Разработка составов и прогнозирование долговечности щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях
На правах рукописи
Прозорова Людмила Аркадиевна
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ШЛАКОВЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Липецком государственном техническом университете
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Бондарев Борис Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Романов Сергей Михайлович
ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный
архитектурно-строительный университет
Кандидат технических наук
Шорстов Андрей Михайлович
МУ «Управление строительства» администрации г. Липецка
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный
технический университет
Защита состоится «22» марта 2012 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б 203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «20» февраля 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Т.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. С 90-х годов ХХ века в странах Центральной и Восточной Европы, включая Россию, наблюдается динамичное развитие автомобильного транспорта. Значительно увеличилось количество автомобилей, в том числе грузовых. Возросла и разрешенная нагрузка на ось грузовиков (в России с 1993 г. – 11,5 т). Возросла скорость движения. С каждым годом возрастают и требования потребителей к автомобильным дорогам, обусловленные требованием комфортабельности и безопасности движения. Все это вызывает потребность строительства новых и модернизации уже эксплуатируемых дорог, которые должны быть долговечными и безопасными, что очень затруднительно без использования новых дорожных технологий и более качественных материалов.
Одной из современных технологий, которая быстро внедряется в дорожную практику, является щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА (SMA). Дорожное покрытие из ЩМА обладает повышенной устойчивостью к возникновению пластических деформаций – колей, а также рекомендованной по условиям обеспечения сцепных качеств в течение всего планируемого срока по эксплуатации.
Необходимость модернизации эксплуатируемых дорог и строительства автострад в России является сейчас главной задачей дорожников. Однако это непростая задача. В России строительство дорог возможно обеспечить практически всеми материалами, кроме качественного щебня. Спрос на щебень значительно превышает возможность его производства в карьерах. В связи с этим ведутся поиски альтернативных источников минеральных материалов, из которых можно получать щебень. Одним из них является шлак доменного производства.
Шлаковые асфальтобетоны имеют повышенную пористость и влагопроницаемость. Кроме того, за счет развитой поверхности доменные шлаки требуют повышенного расхода битума. В теории ИСК, разработанной Соломатовым В.И. и дополненной Рыбьевым И.А. подчеркивается необходимость создания плотных наполненных структур, что обеспечивает достижение максимальных эксплуатационных характеристик при минимальном расходе вяжущего вещества. При этом минимальная толщина битумной пленки с наибольшей эластичностью обеспечивает максимальную прочность сцепления минеральной части асфальтобетона с битумом. Эта структурированность битумной пленки обеспечивается путем введения в состав асфальтобетонной смеси определенного количества минерального порошка. В асфальтовом вяжущем веществе максимально плотной структуры битум и минеральный порошок находятся в оптимальном соотношении, нарушение которого приводит к резкому снижению его прочности.
Цель диссертационной работы – разработка технологии изготовления щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях, а также их внедрение в практику строительства и ремонта автомобильных дорог.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- разработать структурную и математическую модели прогнозирования свойств дорожных покрытий щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях в зависимости от соотношения компонентов смеси;
- разработать составы с применением полиструктурной теории формирования структуры щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях;
- примененить методы математического планирования эксперимента для оптимизации составов ЩМА на шлаковых заполнителях;
- исследовать долговечность покрытия из ЩМА на основе шлаковых заполнителей;
- экспериментально подтвердить влияние структурообразующих факторов асфальтобетонных смесей на циклическую долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог на стадии проектирования;
- внедрить полученные составы асфальтобетонов и произвести расчеты толщины слоев дорожной одежды с целью их оптимизации.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились щебеночно-мастичные асфальтобетоны на шлаковых заполнителях. Теоретические исследования основывались на методах интенсивных раздельных технологий, принятых для искусственных строительных конгломератов (ИСК) и получении наполненных структур, обеспечивающих максимальную плотность и прочность асфальтобетонных покрытий и увеличение их долговечности. При экспериментальных исследованиях применены методы математического планирования экспериментов ПФП-8 и ОЦКП. Методы испытаний соответствовали требованиям нормативно-технической документации. Для анализа полученных результатов использованы методы математической статистики и ЭВМ.
Научная новизна работы:
- разработаны структурно-технологическая и математическая модели прогнозирования свойств дорожных покрытий щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях в зависимости от соотношения компонентов смеси;
- разработаны составы с применением полиструктурной теории формирования структуры щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях;
- разработана методика прогнозирования долговечности щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях в условиях, имитирующих работу асфальтового покрытия в течение года;
- подобрано оптимальное соотношение компонентов щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях с помощью уравнений регрессии, полученных в результате математического планирования эксперимента на ОЦКП.
- исследована зависимость физико-механических и деформативных свойств ЩМА на шлаковых заполнителях от содержания компонентов.
Практическое значение работы.
- исследованы физико-механические свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях, отмечено повышение несущей способности и долговечности дорожных покрытий;
- с помощью математических методов планирования эксперимента получены составы щебеночно-мастичных асфальтобетонов на основе шлаковых заполнителей, обеспечивающие получение экстремальных свойств асфальтобетонных покрытий.
- результаты исследований используются при обучении студентов по дисциплинам «Строительные материалы» и «Технология отходов производства» на Строительном факультете Липецкого государственного технического университета.
- разработанные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона были внедрены при капитальном ремонте проспекта Победы в г.Липецке. Общая площадь покрытия составила 24 тыс. м2. Экономический эффект за счет снижения толщины верхнего слоя покрытия и стоимости материалов с учетом приведенных затрат составил 540 000 руб. или 22,5 р./ 1 кв. м.
Значимость для теории и практики. Теоретические и экспериментальные исследования позволили применить методику прогнозирования долговечности ИСК для щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях.
Обоснованность и достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов, а также опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, не противоречащими выводам известных положений, сходимостью результатов испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту:
- полученные с помощью математических методов планирования эксперимента зависимости свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях от содержания наполнителя, заполнителя и соотношения битум/целлюлозная добавка, позволяющие без проведения дополнительных экспериментов прогнозировать показатели свойств верхнего слоя покрытий.
- методика прогнозирования долговечности асфальтобетонов по результатам длительных испытаний образцов в условиях, имитирующих работу дорожного покрытия в течение года.
- разработанная конструкция дорожной одежды, позволившая уменьшить толщину верхнего слоя из оптимального состава без снижения несущей способности.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований были доложены и обсуждены:
- на научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета в г. Липецке в 2007 г.;
- на Всероссийском совещании заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов / Научно-методический совет по материаловедению и технологии конструкционных материалов «Материаловедение и технологии конструкционных материалов – важнейшие составляющий компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки» в г. Волгоград, Волжский в 2007 г.;
- на международной научно-технической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» в г. Липецке в 2007 г.;
- на ежегодной научной сессии Ассоциация исследователей асфальтобетона в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете)в г. Москве в 2008 г.;
- на V международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» в г. Волгограде в 2009 г.;
- на VII международной научно-практической конференции «Строительство и архитектура ХХI века: перспективы развития и инновации» в г. Орел в 2010 г.
- на VI международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» в г. Волгоград в 2011г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных статьях, в том числе 1 работа опубликована в рецензируемом научном издании.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Она включает 140 страниц, из них 123 страниц основного текста, 28 таблиц, 26 иллюстраций, 141 наименований используемой литературы и 2 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определена актуальность темы, цели и задачи работы, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту научная и практическая значимость работы.
В первой главе представлен анализ существующих теорий структурообразования искусственных строительных конгломератов, типичным представителем которых является щебеночно-мастичный асфальтобетон. Проанализированы существующие методики исследований процессов, происходящих в асфальтобетонах. Большой вклад в повышение качества асфальтобетонов на шлаковых заполнителях внесли работы отечественных исследователей: И.А. Рыбьева, В.И. Соломатова, В.В. Патуроева, Л.Б. Гезенцвея, Н.Б. Урьева, М.В. Королева, Ребиндера П.A., Михайлова Н.В.и др. ученых. Многие из них отмечали наличие особенностей свойств шлаковых заполнителей, имеющих повышенную пористость и активность, за счет чего обеспечивается высокая прочность и хорошее сцепление с битумом, отсутствие шлифуемости, обеспечивающее достаточно высокие параметры шероховатости покрытия. Однако исследователи указывали также на повышенные показатели водонасыщения и набухаемости за счет пористости заполнителя и на увеличение расхода битума на шлаковые заполнители. Анализ современного состояния в производстве и применении шлаковых заполнителей для асфальтобетонов позволил определить цели и задачи исследований.
Во второй главе обоснован выбор исходного сырья для асфальтобетонов и современных методов исследований в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.
Теоретически обосновано использование в качестве заполнителей для щебеночно-мастичных асфальтобетонов доменных шлаков. При взаимодействии битума со шлаковыми материалами образованные физические и химические сорбционные связи прочно удерживают пленку битума на поверхности минерального материала. Эти процессы, по-видимому, имеют место и в закристаллизованных шлаках, используемых в качестве заполнителей для асфальтобетонов, хотя и в меньшей степени, чем в гранулированных шлаках.
Этим объясняется повышенная износостойкость асфальтобетонов на заполнителях из граншлака. Асфальтобетонное покрытие на граншлаке обеспечивает хорошее сцепление шин с покрытием.
Высокая пористость кристаллических шлаковых материалов приводит при объединении с битумом к фильтрации вяжущего и его компонентов внутрь зерен минерального материала. В процессе фильтрации масла проникают в зерна на наибольшую глубину, смолы из-за меньшей подвижности и большей активности проникают на меньшую глубину. Поверхностный слой битума на зернах шлаковых материалов обогащен асфальтенами, повышающими поверхностную прочность, теплостойкость и износостойкость асфальтобетонов. Избирательная фильтрация компонентов битума приводит к образованию более жестких и менее эластичных битумных пленок на поверхности шлакового заполнителя.
В целом, взаимодействие битума со шлаковыми заполнителями позволяет реализовать физические, механические, химические, электростатические и диффузионные процессы. В итоге адгезионные связи на границе битум – минеральный материал становятся более прочными и устойчивыми к воздействию окружающей среды, как в момент объединения, так и с течением времени.
Несмотря на вышеперечисленные положительные свойства, доменные шлаковые материалы нашли ограниченное применение в асфальтобетоне из-за своей неоднородности по прочностным показателям для отвального шлакового щебня и низкой прочности исходного материала для шлакопемзового песка и гранулированного шлака. Так, доменный шлаковый щебень согласно требованиям ГОСТ 31015-2003 может применяться для приготовления горячего щебеночно-мастичного асфальтобетона видов ЩМА-10, ЩМА-15, ЩМА-20. Шлаковые пески и гранулированные шлаки согласно ГОСТ 31015-2003 не могут использоваться для приготовления асфальтобетона из-за низкой прочности исходного материала.
В данной главе изложены методики, применяемые в исследованиях.
В третьей главе осуществлен подбор составов многокомпонентных шлаковых асфальтобетонов по планированию эксперимента.
Эксперименты были выполнены с целью определения оптимального расхода не только наполнителя, но и битумного связующего в составах ЩМА. Была выбрана наиболее простая модель, описывающая поверхность отклика в виде полинома первой степени, с использованием полного факторного плана (ПФП-8). В составе минеральной смеси, соотношение компонентов которой определялось по наибольшей плотности смеси минеральных заполнителей, содержание песка фракции до 5 мм составляло 65 % и шлакового щебня фракции 5...10 (5-15) мм - 35%, остальные материалы вводились сверх 100% минеральной смеси.
Для получения более сложных зависимостей было выполнено планирование эксперимента с помощью полного трехфакторного ортогонального центрального композиционного плана (ОЦКП). Оно отличается наличием серии опытов в «звездных» точках и в центре плана и возможностью использования результатов планирования ПФП-8.
По результатам этих расчетов получено уравнение регрессии для отклика прочность при сжатии при 20°С, МПа, которое имеет вид:
у1=3,431+0,108 х1+0,073х2+0,026х3-0,065х1х2+0,053х2х3-0,045х1х3+
+0,217х12-0,084х22-0,084х32 (1)
Аналогичным образом получено уравнение регрессии для отклика прочность образцов ЩМА-10 при температуре 50°С:
у2=0,6-0,005 х1+0,014х2+0,007х3+0,005х1х2+0,007х2х3-0,01х12-
-0,017х22-0,004х32 (2)
остаточная пористость
у3=3,443-0,151 х1+0,099х2-0,204х3+0,034х1х2-0,009х2х3-0,041х1х3-0,006х12+ +0,024х22+0,011х32 (3)
водонасыщение
у4=3,142-0,138 х1+0,09х2-0,186х3-0,03х1х2-0,008х2х3-0,038х1х3-0,007х12+ +0,023х22+0,01х32 (4)
трещиностойкость
у5=3,214-0,073 х1+0,055х2-0,14х3+0,006х1х2-0,034х2х3+0,026х1х3+ +0,026х12+0,053х22-0,008х32 (5)
коэф-т внутреннего трения
у6=0,931+0,001 х1+0,005х2-0,006х3+0,004х1х2+0,004х2х3+ +0,004х1х3+0,004х12+0,004х22 (6)
сцепление при сдвиге при 50 °C
у7=0,259-0,011 х1+0,006х2-0,014х3+0,003х1х2-0,003х1х3+0,003х22 (7)
Также получены уравнения регрессии для ЩМА-15:
для отклика прочность при сжатии при 20°С, МПа:
у1=3,72+0,117 х1+0,079х2+0,028х3-0,073х1х2+0,057х2х3-0,048х1х3+0,234х12-
-0,091х22-0,091х32 (8)
для отклика прочность образцов при температуре 50°С:
у2=0,724-0,006 х1+0,017х2+0,01х3+0,005х1х2+0,01х2х3-0,012х12-
-0,019х22-0,006х32 (9)
остаточная пористость
у3=3,524-0,154 х1+0,102х2-0,207х3+0,035х1х2-0,01х2х3-0,042х1х3-0,011х12+0,023х22+0,016х32 (10)
водонасыщение
у4=3,352-0,146 х1+0,096х2-0,2х3+0,033х1х2-0,008х2х3-0,04х1х3-0,007х12+0,023х22+0,01х32 (11)
трещиностойкость
у5=3,512-0,155 х1+0,1х2-0,209х3+0,034х1х2-0,009х2х3-0,041х1х3-0,008х12+0,029х22+0,009х32 (12)
коэф-т внутреннего трения
у6=0,95-0,009 х1+0,008х2-0,025х3+0,004х1х2-0,001х2х3+0,004х1х3+0,007х12+0,007х22 (13)
сцепление при сдвиге при 50 °C
у7=0,203-0,01 х1+0,005х2-0,012х3-0,003х1х3-0,002х12+0,001х22+0,001х32 (14)
Полученные уравнения позволяют прогнозировать изменения физико-механических свойств асфальтобетонов в исследованном интервале изменения параметров без выполнения дополнительных экспериментов.
Полученные результаты можно проследить на проекции поверхности отклика на трехмерное пространство, задавая значения какого-нибудь фактора, например минимальное отношение Б/Ц, равное 10,79 (т.е. при содержании битума 6%, содержание целлюлозной добавки составляет 0,56%), и условно расширив интервалы варьирования факторов. Такая поверхность представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. – Проекция поверхности отклика для прочности при сжатии при 20С в трехмерном пространстве при x1 = –1.215
Из рисунка видно, что наименьшее значение прочности при сжатии достигается за пределами исследуемой области по содержанию битумного связующего, однако, расширять интервал варьирования и увеличивать его содержание в смеси экономически не целесообразно. Кроме того, увеличение толщины пленки битумного связующего на зернах заполнителей приводит после полного отверждения к снижению прочности за счет увеличения усадки, способствующей образованию микротрещин между связующим и заполнителем и увеличению хрупкости ЩМА.
Поверхность отклика для прочности при сжатии при фиксированном значении шлакового заполнителя представлена на рисунке 2, а при фиксированном значении гранитного отсева на рисунке 3. Из этих рисунков видно, что сложный характер поверхности отклика, описывающей заданную зависимость, вполне соответствует найденным ранее экстремальным значениям прочности при сжатии: максимальной прочности соответствует содержание битума и заполнителя на нулевом уровне, а содержание наполнителя на нулевом уровне, напротив, снижает прочность, то есть максимальная прочность достигается на границах исследованной области. Указанные графики также для наглядности построены с расширением пределов варьирования факторов, что на самом деле не допускается, поскольку установленный характер зависимости относится только к исследованной области факторного пространства.
Рисунок 2. – Зависимость прочности при сжатии при фиксированном содержании шлакового заполнителя 69,7% (х2=-1,215)
Рисунок 3. – Прочность при сжатии при фиксированном содержании гранитного отсева 12,92% (х3=+1,215)
В четверой главе приведены результаты исследований долговечности щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях.
Долговечность как комплексное свойство органоминерального композита отражает совокупность изменения прочности, деформационных и других физических и физико-механических свойств асфальтобетона под влиянием внешних и внутренних факторов, и напрямую зависит от скорости протекания процессов старения пленок битума на поверхности зерен минеральных материалов асфальтобетона.
Важнейшим свойством ЩМА, предопределяющим долговечность этого материала, является ycтойчивость его структуры а условиях изменяющегося влажностного и температурного режимов. Подобно большинству других пористых строительных материалов ЩМА разрушается, главным образом, при длительном увлажнении, а также в результате попеременного замораживания - оттаивания.
Особенно разрушительно вода действует при попеременном замораживании и оттаивании. Вода, проникая в поры материала, способствует отслаиванию битумных пленок, что приводит к ослаблению структурных связей в асфальтобетоне. Расклинивающий эффект от действия воды при замерзании усиливает этот процесс. Как известно, битумные пленки значительно изменяют свои свойства с понижением температуры - они становятся хрупкими, а когда вода увеличивается в объёме при замерзании, вызывает большие напряжения в стенках пор, способные привести к возникновению микротрещин. Эти микротрещины при оттаивании заполняются водой и в дальнейшем могут развиваться, чему способствует проникающая в них вода. Таким образом, асфальтобетон, в том числе и щебеночно-мастичный, при одновременном действии воды и пониженных температур находится в наиболее неблагоприятных условиях.
Водостойкость определяется величиной водонасыщения, набухания и коэффициентом водостойкости (отношение прочности водонасыщенных к прочности сухих образцов.
Результаты проведенных испытаний на водостойкость образцов ЩМА-10 на шлаковых заполнителях приведены в таблице 1.
Таблица 1. Показатели водостойкости ЩМА-10 на шлаковых заполнителях
| Показатель | Фактические показатели | Требования ГОСТ 31015-2002 |
| Водонасыщение, % по объему | 3,13 | От 1 до 4 |
| Набухание, % | 0,015 | - |
| Коэффициент водостойкости | 1,03 | - |
Важнейшим вопросом при выборе пути повышения долговечности асфальтобетона в покрытии является учет закономерностей процессов развития деформаций в условиях непрерывно изменяющихся эксплуатационных факторов. Асфальтобетон в покрытии работает в сложном напряженном состоянии. Поэтому при оценке усталостной долговечности следует рассматривать те воздействия, которые имеют место в процессе работы асфальтобетона, и при этом в режиме, наиболее близко отвечающем реальным эксплуатационным условиям. Так, по данным А.В. Руденского, режимом испытания асфальтобетона, наиболее близко имитирующим реальные условия работы материала в условиях воздействия на покрытие автотранспортной нагрузки, является испытание на усталость при циклическом динамическом изгибе.
Известно, что чем больше действующие напряжения, тем быстрее протекают процессы разрушения. Таким образом, при заданном напряжении усталость асфальтобетона определяет время, в течение которого покрытие может выдерживать заданное напряжение без разрушения. Соответственно динамическую усталость при циклически действующих нагрузках определяют числом циклов, которое выдерживает материал до разрушения.
Частотой испытания, наиболее близкой к реальным эксплуатационным дорожным условиям, является частота 868 мин-1, так как расчетная продолжительность одного цикла действия нагрузки в этом режиме составляет около 0,02 секунды, что соответствует режиму нагружения дорожного покрытия при проезде автомобиля со скоростью 60 км /час.
Так при амплитуде прогиба, равной 0,35 количество циклов до разрушения составляет 25958 цикла.
Образцы асфальтобетонов испытывали в агрессивной среде в условиях максимально приближенных к условиям эксплуатации. Длительность испытаний составила 360 циклов, по результатам которых определяли коэффициент химической стойкости (КХС) по потерям массы или прочности. При этом полагали, что под действием агрессивной среды в течение 360 циклов снижение КХС не должно превышать 50%. Длительность каждого цикла составляла 8 часов.
Для имитации работы образцов в естественных условиях работы покрытия осуществляли попеременное замораживание – оттаивание образцов в 30%-ном растворе поваренной соли NaCl. Из 360 циклов испытаний, имитирующих условия работы покрытия в течение года количество испытаний на морозостойкость составило 90 циклов. В воду помимо соли добавляли кварцевый песок в количестве 10% от массы воды. Гелевые оболочки из кремниевой кислоты, образующиеся на зернах кварцевого песка при его увлажнении, могут переходить в воду, усиливая агрессивность среды, особенно для шлаковых заполнителей. Для имитации работы асфальтобетона в весенний и осенний периоды осуществляли попеременное насыщение и высушивание по 4 часа. Число таких циклов составило 180. В летнее время, как известно, помимо увлажнения дорожных покрытий, добавляется действие солнечной радиации. Поэтому имитация работы асфальтобетона в этот период заключалась в насыщении - высушивании с добавлением солнечной радиации. Число циклов таких испытаний составило 90. Зависимости потерь массы и прочности от продолжительности испытаний представлены на рисунке 10, откуда видно, что вначале, при насыщении в воде до 15 суток, происходит снижение прочности, а при испытании до 90 циклов, ее рост. Это подтверждает известные положения исследователей о том, что со временем шлаковые асфальтобетоны упрочняются под действием влаги за счет образования кристаллогидратов.
Рисунок 4. – Зависимость прочности от продолжительности испытаний
Рисунок 5. – Зависимость потери массы от продолжительности испытаний
Эти результаты согласуются с постулатами Расстегаевой Г.А. о том, что рост прочности при действии воды на шлаковые заполнители обусловлен образованием кристаллогидратов, которые приводят к структурированию пленки битума и росту общей прочности асфальтобетона.
Для прогнозирования долговечности по результатам испытаний нами рассчитывался коэффициент химической стойкости по потере прочности по формуле (15). Результаты этих расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2. – Результаты расчета коэффициентов химической стойкости
| Наименование | Величины показателя после испытания, циклов | |||||||
| 2 | 15 | 30 | 60 | 90 | 180 | 270 | 360 | |
| Прочность при сжатии до испытания, МПа | 3,877 | 3,877 | 3,877 | 3,877 | 3,877 | 3,877 | 3,877 | 3,877 |
| Прочность при сжатии после испытаний, МПа | 3,977 | 3,623 | 3,723 | 4,197 | 4,306 | 4,151 | 3,554 | 3,201 |
| Потери массы, г | –- | – | 0,03 | 0,03 | 0,4 | 0,27 | 0,32 | 0,68 |
| kх.с. | 1,03 | 0,93 | 0,96 | 1,08 | 1,11 | 1,07 | 0,92 | 0,83 |
По потере прочности рассчитывали КХС по уравнениям 15 – 16. При этом установлено, что прогнозируемая долговечность асфальтобетона оптимального состава не менее 10 лет, поскольку потери массы не превышают 0,5%, прочность после испытания остается достаточно высокой и Кхс не ниже 0,5. Расчет значений коэффициентов химической стойкости вели по формуле:
lg КХС = а+b · lg, (15)
где lg КХС – его логарифм для принятого срока эксплуатации, a и b – постоянные коэффициенты для данных видов среды и бетона:
(16)
(17)
где 
и 
– средние значения логарифмов времени испытаний и КХС.
Исходя из конкретных условий эксплуатации, рассчитывали экономически целесообразный срок службы, принимая, что в течение этого срока допустимое снижение коэффициента химической стойкости должно быть равно c. То есть для принятого периода эксплуатации, например 10 лет, химическая стойкость покрытия обеспечивается при условии снижения КХС не более 50%.
Искомая зависимость КХС от принятого периода эксплуатации:
lg Кх.с. = 0,243-0,1164 lg.
Если экономически целесообразный срок службы асфальтового покрытия принимается =10 лет (3600 сут.), то для оптимального состава:
lg Кх.с. = 0,243-0,1164 lg = 0,243-0,1164 lg 3600 = -0,1709536.
Откуда: Кх.с. = 0,6746.
Отсюда получаем:
0,6746>(1-0,5)=0,5.
Следовательно, срок службы, по результатам выполненных испытаний щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях оптимального состава по прогнозу долговечности, составит не менее 10 лет.
Исследованные ЩМА на шлаковых заполнителях выдержали испытания на долговечность в агрессивной среде, в условиях, гораздо более жестких, чем натуральные условия эксплуатации покрытия. Хотя и не учитывались динамические нагрузки, воспринимаемые покрытием в процессе эксплуатации, запасы их прочности и долговечности позволяют судить о высоком качестве полученных составов ЩМА.
В пятой главе теоретически обосновано применение в качестве заполнителя для щебеночно-мастичного асфальтобетона шлакового щебня. Сравнительные свойства шлакового и гранитного щебня приведены в таблице 3.
Таблица 3. Свойства шлакового и гранитного щебня
| Наименование | Шлаковый щебень | Щебень гранитный |
| Размер фракций, мм | 10-20 | 10-20 |
| Марка по прочности | 1000 | 1000 |
| Марка по истираемости | И II | И II |
| Марка по морозостойкости | 150 | 150 |
| Плотность, г/см | 2,80 | 2.5-2.9 |
| Водопоглощение, % по массе | 5,1 | 0.1-1 |
Примечание: свойства шлакового щебня удовлетворяют требованиям ГОСТа 3344 - 83.
Анализ результатов исследований показал, что щебень из металлургического шлака по характеристикам не хуже щебня из природных горных пород. Полученные результаты исследований позволяют сформулировать следующие выводы:
• щебень, получаемый из металлургического шлака, является качественным материалом, который обладает свойствами гранитного щебня (адгезия к битуму и высокая устойчивость к истиранию и полированию);
• ЩМА, содержащий металлургический шлаковый щебень, обладает высокими механическими характеристиками, соответствующими характеристикам ЩМА со щебнем из гранита;
• процесс температурного старения ЩМА вызывает упрочнение его структуры, что приводит к повышению его механических характеристик. Применение щебня из металлургического шлака в ЩМА эквивалентно использованию гранитного щебня;
• использование щебня из металлургического шлака при производстве ЩМА позволяет получать качественный верхний слой дорожного покрытия, обладающий устойчивостью к возникновению колеи и влиянию воды и низких температур;
• использование щебня из металлургического шлака в производстве ЩМА способствует защите окружающей среды за счет ограничения использования природных горных пород камня и уменьшения количества промышленных отходов.
Также в данной главе осуществлялась разработка конструкции дорожной одежды с верхним покрытием из разработанного щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковом заполнителе. Расчеты толщины слоев, позволили уменьшить толщину верхнего слоя дорожного покрытия с 5 до 4 см без снижения его несущей способности за счет повышенной плотности и прочности щебеночно-мастичного асфальтобетона.
При выполнении ремонтных работ по ул. Неделина предприятию ООО «Автобан-Липецк» была рекомендована фирмой ОАО «Гражданпроект г. Липецк» конструкция дорожной одежды, представленная на рисунке 6, с толщиной верхнего покрытия 4 см.
Рисунок 6. – Схема конструкции дорожной одежды
1 - щебеночно-мастичный асфальт ЩМА-15 -4 см;
2 - горячий щебеночный плотный крупнозернистый асфальтобетон
типа Б марки на битуме марки БНД 60/90 -6 см;
3 - горячий щебеночный пористый крупнозернистый асфальтобетон
марки II на битуме марки БНД 60/90 -8 см;
4 - черный щебень, уложенный по способу заклинки -10 см;
5 - фракционированный щебень из прочных пород ГОСТ 8267-93*,
уложенный по способу заклинки -15 см;
6 - песок (ГОСТ 8736-93) -30 см.
7 – грунт земляного полотна суглинок тяжелый
Конструкция дорожной одежды удовлетворяет требованиям прочности и надежности по величине упругого прогиба при условии]:
Eоб> ЕminKnупр, (18)
где Еоб – общий расчетный модуль упругости конструкции, МПа; Emin– минимальный требуемый модуль упругости, МПа; Кnупр – коэффициент запаса прочности по критерию упругого прогиба, для требуемого уровня надежности 0,98 Кnупр = 1.
Величину минимального требуемого общего модуля упругости конструкции вычисляли по эмпирической формуле:
Emin=98,65 [lgNp – c], МПа, (19)
где Np– суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды; с – эмпирический параметр, для расчетной нагрузки на ось 100 кН принимали с=3,55. По формуле 19 получили требуемый модуль упругости:
Emin=98,65 [lgNp – c] = 98,65(lg 1022958 – 3,55) = 242 МПа.
Модули упругости конструктивных слоев при расчете по допускаемому упругому прогибу принимали по МОДН при температуре 20 °С, а при расчете монолитных слоев на изгиб – при 10 оС.
Расчет по допускаемому упругому прогибу вели послойно, начиная с подстилающего грунта, для каждой пары соседних слоев по номограмме, в зависимости от отношения модуля упругости нижнего слоя к верхнему EH / EB и отношения толщины верхнего слоя к диаметру расчетного отпечатка шины, hB / D.
1. 
; 
; 
; 
МПа
2. 
; 
; 
; 
МПа
3. 
; 
; 
; 
МПа
4. 
; 
; 
; 
МПа
5. 
; 
; 
; 
МПа
6. 
; 
; 
; 
МПа
Требуемый модуль упругости: Emin=242 МПа, следовательно, Еобщ > Emin. и выбранная конструкция с верхним слоем из ЩМА-15 на гранитном щебне толщиной 4см удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу. Коэффициент запаса прочности составит: Кnупр = 1,06.
При расчете прочности дорожной одежды по упругому прогибу была выбранная конструкция с верхним слоем из ЩМА-15 на шлаковом щебне толщиной 4 см. В этом случае отличие расчета заключалось в следующем:
6. 
; 
; 
; 
МПа
Требуемый модуль упругости по формуле (19) Emin = 242 МПа, значит Еобщ< Emin. Допускаемое снижение эквивалентного модуля упругости по сравнению с требуемым – не более 5%. Процент снижения Еmin в нашем случае составлял: (242–240)·100/242=0.8%. Следовательно, выбранная конструкция верхним слоем из ЩМА-15 на шлаковом щебне толщиной 4см удовлетворяет условию прочности по допускаемому упругому прогибу. Коэффициент прочности по допускаемому упругому прогибу Кnупр = 0,99.
В результате расчетов установлена более высокая несущая способность щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковом заполнителе, по сравнению с щебеночно-мастичным асфальтобетоном на гранитном щебне, при снижении толщины покрытия с 5 до 4 см. При этом получены коэффициенты запасов прочности, превышающие требуемый, что позволило сделать вывод о том, что выбранные конструкции удовлетворяют обоим критериям прочности и, что более высокая несущая способность дорожной одежды с верхним слоем из щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковом заполнителе подтверждена коэффициентом запаса прочности при изгибе 1,69 по сравнению с вариантом верхнего слоя покоытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона на гранитном щебне – 1,59. При этом, как показали расчеты, в течение заданного срока службы в покрытии не возникало напряжений, способствующих образованию усталостных трещин.
Изготовление асфальтобетонной смеси осуществлялось на АБЗ ОГУП «Доравтоцентр» г. Липецка. В составе минеральной смеси гранитный отсев – 11,4%, щебень шлаковый фр. 5…10 мм – 74%, минеральный порошок – 14,1%, целлюлозная добавка Viatop – 0,5%, сверх 100% вводили битум марки БНД 60/90 – 6,5%. Объем опытной партии составил 2100 т.
На подготовленное и уплотненное основание, из черного щебня слоем 10 см и крупнозернистого пористого и плотного асфальтобетона толщиной 8 и 6 см соответственно, производилась укладка и уплотнение ЩМА-15 с температурой 150 оС слоем 4 см. Опытные участки уложены по улицам Гагарина, ул. Советская и ул. Первомайская г. Липецка в 2010 году фирмой ООО «Автобан-Липецк». Общая площадь покрытия составила 24 тыс м2.
Экономический эффект от внедрения в сравнении с ЩМА-15 на гранитном щебне достигнут за счет снижения стоимости крупного заполнителя из металлургического шлака, стоимость которого не превышает 300 р за 1 т, по сравнению с гранитным щебнем, стоимость которого составляет 500 р за 1 т..
Суммарный экономический эффект от внедрения экспериментальной партии асфальтобетонной смеси в общем объеме 2100 т, уложенной на опытных участках дорог г. Липецка площадью 24 тыс. м2 фирмами ООО «Автобан-Липецк» и ОАО ДСП-1 (г. Липецк) составил 540 000 руб. или 22,5 р./ 1 кв. м. Наблюдения за состоянием уложенного асфальтобетонного покрытия показали более высокую несущую способность и отсутствие дефектов.
Также разработанные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона были внедрены при капитальном ремонте проспекта Победы в г.Липецке.
Результаты внедрения ЩМА-15 на шлаковом заполнителе при устройстве дорожных покрытий свидетельствуют о его эффективности и практической значимости работы.
Результаты исследований внедрены также в учебный процесс.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- Приняты основные структурообразующие факторы (соотношение битума к целлюлозной добавке, содержание шлакового заполнителя и гранитного отсева), с помощью которых запроектированы составы асфальтобетонных смесей и испытаны, как на статические, так и на циклические нагрузки.
- Разработаны математические методы планирования эксперимента на ПФП и ОЦКП. Полученные уравнения регрессии для физико-механических и деформативных свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях позволили определить их зависимость от содержания битума, наполнителя и заполнителя в составе смеси.
- Экспериментальные исследования физико – механических свойств асфальтобетона принятого состава подтвердили возможность применения полиструктурной теории композиционных материалов для исследования структурообразующих факторов асфальтобетонов.
- Экспериментально подтверждено влияние структурообразующих факторов асфальтобетонных смесей на циклическую долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
- Разработана методика прогнозирования долговечности щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях, отличающаяся имитацией условий работы дорожного покрытия в течение года.
- По результатам длительных испытаний произведено прогнозирование долговечности по потере массы, прочности и снижению коэффициента химической стойкости для щебеночно-мастичного асфальтобетона на шлаковых заполнителях. Прогнозируемый срок службы в обоих случаях составил не менее 10 лет.
- Выполненный расчет по допускаемому упругому прогибу и по напряжениям, возникающим в монолитных слоях при прогибе под действием повторных кратковременных нагрузок, с учетом перспективной интенсивности движения, толщины слоев дорожной одежды 4 см показал возможность применения в качестве заполнителя металлургического шлака без снижения его несущей способности.
- Проведена оптимизация соотношений компонентов щебеночно-мастичных асфальтобетонов на шлаковых заполнителях с помощью уравнений регрессии, полученных в результате математического планирования эксперимента на ОЦКП.
- Разработанные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона были внедрены при капитальном ремонте проспекта Победы в г.Липецке. Общая площадь покрытия составила 24 тыс. м2. Экономический эффект за счет снижения толщины верхнего слоя покрытия и стоимости материалов с учетом приведенных затрат составил 540 000 руб. или 22,5 р./ 1 кв. м.
Основные положения диссертации опубликованы в десяти печатных работах.
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:
1. Прогнозирование циклической долговечности полимербетонов в элементах конструкций транспортных сооружений / Л. А. Прозорова [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер. Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. Вып. 21 (40). С. 72-77.
Публикации в других изданиях:
2. Устойчивость откосов земляного полотна городской автомобильной дороги, отсыпанной из конверторных шлаков ОАО НЛМК / Л. А. Прозорова [и др.] // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Липецк : ЛГТУ, 2007. С. 54-57.
3. Инъекционные фурано-эпоксидные композиции для восстановления противофильтрационных свойств и прочности бетона сооружений / Л. А. Прозорова [и др.] // Моделирование и технология конструкционных материалов – важнейшее составляющее компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки. Волгоград : ВИСТех (филиал) ВолГАСУ, 2007. С. 142-145.
4. Сопротивление усталости композиционных материалов на основе полимеров / Л. А. Прозорова [и др.] // Моделирование и технология конструкционных материалов – важнейшее составляющее компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки. Волгоград ВИСТех (филиал) ВолГАСУ, 2007. С. 145-148.
5. Прозорова Л. А., Пономарев А. В., Бондарев Б. А. Методика определение модулей упругости дорожных одежд в городских условиях // Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре : сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. Липецк : ЛГТУ, 2007. С. 248-252.
6. Бондарев Б. А., Штефан Ю. В., Прозорова Л. А. Долговечность шлаковых асфальтобетонов // Ежегодная научная сессия ассоциации исследователей асфальтобетонов в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете). М. : Московский автомобильно-дорожный институт (государственный технический университет), 2008. С. 80-85.
7. Бондарев Б. А., Прозорова Л. А. Усталостные и динамические деформации щебеночно-мастичного асфальтобетона // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., г. Волгоград, 23-24 апр. 2009 г. : [в 3 ч.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. Ч. 1. С. 57-61.
8. Бондарев Б. А., Прозорова Л. А. Повышение основных эксплуатационно-прочностных показателей дорожных покрытий. // Вестник строительства и архитектуры : сб. науч. тр. Орел : Изд-во ООО ПФ «Картуш», 2010. С. 295-301.
9. Бондарев Б. А., Прозорова Л. А. Современные пути повышения основных физико-механических свойств дорожных покрытий // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. конф., 13-14 окт. 2011г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. С. 120-125.
10. Бондарев Б. А., Штефан Ю. В., Прозорова Л. А. Исследование физико-механических свойств шлаковых асфальтобетонов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. конф., 13-14 окт. 2011г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. С. 125-130.
Прозорова Людмила Аркадиевна
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ШЛАКОВЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 23.12.2011 г. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Ризография. Объем 1,4 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 233.
Типография «Sunprint»
119334, Москва, Ленинский пр-т. д.37А
(495) 626-42-43
www.sunprint.ru
