Дорожные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Факторы, влияющие на долговечность строительных материалов

2. Дорожные материалы на основе битума

3. Свойства, состав битума, материалов для асфальта

4. Технология асфальтобетонных дорожных покрытий

5. Коррозия асфальтобетонных дорожных покрытий

6. Меры защиты асфальтобетонных дорожных покрытий от коррозии

Заключение

Список литературы



Введение

Одним из приоритетных направлений экономического и социального развития сегодняшнего Казахстана является создание современной транспортной инфраструктуры и, в первую очередь, автодорожной сети. Это, безусловно, требует коренных и безотлагательных решений по повышению объёмов производства и качества дорожных битумных материалов.

К сожалению, выпускаемые сегодня дорожные битумы не полностью соответствуют высоким требованиям эксплуатации, например, устойчивостью к термоокислительному старению.

К числу современных дорожных битумных материалов можно отнести, следуя мировой практике, дорожные битумы с улучшенными эксплуатационными характеристиками и композиции на их основе -полимербитумные вяжущие и битумные эмульсии.

В настоящей работе сделана попытка обосновать и разработать технологию производства дорожных битумов повышенной долговечности на одном из передовых российских нефтеперерабатывающих предприятий.

Целью работы являлись разработка технологических решений по организации производства дорожных битумов повышенной долговечности и создание на его основе комплексного производства современных битумных материалов. асфальтобетонный дорожный строительный битум

Для решения этой проблемы было необходимо прежде всего обосновать научные и технологические принципы создания дорожных битумов повышенной долговечности. А затем подобрать современные технологические приемы и способы достижения поставленной цели.

Такая технология должна стать, кроме того, экономически обоснованным стержнем комплексного битумного производства на нефтеперерабатывающем предприятии, позволяющим решать важнейшие вопросы качества и ассортимента продукции, круглогодичной занятости персонала, рентабельности, экологии и т.д.

Природные битумы -- полезные ископаемые органического происхождения с первичной углеводородной основой. К ним относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления. По составу, зависящему от состава исходных нефтей и условий их преобразования, условно подразделяются на несколько классов: мальты, асфальты, асфальтиты, кериты и антраксолиты. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески).

Искусственные (технические) битумы -- это остаточные продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами.

Битум является аморфным веществом, то есть в твёрдом состоянии проявляет свойства жидкости. Чтобы доказать это, в 1927 г. Сотрудник Квинслендского университета Томас Парнелл поместил битум в воронку и стал ждать, когда он вытечет. Эксперимент удался: первая капля упала через восемь лет, за что Парнелл и удостоился Нобелевской премии.

Битум-- древнейший строительный и отделочный материал. О свойствах природного битума-- «земляной смолы», применявшейся для скрепления наконечников древних копий и делающей посуду водонепроницаемой, древний человек знал ещё в эпоху неолита. Битумная посуда предшествовала глиняной. Битум использовали в строительстве для изоляции достаточно редкого для Месопотамии дерева. Природный битум часто использовался как связующее вещество при создании мозаик из полудрагоценных камней и раковин (Урский штандарт, мозаичное панно из аль-Убейда).

В древнем мире монополия на природный битум изначально принадлежала Месопотамии и составляла значительную часть экспорта. В Древнем Египте битумом пользовались для бальзамирования и мумификации. В Древнем Шумере эту субстанцию называли «эсир», аккадцы -- «идду», арабы, проживавшие на территории Ирака, дали ей много имён: «сайали», «зифт» и «кар».



1. Факторы, влияющие на долговечность строительных материалов

Долговечность строительных материалов не всегда соответствует нашим требованиям и желаниям. Для большей долговечности материала его структуру необходимо упрочнить под влиянием условий внешней среды и определенных нагрузок.

В период эксплуатации строительного материала в его контактных зонах и вяжущих частях возникают вторичные структурные центры, которые со временем только укрепляются. Объединившись с первичными центрами структуры в единое целое, они принимают участие в дополнительных процессах, направленных на уплотнение структуры строительного материала за счет увеличения концентрации твердых фаз, являющихся основным носителем упрочнения.

В результате проведения таких манипуляций, возникает не только упрочнение структуры строительного материала относительно механических нагрузок, но и улучшение других имеющихся свойств.

Ярким примером упрочнения структуры материала в эксплуатационном периоде является цементный бетон и его вяжущие части при контакте со щавелевой кислотой. Кислота способна проникать в поры бетона и образовывать там малорастворимые соли в сочетании с плотными продуктами, которые имеют низкую диффузионную проницаемость.

Однако нельзя путать упрочнение структуры строительного материала с отвердением, связанным со старением материала. Положительно влияющим на долговечность можно считать упрочнение , не связанное с так называемым «старением» материала, следствием которого является повышенная хрупкость.

Для определения факторов и свойств, влияющих на долговечность строительных материалов, изучают структуру материалов на молекулярном, надмолекулярном и макроскопических уровнях, а потом переходят к изучению их физических свойств:

1. свойства материалов.

2. взаимодействие материалов.

3. нагрузки.

4. окружающая среда (атм. осадки, ветер, и проч.) .

5. антропологический фактор. (эксплуатация дорожных покрытий) .

6. геология (агрессия пород, грунта) .

Итак, что такое долговечность дорожной одежды? На этот вопрос трудно дать исчерпывающий ответ. После ввода дороги в эксплуатацию нарушение первоначального состояния дорожной одежды происходит постепенно под действием повторных нагрузок и природных факторов. При этом, в терминах теории надежности, «отказ» конструкции не является четким ни во времени, ни по признакам разрушения.

Рассмотрим конкретный пример. Одну поперечную трещину на 1 км длины дороги, очевидно, нельзя считать отказом конструкции. А 10 трещин? Пожалуй, и 10 поперечных трещин на 1 км - это еще далеко не отказ. А 100 трещин? Вот здесь уже можно полагать, что вода, проникая через эти трещины, приведет к быстрому разрушению всей конструкции.

Другой пример. На поверхности асфальтобетонного покрытия в жаркое время года появилась колея глубиной 10 мм. При этом ее появление, как это часто бывает, не сопровождалось возникновением трещин. Способность конструкции распределять давление на грунт не изменилась. Тем не менее, такая колея при ее заполнении водой приводит к защемлению воды между шиной и покрытием, уменьшению трения между ними, удлинению тормозного пути и к потере управляемости автомобилем. При определенных интенсивности движения и природных условиях ее появление можно считать отказом конструкции дорожной одежды.

В связи с нечеткостью критериев отказа понятие о сроке службы покрытия трудно сформулировать. В казахстанских «Рекомендациях по проектированию асфальтобетонных покрытий улиц и дорог» (1999 г.) используются понятия «проектный период» и «анализируемый период». Проектный период - это промежуток времени (скажем, 10-20 лет), для которого оценивается суммарное число проездов автомобилей, необходимое число полос проезжей части и рассчитывается толщина слоев. Имеется в виду, что к концу этого периода могут потребоваться ремонтные мероприятия, например, укладка слоя усиления.

Анализируемый период - это время, для которого проводится анализ экономической эффективности различных вариантов стратегии строительства, ремонта и содержания. Он должен включать, по меньшей мере, один капитальный ремонт. Его выбирают так, чтобы он был меньше того периода, через который можно ожидать радикальных изменений в технологии строительства дорог, и больше проектного периода не менее, чем в 1,5 раза (например, 30-40 лет). При этом учитывается остаточная стоимость дорожной одежды к концу периода анализа. Что же касается «срока жизни» дорожной одежды, то, как отмечается в «Руководстве», он может продлеваться неограниченно за счет ремонтов и усиления. Чтобы судить о сравнительной эффективности различных технологий, используют понятие о «стоимости жизненного цикла» в пределах периода анализа.

В соответствии с этим, ниже сначала рассматриваются некоторые конструкции и технологии, применяемые в Казахстане для повышения долговечности дорожных одежд, а затем оценивается их эффективность с точки зрения стоимости жизненного цикла.

2. Дорожные материалы на основе битума

Приведем пример.

Старая дорожная одежда, прослужившая 50 лет, состоит из щебеночного основания толщиной 30 см; щебня, укрепленного цементом, толщиной 10 см и цементобетонного покрытия толщиной 20 см с деформационными швами без стальных стержней в швах сжатия. В последние 5 лет интенсивность движения резко возросла. Она составляет 164 тыс. автомобилей в сутки в рабочие дни недели и 122 тыс. автомобилей по выходным (при этом доля тяжелых грузовых автомобилей и автопоездов составляет 13%). Старое покрытие имело многочисленные поперечные, продольные и угловые трещины и сделалось неровным.

Предложения по конструкции дорожной одежды и технологии строительства сформулируем задачу следующим образом:

1. Технология строительства должна быть такой, чтобы продолжительность перерывов в эксплуатации дороги была минимальной, в связи с этим она должна иметь асфальтобетонное покрытие.

2. Конструкция должна удовлетворять высоким требованиям к ровности, безопасности движения и уровню транспортного шума.

3. В течение по крайней мере 30 лет ремонтные мероприятия должны затрагивать только верхний тонкий слой.

Дорожная одежда включает:

Верхний слой покрытия из высокопористого дренирующего асфальтобетона на резинобитумном вяжущем толщиной 2,5 см.

Этот слой должен обеспечить высокие сцепные свойства покрытия и низкий уровень транспортного шума. Слой следует периодически заменять, в среднем через 7-8 лет.

Второй слой покрытия толщиной 7,5 см.

Он должен гарантировать высокое сопротивление накоплению остаточных деформаций. Для смеси выбран битум PBA-6A*, модифицированный полимером. После искусственного старения в тонкой пленке он характеризуется очень высокой вязкостью - при 60 °С более 10000 Пуаз (1000 Па·с) и растяжимостью при 25 °С не менее 60 см. Асфальтобетонная смесь подобрана так, чтобы воздушная пористость составляла 7%.

Третий асфальтобетонный слой толщиной 15 см.

Играет ведущую роль в распределении давления от колеса на грунт земляного полотна. Для него выбран тоже весьма вязкий битум марки AR-8000, имеющий при 60С вязкость 8000±2000 Пуаз после искусственного старения в тонкой пленке при растяжимости не менее 75 см. Пористость асфальтобетона - 7%.

Четвертый (нижний) асфальтобетонный слой толщиной 7,5 см.

Изготовлен на том же битуме марки AR-8000 из плотной смеси (пористость 3%). Нужен, чтобы лучше воспринимать растягивающие напряжения и противостоять усталости при действии повторных нагрузок. Именно поэтому этот слой содержит больше битума (5,2%), чем остальные, и имеет наименьшую пористость.

Таким образом, каждый слой играет вполне определенную роль. Материал второго слоя испытывали в лаборатории на сдвиг повторяющимися нагрузками при температуре 50 °С , соответствующей глубине его расположения. Прогнозируемая глубина колеи через 30 лет - 12,5 мм. Материал нижнего слоя испытывали на усталость повторными нагрузками при напряжениях, ожидаемых от транспортных средств, и подобрали смесь так, чтобы в нем не возникали трещины.

Оригинальность конструкции состоит в том, что ее нижний слой содержит больше вяжущего, чем остальные слои. Заметим, впрочем, что такая же идея высказывалась в 1970-80 х в работах А. О. Салля, а также А. Е. Мерзликина и Б. С. Радовского и была реализована в России А. Е. Мерзликиным на участке кольцевой дороги в г. Казань при строительстве слоистого основания из цементогрунта.

На участке протяжением 2,8 км старое цементобетонное покрытие раскололи сбрасыванием стальной плиты, затем осадили тяжелым грузом, уложили для прерывания трещин прослойку из полимерной ткани, пропитанной битумом (с «защитным слоем» из асфальтобетона под ней), а поверх нее устроили дорожную одежду общей толщиной 22,5 см на основе тщательного анализа ее напряженного состояния (рис. 1 Б).



3. Свойства, состав битума, материалов для асфальтовых битумов

1. Органические вяжущие вещества

Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при комнатной температуре) продукты, способные изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. По химическому составу это либо сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных серы, азота, кислорода (битумы и дегти), либо карбоцепные и гетероцепные соединения, состоящие в основном из атомов углерода в сочетании с атомами водорода, азота, серы, кислорода и кремния (полимеры).

Органические вяжущие вещества разделяют на три основные группы: битумы природные и нефтяные; дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные; полимерыполимеризационные и поликонденсационные.

В единой классификации строительных конгломератов органические вяжущие вещества располагаются в группе безобжиговых материалов и характеризуются следующими общими признаками:

1. Химический состав их представлен органическими соединениями и все они относятся к продуктам химической переработки природного или синтетического сырья, в основном нефти, каменного угля, горючих сланцев, торфа, древесины, природных газов, нефтегаза, мономеров и т. п.

2. Для получения матрицы (в конгломерате) требуется, чтобы вяжущие вещества обладали заданной консистенцией, обеспечивающей образование тонкой пленки на поверхности заполнителя или наполнителя, что достигают разными способами -- нагреванием, растворением, эмульгированием и т. п. 3. Они имеют хорошую адгезию к заполнителям (наполнителям) и обладают способностью сцеплять их в монолит, образуя макро- и микроконгломераты, относящиеся, как и вяжущие, к группе безобжиговых материалов.

3. В той или иной мере они являются гидрофобными и придают водоотталкивающие свойства материалам.

4. Хорошо растворяются в органических растворителях -- бензоле, бензине, керосине, толуоле и других, за некоторым исключением, когда только набухают.

5. Многие органические вяжущие вещества имеют склонность к изменению своих первоначальных свойств под воздействием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, повышения температуры, солнечной радиации и некоторых других факторов. Практически все они способны гореть, некоторые из них токсичны.

При отверждении в присутствии минеральных заполнителей (наполнителей) органические вяжущие вещества образуют асфальтовые или полимерные конгломераты и подобно другим имеют заполняющую часть, вяжущее вещество, контактную зону и поры. При этом вяжущая часть в них может рассматриваться как своеобразный микроконгломерат, активно участвующий в формировании макроструктуры. Строительные материалы и изделия с конгломератным типом структуры в виде асфальто- и дегтебетонов и растворов, пластических масс и других при оптимальной структуре подчиняются основным законам общей теории ИСК.

2. Природные битумы

Природные битумы (вязкие и жидкие) могут встречаться как в чистом виде, так и в «битуминозных» породах. Битуминозными или асфальтовыми породами называют горные породы (известняки или песчаники), пропитанные природными битумами. Они образовались в земной коре в результате длительных процессов окисления и полимеризации нефти, пропитавшей эти осадочные горные породы.

Вязкие природные битумы получают путем извлечения их из известняков, доломитов или песчаников, пропитанных природными битумами.

Природные битумы по ряду показателей их свойств (высокой адгезии, погодоустойчивости) превосходят нефтяные. Применение природных битумов в строительстве ограничивается высокой стоимостью и относительно малым объемом их производства. Вязкие природные битумы используются главным образом в химической и лакокрасочной промышленности. При переработке асфальтовых горных пород могут быть получены асфальтовый порошок, асфальтовая мастика или асфальтовый бетон для холодной укладки. Асфальтовый порошок получают путем измельчения карбонатных пород, если содержание природного битума в них не превышает 2... 3% по массе. Он имеет широкое применение для изготовления асфальтовых бетонов и растворов. Асфальтовая мастика -- продукт объединения асфальтового порошка с природным или нефтяным битумом.

К недостаткам как природных, так и нефтяных битумов следует отнести их повышенную хрупкость при отрицательных температурах.

В качестве природных жидких битумов в строительстве используются тяжелые, высокосмолистые нефти.

3. Битумы нефтяные, состав, структура и свойства

Нефтяные битумы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие продукты переработки нефти. По химическому составу битумы -- сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных азота, кислорода и серы, полностью растворимые в сероуглероде. Для исследования битумов их разделяют на основные группы углеводородов (близкие по свойствам) -- масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды.

Масла -- смесь циклических углеводородов (в основном нафтенового ряда) светло-желтой окраски с плотностью менее 1 и молекулярной массой 300...500; повышенное содержание масел в битумах придает им подвижность, текучесть. Количество масел в битумах колеблется в пределах 45...60%.

Смолы -- вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета с плотностью около 1 и молекулярной массой до 1000. Смолы имеют более сложный состав углеводородов, нежели масла. Они состоят в основном из кислородных гетероциклических соединений нейтрального характера и придают битумам большую тягучесть и эластичность. Содержание смол 15.,30%.

Асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды) - твердые, неплавкие вещества с плотностью несколько больше 1 и молекулярной массой 1000...5000 и более. Эта группа углеводородов является существенной составной частью битумов. Повышенное содержание асфальтенов в битуме определяет его высокие вязкость и температурную устойчивость. Общее содержание асфальтенов в различных битумах составляет 5...30% и более.

Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко в малом количестве (1...2%) и способствуют повышению хрупкости битума.

Асфальтовые кислоты и их ангидриды -- вещества коричневатого цвета смолистой консистенции с плотностью более 1. Они относятся к группе полинафтеновых кислот и могут быть не только вязкими, но и твердыми. Асфальтогеновые кислоты являются поверхностно-активной частью битума и способствуют повышению сцепления его с поверхностью минеральных заполнителей. Содержание их в нефтяных битумах составляет около 1 %.

Вышеуказанные группы углеводородов битума образуют сложную дисперсную систему -- коллоидный раствор, в котором жидкая среда --это масла и раствор смол в маслах, а твердая фаза представлена асфальтенами, на поверхности которых адсорбированы асфальтогеновые кислоты. Масла, смолы и асфальтены входят в состав битумов в различных соотношениях и тем самым предопределяют их структуру. В зависимости от количественного содержания масел, смол и асфальтенов (а также от температуры нагрева) коллоидная структура битума -- «гель», «золь», «зольгель» претерпевают изменения от типа «золь» до типа «гель». Структура гель -- характерна для твердых битумов при температуре 2О...25°С и обусловливается обычно повышенным содержанием асфальтенов. Структура золь присуща битумам жидкой консистенции с повышенным содержанием смол и масел.

4. Характеристика структурно-механических свойств битумов

Важнейшими свойствами битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости; кроме того, следует отметить высокую адгезию, обусловливающую способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей; они способны также придавать гидрофобные свойства материалам, обработанным битумом.

Основной характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Вязкость -- сопротивление внутренних слоев битума перемещению относительно друг друга. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вязкость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Для измерения структурной вязкости применяют различные приборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах (Па-с) или выразить ее в условных единицах. Для характеристики вязкости, точнее величины обратной вязкости, т.. е. текучести битумов, принимается условный показатель -- глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Глубину проникания иглы в битум определяют на приборе -- пенетрометре при действии на иглу груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 0°С при грузе 200 г в течение 60 с. Пеиетрация твердых или вязких битумов выражается в единицах (градусах), равных 0,1 мм проникания иглы в битум. Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум.

Пластичность является важным свойством битумов. Она повышается с увеличением содержания масел, длительности действия нагрузки и повышения температуры. Пластические свойства твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимостью (дуктильностью) --способностью вытягиваться в тонкие нити под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют на специальном приборе -- дуктилометре при скорости деформации образца битума в виде «восьмерки» 5 см/мин, температурах испытания 25 и 0°С. Показателем растяжимости служит длина нити в момент разрыва образца, выраженная в сантиметрах. Пластические свойства битума зависят от температуры, группового состава и структуры. Так, например, с повышением содержания смол и асфальтенов пластичность при постоянной температуре битумов возрастает.

Существенной характеристикой свойств битума является также и температура размягчения,определяемая на приборе «кольцо и шар» («К и Ш»), Температура размягчения битума, выраженная в градусах Цельсия, соответствует температуре водяной бани в стакане прибора в момент, когда битум, имеющийся в латунном кольце (диаметр 16,0 мм), деформируясь под воздействием металлического шарика массой 3,5 г и постепенного нагрева воды со скоростью 5°С в минуту, коснется нижней полки подставки. Нижняя полка подставки прибора находится на стандартном расстоянии от кольца, равном 25 мм. Температура размягчения вязких и твердых битумов колеблется в. пределах от 20 до 95°С.

Для характеристики тепловых свойств битумов кроме температуры размягчения определяют температуру хрупкости.

Температуру хрупкости битума определяют на специальном приборе Фрааса. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем па латунную пластинку, которая вместе с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на топком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температура хрупкости, например, дорожных битумов может быть от --20 до +5°С. Очевидно, что чем ниже температура хрупкости битума, тем больше его морозостойкость и выше качество.

Температура вспышки -- температура, при которой пары образующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени. Температуру вспышки определяют на стандартном приборе и отмечают по показанию термометра в момент вспышки паров битума. Температура вспышки твердых и вязких битумов обычно выше 200°С и характеризует степень огнеопасности битума при его разогреве.

Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия-- прилипание к поверхности различных минеральных и органическиx материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума 5 баллов в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в один балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды.

В зависимости от показателей основных свойств, особенно вязкости, пластичности и температуры размягчения, нефтяные битумы делятся на марки:

1. Для дорожного строительства но ГОСТу предусмотрены пять марок от БНД (битум нефтяной дорожный)-200/300 до БНД-40/60, где цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С, и четыре марки БН от 200/300 до БН-60/90.

2. Для строительных работ по ГОСТу предусмотрено три марки, обозначаемые «БН» -- битум нефтяной: БН-50/50, БН-70/30 и БН-90/10, где цифры числителя дроби соответствуют показателю температуры размягчения по «К и Ш» (кольцо и шар), а знаменателя -- указывают на средние значения пределов изменения пенетрации при 25°С.

3. Для кровельных работ по ГОСТу предусмотрены следующие марки: БНК (битум нефтяной кровельный)-45/180, БНК-90/40 и 90/30, а также БНК-45/190. В данном случае числитель дроби соответствует среднему значению показателей температуры размягчения по «К и Ш», а знаменатель -- среднему значению показателей пенетрации на 25СС.

Кроме твердых и вязкопластичных битумов указанных марок существуют жидкие битумы. Жидкие битумы при комнатной температуре имеют незначительную вязкость, т. е. жидкую консистенцию, и применяются в строительстве в холодном или слегка подогретом (до 50.. .60°С) состоянии.

Вследствие испарения летучих фракций и процессов окисления жидкие битумы постепенно загустевают. В зависимости от скорости загустевания жидкие нефтяные битумы выпускают двух классов--густеющие со средней скоростью (класс СГ) и медленногустеющие (класс МГ). Жидкие битумы класса СГ изготовляют путем разжижения обычных, вязких битумов легкими разжижителями типа керосина. Для получения битумов класса МГ применяют разжижители каменноугольного или нефтяного происхождения (нефть, мазут и т. п.). В зависимости от показателей вязкости дорожные жидкие битумы классов СГ и МГ каждый делят на три марки - эти битумы должны удовлетворять требованиям ГОСТа.

5. Получение нефтяных битумов

Нефтяные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из различных нефтей отличающихся друг от друга химическим составом и свойствами.

Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина) смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки после отбора более легких по массе фракций -- гудрон, крекинг -- в дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных битумов заданных свойств. В настоящее время нефтяные битумы получают при атмосферно-вакуумной перегонке нефти (остаточные битумы); окислением нефтяных остатков (окисленные битумы) и смешением остатков, образующихся при перегонке нефти (компаундированные битумы).

Остаточные битумы представляют собой продукты малой вязкости и обычно подвергаются окислению.

Окисленные битумы получают путем продувки воздухом нефтяных остатков (гудрона) на специальных окислительных установках до заданной вязкости. В результате взаимодействия кислорода воздуха с гудроном в процессе продувки идет реакция образования высокомолекулярных компонентов окисленного битума и повышение его вязкости. За последнее время освоен метод непрерывного окисления битума. Нефтяные остатки при температуре около -210°С поступают в реактор, где с помощью специальных аппаратов (диспергаторов) засасывается воздух и распределяется в окисляемом продукте. В данной технологии наряду с интенсификацией процесса окисления улучшается качество окисленного битума.

Смешанные (компаундированные) битумы получают в основном путем смешения битума деасфальтизации (остаточный продукт после обработки гудрона жидким пропаном) с масляными дистиллятами.

Нефтяные битумы, как твердые или вязкопластичные, так и жидкие, находят широкое применение в строительстве. Их используют для устройства дорожных покрытий, покрытий аэродромов, устройства плоских кровель, ирригационных каналов, производства гидроизоляционных и кровельных материалов в лакокрасочной и химической промышленности.

6 Дегти

Дегтями называют продукт сухой (без доступа воздуха) перегонки твердых топлив -- каменного угля, древесины, торфа, горючих сланцев и других органических веществ. В зависимости от исходного сырья может быть получен каменноугольный, древесный, торфяной или сланцевый деготь. Для строительных целей наибольшее применение получили каменноугольные дегти.

Сырой каменноугольный деготь, получаемый в процессе коксования и газификации угля, представляет собой вязкую жидкость черного цвета с характерным запахом фенола, крезола и нафталина.

Для строительных целей и в промышленности строительных материалов применяются дегти отогнанные, получающиеся после отбора из сырых дегтей летучих веществ, или составленные, изготовляемые смешением горячего пека с антраценовым маслом или другими жидкими дегтевыми материалами. Наибольшее распространение имеют составленные дегти.

Составленные и отогнанные дегти характеризуются вязкостью (по стандартному вискозиметру ) и фракционным составом. По сравнению с битумами дегти отличаются меньшей теплостойкостью и худшей погодоустойчивостью. Однако адгезия (прилипание) дегтей выше, чем у битумов, вследствие большего содержания полярных групп в молекулах масел дегтя.

Дорожные каменноугольные дегти и другие дегтевые материалы (пек, антраценовое масло) применяются для изготовления дегтебетонов, а также для производства дегтевых кровельных и гидроизоляционных материалов.

Сланцевые дегти получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. В настоящее время эти дегти в виде вязких и жидких. По химическому составу и свойствам сланцевые дегти приближаются к битумным материалам и поэтому им присвоен не совсем точный термин «сланцевые битумы». Сланцевые битумы в большей степени по сравнению с нефтяными изменяют свои свойства при нагревании. Погодоустойчнвость таких битумов также меньше, чем у нефтяных. Сланцевые битумы используются обычно при тех же видах работ, как и нефтяные битумы.

7 Битумные и дегтевые эмульсии и пасты

Битумные и дегтевые эмульсии представляют собой дисперсные системы, в которых вода является дисперсионной средой, а тонко диспергированный битум или деготь -- дисперсной фазой. Образование и устойчивость эмульсий достигается путем введения в ее состав некоторых поверхностно-активных веществ -- эмульгаторов, понижающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз -- битум или деготь/вода. В качестве эмульгаторов применяют водорастворимые органические вещества (мыла, соли нафтеновых и сульфонафтеновых кислот и др.) или твердые минеральные порошки (глины, известь, цементы, уголь). Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии не превышает 3% (твердых порошков -- 5...15%) в зависимости от тонкости диспергирования битума или дегтя. В настоящее время часто используют более экономичные эмульгаторы (талловое масло, жировой гудрон, стеарин и др.). При изготовлении дорожных эмульсий битум или деготь в количестве 50...60% по массе диспергируют до размеров частиц от 0,001 до 0,1 мм.

Эмульсии, содержащие органические вяжущие материалы в большем количестве (60...70%), называют высококонцентрированными. Они, а также эмульсии с твердыми эмульгаторами имеют значительную вязкость и называются пастами. Для получения текучего состояния пасты разбавляют водой на месте производства работ, что делает их при значительных перевозках экономичнее обычных эмульсий.

Битумные или дегтевые эмульсии и пасты применяются в дорожном строительстве при обработке дорожных покрытий во влажную погоду, окраске кровель, гидроизоляционных работах, изготовлении водостойких картонов и т, п.

При работе с битумными и особенно с дегтевыми материалами (пек, антраценовое масло и т. п.) необходимо проинструктировать рабочих и строго соблюдать правила техники безопасности и противопожарной техники. Погрузочно-разгрузочные работы дегтевых материалов желательно производить в прохладное время дня, избегая производства работ под лучами солнца. Антраценовое масло, например, при соприкосновении с кожными покровами человека может привести к ожогам, а пековая пыль, особенно в жаркую погоду, вызывает раздражение кожи и слизистых оболочек глаз.

При работе с пеком и антраценовым маслом следует снабдить рабочих специальной одеждой и следить за использованием ими предохранительных очков. Незащищенные части тела необходима предварительно смазывать специальными защитными пастами, содержащими крахмал, желатин, глицерин и другие компоненты.

8 Комплексные вяжущие вещества

К комплексным вяжущим веществам относятся смешанные порошкообразные вяжущие, компаундированные и комбинированные. Они создаются с целью улучшения качеств сложного вещества по сравнению с исходными, более надежного и долговечного, более низкой стоимости.

Компаундированные вяжущие вещества (компаунды) получают сплавлением или смешением органических вяжущих веществ различных видов и марок. К ним относят битумно-полимерные битумно-дегтевые и битумно-пековые, каучуковые путем объединения синтетических каучуков, битумные путем сплавления битумов разных марок, полимерные путем сплавления двух или нескольких полимеров. В лабораторных условиях устанавливают наилучшие количественные соотношения компонентов компаундов, позволяющие получать на необходимом уровне их теплостойкость, адгезию к минеральным материалам, биостойкость, деформативность и т. п. В битумно-полимерных композициях изменяют количество полимеров в широких пределах, например от 1 до 40% и более. В качестве пластификаторов битума используют полипропилен,, полиизобитулен, низкомолекулярный полистирол, полидиен и др. Среди многочисленных веществ, добавляемых к битумам, эффективными являются натуральные и синтетические каучуки, так как значительно увеличивают деформативность, поскольку сами обладают очень высокой деформативностью, например, до 1000%. С некоторым эффектом используется для тех же целей регенерированная резина, например от автопокрышек, предварительно освобожденных от примесей, в частности, текстильной ткани. Кроме повышения деформативности при низких и отрицательных температурах возрастают химическая стойкость битумно-резиновых компаундов, их температуростойкость, механическая прочность, адгезионная способность. Невулканизоваппый каучук оказывает более сильное влияние на свойства битума, чем вулканизованная резина. В строительной практике находят применение битумно-полимер-ные вяжущие сложного состава, например из трех, четырех или большего количества органических компонентов. Так, в мастике «изол» содержится 8 ... 15% старой регенерированной резины, 62 ...75% битума третьей марки, 2 ...3% кумароновой смолы, 1...5% полиизобутилена и З...6% канифоли. В вяжущее этого сложного состава в дальнейшем добавляют еще минеральный порошок или 5... 15% распущенного асбеста. В других сложных составах нередко можно встретить пластификаторы типа фурановых, полиэфирных, эпоксидных и других смол, что увеличивает растяжимость битумов. Среди дополнительно вводимых компонентов встречаются также растворители (например, ксилол, толуол и др.), поверхностно-активные добавки и др.

На физико-механические свойства вяжущих веществ кроме вида и качества добавляемых веществ в битумпо-полимерные компаунды и их количества оказывает влияние технология объединения и режимы (частота вращения смесительных агрегатов, температуры объединения исходных веществ, конструктивные особенности установки смешения и др.). Во всех случаях всегда важно получать однородный по структуре компаундированный продукт, обладающий однообразием своих свойств. Большую пользу приносит механическая обработка па вальцах, подогретых до необходимой температуры. Более распространенным способом служит перемешивание в мешалках с зетообразными лопастями. Если в составе предусмотрен растворитель, то после выхода вяжущего вещества из мешалки оно пригодно для применения в холодном состоянии. Чаще, однако, используются способы получения горячих компаундов и мастик на их основе, так как в отсутствие растворителей они более безвредны для здоровья.

9 Полимерные связующие материалы

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества структурных звеньев, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромолекул.

По составу основной цепи макромолекул полимеры разделяют на три группы:

1. Карбоцепные полимеры

2. Гетероцепные полимеры

3. Элементоорганические полимеры

Макромолекулы могут иметь линейное, разветвленное или сетчатое (трехмерное) строение, что определяет физико-механические и химические свойства полимеров.

Макромолекулы линейного строения вытянуты в виде цепей, в которых атомы мономера (низкомолекулярного соединения) связаны химическими связями, разветвленные макромолекулы характерны наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (трехмерные) структуры макромолекул характеризуются тем, что образуются обычно «сшивкой» отдельных линейных или разветвленных Цепей полимера.

Полимеры с макромолекулами линейного или разветвленного строения плавятся при нагренании с изменением свойств и растворяются в соответствующем органическом растворителе, а при охлаждении они вновь затвердевают. Такие полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, называют термопластичными (термопласты). Напротив, полимеры с макромолекулами трехмерного строения имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям, не растворяются в растворителях, а лишь набухают. Такие полимеры не могут обратимо размягчаться при повторном нагревании и носят название термореактивные полимеры (реактопласты).

Полимеры в твердом состоянии имеют обычно аморфную структуру. Однако существуют полимеры с кристаллической или аморфно-кристаллической структурой. Аморфные термопластичные полимеры в зависимости от соотношений сил межмолекулярного взаимодействия и теплового движения макромолекул могут быть в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем пластичном состояниях.

4. Технология асфальтобетонных дорожных покрытий

Основные понятия, терминология, классификация

Автомобильная дорога - комплекс сооружений, предназначенный для удобного, безопасного и круглогодичного движения автотранспорта с рас-чётными скоростями и нагрузками. Конструктивно автомобильная дорога (автодорога) характеризуется поперечным и продольным профилями. Ознакомимся с терминологией, характеризующей основные конструктивные элементы автомобильных дорог:

Ш поперечный профиль - поперечное сечение автодороги, характериующее составляющие конструктивные элементы;

Ш продольный профиль - продольное сечение автодороги, характеризующее составляющие конструктивные элементы;

Ш проезжая часть - основная, эксплуатационная часть дороги, по которой осуществляется движение автотранспорта;

Ш земляное полотно - объём земляных работ по устройству насып-ной части автодороги;

Ш полоса отвода (отчуждения) - зона проведения строительных работ в поперечном сечении автодороги. Эта зона отводится при проектировании на весь комплекс строительства (включая организацию строительства и перспективу расширения автодороги);

Ш разделительная полоса - конструктивная зона автодороги, разде-ляющая противоположные направления движения. Не предназначена для эксплуатации и носит, как правило декоративный вид ;дорожная одежда - основная, искусственно укреплённая часть проезжей части, предназначенная для эксплуатации;

Ш укрепительная полоса - часть дорожной одежды, расположенная между покрытием и обочиной. Служит для предохранения кромок покрытия в зоне повышенных нагрузок;

Ш дорожное покрытие - часть дорожной одежды, наиболее прочной в конструктивном отношении, предназначенная для движения транспорта;

Ш обочина - часть дорожной одежды, расположенная по границам поперечного профиля. Обочина имеет важное эксплуатационное значение (остановка и стоянка автотранспорта, движение пешеходов, расположение строительной техники при ремонтах и др.;

Ш кювет - водоотводная траншея с расчётным продольным уклоном, укреплённым дном и откосами;

Ш тело насыпи - суммарный объём земляных работ (насыпь), выполняемый при строительстве автодороги;

Ш зона сосредоточенного ведения работ - фронт работ большой трудоёмкости, сконцентрированный на ограниченном участке рельефа.

Дороги классифицируются по назначению и по конструкции покрытия. По назначению автомобильные дороги делятся на: дороги общего назначения. Классификатор содержит шесть кате-горий дорог, характеризуемых следующими параметрами: интен-сивностью движения; шириной проезжей части; количеством полос движения; наличием обочин, разделительной и укрепительной полос; городские дороги, классифицируются по минимальному количеству и ширине полос движения, расчётной скорости движения, наличию тротуара. Выделяются скоростные, магистральные, местные (районные и городские) и внутриквартальные типы дорог; сельские дороги. Разбиты на три категории в зависимости от ширины проезжей части (3,5…6,0 м ) и наличии обочин. По конструкции покрытия дороги разделяются на: автомобильные дороги с усовершенствованным покрытием (капи-тальные и облегчённые). Это асфальтобетонное, цементно-бетонное и брусчато-мостовое покрытия; переходные покрытия: сборные железобетонные плиты, щебёночные, грунтощебёночные и шлаковые покрытия; низшие: грунтовые дороги, укреплённые гравием, щебнем, дресвой.

Организация дорожно-строительных работ.

Последовательность строительства устанавливается исходя из деления всех дорожно-строительных работ на три периода: подготовительный, основной и заключительный. В подготовительный период осуществляется организационно-техни-ческая подготовка строительства для обеспечения его развёртывания на начальных участках, определённых проектом организации строительства. В основной период выполняют все строительные работы. В заключительный период ликвидируют базы и другие временные сооружения, проводят рекультивацию земель.

Все виды работ по строительству автодорог разделяются на:

- заготовительные - включают подготовку и хранение материалов, полуфабрикатов и деталей, изготавливаемых предприятиями стройиндустрии (заготовка камня, приготовление асфальтобетона, изготовление конструкций мостов, труб, дорожной обстановки);

- транспортные - производится перевозка дорожных материалов ав-томобильным, железнодорожным или водным транспортом.

По равномерности и повторяемости дорожно-строительные работы разделяются на линейные и сосредоточенные.

Линейные - работы, объёмы которых равномерно распределены по всему объекту. К ним относятся: земляные работы, устройство оснований и покрытий, устройство водопропускных труб, небольших подпорных стенок и др.

Сосредоточенные - работы большой трудоёмкости, сосредоточенные на незначительном протяжении ( мосты, большие выемки и насыпи, дорожные развязки на нескольких уровнях, водопропуски большого расхода.

При организации строительства в целом, широко распространён и некомплексный поточный метод, когда земляное полотно, малые и средние мосты и трубы возводят за год до устройства дорожной одежды поточным методом, а дорожную одежду сооружают отдельно (поточным методом, не связанным единым графиком всех работ).

При новом дорожном строительстве, а также при реконструкции на достаточном протяжении поточный метод предусматривает: выполнение всех строительных работ комплексно-механизированными подразделении-ями (колоннами, отрядами, бригадами); обеспечение их необходимыми ресурсами, в том числе, производимыми передвижными притрассовыми установками; передвижение специализированных подразделений непре-рывно друг за другом по трассе строящейся дороги с установленной средней скоростью потока, оставляющих за собой полностью готовую автомобиль-ную дорогу.

Подготовительные работы

Подготовительные работы в автодорожном строительстве ведутся практически постоянно. По мере завершения одного участка дороги необ-ходимо подготовить фронт работ для следующего. Состав подготовительных работ устанавливается в «Проекте производства работ». Примерный перечень технологических комплексов: создание геодезической основы и разбивка трассы; расчистка полосы отвода; водоотведение и временное водопонижение; вынос инженерных сетей и снос зданий и сооружений, попадающих в полосу отвода; устройство временных автодорог и объездов; устройство карьеров и резервов. Подготовительные работы можно начинать только после утверждения полосы отвода и заключения договоров на земельные участки временно используемые для нужд строительства (реституты). После завершения строительства реституты возвращаются землепользователю с обязательной рекультивацией. Геодезическая разбивочная основа создаётся в виде системы полиго-нометрических (теодолитных) ходов вдоль трассы автодороги. Базовые координаты и отметки разбивочных точек должны быть получены не менее чем от двух реперов существующей геодезической сети.

Сооружение земляного полотна

Земляное полотно является основным конструктивным элементом автомобильной дороги и его сооружение (организация и технологии произ-водства работ) является определяющим в автодорожном строительстве. При сооружении земляного полотна выполняются следующие техно-логические комплексы строительных работ:

- детальная разбивка элементов дороги и подготовка основания;

- разработка выемок и возведение насыпей;

- уплотнение грунта;

- окончательная планировка, укрепление откосов.

Детальную разбивку земляного полотна и элементов сооружений выполняют в зависимости от способа производства механизированных работ и устанавливают в соответствующих технологических картах. Основные разбивочные знаки выносят на обрезы, а правильность очертания земляного полотна при производстве работ контролируют нивелиром, визирками и дополнительными промерами. Все отметки выносят на разбивочные колы-шки. Во время работы дорожных машин необходимо следить , чтобы отметки сохранялись до конца работы на участке. Подготовка основания под земляное полотно включает в себя: снятие плодородного слоя; устройство мероприятий по поверхностному водоотводу (создание рабочих уклонов, дренажей, водоотводных канав); закрепление и замена слабых грунтов. Эти работы в основном выполняются в подготовитель-ный период. Разработка выемок и возведение насыпей - основные объёмы работ при возведении земляного полотна.

В зависимости от рельефа местности попе-речные профили могут иметь различный вид. Возведение насыпи Возведение насыпи заключается в последовательной укладке разрабо-танного ранее грунта с уплотнением. Пригодность грунтов для сооружения земляного полотна определяется их дорожно-строительными свойствами. Наиболее пригодны крупнообломочные, песчаные и супесчаные грунты.

Устройство дорожной одежды

Современные дорожные одежды состоят из нескольких конструктив-ных слоёв: покрытия - верхнего слоя дорожной одежды, который может состоять из слоя износа и одного или нескольких несущих слоёв; основания, которое может состоять из верхнего и нижнего несущих слоёв; дополнитель-ных слоёв различного назначения. Естественное грунтовое основание оказывает существенное влияние на работу дорожной одежды в целом и на работу её отдельных слоёв в процессе строительства автодороги. Поэтому целесообразно улучшать грунтовое осно-вание различными способами с целью повышения его несущей способности и обеспечения возможности движения рабочего транспорта в период строительства. Устройство основания под «верхний» слой покрытия.

В номенклатуру работ по устройству основания под «верхний» слой покрытия входят следующие технологические комплексы:

- дополнительная профилировка и подсыпка верхнего слоя тела насыпи;

- устройство временных подъездных дорог, площадок хранения материалов, съездов-выездов;

- улучшение и доуплотнение грунтового основания; устройство дополнительных слоёв и прослоек;

- строительство разделительных полос;

- подготовка «чёрного» основания.

Работы по устройству щебёночного основания одни из самых трудоёмких и проводятся в два этапа. Й этап - распределение основной фракции слоя и его предварительное уплотнение (с обжатием и взаимозаклиниванием); ЙЙ этап - распределение расклинивающего щебня с уплотнением каждой фракции (расклинцовка).

При строительстве высокоскоростных магистралей устраиваются дополнительные один или два слоя «чёрного основания», предназначенного для выравнивания эксплуатационных нагрузок. Конструктивно эти слои выполняются из минерального материала высокой прочности обработанного вяжущим.

Чёрное основание устраивается одним из следующих способов: смесь заготавливается на АБЗ (асфальтобетонном заводе) в смесительных установках и доставляется к месту укладки специализированным автотранспортом. Горячая смесь температурой 100…110оС укладывается асфальтоукладчиками и уплотняется звеном катков с гладкими вальцами; доставленный к месту укладки щебень перемешивается на приобъект-ной технологической площадке с вяжущим и складывается в штабели. По мере надобности материал расходуется в насыпь.

Перед укладкой смеси подогреваются и укладываются тёплыми (80..90С) или холодными (60..70С); щебёночное основание укладывается в насыпь, пропитывается вяжу-щим (жидким битумом, каменноугольным дёгтем, эмульсиями различных составов) и уплотняется за несколько проходок. Выбор того или иного способа зависит от принятой технологии строитель-ства автодороги, дальности доставки смесей от АБЗ, температуры наружного воздуха и др. причин.

5. Коррозия асфальтобетонных дорожных покрытий

К числу наиболее распространенных повреждений асфальтобетонных покрытий относятся трещины, выбоины, колея, сдвиги,выкрашивание, износ, просадки и проломы. Повреждения покрытий возникают в результате перенапряжения сдельных слоев или всей конструкции дорожной одежды вцелом как от совместных транспортных нагрузок и погодных факторов, действующих извне, так и под влиянием напряжений - со стороны нижележащих слоев дорожной одежды и земляного полотна.

...