Технология производства асфальтобетонных сме­сей, оптимизированная по критерию прочностных свойств асфальтобетона

На правах рукописи

Лукашевич Виктор Николаевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕ­СЕЙ, ОПТИМИЗИРОВАННАЯ ПО КРИТЕРИЮ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА

05.23.08 - Технология и организация строительства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 2001

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете

Научные консультанты: - доктор технических наук, профессор

Недавний О. И.

доктор технических наук, профессор Баринов Е.Н.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Унгер Феликс Гергардович. Доктор технических наук, профессор

Реутов Юрий Ильич. Доктор технических наук, профессор

Платонов Анатолий Павлович.

Ведущая организация - ГП «Росдорнии», г. Москва

Защита состоится 29 марта 2001 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 в Томском государственном архитек­турно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, в ауд. 307/5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государ­ственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан 17 февраля 2001 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.265.01. д.т.н., профессор Н.К. Скрипникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сроки службы асфальтобетонных покрытий авто­мобильных дорог, построенных с соблюдением действующих нормативных документов, существенно ниже установленных нормами. Одним из путей увеличения сроков службы покрытий является дисперсное армирование ас­фальтобетонных смесей, используемых для устройства этих покрытий. Од­нако вопросы технологии приготовления дисперсно армированных асфаль­тобетонных смесей, до настоящего времени изучены недостаточно. Сущест­вующие технологии дисперсного армирования предусматривают в основном применение кондиционных волокон. При этом остаются неиспользованны­ми огромные объемы отходов производства, побочных продуктов промыш­ленности, бытовых отходов, содержащих полимерные материалы. Эти отхо­ды не могут быть использованы вследствие несовершенства существующих технологии дисперсного армирования асфальтобетонных смесей.

Однако, дисперсное армирование, улучшая весь комплекс свойств ас­фальтобетонов, существенно не влияет на свойства битумных пленок, харак-теристики которых имеют определяющее значение в процессах старения асфальтобетонов. В связи с этим, разработана двухстадийная технология введения органического вяжущего в процессе производства асфальтобетон­ных смесей, которая позволяет снизить интенсивность избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума в поры и капилляры минераль-ных материалов, улучшал свойства битума в адсорбционном слое и создавая предпосылки для повышения сроков службы асфальтобетона в покрытии.

Темпы строительства автомобильных дорог во многих регионах России сдерживаются высокой стоимостью, либо отсутствием кондиционных до­рожностроительных материалов. Добыча нефти осуществляется в отдален­ных регионах страны, что приводит к увеличению дальности ее транспорти­рования, необходимости устройства коммуникационных путей, инфраструк­туры этих регионов. Связанное с этим повышение стоимости нефти вынуж­дает нефтеперерабатывающие предприятия производить более глубокую ее переработку, что приводит к ухудшению качества нефтяных гудронов и, как следствие, к ухудшению качества нефтяных битумов. Значительным резер­вом повышения эффективности производства в дорожном строительстве является использование различных отходов и побочных продуктов промыш­ленности. В связи с тем, что в настоящее время многие дорожные организа­ции испытывают острый недостаток в нефтяном битуме, минеральном по­рошке, особо важное значение приобретают вопрсы применения в дорож­ном строительстве отходов и побочных продуктов промышленных предпри­ятий. К таковым можно отнести побочные продукты, а также отходы нефте­перерабатывающей, сланцеперерабатывающей и коксохимической промыш­ленности, содержащие высокомолекулярные смолы. Их типичным предста­вителем являются сланцевые фусы -высокотоннажный отход сланцеперера-

батывающей промышленности, представляющий собой пастообразную
смесь сланцевых смол тяжелых фракций (15...90% по массе), тонкодисперс-
ных минеральных примесей - 5...8% и воды - 5...10%.

Анализ состава фусов свидетельствует о целесообразности их использо-­
вания при реализации двухстадийной технологии приготовления асфальто-­
бетонных смесей с целью полной или частичной замены минерального, по-
рошка, снижения расхода нефтяного (битума, улучшения качества битума в
адсорбционном слое. Фусы могут использоваться; также для активации дру-
гих высокотоннажных отходов, в частности, зол уноса ТЭС, с целью исполь-­
зования их в качестве минерального порошка.

Таким образом, за счет дисперсного армирования повышаются характе-­
ристики асфальтобетона при положительных температурах, а за счет двух-
стадийной технологии введения органического вяжущего при производстве
асфальтобетонных смесей снижается интенсивность трещинообразования
нри отрицательных температурах, что приводит к увеличению срока служ-
бы асфальто6етонного покрытия.

Работа выполнена в рамках тематического плана,научно-исследовательских работ ТГАСУ. Результаты исследований использованы при выполнении хоздоговорных работ с предприятиями Томской и Кемеров­ской областей.

Основная идея работы состоит в обеспечении фибриллярной структуры асфальтобетонной смеси непосредственно в процессе ее приготовления за счет введения в асфальтосмесительную установку расплава или раствора полимера и исключения эффекта фракционирования адсорбционного слоя битума путем двухстадийного введения органического вяжущего.

Целью работы является разработка технологии приготовления асфаль­тобетонных смесей с упрощением процесса фиброобразования и улучшением свойств нефтяного битума в адсорбционном слое для увеличения срока

службы асфальтобетона.

Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи:

- разработать технологии дисперсного армирования асфальтобетонных
смесей, в том числе предусматривающие введение волокнообразующего
полимера в виде расплава непосредственно в смесительный агрегат, и двух-
стадийную технологию введения органического вяжущего в процессе при-
готовления асфальто6етонных смесей;.

- теоретически и экспериментально исследовать процессы структурооб-
разования асфальтобетонов из смесей, приготовленных с использованием

новых технологических концепций дисперсного армирования и двухстадийной технологии;

- разработать технологию приготовления, подачи, дозирования, контро­ля расхода дисперсной арматуры и вяжущих, используемых при двухстадийной технологии приготовления асфальтобетонных смесей;

-разработать методику определения требуемого соотношения компо­нентов асфальтобетонной смеси для случаев дисперсного армирования и реализации двухстадийной процедуры введения органических вяжущих;

- обосновать режимы и параметры технологических процессов приго­товления дисперсно армированных асфальтобетонных смесей и смесей, про-изводимых с использованием двухстадийной технологии.

Научная новизна работы состоит в углублении и развитии основ тех­нологии дисперсного армирования асфальтобетонных смесей и двухстадий-ной технологии введения органического вяжущего в процессе производства асфальтобетонных смесей, что конкретизируется следующим:

1. Разработана технологическая модель приготовления асфальтобетонной смеси в которой впервые реализован принцип дисперсного армирования пу­тем введения волокнообразующего полимера в виде расплава непосредст­венно в Смесительный агрегат, минуя стадии формирования нитей и их рез­ку, что позволяет использовать для дисперсного армирования не только вы-сококачественные полимеры, но и полимерные материалы, ранее считав­шиеся непригодными для этих целей.

2.Установлено, что введение в асфальтобетонную смесь дисперсной ар­матуры в виде расплава значительно улучшает адгезию нефтяного битума к поверхности волокнообразующего полимера (краевой угол смачивания по-лимера нефтяным битумом уменьшается с 86...91° для полимера в твердом состоянии до 20..49° для полимера в состоянии расплава и раствора).

3.Разработана двухстадийная технология введения органического вяжу­
щего при производстве асфальтобетонных смесей, базирующаяся на приме-­
нении сырья техногенного происхождения (побочных продуктов и отходов
производства, в том числе сланцевых и каменноугольных фусов), содержа-­
щего высокомолекулярные смолы, которая позволяет исключить эффект
избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума в поры и капил-­
ляры минеральных материалов и улучшить свойства битума в адсорбцион-
ном слое.

4.Установлено, что при двухстадийном введении органического вяжуще­го в процессе приготовления асфальтобетонных смесей применение сланце­вых фусов позволяет полностью или частично заменить кондиционный ми­неральный порошок, снизить расход битума и увеличить его адгезию к по­верхности минеральных материалов, снизить интенсивность старения ас­фальтового вяжущего.

Новизна результатов исследований подтверждена тем, что базирующиеся на их основе решения признаны изобретениями и защищены авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая значимость работы.

В диссертации обоснована целесообразность и выявлены технологиче­ские особенности приготовления дисперсно армированных асфальтобетон­ных смесей, а также смесей с добавками высокомолекулярных смол, приго­товляемых по двухстадийной технологии.

Доказана возможность применения в качестве материала для создания арматуры полимерсодержащих композитов, которые не обладают свойства­ми волокнообразования для случаев реализации ранее существовавших тех­нологий производства дисперсно армированных асфальтобетонных смесей.

Разработаны новые технологические приемы дисперсного армирования
асфальтобетонных смесей, предусматривающие введение в рабочую зону
асфальтосмесительной установки полимерного материала не в виде волокон,
как это осуществлялось ранее, а в виде расплава, что существенно
увеличивает адгезию нефтяного битума к поверхности apмирующиx поли­
меров.

Разработана двухстадийная технология приготовления асфальтобетонных смесей, предусматривающая на первом этапе обработку минеральных мате­риалов органическим вяжущим, характеризующимся высокой адгезией (жидкие нефтяные битумы), а на втором этапе - органическим, вяжущим, имеющим хорошие когезионные показатели (вязкие нефтяные битумы). При использовании на первой стадии техногенных отходов промышленности, содержащих органические вяжущие и тонкодисперсные минеральные со­ставляющие (фусы, золы уноса ТЭС), предложенная технология обеспечива­ет возможность полной или частичной замены кондиционного минерально-го порошка и снижения на 10-15% расхода нефтяного битума. Технологи­ческие разработки, базирующиеся на выполненных диссертационных иссле­дованиях, способствуют решению экологической проблемы использования фусов и зол уноса.

Методология работы. Исследования основаны на использовании и раз­витии теоретических положений в области структурообразования и техноло­гии производства асфальтобетонных смесей, разработанных коллективами научных работников под руководством профессоров Л.Б.Гезенцвея, Н.В.Горелышева, В.А.Золотарева, И.В.Королева, М.И.Волкова, А.М Богу­славского. Исследования в области технологии дисперсного армирования опирались на научные положения о свойствах и структуре дисперсно арми-рованных асфальтобетонов, разработанные под руководством и при участии А;Е.Мерзликина, Я.Н.Ковалева, Г.А.Бонченко. В проводимых исследовани-ях были использованы современные цифровые информационно-измерительные системы, приборы и оборудование Ленинградского оптико-механического объединения (ЛОМО). Института химии нефти Сибирского отделения РАН, лаборатории «Химического анализа воды Института.про­блем жилищно-коммунального хозяйства в районах Севера, Сибири и Даль-

него Востока, кафедр «Автомобильные дороги», «Физики» Санкт-
Петербургского государственного архитектурно-строительного университе­
та, кафедры «Автомобильные дороги» Томского государственного архитек-
турно-стоительного университета.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, со-
держащихся в диссертации, подтверждена сходимостью результатов теоре­
тических, лабораторных и опытно-производственных работ, выполненных
на основе современных методов исследований с применением аттестованно­
го лабораторного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень на­
дежности результатов. Достоверность рекомендаций по технологиям приго­
товления асфальтобетонных смесей подтверждена результатами опытно-
производственных исследований.

Реализация результатов исследований. Разработанные способы полу-
чения асфальтобетонных смесей с применением сланцевых фусов прошли
опьггно-производственную проверку в тресте "Лендорстрой" "Главленин-
градинжстроя и Дорожном комитете Правительства Ленинградской облас­
ти. Экспериментальные участки асфальтобетонных покрытий из смесей,
приготовленных с применением тяжёлых фусов, а также зол уноса, обрабо­
танных фусами в качестве минерального порошка, были построены в
г.Санкт-Петербурге, г. Сланцы и на дорогах Ленинградской области. От-
дельные результаты исследований включены в методические рекомендации
"Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных
покрытий", изданных в СибАДИ.

'Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных работ по следующим курсам: «Производственные предприятия дорожного строи­тельства», «Дорожно-строительные материалы» для студентов, обучающих­ся по специальности «Строительство автомобильных дорог и аэродромов» в Томском государственном архитектурно-строительном университете.

Автор защищает совокупность научных положений, теоретически и
экспериментально установленных закономерностей, определяющих техно­
логии приготовления дисперсно армированных асфальтобетонных смесей, и
двухстадийную технологию введения органического вяжущёго в процессе
приготовления асфальтобетонных смесей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до­ложены и обсуждены на Всесоюзной конференции «Управление структу-рообразованием, структурой и свойствами дорожных бетонов» (Харь­ков, 1983 г.), на 8 и 9-ой научно-технических конференциях «Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР» (г. Владимир, 1985-1986 гг.), на XI Всесоюзной научно-исследова­тельской конференции «Перспективные экономичные и долговечные конст­рукции автомобильных дорог и технологии их сооружения» (г. Москва, Со-

юздорнии, 1987г.), на Всероссийской Международной научно-технической конференции "Автомобильные дороги Сибири" (г.Омск, СибАДИ, 1994г.), на Российской научно-технической конференции "Экономия энергии при строительстве, эксплуатации автомобильных дорог и производстве строительных материалов" (г.Суздаль, 1995г.), на I Международной научно-технической конференции "Экология человека и природы" (г. Иваново, 1997г.), на Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике" (г.Томск, 1997), на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (г.Томск, 1998г.), на Всероссийском семинаре-совещании руководителей дорожных научных и проектных организаций" (г.Суздаль, 1998 г.)

Публикации. По теме диссертации автором получены три патента и ав­торское свидетельство на изобретение; опубликовано в печати 50 научных работ, в том числе монография "Дисперсное армирование и двухстадийная технология приготовления асфальтобетонных смесей."/Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та. -2000. -232,с.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 296 наименований и четырех приложений. Результаты исследований представлены на 315 страницах ос­новного текста, включающего 99 рисунков, 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано содержание работы, обоснована актуальность темы, обозначена основная цель, определены задачи и сформулирована научная новизна исследования, отмечена практическая ценность и основные направ­ления реализации диссертационной работы.

Первая глава. Использование нетрадиционных технологий, базирую-щихся на применении достижений современной науки, имеет целью улуч­шение свойств получаемых для строительства материалов, в том числе и асфальтобетонов. Одним из эффективных методов улучшения свойств ас­фальтобетонов является их дисперсное армирование и применение в процес­се приготовления асфальтобетонных смесей материалов, содержащих в сво­ем составе активные компоненты, в том числе высокомолекулярные смолы.

Большой вклад в развитие теории структурообразования асфальтобето­нов внесли Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, В.А.Золотарев, А.С.Колбанов-ская, И.В.Королев, М.И.Волков, И.АРыбьев, Г.С.Бахрах, И.М.Борщ, Л:С.Терлецкая, Г.Я.Слива, Е.М.Гурарий, А.Р.Давыдова, Б.И.Ладыгин, Б.Г.Печеный, А.В.Руденский, И.М.Руденская, Д.И.Гегелия, Т.Н.Калаш-никова, В.М.Смирнов, Д.С.Шемонаева, в теорию дисперсного армирования асфальтобетонных смесей - АЕ.Мерзликин, Я.Н.Ковалев, Д.В.Акулич, Г.А.Бонченко, И.П.Гамеляк, Ф.А.Асинкритов Вопросы использования в дорожном строительстве сланцевых вяжущих подробно и полно рассмотрены в работах М.Н.Першина, М Ф.Никишиной, Е.Н. Баринова.