1167

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

В.С. Прокопец, Ю.В. Иваницкий

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЯЖУЩЕЕ

НА ОСНОВЕ НЕФТЯНОГО ГУДРОНА

И АКТИВИРОВАННОЙ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ

ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Учебное пособие

Допущено УМО вузов Российской Федерации по образованию в области железнодорожного транспорта и транспортного строительства в качестве

учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы» направления подготовки дипломированных специалистов «Транспортное строительство»

Омск Издательство «Академия»

2005

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленными исследованиями и практикой, как у нас в стране, так и за рубежом, доказано, что наиболее реальным способои снижения стоимости и ускорения темпов дорожного строительства является широкое применение местных материалов, укрепленных различными вяжущими. Многолетние обследования эксплуатируемых участков дорог с основаниями из укрепленных грунтов позволяют утверждать, что такие материалы обладают высокими технико-экономическими и эксплуатационными качествами.

Вяжущие материалы (битум, цемент) весьма дорогостоящи, а транспортирование их к местам потребления еще более снижает рентабельность их применения. Это препятствует широкому использованию укрепленных грунтов. Другие виды вяжущих (синтетические смолы холодного отвердения, каменноугольные или древесные дегти) не всегда эффективны, а также экологически не безопасны.

Использование нефтяного гудрона с резиновой крошкой позволяет получить недорогое вяжущее высокого качества, что является одним из эффективных направлений для решения создавшейся проблемы. В то же время основной трудностью технологии изготовления резино-гудронового вяжущего является создание условий для эффективной девулканизации

изношенной резины и последующего образования каучукового вещества, которое, в конечном итоге, и структурирует нефтяной гудрон. Для положительного разрешения этой задачи в настоящей работе использовано новое научное направление — механохимия, находящееся на стыке двух наук – механики и химии.

Работа посвящена исследованию и улучшению технологических и эксплуатационных свойств вяжущего на основе нефтяных гудронов с добавкой механоактивированного резинового порошка (на примере его применения для

укрепления грунтов), которое проводилось по координационному плану Межвузовской научно-технической программы «Архитектура и строительство».

Учебное пособие восполняет дефицит учебной литературы по дисциплине «Физико-химические основы технологии дорожно-строительных материалов»,

3

входящей в учебный план специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы».

Авторы выражают благодарность преподавателям кафедры «Дорожное и строительное материаловедение» — доценту В.Д. Галдиной и профессору Ю.В. Соколову, а также ждут ваших отзывов, замечаний, предложений, дополнений, направленных на улучшение этого пособия при его переиздании.

Отзывы и замечания просим направлять по адресу: 644080, г. Омск-80, пр. Мира 5, СибАДИ, кафедра дорожного и строительного материаловедения, В.С. Прокопцу и Ю.В. Иваницкому.

4

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ

И ТЕРМИНЫ

Органические вяжущие материалы – природные или полученные в результате переработки природных материалов вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных соединений.

Они могут находиться в жидком, вязко-пластическом или твердом состоянии.

По виду модификатора композиции на основе битума подразделяются на:

—полимерно-битумные вяжущие, получаемые смешением битумов с добавками полимеров;

—резино-битумные вяжущие, получаемые смешением битумов с резиной

визмельченном или частично растворенном виде.

Помимо данных двух композиций может применяться целый ряд других видов битумных композиций.

Гудрон (франц. goudron) — черная смолистая масса, остаток после отгонки из нефти топливных и масляных фракций. Используют для получения нефтяных битумов, как дорожно-строительный материал, сырье для крекинга.

Комплексные органические вяжущие (КОВ) – вяжущие на основе сырья для производства вязких дорожных битумов (гудрон) и различных добавок (дивинилстирольного термоэластопласта, нефтяного асфальтита, серы,

резиновой крошки и др.); вязких битумов и сополимера процесса доочистки сточных вод или полиэтиленового воска; каменоугольной смолы и дивинилстирольного термоэластопласта или серы; каменоугольных дегтей и полистирольной пыли или древесного гидролиза лигнина.

Резина (от лат. resina — смола), (вулканизат) — эластичный материал, образующийся в результате вулканизации каучука. На практике получают из резиновой смеси, содержащей, помимо каучука и вулканизующих агентов, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, порообразователи(см. Резина пористая) и другие компоненты. Основная масса резины используется в

производстве шин (св. 50%) и резинотехнических изделий (ок. 22%). (См. также Каучуки синтетические, Каучук натуральный).

Резиновый порошок — дисперсный материал, полученный путем тонкого измельчения резиновой крошки из старых отработавших шин.

5

Физико-химическая механика — раздел физической химии и коллоидной химии, в котором изучается зависимость структурно-механических свойств дисперсных систем от физико-химических явлений на поверхности

раздела фаз, например, влияние среды на разрушение твердых тел. Физикохимическая механика возникла в середине 30-х гг. XX века главным образом в результате работ П.А. Ребиндера.

Механохимия — раздел физической химии, в котором изучаются химические и физико-химические превращения вещества при механическом воздействии на них. Механохимия рассматривает твердые вещества (влияние трения, измельчения, деформирования, действия ударных волн, высоких давлений, ультразвука) и жидкости (кавитация).

Активация — процессы, ускоряющие химические реакции.

Механоактивация — очень сложный, многоступенчатый процесс изменения энергетического состояния материала в условиях подвода механической энергии. В ее основе лежит изменение реакционной способности твердых тел под воздействием механических сил. Осуществление активационных процессов происходит за счет энергии напряженного состояния измельчаемого материала, энергии упругих и пластических деформации. Механическую активацию используют при производстве строительных материалов, пластификации каучука и в других процессах.

Под грунтом понимают любые горные породы, нижние горизонты почв или твердые техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунты могут служить:

1)материалом оснований земляного полотна, зданий и сооружений;

2)средой для размещения в них сооружений;

3)материалом самого сооружения.

Грунт, укрепленный органическим вяжущим — искусственная смесь, получаемая смешением на дороге или в смесительных установках грунтов с органическими вяжущими (жидкими битумами и битумными эмульсиями) и активными добавками и без них или с органическими вяжущими совместно с минеральными.

6

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ

ВЕЩЕСТВ С ГРУНТАМИ

Наиболее изученными процессами взаимодействия вяжущего с минеральными материалами являются процессы, протекающие в грунтах при обработке их битумом (как отмечалось выше, в данном учебном пособии будут рассмотрены вопросы производства вяжущего на основе гудрона и механоактивированной крошки для укрепления грунтов и получения органоминеральных смесей). Так, согласно исследованиям М.М. Филатова, Б.В. Толстопятова, Ю.С. Кулиша, А.И. Лысихиной и других, взаимодействие грунтов с органическим вяжущим в основном сводится к трем явлениям:

–адсорбции (поглощению) некоторых составных частей вяжущего материала поверхностью тонкодисперсных частиц;

–адгезии (склеиванию) отдельных частиц и агрегатов грунта вяжущим материалом;

–механическому заполнению грунтовых пор вяжущим материалом.

В системе грунт – органическое вяжущее протекают сложные физические, физико-химические и химические процессы. При этом на упрочнение грунтов битумом значительно влияют как химико-минералогический состав минерального материала, так и состав самого вяжущего. Процесс взаимодействия грунтов с битумом очень близок по своему характеру к физической адсорбции. Как отмечает Б.В. Толстопятов:

1)битум адсорбируется грунтом;

2)наиболее интенсивно адсорбируются асфальтены, причем 0,5% их содержания достаточно для придания грунту водостойкости;

3)роль компонентов битума различна: смолы играют связующую роль; карбены и карбоиды – твердые заполнители; легкие масла – разжижители, способствующие более глубокому проникновению битума в грунт.

По данным исследований М.М. Филатова и Б.В. Толстопятова, компоненты битума обволакивают частицы глинистых фракций, в то время как песчано-пы- леватая часть собирается в гнезда-линзы различной формы и размеров. В результате битумизации в грунте образуются абсорбционные битумно-глинистые

7

соединения, которые стягивают более крупные гранулометрические элементы грунта в агрегаты. В порах и пустотах между частицами остается защемленный воздух, а битумно-глинистое вещество приобретает способность к растяжению, что в целом придает укрепленному грунту эластичные свойства.

В ходе исследований адгезии битума к грунтам и различным материалам А.С. Коржуевым выделено три характерных периода: адгезионный, адгези- онно-адсорбционный, и адсорбционный. С течением времени битумы претерпевают изменения, переходя из адгезионного в адсорбционный период, что способствует росту эффективности битумизации грунтов. Помимо этих процессов, по П.А. Ребиндеру, происходят явления полимеризации и поликоденсации.

Для формирования структуры битумированного грунта огромное значение имеет влажность исходного грунта, которая должна быть строго определенной.

Закрепление грунтов с помощью компонентных смесей из крекинг остатков и легких газойлевых фракций в отличие от чистых расплавленных битумов и битумных эмульсий носит несколько иной характер и сводится в основном к следующим явлениям: адсорбции, адгезии, испарению легких фракций, окислению крекинг остатка.

Нефтяное вяжущее представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из смеси разнообразных высокомолекулярных соединений нефти, объединенных по молекулярной массе и характеру растворимости в селективных растворителях в группы углеводородов, смол и асфальтенов. С помощью селективного растворения вяжущее можно разделить на твердую и жидкую части. В твердую часть входят наиболее высокомолекулярные соединения: асфальтены, карбены и карбоиды. Жидкая часть вяжущего может быть разделена на масла, нейтральные смолы и асфальтогеновые кислоты (кислые смолы). Масла представляют собой смесь парафинонафтеновых моноциклических, бициклических и ароматических углеводородов. Смолы содержат кислородные гетероциклические соединения нейтрального характера, в очень малых количествах азотистые катионоактивные основания. Асфальтогеновые кислоты относят к группе полинафтеновых кислот (Сn H2nО2)

8

сповышенной молекулярной массой и более высокой поверхностной активностью. В вяжущем они выполняют функции анионактивных веществ.

Процессы молекулярного взаимодействия нефтяного вяжущего вещества

споверхностью частиц грунта можно предположительно объяснить следующим образом. С введением вяжущего в грунты на их поверхности возникают и развиваются смачивание, адсорбция, поверхностная и объемная диффузия, сольватация.

Результаты лабораторных исследований показывают, что грунты (суглинки), укрепленные такими вяжущими, имеют значительную механическую прочность. Это объясняется тем, что вяжущее имеет хорошее сцепление с поверхностью грунтовых частиц. Сцепление (адгезия) зависит от природы обоих компонентов, состояния и формы грунтовых частиц, их поверхности, условий контакта и условий внешней среды.

Адгезия – результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами вяжущего и грунта. Процесс образования адгезионной связи, вероятно, происходит в две стадии (рис.1.1). Первая стадия – «транспортирование» молекул вяжущего к поверхности частиц грунта.

Рис. 1.1. Стадии образования адгезионных связей до испарения

легкой фракции (I) и после затвердевания вяжущего (II).

9

На второй стадии между молекулам вяжущего и грунта начинают действовать молекулярные силы, затем наступает адсорбционное равновесие.

Необходимое предварительное условие сцепления – смачивание вяжу-

щим поверхности грунта, которое носит избирательный характер и зависит в основном от молекулярно-поверхностных свойств вяжущего и характера поверхности грунта. Поскольку поверхность части суглинка полярна и гидрофильна, она должна адсорбировать поверхностно-активные компоненты типа асфальтогеновых кислот и их ангидридов, имеющих большое число функциональных групп, асфальтены и их модификации.

Соединения ароматического ряда той же химической природы и с одинаковым числом атомов углеводорода адсорбируются больше, чем алифатические. Это можно объяснить, по-видимому, наличием большого числа ненасыщенных групп за счет двойных и тройных связей, что способствует повышению поверхностной активности.

Адсорбция может быть физической и химической. Хемосорбция, то есть процесс химического взаимодействия поверхностно-активных веществ с поверхностью грунта, способствует сравнительно прочному сцеплению вянущего с грунтами, тогда как сцепление при физической адсорбции значительно слабее. Хемосорбция наблюдается при взаимодействии битума с наполнителями, содержащими СаО, Аl203, АlСl3, Fе2О3 и др.

После тщательного перемешивания вяжущего вещества с грунтом в основном заканчиваются процессы образования поверхностных адсорбционных монослоев и диффузных слоев, то есть идет процесс микроструктурообразования. К этому времени все частицы грунта, а иногда агрегаты частиц окружены не только адсорбционными, но и диффузно-сольватированными (слабо структурированными) оболочками. В пределах диффузных слоев постоянно убывает концентрация молекулярных адсорбционных сил, а частицы асфальтенов более или менее прочно и плотно фиксируются, то есть происходит структурирование пленочного вяжущего (структурированные оболочки постепенно переходят в слои объемного вяжущего тем большей толщины, чем крупнее частицы грунта). Недостаточное количество вяжущего, введенного в грунт, может приводить к прерывистости пленок на поверхности частиц грунта.

10