CC BY
24
УДК 625.855.4:691.16
ЛУКАШЕВИЧ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, lukvin@tsuab.ru
ЕФАНОВ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ, аспирант, ein7@yandex.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
АДГЕЗИЯ ВЯЖУЩЕГО ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ, ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКНАМИ ИЗ ОТРАБОТАННЫХ СОРБЕНТОВ
Приведены результаты исследований величины адгезии нефтяного битума к поверхностям дисперсной арматуры и минеральных материалов при армировании асфальтобетонов отрезками волокон отработанных сорбентов. Величина адгезии определялась методом кипячения по пятибалльной шкале и по величине краевого угла смачивания битумом поверхностей минеральных материалов и волокнообразующих полимеров. В результате исследований установлено существенное улучшение адгезии битума как к поверхности дисперсной арматуры, так и к поверхности основных и кислых минеральных материалов.
Ключевые слова: асфальтобетон; адгезия нефтяного битума; дисперсная арматура; волокнистые сорбенты; волокнообразующий полимер; угол смачивания; адсорбционные слои нефтяного битума; кольматация.
VIKTOR N. LUKASHEVICH, DSc, Professor, lukvin@tsuab.ru
IGOR N. EFANOV, Research Assistant, ein7@yandex.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
CEMENT ADHESION AT CONSTRUCTION OF FIBER REINFORCED ASPHALT CONCRETE PAVEMENTS
The paper presents results of investigation of petroleum asphalt adhesion to surfaces of dispersed reinforcement and mineral materials in fiber reinforcing of asphalts obtained from spent sorbents. The amount of adhesion was evaluated by boiling method using the five-mark scale and the value of wetting angle for bitumen surfaces of mineral materials and foam-forming polymers. As a result of investigations, a considerable bitumen adhesion was detected both to dispersed reinforcement and surfaces of base and acid mineral materials.
Keywords: asphalt; petroleum asphalt adhesion; dispersed reinforcement; fiber sorbents; fiber-forming polymer; wetting angle; adsorption layers; colmatage.
Сроки службы асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, построенных с соблюдением требований действующих нормативных документов, не отвечают потребностям сегодняшних реалий. Нагрузка на дороги зна-
© В.Н. Лукашевич, И.Н. Ефанов, 2014
чительно выше установленной в нормативах. Одним из способов повышения качества (и удлинения сроков службы асфальтобетонных покрытий) является дисперсное армирование асфальтобетонных смесей, используемых для устройства этих покрытий.
Дисперсное армирование асфальтобетонов дискретными отрезками химических волокон позволяет улучшить реологические, физико-механические свойства, тем самым снизив вероятность возникновения деформаций асфальтобетонных покрытий. Исследования, проведенные во Франции, Швейцарии, Нидерландах, Польше, США, а также исследования белорусских и российских ученых А.В. Акулича, И.П. Гамеляка, Я.Н. Ковалева, А.Е. Мерзликина, В.И. Соломатова показали, что введение в асфальтобетонную смесь дисперсной арматуры повышает прочность асфальтобетона при сдвиге при температуре 50 °С на 25-30 %, прочность при растяжении при отрицательных температурах - на 40-80 %. Улучшение деформативности при температурах ниже нуля достигает 90-200 %, а наибольшее влияние оно оказывает на усталостную прочность (улучшение достигает 200-500 %) [1-7].
Анализируя мировой опыт, необходимо отметить, что дисперсное армирование, существенно улучшая весь комплекс свойств асфальтобетонов, никоим образом не влияет на величину адгезии и свойства битумных пленок, характеристики которых имеют определяющее значение в процессах старения асфальтобетонов. В частности, в работах белорусских и российских ученых отмечено, что дисперсную арматуру необходимо обрабатывать поверхностно-активными веществами для улучшения адгезии нефтяного битума к армирующим волокнам. Существующие технологии дисперсного армирования химическими волокнами предусматривают в основном применение кондиционных химических волокон, что значительно увеличивает стоимость асфальтобетона. При этом остаются неиспользованными огромные объемы отходов производства, побочных продуктов промышленности, бытовых отходов, содержащих химические волокна. К таким отходам относятся волокнистые сорбенты, отработавшие свой ресурс при локализации и сборе пролившихся нефти, нефтепродуктов, сланцевых и каменноугольных смол, нефтяных и сланцевых фусов, других отходов и побочных продуктов, содержащих жидкие органические вещества.
Введение в асфальтобетонную смесь дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов - сборников нефти и нефтепродуктов - является технологическим приемом, который позволяет реализовать преимущества дисперсного армирования и устранить недостатки, касающиеся обеспечения активности ее поверхности, улучшения адгезии и свойств плёнок битума в адсорбционном слое. Эти преимущества появляются вследствие того, что отрезки волокон сорбентов, выполняющие функции дисперсной арматуры, в результате длительного контакта с собранным органическим веществом имеют поверхность, которая уже обработана поверхностно-активными веществами (поверхность лиофилизована), и ей свойственна хорошая адгезия к нефтяному битуму. Кроме того, содержащееся в сорбентах некоторое регулируемое количество поглощенного органического вяжущего воздействует на поверхность минеральных материалов как модифицирующая добавка, улучшающая адгезию
к нефтяному битуму и исключающая избирательную фильтрацию (диффузию) компонентов нефтяного битума в поры и капилляры минеральных материалов. В результате повышаются сдвигоустойчивость асфальтобетона при положительных температурах и эластичность пленок битума при отрицательных температурах. Это снижает вероятность возникновения сдвиговых деформаций в летний период, интенсивность трещинообразования в зимний период, замедляет старение асфальтового вяжущего и приводит к увеличению срока службы асфальтобетонных покрытий.
Технология производства асфальтобетонных смесей предусматривает процессы приготовления дисперсной арматуры из полимерных волокнистых сорбентов (разволокнение и резку), подачу в смесительный агрегат отдозиро-ванных минеральных материалов и их перемешивание, подачу дисперсной арматуры из сорбентов и ее перемешивание с минеральными материалами, подачу органического вяжущего (нефтяного битума) и окончательное перемешивание. При реализации этой технологии происходит последовательная обработка минеральных материалов двумя типами вяжущих: на первой стадии (при введении волокнистых сорбентов с содержащимся в них углеводородным сырьем) вяжущим, имеющим высокую адгезию к поверхности минеральных материалов; на второй стадии - нефтяным битумом, обеспечивающим хорошую когезию и водостойкость.
Общеизвестно, что нефть, сланцевая, каменноугольная смолы содержат большое количество высокоактивных компонентов (карбоновые кислоты, фенолы, кетоны). В процессе приготовления асфальтобетонной смеси, при введении в минеральный материал дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов, насыщенных собранными нефтепродуктами (первая стадия введения органического вяжущего), эти компоненты, вступая в химическое взаимодействие с поверхностью минерального материала, модифицируют ее, обеспечивают наличие хемосорбционных связей с образованием водонерас-творимых соединений на поверхности минерального материала. Кроме того, в процессе избирательной фильтрации активные компоненты нефтепродуктов проникают по порам и капиллярам внутрь минерального материала, взаимодействуя с поверхностью пор и капилляров. В результате этих процессов происходит кольматация пор и капилляров минерального материала компонентами вяжущего, используемого на первой стадии.
При обработке полученной органоминеральной смеси нефтяным битумом реализуется вторая стадия введения органического вяжущего. При этом адгезия нефтяного битума к модифицированной поверхности, лиофилизован-ной на первой стадии введения вяжущего, будет существенно выше, нежели адгезия битума к поверхности необработанных (немодифицированных) минеральных материалов. Процесс избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума в поры и капилляры минерального материала не будет иметь места, т. к. эти поры и капилляры уже заполнены компонентами органического вяжущего на первой стадии. Следовательно, адсорбционные слои нефтяного битума на поверхности минеральных материалов не будут обедняться низкомолекулярными фракциями, что положительно скажется на их
эластичности при отрицательных температурах. За счет этого повысится тре-щиностойкость асфальтобетонных смесей и их долговечность.
Предложенная технологическая последовательность обработки минеральных материалов позволяет получить на их поверхности наложение (суперпозицию) двух слоев структурированных органических вяжущих. При этом слой нефтяного битума, обладая более высокой водостойкостью, будет предохранять адсорбционный слой нефтепродуктов от воздействия влаги, а слой нефтепродуктов обеспечит высокую адгезию и существенное снижение избирательной фильтрации низкомолекулярных компонентов нефтяного битума.
В данной работе рассмотрен лишь один аспект дисперсного армирования асфальтобетонных смесей волокнистыми сорбентами - влияние содержащихся в сорбентах нефтепродуктов на адгезию нефтяного битума к поверхности волокон дисперсной арматуры и к поверхности минеральных материалов. Исследования величины адгезии к минеральным материалам проводили стандартным методом (методом кипячения) и методом определения величины краевого угла смачивания органическим вяжущим поверхностей минеральных материалов. Исследование величины адгезии органических вяжущих к волокнам дисперсной арматуры проводили только путем определения величины краевого угла смачивания органическим вяжущим поверхности волокнообра-зующих полимеров, из которых изготавливаются волокнистые сорбенты. При определении величины краевого угла смачивания материал с нанесенной на него каплей битума помещался на площадку проекционного аппарата так, чтобы лучи света были параллельны поверхности, на которую нанесена капля. Полученное изображение проецировалось на экран, где на четырех образцах с достаточной точностью определялся краевой угол смачивания. На приведенных рисунках представлены принципиальные схемы определения величин краевого угла смачивания. Адгезия к минеральным материалам исследовалась на кислых породах (гранит) и основных породах (диабаз). В качестве целевых продуктов, поглощенных волокнистыми сорбентами, были приняты сырая нефть Первомайского месторождения Томской области и топочный мазут. Волокнообразующие полимеры представлены изотактическим полипропиленом, наиболее часто используемым для производства волокнистых сорбентов, и полиамидом.
Исследования адгезии к минеральным материалам производили при введении нефтепродуктов в битум и в минеральный материал. Введение нефтепродуктов в минеральный материал моделировало технологию приготовления асфальтобетонных смесей, предусматривающую подачу в мешалку дисперсной арматуры до поступления битума. Введение нефтепродуктов в битум моделировало технологию приготовления асфальтобетонных смесей, предусматривающую введение в мешалку дисперсной арматуры после подачи битума. При введении нефтепродуктов в битум их количество составляло 5-10 % от массы битума. В минеральный материал нефтепродукты вводились в количестве 0,5-1,5 % от массы минерального материала.
На рис. 1 представлены данные, отражающие зависимость адгезии органического вяжущего к минеральному материалу от количества нефти, со-
держащейся в сорбентах, при введении дисперсной арматуры в смесь минерального материала с битумом.
л
м 2 -И
1 —
Г-^-—Г-^-—Г-^-—Г"^-—г
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 Количество нефти, % массы битума
Рис. 1. Зависимость показателя сцепления битума с поверхностью гранита от количества нефти, введенной в битум
На рис. 2 представлены данные, отражающие изменение величины адгезии органического вяжущего к минеральному материалу при введении дисперсной арматуры в минеральный материал до обработки его битумом.
ы
ч
м 2 —
1 —
1---1---Г
0,25 0,5 0,75
Т---г
1 1,25 1,5
Количество нефти, % массы минерального материала
Рис. 2. Зависимость сцепления битума с поверхностью гранита от количества нефти, введенной в минеральный материал
Из рисунков видно, что в обоих случаях улучшается сцепление вяжущего с минеральным материалом. Однако при введении волокнистых сорбентов в минеральный материал до обработки его битумом достигаемый эффект значительно выше. Как известно, нефть из-за своей повышенной химической активности обладает более выраженной адгезионной способностью, чем нефтяной битум. При непосредственном введении в минеральный материал это свойство реализуется более полно. Введение дисперсной арматуры, содержащей нефтепродукты, на первой стадии приводит к тому, что на второй стадии нефтяным битумом обрабатывается нефтеминеральная смесь, в которой уже достигнута высокая адгезия вяжущего к поверхности минерального материала за счет наличия в нефти высокоактивных фенолов и карбоновых кислот.
Проведены также исследования адгезии органических вяжущих к поверхности минеральных материалов по значению величины краевого угла смачивания. На рис. 3-5 представлены результаты исследования величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхностей минеральных материалов основных и кислых изверженных горных пород (гранита и диабаза), модифицированных сырой нефтью и мазутом.
На рис. 3 представлена расчетная схема определения величины краевого угла смачивания не модифицированной нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхности гранита и диабаза. По результатам четырех испытаний установлено, что величина краевого угла смачивания составляет 90-110°.
а б
Рис. 3. Расчетная схема определения величины краевого угла смачивания гранита нефтяным битумом марки БНД 90/130 немодифицированой поверхности минеральных материалов: а - гранит; б - диабаз
При модифицировании поверхности гранита краевой угол смачивания битумом снижается. Из расчетной схемы, представленной на рис. 4, видно, что нефть обеспечивает снижение этой величины до 30-35°, что в три раза меньше величины краевого угла смачивания нефтяным битумом немодифи-цированной поверхности гранита. Это свидетельствует о том, что и величина адгезии нефтяного битума к модифицированной поверхности минерального материала также будет выше. При модифицировании поверхности гранита мазутом величина краевого угла смачивания её битумом составляет 18-22°, что отражает существенное улучшение адгезии битума.
На рис. 5 представлено исследование величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхностей диабаза, модифицированных нефтью и мазутом. По сравнению с немодифицированными поверхностями, эта величина существенно ниже, что свидетельствует об улучшении адгезии битума при введении дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов, содержащих нефтепродукты.
Рис. 4. Расчетная схема определения величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхности минеральных материалов: а - гранит, модифицированный нефтью; б - гранит, модифицированный мазутом
Рис. 5. Расчетная схема определения величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхности минеральных материалов: а - диабаз, модифицированный нефтью; б - диабаз, модифицированный мазутом
На рис. 6-8 представлены результаты исследования величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхностей волок-нообразующих полимеров, используемых для изготовления сорбентов.
Рис. 6-8 свидетельствуют, что величины краевого угла смачивания нефтяным битумом модифицированных поверхностей во всех случаях ниже (в 2-5 раз) значений величин краевого угла смачивания нефтяным битумом не-модифицированных поверхностей волокнообразующих полимеров, что доказывает увеличение адгезии битума к волокнам отработанных сорбентов, используемым в дорожном строительстве для производства дисперсной арматуры.
Рис. 6. Расчетная схема определения величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 немодифицированной поверхности волокнообразую-щих полимеров:
а - изотактический полипропилен; б - полиамид
Рис. 7. Расчетная схема определения величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхности волокнообразующего полимера: а - изотактический полипропилен, модифицированный нефтью; б - изотактиче-ский полипропилен, модифицированный мазутом
Проведенные исследования показали, что модифицирование поверхностей дисперсной арматуры и минеральных материалов при использовании отработанных волокнистых сорбентов в составе асфальтобетонных смесей существенно улучшает их смачивание нефтяным битумом. Краевой угол смачивания битумом необработанных поверхностей составляет 88-112°. При переходе к модифицированным поверхностям краевой угол смачивания снижается до 18-50°. При исследовании адгезии методом кипячения установлено, что и активация битума, и модифицирование поверхности минеральных материалов нефтью улучшают сцепление вяжущего с минеральным материалом. Однако при введении нефти в минеральный материал достигаемый эффект значительно выше, чем при введении в битум.
Рис. 8. Расчетная схема определения величины краевого угла смачивания нефтяным битумом марки БНД 90/130 поверхности волокнообразующего полимера: а - полиамид, модифицированный нефтью; б - полиамид, модифицированный мазутом
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что при дисперсном армировании асфальтобетонных смесей волокнистыми сорбентами, насыщенными собранными нефтепродуктами, для увеличения адгезии нефтяного битума к поверхности минеральных материалов необходимо в минеральный материал, нагретый до температуры, предусмотренной стандартом, вводить расчетное количество дисперсной арматуры и производить перемешивание. Далее в смесь минеральных материалов и дисперсной арматуры вводить нефтяной битум, нагретый до требуемой температуры, после чего осуществляется окончательное перемешивание. Количество нефтепродуктов, содержащихся в волокнистых сорбентах, используемых в качестве дисперсной арматуры, определяется для каждого конкретного случая в зависимости от зернового состава асфальтобетонной смеси, вязкости и количества вводимого битума.
Библиографический список
1. Von Dipl, E. Enstaccino. Glassfasern in Dichtungasphalt //Osterreichische Wasserwirtschaft. Jahrgang 27. - 1975. - P. 53-88.
2. Крылов, Б.А. Фибробетон и фиброцемент за рубежом / Б.А. Крылов // Сер. Строит. материалы, изделия и конструкции: обзорн. информ. / ЦНИИС; Вып. 5. - М., 1979. - 53 с.
3. Grzybowska, W. Badame nad poprova wlastnosci nawerzchniavych betonow asphaltowych dodatkiem adpadowych wlokien polistrowych / W. Grzybowska // Wybrane pr.zakr.inz.ladow. Polytechn. - Krakov, 1982. - P. 287-303.
4. Акулич, А.В. Структура и свойства дисперсно-армированных асфальтобетонов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Минск,1987. - 17 с.
5. Гамеляк, И.П. Разработка методики конструирования дорожных одежд со слоями из дисперсно армированных асфальтобетонов : автореферат дис. ... канд. техн. наук. - М. : Госдорнии, 1992. - 23 с.
6. Мерзликин, А.Е. Испытания конструкций дорожных одежд для оценки эффективности применения дисперсно армированного асфальтобетона / А.Е. Мерзликин, И.П. Гамеляк // Конструирование, расчет и испытание дорожных одежд. - Тр. Союздорнии, 1990. - С. 17-25.
7. Соломатов, В.И. Структура и свойства дисперсно армированного асфальтобетона / В.И. Соломатов, А.В. Акулич // Повышение качества стр-ва автомоб. дорог в Нечерноземной зоне РСФСР : тез. докл НТК. - Владимир, 1987. - С. 152.
References
1. Von Dipl, E. Enstaccino. Glassfasern in Dichtungasphalt. Osterreichische Wasserwirtschaft. Jahrgang 27. 1975. Pp. 53-88.
2. Krylov B.A. Fibrobeton i fibrotsement za rubezhom [Fibre reinforced concrete and cement abroad]. Ser. Stroit. materialy, izdeliya i konstruktsii [Construction materials, products, and structures], TsNIIS Publ., Moscow : 1979. No. 5. 53 p. (rus)
3. Grzybowska W. Badame nad poprova wlastnosci nawerzchniavych betonow asphaltowych do-datkiem adpadowych wlokien polistrowych. Wybrane pr.zakr.inz.ladow. Polytechn. Krakov, 1982. Pp. 287-303.
4. Akulich A.V. Struktura i svoistva dispersno armirovannikh asfaltobetonov [Structure and properties of particulate-reinforced asphalt, PhD thesis]. Minsk, 1987. 17 p. (rus)
5. Gameliak I.P. Razrabotka metodiki konstruirovaniia dorognikh odejd so sloiami iz dispersno armirovannikh asfaltobetonov [Design technique for fiber reinforced pavements, PhD thesis]. Moscow : Rosdornii [Russian Road Research Institute], 1992. 23 p. (rus)
6. Merzlikin A.E., Gamelyak I.P. Ispytaniya konstruktsii dorozhnykh odezhd dlya otsenki effek-tivnosti primeneniya dispersno armirovannogo asfal'tobetona [Fiber reinforced pavement efficiency tests]. Konstruirovanie, raschet i ispytanie dorozhnykh odezhd [Pavement design, calculation and test]. Soyuzdornii, Tr., 1990. Pp. 17-25. (rus)
7. Solomatov V.I., Akulich A.V. Struktura i svoistva dispersno armirovannogo asfaltobetona [Structure and properties of fiber-reinforced asphalt]. Improving the quality of automobile roads in nonchernozem belt of the RSFSR]. Proc. Sci. Conf. Vladimir, 1987. P. 152. (rus)
