Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Объем производства шлаковых материалов и направление использования их в отраслях народного хозяйства 16
1.2. Резервы шлаковых материалов для дорожного строительства 18
1.3. Химико-минералогический состав, структура и свойства шлаковых материалов 21
1.4. Опыт применения шлаковых материалов в асфальтобетонах 29
1.5. Цель, задачи и методы исследования асфальтобетонов на шлаковых материалах 39
Выводы 42
ГЛАВА 2. Структурная теория шлакового асфальтобетона 45
2.1. Современные представления о структуре асфальтобетона 45
2.2. Теория формирования структуры шлакового асфальтобетона 53
2.2.1. Адгезионные процессы в системе шлаковые материалы - битум 53
2.2.2. Исследование строения битумной пленки на шлаковой подложке 68
2.2.3. Формирование коагуляционно-конденсационных и кристаллизационных структур в асфальтобетоне из шлаковых материалов , 85
ГЛАВА 3. Экспериментально-теоретическое исследование физико-химических процессов в системе шлаковые материалы-битум и обоснование оптимального температурного режима приготовления шлаковых асфальтобетонов 103
3.1. Исследование устойчивости битумного слоя на поверхности шлакового материала длительным воздействием воды и растворителя 104
3.2. Исследование физико-химических процессов в системе шлаковые материалы - битум методом термографического анализа ИЗ
3.3. Интенсификация химических процессов в гранулированном доменном шлаке под влиянием температуры. 119
3.4. Влияние минеральной подложки на термические процессы старения битума 124
Выводы 130
ГЛАВА 4. Свойства шлакових асфальтовых бетонов 134
4.1. Теория формирования микроструктуры в шлаковом асфальтовом бетоне 136
4.І.І. Микроструктура шлакового асфальтобетона 144
4.2. Исследование физико-механических свойств шлаковых асфальтобетонов 147
Физико-механические свойства граншлаковых асфальтовых бетонов 147
Исследование свойств шлакопемзовых асфальтобетонов 155
Исследование свойств шлакопесчаных асфальтобетонов на основе шлакового песка 159
Исследование свойств асфальтобетона на осніве сталеплавильного шлака конверторного произволства 163
Исследование свойств асфальтобетонов на основе щебня из литого шлакового материала 165
4.3. Влияние добавки воды на свойства асфальтобетонов на основе шлаковых материалов 167
Исследование влияния добавки воды на свойства граншлаковых асфальтобетонов 167
Исследование влияния добавки воды на свойства шлакопемзового асфальтобетона 173
4.4. Влияние длительного водонасыщения на свойства шлаковых асфальтобетонов 174
Исследование влияния длительного водонасыщения на свойства граншлакового асфальтобетона 174
Исследование влияния длительного воздействия воды на свойства шлакопесчаных и шлакопемзових асфальтобетонов. 178
Исследование влияния длительного водонасыщения на свойства асфальтобетона на основе щебня из
конверторного шлака 180
Выводы 181
ГЛАВА 5. Структурно-механические свойства асфальтобетонов со шлаковыми компонентами 186
5.1 Физико-механические свойства асфальтобетонов на природном и граншлакоюм минеральном порошках 189
5.2. Физико-механические свойства асфальтобетонов на граншлаковом песке и минеральном порошке 191
Выводы 209
ГЛАЗА 6. Морозостойкость шлаковых асфальтобетонов 212
6.1. Исследование физико«механических свойств шлако
вых асфальтобетонов после циклов замораживания оттаивания 212
Исследование морозостойкости асфальтобетонов из гранулированных доменных шлаков 212
Исследование морозостойкости асфальтобетонов из шлакопемзового песка 224
Исследование морозостойкости асфальтобетонов из шлакового песка 236
Исследование морозостойкости асфальтобетонов из сталеплавильных шлаков конверторного про изводства 238
Исследование морозостойкости асфальтобетонов из природных минеральных материалов и грану лированного доменного шлака 239
6.2. Исследование влияния добавки воды и длительного водонасыщения на морозостойкость асфальтобетонов из шлаковых материалов. 243
6.3. Влияние технологических факторов на морозостойкость асфальтобетонов, приготовленных из гранулированных доменных шлаков 248
6.4. Долговечность шлаковых асфальтобетонных покрытий 252
Выводы 264
ГЛАВА 7. Строительство дорожных покрытий из шлаковых асфальтобетонов 268
7.1. Составы, технология приготовления, укладки и уплотнения шлаковых асфальтобетонов 268
7.2. Анализ работы покрытий автомобильных дорог из шлаковых асфальтобетонов 288
7.3. Примерные конструкции асфальтобетонных покрытий из шлаковых асфальтобетонных смесей 308
Выводы 311
ГЛАВА 8. Экономика применения шлаковых асфальтобетонов в покрытия автомобильных дорог 318
8.1. Экономическая эффективность от снижения стоимости шлаковых материалов и упрощения технологии приготовления и укладки шлакового асфальтобетонного раствора в покрытия автомобильных дорог 319
8.2. Экономическая эффективность от продления межремонтных сроков шлаковых асфальтобетонных покры«
тий 327
8.3. Экономическая эффективность от увеличения производительности асфальтобетонного завода. 331
8.4. Экономическая эффективность от снижения расчетной толщины морозозащитных слоев 332
8.5. Экономическая эффективность от повышения безопасности движения автомобилей на шлаковом асфальтобетонном покрытии 333
Выводы 342
Заключение 344
Литература
- Резервы шлаковых материалов для дорожного строительства
- Исследование строения битумной пленки на шлаковой подложке
- Исследование физико-химических процессов в системе шлаковые материалы - битум методом термографического анализа
- Влияние добавки воды на свойства асфальтобетонов на основе шлаковых материалов
Резервы шлаковых материалов для дорожного строительства
Свойства шлакового материала до недавнего прошлого были недостаточно изучены, что обусловило пренебрежительное отношение к ним, как "обременительным отходам". Выдающийся советский металлург И.А.Бардин говорил: "... совсем немного труда потребуется затратить, чтобы превратить шлаки в ценные строительные материалы. Шлаки - это вовсе не отход, как привыкли их считать в течение столетий и как "по инерции" считают еще сейчас консервативные и нерадивые хозяйственники. Шлаки - это сотни миллионов рублей, это тысячи новых домов, это база для дальнейшего . строительства [210] .
Недостаточное внимание к шлакам привело к образованию больших шлаковых отвалов на металлургических заводах. Сейчас нет точного учета количества шлака в отвалах. Многие шлаковеды утверждают, что в отвалах хранится свыше 400 млн.т различных шлаков, занимая территорию более 4 тыс.га. Из-за плохой организации хранения отвалов часть шлакового материала пришла в не - ІЗ годность, и в настоящее время считается возможным подвергнуть переработке лишь 150-200 млн.т. По данным В.И.Овсянина [235] , металлургические заводы ежегодно расходуют 2 млн.руб. на вывоз и содержание шлаков в отвалах. Таким образом, вместо прибыли шлаки приносят убытки металлургическим заводам. И это происходит в то время, когда исследователями давно уже доказана техническая возможность и экономическая целесообразность переработки шлаков. Однако в 1979 г. металлургические заводы страны слили в отвал 27,7$ доменного шлакового расплава и 72,6$ сталеплавильного. Все это свидетельствует о плохом состоянии шлакового хозяйства на металлургических заводах.
Научные исследования и практическая деятельность показали, что шлаки могут стать большим источником дешевого сырья для дорожного и гражданского строительства.
Сейчас в строительстве используются не все виды шлаков. Наиболее широко используются доменные шлаки черной металлургии. Меньше изучены и меньше используются шлаки сталеплавильных производств и цветной металлургии, не используются титанистые и ваграночные гранулированные шлаки, не применяются отходы переработки шлаков.
Г.П.Сиверцев СЗОЗ] предложил классификацию наиболее распространенных в СССР разновидностей металлургических шлаков. Следует отметить, что область применения указанных в этой классификации разновидностей шлаковых материалов в дорожном строительстве ныне может быть значительно расширена. Например, гранулированные доменные шлаки наряду с указанными могут применяться в асфальтобетонных смесях в качестве основной минеральной составляющей, в качестве песка и минерального порошка, а также и в качестве укрепляющей добавки обломочных грунтов и малопрочных каменных материалов. В классификации Г.П.Сиверцева отсутствуют конвертерные шлаки. Для асфальтобетонных смесей он рекомендует применять только нераспадающиеся мартеновские шлаки, Однако наши исследования показывают, что при степени известного распада менее 1,2$ распадающиеся мартеновские и конвертерные шлаки можно применять в асфальтобетонных смесях.
Обобщая опыт применения шлаков в дорожном строительстве, а также результаты исследований ХАДИ, УкртрансНИИ, СоюздорНИИ, НИЖБ, Ф.С.Климашевым [159] в 1963 г. была разработана классификация шлаковых дорожно-строительных материалов и технические требования к ним. По этой классификации все виды шлаков разделены на k группы: I - доменные; П - сталеплавильные; Ш - шлаки цветной металлургии ; ІУ - гранулированные шлаки. Разработана классификация щебня из шлакового материала с указанием износа в полочном барабане и водопоглощения для каждого класса щебня. Даны рекомендаци по использованию шлака в дорожных конструкциях в зависимости от технической категории дороги и климатического района. В настоящее время эта классификация также нуждается в дополнении и уточнении. В ней отсутствуют такие разновидности шлаков, как конвертерные, доменные литые, шлаковые и шлакопем-зовые пески. Нельзя не согласиться с рекомендацией по применению гранулированных доменных шлаков в дорожном строительстве. Учитывая высокую гидравлическую активность, гранулированные доменные шлаки должны применяться в первую очередь как укрепляющая добавка к малопрочным каменным материалам и обломочным породам, а также как минеральная составляющая в асфальтобетонных смесях. Малоактивные гранулированные доменные шлаки (титанистые) могут найти широкое применение в качестве основной минеральной составляющей в асфальтобетонных смесях. Размолотые гранулированные шлаки можно применять в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях. предусматривает применение в асфальтобетонах шлакового щебня устойчивой структуры, а щебень неустойчивой структуры из активных шлаков применяется для устройства оснований на дорогах всех технических категорий в любых климатических зонах. Гранулированные активные шлаки применяют для устройства оснований самостоятельно или в качестве укрепляющей добавки в гравийно-песчано-шлаковых и щебеночно-шлаковых смесях в соответствии со специальными указаниями.
Действующий ныне СНиП І-Д.2-70 нуждается в расширении области применения различных видов шлакового материала. Результаты проведенных лабораторных и опытно-производственных исследований в Отраслевой научно-исследовательской дорожной лаборатории Воронежского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института свидетельствуют о более широкой возможности применения шлаковых материалов в дорожном строительстве. СНиПом І-Д.2-70 не предусматривается применение шлакопемзового песка и гранулированного доменного шлака в смеси с битумом в верхних слоях дорожных одежд, а также применение щебня из доменных и сталеплавильных шлаков неустойчивой и малоустойчивой структур в асфальтобетонных смесях. По сообщениям В.П.Введенского [ 44] , щебень неустойчивых и малоустойчивых шлаков при определенной степени распада может применяться в смеси с битумом в покрытия автомобильных дорог.
Исследование строения битумной пленки на шлаковой подложке
Большинство исследователей рассматривает асфальтовые бетон как гетерогенную дисперсную систему, все свойства которой определяются ее структурой.
Асфальтовый бетон является весьма сложной системой, структура которой обусловлена: величиной, формой и характером поверхности зерен минерального материала; количественным соотношением зерен разной крупности; количеством органического вяжущего вещества; физико-механическими и физико-химическими свойствами компонентов; особенностями взаимодействия и природой связей между компонентами системы.
Характер поверхности минеральных зерен, их химико-минералогический состав и особенности взаимодействия минерального материала с битумом считаются основными факторами, предопределяющими закономерности формирования структуры асфальтовых бетонов [25,26, 47,56,57,74,92,95,111,128,148,149,169,176,200,204,207,267,269, 279,290,293,337,371] .
Полидисперсность и поликомпонентность асфальтовых бетонов сделали необходимым выделение в его структурной системе простых элементов структуры и структурообразующих факторов.
Расчленение структуры асфальтовых бетонов на две [74,80,264, 267,288-290] или на три составные части [60,169,200,242] позволило более детально изучить строение структурных систем и успешно решить многие технологические задачи, направленные на оптимизацию прочности и деформационной устойчивости асфальтобетона в дорожных покрытиях.
Важная роль в создании теории асфальтового бетона принадлежит исследованиям его микроструктуры (структуры асфальтовяжущего вещества), которая формируется при введении в битум минерального - hi порошка. Большинство советских ученых подчеркивают активную структурообразующую роль минерального порошка. В то же время среди зарубежных ученых сохраняются еще представления о минеральном порошке как инертном наполнителе [27J .
Влияние содержания минерального порошка на структурно-механические свойства асфальтовяжущего вещества рассмотрены в работах И.М.Борща[2б] , М.И.Волкова [58] , Л.Б.Гезенцвея[743 , Н.В.Го-релышева [91,95] , Г.Й.Горшениной и Н.В.Михайлова [112] , И.В.Королева [58,60,169] , Б.И.Ладыгина [242] , И.А.Рыбьева [264,270], Р.Н.Трекслера и П.Б.Шеферда [27] и других исследователей.
Существование зависимости свойств асфальтовяжущего вещества и свойств асфальтового бетона от соотношения -- не вызывает МП сомнений. Однако необходимо учитывать действие других факторов, оказывающих в ряде случаев решающее влияние на процессы структу-рообразования. Работами С.Я.Шалыт, Н.В.Михайлова и П.А.Ребиндера [36]0 впервые была установлена четко выраженная критическая степень объемного заполнения, которая соответствует формированию новой пространственной структуры с образованием вокруг частиц наполнителя [lI2] , диффузной структурированной оболочки битума с наибольшими значениями вязкости в граничном слое. Следует обратить внимание, что уже в этих первых фундаментальных работах рассматривает-ся не отношение -- , а критическая степень объемного (подчерк-нуто нами) заполнения. Очевидно, при отсутствии контроля за дисперсностью минерального порошка, как часто имеет место на практике, оптимальное содержание минерального порошка в асфальтовяжущем веществе будет колебаться в значительных пределах. Поэтому, как нам представляется, в общем случае целесообразно говорить не об оптимальной концентрации минерального порошка, а об оптимальной степени объемного заполнения или об оптимальной суммарной поверх - 48 ности минерального порошка. При этом очевидно, что суммарная поверхность минерального порошка зависит не только от ультрагранулометрического состава фракции менее 0,071 мм, но и от структуры порового пространства минеральных зерен.
Зависимость содержания битума в асфальтовом бетоне от пористости минеральных порошков подчеркивается Л.Б.Гезенцвеем [74] . Исследованиями Л.С.Терлецкой [33 3 установлено, что минеральные порошки с тонкопористой структурой проявляют высокую сорбционную способность именно благодаря сильно развитой внутренней поверхности. В.М.Смирнов [29 0 полагает, что образование сольватных битумных оболочек на внешней поверхности минеральных зерен протекает "за счет проникновения подвижной части битума во внутреннюю часть поверхности минеральных зерен".
Оптимальная степень объемного заполнения битума минеральными зернами в асфальтовяжущем веществе будет различная в зависимости от природы как минерального порошка, так и органического вяжущего.
Влияние минералогического состава и кристаллохимической природы минерального порошка на процессы взаимодействия битума и минерального материала рассматриваются в работах И.М.Борща[25] , М.Й.Волкова [47,56,57,59] , Л.Б.Гезенцвея [74,80] , Н.В.Горелыше-ва [91,95] , А.С.Колбановской [174,175,176,178,179] , А.ИЛысихи-ной [203,204,206,207] , И.А.Рыбьева [266-268] , Т.Г.Рыбьевой [273] , Г.К.Сюньи [290] и других исследователей [27,28,166,185, 243,244,245,369] .
Исследование физико-химических процессов в системе шлаковые материалы - битум методом термографического анализа
При этом следует учитывать особенности строения порового пространства шлаковых материалов, что создает специфические условия формирования адгезионного контакта. Линейные надмолекулярные структурные элементы битума способны диффундировать в поры шлаковых зерен. Хотя объединение этих элементов в единую сетку может снижать интенсивность процессов диффузии, очевидно, что закрепление отдельных макромолекул в порах шлаковых материалов приводит в конечном счете к закреплению элементов надмолекулярных структур битума, связанных между собой в единую пространственную структурную сетку.
Аналогичное прочное закрепление пленки битума на поверхности шлакового материала будет происходить при любом механизме взаимодействия битума и шлака. Присутствие активных центров на поверхности зерен шлака даже в том случае, если их количество сравнительно невелико, способно обеспечить достаточно прочную адгезионную связь при условии, когда каждая взаимодействующая со шлаком молекула битума существует не как изолированная единица, а как элемент вторичной (надмолекулярной) структуры.
Несомненно, сильное взаимодействие (образование водородной или химической связи) в общем случае предпочтительнее по сравнению с действием ван-дер-ваальсового взаимодействия. Кроме того, сильные взаимодействия, как это было показано выше, приводят к возникновению двойного электрического слоя и возрастанию роли электростатической компоненты адгезии. Между тем, известно что повышение степени совершенства структур контактирующих фаз приводит к увеличению вклада электростатических сил в работу адгезии. Возникновение упорядоченных структур битумной пленки на шлаковой подложке, подобных структурам, показанным на рис. 2.2.2.2, сопровождается возрастанием вклада электростатической компоненты адгезии, что обусловливает повышенную усталостную прочность битумошлаковых систем при действии динамических нагрузок.
Так же, как и в случае полимеров [Зб] , глобулярная форма макромолекул препятствует возникновению достаточно большого числа контактов между органическим вяжущим и минеральным материалом, в то время как линейная форма образований способствует увеличению площади молекулярного контакта между битумом и шлаковой подложкой. Увеличение площади фазового контакта должно неизбежно повышать водо- и морозоустойчивость структурных систем, так как при этом снижается число дефектов структуры на границе раздела фаз.
Кроме того, образование упорядоченных структур битумной мпленки на шлаковой подложке снижает интенсивность диффузии влаги через битум к поверхности шлакового материала, что в свою очередь уменьшает возможность отслаивания пленки битума на ранних стадиях структурообразования в системе при увлажнении и действии знакопеременных температурных напряжений.
В то же время, как показали наши исследования, пленка битума, перекрывающая поры в виде гибкой мембраны, имеет менее упорядоченное строение, особенно в тех случаях, когда радиус поры превышает б мкм (рис.2.2.2.7). На таких участках в структуре битумной пленки удается наблюдать сферические ассоциаты, неравномерно распределенные в слабоструктурированном битуме. Особенности строения битума в пленке, перекрывающей поры, под - 78 тверждают положение о развертывании сферических ассоциатов под действием поверхностных сил на участках непосредственного контакта битума со шлаковым материалом.
Формирование упорядоченных надмолекулярных структур битума на шлаковой подложке обеспечивает также высокую сдвигоус-тойчивость асфальтобетона на шлаковой основе. Если сравнить строение битума в шлакоасфальтобетоне и в песчаном асфальтовом бетоне, приготовленном из природных минеральных компонентов (рис.2.2.2.8), можно сделать заключение, что повышенная пластичность песчаного асфальтобетона при высоких летних температурах объясняется, помимо других факторов, слабоупорядоченной структурой битумной пленки, в которой сохраняются элементы, типичные для свободного битума.
Степень упорядоченности структур битумной пленки различна на поверхности разных по активности шлаковых компонентов и возрастает по мере повышения их гидравлической активности. Это вполне объяснимо, если учесть, что при объединении битума и шлака образование адгезионного контакта осуществляется по поверхности, уже модифицированной процессами гидратации. Кроме того, в ходе технологических операций возможна некоторая интенсификация процессов гидратации благодаря действию повышенных температур при сохранении определенной влажности шлаковых компонентов. Влияние гидравлических вяжущих свойств и процессов гидратации шлакового материала на общий характер структуры шла-коасфальтобетона рассматривается подробнее ниже. Здесь заметим только, что введение гидравлически активных компонентов в асфальтовые бетоны позволяет управлять структурой битума в тонких пленках и, следовательно, регулировать структурно-механические свойства асфальтовых систем.
Влияние добавки воды на свойства асфальтобетонов на основе шлаковых материалов
В асфальтовяжущем веществе на основе обидимского минерального порошка температура перехода битумной пленки в упруго-вязкое состояние зависит от вязкости битума и возрастает от 65С при использовании битума марки БНД-90/І30 до 80С в смесях на основе битума БНД-40/60. Аналогичная зависимость установлена для асфальтовяжущего на основе литого шлака, однако температура размягчения битумной пленки выше, чем в асфальтовяжущем веществе из обидимского минерального порошка, и составляет 75С для битума БНД-90/І30, 80С -для битума БНД-60/90 и Ю0С - для битума БНД-40/60.
В асфальтовяжущем веществе, приготовленном с использованием гранулированных доменных шлаков, шлакопемзового песка и конверторного шлака температура перехода битумной пленки из упруго-пластического в упруго-вязкое состояние практически не зависит от вязкости битума и составляет соответственно 90С, 100-П0С и 120-125С.
Важно отметить, что при использовании шлаковых компонентов температура перехода битумной пленки в упруго-вязкое состояние во всех случаях выше, чем в асфальтовяжущем веществе на основе обидимского минерального порошка и доломитового известняка. Это дает основание считать, что процессы физико-химического взаимодействия битума со шлаковой подложкой протекают более интенсивно, чем с карбонатной. Кроме того, температура размягчения битумной пленки в асфальтовяжущем веществе на основе шлаковых компонентов, как правило, находится в пределах 90-120С и только в смесях с использованием литых шлаков и битума марок БНД-60/90 и БНД-90/І30 снижается до 75-80С. Такие высокие значения температуры перехода битумной пленки в упруго-вязкое состояние свидетельствуют о термостойкости битума на шлаковой подложке, что объясняется не только интенсивным физико-химическим взаимодей - 118 ствием битума и шлаковых компонентов с образованием прочного адгезионного контакта, но и высокой степенью структурирования битумной пленки в асфальтовяжущем веществе из шлаковых компонентов.
Экзотермический эффект на кривых ДТА асфальтовяжущего вещества на основе шлаковых материалов при температуре 120-135С характеризует, по-видимому, фазовые превращения, тормозящие переход битумной пленки из упруго-вязкого в истинно вязкое состояние. На карбонатной подложке этот эффект отмечен при температуре ІІ0-П5С, а в свободном битуме - при температуре 95С. Смещение максимума экзотермического эффекта в сторону более высоких температур в асфальтовяжущем веществе из шлаковых материалов по сравнению со смесями из карбонатных материалов также подтверждает более высокую термостабильность битумной пленки на шлаковой подложке.
Анализ термогравиметрических кривых (ТГ) показал, что при температурах 120 135С потери массы асфальтовяжущих веществ из шлаковых материалов незначительны, однако дальнейшее повышение температуры (выше 135С) ведет во всех образцах к резкому возрастанию потери массы [218] . Это говорит о том, что процессы химической деструкции битума в тонкой пленке на шлаковой подложке начинаются при температурах более 130-135С.
Таким образом, данные дифференциально-термического анализа подтверждают ряд важных факторов, определяющих как температурный режим приготовления асфальтобетонов из шлаковых материалов, так и устойчивость шлакового асфальтового бетона в покрытиях автомобильных дорог при различных внешних воздействиях. Повышение температуры перехода битумной пленки из упруго-пластического в упруго-вязкое состояния в асфальтовяжущем веществе, приготовленном при температуре нагрева шлаковых материалов, равной 120С, подтверждает правильность установленного температурного режима приготовления асфальтовых бетонов из шлаковых материалов и вязкого битума.
Кроме того, увеличение температуры размягчения битумной пленки на шлаковой подложке указывает на повышение интенсивности физико-химических процессов взаимодействия битума и шлака и свидетельствует о возникновении прочного адгезионного контакта и высокой степени структурирования битума. Все это увеличивает долговечность шлакового асфальтового бетона в покрытиях автомобильных дорог.
Положение на кривых ДТА экзотермического эффекта, отражающего фазовые превращения битума, сдерживающие переход битумной пленки в истинно вязкое состояние, также говорит о повышенной устойчивости пленки битума на шлаковой подложке в период воздей-ствия_высоких технологических температур. Анализ потери массы [2I8J асфальтовяжущим веществом при нагревании показывает, что химическая деструкция битума интенсивно идет при температурах выше 130-135С. Этим ограничивается верхний предел нагревания шлаковых компонентов в ходе технологических операций по приготовлению шлаковых асфальтобетонных материалов.