Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 - Свойства асфальтобетонов на битумных эмульсиях и способы улучшения их качества 11
1.1 Битумные эмульсии для дорожных асфальтобетонов и битумоминераль-ных смесей 11
1.2 Свойства асфальтобетонов и битумоминеральных смесей на битумных эмульсиях в сравнении с горячими асфальтобетонами 24
1.3 Пути улучшения технологии приготовления битумных эмульсий и материалов на их основе 36
1.4 Способы повышения качества асфальтобетонов и битумоминеральных смесей на битумных эмульсиях 43
1.5 Выводы, цели и задачи исследования 48
ГЛАВА 2 - Физико-химическое обоснование повышения качества асфальтобетонов на основе битумных эмульсий 50
2.1 Физико-химические процессы, происходящие при получении битумных эмульсий 50
2.2 Механизм взаимодействия битумных эмульсий с минеральными материалами и теоретическая схема эмульгирования битума в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей 56
ГЛАВА 3 - Экспериментальные исследования асфальтобетонов, полученных на битумах, эмульгированных в отдельных установках и в процессе приготовления асфальтобетонных смесей 62
3.1 Материалы, принятые для исследований 62
3.2 Методы, принятые в исследованиях 69
3.3 Технология получения битума путем окисления битумного сырья серной кислотой 80
3.4 Технология получения битума на основе кубовых остатков производства полистирола (КОПТЇ) 88
3.5 Составы, режимы приготовления и свойства эмульсий на битумах, поученных окислением нефтяных остатков кислородом воздуха и серной кислотой 92
3.6 Свойства асфальтобетонов на предварительно приготовленных битумных эмульсиях 100
3.7 Свойства асфальтобетонов, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей 110
ГЛАВА 4 - Трещиностойкость и старение асфальтобетонов на основе битумных эмульсий 121
4.1 Трещиностойкость и старение асфальтобетонов на предварительно приготовленных битумных эмульсиях 121
4.2 Трещиностойкость и старение асфальтобетонов, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей в условиях эксплуатации 126
4.3 Выводы 132
ГЛАВА 5 - Опытно-промышленные испытания асфальтобетонов, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей и их технико-экономическая эффективность 133
5.1 Опытно - промышленное производство битумов, полученных окислением битумного сырья отработанной серной кислотой в составе кислого гудрона 133
5.2 Строительство опытных участков покрытий, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей
5.3 Технико-экономическая эффективность производства битума из окисленного битумного сырья серной кислотой 139
5.4 Технико-экономическая эффективность применения асфальтобетонов, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей 141
Общие выводы 150
Список использованной литературы 152
Приложения 166
- Свойства асфальтобетонов и битумоминеральных смесей на битумных эмульсиях в сравнении с горячими асфальтобетонами
- Механизм взаимодействия битумных эмульсий с минеральными материалами и теоретическая схема эмульгирования битума в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей
- Технология получения битума путем окисления битумного сырья серной кислотой
- Свойства асфальтобетонов, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей
Свойства асфальтобетонов и битумоминеральных смесей на битумных эмульсиях в сравнении с горячими асфальтобетонами
Асфальтобетоны, битумоминеральные смеси как горячие, так и холодные, в зависимости от состава, качества составляющих и структуры, обладают целым комплексом свойств, одни из которых способствуют повышению долговечности покрытий, другие - ее снижению [133]. Как правило, различные технологические приемы или управляющие структурные воздействия приводят к улучшению одних свойств и ухудшению других. Это справедливо, например, в случае регулирования свойств асфальтобетона путем изменения структурного типа битума (битумной эмульсии), его марки, повышения щебеночности смеси и др. Согласно ГОСТ 12801 - 98 [33] анализ качества асфальтобетонов производят по следующим показателям: - средней плотности асфальтобетона и его минеральной части; - истинной плотности смесей и асфальтобетона и их минеральной части; пористости минеральной части (остова), остаточной пористости, водонасыщения, набухания, предела прочности при сжатии, коэффициента водостойкости и коэффициента водостойкости при длительном водонасыщении асфальтобетонов; - состава смесей асфальтобетонов; - сцепления битума с минеральной частью смеси; - слеживаемости холодных смесей; - коэффициента уплотнения асфальтобетонов. Свойства битумоминерального материала зависят от его структуры.
Изучению структуры битумоминеральных материалов на основе битумных эмульсий и процессов ее образования посвящены работы [36,38]. Наиболее полно изучены эти вопросы для материалов, приготовленных горячим способом с вязкими битумами. Структурообразование асфальтобетонов и битумоминеральных смесей на основе битумных эмульсий имеет свои особенности, так как в процессе получения этих материалов в минеральную смесь вводят холодный диспергированный битум. Это необходимо учитывать в первую очередь при проектировании смесей. При устройстве покрытия или при запрессовке образцов из асфальтобетонов и битумоминеральных смесей на основе битумной эмульсии часть воды выдавливается, а часть остается в образце или покрытии, заполняя поры между минеральными частицами. В. А. Иванцов, в своей работе [36] приводит следующие зависимости для определения массы образца: где Рмо - масса минерального остова, г; Рв - масса битума, г; Рв - масса воды, г. После некоторых преобразований формула (1.1) принимает вид: где уэм - плотность эмульсионно-минерального материала, г/см ; умо- плотность минерального материала, г/см ; Б - количество битума в материале, %; Из формулы (1.2) видно, что при сохранении оптимальной структуры эмульсионно-минерального материала уменьшение количества воды в нем сопровождается увеличением количества битума, и наоборот, но в допустимых пределах, так как к образцам, согласно [53,33], предъявляются определенные требования по их прочности, водонасыщению и набуханию.
Таким образом, при использовании в качестве вяжущего битумной эмульсии часть пор минерального остова материала заполняет вода, что снижает расход битума по сравнению с такими же смесями, но приготовленными горячим способом. Поэтому экономия вяжущего, получаемая при устройстве покрытия из эмульсионно-минеральных материалов, достигается не за счет создания более тонких пленок вяжущего и лучшего его распределения, а за счет структурных особенностей самого материала. Это подтверждается экспериментами, проведенными с итумогрунтовыми и холодными битумоминеральными материалами А.К. Бируля и М.Ф. Иерусалимской [67,68]. Важнейшими структурно-механическими показателями эмульсионно-минеральных материалов, характеризующими их как дорожно-строительный материал, являются: внутреннее сцепление С, угол внутреннего трения р, модули упругости Еу и деформации Ед [36].
В отличие от горячих битумоминеральных материалов, структурообразование эмульсионно-минеральных материалов не заканчивается после уплотнения его в покрытии, а продолжается в течение некоторого времени [35,47]. В начальный период материал обладает низким внутренним сцеплением и небольшим сопротивлением сжатию из-за наличия в нем воды и слабого прилипания выделившегося из эмульсии битума к поверхности каменного материала. В это время появляется опасность возникновения сдвигающих деформаций и вырывания отдельных зерен минерального материала из покрытия. Согласно [36], сопротивление сдвигу эмульсионно-минерального материала может быть охарактеризовано уравнением Кулона: где тсдв - сдвигающее усилие, кг/см ; Р - удельное нормальное давление от колеса автомобиля, кг/см ; С - сцепление, кг/см ; tgcp - коэффициент внутреннего трения. Так как сцепление между минеральными зернами сразу после устройства покрытия мало, Ю.В. Соколовым предложено проектировать эмульсионно-минеральный материал таким образом, чтобы в этот период сдвигоустойчивость покрытия обеспечивалась за счет внутреннего трения минерального остова материала [38]. Следовательно, при использовании в качестве вяжущего битумной эмульсии следует отдавать предпочтение материалам с повышенным углом внутреннего трения, т.е. каркасным материалам. Кроме сопротивления сдвигу, покрытие должно отвечать еще одному существенному требованию - износостойкости, т.е. способности покрытия сопротивляться без разрушения воздействиям колес движущихся автомобилей, стремящимся вырвать из монолита отдельные зерна минеральных материалов. В этом виде устойчивости материала первая роль согласно [36] принадлежит сцеплению.
По утверждению В.А. Иванцова, при малом сцеплении в материале покрытия каменная мелочь, заполняющая поры, вырывается при движении автомобильных шин и сметается с дороги ветром и вихревым движением воздуха. От выступающих щебенок поверхность покрытия приобретает характерный зубчатый вид. Под действием приложенной к поверхности касательной силы Т (рисунок 1.3) щебенка стремится повернуться вокруг точки упора О. Чем меньше силы сцепления этой щебенки по периметру ОМКН с материалом покрытия, тем быстрее происходит вырывание щебенки. Вырывание отдельных зерен минерального материала из покрытия на основе битумной эмульсии наблюдается обычно в первоначальный период после его устройства (3-10 суток), когда прочность материала мала, и прекращается по мере формирования покрытия и повышения его прочности. Прочность эмульсионно-минеральных материалов принято характеризовать сопротивлением сжатию [36]. Сопротивление сжатию кубика при предельном состоянии материала равно: р - угол внутреннего трения, град. При заданном гранулометрическом составе минерального остова увеличение прочности материала по мере его формирования, в основном, обуславливается изменением сцепления в нем, так как угол внутреннего трения изменяется незначительно (1.4). Изменение сцепления в материалах на эмульсиях во времени обуславливается рядом факторов, важнейшие из которых следующие: - распределение битума, выпавшего из эмульсии на поверхность минеральных зерен; - изменение адгезии и когезии битума, выпавшего из эмульсии; - воздействие автомобильного транспорта на покрытие. Экспериментальные исследования М.Ф. Иерусалимской [68] показывают, что равномерное распределение эмульсии в объеме минеральной смеси, помимо прочего (тип и конструкция смесителя и т.п.), зависит от скорости распада эмульсии и от характера смачивания минеральных материалов эмульсией. Характер смачивания минеральных материалов определенным видом эмульсии предопределяется влажностью каменного материала, температурой эмульсии и каменного материала в момент приготовления смеси, химико-минералогическим составом каменного материала и вязкостью эмульсии [36]. Согласно утверждениям Ф. Шерман [7], смачивание материала эмульсией характеризуется краевым углом смачивания (рисунок 1.4): 1,2 где в- краевой угол смачивания; а и - поверхностное натяжение на границе эмульсия - воздух; в2,з, поверхностное натяжение на границе воздух - твердое тело; ajj - поверхностное натяжение на границе эмульсия - твердое тело.
Механизм взаимодействия битумных эмульсий с минеральными материалами и теоретическая схема эмульгирования битума в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей
Результаты экспериментальных исследований Н.З. Костовой, И.А. Плотниковой, Э.М. Рвачевой и др. показывают [93,94], что взаимодействие битумных эмульсий с минеральной частью в холодных асфальтобетонных смесях носит адсорбционный характер. Как известно, скорость какого-либо многостадийного процесса определяется скоростью самой медленной его стадии. В работах [93,94] предложено рассматривать процесс коагуляции битумной эмульсии минеральными заполнителями, состоящий из непрерывно следующих друг за другом нескольких стадий. Система: холодная асфальтобетонная смесь состоит из эмульгированного битума, стабилизированного эмульгатором, дисперсионной среды - воды с растворенными в ней неорганическими солями, Yt и ОН" ионами и частиц минерального заполнителя. Ионы и молекулы ПАВ, не участвующие в стабилизации битумной эмульсии и растворенные в дисперсной фазе или дисперсионной среде, также относятся к эмульгатору. На первой стадии происходит адсорбция молекул эмульгатора из дисперсионной среды на минеральных частичках, а именно: в процессе перемешивания частички минерала и эмульсии равномерно распределяются по отношению друг к другу.
Скорость этого процесса зависит от вида эмульсии и минерального порошка, механических показателей перемешивающих устройств. Адсорбция молекул и ионов дисперсионной среды на минеральных частицах происходит практически мгновенно. Диффузия поверхностно-активных молекул, не участвующих в стабилизации битумной эмульсии к поверхности минеральной частицы, зависит от вязкости среды, температуры и строения молекулы диффундирующего вещества. Этот процесс можно существенно замедлить либо ускорить изменением одного из параметров. Десорбция молекул и ионов дисперсионной среды с поверхности минеральной частицы может быть значительно замедлена, если адсорбент пористый, или дисперсионная среда взаимодействует с минералом сильнее, чем адсорбент, или силы взаимодействия примерно одинаковы. Адсорбция молекул ПАВ на минеральную частицу идет довольно медленно в случае пористого адсорбента, поскольку диффузия молекул ПАВ в поры такого адсорбента замедлена. Скорость адсорбции зависит также от того, является ли адсорбция физической, обменной или хемосорбцией. По общепринятым представлениям [95] физическая адсорбция происходит мгновенно, если адсорбент и адсорбтив вошли в контакт, в то время как хемосорбция требует значительного времени на образование химического соединения. Обменная адсорбция также происходит во времени.
На второй стадии происходит адсорбция на поверхности минеральных частиц молекул эмульгатора, десорбировавших с поверхности капель эмульсии. Эта стадия отличается от предыдущей только тем, что десорбция молекул ПАВ с поверхности частичек эмульсии связана с преодолением молекулами энергетического барьера, существование которого вызвано переходом молекул ПАВ из энергетически выгодного состояния (нахождение на границе раздела фаз) в энергетически менее выгодное (диффузия через раствор к поверхности минеральной частицы). Этот переход требует затраты определенной энергии. Здесь возможны три случая. Если нахождение молекулы ПАВ на поверхности частичек эмульсии является состоянием с меньшей энергией, чем на поверхности минеральной частицы, то есть энергетически более выгодна, то десорбция ПАВ происходить не будет. Если энергия молекулы ПАВ на поверхности частичек эмульсии значительно больше, чем на поверхности минеральной частицы, десорбция будет проходить быстрее. Если энергия молекулы ПАВ на поверхности минеральной частицы лишь немного меньше, чем на поверхности частичек эмульсии, десорбция будет происходить, но медленно. Третья стадия включает следующие процессы: прилипание частично дестабилизированных капель битума к модифицированной поверхности минеральных частиц. Поскольку битуму энергетически гораздо выгоднее быть в контакте с молекулами ПАВ, чем с дисперсионной средой, то скорость этого процесса очень большая. Коалесценцию частичек битума на поверхности минеральной частицы с образованием битумной пленки. Этот процесс может быть несколько замедлен в связи с тем, что к заряженной поверхности минеральной частицы могут прилипать не только частично дестабилизированные капли эмульсии, но и небольшое количество полностью стабилизированных очень мелких частичек, несущих на своей поверхности заряд большой плотности. Таким образом, присутствие в составе битумных эмульсий эмульгаторов, являющимися поверхностно-активными веществами, облегчает прилипание и взаимодействие поверхности битума с минеральным заполнителем. В составе асфальтобетонных смесей содержатся минеральный порошок (фракция размером мельче 0,071 мм. в количестве от 9% по массе). О том, что минеральный порошок может служить стабилизатором битумной эмульсии, было показано в работах [95-98,110,111] ранее.
О возможности получения эмульсий бензол-вода с использованием в качестве стабилизатора (эмульгатора) порошка карбоната кальция или угля, частицы которого собираются на поверхности капель бензола, тем самым, защищая их от слияния, было уже известно давно [148]. Чтобы понять, каким образом происходит стабилизация эмульсий одной жидкости в другой, различных по плотности (плотность бензола - 880 кг/м , воды - 1000 кг/м ) за счет применения частиц высокоплотного порошка карбоната кальция, плотность которого составляет порядка 2600 кг/м", рассмотрим, каким образом частица может занять устойчивое положение на поверхности раздела двух жидких фаз: битум (Б) - вода (В). При этом действие сил тяжести в начале учитывать не будем и, кроме того, допустим, что твердая частица является сферической и что обе жидкие фазы Б и В имеют одинаковую плотность, что является практически верным для дорожного битума и воды. Частица Э может находиться только в фазе Б или только в фазе В, либо располагаться на поверхности раздела этих фаз (рисунок 2.3). В последнем случае согласно [149] полная свободная энергия системы определяется поверхностным натяжением аЭБ и (тэв, а также в некотором уменьшении поверхности раздела жидкость -жидкость. В условиях равновесия полная свободная поверхностная энергия системы частица - поверхность раздела фаз минимальна, т.е. при небольшом смещении частицы изменение свободной энергии этой системы равно нулю. Чтобы найти условие равновесия, обратимся к схеме, представленной на рисунке 2.4. Предположим, что h - глубина проникания частицы Э в фазу В. При этом площадь поверхности раздела частица - жидкость В равна 2лгк, а площадь поверхности раздела частица Э - жидкость Б равна 4т 2-2лгк. Занятая частицей площадь поверхности раздела битум - вода F составляет ж!, где
Технология получения битума путем окисления битумного сырья серной кислотой
Использованием в производстве битумов отработанной серной кислоты решается одна из актуальнейших проблем процессов алкилирования - утилизация многотоннажного отхода - отработанной серной кислоты (ОСК) [54 - 56]. При контакте ОСК с гудроном происходят весьма сложные реакции, например, окисление кислородом, образующимся при термическом разложении серной кислоты, а также сульфирование и алкилирование. Результатом реакций сульфирования может быть образование сульфидных соединений, являющихся ингибиторами окисления битумов, а реакций алкилирования -образование гибких асфальтенов и их надмолекулярных структур с малыми отклонениями от равновесного состояния [22]. Таким образом, окисление нефтяных остатков ОСК должно приводить к образованию битумов с улучшенными структурой и свойствами и повышенной устойчивостью к старению.
Проведенные исследования [22] структурных и фазовых превращений, трещиностойкости и устойчивости к старению битумов, полученных окислением гудрона ОСК, подтвердили эти предположения и позволили разработать оптимальные режимы получения долговечных битумов по этой технологии. На стабильность битумов, полученных окислением ОСК нефтяных остатков, оказывает влияние непрореагировавшая серная кислота, а также соединения, полученные в результате незавершенных реакций поликонденсации. В работе были разработаны составы и технология отверждения маловязких нефтепродуктов отработанной серной кислотой. Отличительной особенностью разработанной технологии является отверждение маловязких нефтепродуктов при t=135 С за счет введения в количестве от 2 до 12% 70%-ной H2S04 в Н20. Получение битума путем окисления битумного сырья серной кислотой производили по технологической схеме (рисунок 3.9) в лабораторном реакторе (рисунок 3.2) при температуре 135С в течение 0,5-6 часов при постоянном перемешивании. Процентное содержание в битумном сырье окислителя было взято в пределах от 2 до 12 % мае. Предварительно взвешенное битумное сырье загружали в реактор, нагревали при достижении температуры продукта 135 С включалась мешалка, которая работала до окончания процесса (температура в течение всего процесса поддерживалась автоматически), затем заливалась тонкой струйкой в течение не менее 1 минуты отдозированная 70%-ная H2S04, при непрерывном перемешивании. Начало окисления отсчитывалось с момента соединения окислителя с битумным сырьем. Свойства полученных битумов в зависимости от скорости перемешивания, процентного содержания окислителя и Групповой состав битумов, полученных окислением сырья 70%-ной H2S04 в воде определяли в научно-исследовательском институте нефтехимпереработки г. Уфа.
Битум растворяли в алкилатной фракции, выкипающей в пределах 31 - 35С. Нерастворимые асфальтены выделяли фильтрованием. Масла и смолы разделяли при комнатной температуре в адсорбционной колонке высотой 130 см на силикагеле АСК последовательно различными растворителями: алкилатной фракцией (31 - 55С), фракцией прямогонного бензина (70 -100С), смесями этого бензина и бензола (90 - 10%, 80 - 20%) выделяли соответственно парафино нафтеновые, легкие ароматические, средние ароматические и тяжелые ароматические углеводороды. Десорбция смол последовательно производилась вначале бензолом, а затем спирто-бензольной смесью. Изменение группового состава и физико-механических свойств битумов, полученных окислением битумного сырья серной кислотой в зависимости от времени окисления приведено в таблице 3.9. Меньшие изменения Тр при выдерживании указывают на то, что битум мало изменяет свои свойства, а следовательно, обладает большей температурной устойчивостью. Как следует из рисунков 3.10 и 3.11 при содержании окислителя 2% получаются битумы с наиболее низкой температурой хрупкости и достаточно высокой температурой размягчения, что и определяет их намного более широкий интервал пластичности, чем у битумов, окисленных кислородом воздуха. До настоящего времени, на основе данных анализа литературных источников, попытки использовать КОПП в качестве битумного сырья или компонента битумного сырья были неудачными из-за его неокисляемости при продувке воздухом при температурах 190 - 300 С [22]. В работе были проведены исследования с целью получения вяжущего, путем компаундирования КОПП с переокисленным битумным сырьем до температуры размягчения по КиШ 80 и 96 С (рисунок 3.18). Лабораторный реактор (рисунок 3.2) заполняли битумным сырьем (таблица 3.7) на 65% рабочего объема и производили его окисление при t=160 С до температуры размягчения по КиШ 95-98 С. В процессе окисления отбирались пробы через 5,7 и 8 часов и определялась температура размягчения по КиШ.
На основании полученных данных строилась зависимость (рисунок 3.17): температура размягчения Тразм - продолжительность окисления и по интерполяции определяли время окончания окисления битумного сырья, когда температура размягчения его достигала величины 95-98 С. По истечении этого срока определялась его температура размягчения, и в случае достижения значения 95-98С в реактор с переокисленным битумным сырьем подавались КОПП с температурой t=150-160C в количестве 30 % от рабочего объема реактора, перемешивали и определяли температуру размягчения полученного битума. Если температура размягчения соответствовала значению 49-50 С, определяли пенетрацию при 25С. Если она находилась в пределах 40-60 0,1 мм этот битум соответствовал марке БНД 40/60. Если температура размягчения составляла более 52 С, в реактор добавляли КОПП в количестве 3 % от рабочего объема и перемешивали. Далее определяли температуру размягчения и пенетрацию при 25 С. При соответствии этих показателей нормативным значениям на битум марки БНД 40/60 [52] процесс заканчивался. При получении битума марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-96 процесс вели в аналогичном режиме.
Свойства асфальтобетонов, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей
Изучение влияния технологических режимов приготовления асфальтобетонных смесей на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания смесей, на физико-механические свойства и сравнение их со свойствами асфальтобетонов на предварительно приготовленных битумных эмульсиях проводились на составах асфальтобетонных смесей. Исследования прочностных характеристик образцов асфальтобетонов в возрасте 14 суток, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания, показали (рисунок 3.25 - 3.27), что наиболее высокой прочностью при сжатии при 20С R 2 обладают асфальтобетоны на заполнителе типа «Г» и порошковом эмульгаторе Са(ОН)2. Это обусловлено тем, что у смесей типа «Г» большая удельная поверхность заполнителя, что обеспечивает более равномерное распределение вяжущего на поверхности минерального заполнителя. Порошковый эмульгатор Са(ОН)2 значительно ускоряет формирование структуры асфальтобетона, повышает сцепление вяжущего с заполнителем, что особенно ощутимо наблюдается в образцах возраста до 14 суток. Так, у асфальтобетонов на катионном эмульгаторе показатели прочности при сжатии при 20С (R 20) на 25-30 % меньше (тип «Б») и на 35 % меньше (тип «Г»), чем у асфальтобетонов на порошковом эмульгаторе.
Однако, эта разница частично компенсируется временем формирования смесей (рисунок 3.30) и в возрасте 28 суток R " у асфальтобетонов на порошковом эмульгаторе составляет 3,8-4,3 МПа, на катионном и анионном эмульгаторах 3,6-4,1 МПа и 2,7-3,2 МПа соответственно. Большее изменение массы образцов асфальтобетонов на порошковом эмульгаторе в зависимости от времени выдерживания (рисунок 3.28, 3.29) обусловлено большим количеством воды у образцов в исходном состоянии. 1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения высококачественных битумных вяжущих путем окисления битумного сырья серной кислотой при пониженной температуре 135С, малым содержанием окислителя (от 2 до 12%) и сокращением времени окисления, а также на основе кубовых остатков производства полистирола. По физико-механическим показателям полученные битумы превосходят показатели битумов аналогичных марок, полученных по традиционной технологии (окислением кислородом воздуха). 2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения качественных битумных эмульсий из битумов окисленных серной кислотой и на основе КОПП с применением эмульгаторов различных типов, в том числе порошкового Са(ОН)2. По физико-механическим показателям битумные эмульсии соответствуют требованиям ГОСТ 18659-81. 3. Экспериментально подтверждена возможность получения качественных асфальтобетонов на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей, по показателям свойств, превышающим показатели свойств асфальтобетонов на предварительно приготовленных битумных эмульсиях. 4.
Установлено, что влияние качества битумов на предел прочности при сжатии при 50С асфальтобетонов на предварительно приготовленных битумных эмульсиях, несколько отклоняется от закономерностей зависимостей этих показателей у горячих асфальтобетонов от качества битумов, что связано, очевидно, с влиянием эмульгатора на свойства битумов и их взаимодействием с поверхностью минеральных заполнителей и, в частности, с минеральным порошком, содержание которого в асфальтобетоне с зерновым составом типа «Г» составляет 14%, а в асфальтобетоне с зерновым составом типа «Б» - 7%. 5. Анализ физико-механических свойств асфальтобетонов на битумах окисленных H2S04 и на основе КОПП, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей, и требований ГОСТ 9128 - 97 для горячих асфальтобетонов показывает увеличение показателей прочности при сжатии при 50 С R 50 для смесей типа «Г» в возрасте 28 суток до 2,4 МПа (требования ГОСТ 9128 - 97 составляют: не менее 1,6 МПа), для смесей типа «Б» в возрасте 28 суток до 2,1 МПа (требования ГОСТ 9128-97 составляют: не менее 1,3 МПа). Прочность при сжатии при 0 С Ксж для смесей типа «Г» в возрасте 28 суток составляет 7,5 МПа, для смесей типа «Б» 7,3 МПа (по ГОСТ 9128 - 97: не более 13 МПа для всех типов асфальтобетонов). Прочность при сжатии при 20С R составляет для смесей типа «Г» 3,7 МПа, для смесей типа «Б» 3,5 МПа (требования ГОСТ 9128 - 97: не менее 2,5 МПа для всех типов асфальтобетонов). Коэффициенты водостойкости при кратковременном водонасыщении: 0,86 - 0,88, (требования ГОСТ 9128 - 97: не менее 0,85); при длительном водонасыщении: 0,84 - 0,86, (требования ГОСТ 9128 - 97: не менее 0,75). 6. На изменение физико-механических показателей асфальтобетонов на предварительно приготовленных битумных эмульсиях значительное влияние оказывает тип эмульгатора, тип и марка битума и тип зернового состава заполнителя асфальтобетонной смеси. Установлено, что наиболее высокие показатели качества достигаются у асфальтобетонов песчаного типа «Г» на битумах окисленных H2SO4 марки БНД 60/90, эмульгированных в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей, с использованием порошкового эмульгатора Са(ОН)2.
Приготовление горячих асфальтобетонных смесей по ГОСТ 9128 - 97 предусматривает нагрев битума до температур 140 - 160 С и перемешивание с минеральным заполнителем, нагретым до этих же температур. В процессе перемешивания асфальтобетонных смесей в связи с тем, что битум находится в пленочном состоянии с толщиной пленки 30-40 мк, происходит интенсивное его старение, что отражается на понижении трещиностойкости асфальтобетона. Но старение битума при перемешивании горячих асфальтобетонных смесей одновременно приводит к повышению теплостойкости асфальтобетона, его прочности при 50 С. Приготовление асфальтобетонных смесей на битумных эмульсиях исключает старение битума как в процессе приготовления битумной эмульсии (поскольку битум не пребывает в этом процессе в пленочном состоянии при высокой температуре), так и при приготовлении асфальтобетонной смеси на эмульсии. Очевидно в связи с этим следует ожидать повышения трещиностойкости асфальтобетонов, приготовленных на битумных эмульсиях, по сравнению с горячими асфальтобетонами. Значительное влияние на тепло- трещиностойкость асфальтобетонов оказывает присутствие в нем воды [153]. При эксплуатации дорожных покрытий вода проникает в битумоминеральные композиции на границу раздела битум - минеральный наполнитель и непосредственно в битумное связующее. Она способствует отслаиванию связующего с поверхности минерального заполнителя и значительно понижает механическую прочность композиции при положительных температурах. Наряду с этим при объемной диффузии воды в битум по аналогии с полимерами [154, 155] может уменьшиться взаимодействие между макромолекулами, увеличиться их подвижность и скорость релаксационных процессов, что в свою очередь снизит жесткость самого связующего и его температуру стеклования.
Такой эффект создает незамерзающая вода, которая может не замерзать в капиллярах композиции даже при температурах минус 50 С [156]. Естественно, что по мере понижения температуры соотношение лед - вода в водонасыщенной композиции постепенно возрастает, что, с одной стороны, существенно изменяет ее напряженное состояние, а с другой, - усиливает связывание минеральных компонентов в единый монолит. Приготовление и укладка асфальтобетонных смесей на эмульсиях осуществляется при наличии в композиции воды, которая, как показали лабораторные опыты, испаряется из образцов диаметром и высотой 5 см. в течение 12 - 15 суток. Однако вода из асфальтобетонного покрытия, приготовленного на битумной эмульсии, испаряется не полностью в процессе эксплуатации при эксплуатационных температурах. Отобранные пробы из асфальтобетонного покрытия на битумной эмульсии показали потерю массы при нагреве при 90 С в пределах 0,4 — 0,7%. В то время как пробы образцов, взятых из асфальтобетонного покрытия устроенного из горячей асфальтобетонной смеси через 2 месяца эксплуатации, показали потерю массы при прогреве при 90 С всего лишь 0,05 - 0,08%. Очевидно, что часть воды в асфальтобетонном покрытии может находиться в микропорах асфальтобетона или оставаться в битуме после диффузии в его объем в момент приготовления битумной эмульсии. Были приготовлены асфальтобетонные смеси и образцы d=h=5 см. из горячих асфальтобетонов (состав 1-3 таблица 4.1) и на предварительно приготовленных битумных эмульсиях на порошковом эмульгаторе - Са(ОН)2. (составов 4-6 таблица 4.1). Образцы на битумных эмульсиях выдерживались при комнатной температуре в течение 14 суток, затем вместе с образцами из горячих асфальтобетонов выдерживались при 95 С. После выдерживания определяли прочность на растяжение при раскалывании (рисунок 4.1), относительную деформацию (рисунок 4.2) и модуль деформации образцов (рисунок 4.3). Как следует из рисунков 4.1 - 4.3, исходные значения прочности на растяжение при раскалывании, относительные деформации и модули деформации у образцов асфальтобетонов на битумных эмульсиях свидетельствуют о более высокой их трещиностойкости, чем у образцов горячих асфальтобетонов.
