Исследование коррозионной устойчивости сероасфальтобетона

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 5 (24), сентябрь - октябрь 2014

http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

http://naukovedenie.ru12TVN514

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 5 (24), сентябрь - октябрь 2014

http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru

1

http://naukovedenie.ru12TVN514

Исследование коррозионной устойчивости сероасфальтобетона

Васильев Юрий Эммануилович

Воейко Ольга Александровна

Царьков Дмитрий Сергеевич

При проектировании и строительстве дорожных асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать особенности их работы в конкретных климатических и эксплуатационных условиях. Климатические условия района расположения дороги определяют температурный режим работы покрытия, набор мероприятий по содержанию, характер сезонных изменений несущей способности дорожной одежды, вариации деформативных и прочностных характеристик слоев асфальтобетонных покрытий и возникающих в них напряжений в течение срока эксплуатации. В частности, важным фактором, влияющим на свойства асфальтобетонного покрытия, является необходимость применение в условиях РФ в зимнее время противогололедных реагентов (ПГР) [1].

Долговечность асфальтобетона обусловлена способностью материала сопротивляться комплексному воздействию механических нагрузок, изменению температуры и влажности, действию различных растворов солей, газов, совместному воздействию попеременного замораживания-оттаивания и растворов противогололедных солей и реагентов [2]. Таким образом, при недостаточной коррозионной устойчивостью применяемых асфальтобетонов, наблюдается возникновение деформаций и разрушений под воздействием механических напряжений от транспортных средств и агрессивных растворов антигололедных реагентов, что приводит к снижению сроков службы асфальтобетонных дорожных покрытий.

Одним из основных факторов, нарушающих структуру асфальтобетона и ускоряющих процессы его разрушения, является воздействие воды. Поэтому такие параметры, как водостойкость и морозостойкость являются основные показателями, характеризующими коррозионную стойкость асфальтобетона [3]. Таким образом, воздействие растворенных в воде солей и реагентов, оказывает комбинированный эффект, ослабляющий связь вяжущего с наполнителем, а также разрушающий химические соединения элементов, входящих в состав композиционного материала.

Большинство из наиболее широко распространенных известных антигололедных реагентов взаимодействует с компонентами, входящими в состав асфальтобетона, разрушая его структуру и снижая его основные эксплуатационные характеристики [4]. Эти процессы происходят вследствие повышения концентрации полярных групп и растворимости отдельных компонентов битума, что приводит к изменениям в групповом составе вяжущего, а следовательно, и в его свойствах, или за счет уменьшения краевого угла смачивания, что с течением времени приводит к химическому взаимодействию между раствором реагента и тонкодисперсным наполнителем (как правило, известняковым минеральным порошком) с последующим вымыванием растворимых продуктов реакции карбоната кальция. Кроме того, наряду с общей высокой минерализацией дорожных осадков с остатками ПГР их агрессивность по отношению к асфальтобетону во многом обусловлена повышенным рН, величина которого может достигать 8,2 (рН исходных ПГР равен 8,5) [4]. За счет повышенной щелочности солевой раствор остатков ПГР растворяет многие органические соединения, в т.ч. масла и другие нефтепродукты. По этой причине может происходить ускоренное старение входящего в состав асфальтобетона битума.

Наиболее распространенными методами улучшения коррозионной стойкости асфальтобетонных покрытий являются способы, основанные на введение в систему асфальтобетона адгезионных ПАВ и активация поверхности минеральных наполнителей механическими методами или с помощью введения в состав извести, цемента и т.п. Данные методы направлены в первую очередь на повышение адгезии битума, что позволит предотвратить попадание воды и растворов солей и реагентов между вяжущим и поверхностью зерен минерального материала, таким образом, не допуская вымывания карбоната кальция из минерального порошка. Но большинство ПАВ обладают высокой стоимостью и приводят к удорожанию смеси и к усложнению производственного процесса.

Перспективным направлением, позволяющим значительно повысить коррозионную стойкость асфальтобетона без применения ПАВ, является введение в состав композита элементов, не вступающих в реакции с солями и реагентами, формирующих защитную сетку для уязвимых к коррозии компонентов асфальтобетона. В качестве такого материала может быть эффективно использована техническая сера.

Реакционная способность технической серы в кристаллическом состоянии невелика - большинство твердофазных реакций с ее участием, кроме реакции с фтором, хлором и ртутью, кинетически замедленны. Сера вступает в реакции с кислородом, галогенами, водородом, другими неметаллами, металлами. Из сложных веществ - с щелочами, кислотами-окислителями. Большинство реакций серы протекает при повышенной температуре. Применение серы в качестве добавки к битуму позволяет не только увеличить общее количество вяжущего, но и повысить его качество [5]. Кроме того, введение серы в асфальтобетонную смесь позволяет снизить технологическую температуру производства асфальтобетона, что является актуальным вследствие тенденции к снижению воздействий, приводящих к ускорению парникового эффекта. При этом, так как сера является отходом технологических процессов газо- и нефтеочистки, её стоимость значительно ниже стоимости битума (являющегося самым затратным компонентом смеси, за исключением добавок), поэтому введение серы позволяет существенно снизить затраты на производство асфальтобетонных смесей.

При химическом взаимодействии серы и битума образуются сероуглеродные связи в результате реакций серы с ненасыщенными углеводородными компонентами смол и алкенов [6]. В результате реакций наблюдается снижения содержания смол и увеличение концентрации высокомолекулярных соединений, ведущих к увеличению содержания дисперсной фазы в вяжущем. Решающим фактором при взаимодействии серы с битумом является температура. Олигомеры, содержащиеся в битуме, начинают реагировать с серой при температуре выше 130°С, насыщенные соединения - при температуре 140 - 150 °С. Следствием повышенной температуры является выделение токсичных для человека газов сероводорода и диоксида серы, поэтому рекомендуемая рабочая температура смешения серы с битумом составляет 130 - 140 °С. Сера присутствует в серобитумном вяжущем в трех состояниях [7, 8]: химически связанной, растворенной в битуме, свободной кристаллической тонкодисперсной [9]. Каждый вид серы обладает различными свойствами в составе серобитумного вяжущего и влияет на свойства композита, изготовленного на его основе. При добавлении серы в битум в количестве более 20-30 процентов по массе, она не может полностью прореагировать с ним и выступает в битуме в виде мельчайших диспергированных кристаллических частиц диаметром около 0,1 мкм [10]. Такая сера выполняет в битуме роль дополнительного структурообразующего наполнителя. Содержание кристаллической фракции серы при этом может составлять более половины всего количества добавляемой серы, а эффективность наполнения растет с уменьшением вязкости битума. Величина частиц серы, не растворенной в битуме, оказывает существенное влияние на свойства СБВ [11]. В частности, такая сера может повышать коррозионную устойчивость асфальтобетона, так как в твердом состоянии её реакционная способность невысока.

Для проверки рабочей гипотезы необходимо выполнить сравнение коррозионной стойкости асфальтобетона на обычном битуме и асфальтобетона, изготовленного на вяжущем с добавкой серы. В качестве показателя, характеризующего коррозионную стойкость, принята поверхностная прочность асфальтобетонных образцов, определяемая с помощью прибора ОНИКС-2.5 (рисунок 1). Принцип работы прибора основан на корреляционной зависимости параметров ударного импульса от упруго-пластических свойств испытуемого материала.

Эффективность данного прибора для оценки изменений прочности асфальтобетонов подтверждена исследованиями [2], также современные методы неразрушающего контроля и обработки данных измерений показателей качества дорожно-строительных материалов эффективно применяются при оценке свойств цементных бетонов [12-20].

Кроме того, применение неразрушающего метода определения поверхностной прочности позволяет выполнять измерения на одних и тех же образцах на протяжении всего эксперимента.

Рис. 1. Прибор ОНИКС

Для корректной работы прибора необходимо обеспечить однородный и ровный поверхностный слой образца. В случае цементобетона условие однородности достигается за счет цементного камня, однако в случае асфальтобетона битум между частицами наполнителя не обеспечивает той же прочности поверхностного слоя. В этом случае при попадании ударника прибора ОНИКС по зерну минерального материала, величина прочности будет значительно отличаться от показателя, получаемого при ударе по вяжущему. Поэтому, для исключения влияние неоднородности поверхностного слоя асфальтобетона, для эксперимента принята песчаная асфальтобетонная смесь типа Г следующего состава: песок - 82,5%, минеральный порошок - 17,5%, вяжущее - 7%. Для эталонного состава в качестве вяжущего применялся битум марки БНД 60/90, для экспериментального состава вяжущее включало 70% битума и 30% технической серы. Такой состав позволит получать сопоставимые значения при ударе по любой точке поверхности. В каждой партии изготавливались дополнительно контрольные образцы для испытания на водонасыщение.

Порядок экспериментов следующий. Контрольные образцы испытывали на водонасыщение, затем подвергали экспериментальные партии испытанию на замораживание-оттаивание в агрессивных средах. В качестве тестовых сред применялись вода, пятипроцентный раствор NaCl как наиболее часто применяемая соль, входящая в состав большинства реагентов, и пятипроцентный раствор антигололедного реагента на основе сочетания солей NaCl, CaCl и KCl.

Сначала выполнялось измерение поверхностной прочности образцов до выполнения процедуры замораживания-оттаивания, каждый образец подвергался измерениям в пяти точках. Данные значения прочности образцов принимались за исходные. Далее выполнялось измерение прочности образцов после 20 и 50 циклов замораживания-оттаивания. Таким образом, можно оценить изменение прочности каждого образца для каждой среды.

Для сероасфальтобетона не наблюдается значительного снижения прочностных характеристик при использовании агрессивных сред. В том числе, для нескольких образцов отмечен некоторый прирост поверхностной прочности, что может быть объяснено включением кристаллов не прореагировавшей соли в поверхностный слой сероасфальтобетона.

Из результатов также видно, что прочность эталонных образцов уменьшается по сравнению с исходными величинами, причем эффект увеличивается в случае применения растворов солей и реагентов.

Повышенная устойчивость сероасфальтобетона к воздействию агрессивных сред подтверждает гипотезу о том, что часть серы, находящейся в составе асфальтобетона в кристаллическом, химически малоактивном состоянии, повышает стойкость материала к воздействию солей и реагентов. Такие кристаллы серы играют роль дополнительного наполнителя, при этом формируя в структуре асфальтобетона химически неактивную сеть, защищающую от воздействия агрессивных сред (рисунок 2).

Рис. 2. Структура сероасфальтобетона

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

коррозионная устойчивость асфальтобетонов оказывает значительное влияние на срок службы и качество дорожных покрытий;

растворы солей, входящих в состав антигололедных реагентов, оказывают разрушающее воздействие как на органическое вяжущее, входящее в состав асфальтобетонных смесей, так и на минеральный наполнитель, в частности минеральный порошок;

в качестве способа повышения коррозионной стойкости асфальтобетона может быть использовано введение технической серы в состав вяжущего;

результаты экспериментов показывают, что сероасфальтобетон обладает повышенной стойкостью к воздействию наиболее часто применяемых в составе противогололедных реагентов солей;

предложен механизм защитной функции серы в составе асфальтобетона.

Литература

асфальтобетонных смесей прочностный битум

1. Аржанухина С.П., Кадыров Ж.Н., Кочетков А.В., Шашков И.Г., Кочетков В.А., Ермолаева В.В. Способ нанесения противоголедного материалана дорожное покрытие // Интернет-журнал «Науковедение», 2014 № 3 (22) [Электронный ресурс]-М.: Науковедение, 2014 -.- Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/88TVN314.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

2. Швагирева О.А. Исследование влияния противогололедных реагентов на изменение структуры и свойств асфальтобетона: автореферат, дисс. канд. техн. наук / О.А. Швагирева. М.: МАДИ, 1999. - 20 с.

3. Влияние антигололедных реагентов на коррозионную устойчивость асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог / Е.В. Строганов, Г.С. Меренцова // Ползуновский вестник. - 2011. - № 1. - С. 273-276: рис. - Библиогр.: с. 276 (3 назв.).

4. Королёв В., Соколов В., Самарин Е. Оценка эколого-геологических последствий применения противогололедных реагентов в г.Москве // Инженерная геология. -- 2009. -- № 1. -- С. 34-43.

5. Алехина М.Н. Сероасфальтобетонные смеси /Алехина М.Н., Васильев Ю.Э., Мотин Н.В., Сарычев И.Ю. Строительные материалы. 2011. № 10. С. 12-13.

6. Васильев Ю.Э. Физико-химические основы применения серы как материала в качестве вяжущего для сероасфальтобетона и сероцементобетона / Васильев Ю.Э., Мотин Н.В., Сарычев И.Ю., Кочетков А.В. // В сборнике: Строительство, дизайн, архитектура: разработка научных основ создания здоровой среды обитания Сборник материалов международной научной конференции, Россия, г. Киров, 24-25 июня 2013 г. под редакцией А.В. Кочеткова. Киров, 2013. С. 64-71.

7. Иваньски М. Асфальтобетон как композиционный материал (с нанодисперсными и полимерными компонентами) / М. Иваньски, Н.Б. Урьев. - М.: Техполиграфцентр, 2007. - 668 с.

8. Tomkowiak K. Wplyw dodatky sidrky do asphaltow / К. Tomkowiak, K. Zelinski // Drogownictwo. - 1983. - № 2. - S. 55-59.

9. Mc Bee W.C. Improved resistance of sulfur - asphalt paving formulations to attack by fuels / W.C. Mc Bee, А. Tomas Sullivan // Ind. аnd Еng. Chem. Prod Res and Develop. - 1977. -16. - № 1. - P. 93-95.

10. Kalabinska M. Technologia materialow I nawierzchni drogowych / M. Kalabinska, J. Pilat. - Warszawa, 1985. - 235 s.

11. Izatt I.O. Sulphur-extended asphalt paving projeck / I.O. Izatt // The Sulphur Institute, 1977. - 96 p.

12. Анализ срока службы современных цементных бетонов Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 92.

13. Статистические методы контроля качества при производстве цементобетона и цементобетонных смесей / Васильев Ю.Э., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 101.

14. Шероховатые поверхности: нормирование, проектирование и устройство / Кочетков А.В., Суслиганов П.С. // Автомобильные дороги. 2005. № 1. С. 54.

15. Состояние современного методического обеспечения расчета и конструирования дорожных одежд / Кочетков А.В., Кокодеева Н.Е., Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Шашков И.Г. // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2011. № 1. С. 65-74.

16. Методологические основы оценки технических рисков в дорожном хозяйстве / Кокодеева Н.Е., Талалай В.В., Кочетков А.В., Янковский Л.В., Аржанухина С.П. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2011.№ 3. С. 38-49.

17. Нормативно-методическое обеспечение развития инновационной деятельности в дорожном хозяйстве / Аржанухина С.П., Сухов А.А., Кочетков А.В. // Инновации. 2011. № 7. С. 82-85.

18. Формирование научно-инновационной политики дорожного хозяйства / Сухов А.А., Карпеев С.В., Кочетков А.В., Аржанухина С.П. // Инновационная деятельность. 2010. № 3. С. 41.

19. Совершенствование структуры отраслевой диагностики федеральных автомобильных дорог / Аржанухина С.П., Кочетков А.В., Козин А.С., Стрижевский Д.А. // Интернет-журнал Науковедение. 2012. № 4 (13). С. 70.

20. Диагностика и паспортизация элементов улично-дорожной сети системой видеокомпьютерного сканирования / Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Кочетков А.В., Беляев Д.С. // Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 55.

Размещено на Allbest.ru