Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические и технологические основы производства и применения дорожно-строительных материалов.pdf
71
При укреплении грунта портландцементов в ряде случаев воз-
никает необходимость физико-механических и упругих свойств,
водостойкости, морозостойкости и т.д. Для этого используют различные гидрофильные и гидрофобные ПАВ. Например, можно
назвать ПАВ в виде пиридиновых остатков, извести, СДБ, ССБ,
ГКЖ – 94 и различных синтетических смол и т.д.
При смешении глинистых грунтов, например с пиридиновы-
ми остатками, представляющими гетероциклические вещества,
образуются органические катионы C5H5NH2. Они, вследствие положительных их зарядов и высокой активности, будут сорбироваться на внешних и внутренних поверхностях гидрофильных
глинистых веществ и гидрофобизировать их. При этом будут
улучшаться и другие свойства грунтов.
В. М. Безруком установлено, что при обработке глин кисло-
тами происходит разложение гидроалюмосиликатов и образование аморфной кремнекислоты с высокой адсорбционной способностью. Такое же явление происходит при обработке грунтов
электролитами и цементом.
Установлено, что добавка в битумы всех трех типов неболь-
ших количеств железных или кальцевых солей (мыл) высокомолекулярных кислот оказывает сильное структурирующее действие. Добавки к ним катионоактивных веществ улучшает также
лиофильность асфальтенов и диспергирующие свойства мальтенов. При этом асфальтены приобретают способность действовать
как ПАВ. Применение структурирующих ПАВ позволяет переводить жидкие и маловязкие битумы в вязкие без специальных
технологических приемов. Используя специальные добавки,
можно затормозить процессы старения битума.
Использованием ПАВ можно повысить удобообрабатывае-
мость и подвижность асфальтобетонных смесей, уменьшить сли-
72
паемость минерального порошка и холодных асфальтобетонных
смесей при хранении.
Введение ПАВ позволяет экономить битум при приготовлении черного щебня, асфальтобетонных смесей, а также повысить
их уплотняемость и т.д. При дополнительном введении катионоактивных ПАВ – аминов в процессе приготовления эмульсии может происходить либо явление взаимного погашения гидрофобной и гидрофильной способности, либо явление усиления (синергизма). Введение ПАВ при приготовлении цементобетонов влияет также на их структуру.
По результатам исследований П. А. Ребиндера, при твердении цементного камня рост зародышей кристаллизации под влиянием адсорбционных слоев ПАВ замедляется. Образуется гораздо большее число центров кристаллизации и соответственно получается более мелкокристаллическая структура.
Введение некоторых ПАВ уменьшает водопотребность, снижает внутреннее трение частичек и повышает удобоукладываемость смеси. Установлено также повышение устойчивости бетонов с ПАВ против коррозии и трещинообразования. Все это является большим резервом экономии реальных ресурсов и повышения качества работы.
6.5. Технологические основы использования ПАВ
и методы механической активации при их производстве
и применении
6.5.1. Технологические основы применения ПАВ
при производстве битумов и асфальтобетонных смесей
Добавки ПАВ могут быть введены в битум в процессе его
производства на НПЗ, на битумной базе или асфальтобетонном
73
заводе (АБЗ) [21, 27]. ПАВ и активаторы в битумы и асфальтобетонные смеси (АБС) необходимо вводить в следующих случаях:
1) при использовании каменных материалов, к которым би-
тум плохо прилипает и от которых при действии водой битумная
пленка легко отслаивается;
2) при строительстве покрытий осенью и ранней весной, ко-
гда минеральные материалы увлажнены;
3) для улучшения технологических показателей процесса
приготовления смесей: уменьшение температуры нагрева (примерно на 10 … 20 0С) и сокращение времени перемешивания и
расхода вяжущего;
4) для ускорения структурообразования материала покрытия
с использованием маловязких и жидких битумов;
5) для активации поверхности минеральных материалов;
6) для уменьшения старения вязких битумов.
Для улучшения прилипания к битуму щебня кислых и основных пород, особенно влажных, применяют катионоактивные ПАВ
типа высших алифатических аминов в количестве 0,5…3,0 % от
массы битума. При предварительной обработке кислых поверхностей активаторами в количестве 0,5…1,5 % от массы минеральных материалов для этой цели можно использовать также
анионоактивные ПАВ типа высших карбоновых кислот в количестве 3,0…5,0 % от массы битума. Для активации минерального
порошка расход добавки составляет 0,75…1,25 % от его массы.
Для замедления старения битума можно вводить добавки в количестве 0,2…0,5 % от его массы.
Активаторы в большинстве своем (цементы, известь и т.д.) –
порошкообразные вещества и при приготовлении АБС подаются
в смеситель одновременно с минеральным порошком.
Большинство ПАВ при обычных температурах имеет мазеобразную консистенцию. Перед введением в АБС, обработкой ми-
74
неральных материалов или добавлением в битум их обычно
5
2
6
9
10
11
12
13
5
3
5
7
14
14
8
нагревают до +80 0С и перекачивают насосом через дозатор в битумный котел.
Некоторые ПАВ нетермостойкие. Поэтому их вводят через
дозатор непосредственно в асфальтобетоносмеситель в течение
10…15 с. После этого туда же подают битум. Лучше их вводить в
смесители принудительного перемешивания. При подготовке
ПАВ к введению в них иногда приходиться добавлять пластификаторы и дозировать. Пример схемы подготовки и ввода добавок
ПАВ при приготовлении АБС приведен на рис. 6.1.
При приготовлении АБС с применением ПАВ температура
нагрева битумов должна быть не более:
а) для жидких битумов класса СГ – 80 0С;
б) для жидких битумов класса МГ – 100 0С;
в) для вязких битумов – 130 0С.
П
Рис. 6.1. Схема технологии приготовления АБС с использованием ПАВ:
1 – временное хранение битума; 2 – обезвоживание и нагрев битума;
3 – временное хранение и разогрев ПАВ; 4 – перекачка битума и ПАВ;
5 – дозирование ПАВ и битума; 6 – смешивание компонентов АБС;
П – потребитель; 7 – временное хранение минерального порошка
8 – грохочение минеральных материалов; 9 – дозаторы горячих
минеральных материалов; 10 – просушка минеральных материалов;
11 – холодный ковшовый элеватор; 12,13 – временное хранение
минеральных материалов; 14 – обеспыливание в зоне перегрузок
минеральных материалов
75
6.5.2. Технологические основы производства активированного
минерального порошка
На основе электрогидравлического эффекта Л. А. Юткина в
СоюзДорНИИ разработана технология, позволяющая производить активированный известняковый минеральный порошок путем помола каменного материала в присутствии смеси аниона
активных ПАВ с битумом в количестве 1,5…2,5 % от массы каменного материала.
Смесь битума с ПАВ готовится в соотношении 1:1 [21, 26,
29]. Для помола берут предварительно пропущенные при
110…120 0С отсевы дробления 0…5, 0…15, 0…25 мм или щебень
фракции 5…15, 5…25, 5…40 мм. Помол осуществляется в кольцевой, шаровой или вибрационной мельнице.
Приготовление активированного известнякового минерального порошка предусматривает следующие технологические операции:
1) подготовку исходного материала (дробление каменного
материала и сортировку, а при необходимости также предварительную промывку и подачу в расходный бункер);
2) просушку щебня и нагрев (отсевов дробления);
3) объединение минерального материала с активирующей
смесью;
4) помол обработанного материала;
5) подачу активированного минерального порошка на склад
или транспорт (автоцементовоз).
Пример схемы приготовления активированного минерального
порошка приведен на рис. 6.2.
По мнению Л. Б. Гезенцвея, при применении активированно-
го минерального порошка в асфальтобетонную смесь или щебень
ПАВ вводить не потребуется [7].
76
Рис. 6.2. Схема технологии производства активированного минерального
Д
Д
2
3
4
7
8
5
9
10
12
13
12
порошка: 1 – приемка щебня (отсевов дробления); 2 – транспортирование
щебня (отсевов дробления); 3 – просушка щебня (отсевов дробления);
4 – обезвоживание и нагрев битума (цистерна битумная); 5 – цистерна с ПАВ;
6,7,8 – дозирование соответственно битума, ПАВ и смеси; 9 – промежуточ-
ный бункер; 9,10,12 – транспортирование щебня и активированного МП;
11 – совместное измельчение щебня с ПАВ; 13 – временное хранение
активированного МП; 14 – отпуск потребителю в автоцементовоз
Активация минерального порошка позволяет также расширить
ассортимент исходного сырья. В частности, становится возможным применять глинистые известняки, доломитизированные известняки и т. д. Их можно активировать продуктами, содержащими в своем составе ПАВ кислого и основного характера: смолами
или дегтями низкотемпературной переработки каменного или бурого угля, горючих сланцев, жирного гудрона и т.д.
Установлено также, что качество порошков из глинистых известняков улучшается при обработке их кремнийорганической
жидкостью ГКЖ-94 в количестве 0,25…0,50 % от массы исходного материала.
Неплохие результаты для активации чистых известняков дает
также применение кубовых остатков СЖК, некоторых неионогенных ПАВ и т.д.
77
7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ И ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
7.1. Общие сведения о АБС, ЩМАС и бетонах с их применением
Под асфальтобетонной смесью (АБС) понимают рациональ-
но подобранную по принципу наибольшей плотности смесь минеральных материалов – щебня (гравия), песка и минерального
порошка с битумом, взятых в определенных соотношениях и перемешанных в нагретом состоянии [4, 7, 8, 36]. После распределения по конструктивному слою заданной толщиной, уплотнения
и остывания АБС превращается в камневидный материал, известный под названием асфальтовый бетон (асфальтобетон).
В асфальтобетонах (АБ) минеральная часть подбирается по
предложенному в 1929 г. проф. В. В. Охотиным принципу прерывистой гранулометрии или разработанному проф. Н. Н. Ивановым принципу непрерывной гранулометрии. Цель обоих способов – получение материала с максимальной упаковкой, т.е. с
наибольшей плотностью минеральных частиц. По первому принципу диаметры зерен соседних частиц последовательно уменьшаются в 16, во втором случае – в 2 раза.
В АБ, подобранных по прерывистой гранулометрии, количество зерен меньшего диаметра по массе составляет 43 % (коэффициент сбега К = 0,43), при подборе непрерывной гранулометрии – 65…90 % (коэффициент сбега К = 0,65…0,90). В первом
случает возникают технологические трудности – смесь принятых
составов расслаивается при транспортировке и укладке. Во втором случае смесь обладает хорошей удобоукладываемостью.
78
В асфальтобетонах минеральная часть принимает на себя
значительную часть внешних усилий за счет обеспечения сцепления частичек в системе и величины внутреннего трения. При
этом большую роль играют размер, формы и характер минеральных частиц.
Битум в нагретом состоянии играет роль смазки, т.е. обеспечивает удобообрабатываемость материала при приготовлении и
укладке, а при остывании – роль клея. В этом случает он, наряду
с внутренним трением, отвечает также за совместную работу отдельных частичек в конструкции. При этом важны толщина битумных пленок и равномерность их распределения.
Немаловажен также характер взаимодействия компонентов
между собой, который зависит от их вида, химического состава,
состояния их поверхностей и наличия в системе поверхностноактивных составляющих.
Щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь (ЩМАС) –
рационально подобранная смесь минеральных материалов (щебня, песка из отсевов дробления и минерального порошка), дорожного битума (с полимерными или другими добавками либо
без них) и стабилизирующей добавки, взятых в определенных
пропорциях и перемешанных в нагретом состоянии [37]. Щебе-
ночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) – уплотненная щебеночно-мастичная смесь.
Состав ЩМАС проектируется по предложенному проф. Н.В.
Горелышевым каркасному (контактному) методу, когда предполагается контакт у каждого рассматриваемого щебня не менее
чем с тремя соседними. Это условие достигается, когда объем
щебеночного каркаса в уплотненном состоянии равен объему асфальтобетона и содержание щебня колеблется от 70 до 80 % от
массы минеральной части. При этом устойчивость покрытия противосдвиговых напряжений достигается за счет повышенных
79
значений внутреннего трения минеральных частиц, прочность –
за счет высокопрочного заполнителя и применения дробленого
песка (отсевов дробления).
Вязко-пластические и эластические свойства щебеночномастичной смеси обеспечиваются повышенным содержанием битума (5,5…7,5 %), особенно его свободной части. Во избежание
синерезиса битума в теплое время года в ЩМАС вносится (в количестве 0,2…0,5 %) стабилизирующая добавка. В качестве этого
компонента применяют целлюлозное волокно или гранулы на его
основе. Кроме того, наличие повышенного содержания свободного битума обеспечивает ЩМА меньшую интенсивность старения битума.
При рассмотрении работы АБ в покрытиях необходимо отметить, что он к настоящему времени является главным материалом: АБП отвечает важнейшим эксплуатационным и технологическим требованиям. В то же время из-за возросших на покрытия
нагрузок сроки их службы резко снизились: до 4…5 лет, а нередко составляют всего 2…3 года. Вот почему в Германии и некоторых других странах в 60-х годах прошлого столетия, а в России с
начала этого века, началось бурное внедрение в покрытия ЩМА.
7.2. Физико-химические основы производства
и работы асфальтобетонных и щебеночно-мастичных
смесей в покрытиях
При рассмотрении внутреннего строения АБС и ЩМАС
следует обратить внимание на многокомпонентность системы в
минеральной части, состоящей из щебня, песка и минерального
порошка, а в ЩМАС – стабилизирующей добавки, которые объединяются общей жидкой частью – битумом. При этом их взаи-
80
модействие происходит через битумную пленку различной толщины.
Очевидно, что устойчивость смесей при приготовлении и работе в качестве материала покрытия во многом зависит от характера возникающих межконтактных связей. Поскольку применяемые материалы могут быть различные по виду, химическому
составу, размерам, состоянию и т.д., то следует рассмотреть взаимодействия для наиболее известных их разновидностей, а именно: для кварцсодержащих кислых, основных и карбонатных пород с нефтяными битумами в составе АБС и ЩМАС.
7.2.1. Физико-химические процессы в битумах в составе АБ и ЩМА
При соприкосновении битумов с минеральными материалами
(щебнем, песком, минеральным порошком) происходит смачивание поверхности последних, а именно адгезия к ним битума и
физическая адсорбция. Возможны также хемосорбционные, диффузионные и фильтрационные процессы. Эти явления сопровождаются изменением свойств битума и минеральных компонентов.
При соприкосновении битума с кварцесодержащими порода-
ми (кварциты, граниты, песчаники и др.), которые относятся к
кислым гидрофильным минеральным материалам с высоким отрицательным потенциалом с большим количеством адсорбционных центров в виде ионов кислорода О2- (при содержании SiO2
более 65 %), возможна только относительная слабая физическая
адсорбция. При этом поверхности камня имеют неравномерную
электрозарядную структуру.
Прочность адсорбционных связей в определенных пределах
можно регулировать путем изменения сил межмолекулярного
сцепления. Значительное их усиление возможно при внесении в