20 оС, МПа, не менее |
1,0 |
1,33 |
1,87 |
Водонасыщение, % по объему, не более | 12,0 | 9,09 | 5,68 |
Набухание, % по объему, не более | 2,0 | 0,12 | 0,04 |
Морозостойкость, число циклов | ¾ |
Дата добавления: 2015-08-28; просмотров: 32 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Домашнее задание к пятнице (06.12.13г.) | | | Свойства минералов (отмеченные звездочкой только у кристаллических разностей) |