Структуроутворення в контактній зоні як основа формування водостійкості асфальтобетонів

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Встановлені загальні закономірності формування граничних шарів у контактній зоні асфальтобетону і впливу структури контактної зони на водостійкість асфальтобетону. Ці закономірності є теоретичною основою прогнозування якості складових асфальтобетонної суміші і стійкості асфальтобетону до агресивної дії води на стадії проектування складу, а також регулювання його тривалої водо- і морозостійкості.

2. На основі аналізу поверхневих явищ, що проходять на границі розділу бітум - поверхня мінерального матеріалу, розроблені основні положення концепції “слабких” граничних шарів, присутніх у контактній зоні і негативно впливаючих на водостійкість асфальтобетону. Їх виникнення пов'язане з переважним концентруванням низькомолекулярних компонентів бітуму, із значною кінетичною енергією теплового руху і не високою міжмолекулярною взаємодією, на мінеральній поверхні.

3. Доведено, що закономірності змочування поверхні мінеральних матеріалів водою визначаються електроповерхневими властивостями підкладок. При цьому, чим більша загальна кількість ділянок поверхні з переважно нейтральним і позитивним зарядом, тим вище значення кута змочування підкладки водою. З позиції опору бітуму відшаровуючій дії води встановлена позитивна роль ділянок поверхні з переважно нейтральним і позитивним зарядом у формуванні міцних граничних шарів, що забезпечують водостійкість бітумних плівок.

4. Обґрунтовані критерії прогнозування здатності бітуму і мінерального матеріалу забезпечувати тривалу водостійкість асфальтобетону. Такими критеріями служать кількісний показник водостійкості плівки бітуму на поверхні мінеральної підкладки, а також різниця між термодинамічною роботою сил змочування підкладки водою і бітумом. На величину запропонованих критеріїв суттєво впливають електроповерхневі властивості мінерального матеріалу. Практичне використання критеріїв на стадії проектування складу сумішей сприяє підвищенню тривалої водостійкості асфальтобетону.

5. Експериментально встановлена принципова розбіжність у величинах показника водостійкості бітумних плівок на гладкій і шорсткій поверхні скла, яка заключається у зростанні прилипання бітуму при збільшенні температури і тривалості його контакту з мінеральною поверхнею. Встановлені закономірності підтверджують теоретичні передумови і розрахунки, які свідчать про вплив в'язкості, поверхневого натягу і тривалості об,єднання бітуму з мінеральним матеріалом на глибину дифузії його компонентів у пори і, відповідно, на водостійкість асфальтобетону.

6. Спектроскопічними дослідженнями встановлено, що при взаємодії бітумів різних структурних типів з поверхнею кварцевого, гранітного і вапнякового порошків хемосорбція компонентів бітуму не проходить. Зміщення деяких характеристичних смуг поглинання до 50 см - 1, яке спостерігається для асфальтов'яжучого на основі вапнякового порошку, є наслідком утворення слабких водневих зв'язків між карбоксильними групами бітуму і карбонат-іонами кальциту, що суттєво впливає на формування граничних шарів, які забезпечують високий показник водостійкості бітумних плівок.

7. На модельній системі і реальних складах асфальтобетонних сумішей встановлено диференційний вплив складових мінеральної частини (щебінь, пісок і мінеральний порошок) на водостійкість асфальтобетонів. Підтверджено визначне впливання якості асфальтов'яжучого на міцність асфальтобетону. Доведено, що границя між бітумом і грубодисперсними мінеральними зернинами із кислих гірських порід у складі асфальтобетону найбільше вражається при відшаровуючій дії води. Показана можливість регулювання коефіцієнтів тривалої водо- і морозостійкості асфальтобетонів, виготовлених за роздільною технологією з використанням бітумів різної в'язкості. Доведено, що введення на щебінь в'язкого бітуму у найбільшій мірі сприяє стійкості бітумної плівки до дії води, внаслідок меншого вмісту низькомолекулярних компонентів у складі в'язкого бітуму, у порівнянні з малов'язким, здатним формувати “слабкі” граничні шари у контактній зоні.

8. Показано, що негативний вплив “слабких” граничних шарів бітуму у контактній зоні на водостійкість асфальтобетону можливо зменшити попередньою обробкою поверхні мінерального матеріалу водним розчином поверхнево-активних речовин або добавок. Це забезпечується кращим змочуванням і формуванням перехідного структурованого шару активатора, міцно адсорбційно зв'язаного з поверхнею заповнювача, і збільшенням міжмолекулярної взаємодії на границі розділу бітум - поверхня мінерального матеріалу, внаслідок зменшення міжфазного поверхневого натягу. Експериментально підтверджена можливість економії кондиційних ПАР, при одночасному забезпеченні високої водостійкості асфальтобетонів, активацією тільки грубодисперсного заповнювача із кислих гірських порід водними розчинами ПАР або активних добавок із другорядних продуктів хімічної промисловості. На основі запропонованих способів підвищення водостійкості асфальтобетонів об'єктивно оцінена доцільність використання, у якості піщаної складової асфальтобетонів, пісків із відпрацьованих формувальних сумішей з гідрофобними властивостями поверхні. Асфальтобетони на основі таких пісків відрізняються від асфальтобетонів на основі природних пісків, підвищеною міцністю і зсувостійкістю при 500С, а також тривалою водостійкістю.

9. Доведена можливість регулювання тривалої водостійкості асфальтобетонів підвищенням ароматичності вихідної вуглеводневої сировини, призначеної для виготовлення окислених бітумів. Підвищення ароматичності приводить до накопичення у складі бітуму, у процесі окислення, кисневміщуючих сполук, збільшення його полярності і, як слідство, сприяє формуванню у контактній зоні міцних граничних шарів, стійких до агресивної дії води. За величиною коефіцієнтів тривалої водостійкості, коефіцієнтів температурної чутливості, діапазону в'язкопружної поведінки, асфальтобетони на основі окислених в'яжучих із компаундованої сировини перевищують асфальтобетони на основі окисленого бітуму із чистого гудрону.

10. Теоретично обґрунтовані і розроблені технологічні способи, що забезпечують зниження енергомісткості виробництва з використанням місцевих матеріалів і другорядних продуктів промисловості. Результати досліджень ввійшли до нормативно-технічних документів: ДСТУ БВ. 2.7-81-98 “Бітуми нафтові дорожні в'язкі. Метод визначення показника зчеплення з поверхнею скла та кам'яних матеріалів”, ДСТУ “Суміші асфальтобетонні дорожні, аеродромні і асфальтобетон. Технічні умови” (проект) і впроваджені у дорожньо-будівельних організаціях Харківської, Запорізької, Луганської і Сумської областей. В результаті впровадження досліджень виготовлено 5330 т окислених в'яжучих, 182709т асфальтобетонних сумішей, побудовано 1556989 м2 асфальтобетонних покриттів і 36 км тонких шорстких шарів зносу. Розрахунковий економічний ефект від впровадження окислених бітумів складає 10,8 крб/т ( у цінах 1988 р.).

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ У СЛІДУЮЧИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Космін О.В., Золотарьов В.О., Кислюк Ю.П., Жданюк В.К. Важливий компонент асфальтобетону// Сільське будівництво.- 1984. - №2. - С.19-20.

2. Коваль О.І., Жданюк В.К., Псюрнік В.О. Дослідження реологічних властивостей дорожніх бітумів і дьогтів у процесі старіння // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Будівельник.-1986.- вип.39. - С.58-60.

3. Золотарев В.А., Веребская Е.А., Жданюк В.К. Органические вяжущие на основе составленного сырья //Автомобильные дороги.-1987-№1.-С.14-15.

4. А.с. 1370122 СССР, МКИ С 08 95/00, С 04 В 26/26. Способ приготовления вяжущего для дорожного строительства / В.А. Золотарев, Е.А. Веребская, В.К. Жданюк, А.И. Коваль, В.М. Пономарь, Ю.Г. Яновский ( СССР). - № 3969357/31 33; Заявлено 28.01.85; Опубл. 20.01.88, Бюл. № 4.

5. Жданюк В.К., Псюрник Г.В., Веребская Е.А., Золотарев В.А. Использование отходов лесотехнической и коксохимической промышленности в дорожном строительстве // Утилизация отходов промышленности при строительстве и ремонте дорожных одежд на юге РСФСР. - Ростов-на-Дону: РИСИ. - 1988. - С.100-105.

6. Жданюк В.К., Веребская Е.А. Свойства комплексных органических вяжущих на основе сырья нефтяного и древесного происхождения // Автодорожник Украины. - 1989. - №2. - С.25-27.

7. Золотарев В.А., Жданюк В.К., Коваль А.И., Полуновская В.И. Реологические свойства дорожных битумов, модифицированных при окислении кубовыми остатками ректификации сырого бензола // Асфальтовые и цементные бетоны для условий Сибири. - Омск: ОмПИ. - 1989. - С.14-20.

8. Жданюк В.К., Поясник Г.В., Шиленко Н.И., Кисиль Е.В. Влияние добавок КОРСБ на свойства окисленных битумов // Автодорожник Украины. - 1990 - №1. - С.31-33.

9. Жданюк В.К., Золотарев В.А. Особенности реологического поведения асфальтобетонов на основе окисленных вяжущих // Автодорожник Украины.- 1990. - С.27-29.

10.Жданюк В.К., Маляр В.В., Золотарев В.А. Регулирование прочности органических вяжущих на стадии их окисления // Автодорожник Украины. - 1991. - №2. - С.27-29.

11. Жданюк В.К. В,язкопружні властивості окислених в,яжучих із складеної вуглеводної сировини різного походження // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Будівельник. - 1991. - вип.49. - С.56-60.

12. Космин А.В., Жданюк В.К., Дзюбенко Т.Ф., Поясник Г.В. Свойства асфальтобетонов с минеральными порошками из промышленных отходов // Автомобильные дороги. - 1992. - №5 - 6. - С.17-18.

13. Жданюк В.К., Поясник Г.В. Використання відпрацьованих органомінеральних формувальних сумішей при будівництві доріг // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Будівельник. - 1992. - вип. 50. - С.53-55.

14. А.с. 1758036 А1 СССР, МКИ С 04 В 26/26. Способ приготовления асфальтобетонной смеси / Г.В. Поясник, В.А. Золотарев, В.К. Жданюк, Е.Н. Агеева (СССР). - №4808723/33; Заявлено 02.04.90; Опубл. 30.08.92, Бюл. №32.

15. А.с. 1808843 А1 СССР, МКИ С 08 L 95/00, С 08 К 11/00. Способ получения вяжущего / В.К. Жданюк, Г.В. Поясник, Н.И. Шиленко, Е.В.Кисиль, В.А.Золотарев (СССР). - №4794702/05; Заявлено 22.02.90; Опубл. 15.04.93, Бюл. №14.

16. Регулирование водоустойчивости и морозоустойчивости асфальтобетонов водными растворами поверхностно-активных добавок и активаторов / Поясник Г.В., Жданюк В.К., Золотарев В.А..; Харьк. гос. автомоб. - дор. техн. ун-т - Харьков, 1994. - 9с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 22.02.94, №324-Ук94.

17. Жданюк В.К. Дослідження хімічних особливостей бітумів в процесі окислення методом інфрачервоної спектроскопії // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Будівельник. - 1994. - вип.52. - С.102-105.

18. Жданюк В.К. Исследование дорожных окисленных битумов методом ИК-спектроскопии // Повышение качества дорог и строительных материалов из отходов промышленности / Сиб.автомоб.-дор. ин-т.- Омск ,1995.- С.26-33.

19. Жданюк В.К. Про термодинамічну роботу змочування й адгезії бітумів на поверхні мінеральних матеріалів // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Будівельник. - 1996. - вип.53. - С.78-81.

20. Жданюк В.К. О структурных особенностях битумных пленок на поверхности минеральных зерен // Вестник государственного автомобильно-дорожного технического университета.- Харьков: ХГАДТУ.-1997.- С.44-47.

21. Жданюк В.К. Влияние группового состава и наполнителя на особенности стеклования битумов // Сборник трудов по технической химии. - Харьков: “Укрзалізниця”. - 1997. - С.399-401.

22. Космин А.В., Жданюк В.К., Космин П.А. Ультразвуковая обработка асфальтовяжущего вещества // Транспортное строительство. - Москва. - 1997. - №11. - С.22-23.

23. Жданюк В.К., Золотарев В.О. Оцінка впливу дисперсності та походження мінеральних порошків на адсорбцію бітуму з розчинів // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Техніка. - 1997. - вип. 54. - С.104-107.

24. Жданюк В.К., Єфремов С.В. До питання про вплив походження кам,яних матеріалів на кути змочування їх поверхні // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - Київ: Техніка. - 1997. - вип. 54. - С.107-110.

25. Жданюк В.К. Влияние старения на низкотемпературные свойства битумов // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка: ДГАСА. - 1998. - вып.98-1 (9). - С.36.

26. Жданюк В.К. Про вплив мінеральних наповнювачів на теплофізичні властивості асфальтов,яжучих// Автошляховик України. -№3. -1998.-С.28-30.

27. Золотарьов В.О., Головенчиць С.Ф., Жданюк В.К., Золотарьов Д.В. Досвід виробничого використання асфальтополімербетону // Автошляховик України. - 1998. - №4. - С.41-43.

28. Гнатенко Г.Ф., Єфремов С.В., Жданюк В.К., Золотарьов В.О. Досвід використання поверхнево-активних речовин для підвищення водостійкості асфальтобетонного покриття // Автошляховик України.- 1999.- №1- С.38-39.

29. Космін О.В., Жданюк В.К., Васильченко Д.Д. Водостійкість та морозостійкість асфальтов,яжучих на основі вузьких фракцій мінеральних порошків різної природи // Автошляховик України. - 1999. - №3 - С.46-49.

30. Жданюк В.К. Калориметрические исследования нефтяных дорожных битумов // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. - Макіївка: ДДАБА. - 1999. - вип.99-2 (16). - С.119-121.

31. Шиленко Н.И., Псюрник В.А., Жданюк В.К. Реологические свойства асфальтобетонов на основе окисленных вяжущих из составленного углеводо-родного сырья // Вестник Харьковского государственного автомобильно-до-рожного технического университета. - Харьков: ХГАДТУ. - 1999. - С.35-37.

32. Соломенцев А.Б., Жданюк В.К., Маляр В.В.. Круть В.В. Влияние поверхностно-активных веществ на кинетику окисления гудрона и качество битума // Химия и технология топлив и масел. - 1999. - №5. - С.20-22.

33. Жданюк В.К., Кондращенко Е.В. Влияние электроповерхностных свойств минеральных материалов на водоустойчивость битумных пленок// Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. - Макіївка: ДДАБА. - 2000. - вип. 2000 - 2 (22). - С.117-120.

АНОТАЦІЯ

Жданюк В.К. Структуроутворення у контактній зоні як основа формування водостійкості асфальтобетонів. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - “Будівельні матеріали та вироби”. - Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, м. Харків, 2000 р.

Захищається наукове обгрунтування важливої практичної проблеми - забезпечення тривалої водостійкості асфальтобетонних покриттів. Розроблена і сформульована концепція “слабких” граничних шарів бітуму у контактній зоні, обґрунтована їх роль у забезпеченні водостійкості асфальтобетону. Створено метод визначення кількісного показника водостійкості бітумних плівок на мінеральній поверхні, використання якого,у відношенні до різних за походженням кам'яних матеріалів, дозволяє, на стадії проектування складу асфальтобетонної суміші, прогнозувати здатність бітуму і мінерального матеріалу забезпечувати тривалу водостійкість асфальтобетону. Встановлено, що границя розділу між бітумом і поверхнею зернин щебеню із кислих гірських порід у складі асфальтобетону найбільш підвладна руйнуючій дії води. Запропоновані практичні шляхи підвищення тривалої водостійкості асфальтобетонних покриттів.

Ключові слова: асфальтобетон, бітум, тривала водостійкість, граничний шар, мінеральні матеріали, роздільна технологія, активація.

ABSTRACT

Zhdanyuk V.K. The structure-building in a contact zone as a basis of shaping the water-resistance of asphalt concretes. - Manuscript

Thesis for doctor's degree by speciality 05.23.05 - “Construction materials and products”. - Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2000.

The scientific foundations for new branch of ways to maintenance long-term water-resistance of asphalt pavements. The concept of “weak” bordering layers of bitumen in contact zone is estimated and formulated. Their role in maintenance of the water-resistance of asphalt concrete is substantiated. The method of determination of the quantitative parameter of the water-resistance of bitumen layer on a mineral surface is created. Its use in relation to different rocky materials allows at the stage of designing a composition of asphalt mixture to predict ability of bitumen and mineral material to maintenance long-term water-resistance of asphalt concrete. It is established that the border of division between bitumen and the surface of road-metal grains from sour rock in composition of asphalt concrete is the most subject to a destructive influence of water. Ways of heightening the long-term water-resistance of asphalt pavements are suggested.

Key words: asphalt concrete, bitumen, long-term water-resistance, bordering layer, mineral materials, separate technology, activation.

АННОТАЦИЯ

Жданюк В.К. Структурообразование в контактной зоне как основа формирования водоустойчивости асфальтобетонов.- Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.05 - “Строительние материалы и изделия”.- Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, г. Харьков, 2000 г.

Установлены общие закономерности формирования граничных слоев битума в контактной зоне асфальтобетона и влияние структуры контактной зоны на водоустойчивость асфальтобетона.. Эти закономерности являются теоретической основой прогнозирования качества составляющих асфальтобетонной смеси и устойчивости асфальтобетона к агрессивному воздействию воды на стадии проектирования состава, а также регулирования его длительной водо- и морозоустойчивости.

На основании анализа поверхностных явлений, происходящих на границе раздела битум - поверхность минерального материала, разработаны основные положения концепции “слабых” граничных слоев, присутствующих в контактной зоне и оказывающих негативное влияние на водоустойчивость асфальтобетона. Их возникновение связано с предпочтительным концентрированием низкомолекулярных компонентов битума, со значительной кинетической энергией теплового движения и не высоким межмолекулярным взаимодействием, на минеральной поверхности.

Показано, что закономерности смачивания поверхности минеральных материалов водой определяются электроповерхностными свойствами подложек. При этом, чем больше суммарное количество участков поверхности с преобладающим нейтральным и положительным зарядом, тем выше значение угла смачивания подложки водой. С позиции сопротивления битума отслаивающему действию воды установлена позитивная роль участков поверхности с преобладающим нейтральным и положительным зарядом в формировании прочных граничных слоев, обеспечивающих водоустойчивость битумных пленок.

Установлены критерии прогнозирования способности битума и минерального материала обеспечивать длительную водоустойчивость асфальтобетона. Такими критериями служат количественный показатель водоустойчивости пленки битума на поверхности минеральной подложки, а также разница между термодинамической работой сил смачивания подложки водой (W) и битумом (W).

Спектроскопическими исследованиями установлено, что при взаимодействии битумов различных структурных типов с поверхностью кварцевого, гранитного и известнякового порошков хемособция компонентов битума не происходит. Смещение некоторых характеристических полос поглощения до 50 см-1, наблюдаемое для асфальтовяжущего на основе известнякового порошка, является следствием возникновения слабых водородных связей между карбоксильными группами битума и карбонат - ионами кальцита, что оказывает влияние на формирование прочных граничных слоев битума на поверхности кальцитсодержащих минеральных материалов, обеспечивающих высокий показатель водоустойчивости битумных пленок.

Доказано, что граница раздела между битумом и крупными минеральными зернами из кислых горных пород в составе асфальтобетона наиболее подвержена отслаивающему действию воды. Показана возможность регулирования коэффициентов длительной водо- и морозоустойчивости приготовлением смесей по раздельной технологии с использованием битумов различной вязкости. Доказано, что введение на щебень вязкого битума в наибольшей мере способствует устойчивости битумной пленки к воздействию воды, вследствие меньшего содержания низкомолекулярных компонентов в составе вязкого битума, по сравнению с менее вязким, способным формировать “слабые” граничные слои в контактной зоне. Показано, что негативное влияние микрогетерогенных граничных слоев битума в контактной зоне на водоустойчивость асфальтобетона возможно снизить предварительной обработкой поверхности минерального материала водным раствором поверхностно-активных веществ или добавок. Это обеспечивается хорошим смачиванием и формированием переходного структурированного слоя активатора, прочно адсорбционно связанного с поверхностью заполнителя, и усилением межмолекулярного взаимодействия на границе раздела битум-поверхность минерального материала, вследствие снижения межфазного поверхностного натяжения. Экспериментально подтверждена возможность экономии кондиционных ПАВ, при одновременном обеспечении высокой водоустойчивости асфальтобетонов, активацией только грубодисперсного заполнителя из кислых горных пород водными растворами ПАВ или активных добавок из побочных продуктов химической промышленности. На основе предложенных путей повышения водоустойчивости асфальтобетонов объективно оценена целесообразность применения, в качестве песчаной составляющей асфальтобетонов, песков из отработанных формовочных смесей с гидрофобными свойствами поверхности. Асфальтобетоны на основе таких песков отличаются, от асфальтобетонов на основе природных песков, повышенной прочностью и сдвигоустойчивостью при 50оС, а также длительной водоустойчивостью.

Доказана возможность регулирования длительной водоустойчивости асфальтобетонов повышением ароматичности исходного углеводородного сырья, предназначаемого для производства окисленных битумов. Увеличение ароматичности приводит к накоплению в составе битума, в процессе окисления, кислородсодержащих соединений, повышению его полярности и, как следствие, формированию в контактной зоне прочных граничных слоев, устойчивых при агрессивном воздействии воды. По значениям коэффициентов длительной водоустойчивости, коэффициентов температурной чувствительности, протяженности области вязкоупругого поведения, асфальтобетоны на основе окисленных вяжущих из компаундированного сырья превосходят асфальтобетоны на основе окисленного битума из чистого гудрона.

Ключевые слова: асфальтобетон, битум, длительная водоустойчивость, граничный слой, минеральные материали, раздельная технология, активация.

Размещено на Allbest.ru