О некоторых закономерностях старения бетонных смесей и бетонов на органических вяжущих на примере дегтебетонов

О НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ СТАРЕНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И БЕТОНОВ НА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ НА ПРИМЕРЕ ДЕГТЕБЕТОНОВ

В.И. Братчун, профессор, д.т.н., Д.В. Гуляк, ассистент,

В.Л. Беспалов, доцент, к.т.н., Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Аннотация. Установлено, что основным технологическим фактором, определяющим интенсивность старения дегтебетонных смесей, является температура производства, влияние которой на порядок выше, чем время объединения органических вяжущих и минеральных материалов в асфальто-смесителе. Нормативное значение коэффициента уплотнения дегтебетонных смесей, приготовленных при температурах выше 130°С, не обеспечивается. Построена обобщенная зависимость старения дегтебетонных смесей в процессе производства, термостатирования в термос-бункерах, при транспортировании к месту укладки и в процессе ускоренного теплового старения в климатической камере ИП-1 при 60 °С. В зависимости от вязкости каменноугольного дегтя рассчитан годовой эквивалент времени ускоренного старения, соответствующий времени старения дегтебетонного покрытия в условиях эксплуатации. Определен срок службы покрытия из дегтебетона до устройства поверхностных тонкослойных покрытий, например, с использованием литых эмульсионно-минеральных смесей.

Ключевые слова: дегтебетонные смеси, дегтебетон, закономерности теплового старения.

Введение

Под старением понимают совокупность физических и химических превращений, происходящих, например, в композиционном материале при производстве, хранении, транспортировании и при эксплуатации под действием тепла, света, проникающей радиации, кислорода, влаги, агрессивных химических соединений, нагрузок и других факторов, приводящих к потере им заданных эксплуатационных свойств [1].

Свойства бетонных смесей и бетонов на органических вяжущих непрерывно изменяются при объединении составляющих, транспортировании, укладке, уплотнении смесей в конструктиве дорожной одежды, а также в период эксплуатации дорожного покрытия [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Изменяется химический состав и структура органических вяжущих в процессе старения. Старение обу-

словлено как внешними факторами, указанными выше, так и внутренними

В работах [12, 13, 14] изучено изменение свойств дегтебетонных смесей в процессе производства, термостатирования, транспортирования к месту укладки в дорожную одежду, а также в процессе эксплуатации.

Установлено, что наиболее интенсивные необратимые изменения свойств и структуры органических вяжущих в тонком слое на поверхности минеральных материалов происходят под действием высоких температур при объединении составляющих компонентов в асфальтосмесителе - это технологическое старение.

Экспериментальные исследования

С использованием метода экспериментальностатистического моделирования установлена определяющая роль температуры производства дегтебетонной смеси, влияние которой на технологическое старение на порядок выше времени перемешивания смесей (реализацию эксперимента выполнено непосредственно на асфальтобетонном заводе (АБЗ) Ясиновского дорожно-строительного участка Артемовского управления СУ «Дор-спец-строй»; факторы варьирования: температура перемешивания смеси (Xi=105 - 165 °С); время приготовления смеси (Х2 = 13 мин) (1), (2).

У1 №о)=5+2,2Х1+0,2Х2+0,5-х2 ;

У

где У и У2 - функции отклика, соответствующие пределам прочности при сжатии при 20 °С и 0 °С.

Интенсивность технологического старения горячих дегтебетонных смесей не зависит от состава дисперсионной среды каменноугольного вяжущего. В то же время, если для производства дегтебетонных смесей применяются маловязкие дегти (С 3°0 <100 с), то при температуре свыше 140 °С интенсивность технологического старения дегтебетона, приготовленного на дегте с каменноугольной смолой выше, чем на дегте с антраценовым маслом. Характерно, что интенсивность технологического старения дегтебетонных смесей на кварцевом минеральном порошке значительно выше, чем на известняковом.

Установлено, что коэффициент старения мелкозернистой дегтебетонной смеси, приготовленной на дегте вязкостью С50 (Кст=

=Ro.4 / R0.1, где Ro.4 и R0.1 - предел прочности при сжатии при 0 0С, приготовленного в ас-фальтосмесителе в течение 4 и 1 минуты со-ответсвенно) изменяется в пределах от Кст=1,15 (температура производства смеси 100 °С) до Кст = 1,1 (температура производства смеси 120 °С). Это свидетельствует о влиянии и времени производства на интенсивность технологического старения. В то же время при температуре производства 180 -200 °С КСт ~ 1,0.

С повышением температуры перемешивания смесей (от 100 °С до 160 °С) температурный интервал уплотнения смесей как и экстремум оптимальной температуры уплотнения смещается от 70 °С (температура производства смеси 100 °С) до 100 °С (температура производства смеси 160 °С), повышается удельная работа, затрачиваемая на уплотнение от

0,612

Дж • м

до 1,0

Дж • м3

кг

кг

Это обусловлено тем, что чем выше температура приготовления горячих дегтебетонных смесей, тем интенсивнее испарение и термоокисление каменноугольных вяжущих в тонких слоях на поверхности минеральных материалов. При этом значительно растет коэффициент объемности дисперсной фазы дег-тей (а+Ь -фракции) к дисперсионной среде (у-фракция). Вязкость дегтей в тонком слое резко возрастает. Тонкие слои дегтя недостаточно способны к коалисценции, поэтому требуется затрачивать большую работу на уплотнение смесей, приготовленных при более высоких температурах.

Ультразвуковым и резонансно-акусти-чес-ким методами получены экстремальные зависимости V = / (Т) и ю = / (Т) (где V и ю -скорость прохождения ультразвуковых волн и частота собственных колебаний в дегте-бетоне от температуры производства смеси Т), которые свидетельствуют о том, что в микроструктуре дегтебетона (нисходящая ветвь кривых) формируется сеть трещин, нарушается сплошность пленочного органического вяжущего на поверхности минеральных материалов.

Характерно, что коэффициент длительной водостойкости горячего дегтебетона (приготовлен на дегте вязкостью С50 = 75 с) в зависимости от температуры производства проходит через экстремум (Т = 115 °С).

Данные ИК-спектров свидетельствуют об образовании в составе органических вяжущих каменноугольного происхождения, распределенных на поверхности минеральных материалов в процессе производства смесей толщиной (1 - 6)-10-6 м кислородосодержащих соединений, растет интенсивность поглощения в области V = 1500 - 1700 см--1 каменноугольных дегтей, подвергнутых нагреву при 100 °С и 160 °С, в сравнении с непрогретым

каменноугольным дегтем С 50 = 75 с. В то же время ЭПР-спектры каменноугольных вяжущих стабильны и аналогичны друг другу, независимо от температуры и времени производства дегтебетонной смеси. В частности, ЭПР-спектр каменноугольного дорожного

дегтя вязкостью С 50 =75 с, подвергнутый

нагреву при 160 °С в течение 60 минут, идентичен ЭПР-спектру исходного дегтя. Концентрация парамагнитных спектров составляет 1016 п.ц./мг.

Таким образом, доминирующими процессами при технологическом старении дегтебетонных смесей является, прежде всего, испарение легкокипящих углеводородов и термоокисление у- и Р-фракций органического вяжущего, ведущих к увеличению концентрации гидроперекисей, растет количество свободных «короткоживущих» радикалов, которые рекомбинируют в процессе производства дегтебетонной смеси.

Кст=112о

1 12 3

Рис. 1. Обобщенная зависимость коэффициента теплового старения Кст горячих дёгтебетонных смесей от времени старения т при температурах их производства: 1, 2, 3 - 100 °С; 130 °С; 160 °С соответственно

Анализ данных, относящихся к обобщенной зависимости интенсивности старения дегтебетонных смесей (рис. 1), показывает, что незначительная продолжительность хранения дегтебетонных смесей в термос-бункерах (10 часов) ведет к таким же изменениям, как

и в условиях эксплуатации в покрытии в течение 10 месяцев, если смесь перемешана и термостатирована при 100 °С (точка Е рис. 1) или в течение двух лет, если смесь перемешана и термостатирована при 130 °С (точка К рис. 1) (изучение влияния термостатирова-ния на интенсивность старения дегтебетона выполнено в натурных условиях на АБЗ Мариупольского дорожно-строительного

участка Артемовского управления СУ «Дор-спецстрой»).

Характерно, что чем выше температура производства горячей дегтебетонной смеси, тем интенсивнее стареет смесь в процессе транспортирования к месту укладки. Например, при температурах перемешивания смеси

100 - 160 °С после транспортирования (один час) предел прочности дегтебетона при сжатии растет в 1,1 - 1,25 раза соответственно.

Естественно, что с понижением температуры производства дегтебетонных смесей степень их старения в условиях эксплуатации растет. При ускоренном старении в климатической камере при Т=60 °С дегтебетон из смеси, перемешанной при 100 °С, достигает такой же прочности при сжатии, как и дегтебетон из смеси, перемешанной при 130 °С, только через 460 часов термостатирования (соответствует 2,3 годам эксплуатации в натурных условиях). Это является убедительным доказательством того, что технологическое старение дегтебетонных смесей вносит решающий вклад в необратимые изменения свойств дегтебетона.

Установлена корреляционная зависимость между пределом прочности при сжатии Я0 при 0°С, температурой Т и временем термо-статирования п в климатической камере ИП-1 при 60°С и потерей массы Ат образца дегтебетона (3).

Я0=1,83-0,014п-2,24-Дт+0,046Т +

0,0006-Т-0,0017п-Дт+0,0022Т-Дт -

- 0,00047^+0,04 Ат2, (м.к.к. = 0,997),

где м.к.к. - множественный коэффициент корреляции.

Таким образом, температура производства горячей дегтебетонной смеси (с учетом термостатирования в термос-бункере) не должна превышать 105 °С. Более высокие температу-

ры производства дегтебетонной смеси и ее термостатирования приводят к резкому снижению ее уплотняемости и деформативности покрытия, росту его пористости и водонасы-щения, а, следовательно, и к снижению долговечности.

При проектировании состава и структуры дегтебетонных смесей, предназначенных для строительства верхних слоев дорожных одежд, наряду с обеспечением расчетных физических и деформационно-прочностных характеристик дегтебетона необходимо прогнозировать динамику старения его и, прежде всего, изменение деформативности в области отрицательных температур. Это даст возможность своевременно осуществлять мероприятия по повышению долговечности дегтебетонного дорожного покрытия его регенерацией или возобновления слоев износа.

Определение динамики старения бетонов

В настоящей работе использовали методологический подход по определению эквивалентного времени старения в натурных условиях на основе кинетики старения образцов мелкозернистого бетона (тип В) при температуре 70 °С и ультрафиолетовом облучении в климатической камере ИП-1[15]. Дегтебетоны приготовлены на дегтях каменноугольных дорожных (ГОСТ 4641) вязкостью С30 = 103 с и С50 = 80 с.

«Годовой эквивалент» N4, за который в дегтебетоне должны произойти изменения равные годовым изменениям дегтебетонного покрытия, находящегося в данном климатическом районе

Nч

А Не

т Че ЯТ

где N - длительность прогрева образцов дегтебетона в климатической камере ИП-1 при 70 °С; т - коэффициент, учитывающий действие не только температуры и ультрафиолетового облучения, но и других факторов (значение т принято равным единице); ДНС - теплота активации процесса старения, Дж/моль; Я -универсальная газовая постоянная, Дж/моль; Т - абсолютная температура, К.

В зависимости от средней суточной температуры воздуха изменение температуры дегтебетонного покрытия в любом месяце года

может быть определено с достаточной степенью точности по формуле (5) Гайворонско-го В.Н. [15].

гь Че

й 2я(т- 7) щ 3Ч^к------- ---- ъ -

где Т2 - средняя суточная температура дегтебетонного покрытия для любого месяца года, °С; 4 - средняя суточная температура воздуха для любого месяца, °С; г - глубина слоя, в котором определяется температура, м; Т - период колебания месячной температуры (Т = 12 месяцев); т - порядковый номер месяца, начиная с января; е - основание натурального логарифма.

По результатам построения зависимости Я0=/

0 ,ь0

п.

s + 1

Ч1п-

п

где Е\=ДНс - энергия активации теплового старения, Дж/моль; , г°1 - температура испытаний, К; 5=1, 2...(п-1); пг0 , пг° - продолжительность испытаний до достижения критического значения Я0 = 13 МПа (Я < <13 МПа - критическое значение предела прочности при сжатии при 0 °С по ДСТУ Б В. 7-119-2003, которое характеризует деформационную устойчивость дегтебетона при низких температурах). «Годовой эквивалент» для Донецкой области определяли при энергии активации теплового старения ДНС= Е70-50 (табл. 2).

Срок службы дегтебетонного покрытия можно продлить, если своевременно устраивать и возобновлять слои поверхностной обработки с использованием нефтяного дорожного битума. Это позволит значительно замедлить испарение легкокипящих фракций дисперсионной среды каменноугольного дегтя и ограничить диффузию кислорода воздуха к полимеризующимся компонентам каменноугольного вяжущего.

Временным интервалом до нанесения слоя поверхностной обработки может служить достижение бетоном в покрытии критической прочности Я0= 13 МПа.

г

г

Средняя суточная температура воздуха, °С Число дней в году со средней суточной температурой воздуха, сут Порядковый номер месяца, т °С Т, °С

от до

-29,9 -20 1,6 XII; I; II -24,95 250,419

-19,9 -10,0 16,5 ХП; I; П; Ш -14,95 259,525

-9,9 0,0 69,3 X; XI; Ш -4,95 268,757

0,1 10,0 96,0 X; Ш; IV 5,05 277,478

10,1 20,0 100,3 IX; X; IV; V 15,05 285,701

20,1 30,0 80,7 V; У[;УП; VIII 15,05 285,701

30,1 40,0 0,6 VII; VIII 35,05 301,852

Таблица 2 Расчетные значения для определения «годового эквивалента» службы

дегтебетонного покрытия

Состав и вязкость каменноугольного дегтя (КД) в дегтебетоне Т т , г Яж, МПа ДНс= Е70-50, Дж/моль «Г одовой эквивалент», N4, ч

К.Д, С30= 103с (пек + антраценовое масло); оптимальное содержание вяжущего - 7,4 % 343.0 323.0 776.0 2925.0 13.0 13.0 61147 42,284

К.Д, С50 = 80с (пек + антраценовое масло); оптимальное содержание вяжущего - 7,7 % 343.0 323.0 95,85 330,15 13.0 13.0 59993 60,681

Для определения оптимального срока эксплуатации покрытия т до устройства первого слоя защитного покрытия, выполненного поверхностной обработкой, например, дегтебетона прогретого при 70°С (рис. 2) получаем, что для достижения теплым дегтебетоном критической прочности его следует прогревать Ы13 = 776,59 часов при 70°С.

Рис. 2. Зависимость предела прочности при сжатии при 0 °С R0 мелкозернистого дегтебетона, приготовленного на каменноугольном дегте вязкостью С 30 =103 с от времени старения п в климатической камере ИП-1 при температурах 30, 50, 70 и 90 °С соответственно

Таким образом, оптимальный срок эксплуатации дегтебетонного покрытия, выполненного из дегтебетона с использованием каменноугольного дегтя вязкостью С 30 =103 с до устройства первый раз поверхностной обработки составит

т =

N13 _ 776,59 Ыч2 " 42,284

_ 18,4 года.

Заключение

Одним из эффективных способов значительного снижения энергетических затрат в дорожном строительстве является внедрение ремонта дорожной одежды способом устройства особо тонкослойного покрытия из литых эмульсионно-минеральных смесей. Этот способ позволяет снизить как затраты энергоресурсов в 2 - 4 раза, так и экологическую нагрузку на окружающую среду в 3,5 -3,9 раза [16]. Кроме того, этот способ устройства защитных слоев позволяет не только обеспечить нормативный срок службы асфальтобетонных покрытий - 15 лет до капитального ремонта, а и увеличить его до 20 лет и больше, при условии периодического обновления защитного слоя раз в 3 - 5 лет. Например, в качестве литой эмульсионно-минеральной смеси можно рекомендовать следующий состав при технологии

производства: отсев дробления гранита (100 м.ч.) смешивают с цементом (0,3 м.ч.), смесь увлажняют до В/Т = 9 % и перемешивают до однородного состояния с последующим введением 12 % битумной эмульсии (концентрация битума в эмульсии 50 %) [16].

Показатели качества эмульсионно-минерального материала, приготовленного на битуме БНД-60/90: предел прочности при сжатии при 20 °С - 2,08 МПа; коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении -

0.81. водонасыщение- 1,55 %; набухание -38 %; плотность - 2190 кг/м3.

При строительстве же дегтебетонных покрытий из горячего дегтебетона устройство поверхностной обработки следует осуществлять через 1,4 года.

Эффективным способом продления долговечности дегтебетонных и асфальтобетонных покрытий является их регенерация.

Литература

1. Энциклопедия полимеров: Советская эн-

циклопедия. - 1977. - Т.3. - 1152 с.

2. Гельфанд И.М. Устойчивость асфальтобе-

тона и дегтебетона в зависимости от климатических факторов. - М.: Авто-трансиздат, 1957. - 16 с.

3. Бутова В.В. Исследование старения горя-

чего и теплого асфальтобетона: Авто-реф. дис... канд. техн. наук: 05.23.05 / ХАДИ. - Харьков, 1971. - 18 с.

4. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорож-

ные битумы. - М.: Транспорт, 1973. -264 с.

5. Шестеркин В.Д. Определение периода

нормальной работы асфальтобетонного покрытия // Известия вузов. Сер. Строительство и архитектура. - 1973. - №8. -С.133 - 136.

6. Базжин Л.И. Исследование влияния мине-

ралогического состава и структуры минеральных порошков на старение асфальтового бетона: Автореф. дис.

канд. техн. наук. 05.23.05 / ХАДИ. -Харьков, 1974. - 24 с.

7. Бахрах Г.С. Старение асфальтобетонных

покрытий и пути его замедления // Труды ГипроДорНИИ. - 1974. - Вып. 9. -С.84 - 96.

8. Славуцкий О.И. Исследование долговечно-

сти битумоминеральных покрытий // Известия вузов. Сер. Строительство и архитектура. - 1976. - №7. -С. 129-133.

9. Таращанский Е.Г., Голдина В.Д. Учиты-

вать изменение свойств асфальтобетонов во времени // Автомобильные дороги. - 1983. - №6. - С. 14 - 15.

10. Коваль А.А. Закономерности старения дегтей, дегтебетонов и пути его замедления: Автореф. дис... канд. техн. наук. 05.23.05/ХАДИ. - Харьков, 1984. - 23 с.

11. Железко Е.П. О механизме термоокисли-

тельного старения битумоминеральных материалов и факторах, влияющих на их долговечность // Известия вузов. Сер. Строительство и архитектура. - 1988. -№9. -С. 60 - 64.

12. Братчун В.И., Золотарев В.А. Модифици-

рованные дегти и дегтебетоны повышенной долговечности: Монография. -МОН Украины, ДонГАСА, Макеевка, 1998. - 226 с.

13. Братчун В.И., Гуляк Д.В., Беспалов В.Л.

Тепловое старение дегтебетонных смесей и дегтебетонов // Современные проблемы строительства. - 2005. - № 3 (8). - С. 213 - 218.

14. Братчун В.И., Гуляк Д.В., Беспалов В.Л.

Определение времени эффективной работы дегтебетонного дорожного покрытия // Ресурсоекономш матерiали, конструкци та споруди. - Рiвне: Нащональний ушверситет водного господарства та природокористування, 2005. -

С. 7 - 11.

15. Гайворонский В.Н. Прогнозирование тем-

пературного режима асфальтобетона // Автомобильные дороги. 1970. - № 12. -С. 18 - 19.

16. Островерхий О.Г., Борисенко А.А. Економiчна ефектившсть будiвництва жорстких тонкошарових покритпв iз емульсшно-мшерально! сумiшi лито! консистенци // Автомобшьш дороги i дорожне бущвництво. - 1999. - Вип. 57.

- С. 175 - 182.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.