Размещено на http://www.Allbest.ru/

10

Размещено на http://www.Allbest.ru/

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Регулирование свойств дорожного цементогрунта методом модифицирования полимерными добавками

Голубева Елена Анатольевна

Улан-Удэ - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Прокопец Валерий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хозин Вадим Григорьевич

кандидат технических наук Босхолов Кузьма Артемович

Ведущая организация:

ОАО «Дорожный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт ГИПРОДОРНИИ» (г. Москва)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГТУ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Урханова Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время доказана техническая и экономическая эффективность устройства дорожных одежд со слоями из местных грунтов, укрепленных различными вяжущими. Многолетние обследования эксплуатируемых участков дорог с основаниями из укрепленных грунтов позволяют утверждать, что такие материалы обладают высокими технико-экономическими и эксплуатационными качествами.

Цементогрунт - композиционный материал, используемый для устройства оснований дорожных одежд. Применение цементогрунтов в строительстве дорожных одежд в России достаточно хорошо освоено. Технология применяется более 50 лет, имеет научное, методическое и нормативно-техническое обеспечения (ГОСТ, СНиП, ВСН).

В то же время известно, что конструктивные слои дорожной одежды из цементогрунта имеют существенный недостаток, заключающийся в образовании сетки трещин вследствие воздействия на них различного рода факторов. Такие трещины могут возникнуть не только из-за прилагаемых динамических и климатических нагрузок, но и из-за особенности структуры материала.

При укреплении грунтов цементом применяют различные добавки с целью создания оптимальных условий твердения цемента и улучшения технологических свойств цементогрунтовых смесей, повышения деформативных свойств цементогрунта и как следствие повышения прочности и долговечности изделий из этого материала, расширения количества видов грунтов, пригодных для укрепления, а также в целях экономии цемента.

Для улучшения деформативных свойств цементогрунта в мире используют полимерные добавки (ренолит, латекс с лигносульфонатами, смолы, битумы, эмульсии т.п.). Отметим, что зарубежные добавки использовать неэффективно ввиду их высокой стоимости, а применение существующих добавок отечественного производства не дает устойчиво выраженного эффекта. Поэтому возникает необходимость в разработке комплексной полимерной добавки отечественного производства, которая позволила бы улучшить физико-механические свойства дорожного цементогрунта, повысить его деформативность и трещиностойкость, снизить стоимость дорожного полимерцементогрунта. Таким образом, актуальность постановки и решения данной проблемы представляется не только очевидной, но и необходимой.

Цель работы - повышение эффективности дорожного цементогрунта применением полимерной добавки, содержащей механоактивированную целлюлозу.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Получены многофакторные модели физико-механических свойств цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «Ренолит».

2. Установлены граничные условия применимости в цементогрунтах полимерной добавки «Ренолит».

3. Разработаны основные принципы получения импортозамещающей добавки типа «Ренолит».

4. Проведена опытно-производственная проверка разработанных составов и выполнены расчёты технико-экономической эффективности данных исследований.

Научная новизна работы состоит:

- в установлении теоретических и экспериментальных зависимостей изменения качественных показателей дорожного цементогрунта, модифицированного полимерными добавками (прочность при сжатии, прочность на растяжение при изгибе, морозостойкость, модуль упругости, мера хрупкости и др.);

- в исследовании применимости полимерной добавки «Ренолит» в дорожном цементогрунте и определении граничных условий применимости;

- в реализации золь-гель технологии для получения импортозамещающей добавки на основе «Латекса СКС-65ГП» и механоактивированной целлюлозы, заключающейся в предварительной механоактивации целлюлозы;

- в установлении закономерности твердения цементогрунта при различном соотношении в смеси цемента и добавки «Латекс СКС-65ГП» и механоактивированной целлюлозы, показывающей рост физико-механических свойств материала по полиномиальной зависимости;

- в изучении характера структурообразования цементогрунта, модифицированного импортозамещающей добавкой, подтверждающего идентичность структуры дорожного цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «УЦГСРос» и структуры дорожного цементогрунта, модифицированного полимерной добавкой «Ренолит».

Практическая значимость работы состоит в решении важной народно-хозяйственной проблемы, заключающейся в расширении возможностей использования местных материалов, укрепленных минеральными вяжущими веществами в конструктивных слоях дорожных одежд, и снижении стоимости строительства автомобильных дорог в районах, не имеющих собственных сырьевых баз каменных материалов. С этой целью:

- установлены граничные условия применимости полимеров в цементогрунтах;

- разработаны составы полимерцементогрунтовых смесей для устройства оснований дорожных одежд;

- разработан состав и т технология получения импортозамещающей добавки на основе «Латекса СКС-65ГП» и механоактивированной целлюлозы.

Патент, полученный в ходе исследования, и разработанные методические рекомендации могут быть реализованы в России и за её пределами.

На основе технологических разработок и технических решений могут быть созданы новые строительные машины и механизмы для приготовления высокоэффективных цементогрунтовых смесей, модифицированных полимерными добавками отечественного производства, а также для устройства оснований из полимерцементогрунтовых смесей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на конференциях и семинарах, организаторами которых были Казанский государственный архитектурно-строительный университет КГАСУ (2007-2008 гг.); Белгородский государственный технический университет им. Шухова БГТУ (2007 г.); АНОО «Приволжский дом знаний» (2007 г.); Томский государственный архитектурно-строительный университет (2008 г.); Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия СибАДИ (2001-2009 гг.). Материалы диссертационной работы использовались в дипломном проектировании.

Публикации. По материалам исследований были опубликованы 12 научных статей и тезисов докладов в журналах и сборниках трудов, в том числе 1 статья в журнале по списку ВАК; 6 научно-технических отчётов; получен патент на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Результаты исследований изложены на 148 страницах основного текста, включающего 41 рисунок, 32 таблицы, библиографического списка из 155 названий.

Основная идея работы состоит в изучении влияния различных полимерных добавок на физико-механические свойства дорожного цементогрунта и разработке по способу золь-гель технологии новой полимерной импортозамещающей добавки для повышения эффективности дорожных цементогрунтов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические модели и анализ физико-механических характеристик цементогрунтовых смесей, модифицированных добавками «Ренолит» и «Латекс СКС-65ГП».

2. Теоретические предпосылки структурообразования полимерцементогрунтовых смесей.

3. Результаты эксперимента по созданию комплексной полимерной добавки собственного производства типа «Ренолит».

4. Результаты обследования участков опытного строительства оснований из полимерцементогрунта.

Внедрение. Результаты исследований внедрены на предприятиях ГУ ДСД «Дальний Восток» ЗАО «Асфальт» при строительстве автомобильной дороги «Амур» федеральной трассы «Чита - Хабаровск», 16691 - 682 км, 1370 - 1415 км; на предприятиях «Чукотавтодора» при капитальном ремонте участка автомобильной дороги «Певек-Апапельгино- Янранай», ПК 18+400-ПК 35+000, автомобильной дороги «Певек- Валькумей» на участке ПК 0+000 - ПК 2+000. Результаты исследований опубликованы в методических рекомендациях по применению полимерцементогрунтовых смесей для строительства оснований дорожных одежд.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определена цель, поставлены задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе представлен анализ состояния предметной области исследования, который показал, что за последние тридцать лет научные исследования велись в основном по вопросам разработки составов. Очень мало работ велось по вопросам разработки технологий получения композиционных материалов строительного назначения с использованием полимерных добавок, в области дорожного строительства. Актуальность темы исследования позволила определить цель и задачи исследования.

Во второй главе изложены теоретические предпосылки исследований, в частности, рассмотрено современное представление о структурообразовании в полимерцементных системах. Определены теоретические предпосылки выбора полимерной добавки для повышения эффективности цементогрунтовых композиций, а также основные задачи упрочняющего модифицирования полимерцементогрунтовых смесей.

В нашем случае снижению дозировки полимера может способствовать комплексная добавка, состоящая из латекса и механоактивированной целлюлозы. Очевидно, что решающую роль в упрочнении полимерцементной структуры в случае небольших добавок полимера будет играть сам полимер, который благодаря своим высоким адгезионным и аутогезионным свойствам свяжет минеральные фракции и цементные новообразования в единый конгломерат, а добавка механоактивированной целлюлозы и значительная доля цемента при этом выполняют роль микронаполнителя.

Известно, что степень прочности цементогрунта зависит от возможности уплотнённой смеси сохранять в процессе отвердевания количество влаги, обеспечивающей мягкие условия протеканию усадочных процессов. Обеспечение подобных условий возможно применением водоудерживающего компонента, в качестве которого может служить добавка в виде целлюлозы. Таким образом, технологический процесс получения цементогрунтовой смеси с учетом процентного содержания вяжущего, латекса и добавки целлюлозы в ней можно охарактеризовать некоторой зависимостью прочности R от факторов: X₁ - изменение количества цемента в смеси, X₂ -изменение количества латекса и X₃ - изменение содержания в латексе добавки целлюлозы.

Уровень приведенных факторов в каждый момент определяет состояние данной системы. Поэтому изучение влияния компонентов смеси на прочность цементогрунтов можно представить как отыскание трехфакторной зависимости вида

V_R = f(X₁, X_{2 ,} X₃). (1)

Поскольку найти истинный вид функции (1) затруднительно, ее следует аппроксимировать полиномом соответствующей степени. Подобную аппроксимацию наиболее эффективно осуществить методом математического планирования эксперимента. Тогда на основании проведенных экспериментов функция (1) запишется в виде

R = b₀ + b₁X₁ + b₂X₂ + b₃X₃ + b₄ X₁ X₂ + b₅ X₂ X₃ + b₆ X₃ X₄ + b₁₁ X₁² + b₂₂

X₂² + b₃₃ X_3,² (2)

где b₀,b₁,b₂,b_3,…,b₃₃ - коэффициенты полинома, найденные экспериментальным путем.

Выражение (2) позволяет определить предельные значения прочности цементогрунта дифференцированно в зависимости от содержания в смеси цемента, латекса и целлюлозы.

Основные научные положения эффективных процессов модифицирования укреплённых вяжущими веществами грунтов базируются на модели многоуровневого (кластерного) строения структуры материалов, изложенной в основополагающих трудах В.М. Безрука, а также в трудах М.Н. А.С. Дудкина, В.М. Кнатько, М.Т. Кострико, П.Г. Комохова, В.С. Лесовика, А.В. Линцера, Т.М. Луканиной, В.М. Могилевича, А.В. Нехорошева, М.Н. Першина, А.П. Пичугина, А.П. Платонова, В.С. Прокопца, И.А. Рыбьева, В.И. Соломатова, А.Н. Токина, М.М. Филатова, Л.М. Ястребовой. Они приходят к выводу, что в области укреплённых грунтов применением только добавок ПАВ не всегда возможно достичь устойчивого модифицирующего эффекта. Предлагают для этих целей применение связующих, включающих непосредственно полимер и наполнитель, который способствует созданию условий протекания процессов регенерации структуры материала при воздействии эксплуатационных нагрузок. Для инициирования подобных процессов необходима разработка рецептурно-технологических приёмов получения комплексной полимерной добавки.

Другая часть научного положения базируется на том, что применение комплексной полимерной добавки позволит создать условия для зарождения центров кристаллизации в объёме адсорбированного слоя при меньшем количестве основного вяжущего. Поэтому применение комплексной добавки, состоящей из латекса и фибры, в виде целлюлозы будет способствовать получению полимерцементогрунта высокой усадочной трещиностойкости, прочности на растяжение, водостойкости и морозостойкости.

В третьей главе приведены характеристики дорожно-строительных материалов, используемых в эксперименте. Исследовалось влияние водорастворимых полимеров «Латекс СКС-65ГП» Омского завода синтетического каучука и полимера «Ренолит» зарубежного производства на свойства дорожного цементогрунта. Известно, что в состав полимера «Ренолит» входит латекс и целлюлоза. Выполнено планирование эксперимента. В качестве методики планирования эксперимента была выбрана методика полного факторного эксперимента. Проведен анализ факторов, влияющих на качество и свойства полимерцементогрунта.

Для построения математической модели определены входные факторы и выходные параметры. В данном случае к входным фактором отнесены: прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, модуль упругости, морозостойкость.

В качестве входных контролируемых параметров можно считать рецептурные факторы: расход воды В, расход цемента Ц, расход полимера R, модуль крупности песка или число пластичности для глинистых грунтов Мкр. Тогда Rсж = f1 (В, Ц, R, Мкр); Rизб = f2 (В, Ц, R, Мкр); Еупр = f3 (В, Ц, R, Мкр); МРЗ = f4 (В, Ц, R, Мкр).

Анализ результатов физико-механических свойств материалов показал, что введение полимерных добавок позволяет повысить физико-механические характеристики дорожного цементогрунта (рис. 1, 2).

Рис.1. Сравнение различных составов смесей по показателю

«Сопротивление растяжению при изгибе»

Рис.2. Сравнение различных составов смесей по показателю «Коэффициент морозостойкости»

цементогрунт полимерный механоактивированный целлюлоза

В четвертой главе описаны математические модели зависимости свойств цементогрунтов от соотношения ингредиентов, которые позволяют наглядно проследить тенденции изменения показателей прочности от состава смесей и подобрать смеси заданного состава по известным показателям прочности. По результатам экспериментальных исследований были определены граничные условия применения полимерных добавок «Ренолит» и «Латекс СКС 65-ГП» (табл. 1-4).

Таблица 1

Таблица 2

Условия применимости «Ренолита» (глинистый грунт)

Из табл. 6 видно, что полимерцементогрунтовые смеси имеют менее хрупкую структуру по сравнению с обычным дорожным цементогрунтом. Таким образом, можно с определённой уверенностью утверждать, что разработан способ получения импортозамещающей полимерной добавки типа «Ренолит».

В шестой главе приведены результаты опытно-производственной проверки лабораторных исследований.

В конце августа 2003 г. под руководством ГУ ДСД «Дальний Восток» было принято решение о строительстве опытного участка основания автомобильной дороги «Амур» км 1669-1682 с применением полимерцементогрунтовой смеси. Опытная конструкция дорожной одежды включала следующие слои: покрытие из асфальтобетона - 5 см, верхний слой основания - из полимерцементогрунтовой смеси 18 см, нижний слой основания - из оптимальной щебеночно-песчанной смеси - 11см. Состав смеси: цемент- 8%; песок- 92%; вода- 12%; «Ренолит» - 7,5%.

Полимерцементогрунтовую смесь готовили в установке и укладывали с помощью асфальтоукладчика слоем толщиной, учитывающей коэффициент запаса на уплотнение. В мае и октябре 2004 г. были повторно выбурены керны и проведено их испытание. Физико-механические показатели прочности исследуемых кернов не отличались от эталонных образцов, сформованных из смеси, отобранной с установки более чем на 10,1%. Сравнение физико-механических показателей полимерцементогрунтовых смесей с требованиями ГОСТов приведены в табл. 7. Анализ табл. 7 показал, что после года эксплуатации прочностные характеристики материала из полимерцементогрунта соответствуют существующим нормативным документам.

Таблица 7

Сравнение показателей прочности образцов ПЦГС с требованиями ГОСТ

Примечание: *приведены данные всего интервала требований к материалам марок М10-М100

Стоимость импортозамещающей добавки «УЦГСРос» значительно ниже стоимости добавки «Ренолит» и несколько ниже стоимости полимерной добавки «Латекс СКС 65 ГП». Стоимость полимерцементогрунтовых смесей, в состав которых входят полимерные добавки приведена на рис. 6.

Рис. 7. Стоимость полимерцементогрунтовых смесей, за м³

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Установлена высокая степень теоретической проработки и практических методов получения и применения в строительстве композиционных материалов на основе грунтов. Однако широкое применение цементогрунта в дорожном строительстве сдерживается такими его отрицательными свойствами, как низкая деформативность, обуславливающая интенсивное усадочное трещинообразование, особенно при прочности выше 4,0 МПа.

2. Патентными исследованиями технических решений в области материалов на основе грунтов глубиной в тридцать лет определено, что основное внимание исследователей уделено разработке составов композиционных материалов на основе грунтов, и очень мало внимания уделено вопросам разработки технологии получения модифицирующих добавок.

3. На основе теоретических предпосылок определёны выбор полимерной добавки для повышения эффективности цементогрунтовых композиций, а также основные задачи упрочняющего модифицирования полимерцементогрунтовых смесей. При этом установлено, что модификация цементогрунта полимерными веществами и, в частности, импортной добавкой «Ренолит», содержащей в своём составе латекс и целлюлозу, позволяет повысить его физико-механические характеристики, достичь увеличения деформации материала в упругой стадии, при которой не будет происходить образования трещин от воздействия на дорожную одежду динамичных подвижных нагрузок.

4. На основе сформированных многофакторных моделей изучены физико-механические свойства дорожного цементогрунта, модифицированного импортной полимерной добавкой «Ренолит», определены граничные условия её применения в дорожном цементогрунте: для песчаных грунтов расход добавки составляет 3-9% от массы цемента, а для грунтов, с числом пластичности, от 2,0 до 12,0 - 3-9%.

5. Теоретически и экспериментально подтверждена применимость золь-гель технологии для получения состава импортозамещающей полимерной добавки типа «УЦГСРос» на основе полимеров, выпускаемых отечественной промышленностью, и механоактивированной целлюлозы.

6. Установлено, что введение в латекс механоактивированной целлюлозы в размере 25-30% от массы латекса позволяет создать в структуре полимерцементогрунта разветвленный микроарматурный каркас из целлюлозы, обуславливающий высокие показатели прочности на сжатие, растяжения при изгибе, морозостойкости, деформативности.

7. Предложена методика оценки эффективности применения полимерцементогрунтовых смесей в основаниях дорожных одежд по критерию «Модуль упругости материала/цена». Определена стоимость приготовления импортозамещающей добавки типа «УЦГСРос». В результате установлено, что стоимость добавки, полученной на основе «Латекса СКС-65 ГП», модифицированного механоактивированной целлюлозой, ниже, чем полимерной добавки «Латекс СКС- 65 ГП» на 15%, а полимерной добавки «Ренолит» - на 47%.

8. Установлено, что внедрение в производство предлагаемой импортозамещающей полимерной добавки «УЦГСРос» и применение местных грунтов для устройства несущих элементов автомобильных дорог, снижение толщины и количества конструктивных слоёв дорожных одежд позволит снизить стоимость строительства 1 км автомобильной дороги 3 технической категории ориентировочно на 12,3 млн. руб. (в ценах 2009 г.).

9. Полученные результаты позволили сформировать практические рекомендации по применению отечественных композиций на основе полимерцементогрунтов, при строительстве автомобильных дорог различных технических категорий в регионах Российской Федерации. Разработаны принципы создания импортозамещающего отечественного полимера в качестве модификатора дорожного цементогрунта.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Прокопец В.С., Голубева Е.А. Влияние механоактивированной целлюлозы на свойства полимерцементогрунтовой смеси // Вестник ТГАСУ.- Томск, 2008. - №4 (21). Т. 1. - С. 176 1-82 .

2. Прокопец В.С., Карамышева Е.А. Экономическая оценка конструктивных и технологических решений дорожных одежд из укрепленных грунтов // Повышение эффективности дорожных и строительных материалов для условий Сибири: сборник научных трудов. - Омск: СибАДИ, 2000. -С. 52-61.

3. Шестаков А.Н., Карамышева Е.А. Энтропийный анализ дорожно-строительных материалов, конструкций и технологий // Материалы Международной научной конференции, посвященной 70-летию образования СибАДИ. - Омск: СибАДИ, 2000. - С. 68-71.

4. Шестаков А.Н., Карамышева Е.А. Обобщенные методы обработки экспериментальных данных в задачах дорожного строительства // Материалы Международной научной конференции, посвященной 70-летию образования СибАДИ. - Омск: СибАДИ, 2000. - С.76-79.

5. Голубева Е.А. О результатах исследования физико-механических свойств песчаных грунтов, укрепленных цементом и полимером «Ренолит» // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура: Материалы Международной научно-практической конференции, 21-23 мая 2003 - Омск: СибАДИ. - Кн. 2. -С.1811-82.

6. Голубева Е.А. Полимерцементогрунт: результаты исследования, перспективы применения в дорожном строительстве // Современные научно-технические проблемы транспортного строительства: сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции. - Казань: КГАСУ, 2007. - С. 2392-41.

7. Голубева Е.А., Карамышев И.М. Некоторые аспекты модификации цементогрунтов комплексными полимерными добавками //Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей Международной научно-технической конференции. - Пенза: АНОО «Приволжский дом знаний». 2007. С-59-61.

8. Голубева Е.А. Оценка экономической эффективности применения полимерцементогрунтовых смесей для устройства оснований дорожных одежд // Машины, технологии и процессы в строительстве: труды Международного конгресса, посвященного 45-летию факультета «Транспортные и технологические машины» 6-7 декабря 2007. - Омск: СибАДИ, 2007. - С.241-244.

9. Прокопец В.С., Голубева Е.А. Современные представления о структурообразовании в полимерцементных системах // Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения: сборник научных трудов научно-практической конференции. - Казань: КГАСУ, 2008. - С.136-137.

10. Прокопец В.С., Антонов Ю.Б., Голубева Е.А. Опыт применения полимерцементогрунтовых смесей для устройства оснований дорожных одежд в Чукотском автономном округе: материалы 62-й научно-технической конференции СибАДИ. Омск: СибАДИ, 2008. - Кн. 2. -С. 60-65.

11. Антонов Ю.Б., Голубева Е.А., Карамышев И.М. Повышение деформативных свойств цементогрунтов путем введения полимерных добавок // Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения: сборник научных трудов научно-практической конференции. - Казань: КГАСУ, -2008. С. 133-135.

12. Прокопец В.С., Голубева Е.А. Патентные исследования технических решений в области материалов на основе грунтов // Вестник СибАДИ.Омск, 2009.- №1(11). С. 48-51

Размещено на Allbest.ru