Методология и методы научных исследований. Практикум для студентов направления 08.04.01 «Строительство», программа подготовки «Теория и практика проек

Ответ: для получения битума с требуемыми свойствами асфальт и гудрон

вк

П

25

с

П

25

(%)5,73100

10lg800lg

10lg250lg

m

с р







вк

П

25

55

25



б

Д

следует смешать в соотношении 25:75.

Задача 2

Вариант 2.1: П

д

П

=50 (0,1 мм).

25

р

= 800 (0,1мм), П

25

тр

= 250 (0,1мм), П

25

с

=10 (0,1мм).

25

Определить разницу в расходе разжижителя для получения битума

с заданной пенетрациой из строительного и дорожного.

Воспользуемся формулой (3.2)

для разжижения строительного битума

=

= 10 (0,1 мм) масса

разжижителя составит в компаундированном битуме

Для разжижения дорожного битума

𝑚

lg250−lg 50

д

=

р

lg 800−lg 50

∙ 100 = 58,1 (%)

= П

д 25

Разница в расходе разжижителя составит ∆m = m

=50 (0,1 мм)

с

р

– m

д

= 73,5 – 58,1 =

р

= 15,4 %.

Ответ: разница в расходе разжижителя с П

получения битума П дорожного с П

д 25

тр

= 250 (0,1 мм) из строительного с П

25

= 50 (0,1 мм) составит 15,4 %.

р

= 800 (0,1 мм) для

25

с

= 10 (0,1 мм) и

25

Задача 3

Вариант 3.1: Необходимо получить битум типа «гель» из строительного

с

Т

и дорожного Т

р

д

с дуктильностью

р

см

Найти соотношение исходных компонентов в таком компаундированном битуме.

51

1 Исходя из ГОСТ 22245-90 составим систему неравенств,

5565

25

бД

5147 

б

р

T

)15()17( 

б хр

Т

б

хр

б

р

Д

ТТ

25

3)( 

14,0

5525

)15(33







б р

Т

р

вк р

тр р

вк р

ТТ

lglg

m

p





вк

р

T

р

T

тр

р

T

48lg70lg

49lg70lg

m

д





описывающих пределы показателей, в которых могут изменяться свойства битума, фигурирующие в условии задачи, т.е.

2. Чтобы получить битум типа «гель», необходимо иметь Кст > 0.13:

Из выражения для К

находим Тр, которому соответствует Кст (мин) =

ст

= 0,14. Из п.1 следует, что этому условию удовлетворяют Тхр = –15 0С и Д = 55 см.

По формуле (3.5)

К

откуда 3Т

=

ст

б

= 25∙55∙0,14 + 3(− 15), а Т

р

=

б

= 49 °С

р

,

Эта температура близка к нижнему пределу Тр (47 0С) и соответствует

верхнему пределу Т

б

(-15 0С) и нижнему - Д25 (55 см) для БНД 60/90 – см.

хр

табл. 3.11. Найдем аналогично Т

–17 0С и верхнем – Д

откуда Т

б

= 58,8

р

0

С.

25

б

для К

р

= 65см: 3Т

= 0,14 при нижнем пределе Т

ст

б

= 25∙65∙0,14 + 3(− 17),

р

3. Рассчитаем состав компаундированного битума типа «гель» с Т

=49 0С.

Используем для расчета формулу (3.3):

·100 (%), где mр =

= mд – содержание исходного дорожного битума в смеси (%);

= Т

с

= 70 0С;

р

= Т

д

= 48 0С;

р

= Т

б

= 49 0С;

р

б хр

=

б

=

р

∙ 100 = 94,5 %

52

Ответ: для получения битума типа гель с растяжимостью 55 см

Состав и свойства вязких

битумов

Тип структуры битума при одинаковой пенетрации

гель

золь

золь-гель

Коэффициент стандартных свойств Кст

>0,13

< 0,08

0,08…0,013

Асфальтенов

много

мало

Обладают

промежуточным

и составом и

свойствами

Смол

мало

много

Масел ароматических

мало

много

Масел парафинонафтеновых

много

мало

Истинная вязкость неразрушенной структуры при 25 °С

в 10… 100 раз

выше, чем у

битумов типа золь

в 10… 100 раз меньше, чем у

битумов типа

гель

Зависимость вязкости от скорости сдвига

очень сильная

слабая

Предел сдвиговой прочности

большой

малый

Температурная зависимость вязкости при одинаковых скоростях деформирования

меньшая

большая

Когезия

низкая

высокая

Тиксотропные свойства резко выраженные

слабо

выраженные

Растяжимость: при 25°С,

при 0°С

низкая

значительная

большая

низкая

Температура размягчения, хрупкости

высокая

низкая

высокая

Устойчивость к старению

низкая

высокая

Индекс пенетрации

большой

малый

необходимо смешать битум строительный с Т

вязкий с Т

д

= 48 °С в соотношении 5,5 : 94,5(по массе).

р

с

= 70 °С и битум дорожный

р

Справочные данные

Таблица 3.10 ‒ Показатели и тенденции изменения свойств для битумов различных структурно-реологических типов

53

Таблица 3.11 ‒ Требования к вязким дорожным битумам по ГОСТ 22245-90

54

Таблица 3.12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДЕКСА ПЕНЕТРАЦИИ БИТУМА (ИП) в зависимости от температуры

Темпера-

тура размяг-

чения, С

Глубина проникания иглы (пенетрация) при температуре 25 С, м·10-4 (0,1 мм)

300

295

290

285

280

275

270

265

260

255

250

245

240

235

230

225

220

215

32

-2,6

-2,7

-2,8

-2,9

-3,0

- - - - - - - - - - - - -

33

-1,8

-1,9

-2,0

-2,1

-2,2

-2,3

-2,4

-2,5

-2,6

-2,7

2,8

-2,9

-3,0

- - - - -

34

-1,1

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,6

-1,7

-1,8

-1,9

-2,0

-2,1

-2,2

-2,3

-2,4

-2,5

-2,6

-2,7

-2,8

35

-0,4

-0,5

-0,6

-0,7

-0,8

-1,0

-1,1

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,6

-1,7

-1,8

-1,9

-2,0

-2,1

-2,2

36

+0,1

+0,2

0,0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,6

-0,7

-0,8

-0,9

-1,0

-1,1

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,6

37

+0,8

+0,7

+0,6

+0,5

+0,3

+0,2

+0,1

0,0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,6

-0,7

-0,8

-0,9

-1,0

-1,1

38

+1,4

+1,2

+1,1

+1,0

+0,9

+0,8

+0,6

+0,5

+0,4

+0,3

+0,2

+0,1

0,0

-0,2

-0,3

-0,4

-0,5

-0,6

39

+2,0

+1,8

+1,7

+1,5

+1,4

+1,3

+1,2

+1,1

+0,9

+0,8

+0,7

+0,6

+0,5

+0,3

+0,2

+0,1

0,0

-0,1

40

+2,4

+2,3

+2,2

+2,1

+1,9

+1,8

+1,7

+1,5

+1,4

+1,3

+1,2

+1,1

+1,0

+0,8

+0,7

+0,6

+0,5

+0,3

41

+2,9

+2,8

+2,6

+2,5

+2,4

+2,3

+2,2

+2,0

+1,9

+1,8

+1,6

+1,5

+1,4

+1,3

+1,2

+1,0

+0,9

+0,8

42

- - -

+2,9

+2,8

+2,7

+2,6

+2,5

+2,3

+2,2

+2,1

+2,0

+1,8

+1,7

+1,6

+1,5

+1,3

+1,2

43

- - - - - - -

+2,9

+2,7

+2,6

+2,5

+2,4

+2,3

+2,1

+2,0

+1,9

+1,7

+1,6

44

- - - - - - - - - - +2,9

+2,8

+2,6

+2,5

+2,4

+2,2

+2,1

+2,0

45

- - - - - - - - - - - - -

+2,9

+2,8

+2,6

+2,5

+2,4

46

- - - - - - - - - - - - - - - - +2,8

+2,7

размягчения и глубины проникания иглы (пенетрации)

55

Темпера-

тура размяг-

чения, С

Глубина проникания иглы (пенетрация) при температуре 25 С, м·10-4 (0,1 мм)

210

205

200

195

190

185

180

175

170

165

160

155

150

145

140

135

130

125

35

-2,3

-2,4

-2,5

-2.6 - - - - - - - - - - - - - -

36

-1,8

-1,9

-2,0

-2,1

-2,2

-2,3

-2,4

-2,5

-2,6 - - - -

. - - - - -

37

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,7

-1,8

-1,9

-2,U

-2,1

-2,2

-2,3

-2,4 - - - - - -

38

-0,7

-0,8-

-1.0

-1,1

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,6

-1,7

-1,9

-2,0

-2,1

-2,2

-2,3

-2,4 - -

39

-0,2

-0,4

-0,5

-0,6

-0,7

-0,8

-0,9

-1,1

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,7

-1,8

-1,9

-2,0

-2,1

-2.3

40

+0,2

+0,1

0,0

-0,1

-0,3

-0,4

-0,5

-0,6

-0,7

-0,9

-1,0

-1.1

-1,2

-1,4

-1,5

-1,6

-1,7

-1,9

41

+0,6

+0,5

+0,4

+0,3

+0,2

0,0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,6

-0,7

-0,8

-1,0

-1,1

-1,2

-1,3

-1.5

42

+1,1

+0,9

+0,8

+0,7

+0,6

+0,5

+0.3

+0,2

+0,1

-0.1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,6

-0,7

-0,8

-1.0

-1,1

43

+1.5

+1,4

+ 1,2

+1,1

+1,0

+0,8

+0,7

+0,6

+0,5

+0,3

+0,2

+0,1

-0,1

-0,2

-0,3

-0,5

-0,6

-0,7

44

+1,9

+ 1,7

+1,6

+ 1,5

+ 1.4

+ 1,2

+1,1

+0,9

+0,8

+0,7

+0,6

+0,4

+0,3

+0,2

0,0

-0,1

-0,3

-0,4

45

+2,3

+2,1

+2,0

+ 1,9

+1,7

+ 1,6

+ 1,5

+1,3

+ 1,2

+ 1,1

+0,9

+0,8

+0,6

+0,5

+0,4

+0,2

+0,1

-0,1

46

+2,6

+2,5

+2,4

+2,2

+2,1

->2.0

+ 1,8

+ 1,7

+ 1,5

+ 1,4

+1,2

+ 1,1

+1,0

+0,8

+0,7

+0,6

+0,4

+0,3

47

-

+2,8

+2,7

+2,6

+2,4

+2,3

+2,2

+2,0

+ 1,9

+ 1,7

+1,6

+1,5

+1,3

+1,2

+1,0

+0,9

+0,8

+0,6

48

- - - - +2,7

+2,6

+2,5

+2,3

+2,2

+2,0

+1,9

+1,8

+1,6

+1,5

+1,3

+1,2

+1,0

+0,9

49

- - - - - +2,8

+2,6

+2,5

+2,3

+2,2

+2,0

+ 1,9

+ 1,8

+ 1,6

+ 1,5

+1,3

+ 1,2

50

- - - - - - - +2,8

+2,7

+2,5

+2,3

+2,2

+2.1

+2,0

+1,8

+1.6

+ 1,5

51

- - - - - - - - - +2,8

+2,7

+2,5

+2,3

+2,2

+2,1

+1,9

+1,8

52

- - - - - - - - - - - - -

+2,7

+2,5

+2,4

+2,2

+2,1

Продолжение табл. 312

56

Окончание табл. 3.13

Темпера-

тура размяг-

чения, С С

Глубина проникания иглы (пенетрация) при температуре 25 С, м·10-4 (0,1 мм)

120

115

110

105

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40

39

-2,4 - - - - - - - - - - - - - - - -

40

-2.0

-2,1

-2,2

-2,4 - - - - - - - - - - -

-

41

-1.6

-1,7

-1,8

-2,0

-2,1

-2,3 - - - - - - - - - - - 42

-1,2

-1,4

-1,5

-1,6

-1,8

-1,9

-2,1

-2,2 - - - - - - - - - 43

-0,9

-1,0

-1.1

-1,3

-1,4

-1,6

-1,7

-1,9

-2,1

-2,2 - - - - - -

-

44

-0,5

-0,7

-0,8

-1,0

-1,1

-1,3

-1,4

-1,6

-1,7

-1.9

-2.1 - - - - - -

45

-0,2

-0,3

-0,4

-0.6

-0,8

-1,0

-1,1

-1,2

-1,4

-1,6

-1,8

-2,0

-2.1 - - - -

46

+0,1

0,0

-0,1

-0,3

-0,5

-0,6

-0,8

-1,0

-1,1

-1,3

-1,5

-1,7

-1,8

-2.0 - -

-

47

+0,5

+0,3

+0,2

0,0

-0,2

-0,3

-0,5

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

-1,4

-1,6

-1,8

-2,0 - -

48

+0.8

+0,6

+0,5

+0,3

+0,1

0,0

-0,2

-0,4

-0,5

-0,7

-0,9

-1,1

-1.3

-1,5

-1,7

-1.9 - 49

+1,0

+0,9

+0,8

+0,6

+0,4

+0,2

0,0

-0,1

-0,3

-0,4

-0,6

-0,8

-1.0

-1,2

-1.4

-1.7

-1.9

50

+1.3

+1,2

+1,1

+0,9

+0,7

+0,5

+0,3

+0,2

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1.0

-1,2

-1.4

-1.7

51

+1.7

+1.5

+ 1,4

+1,1

+1,0

+0,8

+0,6

+0,5

+0,3

+0,1

-0,1

-0,3

-0,5

-0.7

-0,9

-1.2

-1.4

52

+1,9

+1,7

+1,6

+1,4

+1,2

+1,0

+0,9

+0,7

+0,5 .

+0,3

+0,1

-0,1

-0,2

-0,5

-0,7

-1.0

-1.2

53

- - -

+1,7

+1,5

+ 1,3

+1,2

+1,0

+0,8

+0,6

+0,4

+о;2

0,0

-0,3

-0,5

-0,7

-0.9

54

- - - - -

+1,5

+1,4

+1.2

+ 1,0

+0,8

+0,6

+0,4

+0,2

0,0

-0.2

-0,5

-0,7

55

- - - - - - -

+1,5

+ 1,2

+1,1

+0,9

+0,6

+0,4

+0,2

0,0

-0,3

-0,5

56

- - - - - - - - + 1,5

+ 1.3

+1,1

+0,9

+0,7

+0,4

+0,2

-0,1

-0,3

57

- - - - - - - - -

+ 1,5

+1,3

+1,1

+0,9

+0,6

+0.4

+0,2

-0,1

58

- - - - - - - - - - -

+1,3

+1,1

+0,9

+0,6

+0,4

+0,1

59

- - - - - - - - - - -

+1.5

+ 1,3

+1.1

+0.8

+0,6

+0,3

60

- - - - - - - - - - -

+ 1,7

+1.5

+1,3

+1,0

+0,8

+0,5

57

ТЕМА 4 Адсорбционно-сольватные слои органического

вяжущего вещества (ОВВ) на поверхности минеральных

материалов

Свойства асфальтобетона, работающего в сложных транспортных и климатических условиях, определяется рядом факторов, одним из наиболее важным из которых является наличие контактов между мелкими минеральными зернами за счет тонких адсорбционно-сольватных слоев упрочненного (структурированного) битума.

Физическое взаимодействие битума с минеральными материалами обусловлено способностью вяжущего адсорбироваться на поверхности минеральных зерен. Образование пленки начинается с объединения битума с частицами минерального материала и заканчивается при укладке, уплотнении и остывании асфальтобетона.

Битум в асфальтовяжущем и асфальтобетоне по своим свойствам принципиально отличается от исходного. В битуме, покрывающем поверхность минеральных частиц, образуются адсорбционно-диффузионные слои, т.е. слои, в которых сосредотачивается больше активных его компонентов, чем в объемном (чистом) битуме, взаимодействующих с поверхностью каменных материалов. Эти слои академик П.А. Ребиндер назвал структурированными. Особенности формирования таких слоев рассматривается в [3].

При физической адсорбции на поверхности минеральных материалов асфальтобетона формируются адсорбционные слои с повышенной концентрацией высокомолекулярных веществ органического вяжущего. Битум под действием межмолекулярного взаимодействия претерпевает структурные изменения. Высокомолекулярные компонента битума проявляют эстафетное действие и образуют цепи, перпендикулярные к поверхности минеральных зерен. Прочность связей звеньев цепи по мере

58

удаления от поверхности зерна падает и на расстоянии нескольких микрометров практически равна когезии объемного битума.

Битум на удалении, превышающем толщину адсорбционнодиффузионных слоев, называют свободным или объемным.

Структурированный битум отличается от объемного многими свойствами, но главными в отношении асфальтобетона являются вязкость и когезия. Максимальной вязкостью и когезией обладает битум, находящийся в поверхностном слое.

Если расстояние между минеральными частицами, покрытыми битумом, велико (что наблюдается в асфальтобетонах с избыточным содержанием битума), то контакт между ними осуществляется по объемному битуму. В этом случае прочность асфальтобетонов низкая, так как определяется прочностью вяжущего вещества. Чтобы получить асфальтовяжущее высокой прочности, нужно обеспечить контакт между частицами по тонким слоям структурированного битума. Чем тоньше слой, тем прочнее асфальтовяжущее и асфальтобетон. Увеличение содержания порошка в асфальтовяжущем приводит к уменьшению толщины пленки битума и увеличению ее прочности. Следовательно, регулируя толщину пленки битума за счет изменения отношения МП/битум, можно управлять механическими свойствами асфальтобетона.

Таким образом, в плотных бетонах контакты между частицами

минеральных материалов представлены в разной степени структурированным органическим вяжущим. Именно адгезионнокогезионные и эластические свойства адсорбционно-сольватных слоев органического вяжущего и определяют в значительной степени физикомеханические свойства бетонов на органических вяжущих.

59

Основные расчетные формулы и справочные данные [13]

)(

01.001,0

см

S

B

Sm

Вm

BMBMM

M

ф















);(

10

4

м

S

В

BM

ф











);(

100

мкм

S

B

BM

ф









;

2

г

см

стр



},0023,0)(exp{)()( 

ихистрхстр

ПППП



стрстрстр



},004,0)(exp{)()( 

ихистрхстр

ПППRПR

,)(пов

n

ф

устр

стрp

K

К

RR 







1. Средняя толщина пленки ОВВ на поверхности МП:

(4.1)

где mM – количество МП, грамм;

SM – его удельная поверхность,

В – количество ОВВ (% к mM); ρB – его плотность, г/см3.

2. Толщина адсорбционно-сольватных (структурированных) слоев на поверхности МП ( )

(4.2)

где (Пи) – известная толщина структурированных слоев для битума с пенетрацией Пи (0,1мм);

(Пх) – искомое значение для битума с пенетрацией Пх (для

которого выполняется расчет).

3. Предел прочности при сжатии структурированного битума с

пенетрацией Пх:

(4.3)

где R

стр(Пи

) – предел прочности на сжатие структурированного битума с

пенетрацией Пи.

4. Расчетная прочность асфальтобетона (Rp):

(4.4)

60