Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 10
1.1 Характерные виды деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий. Причины их образования 10
1.2 Обзор исследований по разработке составов и технологии ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях 24
1.3 Применение метода торкретирования при ремонте дорожных покрытии 31
1.4 Выводы 35
2 Характеристика материалов и методы исследований 36
2.1 Применяемые материалы, машины и оборудование 36
2.2 Методика исследований 42
3 Теоретические основы формирования структурных связей ремонтного слоя из цементоасфальтобетона 52
3.1 Некоторые закономерности формирования структурных связей в искусственных материалах и методы регулирования свойств 53
3.2 Регулирование свойств бетона введением органических вяжущих 55
3.3 Регулирование свойств асфальтобетонов введением неорганических вяжущих 58
3.4 Теоретические предпосылки формирования слоя цементоасфальтобетона методом торкретирования в зоне стыка карты ремонта 60
3.5 Выводы 70
4 Подбор и исследование составов цементоасфальтобетона 73
4.1 Получение ремонтного слоя из цементоасфальтобетона 73
4.2 Подбор и исследование составов цементоасфальтобетона 77
4.2.1 Влияние количественного соотношения цементно-песчаной смеси и битума на свойства цементоасфальтобетона 77
4.2.2 Влияние отсева дробления кварцитопесчаника и гранита на свойства цементоасфальтобетона 84
4.3 Выбор химических добавок для цементоасфальтобетона 92
4.4 Исследование долговечности цементоасфальтобетона 102
4.5 Выводы 104
5 Экспериментальные исследования прочностных характеристик цементоасфальтобетона, полученного методом торкретирования 106
5.1 Исследования зависимости свойств ремонтного слоя из цементоасфальтобетона от основных технологических параметров торкретирования 106
5.1.1 Прочностные свойства цементоасфальтобетона при торкретировании в зависимости от угла наклона сопла от нормали к поверхности дорожного покрытия 107
5.1.2 Влияние скорости выхода смеси на прочность цементоасфальтобетона 111
5.1.3 Прочность цементоасфальтобетона в зависимости от расстояния от сопла до бетонируемой поверхности 112
5.1.4 Зависимость физико-механических характеристик цементоасфальтобетона от водоцементного отношения 115
5.2 Исследование эксплуатационных характеристик цементоасфальтобетона как материала для ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях 117
5.2.1 Прочность и деформативность цементоасфальтобетона 118
5.2.2 Истираемость цементоасфальтобетона 119
5.3 Морозостойкость и коррозионная стойкость ремонтного слоя из цементоасфальтобетона 120
5.4 Выводы 126
6 Производственная проверка и внедрение результатов исследований 127
6.1 Ремонт асфальтобетонного покрытия на дороге в с.Репное -Дубовое 127
6.2 Определение ровности и коэффициента сцепления на отремонтированном участке покрытия 130
6.3 Технико-экономическая эффективность от внедрения разработанных ремонтных составов цементоасфальтобетона и технологии производства работ 131
6.4 Выводы 132
7 Общие выводы 133
8 Библиографический список 136
Приложения 150
- Обзор исследований по разработке составов и технологии ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях
- Теоретические предпосылки формирования слоя цементоасфальтобетона методом торкретирования в зоне стыка карты ремонта
- Выбор химических добавок для цементоасфальтобетона
- Морозостойкость и коррозионная стойкость ремонтного слоя из цементоасфальтобетона
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях значительное увеличение объемов автомобильных перевозок, повышение грузоподъемности автомобилей при динамическом воздействии их на дорожную конструкцию требуют улучшения технического уровня и эксплуатационного состояния существующих дорог. Необходимость улучшения состояния дорог обуславливает рост расходов на их ремонт и содержание, которые сейчас составляют более 60% в общем объеме затрат на дорожное хозяйство страны. За последние годы в результате увеличения транспортных нагрузок и интенсивности движения автомобильного транспорта существенно возросла средняя относительная площадь разрушения покрытий. При этом вероятность разрушения отремонтированной поверхности значительно выше вероятности разрушения самого покрытия. Увеличение накопления повреждений асфальтобетонных покрытий обуславливает рост объемов ремонтных работ по их устранению и необходимость повышения качества ремонта.
Своевременная локализация очагов разрушении в осенний и весенний периоды позволяет избежать значительного увеличения объемов разрушений.
Решением этой проблемы является разработка надежных составов материала для ремонта асфальтобетонных покрытий, а также способов формирования структуры материала в карте ремонта. Производство таких работ связано с рядом технологических трудностей, одна из которых - увеличение прочности стыка ремонтируемого покрытия и ремонтного материала.
Одним из наиболее перспективных решений для ремонта асфальтобетонных покрытий является цементоасфальтобетон. Этот материал выгодно отличается по своим физико-механическим и эксплуатационным показателям по сравнению с традиционными материалами. Однако сведения об этом материале носят эпизодический характер.
Наиболее перспективным методом формирования «нового» ремонтного слоя является метод торкретирования, совмещающий в едином технологическом процессе приготовление, транспортирование, укладку и уплотнение смеси.
Цель и задачи диссертационной работы. Разработка составов цементоасфальтобетона и технологии формирования ремонтного слоя, обеспечивающих надежную адгезию в контактной зоне ремонтируемого покрытия в сложных погодно-климатических условиях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Установить рациональное соотношение между органическими и
минеральными компонентами цементоасфальтобетона;
Обосновать технологические режимы формирования ремонтного слоя из
цементоасфальтобетона методом торкретирования;
Сформулировать принципы выбора модифицирующих добавок для
цементоасфальтобетона, формируемого методом торкретирования;
Уточнить технологические особенности использования в
І Ро... ІІ^ЦКОНАЛЬНАЯ
| БИБЛИОТЕКА
| С.Петербург і. у
" і,*
цементоасфальтобетоне отсева дробления кварцитопесчаников КМА в сравнении с гранитным отсевом;
Провести опытно-промышленную проверку результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность. Научная новизна работы
Предложено теоретическое обоснование принципа выбора модифицирующих добавок для вяжущих, применяемых в торкретбетонах в условиях движения частиц с большими скоростями и ускорениями с последующим ударом о ремонтируемую поверхность, которое заключается в том, что энергия адсорбции молекул добавок на частицах вяжущих должна существенно превышать кинетическую энергию движения, поэтому в качестве модификаторов необходимы добавки, которые адсорбируются на частицах вяжущих благодаря прочным химическим связям;
Необходимо, чтобы химические добавки для композиционного битумно-цементного вяжущего были модификаторами обоих компонентов, поэтому либо должны обладать комплексным действием, либо состоять из не менее, чем двух компонентов. Исходя из изложенного, в качестве добавок предложено использовать кубовые остатки, содержащие этилсиликонат (КО), лигносульфонат технический (ЛСТ) и хлористый кальций (ХК); Показано, что наблюдаемый на практике прочный контакт цементной составляющей и битума в битумно-цементном вяжущем, а также цемента со старым асфальтобетоном при ремонте асфальтобетонных покрытий происходит из-за химического взаимодействия кислотных групп битума с ионами Са гидратных фаз цемента и внедрения цемента в поры микротрещин старого покрытия. Исходя из этого, рассчитано рациональное соотношение компонентов в композиционном материале, которое было подтверждено в экспериментальных исследованиях, а также следует вывод о необходимости исключить операцию подгрунтовки ремонтной поверхности;
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены рациональные технологические параметры торкретирования (угол наклона сопла, скорость истечения струи и расстояние от сопла до ремонтируемой поверхности) в зависимости от геометрических характеристик ремонтируемой поверхности, что обеспечивает максимальную прочность при минимальных потерях материала в отскок.
Практическое значение работы
Установлены возможность и эффективность применения цементоасфальтобетона из сырья КМА с использованием технологии торкретирования для ремонта асфальтобетонных покрытий, в том числе и
во влажных условиях;
Разработаны составы и технология формирования ремонтного слоя, позволяющие обеспечить надежное сцепление цементоасфальтобетона с ремонтируемым покрытием. Кроме того, устранение разрушений в начальной стадии их развития при неблагоприятных погодно-климатических условиях за счет применения цементоасфальтобетона при ремонте влажной ремонтируемой поверхности позволяет значительно увеличить строительный сезон и сократить объемы работ по ремонту в теплый период;
Разработаны принципы выбора добавок-модификаторов для
цементоасфальтобетона, формируемого методом торкретирования,
позволяющие значительно снизить сроки поиска эффективных
модифицированных смесей для ремонта асфальтобетонных покрытий;
Для широкомасштабного использования результатов научно-
исследовательской работы при реконструкции и ремонте автомобильных
дорог разработаны технические условия на «Смеси
цементоасфальтобетонные модифицированные для ремонта покрытий дорог методом торкретирования» ТУ 5718 - 015 - 02066339 - 2003. На защиту выносятся:
Теоретические основы формирования структуры ремонтного слоя из цементоасфальтобетона;
Выбор рационального состава и технологии приготовления и формирования ремонтного слоя из цементоасфальтобетона; Зависимость свойств цементоасфальтобетона от состава и технологических параметров торкретирования;
Прочность сцепления ремонтного слоя цементоасфальтобетона с ремонтируемой поверхностью асфальтобетонного покрытия во влажных условиях. Внедрение результатов исследования:
Разработанная технология ремонта асфальтобетонных покрытий с применением цементоасфальтобетона, формируемого методом торкретирования была внедрена в ЗАО «Дорспеццемстрой» и использовалась для ремонта покрытия автомобильной дороги пос.Репное - пос.Дубовое в условиях повышенной влажности.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения использовались в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 29.10. Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы представлены на Междунарародной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и
строительстве на пороге XXI века» (г.Белгород, 2000); II региональной научно-
практической конференции «Современные проблемы технического,
естественнонаучного и гуманитарного знания» (г.Губкин, 2001); Международной
научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и
архитектуре. Образование. Наука. Практикум» (г.Самара, 2002г);
Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г.Пенза, 2002); Международной интернет-конференции «Архитектурно-строительное материаловедение на рубеже веков» (г.Белгород, 2002).
Публикации:
По результатам работы были опубликованы 6 научных статей
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 149 страницах основного машинописного текста, содержит 46 рисунков, 31 таблицу, библиографический список из 161 наименования.
Обзор исследований по разработке составов и технологии ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях
Вопросы совершенствования ремонта асфальтобетонных покрытий освещены в работах А.К. Бируля, В.К. Некрасова, Н.Н. Иванова, В.М. Сиденко, A.M. Алиева, Г.К. Сюньи, СИ. Миховича, В.Т. Кузьмичева, М.С. Стороженко, А.Я. Эрастова, Е.Д. Прусенко, В.Н.Зуба, А.П.Матросова и других авторов.
Основной чертой ремонта по ликвидации выбоин в асфальтобетонных покрытиях является то, что работы приходится выполнять сравнительно небольшими картами и на большом протяжении по фронту. Попытки применить традиционные материалы и технологии в условиях повышенной влажности приводит к необходимости повторного проведения ремонтных работ в теплый период года, что связано со значительными потерями материальных ресурсов и трудозатрат.
Наблюдается два направления в совершенствовании технологии ремонта при повышенной влажности. Первое из них состоит в совершенствовании технологических операций при производстве работ, что, в свою очередь, имеет два принципиально разных подхода: предварительный разогрев покрытия; производство работ без дополнительного разогрева.
В настоящее время разработаны технологии ремонта асфальтобетонных покрытий с использованием энергии инфракрасного [55, 70, 127, 128, 144, 150], электромагнитного [4] и сверхвысокочастотного [6] нагрева. Данные технологии имеют большое достоинство в том, что позволяют выполнять работы практически в любую погоду. Вместе с тем они не лишены и недостатков, таких как: значительные потери энергии; отсутствие необходимого, серийно выпускаемого промышленного оборудования; длительность разогрева выбоины и смеси (способ ИК разогрева); значительное снижение производительности машин при выполнении отдельных мелких объемов работ при большой их рассосредоточенности. Поэтому выполнение ямочного ремонта с применением разогревателей экономически нецелесообразно.
По тем же причинам являются неприемлемыми способы с использованием пара, разработанные в США [108] и Японии [109].
Важным вопросом ремонта покрытий является подготовка карты ремонта.
В настоящее время для резки асфальтобетонных покрытий существуют следующие типы режущих инструментов : пневмо- и электромолотки, фрезы, диски, термо- и гидродинамические инструменты.
При выборе механизмов для подготовки карты ремонта следует учитывать недостатки способов обрезки контура повреждения покрытия. Так при механическом способе с применением пневмо- и электромолотков стенки имеют большое количество микронеровностей, каверн и микротрещин, выходящих за карту ремонта, которые в дальнейшем являются причиной разрушения отремонтированного участка, а продукты разлома загрязняют стенки карт, что снижает прочность контактной зоны. Использование дисков и фрез вызывает термическую деструкцию битума в наиболее важной зоне - зоне стыка [65]. Кроме того, каждый инструмент имеет характерную только ему шероховатость обреза и степень разрушения минеральных зерен, которое определяет сцепление в зоне стыка. Термический способ с режущим элементом - газовой струей приводит к ухудшению прочностных показателей асфальтобетона в зоне контакта ремонтируемого покрытия со вновь уложенным асфальтобетоном, что повышает вероятность разрушения в зоне стыка. Гидродинамический способ предполагает резание асфальтобетона высокоскоростной струей воды [133]. При этом свежеобразованная поверхность разрушения легко адсорбирует воду и препятствует адгезии битума с ремонтируемой поверхностью [53]. Исследования показали, что адгезия битума с поверхностью, обработанной механическим или термическим способами, зависит от применяемого режущего инструмента и составляет 50-80% от адгезии битума с необработанной поверхностью асфальтобетона [133].
Однако существующие способы ремонта без применения разогревателей не обеспечивают необходимой прочности стыка по периметру карты ремонта, как участку наиболее подверженному повторным разрушениям. Существующих в настоящее время исследований в данной области недостаточно для того, чтобы воздействовать на этот процесс технологически. Так, согласно [127], требуется придавать карте ремонта прямоугольную форму, однако некоторые зарубежные фирмы выполняют данную форму в виде круга [100]. Аналогичные предложения по форме карты ремонта встречаются и в работах ученых СССР [68, 85]. Обрезка контура повреждения покрытия осуществляется вертикально из условия простоты технологического исполнения, однако такая конструкция вызывает при наезде колеса напряжения среза в зоне стыка. В Японии предложено устраивать плоскость обреза в виде ступенек [109]. Данное конструктивное решение частично решает проблему уменьшения срезающих напряжений, однако и оно не лишено своих недостатков. Основным из которых являются: технологическая сложность выполнения данной конструкции стыка, требующая применения дополнительных специальных механизмов: вероятность концентрации напряжений в материале на углах «ступенек».
Следует обратить особое внимание на применение технологий ремонта покрытий, позволяющих увеличить сцепление в зоне стыка «старое» - «новое» покрытие. Для ремонта цементобетонных дорог известен метод ремонта, называемый торкретированием [82]. Этот метод позволяет обеспечить надежную прочность сцепления материала с ремонтируемой поверхностью за счет внедрения цементного теста в мелкие трещины и микронеровности ремонтируемого покрытия, что можно было бы использовать и для ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях. Однако вопрос применения данной технологии для ремонта асфальтобетонных покрытий пока не решался. Используя кинетическую энергию частиц, летящих с большой скоростью, можно было бы обеспечить прочность контакта «старое» покрытие - новый материал, так как мелкие частицы были бы внедрены в трещины и микротрещины, выходящие за пределы подготовленной карты ремонта. Это может создать условия для последующего срастания слоев в зоне их контакта благодаря формированию физико-химических связей.
Второе направление в совершенствовании технологии ремонта асфальтобетонных покрытий преследует своей целью улучшение адгезионных свойств материалов в условиях повышенной влажности.
Одним из путей реализации данной цели является введение в битум поверхностно - активных добавок (ПАВ).
Исследованиями и производственной проверкой выявлено большое количество катионактивных веществ, положительно влияющих на свойства битума и асфальтобетонных смесей [39, 54, 73, 90, 91, 92, 130], к которым относятся: карбоксиламин, битумная присадка БП - 3, кубовые остатки метиловых эфиров и аминов, а также полиэтиленовые эмульсии «Оксамит» и «Оксален». Улучшить удобоукладываемость и уплотняемость смеси при пониженной температуре позволяет применение полимерно - битумного вяжущего на основе дивинилстирольных термоэластопластов (ДСТ) [39, 92], пластифицирующей добавки «поликонденсат». Однако применение данных добавок практически исключается для проведения ремонта по причине их дефицитности и высокой стоимости.
Для проведения ремонтных работ достаточно широко применяются специальные асфальтобетонные смеси. В городских условиях применяются литые асфальтобетонные смеси [26, 76, 134], улучшенные синтетическими латексами, дивини л стирол ом. В то же время литые асфальтобетоны отличаются повышенным содержанием битума, что зачастую приводит к повышению пластических деформаций.
Во Франции применяют асфальтобетоны на сернобитумном вяжущем [101], в США - специальные эластомерные составы [103, 106]. Недостатком данных смесей является технологическая сложность их получения, связанная с переработкой отходов серного производства.
В ГипродорНИИ разработана технология приготовления влажных органоминеральных смесей [121]. В США, ФРГ, Франции, Великобритании для заделки трещин и выбоин применяют экзотермические смеси [102, 107 ,124].
Общим недостатком всех вышеперечисленных смесей является то, что они не подлежат хранению. Производство ремонтных работ весной и частично осенью осложняется тем, что асфальтобетонные заводы в это время находятся на профилактическом ремонте, поэтому необходимо иметь смесь, которую можно хранить длительное время. Способы ремонта асфальтобетонных покрытий без применения дополнительного разогрева основываются на предварительной обработке покрытия растворителем [111] или водорастворимым олигомером, что способствует более полному заполнению битумом микродефектов и увеличению площади контакта с поверхностью [8, 9]. Однако, данные способы имеют и свои недостатки. Так при нанесении растворителя в карту ремонта асфальтобетонного покрытия, на последнем образуется смазывающий слой, который вызывает пластические деформации покрытия под действием тормозных усилий. Кроме того, для заделки выбоин растворитель применяют при температуре воздуха не ниже плюс 5 С, ремонтируемая поверхность при этом должна быть сухой.
Теоретические предпосылки формирования слоя цементоасфальтобетона методом торкретирования в зоне стыка карты ремонта
Асфальтовый бетон, как материал, отличается сложной структурой, которая еще больше усложняется после ямочного ремонта. Образуется макросистема, в которой можно выделить подсистемы: асфальтобетон ремонтируемого покрытия, зона контакта и материал карты ремонта. При этом термин «структура» относится к взаимодействию вышеуказанных систем. Однако и для данной системы справедлива структурная теория прочности асфальтобетона, впервые разработанная И.А. Рыбьевым. Согласно вышеуказанной теории наибольшая прочность системы достигается при оптимальной структуре, при которой образуется плотная упаковка твердой фазы при минимальной толщине пленок среды, выполняющей функции вяжущего вещества. Так как асфальтобетон дорожного покрытия имеет оптимальную структуру, а, следовательно, и наиболее возможную для данного материала прочность, то последняя в зоне стыка карты ремонта может равняться прочности монолитного покрытия, а в остальных случаях ниже, т.е. зона стыка является ослабленным сечением слоя покрытия.
Проблема монолитности системы «старый» - «новый» бетон существует с первых лет строительства бетонных сооружений. Особенно остро эта проблема стоит при ремонте асфальтобетонных дорог. В общем представлении поверхность старого асфальтобетона представляет собой затвердевшее органическое вяжущее с вкраплениями зерен крупного и мелкого заполнителя, не обладающие клеящей способностью. Следовательно, для того, чтобы создать монолитность старого асфальтобетона с вновь укладываемым материалом, последний должен содержать вяжущее вещество, в частности цементное тесто, выступающее в роли клея [94]. Ю.Е.Корнилович [61] указывал на то, что принципиального различия между клеями и вяжущими не имеется, вследствие чего клеящая способность вяжущих может рассматриваться как клеящая способность специфических клеев.
В настоящее время существует несколько теорий склеивания: механическая, адсорбционная, диффузионная, электрическая и электрорелаксационная.
Справедливо отмечено [83], что ни одна из упомянутых теорий склеивания не является универсальной. Следует констатировать, что каждая из них вносит свой вклад в общую теорию механизма склеивания при омоноличивании.
Из результатов проведенных исследований [137] следует, что основной составляющей в общей величине прочности сцепления между «старым» и «новым» бетонами является адгезионное сцепление, создаваемое за счет физико-химических процессов. Механическое сцепление играет второстепенную роль. Механическая обработка поверхности, к которой производится прибетонирование, способствует улучшению не столько механического сцепления, сколько протеканию химических процессов за счет активации поверхности.
Учитывая, что вяжущее и заполнитель старого асфальтобетона сохраняют способность к взаимодействию с составляющими нового асфальтобетона, при соответствующей обработке поверхности «старого» бетона можно было бы предположить возможность получения сцепления равнопрочного с основным бетоном. Однако в действительности по ряду причин этого не наблюдается. Особенно сложно обеспечить надежное сцепление материалов во влажных условиях, так как адгезионная способность органического вяжущего сводится к нулю. Причиной плохого сцепления зоны контакта между «старым» и «новым» бетонами является недостаточное уплотнение в вертикальной зоне, так как величина горизонтальных усилий при уплотнении достигает 25% от вертикальных [131].
Для увеличения сцепления зоны контакта между «старым» и «новым» бетонами применялись различные способы подготовки карты ремонта и различные материалы, но достаточно надежного сцепления между материалами во влажных условиях добиться не удалось.
Применение цементоасфальтобетона для ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях могло бы решить проблему склеивания между «старым» и «новым» бетонами, так как портландцемент, гидратируя, обеспечит надежное сцепление материалов во влажных условиях и уменьшит вероятность повторного разрушения.
Проблему достаточного уплотнения можно решить, применив метод торкретирования, так как с его помощью можно регулировать уплотнение по всей зоне контакта между «старым» и «новым» бетонами.
Следует рассмотреть возможность применения этого метода для ремонта асфальтобетонных покрытий во влажных условиях.
Основные положения формирования структуры слоя набрызг-бетона на бетонируемой поверхности впервые описал немецкий специалист Р.Линдер [153]. По его предположению набрызг начинается с покрытия бетонируемой поверхности пластичным раствором, содержащим повышенное количество цемента. При этом заполнитель отдает свое цементное вяжущее, которое внедряется в микротрещины покрываемой поверхности и отскакивает. Образуется тонкая пленка из цементного вяжущего и мельчайшего песка, в который укладываются мелкие, а с увеличением толщины слоя 5 - 10 мм -крупные зерна заполнителя. Струя вдавливает покрытый цементной оболочкой заполнитель в слой вязкого раствора. При этом более крупные частицы заполнителя отскакивают от бетонируемой поверхности и падают, а более мелкие частицы увеличивают толщину наносимого слоя. При его толщине в 20 мм отскок частиц резко сокращается. С дальнейшим увеличением толщины слоя набрызг-бетона в отскок попадают, в основном, крупнозернистые частицы. Они ударяются о такие же или более крупные частицы, уже находящиеся в слое, и вдавливают их в мягкую постель.
В работах М.Г. Дюженко и И.А.Райгородского [41, 112] показано, что механизм формирования слоя набрызг-бетона характеризуется глубиной проникания зерен заполнителя, которая определяется вязкостью среды, массой диаметром и скоростью зерна заполнителя.
Механизм формирования слоя набрызг-бетона на бетонируемой поверхности получил дальнейшее теоретическое развитие, подтвержденное экспериментальными опытами в работах многих исследователей [10, 84, 93, 115, 126]. Однако, до настоящего времени не проводились исследования формирования слоя из цементоасфальтобетонных смесей методом торкретирования, используемых для ремонта асфальтобетонных покрытий.
Установлено, что формирование вязкого слоя может происходить, в основном, по двум причинам:
во-первых, в результате прилипания к бетонируемой поверхности одиночных легких зерен, удерживаемых силами поверхностного натяжения воды;
во-вторых, в результате набрызга мелких гранул раствора, образующихся вследствие слипания множества зерен при их смачивании в сопле.
На глубину проникания, а следовательно и формирования слоя набрызг-бетона, большое значение имеет угол наклона сопла (центр факела струи) к бетонируемой поверхности.
Многолетней практикой и рядом исследователей установлено, что при бетонировании вертикальных, потолочных поверхностей минимальные потери материала в отскок и максимальная прочность достигается при направлении материальной струи перпендикулярно к бетонируемой поверхности.
Из формулы видно, что с увеличением угла ф, при неизменных параметрах технологии, относительная глубина проникания частиц в слой уменьшается, что приводит к ухудшению физико-механических показателей набрызг-бетона и увеличению потерь материала в отскок. При этом, тангенциальный вектор скорости \)2 увеличивается, что способствует росту количества отскока. Теоретические данные хорошо согласуются с экспериментальными, полученными путем непосредственного измерения количества отскока и определения прочностных свойств в процессе набрызга на вертикальную поверхность при различных углах наклона сопла, в интервале от 0 до 45.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования [112] справедливы при формировании и наращивании слоя набрызг-бетона на вертикальной и потолочной поверхности при условии, что отскочивший заполнитель не остается в нем.
Во всех рекомендациях оговорено, что сопло при круговых движениях должно быть направлено к бетонируемой поверхности по возможности строго перпендикулярно и только при бетонировании армированных конструкции допускается наклонять ось струи на угол 15-20 от нормали, что обусловлено наличием арматуры [2, 84, 93].
Необходимость в круговых движениях сопла, регламентируемых нормативными документами, вызвана, по нашему мнению, тем, что они дают возможность повысить однородность по влажности укладываемого материала, так как при затворении «сухой» смеси на выходе из сопла, центральная часть факела струи увлажнена в большей степени [82].
Выбор химических добавок для цементоасфальтобетона
При производстве ремонтных работ методом торкретирования с использованием портландцемента с химическими добавками создаются условия, которые существенно отличаются от обычных бетонных работ с использованием бетономешалок и бетоноукладчиков.
Дело в том, что при торкретировании скорость движения частиц как в смесительной камере, где происходит затворение бетонных смесей, так и при выходе из сопла достигает 120-140 м/с и более. При этом возможен срыв молекул ПАВ, адсорбированных на поверхности частиц вяжущих, минеральных добавках и заполнителе. В связи с этим, если энергия десорбции молекул ПАВ с поверхности твердых частиц меньше чем кинетическая энергия вылета частиц из сопла торкретустановки возможно исчезновение или ослабление эффекта модифицирования. Такое явление наблюдается при использовании в качестве модификатора портландцемента таких добавок как С-3, который адсорбируется на поверхности частиц гидратных фаз вяжущих благодаря силам Ван-дер-Ваальса. В связи с этим, необходимо использовать добавки, которые адсорбируются на поверхности твердых частиц благодаря образованию прочных химических связей, либо других более прочных, чем в случае С-3.
Очевидно, что для улучшения свойств такого композиционного материала, как цементо-битумное вяжущее, необходимо достичь модифицирования как портландцемента, так и битумной составляющей. В связи с этим модифицирующая добавка должна быть либо комплексной, состоящей из разнородных веществ, либо обладать широким спектром свойств, т.е. как минимум иметь физико-химическое сродство как с портландцементом, так и битумом.
Для обоснования принципов выбора химических добавок-модификаторов вяжущих, используемых в технологии торкретирования, рассмотрим баланс сил, действующих на частицу.
Кинетическая энергия вылета частиц материала из сопла при скорости 170 м/с в пересчете на моль равна:
Ак=У2/2=1.45-104Дж.
Энергия теплового броуновского движения этих частиц при температуре 300К равна:
AT=RT=8,31-300=1500 ДЖ.
Энергия связи между макромолекулами битума за счет сил Ван-дер-Ваальса равна:
Ас 5-103 Дж/моль. Приблизительно такова же энергия физической адсорбции ПАВ, например С-3, на частицах цемента либо битума.
Очевидно, что условием закрепления молекул ПАВ на частицах является:
Асв-Ат Ак.
В данном случае:
5-Ю3- 1500 1,45-104.
Из вышеизложенного следует, что энергия адсорбции ПАВ на частицах должна быть не ниже 20-30 кДж, что соответствует как минимум дипольдимольным либо химическим связям.
Исходя из этого предположения, для ускоренного и равномерного набора прочности ремонтного слоя цементоасфальтобетона и повышения его адгезионных свойств к поверхности «старого» асфальтобетона использовали комплексную добавку - кубовые остатки производства этилсиликатов (КО) и лигносульфанат технический (ЛСТ) и ускоритель схватывания хлористый кальций (ХК).
Такой набор добавок выбран, исходя из необходимости модификации цементной и битумной составляющей композиционного материала. Так, кубовый остаток является пластификатором битума, т.к. адсорбируется на его частицах благодаря гидрофобным взаимодействиям, а также взаимному притяжению кислородосодержащих групп битума и гидрокислов, которые образуются при гидролизе этилсиликонатов. Эти же группы обладают сродством к гидратным фазам портландцемента. Молекулы ЛСТ хемосорбируются на последних, что обеспечивает их прочное закрепление. Это обеспечивает пластификацию и снижению водопотребности цементной составляющей. И наконец, хлористый кальций интенсивно взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, образуя малорастворимые хлоралюминаты кальция. Кроме того, он ускоряет гидратацию силикатов кальция и цементной составляющей в целом, обеспечивая быстрый набор прочности композиционного материала в ранние сроки. Кубовые остатки этилсиликатов представляют собой светло-коричневую жидкость с темным смолянистым осадком. В их состав входят соединения типа алкосиликанов - эфиры ортокремниевой кислоты C2HsSi (ОСгН з и соединения типа этолксиполисилоксанов. Кроме того, там содержаться алифатические кислоты, спирты (пропиловый, бутиловый), альдегиды. Химический состав приведен в таблице 4.8. Хлористый кальций - отход химической промышленности представляет собой минеральный продукт коричневого цвета. Для сравнения полученных результатов использовали известный ускоритель схватывания - фтористый натрий.
Оптимальное процентное содержание выбранных химических добавок, вводимых в цементоасфальтобетонную смесь для улучшения физико-механических свойств цементоасфальтобетона, определяли исходя из условий ускоренного набора его прочности и минимальных усадочных деформаций.
Экспериментальные исследования были проведены на составах №1 и №2 (таблица 4.1).
При перемешивании в лабораторной бетономешалке из смесей изготавливали образцы-балочки 40-40-160 мм., которые испытывали в возрасте 1, 7, 14, 28 и 60 суток. Средние значения результатов опытов определения прочности образцов цементоасфальтобетона приведены на рисунках 4.8 - 4.9. С целью определения относительных деформаций при использовании выбранных добавок были изготовлены образцы-балочки размером 40-40-160 мм, которые твердели в формах под полиэтиленовой пленкой в течении одних суток. После расформовки образцы устанавливали на специальное приспособление (рисунок 3.2) и каждый день на протяжении 28 суток производили замеры деформаций. Относительную деформацию определяли по методике изложенной в разделе 3.2. Результат полученных данных приведены на рисунке 4.11.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что наиболее высокие результаты по физико-механическим характеристикам цементоасфальтобетона получены с комплексной добавкой КО+ЛСТ и ХК (рисунок 4.10). Так, при содержании 0,015% КО+0,15% ЛСТ и 0,5%ХК прочностные показатели значительно выше чем у бетона без добавок и с добавками NaF и 0,5%ХК. Причем в первые сутки твердения они составляют около 40%, а на седьмые сутки около 70% от прочности цементоасфальтобетона в 28 суточном возрасте. Характерно, что в первые сутки прочность цементоасфальтобетона с добавками более чем в два раза выше чем у бетона без добавок. Такая же закономерность наблюдается при испытании образцов на морозостойкость. Так после 300 циклов замораживания и оттаивания потеря прочности образцов с добавкой составила около 10%. В то же время потеря прочности образцов без добавок через 200 циклов составила 25% и более по сравнению с образцами в эквивалентном возрасте.
Морозостойкость и коррозионная стойкость ремонтного слоя из цементоасфальтобетона
Эксплуатация асфальтобетонных покрытий осуществляется в тяжелых климатических условиях при одновременном воздействии нагрузки от колес автомобильного транспорта. Кроме того, для борьбы с гололедом в зимний период применяются хлористые соли, оказывающие корродирующее воздействие на покрытие. С целью выяснения прочности сцепления ремонтного слоя цементоасфальтобетона в зависимости от способа укладки, воздействия климатических факторов, а также хлористых солей были выполнены исследования. При проведении исследования использовали эжекционную торкрет-машину. Испытания проводились на образцах-балочках, и цилиндрах изготовленных по ранее описанному способу. Образцы-цилиндры испытывали на разрыв при осевом растяжении, образцы-балочки на растяжение при изгибе при длительном выдерживании их в воде (водостойкость зоны контакта) и после переменного замораживания и оттаивания в 5% -ном растворе NaCl.
Испытания на морозо-коррозионную стойкость проведены после 28 суток твердения образцов в нормальных условиях. Полученные результаты приведены в таблице 5.5. Анализ полученных данных показывает, что при использовании цементоасфальтобетона и метода торкретирования получены высокие показатели прочности сцепления ремонтного слоя цементоасфальтобетона со «старым» асфальтобетоном. Установлено, что максимальная прочность сцепления при длительном выдерживании в воде (водостойкость) и морозо-коррозионная стойкость получены при использовании метода торкретирования без предварительной подгрунтовки жидким битумом. При этом коэффициент водостойкости образцов с предварительной подгрунтовкой повышается с 0,93 -состав №2 до 0,99 -состав №1. Прочность сцепления образцов со сформированным слоем из цементоасфальтобетона состава №1 без подгрунтовки после 200 циклов замораживания и оттаивания в 5% растворе NaCl в 1,5 раза выше по сравнению с образцами с предварительной подгрунтовкой и на 30-35% выше по сравнению с образцами состава №2 без подгрунтовки.
Роль цементоасфальтобетона в увеличении сцепления в зоне стыка особенно прослеживается в эксперименте с образцами, устроенными без подгрунтовки.
На образцах с предварительной подгрунтовкой проследить величину сцепления удалось только на окончательной стадии эксперимента, так как разрушение после первых 7 суток выдерживания во влажной среде происходило не по стыку, а по материалу из модифицированной смеси. Следовательно прочность зоны стыка в первое время выше прочности материала (таблица 5.6.). Однако при дальнейшем наборе прочности (14-е и 28-е сутки хранения во влажной среде) наблюдаются процессы, способствующие увеличению прочности стыка. При этом следует отметить, что увеличение прочности стыка, за период с 14 по 28 сутки хранения, больше в эксперименте без подгрунтовки образцов. Это объясняется тем, что подгрунтовка препятствует внедрению цементного теста в микротрещины и поры подготовленной карты ремонта, а также частичной гидрофобизацией цементных частиц в случае с подгрунтованными образцами. Контактная зона покрытая битумом оказывается по прочности ниже самого материала.
Получены сравнимые результаты по прочности сцепления при использовании гранитного материала и кварцитопесчаника ЛГОКа.
Исследование структуры контактной зоны системы «старый - новый» материал проведено на полированных аншлифах с помощью микроскопа БУИМ NU-2E фирмы "Carl Zeiss" (Германия).
На рисунках 4.12-4.15 приведены микрофотографии прозрачных шлифов цементоасфальтобетона, приготовленного методом торкретирования и твердевшего в нормальных условиях 28 суток. При рассмотрении этих фотографий обращает на себя внимание наличие достаточно крупных образований 4-6 угольной формы, имеющих ячеистую структуру. По-видимому, они образовались в результате взаимодействия битумной составляющей цементоасфальтобетона с органическим веществом использовавшимся при изготовлении прозрачных шлифов. На микрофотографиях отчетливо видно, что между частицами органического вяжущего, портландцементом и заполнителем наблюдается хороший контакт с элементами срастания и прорастания. Таким образом, микрофотографии подтвердили результаты физико-химических испытаний, а также соображения, изложенные выше в данной работе, о физико-химических взаимодействиях цементно-битумной составляющей цементоасфальтобетона с образованием мостиковых связей через ионы кальция.
Установлено, что при нанесении цементоасфальтобетона на поверхность ремонтируемого асфальтобетона, частицы цементного раствора проникают и заполняют микротрещины и поры, упрочняя поверхность, подверженную разрушению (рисунок 5.18). Использование цементоасфальтобетона позволило уменьшить потери материала в отскок и устранить его влияние на прочность сцепления, так как последний втапливается в прослойку из цементно-песчанои смеси. При дальнейшем набрызге смеси на ремонтируемой поверхности откладывается цементное тесто, в котором вязнут более крупные частицы холодного асфальтобетона. При этом межзерновое пространство заполняется цементным раствором.
