Разработка и исследование составов гидротехнического асфальтобетона

Основным свойством асфальтополимербетона (АПБ), применяемого в качестве противофильтрационного элемента, является длительная водоустойчивость, которая определяется главным образом прочностью сцепления ПБВ с минеральными наполнителями при хорошем смачивании минерального материала вяжущим. Смачивание, в свою очередь, определяется физико-механическими процессами, происходящими на поверхности контакта обоих компонентов асфальтовой смеси. В расплавленном состоянии битум хорошо смачивает сухие породы. Увлажнение поверхности минеральных материалов снижает сцепление битума и затрудняет технологию производства работ. Поэтому эксперименты были начаты с проверки сцепления оптимального состава ПБВ с минеральной частью. Использовали минеральные заполнители основных пород. Применяли щебень и песок Березовского карьера Красноярска и отходы Красноярского цементного завода. Свойства минеральных наполнителей приводятся в табл. 3.12.

Таблица 3.12

Свойства минеральных материалов

Наименова-

ние

материалов

Процентное содержание частиц мельче, мм

Плот-

ность,

г/см3

Удельная поверхность, см2

15

10

5

2,5

1,25

0,63

0,314

0,14

Щебень фракции 5-15мм

100

41,6

5,6

1,6

U

0,7

0,4

0,16

2,73

1,5

Песок фракции 0-5мм

-

-

100

71,0

63,6

50,2

37,4

7,6

2,54

180,6

Цементные

отходы

-

-

100

99,5

99,0

98,6

98,1

95,6

2,93

5115,1

Минеральная часть была взята в сухом и во влажном состояниях. Контрольные образцы приготовлены на чистом битуме БНД 60/90.

Определение прочности сцепления ПБВ с минеральными наполнителями проводилось по методам Риделя-Вебера и Лысихиной- Колбановской [104]. При испытании по методу Риделя-Вебера не удалось получить полного отделения битума и ПБВ от минеральной части даже при кипячении с максимальной концентрацией. Полученные по методам Лысихиной-Колбановской показатели сцепления битума и ПБВ с сухой и мокрой поверхностями минерального материала приводятся в табл. 3.13.

Таблица 3.13

Показатели сцепления битума и ПБВ с минеральными материалами

п/п

Марка битума и вид ПБВ

Состояние

минеральных

материалов

Показатель сцепления, %

1

БНД 60/90

Сухое

66,68

2

БНД 60/90

Влажное

34,10

3

БНД 60/90 +5 % ЭТС-32

Сухое

82,27

4

БНД 60/90 +5 % ЭТС-32

Влажное

81,07

5

БНД 60/90 +5 % ЭТС-32+ + 5 % СКДП-Н

Сухое

76,20

6

БНД 60/90 +5 % ЭТС-32+ + 5 % СКДП-Н

Влажное

73,80

Как видно из табл. 3.13, изучаемое ПБВ значительно лучше сцепляется как с сухими, так и с мокрыми минеральными материалами (по сравнению с «чистым» битумом). Показатель сцепления «чистого» битума с мокрой минеральной частью меньше почти в два раза показателя сцепления с сухой, а для ПБВ значения этих показателей находятся почти на одинаковом уровне. Введение в битум ЭТС-32 приводит к увеличению показателя сцепления в 1,3 раза к сухим и в 2,4 раза к влажным минеральным материалам, а величина сцепления ПБВ с ЭТС-32 и СКДП-Н, равная 76 %, вполне достаточна для обеспечения гарантируемой водостойкости АПБ.

При разработке составов АПБ использованы местные минеральные материалы. Так как асфальтобетонные гидроизоляционные конструкции представляют собой практически водонепроницаемое покрытие, то основным материалом для этих покрытий является мелкозернистый уплотнённый гидротехнический асфальтобетон. Поэтому исследовались составы мелкозернистого уплотняемого АПБ. Подбор соотношения минеральных материалов (щебня, песка и порошка) в зависимости от их гранулометрического состава проводился традиционным методом получения максимально плотного минерального каркаса по предельным кривым плотных смесей с коэффициентом сбега 0,75-0,90 (табл. 3.14).

Таблица 3.14

Состав минеральной части АПБ

Наименование

материалов

Содер- жание в смеси,

%

Процентное содержание частиц мельче (мм)

15

10

5

2,5

1,25

0,63

0,314

0,14

Порошок

30

30

12,48

1,68

0,48

0,33

0,21

0,12

0,05

Песок

60

60

60

60

42,62

38,20

30,13

22,44

4,58

Щебень

10

10

10

10

9,95

9,90

9,86

9,81

9,56

Сумма

100

100

82,48

71,68

53,05

48,43

40,20

32,37

14,19

Для изготовления АПБ были взяты три вида вяжущего: битум с ЭТС-32, битум с каучуком СКДП-Н и битум со смесью этих добавок. Физико-механические показатели составов сравнивали с такими же показателями асфальтобетона на «чистом» битуме БНД 60/90.

После подбора минеральной части определяли оптимальное количество ПБВ. Для этого из подобранной смеси и ПБВ готовили несколько (3-5) замесов, отличающихся количеством вяжущего. После стандартных испытаний измеряли водонасыщение и предел прочности при сжатии.

Образец, обладающий оптимальным количеством вяжущего, имел наибольшую прочность и наименьшее водопоглощение. На основании экспериментов были подобраны составы (табл. 3.15). Битум БНД 60/90 принимался сверх 100 % от минеральной части.

Таблица 3.15

Составы АПБ и АБ

Номер

состава

Вид добавки к битуму

Количество добавки, %

Количество вяжущего в АПБ и АБ,

%

Состав минеральной части АПБ и АБ в % мае.

1

ЭТС-32

5

7

Отходы цементной промышленности -30; щебень Березовского карьера - 10; песок Березовского карьера - 60

2

СКДП-Н

5

9

Такой же

3

ЭТС-32

СКДП-Н

  • 5
  • 5

8

Такой же

4

-

-

7,5

Такой же

Технологический процесс приготовления АПБ состоял из подготовки ПБВ, минеральной части и их совмещения при определенной температуре. Очень важно определить главные технологические параметры: температуру смешения ПБВ с минеральной частью и время перемешивания. На основании реологических исследований ПБВ были установлены температуры перемешивания ПБВ с минеральными наполнителями (90- 100 °С) и уплотнения АПБ (- 60) °С (см. рис. 4.5, табл. 4.1).

Оптимальное время перемешивания АПБ было принято равным 10 мин. При более длительном перемешивании смесь начинает ком- коваться, отдельные зерна слипаются в агрегаты. При перемешивании до 10 мин становятся заметны не окрашенные битумным вяжущим минеральные заполнители.

Так как составы АПБ разрабатываются для применения в качестве гидроизоляционных материалов, основная цель - определение их водо- и коррозионной стойкости.Устанавливали следующие физикомеханические свойства: прочность на сжатие при температурах +20, +50, (- 40) °С; водостойкость при испытании вакуумированных образцов на сжатие при 20 °С и соответствующие коэффициенты (тепло- и водостойкости, эластичности и пластичности). Кроме того, находили водопоглощение и набухание под вакуумом и в условиях длительного хранения в воде в течение 2-х лет.

Свойства АПБ определяли стандартными методами на образцах в форме цилиндров, диаметр d которых равнялся высоте h (71,4 мм). Образцы изготавливали при температуре 100 °С прессованием под давлением 40 МПа. Определение свойств проводили в соответствии с ГОСТ 12801 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и аэродромные и асфальтобетон. Методы испытаний». Водостойкость была проверена тремя способами: экспресс-методом при вакуумировании, методом насыщения в воде при температуре 80 °С в течение 72 ч, что соответствует пребыванию в воде в течение года, и методом длительного хранения в течение 2 лет в водной среде.

Коррозионная стойкость асфальтобетона определяется в основном стойкостью битумного вяжущего; поэтому испытания проводились в щелочной (pH = 14), кислой (pH = 1,1) и нейтральной (pH = 7) средах. Образцы испытывались в растворах соляной кислоты (9,2 мл/л НС1 с плотностью 1,17г/см3), NaOH (5,6 г на 1л воды) и водопроводной воде. Наблюдали за изменением массы во времени. Для повышения точности взвешивали не сами образцы, а растворенное вещество после выпаривания. На основании полученных результатов строили экспериментальные зависимости растворимости ПБВ от времени пребывания в коррозионной среде (рис. 3.3).

Как видно из этого рисунка, поведение разных видов ПБВ в различных средах неодинаково и скорость растворения зависит от времени пребывания в среде. В начальный период (до 3 мес.) скорость растворения повышенная; с течением времени она уменьшается и к 6 мес. коррозионные процессы стабилизируются. Для ПБВ с добавкой ЭТС-32 и совместной добавкой ЭТС-32 и каучука СКДП-Н растворимость в кислой и щелочной средах ниже, чем в воде.

Скорости растворения (г/см2-ч) битума битума и ПБВ к 6 мес. пребывания в коррозионной среде приводятся в табл. 3.16.

Как видно из таблицы, наибольшие скорости растворения в щелочной и кислой средах характерны для чистого битума, а в чистой воде - для составов с ЭТС-32. Это происходит, по-видимому, потому, что в водной среде ЭТС-32 гидролизуется с образованием геля кремниевой кислоты. Однако процессы гидролиза и конденсации образовавшихся продуктов практически заканчиваются через 6 мес. Для ПБВ с добавкой ЭТС-32 и совместной добавкой ЭТС-32 и каучука СКДП-Н растворимость в кислой и щелочной средах ниже, чем растворимость в воде.

Из табл. 3.15 также видно, что по коррозионной стойкости исследуемые составы ПБВ намного превосходят разработанные ранее требования (табл. 2.1). На основании выполненной работы можно сделать вывод о том, что для ПБВ и, по-видимому, для АПБ, приготовленного на нем, щелочная и кислые среды не являются опасными. Этот вывод очень важен для проектирования гидроизоляции специальных гидротехнических сооружений типа шламонакопителей и отстойников, работающих в щелочных и кислых средах.

Таблица 3.16

Скорости растворения битума БНД 60/90 и ПБВ в различных средах (г/см2 ч)

Составы

Коррозионная среда

Н20

NaOH

НС1

БНД 60/90

0,40 10'7

1,6 10'7

1,0-10'7

БНД 60/90 + + 5 % ЭТС-32

0,6-10'7

0,07-10'7

0,53 10'7

БНД 60/90 +

+ 5 % ЭТС-32 + + 5 % СКДП-Н

0,3-10'7

0,3-10'7

0,87-10'7

Физико-механические показатели АПБ в сравнении с такими же показателями АБ на «чистом» битуме приведены в табл. 3.17.

В табл. 3.17 и далее использована следующая маркировка составов:

асфальтобетон на «чистом» битуме - АБо;

асфальтобетон на ПБВ с 5 % ЭТС-32 - АПБэ;

асфальтобетон на ПБВ с 5 % СКДП-Н - АПБк;

асфальтобетон на ПБВ с 5 % ЭТС-32 и 5 %СКДП-Н - АПБэк

Коррозионная стойкость полимербитумных вяжущих. Зависимость удельного изменения массы в г/см Ю от времени выдерживания в агрессивных средах в тыс. ч

Рис.3.3. Коррозионная стойкость полимербитумных вяжущих. Зависимость удельного изменения массы в г/см2 Ю-4 от времени выдерживания в агрессивных средах в тыс. ч:

_«чистый» битум;------5 % ЭТС-32;_Д_5 % ЭТС-32+5 % СКДП-Н

Физико-механические показатели АБ и АПБ

Таблица 3.17

Наименование показателей

АПБэ

АПБк

АПБэк

АБо

Остаточная пористость асфальтобетона, %

0,5

0,8

0,1

0,1

Толщина пленки битума и ПБВ на поверхности минерального материала, мкм

1,19

1,27

1,27

1,27

Предел прочности при сжатии, МПа, при °С:

  • 20
  • 50
  • 0
  • (-40)
  • 2,55
  • 1,77
  • 5,81
  • 19,2
  • 2,50
  • 1,20
  • 5,46
  • 17,22
  • 2,55
  • 2,2
  • 5,9
  • 22,36
  • 2,91
  • 0,8
  • 10,19
  • 24,14

Предел прочности после водонасыщения под вакуумом, МПа

4,63

3,50

3,91

2,58

Коэффициенты:

теплостойкости

эластичности

пластичности

водостойкости

  • 1,44
  • 2,28
  • 3,28
  • 1,81
  • 2,08
  • 2,18
  • 4,55
  • 1,40
  • 1,16
  • 2,31
  • 2,64
  • 1,53
  • 3,64
  • 3,50
  • 12,74
  • 0,89

Водонасыщение по объему под вакуумом, %

0,44

0,46

0,68

1,37

Набухание по объему под вакуумом, %

0,10

0,14

0,22

1,0

Водонасыщение по объему при 80 °С за 3 сут, %

0,70

0,70

0,56

1,27

Набухание по объему при 80 °С за 3 сут, %

0,43

0,16

0,39

0,79

Длительное водопоглощение за 2 года, %

1,42

1,27

и

7,25

Как видно из табл. 3.17, изученные асфальтополимербетоны по всем показателям превосходят разработанные ранее требования (табл. 2.1) и свойства асфальтобетона без полимерных добавок. На основании этой таблицы можно судить о повышенной деформативной способности асфальтополимербетона по сравнению с составом асфальтобетона. Косвенным доказательством повышенной деформативной способности АПБ является меньшее значение коэффициента пластичности по сравнению с АБо.

Итак, в битуме этилсиликат в битуме выполняет комплексную роль: структурирует или пластифицирует его в зависимости от дозировок и улучшает деформативную способность битумов при отрицательных температурах, водостойкость, адгезию к бетону и минеральным заполнителям, в том числе к влажным, химическую и атмосферную стойкость.

Выбран оптимальный состав ПБВ с 5 % ЭТС-32 и 5 % каучука СКДП-Н, установлена связь структуры со свойствами ПБВ. Оптимальной структуре соответствуют повышенные качественные показатели вяжущего: температура размягчения - около 60 °С; адгезия к бетону - 0,40 МПа; водопоглощение под вакуумом - 0,35 %; температура хрупкости - (- 46)°С.

Разработаны и исследованы составы ПБМ и АПБ, которые не только отвечают, но и превосходят требования к деформативной способности при отрицательных температурах, водостойкости и коррозионной стойкости.

Получены математические зависимости основных свойств ПБВ и ПБМ от процентного содержания компонентов, что позволяет проектировать составы с необходимым комплексом свойств.

Проведенные в течение 1-го испытания оптимального состава ПБВ в показали, что процессы гидролиза этилсиликата в битуме проходят с наибольшей скоростью в течение первых 200 сут, в результате чего растет адгезия к бетону (до 0,8-0,9 МПа), на 5-7 °С увеличивается теплостойкость и незначительно (на 3-4 %) снижается растяжимость. После 200 сут эти показатели стабилизируются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >