Методическое пособие 433
.pdf
скопические исследования проводились на ИК Фурье спектрометре VERTEX 70 (Bruker, Германия).
В работе УФ-облучению подвергался битум БНД 60/90. Облучение образцов битума производилось ртутной кварцевой бактерицидной ультрафиолетовой лампой ДРБ-40. Продолжительность облучения 0, 20, 40, 60 и 80 часов (по 7 часов ежедневно).
Для определения химического состава и характеристики превращений, происходящих в битуме при воздействии ультрафиолетового излучения, снимались ИК спектры образцов, рис. 2.
Рис. 2. ИК спектры поглощения образцов битума БНД 60/90. Время действия УФ излу-
чения, ч: а – 0; б – 20; в – 40; г – 60; д – 80
На ИК спектрах присутствуют характерные полосы поглощения для масел и смол, входящих в состав битума. Для необлученного битума (рис. 2а) наблюдаются интенсивные полосы поглощения 1850 и 2918 см-1. Этот диапазон по-
11
глощения (3000-2840 см-1) отвечает валентным колебаниям (ν) групп С-Н. Деформационным колебаниям (δ) групп - СН2 и -СН3 отвечают достаточно интенсивные полосы 1456 и 1375 см-1, соответственно. Полоса поглощения меньшей интенсивности определяется при 721 см-1, она отвечает деформационным колебаниям (СН2)х в свободных углеродных цепях, которые проявляются в области 720-740 см-1. Наличие таких групп характерно для парафинов – предельных углеводородов с длиной углеродной цепи С18 -С35.
Полоса 1601 см-1 характерна для валентного колебания бензольного кольца. Полоса 1450 см-1, также отвечающая валентным колебаниям непредельных углеродных связей, перекрывается полосой деформационных колебаний групп - СН2 при 1456 см-1. О присутствии бензольных колец с заместителями свидетельствуют незначительные деформационные колебания при 1225-950 см-1. Ароматические кольца с чередующимися алифатическими боковыми цепями и атомами кислорода или серы в этих цепях или кольцах, содержат асфальтены, входящие в состав битума.
Указанные выше пики присутствуют также в ИК спектрах образцов битума, повергшихся действию УФ излучения. Их интенсивность остается постоянной. К 40 часам излучения у битума появляется пик при 1705 см-1 (отмечено на рис. 2б - 2д), причем интенсивность его к 80 часам возрастает. Эта полоса поглощения отвечает валентным колебаниям карбонильной группы С=О и свидетельствует о процессах окисления в битуме, инициированных ультрафиолетовым излучением.
Процесс окисления протекает по цепному механизму, для его протекания необходимы свободные радикалы, образующиеся под действием излучения. Установлено, что при окислении углеводородов кислородом первоначально образуются пероксидные радикалы и гидроперекиси, так как кислород, будучи бирадикалом, активно взаимодействует с углеводородными радикалами. Распадаясь, перекисные радикалы участвуют в различных радикальных превращениях, в том числе и с образованием карбонильных групп. Характерная полоса поглощения карбонильных групп С=О лежит в области 1650-1800 см-1.
Карбонильная группа присутствует в альдегидах и кетонах, достаточно реакционноактивных соединениях, способных к дальнейшему окислению и деструкции. По мере увеличения времени действия УФ излучения существенно увеличивается интенсивность полосы поглощения при 2363 см-1 (рис. 2). Эта полоса соответствует углекислому газу СО2, продукту полного окисления органических молекул. Присутствие СО2 приводит к образованию сотовой структуры и способствует разрушению битума.
Изменение физико-химических свойств битумов после облучения УФ лучами характеризуется изменением температур размягчения, кислотности и содержание асфальтенов в битуме, представлено на таб. 1.
Таким образом, под воздействием ультрафиолетового излучения и воздуха происходит окисление битумов с образованием нейтральных и кислых продуктов, т.е. продуктов окислительной полимеризации. В результате этого физико-
12
химические свойства битума уменьшаются, и он становится более хрупким. В этом состоянии под воздействием нагрузок транспортных средств битум легко разрушается.
Таблица 1 Изменение физико-химических свойств битума БНД 60/90
после УФ облучения
Время облучения, ч |
Температура раз- |
Кислотное число в |
Содержание асфаль- |
|
мягчения, °С |
мг КОН |
тенов в битуме, % |
0 |
47 |
0,4 |
9,04 |
20 |
47,5 |
0,4 |
9,16 |
40 |
48 |
0,4 |
9,40 |
60 |
49 |
0,45 |
9,60 |
80 |
49,5 |
0,6 |
10,00 |
Для повышения эксплуатационных свойств дорожных битумов производили исследования фотоокислительной стабильности битума, содержащего в качестве минерального наполнителя известняк и сталеплавильный шлак, используемые в производстве асфальтобетонов. Минеральная добавка вводилась в битум в соотношении 1:7. ИК спектры поглощения полученных образцов приведены на рис. 3. На спектрах присутствуют все характерные пики, присущие чистому битуму (рис. 2).
Таким образом, в битумных композитах, содержащих и известняк, и сталеплавильный шлак, минеральный наполнитель поглощает ультрафиолетовое излучение, снижая интенсивность цепных реакций окисления и защищая битум от старения.
Рис. 3. ИК спектры поглощения образцов битума БНД 60/90 с добавкой: а) известняка; б) сталеплавильного шлака. Время действия УФ излучения 60 ч
Изменения затрагивают также и область на ИК спектрах, отвечающую выделению СО2 (≈ 2600 см-1). В образцах битумных композитов, содержащих сталеплавильный шлак (рис. 3 б) наблюдается снижение интенсивности полосы поглощения СО2 по сравнению и с чистым битумом (рис. 2) и с битумом, содержащим известняк (рис. 3 а). Данный факт может быть связан с тем, что в составе сталеплавильного шлака присутствует известь Ca(OH)2, активно взаимодействующая с углекислым газом по реакции:
13
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 |
(5) |
Рис. 4. ИК спектры поглощения в области 1500-1900 см-1 образцов битума (1) и битума с добавкой известняка (2) и сталеплавильного шлака (3). Время действия УФ излучения 60 ч
Кроме этого, долговечность дорожного покрытия также зависит от марки примененного битума и его качества. Для условий Вьетнама с высокой температурой и интенсивностью солнечной радиации целесообразно применять битум БНД 40/60 в составе смесей для асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Всоответствии с циклическими изменениями температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации температура асфальтобетонного покрытия также претерпевает циклические изменения, причѐм по мере увеличения глубины расположения слоя под поверхностью покрытия амплитуда колебаний температуры снижается, а максимум температуры смещается на более позднее время.
Вода (влага) уменьшает сцепление между битумом и минеральными материалами, вытесняя пленку битума, а также выщелачивает асфальтовый бетон, растворяет и вымывает его компоненты, способствует повышению интенсивности окисления битума. Действие воды (влаги) проявляется в механическом разуплотнении материала вследствие расширения.
Вданной главе приводится пример расчета времени до момента образования трещины на асфальтобетонном покрытии, рис.5.
Четвертая глава посвящена разработке комплексных технологических мероприятий для обеспечения климатической устойчивости автомобильных дорог во Вьетнаме.
Вцелях повышения работоспособности земляного полотна на слабых грунтах оснований в условиях Вьетнама необходимо регулировать воднотепловой режим дорожной одежды. В процессе эксплуатации автомобильных дорог на переувлажненных грунтах он стабилизируется применением капилляропрерывающих и пароизоляционных прослоек, армирования при помощи бамбуковых решеток и гибких трубчатых оболочек, заполненных некондиционными грунтами, которые размещаются в нижней части земляного полотна и перекрывается геотекстильной прослойки.
14
Рис. 5. Блок-схема расчета времени до момента образования трещины на асфальтобетонном покрытии на основе симплекс – метода
Для местных и сельских малобюджетных дорог автомобильной дороги на переувлажненных грунтах приведена схема конструкции насыпей с применением армирования бамбуковыми решетками (рис.6).
|
|
|
|
|
9 |
|
|
20 %0 |
20 %0 |
|
40 %0 |
|
|
|
|
|
8 |
|
m |
|
|
|
7 |
: |
|
|
|
|
|
|
30 %0 |
|
30 %0 |
|
|
1 |
|
|
6 |
||
|
|
|
|
||
5 |
|
|
|
|
2 |
|
|
4 |
|
|
3 |
1 |
|
|
|
|
|
Рис. 6. Конструкция земляного полотна на слабом основании с применением решетки из бамбуков: 1 - бамбуки ориентированы перпендикулярно продольной оси дороги; 2 - параллельно ей; 3 – ячейки решетки; 4 – слабое основание; 5 – водонепроницаемая пленка; 6 – грунт земляного полотна; 7 – слой песка; 8 – слой щебня; 9 – асфальтобетонные покрытия.
15
Для дорог I-II категорий с высокими нагрузками, находящихся на переувлажненных грунтах применяется схема конструкции насыпей с применением гибких трубчатых оболочек, заполненных некондиционными грунтами для повышения устойчивости и несущей способности земляного полотна (рис. 7).
|
9 |
7 |
8 |
3 |
4 |
|
|
|
6 |
2 |
5 |
|
|
1 |
|
Рис. 7. Конструкция земляного полотна на слабом основании с применением прослойки из нетканого синтетического материала: 1- слабый грунт; 2 – прорези; 3 – песок; 4 – про-
слойка из нетканого синтетического материала; 5 – концы прослойки; 6 – гибкие трубчатые элементы из нетканого синтетического материала; 7 – минеральный грунт или мелкие бытовые отходы; 8 – слой щебня; 9 – асфальтобетонные покрытия.
Для повышения качества асфальтобетонных покрытий под воздействием погодно-климатических и антропогенных факторов необходимо использовать методы армирования геосетками дорожной одежды и высокое качество асфальтобетона в нижней части покрытий, мероприятия по их санации путем устройства защитного слоя «Дорсан», технологии силкоутинга или битумной защит- но-изоляционным материалом SteelGuard.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.Проведенный анализ отрицательных воздействий на долговечность состояния покрытий и конструкции земляного полотна автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях Вьетнама, показал что помимо воздействия транспортных нагрузок, основными причинами разрушения дорожной конструкции являются повышенная влажность грунта в период муссонных осадков.
2.Разработана математическая модель с использованием классического уравнения водного баланса, которая отличается предложенной автором системой ограничений, которая свидетельствует о том, что поступление влаги из различных источников всегда превышает или равно еѐ оттоку. Модель позволяет прогнозировать момент перехода напряжений в стадию деформаций и принимать на ее основе превентивные мероприятия.
3.На основе исследований результатов воздействия погодноклиматических факторов (УФ-облучения, повышенных температур и влаги) на химические свойства битума автором установлено, что после длительного воздействия таких факторов битум теряет свои вязкопластические свойства и приводит к снижению эластичности и повышению хрупкости асфальтобетона, т.е.
16
прогрессирует старение дорожных битумов.
4. Анализ лабораторных результатов исследования процессов фотоокислительной деструкции, протекающей в битуме БНД 60/90 при воздействии ультрафиолетового излучения в атмосферных условиях доказал, что окисление интенсифицируется свободными радикалами, образовавшимися при действии УФ излучения, которые могут участвовать и в других химических превращениях компонентов битума. Для повышения эксплуатационных свойств дорожного покрытия, подвергающегося воздействию ультрафиолетового излучения и кислорода воздуха могут использоваться композитные материалы с участием минерального порошка карбонатных пород, который вместе с битумом образует асфальтовое вяжущее.
5. Рекомендованы комплексные способы повышения физикомеханических показателей асфальтобетонных покрытий, испытывающих воздействие погодно-климатических и ультрафиолетового излучения. Предлагается применять армирование геосетками дорожной одежды и укладку плотного асфальтобетона в нижней части покрытий. Применение гибких трубчатых оболочек, заполоненных некондиционными грунтами, позволяет обеспечить нормативную несущую способность земполотна на слабых основаниях. Для эффективной работы асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации рекомендуется производить их санацию путем устройства защитного слоя «Дорсан» использования технологии силкоутинга или изоляционного материала
SteelGuard.
Из перечисленных основных выводов выполненной диссертационной работы следуют рекомендации о необходимости применения комплексных методов для повышения устойчивости автомобильных дорог при строительстве на слабых основаниях.
Перспективами дальнейшей разработки темы являются исследования, направленные на повышение эффективности предложенных технологий, за модификации битумов, активирования минерального порошка для улучшения качества асфальтобетонных покрытий.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Нгуен Фыонг Нгок. Разработка научно-практических основ экологического мониторинга дорожного комплекса в условиях современного Вьетнама / О. В. Рябова, Ф. Н. Нгуен // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2013. — № 4 (32). — С. 78—84.
2.Нгуен Фыонг Нгок. Природоохранные мероприятия на придорожном пространстве автомобильных дорог Республики Вьетнам / В. Н. Мелькумов, Нгуен Фыонг Нгок // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2014. — № 4 (36). — С. 94—102.
3.Нгуен Фыонг Нгок. Причины разрушения асфальтобетонных покрытий и методы повышения их деформативной устойчивости в условиях Вьетнама
17
/ Нгуен Фыонг Нгок // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2015. — № 2 (36). — С. 75—83.
4. Нгуен Фыонг Нгок. Старение битума под действием ультрафиолетового излучения / О. В. Слепцова, Нгуен Фыонг Нгок // Журнал «Наука и техника в дорожной отрасли».- М., 2015. — № 3. — С. 39—41.
Статьи в других изданиях:
5.Нгуен Фыонг Нгок. Влиние переувлажнения грунтов в период муссонных дождей на состояние автомобильных дорог / Чан Ван Зы, Нгуен Фыонг Нгок, Нгуен Дык Ши // Научный журнал Воронежского государственного ар- хитектурно-строительного университета, серия «инженерные системы и сооружения». – 2010. - №2 (3). - С. 187-191.
6.Нгуен Фыонг Нгок. Экологическая ситуация в Ханое 2011 года и перспективы улучшения городской среды обитания / Нгуен Фыонг Нгок, Чан Ван Зы // Научный журнал Воронежского государственного архитектурностроительного университета, серия «инженерные системы и сооружения». –
2011. - №2 (5). - С. 74-81.
7.Нгуен Фыонг Нгок. Предложения по регламентированию придорожного пространства для дорог республики Вьетнам / О.В. Рябова, Нгуен Фыонг Нгок // Научный журнал инженерные системы и сооружения – выпуск посвящен всероссийской научной конференции Град ВГАСУ 18-20 ноября – 2014. Том 3 Градостроительство. Дорожно-транспортные коммуникации - №4(17)
2014 – С. 122 – 128.
8.Нгуен Фыонг Нгок. Основные причины разрушения асфальтобетонных покрытий в Южном Вьетнаме/ Нгуен Фыонг Нгок, Чан Ван Зы // Научный журнал Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, серия «инженерные системы и сооружения». – 2015. - №1 (18). - С. 5660.
НГУЕН ФЫОНГ НГОК
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
НА СЛАБЫХ ОСНОВАНИЯХ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Подписано в печать 09.03.2016 г. Формат 60 84 1/16. Уч.-изд. л. 1,1. Усл.-печ. л. 1,2. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ №
___________________________________________________________
Опечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 Воронеж, ул.20-летия Октября, 84
18