CC BY
66
УДК 625.855.31/32
ПЫЖОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ, аспирант, [email protected]
Саратовский государственный технический университет,
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ УКАТЫВАЕМОГО ДОРОЖНОГО ЦЕМЕНТНОГО БЕТОНА С ДИСПЕРСНЫМ БИТУМОМ
Предложена эффективная технология производства цементного бетона с дисперсным битумом, практическое применение результатов которой позволит упростить технологию приготовления цементобетонных смесей с добавками органических вяжущих, исключить расходы на дорогостоящие поверхностно-активные эмульгаторы и специальное оборудование для приготовления и хранения битумных эмульсий. Рассмотрены процессы формирования структуры цементного бетона с дисперсным битумом с привлечением представлений термодинамики гетерогенных систем. Доказана эффективность уплотнения цементобетонных смесей с дисперсным битумом методом укатки. Приведены результаты исследования дорожно-технических свойств цементного бетона с дисперсным битумом.
Ключевые слова: цементный бетон, битумная эмульсия, укатка, составленное вяжущее, термообработка.
PYZHOV, ANDREY SERGEYEVICH, P.G.,
Saratov State Technical University,
77 Polyteknicheskaya st., Saratov, 410054, Russia
TECHNOLOGY OF PRODUCTION AND USE OF ROAD ROLLED CONCRETE WITH DISPERSE BITUMEN
The new effective technology of production and usage of cement concrete with disperse bitumen was suggested in the article. The described technology makes possible to simplify the production of cement concrete mixes with additives of organic binding agents and allows to reduce overall production costs related to expensive liquid emulsifying agents, special equipment for storage and preparation of emulsifying agents. Cement concrete (with mix-in of disperse bitumen) structure formation processes were considered using the thermodynamics of heterogeneous systems. Efficiency of consolidation of concrete mixes with disperse bitumen by rolling method was proved. Research results of most important characteristics of cement concrete with disperse bitumen were described in the article.
Keywords: concrete, bitumen emulsion, rolling, complex binding, thermo-processing.
Одним из направлений улучшения свойств цементного бетона является добавка в цементобетонную смесь нефтяного битума. Эффективность совместного применения битума и цемента в цементных бетонах отмечается в работах А.П. Коршуновой, В.А. Николаева, В.М. Гоглидзе, А. Холла, С.В. Шесто-перова, В.Г. Волкова, Т.П. Лещицкой, А.В. Потапова, Е.Ю. Бушневой, С.И. Мирошниченко и др.
© А.С. Пыжов, 2010
Анализ литературных данных и патентной информации показал, что наиболее изученной и широко применяемой является технология приготовления цементного бетона с добавками битума в виде эмульсии на жидких поверхностно-активных эмульгаторах. Предварительное диспергирование битума и введение его в минеральную смесь в виде эмульсий отличается простотой, достаточно высокой технологичностью и признано многими исследователями как наиболее эффективное. Однако необходимость предварительного приготовления, технологические трудности производства, хранения, транспортирования, дозирования и высокая стоимость эмульсий на жидких эмульгаторах значительно снижают технико-экономическую эффективность производства на их основе дорожных бетонов. К тому же для приготовления плотных смесей, в частности цементобетонных, можно применять только медленнораспадающиеся битумные эмульсии с повышенным содержанием жидкого эмульгатора, в результате чего происходит «перемасливание» (по П.А. Ребиндеру) минеральной поверхности, что негативно отражается на процессах гидратации цемента и конечных свойствах бетона. Согласно ГОСТ 12.1.007-99 битумные эмульсии относятся ко второй группе материалов по токсичности.
Использование отдельно приготовленных битумных эмульсий на твердых эмульгаторах (БЭТЭ) с их последующим введением в смесь позволяет исключить негативное влияние жидких эмульгаторов на твердение цемента и свойства цементного бетона. Но многостадийность и трудоемкость операций по их приготовлению, использование оборудования различного назначения приводят к значительному увеличению себестоимости бетонных смесей. К тому же при использовании в качестве твердого эмульгатора цемента, способного к гидравлическому твердению, исключается возможность предварительного приготовления и хранения БЭТЭ.
В настоящее время большое внимание уделяется уплотнению цементного бетона методом укатки [1]. Показано, что применение укатываемого цементного бетона в конструкциях дорожных одежд позволяет исключить недостатки, присущие традиционной технологии устройства бетонных покрытий, и получать бетон с улучшенными показателями свойств. В России укатываемый бетон находится в процессе изучения и экспериментального апробирования.
В Саратовском государственном техническом университете предложена и разрабатывается эффективная технология цементного бетона с дисперсным битумом, которая обладает рядом очевидных преимуществ с точки зрения экономии энергии, материальных и технических ресурсов, охраны окружающей среды по сравнению с цементными бетонами на битумных эмульсиях. Отличительной особенностью технологии является образование в объеме приготавливаемой бетонной смеси прямой медленнораспадающейся неионогенной битумной эмульсии на твердом эмульгаторе, роль которого выполняет цемент.
Цементный бетон с дисперсным битумом является необратимой гетерогенной системой гидрофильно-гидрофобного типа. Дифильность системы обусловлена за счет образования в структуре гидрофильного цементного бетона гидрофобных битумных пленок. Многокомпонентность системы, колебания температуры в ходе реакций твердения цемента, изменение объема и давления (контракция бетона), фазовые превращения, обмен теплотой, мас-
сой и энергией между составляющими смеси позволяют отнести такую систему к термодинамической. С момента приготовления смеси и до окончательно сформировавшегося цементного бетона с добавкой битума протекают термодинамические процессы, описываемые представлениями физической химии о поверхностных явлениях в дисперсных системах. Процессы структурообра-зования происходят в направлении достижения состояния устойчивого равновесия и носят самопроизвольный характер. Согласно данным представлениям теоретически были рассмотрены: 1) смачивание водой минеральных составляющих; 2) диспергирование и стабилизация битума цементом; 3) уплотнение смеси; 4) формирование битумной пленки; 5) адгезия битума к минеральным материалам. Цементный бетон с дисперсным битумом является системой открытого типа, которая после смешения компонентов проходит через ряд равновесных состояний, обмениваясь с окружающей средой веществом (испарение влаги) и энергией (нагрев бетона солнцем).
Энергетические потенциалы составляющих смеси являются движущим фактором процессов, происходящих в цементном бетоне. Общая энергия системы в цементном бетоне с дисперсным битумом представляется суммой химических Gхим и физических (поверхностных) Gпов составляющих энергии:
где Н, S - соответственно энтальпия и энтропия системы; Т - абсолютная тем-
где стг, стж, с жг - удельные свободные энергии на границах раздела фаз; £тг, £тж, £„ - площади раздела фаз.
Добавка битума в структуру цементного бетона практически не отража-
лизации битума, образования битумных пленок и их адгезии к минеральной поверхности).
Смачивание минеральных составляющих смеси водой является начальной стадией их физико-химического взаимодействия. При смачивании водой минеральных составляющих цементобетонной смеси имеют место два вида смачивания: смачивание инертных к воде поверхностей (щебень, песок) и активных, способных к химическому взаимодействию (цемент). При смачивании щебня и песка твердая фаза и контактирующая с ней вода находятся в химическом равновесии или близки к нему. Основной процесс, который происходит после соприкосновения воды с гидрофильной твердой поверхно-
(1)
где ^ Gхим - суммарная энергия, высвобождающаяся или затрачиваемая в ходе химических реакций гидролиза и гидратации цемента.
ахи, = Н - Т8, (2)
(2)
пература; ^Спов - суммарная энергия, возникающая в результате образования и исчезновения поверхностей раздела, фазовых превращений.
(3)
ется на величине ^ Схим , но ее присутствие оказывает существенное влияние на ^ Опов (на стадиях дозирования составляющих, диспергирования и стаби-
стью, - уменьшение общей поверхностной энергии системы за счет лиофили-зации системы в результате образования границ раздела «твердое - вода» и «вода - воздух». При смачивании цемента химические и энергетические потенциалы компонентов жидкой и твердой фаз не равны. Поверхностная энергия на границе раздела фаз в этой системе не остается постоянной, а изменяется в зависимости от времени контакта и сильно зависит от интенсивности процессов гидролиза и гидратации цемента. Изменения свойств фаз носят необратимый характер. Все минеральные составляющие бетонной смеси являются высокоэнергетическими (о > 100 мДж/м2), поэтому легко смачиваются водой, имеющей поверхностную энергию 72-73 мДж/м2. Ухудшение смачивания может иметь место в результате кинетического и физико-химического гистерезиса, причинами которых являются наличие на твердой поверхности различного рода энергетических барьеров (шероховатость поверхности, микротрещины, пористость, химические реакции между цементом и водой и т. д.), затрудняющих перемещение периметра смачивания, а также при влажности щебня и песка, соответствующей образованию на поверхности их зерен слоя ориентированной воды толщиной 10-6-10-5 см (по Б.В. Дерягину [2]), снижающего их поверхностные энергии до уровня ниже поверхностной энергии свободной воды. Вода в этом случае сама выступает как бы в роли гидрофобизатора поверхности, препятствуя смачиванию.
При приготовлении цементобетонных смесей, как правило, осуществляется «сухое» перемешивание минеральных компонентов смеси с последующим введением необходимого количества воды (в один прием). При таком перемешивании зерна щебня и песка покрываются слоем рыхлого порошка цемента. Вводимая в смесь вода не пропитывает цементный порошок. Разбиваясь на множество капель (шариков), объемных пленок, она свободно перекатывается по цементу. Частицы порошка адгезируют к перекатывающейся воде, отрываются от массы порошка, удерживаются на поверхности объемной воды, смачиваются и поглощаются (рис. 1). Процесс продолжается до увлажнения всего порошка, образования суспензии. В момент введения воды объем смеси увеличивается на объем воды и затем уменьшается по мере осуществления смачивания.
Рис. 1. Смачивание цемента после «сухого» перемешивания минеральных составляющих смеси
На этом основании предлагается дозирование составляющих осуществлять в такой последовательности: щебень + песок ^ вода ^ цемент. Щебень и песок увлажняются мгновенно и создают большую суммарную поверхность воды, что способствует быстрому и равномерному смачиванию цемента с образованием однородной цементной суспензии, способной эмульгировать битум. В готовую бетонную смесь вводится разогретый до рабочей температуры нефтяной битум и происходит его диспергирование.
После введения битума в состоянии ньютоновской жидкости (120-160 °С) в холодную (18-22 °С) увлажненную смесь составляющих он охлаждается и приобретает свойства высоковязкой структурированной жидкости, способной к вытягиванию в нити. Под действием рабочего органа мешалки в объеме смеси образуются битумные нити, которые, достигнув критической толщины, разрываются. Объединение цементобетонной смеси с горячим (120-160 °С) битумом приводит к вспениванию битума, величина которого в основном зависит от температуры и количества вводимого битума и от содержания воды в смеси. Образование пузырьков жидкости и их разрушение, как показали исследования Я.Е. Гегузина [3], сопровождаются ее диспергированием. В случае применения битума это может быть дополнительным явлением, обеспечивающим его дисперсность. Теоретический анализ показал, что стабилизация битума осуществляется путем адгезии глобул битума к частицам твердого эмульгатора через граничный слой воды толщиной 10-6-10-5 см. В основу рассмотрения стабилизации битумных глобул были положены представления Б.В. Дерягина [2] о расклинивающем давлении и П.А. Ребиндера [4] об избирательном смачивании жидкостями твердого тела. При объяснении процессов стабилизации битума, способного к гидролитической диссоциации цементом, справедливы представления С.И. Романова [5], по которым стабилизация битума в объеме дисперсионной среды осуществляется действием двойного электрического слоя, образующегося в результате частичного растворения твердого эмульгатора в воде с образованием ионов.
Введенные в цементобетонную смесь ионогенные эмульсии способны изменять минералогический состав новообразований цемента [6], что в конечном итоге приводит к снижению прочности бетона. В предлагаемой технологии цементного бетона с дисперсным битумом из-за отсутствия поверхностно-активных эмульгаторов взаимодействие цемента с водой происходит по известной схеме, как в обычных цементных бетонах. Формирование цементно-битумного камня протекает в три основные стадии. На первой стадии при затворении минеральных компонентов водой и введении разогретого битума происходит его диспергирование. При этом образуется коагуляционная структура цементного теста с включением битумных глобул. На второй стадии в результате гидратации цемента число коагуляционных контактов между частицами цемента резко возрастает, при этом наблюдается развитие процесса схватывания, сопровождающееся упрочнением структурных связей. В начальной стадии этого процесса структура еще сохраняет способность к тиксотропному восстановлению после прекращения механических воздействий. По мере химического связывания воды цементом, испарения влаги и появления пор создаются условия для растекания битумных глобул по влажным поверх-
ностям минеральных составляющих. На третьей стадии происходит переход цементного теста, постепенно утрачивающего свои обратимые тиксотропные свойства, в искусственный камень. Лавинная кристаллизация приводит к образованию структур гидратационного твердения. Прочность структуры при этом резко возрастает. Параллельно с растеканием битума происходит его абсорбция в открывшиеся поры бетона, завершающаяся образованием битумной пленки (сплошной или дискретной, в зависимости от содержания битума).
Завершающим этапом в технологическом процессе по устройству покрытий из цементного бетона с дисперсным битумом является уплотнение бетонной смеси. Цементобетонные смеси с дисперсным битумом относятся к сложным средам, имеющим большое количество переменных величин, оказывающих влияние на эффективность уплотнения. Уплотняемая цементобетонная смесь по мере увеличения плотности, упрочнения контактов между частицами, а также благодаря присутствию в системе вязкого битума, который при низкой температуре обладает значительной прочностью, приобретает большую сопротивляемость уплотнению и способность перераспределять напряжения. Первоначально после уплотнения все потенциальные поры заполнены водой. Связности цементного бетона способствует капиллярное (лапла-совское) давление. Вода в этом случае выполняет роль связующего.
После уплотнения смеси бетон имеет плотную четырехкомпонентную структуру, в которой битум находится в виде отдельных глобул. Образование битумной пленки на поверхности минерального заполнителя в цементном бетоне происходит за счет растекания битума, которое начинается по поверхности воды (свободной и связанной) на начальных этапах твердения бетона и заканчивается по поверхности твердого.
Завершающей стадией формирования битумных пленок является адгезия битума к минеральным поверхностям бетона. Энергетически это описывается уравнением Дюпре - Юнга. Адгезия битума осуществляется в несколько этапов: к свободной воде, к минеральному заполнителю через промежуточный гидратный слой воды и непосредственно к заполнителю. Независимо от абсолютной величины адгезия битума к свободному слою воды практически не влияет на увеличение связности цементобетонной смеси, так как битум не оказывает сопротивления сдвигу, скользя по поверхности воды. При уменьшении толщины слоя воды между битумом и минеральным заполнителем до 10-6-10-5 см, за счет ее испарения и поглощения цементом, вода становится ориентированной по отношению к минеральному заполнителю. Связность возрастает за счет проявления непосредственного точечного контакта битума с минеральным заполнителем в местах остроугольных неровностей. После испарения воды происходит непосредственный контакт битума с частицами минерального заполнителя. При этом имеет место диффузионная (механическая) адгезия, осуществляемая путем абсорбции битума в капилляры цементного бетона. Абсорбция битума в открывшиеся поры бетона происходит преимущественно под влиянием капиллярных и массовых сил, но может усиливаться контракцией бетона и конденсационным вакуумом. В зависимости от химического и группового состава битума и минералогического состава цементного клинкера при взаимодействии битума с цементным камнем не
исключены и хемосорбционные процессы с образованием химических типов связей, формула (4), значительно превышающих энергию физических связей и способствующих повышению водостойкости, морозостойкости и прочности бетона.
Са2+ + 2ЯС00Н- ^ Са(ЯС00)2. (4)
Окончательное формирование структуры бетона (формирование цементного камня и битумной пленки) осуществляется в покрытии в ходе его эксплуатации.
В качестве исходных компонентов при изготовлении опытных образцов бетонов использовался портландцемент марки ПЦ 500, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85* для дорожных бетонов, гранитный щебень марки М 1400 и нефтяной битум БНД 90/130, удовлетворяющие ГОСТ 8267-93* и ГОСТ 22245-90* соответственно, вода водопроводная.
Основные исследования проведены на цементобетонной смеси, состоящей из щебня (10-5 мм) - 55 %, искусственного песка (< 5 мм) - 30 %, цемента - 15 %, воды - 6 %.
Эмульгирующая способность цемента определялась на БЭТЭ и оценивалась средним диаметром битумных глобул Дср (степень дисперсности), который определялся на биологическом микроскопе МИН-4 с применением расчетного метода дисперсионного анализа И.А. Плотниковой [7], и максимальным коэффициентом концентрации К, представляющим массовое отношение битума к эмульгатору. Для сравнения эмульгирующей способности цемента (тонкостью помола 97 %) применялся неактивированный известняковый минеральный порошок, удовлетворяющий требованиям ГОСТ Р 52129-2003, с содержанием зерен менее 0,0071-100 %. Битум марок БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200 при температурах 120-160 °С вводился в суспензию эмульгатора в диапазоне температур 20-80 °С. Влажность суспензии соответствовала максимальной водоудерживающей способности эмульгаторов. Степень дисперсности битума в БЭТЭ и максимальный коэффициент концентрации с цементом несколько ниже, чем с известняковым порошком, которые при температурах битума БНД 90/130 160 °С и суспензии 20 °С составили: для цемента - Дср = 30 мкм, К = 1,18; для известнякового порошка -Дср = 24 мкм, К = 1,3. Домол цемента в лабораторной шаровой мельнице с 97 до 99,2 % при тех же условиях позволил получить дисперсность битума Дср = 27 мкм и К = 1,28. Учитывая, что в цементобетонных смесях возможное отношение количества битума к цементу и мельчайшим частицам песка не превышает 0,5, в них имеются благоприятные условия для диспергирования битума. Снижение вязкости исходного битума, увеличение температур битума и суспензии твердого эмульгатора способствуют увеличению степени дисперсности битума.
Механизм диспергирования битума в БЭТЭ и цементобетонных смесях не имеет принципиальных отличий. В обоих случаях после введения в смесь битум образует нити длиной до 70 мм в БЭТЭ и до 60 мм в цементобетонных смесях, которые в процессе перемешивания вытягиваются до критической толщины и распадаются на глобулы. Степень дисперсности битума в смесях
всегда ниже дисперсности в БЭТЭ, что объясняется неоднородностью смеси из-за присутствия щебня и песка.
Изучение диспергирования битума в цементобетонных смесях при различном количестве цемента (10 и 16 %) позволило установить оптимальную влажность смеси (В/Ц = 0,4), позволяющую получать удовлетворительную дисперсность битума - 85-95 мкм и уплотнять смеси укаткой дорожными катками.
Физико-механические свойства цементного бетона определялись на цилиндрических образцах йг = 50,5 мм и й 2= 71,4 мм и образцах-балочках размером 40^40x160 мм. Смеси готовились в лабораторной двухвальной мешалке принудительного действия. Отдозированные щебень и песок при комнатной температуре одновременно загружались в мешалку, после чего вводилось необходимое количество воды. После 5 с перемешивания вводился цемент. Перемешивание продолжалось до достижения полной однородности (смочен-ности) смеси (15-20 с). В ходе перемешивания в один прием вводилось требуемое количество разогретого до 160 °С нефтяного битума. Время перемешивания смеси с битумом составляло 20-25 с.
Уплотнение смесей в цилиндрических формах осуществлялось на формовочном прессе ПСУ-50 в течение 3 мин под нагрузкой, зависящей от содержания воды и битума в смеси, но близкой к началу выжимания воды (30-50 МПа). Уплотнение образцов-балочек размером 40x40x160 мм осуществлялось на установке с перекатывающей нагрузкой для уплотнения смесей, разработанной и сконструированной в СГТУ (а.с. № 1216012 [8]). После уплотнения образцы помещались в камеру, обеспечивающую стандартные для бетона условия твердения. Образцы бетонов в возрасте 28 суток извлекались из камеры и в течение 12 часов подвергались термической обработке при температуре 90 °С, что в конечном счете позволяло получать бетон со свойствами, приближающимися к свойствам цементного бетона в покрытии.
Зерновой состав минеральной части подобран из отдельных фракций гранита с максимальным размером зерен щебня 10 мм и отвечал требованиям зернового состава высокоплотных асфальтобетонов по ГОСТ 9128-97. Количество цемента принималось из условия обеспечения минимальной прочности цементного бетона на растяжение при изгибе (В ьь 4,0) и прочности на осевое сжатие (В 30). В цементобетонную смесь принятого состава в количестве 1-5 % от массы минеральной части вводился нефтяной битум. Основные показатели свойств образцов цементного бетона с дисперсным битумом (табл. 1) определялись согласно ГОСТ 12730.2, ГОСТ 12730.3, ГОСТ 10180-90, ГОСТ 12801-98*.
Прочности бетонов на осевое сжатие и растяжение при изгибе (таблица) приведены с учетом коэффициентов перехода образцов нестандартной формы к эталонной (куб с ребром 150 мм и балка размером 150x150x600 мм), значения которых определялись в соответствии с ГОСТ 10180-90. С увеличением содержания битума в составе цементного бетона прослеживается уменьшение отношения прочности бетонов на сжатие к прочности на изгиб, что косвенно указывает на повышение деформативных характеристик и трещиностойкости цементных бетонов с дисперсным битумом. Высокое значение коэффициента
длительной водостойкости цементного бетона без добавок битума объясняется увеличением прочности бетона в водонасыщенном состоянии за счет продолжающейся гидратации цемента. С добавкой битума наблюдается снижение коэффициента длительной водостойкости, которое обусловлено тем, что битум за счет гидрофобизации пор уменьшает водопоглощение бетона, тем самым замедляя (исключая) позднюю гидратацию цемента.
Таблица 1
Основные физико-механические свойства цементных бетонов с дисперсным нефтяным битумом
Показатели свойств Количество битума, %
- 1 2 3 4 5
Степень дисперсности битума мкм - 93 93 93 94 95
Объемная масса, г/см3 2,52 2,49 2,46 2,43 2,40 2,37
Водопоглощение, % по объему 9,37 5,54 4,66 3,86 2,78 2,21
Предел прочности при сжатии, МПа: 1) свежеотформованных образцов 0,45 0,47 0,52 0,77 0,89 0,93
2) через 10 часов после приготовления смеси 7,2 6,3 5,5 4,8 4,0 3,6
3) через 28 сут при: 0 °С 46,0 45,1 37,5 33,3 27,6 25,4
20 °С 46,0 44,4 34,8 27,7 20,8 16,3
5 О о О 46,0 43,6 32,9 25,4 17,9 13,4
Предел прочности при изгибе, МПа 5,8 5,6 4,7 4,2 3,6 3,3
Модуль упругости, ГПа 34,2 28,4 24,3 18,8 11,8 7,6
Коэффициент водостойкости 0,95 0,96 0,96 0,96 0,95 0,95
Коэффициент водостойкости при длитель- 1,1 1,08 1,04 1,01 1,00 1,00
ном водонасыщении
Обладая демпфирующими свойствами, битум повышает шумопоглощающую способность бетона и обеспечивает повышение его ударной выносливости, что особенно ценно для покрытий автомобильных дорог. С добавлением 1 % битума шумопоглощающая способность бетона увеличивается в среднем на 0,45 дБ; 3 % - на 1,45 дБ; 5 % - на 3,5 дБ по сравнению с цементным бетоном, не содержащим битум. Добавка битума в количестве 3 % позволила в 2 раза увеличить ударную прочность бетона.
Испытание бетонов на морозостойкость осуществлялось по второму базовому методу ГОСТ 10060.0-95 на цилиндрических образцах высотой и диаметром 71,4 мм из цементобетонной смеси принятого состава. Морозостойкость бетона, содержащего 1 % битума, остается в пределах одной марки (р 300) по морозостойкости с бетоном без добавок битума. При добавлении битума в смесь в количестве 3 и 5 % морозостойкость бетона увеличивается до марок р (600) и р (800) соответственно.
Уплотнение цементобетонных смесей с дисперсным битумом укаткой исследовалось на лабораторном стенде с перекатывающей нагрузкой (а.с. № 1216012 [8]) при удельном давлении 30-80 кг/см. Установка позволяет
моделировать работу катков и формовать образцы цементного бетона с дисперсным битумом со структурой, близкой к структуре реального цементного бетона, получаемого на дороге. Присутствие битума оказывает влияние на перераспределение воды в уплотняемом слое и приводит к образованию между частицами минерального материала достаточно прочных и вместе с тем вязких связей, поэтому цементобетонные смеси с дисперсным битумом требуют уменьшения максимальной толщины уплотняемого слоя и увеличения приложения циклических нагрузок по сравнению с цементобетонными смесями без добавок битума. Максимальная толщина бетона в уплотненном состоянии при удельном давлении 80 кг/см составила: для цементобетонной смеси - 18 см; при добавлении 1 % битума - 17,5 см; при 3 % битума - 16 см; при 5 % битума - 15 см. Применение виброукатки позволило уплотнять эти же толщины меньшим удельным давлением - 50-60 кг/см, что соответствует работе среднего катка с включенным вибратором. Находясь в диспергированном состоянии, битум некоторое время блокирует развивающиеся кристаллизационные связи в цементном бетоне, замедляя сроки начала и конца схватывания цемента: без добавок битума со 132 и 188 мин, при 5 % битума до 183 и 262 мин. Это позволяет транспортировать смеси на большие расстояния и продлять работы по их укладке и уплотнению.
Разработана и запатентована технология (пат. № 1351703 [9]) применения в составе цементного бетона составленных вяжущих, состоящих из каменноугольного дегтя, нефтяного и сланцевого битумов в любом количественном соотношении, которые одновременно, раздельно вводятся в цементобетонную смесь, где происходит их независимое диспергирование и стабилизация цементом с образованием смешанной эмульсии на твердом эмульгаторе. Проведенные исследования показывают, что свойства цементного бетона с составленными вяжущими, содержащими до 60 % каменноугольного дегтя Д-1 или (и) до 60 % сланцевого битума БСД 250/330 от массы вяжущего, практически не отличаются от цементного бетона, содержащего нефтяной битум, что дает основания рассматривать составленное вяжущее в качестве альтернативы нефтяному битуму.
Присутствие битума в составе цементобетонной смеси замедляет процесс испарения влаги из материала. Однако, находясь в раздробленном состоянии в объеме смеси (сразу после уплотнения бетона), а не в виде пленок, битум неэффективно препятствует испарению воды из твердеющего бетона. Предложен эффективный способ с целью создания защитного слоя для цементного бетона с дисперсным битумом, заключающийся в термической обработке поверхности покрытия открытым пламенем газовой горелки. Разработано и запатентовано устройство для его осуществления [10] (рис. 2).
Предпосылками способа послужили высокая первоначальная прочность бетона (см. таблицу), дающая возможность проезда автотранспорта по свеже-уложенному слою, и то, что в составе бетона уже содержится БЭТЭ. При достаточном содержании битума в смеси его глобулы, находящиеся вблизи поверхности, растекаются до состояния пленки, образуя надежный антифильтрацион-ный экран, препятствующий преждевременному испарению влаги из бетона. Для исключения выгорания битума температура нагрева покрытия не должна превышать 180 °С. Эффективность термической обработки (образовавшейся
пленки) оценивалась лабораторным способом по потерям массы образцов через 28 суток твердения. Образцы с содержанием битума 1-5 % от массы минеральной части подвергались всесторонней термообработке открытым пламенем газовой горелки эжекционного типа мощностью 10 кВт. С целью меньшего испарения воды поверхность образцов нагревалась до температуры 140 °С. Хранение образцов осуществлялось в комнатных условиях. За 28 суток образцы теряли до 2,77 % от своей первоначальной массы. Потеря массы термообработанных образцов через 28 суток хранения составила: при 1 % битума - 2,19 %; при 2 % битума - 1,72 %; при 3 % битума - 1,27 %; при 4 % битума - 1,15 %; при 5 % битума - 1,04 %. Термообработка поверхности битумосодержащего бетона наиболее эффективна при содержании в смеси битума от 3 % и более. Под воздействием высокой температуры происходило мгновенное схватывание цемента с образованием слоя («корки») из цементо-битумного вяжущего толщиной 2-4 мм, свойства которого близки к приведенным в таблице.
10 17 15 8 И ^*\
12 7 6 5
\\ \\ \
Рис. 2. Схема установки для устройства защитного слоя поверхности цементобетонного покрытия с дисперсным битумом:
1 - рама; 2 - шасси; 3 - штанги; 4 - буксировочное устройство; 5 - защитный шкаф; 6 - источник питания; 7 - коллектор; 8 - нагреватели; 9 - рассекатель пламени; 10 - кожух; 11 - держатели; 12 - эжекторы; 13 - валец; 14 - съемная рабочая поверхность вальца; 15 - перегородка; 16 - вентилятор; 17 - откидная крышка; 18 - гибкие фартуки; 19 - отверстия для отвода продуктов сгорания; 20 - датчик температуры; 21 - гидроцилиндры
Ямочный ремонт, осуществленный в июле 2009 г. на улицах г. Саратова, позволил установить высокую эффективность применения цементного бетона с дисперсным битумом для ремонта асфальтобетонных покрытий, работающих в «тяжелых» дорожных условиях (участки с интенсивностью движения более 12 тыс. авт./сут, участки с преимущественным движением грузового автотранспорта, перекрестки, а также участки с плохо организованным стоком, характеризующиеся длительным застоем воды в период дождевых осадков и таяния снега). Это позволяет полагать, что применение уплотняемого катками цементного бетона с дисперсным битумом позволит получить достаточно высокий технико-экономический эффект при строительстве дорожных покрытий.
Экономическая эффективность новой технологии складывается из экономии материальных ресурсов за счет упрощения технологической линии и замены битумных эмульсий на вязкий нефтяной битум. Выполненные расчеты показали, что при оптимальном содержании битума в количестве 3 % экономия себестоимости цементобетонных смесей по предложенной технологии составляет 1069 руб./м3 по сравнению с затратами на приготовление смесей с битумными эмульсиями. Эффективность устройства защитного слоя битумосодержащего цементного бетона путем нагрева его поверхности газовыми горелками до температуры 140-160 °С в сравнении с традиционными способами ухода за бетоном, заключающимися в нанесении на поверхность бетона пленкообразующих материалов, составляет 0,2-0,4 руб./м2, что на 5,1—5,3 руб. меньше ухода за бетоном с использованием битумных эмульсий.
Выводы
Предложенная технология цементобетона с дисперсным битумом, уплотняемого укаткой, является более экономичной, так как исключает необходимость применения битумных эмульсий как на стадии приготовления смесей, так и на стадии ухода за покрытием, экологически безопасной, обеспечивает высокие качества бетона.
Библиографический список
1. Ворсина, М.С. Укатываемые бетоны для дорожного строительства на основе отходов КМА : дис. ... канд. техн. наук. — Белгород, 2005. — 179 с.
2. Дерягин, Б.В. О влиянии поверхностных сил на фазовые равновесия полимолекулярных слоев и краевой угол смачивания / Б.В. Дерягин, А.М. Щербаков // Коллоидный журнал. — 1961. — № 1. — C. 65—69.
3. Гегузин, Я.Е. Капля / Я.Е. Гегузин. — М. : Наука, 1977. — 176 с.
4. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика / П.А. Ребиндер. — М. : Наука, 1979. — 384 с.
5. Романов, С.И. Вопросы теории эмульгируемости битумов на твердых эмульгаторах и преимущества активированных битумных паст / С.И. Романов // Вопросы строительства автомобильных дорог: сб. статей. — Алма-Ата : Казахстан, — 1967.
6. Бушнева, Е.Ю. Цементные растворы и бетоны с добавками модифицированных битумных эмульсий : дис. ... канд. техн. наук. — М., 2005. — 138 с.
7. Ляпина, А.И. Анализ и сопоставление графического и расчетного методов определения показателей дисперсности битумных эмульсий / А.И. Ляпина, И.А. Плотникова // Тр. СоюздорНИИ. — 1977. — Вып. 100. — С. 120—130.
8. Устройство для уплотнения строительных смесей в форме : а.с. № 1216012 СССР: МКИ В 28 В 13/02 / А.Ф. Иванов, А.В. Потапов, Н.А. Горнаев, И.В. Михайлов.
9. Способ приготовления холодной органоминеральной смеси для дорожных покрытий : пат. 2351703 Рос. Федерация: МПК Е01С 7/22 / Н.А. Горнаев, В.Е. Никишин, С.М. Ев-теева, С.Ю. Андронов, А.С. Пыжов; опубл. 10.04.09, Бюл. № 10. - 10 с.
10. Установка для термической обработки дорожных покрытий : пат. 2009141924/22 Рос. Федерация: МПК Е01С 21/22 / Н.А. Горнаев, С.Ю. Андронов, А.С. Пыжов, С.М. Евтее-ва; опубл. 10.03.10, Бюл. № 7. - 2 с.
