Текст книги "Композиционные составы для локализации очагов разрушения дорожного покрытия"

Глава 2. Разработка состава композиции для заделки трещин на дорожном покрытии

Наиболее распространенными видами дефектов на асфальтобетонных покрытиях являются трещины температурные, силовые, отраженные и технологические. Герметизация трещин на асфальтобетонных покрытиях выполняется по общеизвестным методикам с учетом физических характеристик асфальтобетона и изменения его реологических свойств во времени и от температуры. Материалы для заделки трещин выбирают с учетом величины обратимых и необратимых составляющих деформаций, соотношения между напряжениями и деформациями и релаксационной способности. В практике дорожной отрасли для устранения дефектов на асфальтобетонных покрытиях чаще всего применяют мастичные составы на основе органических вяжущих с добавками, повышающими деформативность составов. Учитывая климатические условия Сибирского региона, можно предположить, что деформационные свойства мастик и асфальтобетона несовместимы при отрицательных температурах. Это может привести к преждевременному разрушению мастичных составов и ежегодному ремонту покрытий. С целью повышения качества ремонта и обеспечения долговечности асфальтобетонного покрытия исследована возможность применения принципиально новых составов для заделки трещин на основе минеральных вяжущих, свойства которых в значительной мере будут близки к свойствам мастичных составов на органических вяжущих и соответствовать требуемой пластичности, прочности при сжатии и изгибе, адгезионной прочности, морозостойкости и низкому водопоглощению.

Дополнительными позитивными моментами выполненных исследований являлись сопутствующие экологический, технологический и экономический эффекты.

2.1. Теоретическое обоснование выбора сырьевых материалов композиции

Материалы для ремонтной композиции выбирали с учетом местных сырьевых ресурсов.

В качестве основного компонента в составе композиции принято смешанное вяжущее, содержащее смесь портландцемента и гидравлически активной буроугольной золы-уноса. Основным по массе компонентом вяжущего в разрабатываемом ремонтном составе являлась высококальциевая зола-унос Красноярской ТЭЦ-2, образующаяся в процессе сжигания бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна, в составе которой присутствует 7–9 % свободного оксида кальция [61, 94]. Исследования, проведенные А. В. Киселевым, Е. И Аллилуевой, М. А. Савинкиной и другими авторами [70, 110, 120] по проблеме использования топливных отходов зол ТЭЦ Канско-Ачинского угольного бассейна показали, что золы могут заменить природное сырье для производства цемента и других вяжущих. Исследования химического состава и физико-механических свойств высококальциевой золы показали, что этот вид отходов теплоэнергетической промышленности является ценным строительным материалом, который может быть использован как самостоятельное низкомарочное вяжущее. Однако применение такой золы в чистом виде без дополнительных технологических операций затруднено из-за возможного негативного влияния оксида кальция, который присутствует в свободной форме. Поздняя гидратация частиц СаО_своб, покрытых стекловидной оболочкой, приводит к растрескиванию и разрушению затвердевшего материала. Вопросы нейтрализации свободного оксида кальция в золах-уноса освещены в работах М. Я. Процайло [6].

Нейтрализовать негативное влияние СаО_своб возможно различными способами: физическими, химическими, термическими. В данной работе выбран химический способ нейтрализации свободного оксида кальция за счет применения активных добавок, способных вступать в реакции присоединения и обмена с минералами золы.

Химический состав золы-уноса Красноярской ТЭЦ-2 и ее физико-механические свойства приведены в табл. 2.1, 2.2.

Активность естественных радионуклидов золы-уноса соответствует ГОСТ 30108 [38] для строительства дорог, измеряется в пределах от 370 Бк/кг до 700 Бк/кг. В составе бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна содержится радий 226, торий 232 , калий 40 и другие радионуклиды, концентрация которых увеличивается после выгорания органической составляющей. Согласно «Временным критериям ограничения облучения населения от природных источников ионизирующего облучения» № 43210 / 796, утвержденным Главным госсанврачом РФ от 05.12.1990 г., эффективная активность естественных радионуклидов не должна превышать 370 Бк/кг.

Удельная активность определяется по формуле

Таблица 2.1

Химический состав золы-уноса

Таблица 2.2

Физико-механические свойства золы-уноса

Результаты гамма-спектроскопического анализа золы-уноса ТЭЦ-2 приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Гамма-спектроскопический анализ золы-уноса

Радиационная оценка золы-уноса исследуемых проб показала, что средние значения эффективной удельной активности не превышают нормированной величины от 370 Бк/кг до 750 Бк/кг и зола-унос может использоваться для строительства дорог.

Для повышения прочности ремонтного материала и улучшения структуры раствора кроме высококальциевой золы в него дополнительно вводили второе вяжущее, в качестве которого использовали портландцемент Красноярского цементного завода марки 400. Структура смешанного вяжущего в твердой фазе отличается повышенной плотностью, так как зерна золы являются тонкодисперсным наполнителем с размерами частиц 1–10 мкм, а зерна цемента имеют размер 1–100 мкм, которые заполняют пустоты между зернами золы, повышая плотность системы.

Химический состав и физико-механические свойства портландцемента приведены в табл. 2.4, 2.5.

Таблица 2.4

Химический состав портландцемента

Таблица 2.5

Физико-механические свойства портландцемента

К ремонтным композициям предъявляются требования по твердости, жесткости, прочности на сжатие. Эти свойства зависят как от свойств вяжущего, так и заполнителя. Структурный каркас композиции состоит из смеси двухфазного вяжущего и заполнителя. В твердеющей смеси заполнитель играет роль скелета, принимающего на себя нагрузки от внутренних напряжений, возникающих из-за деформаций структуры как на стадии твердения, так и в период эксплуатации. Однако чтобы заполнитель отвечал указанным требованиям, необходимо распределить частицы таким образом, чтобы более мелкие фракции располагались в промежутках между крупными, не раздвигая их. Так как зола-унос с размерами частиц 1–10 мкм относится к мелкой фракции, в качестве заполнителя при разработке состава композиции использовали речной песок карьера «Березовский» с модулем крупности М_кр = 1,68 с содержанием глинистых частиц менее 0,1 %.

Речной песок является полимиктовым, характеризуется многообразием петрографического состава, форма песчаных частиц малоокатанная, что способствует увеличению сцепления с другими материалами. Физико-механические характеристики и зерновой состав речного песка приведены в табл. 2.6, 2.7.

Таблица 2.6

Физико-механические свойства речного песка

Таблица 2.7

Зерновой состав речного песка

К составам для ремонта дорожных покрытий предъявляется требование быстрого набора начальной прочности, поэтому в состав композиции дополнительно вводили модифицированный шлам тонкомолотой угольной футеровки, представляющий собой попутный продукт производства алюминия Красноярского алюминиевого завода. По предварительным оценкам [1, 125, 102] общее количество твердых отходов производства алюминия составляет до 85 кг/т металла, из них до 40 кг/т составляет лом угольной футеровки – отход, образующийся при капитальном ремонте футеровки электролизеров [1, 125]. Отработанная футеровка электролизеров ориентировочно содержит по массе около 20 % углерода, 60 % огнеупоров и до 12–13 % фторидов. По гранулометрическому составу в преобладающей фракции (более 85 % масс.) составляют частицы размером от 0,25 до 0,5 мм. Фтор в угольной футеровке в основном связан в устойчивом комплексе – криолите Na₃ [AlF₆]. Часть фтора содержится в легкорастворимых простых солях: NaF и AlF₃. Поскольку с точки зрения экологической безопасности содержащийся в угольной футеровке фторид натрия необходимо связывать в нерастворимый продукт, угольную футеровку модифицировали крупнотоннажным отходом гидролизных производств – шламом нейтрализации варочной серной кислоты известью, как установлено в работе [71]. При тщательном перемешивании этих отходов образуется смесь, в которой при увлажнении происходит реакция

Растворимость NaF и AlF₃ намного выше растворимости CaF₂, ПДК водной вытяжки из такого материала меньше значений ПДК по фтору для водоемов и почв[101]. Шлам, способный вступать в химическую реакцию на ранней стадии гидратации, по химическому составу относится к ускорителям твердения минеральных вяжущих.

Следует остановиться еще на одном моменте, который может проявляться при эксплуатации затвердевшего в трещинах дорожного полотна ремонтного состава. В дождливый период материал подвергается настолько мощному напору воды, что это может быть сравнено с условиями нахождения материала в проточных водах. При твердении в портландцементе наряду с целым рядом гидратов образуется свободная гидратная известь, которая хорошо растворяется и снижает устойчивость цементного камня в напорных, проточных и слабоминерализованных водах. Поэтому целесообразно вводить в цемент активные добавки, которые содержат активную (растворимую) форму кремнезема и глинозема. Они придают портландцементу повышенную водостойкость за счет взаимодействия активного кремнезема и глинозема с Са (ОH)₂ и образования нерастворимых гидросиликатов [46].

С этой точки зрения шлам тонкомолотой угольной футеровки является активной минеральной добавкой, которая, во-первых, может способствовать регулированию темпа набора прочности композиции в начальные сроки, во-вторых, придать композиции дополнительную плотность и водостойкость. Шлам тонкомолотой угольной футеровки по химическому составу может быть отнесен к кислым добавкам низкой активности (меньше 50 мг/г поглощенной извести из известкового раствора через 30 сут). Модуль, определенный по формуле [46]

меньше 1 (кислая добавка).

Поскольку угольная футеровка содержит значительное количество SiO_2, то ее введение, несомненно, будет способствовать повышению плотности и прочности состава композиции за счет сопутствующей дополнительной реакции пуццоланизации между Ca (OH)₂ и SiO_2.

Рис. 2.1. Влияние шлама нейтрализации (ШН) и золы-уноса (З-У) ТЭЦ-2 на выщелачивание фтора из угольной футеровки (УФ) при различных соотношениях угольной футеровки и добавки: исх. УФ; УФ + З-У (1:3); УФ + ШН (1:1)

Для оценки возможности применения угольной футеровки в составе композиции для ремонта дорожных покрытий изучали полноту связывания фторид-ионов с золой-уноса ТЭЦ, содержащей 8,4 % масс. свободного оксида кальция, и неорганическим шламом нейтрализации гидролизного производства, содержащего СаSO₄ до 75 % масс. Количество добавки в каждом случае было достаточным для стехиометрически обоснованного связывания ионами кальция высвобождающихся ионов фтора, как показано на рис. 2.1.

Установлено, что при контакте тонкомолотой угольной футеровки с водой происходит активное выщелачивание фтора. Эта стадия взаимодействия, вероятно, обусловлена растворением фторида натрия, находящегося на поверхности измельченных частиц угольной футеровки, и протекает по схеме

Экспериментальная зависимость логарифма равновесной концентрации фторид-ионов lgC_F в растворе от времени выщелачивания τ в пределах ошибок является прямолинейной, т. е. скорость реакции выщелачивания фтора Y_p на данной стадии практически не изменяется со временем при температуре 22 °С.

Данное значение скорости соответствует быстрому переходу фтора в раствор в течение 1–2 мин, затем скорость процесса выщелачивания заметно снижается. Последующие измерения показали, что равновесие в данной системе достигается только через 2–3 сут.

Проведенные исследования показали, что при увлажнении тонко-молотой угольной футеровки гипсосодержащим шламом полностью исключается вымывание фтора в окружающую среду.

Таким образом, для связывания токсичных соединений фтора в практически нерастворимое соединение СаF в угольную футеровку предложено вводить шлам нейтрализации гидролизных производств, состоящий на 75–80 % из гипса и остатков лигнина, в том числе лигносульфонатов. Находящийся в составе композиции оксид кальция золы-уноса как основного компонента вяжущего также будет связывать фторид-ионы, высвобождающиеся при гидролизе солей NaF, AlF₃, Na₃[AlF₄] угольной футеровки.

В процессе удаления фтора кальцийсодержащими веществами фторид-ионы, находящиеся в составе простых солей, связываются в малорастворимый осадок:

При этом концентрация фтора снижается в 2,5 · 10³ и 3 · 10² раза по сравнению с концентрацией вымываемого фтора из простых солей NaF и AlF₃ и не превышает 1,5 мг/л концентрации ПДК по фтору для водоемов и почв [16, 55]. Это свидетельствует о том, что с экологической точки зрения такие составы покрытий являются неопасными для окружающей среды при ремонте дорожных покрытий. Химический состав шлама приведен в табл. 2.8.

При производстве ремонтных работ особое внимание уделяется сцеплению в зоне стыка старого и нового покрытий. Для повышения прочности междуслойного сцепления в зоне контакта с ремонтируемой поверхностью в разрабатываемый состав композиции предложено вводить адгезив в виде полимерной добавки «Виннапас RE 524 Z». Полимерная добавка «Виннапас RE 524 Z» в виде дисперсионного порошка при затворении водой быстро и полностью редиспергируется, образуя полимерную дисперсию, которая при отверждении раствора создает так называемые «резиновые мостики» в его порах и на границе с основой [7]. Частицы полимерной дисперсии распределяются среди частиц цемента и наполнителя и после высыхания воды образуют мембранную структуру пленки, которая проявляет хорошую адгезию к затвердевшему камню и обеспечивает междуслойное сцепление в зоне стыка старого и нового покрытий [14].

Таблица 2.8

Химический состав шлама

Минеральные вяжущие обеспечивают высокую прочность при сжатии, но в меньшей степени воспринимают нагрузки на растяжение и изгиб.

Дисперсионные порошки создают в порах цементного камня эластичные пленки, поэтому модифицированные ими составы выдерживают большие деформирующие нагрузки, имеют повышенную стойкость против истирания, что очень важно при ремонте дорожных покрытий. По мнению авторов И. Охама (Япония), Р. Цюрбриггена, П. Дильгера (Швейцария) [95,128] цементные составляющие гидратируются быстрее, чем появляется полимерная пленка. На границе соприкосновения гидратных новообразований цемента и полимерной пленки образуется зона взаимодействия, которая является связующей при контакте неорганических и органических составляющих твердеющих цементно-полимерных систем.

Свойства дисперсионной добавки «Виннапас RE 524 Z» приведены в табл. 2.9.

Одним из важных компонентов в составе композиции является водоудерживающая добавка, основное свойство которой заключается в способности удерживать воду, т. е. снижать подвижность свободных молекул, уменьшать скорость испарения влаги в окружающую среду, повышать степень гидратации минеральных вяжущих. Применение водоудерживающей добавки в виде порошкообразного эфира целлюлозы особенно важно в тех случаях, когда смеси работают в контакте с пористыми основаниями, а также при использовании тонкослойных материалов, так как она служит скользящей смазкой между частицами минеральных компонентов[23].

Таблица 2.9

Свойства дисперсионной добавки «Виннапас RE 524 Z»

С этой точки зрения в состав композиции вводили специальную органическую добавку «Бермоколл Е230» – водорастворимый эфир целлюлозы. При растворении в воде добавка набухает, вызывая эффект загущения раствора, что напрямую связано с реологическими свойствами и структурной вязкостью этого продукта. Обладая загущающими свойствами, эфир целлюлозы препятствует седиментации частиц наполнителей. Гидратация цемента происходит значительно полнее, при отверждении раствор набирает большую прочность как при сжатии, так и при изгибе. Составы с этой добавкой обладают высокой водоудерживающей способностью, имеют минимальную потерю воды, что обеспечивает высокую прочность состава и хорошее сцепление с основанием. Добавка улучшает консистенцию и стабильность состава, а также предохраняет состав от расслоения, тем самым повышая однородность смеси.

Добавка «Бермоколл Е 230» способна сохранять свои свойства после растворения в воде и образует прозрачные вязкие растворы, которые коагулируют при нагревании выше 50 °С. При охлаждении гель вновь переходит в раствор. Водные растворы добавки «Бермоколл Е 230» обладают большой связывающей, диспергирующей, эмульгирующей, смачивающей и адгезионной способностью. Содержание частиц менее 63 мкм в добавке составляет от 20 до 60 %.

2.2. Исследование влияния сырьевых материалов на свойства ремонтной композиции

Основными показателями ремонтной растворной смеси и раствора являются: плотность сухой и растворной смеси, подвижность, водоудерживающая способность, прочность при сжатии и изгибе, адгезия к основанию, водопоглощение, морозостойкость.

Методика оценки эффективности материалов при использовании их в ремонтной композиции включает перечень показателей, по которым производится оценка, а также рекомендуемые методы определения эффективности в соответствии с ГОСТами. При исследовании влияния отдельных сырьевых компонентов ремонтной композиции на ее основные свойства были использованы стандартные методики и методики, разработанные научно-исследовательскими коллективами.

Плотность сухой и растворной смеси определяли по ГОСТ 5802–86 «Растворы строительные. Методы испытаний».

Подвижность растворной смеси определяли по глубине погружения стандартного конуса за определенный период времени в соответствии с ГОСТ 5802–86 «Растворы строительные. Методы испытаний».

Водоудерживающую способность оценивали по потере массы слоя растворной смеси толщиной 12 мм, уложенной на 10 листах промокательной бумаги по ГОСТ 5802–86 «Растворы строительные. Методы испытаний».

Прочность при сжатии и изгибе определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 5802–86 « Растворы строительные. Методы испытаний» на образцах-балочках размером 160×140×40 мм.

Определение прочности сцепления проводилось с помощью разрывной машины по ГОСТ 24992–81.

Водопоглощение определяли по ГОСТ 5802–86 «Растворы строительные. Методы испытаний» по разности масс образца, насыщенного водой и высушенного до постоянной массы.

Морозостойкость характеризуется способностью образцов выдерживать в насыщенном водой состоянии заданное количество циклов попеременного замораживания и оттаивания. Испытания на морозостойкость проводили ускоренным методом по ГОСТ 10060–95 «Бетоны. Методы определения морозостойкости».

2.3. Исследование влияния расхода песка на свойства зольно‐песчаной композиции

В композиции для ремонта асфальтобетонных покрытий в качестве основной скелетной составляющей использовали речной песок в сочетании с золой-уносом при соотношении от 50 : 50 % до 20 : 80 % (зола + песок).

Данные о влиянии расхода песка на прочность зольно-песчаной композиции в возрасте 1,7 и 28 сут нормального твердения представлены в табл. 2.10.

Таблица 2.10

Влияние расхода песка на прочность ремонтной композиции

Исследования влияния расхода песка на прочность зольно-песчаной композиции показали, что с увеличением процентного содержания песка прочность зольного камня снижается. Физико-механические свойства зольно-песчаной композиции состава 50 : 50 % по массе дают возможность получить композицию с показателями по прочности 1,81 МПа в начальные сроки твердения и 2,71 МПа в более поздние сроки. Прочность такой композиции находится в пределах прочности, регламентируемой ГОСТ 9128–97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон», и несколько превосходит свойства асфальтобетонной смеси, что указывает на совместимость по прочности этой композиции с асфальтобетоном. Исходя из этого в качестве исходного ориентировочного состава приняли композицию с соотношением (зола + песок). 50 : 50 %.

2.4. Разработка состава зольно‐цементно‐песчаной композиции

Основным по массе компонентом вяжущего в составе композиции для заделки трещин использовали гидравлически активную золу-унос, которая является низкомарочным вяжущим материалом. Для улучшения прочностных показателей, часть золы заменяли на портландцемент. Эффективность количественного наполнения цементом зольно-песчаной композиции оценивали по влиянию добавленного цемента на нормальную густоту, сроки схватывания и прочностные показатели. Результаты исследований влияния расхода цемента на свойства зольно-цементного теста и камня представлены в табл. 2.11 и на рис. 2.2.

Таблица 2.11

Влияние расхода цемента на нормальную густоту и сроки схватывания зольно-цементного теста

Рис. 2.2. Прочность при сжатии ремонтной композиции в различные сроки твердения: 1 сут; 7 сут; 28 сут

Анализ показывает, что добавка цемента в количестве от 10 до 40 % в составе зольно-песчаной композиции увеличивает сроки схватывания зольно-цементного теста и прочностные показатели зольно-цементно-песчаного раствора в 5 раз в условиях нормального твердения как в начальные, так и в более поздние сроки.

Однако согласно ГОСТ 9128 – 97 физико-механические показатели по прочности асфальтобетонных смесей, которые в большинстве случаев используются для ремонта дорожных покрытий, должны составлять не менее 1,5 МПа.

Результаты исследований показывают, что зольно-песчаная композиция при наполнении ее всего 10 % цемента сопоставима с прочностью асфальтобетона. Целесообразность применения ремонтной композиции для заделки трещин при соотношении компонентов: золы-уноса 40 %, цемента 10 %, песка 50 % – обеспечивается прочностью при сжатии в ранние сроки 2,42 МПа и в более поздние 3,62 МПа.