Дьогтьобетони з комплексно-модифікованою мікроструктурою

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ДЬОГТЬОБЕТОНИ З КОМПЛЕКСНО-МОДИФІКОВАНОЮ МІКРОСТРУКТУРОЮ

Ходун Володимир Миколайович

УДК 691.16: 662

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Макіївка - 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі будівельних матеріалів і виробництва будівельних конструкцій Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Братчун Валерій Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри будівельних матеріалів і виробництва будівельних конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри “Виробництво будівельних виробів і конструкцій”;

доктор технічних наук, професор Мозговий Володимир Васильович, Український транспортний університет, завідувач кафедри дорожньо-будівельних матеріалів і хімії (м. Київ).

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти України (кафедра будівельних матеріалів і виробів).

Захист дисертації відбудеться “5” березня 1999 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12. 085.01 Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I учбовий корпус, зал засідань).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “3” лютого 1999 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Шаповалов С.М.

дьогтьов'яжучий бетонний суміш

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Рівень розвитку і технічного стану дорожньої мережі України істотно впливає на економічний і соціальний розвиток країни, тому що надійні транспортні зв'язки сприяють підвищенню ефективності використання виробничих фондів, трудових і матеріально-технічних ресурсів. Донецька, Луганська і Запорізька області мають у своєму розпорядженні розгалужену позаміську мережу автомобільних доріг із нежорсткими покриттями протяжністю понад двадцяти тисяч кілометрів, третина яких є дьогтьобетонними. Проте, термін служби таких покриттів дорівнює 6-8 рокам замість 14. Це обумовлено незадовільною зсувостійкістю, водостійкістю, морозостійкістю й інтенсивним старінням дьогтьобетону.

Властивості дьогтьобетону визначаються, у першу чергу, якістю матриці, поданої кам'яновугільним дьогтем і мінеральним порошком.

При якісних компонентах і оптимальній структурі дьогтьобетону найбільш доцільним засобом керування структуроутворенням дьогтьобетону є фізико-хімічна модифікація “об'ємного” і “структурованого” дьогтю полімерними добавками (відсів полівінілхлориду - ВПВХ), а також підвищення енергії взаємодії на поверхні поділу фаз (ППФ) “органічне в'яжуче - мінеральний порошок, активований олігомером, що містить функціональні групи (карбамідоформальдегідна смола (КФ-МТ), епоксидні смоли (ЕД) і полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол (ПВЕС))”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного та прикладного характеру були здійснені в межах виконання держбюджетної науково-дослідної роботи №0197.013 9306 “Розробка і впровадження технології комплексної переробки техногенних родовищ вуглевидобувної промисловості у високоякісні будівельні матеріали”. Замовник - Міністерство освіти України, 1997-1999 рр.

Метою дослідження є теоретичне і експериментальне обгрунтування одержання тривкого дорожнього дьогтьобетону для будівництва покриттів автомобільних доріг на основі встановлення закономірностей формування комплексно-модифікованої мікроструктури дьогтьобетону, представленої дьогтьополівінілхлоридним в'яжучим і мінеральним порошком, поверхня якого активована олігомером, що містить функціональні групи (КФ-МТ, ПВЕС, ЕД).

Задачі досліджень:

Розробити й аналітично описати концептуальну фізико-хімічну модель оптимальної структури комплексно-модифікованої дьогтьов'яжучої речовини, представленої дьогтьополівінілхлоридним в'яжучим і мінеральним порошком, поверхня якого активована олігомером, що містить функціональні групи.

Дослідити процеси структуроутворення в системі “дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче - модифікований олігомером мінеральний порошок”.

Визначити оптимальні температурні режими укладання і ущільнення дьогтьобетонних сумішей із комплексно-модифікованою мікроструктурою.

Дослідити фізичні і деформаційно-міцнісні властивості бетонів, що містять дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче і мінеральний порошок, поверхня якого активована олігомером.

Виконати дослідно-виробничу апробацію в дорожньому будівництві дьогтьобетонних сумішей із комплексно-модифікованою мікроструктурою. Надати економічне обгрунтування доцільності застосування дьогтьобетонних сумішей із модифікованою дьогтьов'яжучою речовиною, що підвищує тривкість дьогтьобетону.

Наукова новизна отриманих результатів:

теоретично й експериментально обгрунтований засіб одержання тривкого дьогтьобетону для будівництва конструктивних шарів покриттів автомобільних доріг, який полягає в комплексній модифікації мікроструктури дьогтьобетону введенням у кам'яновугільне в'яжуче відсіву полівінілхлориду і активацією поверхні мінерального порошку олігомером (карбамідоформальдегідна смола, епоксидні смоли й полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол);

сформульовано вимоги до компонентів дьогтьов'яжучої речовини - дьогтьополімерної в'яжучої речовини та поверхні мінерального порошку, а також до структури комплексно-модифікованої дьогтьов'яжучої речовини;

за допомогою експериментально-статистичного моделювання встановлено оптимальні співвідношення в системі “кам'яновугільний дорожній дьоготь (в'язкість ) - відсів полівінілхлориду (1-2% мас.) - активатор поверхні мінерального порошку (наприклад, КФ-МТ 0,5-1,0% мас.)”;

виявлено, що основними чинниками одержання технологічних дьогтьобетонних сумішей і дьогтьобетонів підвищеної тривкості при комплексній модифікації мікроструктури є: формування структурованого шару модифікатора, міцно пов'язаного міжмолекулярними, водневими і донорно-акцепторними зв'язками з поверхнею мінерального порошку; посилення міжмолекулярної взаємодії на поверхні поділу фаз “дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче - активований мінеральний порошок” внаслідок збільшення кількості контактів сегментів пластифікованих надмолекулярних утворень полівінілхлориду з активними центрами олеофільної поверхні.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено рекомендації щодо виробництва і застосування дьогтьобетонних сумішей із комплексно-модифікованою мікроструктурою;

побудовані і спостережувані ділянки дорожніх покриттів із дьогтьобетону, що містить дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче і мінеральний порошок, активований полімермістким відходом виробництва епоксидних смол, підтверджують ідею про доцільність комплексної модифікації мікроструктури дьогтьобетону;

впроваджено модифіковані дьогтьобетонні суміші в обсязі 8 157 т у Новоазовському райавтодорі Донецького об'єднання облавтодор;

на Докучаєвській фабриці інертного пилу одну технологічну лінію переведено на виробництво активованих олігомерами мінеральних порошків.

Особистий внесок здобувача. Предметом захисту є виявлені особисто автором:

закономірності формування структури комплексно-модифікованої дьогтьов'яжучої речовини дьогтьобетонів підвищеної тривкості;

показники деформаційно-міцнісних властивостей і корозійної стійкості дьогтьобетону з комплексно-модифікованою мікроструктурою;

рекомендації щодо виробництва і застосування модифікованих дьогтьобетонних сумішей, що забезпечують підвищену тривкість покриттів автомобільних доріг.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень висвітлювались і обговорювались: на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми будівництва” (Донецьк, 1997 р.); на першій Міжнародній виставці-ярмарку та інвестиційному форумі “Донбасс-Инвест-97” (Донецьк, 1997 р.); на академічних читаннях викладачів і співробітників Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка, 1998 р.); на XXXVII міжнародному семінарі з проблем моделювання і оптимізації композитів (Одеса, 1998 р.); на республіканській науково-технічній конференції “Наукові, технологічні і економічні аспекти використання відходів виробництва” (Яремче, 1998 р.); на науково-практичній конференції “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: Проблеми і шляхи розвитку” (Київ, 1998 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 статей (2 - у журналах і 5 - у збірках наукових праць) і тези доповіді.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти глав, основних висновків, списку літератури з 188 найменувань на 16 сторінках і трьох додатків на 12 сторінках. Містить 117 сторінок основного тексту, серед них 48 малюнків (17 сторінок) і 18 таблиць (4 сторінки).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні наукові результати, які отримав автор, відзеркалено їхнє практичне значення і сфери реалізації.

У першому розділі аналізується стан питання і наукові досягнення щодо підвищення тривкості дорожніх дьогтьобетонів у чотирьох напрямках досліджень: “Особливості роботи дьогтьобетонів у покриттях автомобільних доріг”; “Роль матриці дьогтьобетону у формуванні його властивостей”; “Засоби регулювання адгезійно-когезійних властивостей, еластичності і стабільності властивостей кам'яновугільного в'яжучого”; “Роль мінерального порошку (МП) і процесів взаємодії на поверхні поділу фаз “МП - в'яжуче” у формуванні мікроструктури бетонів на органічних в'яжучих”.

Аналіз робіт Ж. Аррамбида, Г.А. Бонченка, В.А. Веренька, В.О. Гельмера, С.І. Гельфанд, М. Дюрьє, В.О. Золотарьова, Э.Б. Ільєва, Я.Н. Ковальова, А.І. Коваля, Б.П. Ладигіна, А.І. Леушина, А.І. Лисихіної, В.В. Мозгового, В.А. Псюрника, І.О. Риб'єва, В.С. Титаря, Б.П. Яцевича, J. Judicki, G.W. Eustage, L. Heleven та інших дозволив виявити: а) механізм формування дефектів, що утворюються на дьогтьобетоннім покритті - тріщин, вибоїв, викришувань, лущень, зсувів, напливів, хвиль, колійності; б) критерії критичного стану дьогтьобетонного покриття; основні напрямки формування структури тривкого дьогтьобетону.

Базуючись на теоретичних і експериментальних дослідженнях, виконаних науковими школами під керівництвом П.А. Ребіндера, Ю.С. Ліпатова, А.Б. Таубмана, В.О. Золотарьова, В.М. Вирового, A. Rene, J. Shidt, а також дослідників Я.А. Калузького, Л.М. Гохмана, В.П. Володька, В.І. Братчуна, В.К. Жданюка, О.І. Повзуна та інших, можна вважати, що одним з найефективніших засобів регулювання властивостей дьогтьобетонних сумішей, які забезпечують еластичність матриці і тривкого зв'язку на поверхні поділу фаз “органічне в'яжуче - мінеральний матеріал”, а також стабільність властивостей дьогтьобетону, є комплексне керування мікроструктурою дьогтьобетону через введення у дьоготь первинного відходу виробництва полівінілхлориду - відсіву і механоактивацію поверхні мінерального порошку олігомером, що містить функціональні групи (карбамідоформальдегідна смола, епоксидні смоли й полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол).

Проте дотепер не розроблені теоретичні положення управління якістю дьогтьов'яжучої речовини дорожніх дьогтьобетонів, що полягають у розробці вимог до дьогтьополімерних в'яжучих і олігомерів - активаторів поверхні мінеральних порошків.

Недостатньо досліджені процеси структуроутворення в системі “дьогтьополімерне в'яжуче - модифікований олігомером мінеральний порошок”. Відсутні дані про деформаційно-міцнісні властивості і корозійну стійкість дьогтьобетонів із комплексно-модифікованою мікроструктурою, що не дозволяє визначити раціональні сфери їхнього застосування.

У другому розділі сформульовані теоретичні передумови досліджень.

Найбільш ефективними модифікаторами поверхні часток мінерального порошку в дьогтьополімербетонних сумішах є розчини олігомерів із функціональними групами CO, COOH, NH2, NO2 і ін., тому що структуруюча спроможність низькомолекулярних ПАР торкається двох-трьох поверхневих шарів в'яжучого, а використання полярних полімерів потребує розчинників і високих температур їхнього розчинення.

При механоактивації карбонатних гірських порід у середовищі реакційноспроможних олігомерів (карбамідоформальдегідна смола, епоксидні смоли і полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол) можливе щеплення олігомера до поверхні мінерального порошку. Взаємодія між катіонами кальцію й олігомерами може йти за донорно-акцепторним механізмом, тому що іони кальцію мають вільні орбіталі, а олігомери містять атоми з неподільною парою електронів. Наприклад, у карбамідоформальдегідній смолі донорами електронів є атоми азоту і кисню

(1)

Концентрація олігомера буде оптимальною, коли адгезія його до поверхні мінерального порошку є максимальна. Модифікація МП олігомерами приведе до максимального зближення її за природою з дьогтьополівінілхлоридним в'яжучим, що забезпечить повне змочування її дьогтьополімерним в'яжучим. Відбудеться максимальне зближення ДПВ і олеофільної поверхні мінерального порошку (відстань складає менш за 5Ч 10-10 м), на якому можуть виявитись усі види міжмолекулярних взаємодій.

Структурно-зміцнений шар олігомера підвищить адгезію ДПВ до поверхні МП унаслідок збільшення кількості контактів сегментів пластифікованих надмолекулярних утворень полімеру з активними центрами олеофільної поверхні і дифузії макромолекул полівінілхлориду в шар олігомера (рис.1).

Не виключені при цьому диполь-дипольні взаємодії функціональних груп і водневі або донорно-акцепторні взаємодії.

Таким чином, повинна виникнути тривка й еластична матриця дьогтьополімербетону з високою адгезією до структуроутворюючих елементів мезо- і макроструктури. Особливості властивостей комплексно-модифікованої мікроструктури повинні позначитись на якості дьогтьополімербетону.

У третьому розділі приведено характеристику об'єктів і методів досліджень.

Як органічні в'яжучі прийнято кам'яновугільні дорожні дьогті (ДСТ 4641-80), 7 об'єктів із в'язкістю від до . Для модифікації кам'яновугільного в'яжучого використаний первинний відхід виробництва полівінілхлориду - відсів Дніпродзержинського об'єднання “Азот” із константою Фікентчера 66-69 і молекулярною масою 12Ч104. За активатори поверхні МП прийняті: смола карбамідоформальдегідна КФ-МТ (ДСТ 14231-78); епоксидна смола ЭД-20 (ДСТ 10587-84); полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол Горлівського хімічного заводу і дослідного заводу УкрНДІпластмас (м. Донецьк). Мінеральний порошок - вапняковий і доломітовий пил. Бетон прийнятий дрібнозернистий, тип В.

У даній роботі, крім стандартних, прийнято низку спеціальних методів досліджень: реологічний (пластовіскозиметр ПВР-2), калориметричний (диференціальний автоматичний калориметр ДАК-1-1А), електронномікроскопічний (скануючий мікроскоп ІСІ-60А), інфрачервона спектроскопія (UR-75 “Specord”), хроматографічний (хроматограф “Цвет-100”). Вивчення ущільнювальності бетонних сумішей і деформаційно-міцнісних характеристик дьогтьобетонів виконано на устаткуваннях, розроблених у Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті.

Для отримання достовірних експериментальних даних результати дослідів опрацьовувались методами математичної статистики.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень.

Хроматографічні і електронно-мікроскопічні дослідження виявили, що при оптимальному співвідношенні тіл, що мелють, і здрібнюваного матеріалу (вапняк) при диспергуванні протягом чотирьох годин у кульовому млині досягається оптимальна поверхня МП. Характерно, що здрібнювання МП у середовищі модифікатора приводить до зниження його інтегральної поверхні в порівнянні з неактивованим мінеральним порошком. Це можна пояснити кальматацією пор і капілярів часток МП молекулами олігомера.

Залежність межі тривкості при стиску дьогтьобетону від масової концентрації активаторів проходить через максимум. Оптимальна концентрація модифікатора на поверхні мінерального порошку залежить від хіміко-мінералогічного складу, структури МП і спроможності олігомера утворювати хемосорбційні зв'язки на поверхні поділу фаз. Оптимальна масова концентрація КФ-МТ на поверхні доломітового пилу - 1,0%, а ПВЕС - 2,0% (рис.2). У той же час, оптимальна масова концентрація на поверхні вапнякового мінерального порошку дорівнює: КФ-МТ - 0,5%, ПВЕС - 1,0%, ЭД-20 - 4,0%.

Електронні мікрофотографії показують, що при масовій концентрації, наприклад, КФ-МТ 0,25% до МП відбувається часткова активація поверхні мінерального порошку молекулами олігомера. Подальше збільшення утримання активатора в системі МП - КФ-МТ приводить як до формування на поверхні МП мономолекулярного шару КФ-МТ, сорбованого на більшій частині поверхні мінерального порошку, так і до формування полімолекулярних шарів олігомера на поверхні МП (характерні навіть напливні утворення шарів олігомера, якщо концентрація КФ-МТ у бінарній суміші МП - КФ-МТ складає 1,25%). Шари олігомеру, які знаходяться в “вільному стані”, є площинами ковзання при деформуванні бетону з комплексно-модифікованою мікроструктурою, що і позначається на зниженні міцності дьогтьобетону.

При оптимізації складів комплексно-модифікованої мікроструктури (чинники варіювання: Х1 - в'язкість дьогтю, ; Х2 - масова концентрація відсіву полівінілхлориду в дьогті, Cm ПВХ=0,5…2,0%; Х3 - масова концентрація активатора, наприклад, КФ-МТ на поверхні вапнякового мінерального порошку, Cm КФ-МТ=0,5…1,0%) визначено оптимальні значення чинників варіювання при заданих критичних значеннях параметрів оптимізації (Y1, Y2, Y3 - межа тривкості при стиску відповідно при 20°С (R20 - не менше 2,5 МПа), при 50°С (R50 - не менше 1,2 МПа), при 0°С (R0 - не більш 12 МПа), Y4 - коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні (Квт - не менше 0,8)). Рівняння регресії апроксимовані поліномом третього ступеня. Як приклад приведено рівняння регресії, що характеризує взаємозв'язок між коефіцієнтом тривалої водостійкості і чинниками варіювання (2):

(2)

Рівняння регресії перевірені на адекватність і задовольняють критерію Фішера (дисперсія адекватності дорівнює 0,018; коефіцієнт варіації складає 2,82%; кореляційне відношення - 0,802).

Встановлено, якщо в'язкість кам'яновугільного дорожнього дьогтю , то оптимальні властивості модифікованого дьогтьобетону забезпечуються, якщо концентрація відсіву полівінілхлориду в дьогті дорівнює 0,75-2,0% мас., а КФ-МТ на поверхні вапнякового мінерального порошку буде 0-0,75% мас.

Як випливає з даних рис.3, дьогтьополімербетон, що містить мінеральний порошок, активований олігомером, має яскраво виражену неадитивність міцності (криві 1 і 2).

Це обумовлено тим, що дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче, знаходячись у поверхневому шарі активованого мінерального порошку, під дією сил адгезії в стиснутому стані змінює реологічні властивості. Частки активованого олігомером мінерального порошку знаходяться в “щільних умовах”, і між ними діють значні сили тяжіння, що додатково зміцнюють структуру дьогтьобетону з комплексно-модифікованою мікроструктурою.

Відповідно до даних, приведених на рис.4, температура розчинення відсіву полівінілхлориду в системах 1, 2, 3 складає 110-115?С, 125-135?С і 150-160С відповідно.

Дані рис.4 свідчать про вплив поверхні мінерального порошку на кінетику розчинення ПВХ. При цьому спостерігається найбільш міцний зв'язок на поверхні поділу фаз “дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче - модифікована ПВЕС поверхня доломітового пилу”. Мабуть, при температурному впливі епоксидні групи полімермісткого відходу виробництва епоксидних смол розкриваються і реагують із групами C-Cl полівінілхлориду і фенолами дьогтю, завдяки чому виникає більш міцний зв'язок у системі “ДПВ - активований ПВЕС МП”, ніж у дьогтьов'яжучій речовині, у якій мінеральний порошок не активований.

На ІЧ-спектрах у системі “дьоготь - доломітовий пил, активований 2% ПВЕС” більш чітко виявляються смуги поглинання дьогтю (ароматика, метильні групи), ніж у системі “дьоготь - доломітовий пил”. Це вказує на те, що шар активатора ПВЕС покращує змочування доломітового пилу кам'яновугільним дьогтем і сприяє формуванню структурованої плівки в'яжучого на модифікованій поверхні МП. На це вказує посилення відносного поглинання в області 1450 см-1.

У системі “дьоготь - 1,5% ПВХ - доломітовий пил, модифікований 2% ПВЕС” відносне підвищення інтенсивності поглинання в межах 1400-1700 см-1 (у порівнянні з областю 1100-1200 см-1) свідчить про формування більш структурованої плівки в'яжучого на поверхні модифікованого мінерального порошку, ніж у системі “дьоготь - 1,5% ПВХ - доломітовий пил неактивований”. Аналогічні явища спостерігаються і в таких системах: “дьоготь - вапняковий мінеральний порошок, активований 0,5% мас. КФ-МТ”; “дьоготь - 1,5% ПВХ - вапняковий мінеральний порошок, активований 0,5% мас. КФ-МТ”.

Таким чином, комплексне модифікування мікроструктури дьогтьобетону приводить до формування більш розвинутих адсорбційно-сольватних шарів дьогтьополівінілхлоридного в'яжучого на поверхні активованого мінерального порошку, суцільної адсорбційно-сольватної плівки. У той же час, у системі, де мінеральний порошок не активований, як виявили електронно-мікроскопічні дослідження, поверхневий шар дьогтьополімерного в'яжучого не є беззупинним. Спостерігаються ділянки поверхні мінерального порошку, що не покриті ДПВ.

Дьогтьополімербетонні суміші з комплексно-модифікованою мікроструктурою більш технологічні, ніж дьогтьобетонні. Оптимальний температурний інтервал ущільнення модифікованих дьогтьобетонних сумішей дорівнює 40-100?С, а гарячих дьогтьобетонних - 55-85?С. Процес ущільнення дьогтьополімербетонних сумішей у 1,6-2,9 рази менш енергоємний, ніж дьогтьобетонних. Для досягнення нормативної щільності дьогтьобетонів із комплексно-модифікованою мікроструктурою буде потрібна менша кількість проходжень котка.

Модифіковані дьогтьобетони характеризуються більш високою щільністю і тривалою водостійкістю, меншою температурною чутливістю механічних властивостей у порівнянні з гарячими дьогтьобетонами (табл.1).

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості дьогтьобетону

№ п/п	Склад дьогтьов'яжучої речовини у дрібнозернистому бетоні (тип В)	, кг/м3	H, %	W, %	Межа міцності при стиску, МПа, при	Квт
					0?С	20?С	50?С
1.	Дьоготь с, МП - вапняковий не активований	2380	0,95	2,12	2,1	1,32	0,38	0,36	6,50
2.	Дьоготь, с, МП -не активований	2400	0,83	3,60	10,4	3,90	1,00	0,74	10,4
3.	В'яжуче ДПВ (с з 1,5% ПВХ); МП - вапняковий активований 0,5% КФ-МТ	2426	0,26	2,10	8,7	3,50	1,20	1,00	7,25
4.	В'яжуче ДПВ (с з 1,5% ПВХ); МП - доломітовий пил активований 1% КФ-МТ	2450	0,50	2,26	9,0	3,80	1,20	1,00	7,50
5.	В'яжуче ДПВ (с з 1,5% ПВХ); МП - доломітовий пил активований 2% полімермістким відходом виробництва епоксидних смол	2440	0,55	2,30	8,8	3,60	1,20	1,00	7,33

Таблиця 2

Деформаційно-міцнісні властивості дьогтьобетонів

Найменування параметру	Температура визначення, °С	Частота визначення, Гц	Склад дьогтьов'яжучої речовини в дрібнозернистім бетоні (тип В)
			в'яжуче - кам'яновугільний дьоготь с; мінеральний порошок вапняковий не активований	в'яжуче - ДПВ (дьоготь с з 1,5% ПВХ), мінеральний порошок вапняковий активований 0,5% мас. КФ-МТ	в'яжуче - ДПВ (дьоготь с з 1,5% ПВХ), мінеральний порошок - доломітовий пил - активований 2% мас. ПВЕС
Модуль пружності, МПа	+50	0,5	233	354	402
	+35	0,5	512	927	1060
	+20	0,5	2007	3550	2870
	+10	0,5	4100	5700	8190
	0	0,5	8885	10500	14500
	-10	0,5	14267	14400	15400
	-20	0,5	17885	16700	17300
Відносна критична деформація, ?кр 10-4	20	0,5	0,80	1,9	2,4
Умовна температура скловання, С	-	0,01	-9	-10	-10
Коефіцієнт температурної чутливості, ?lg E/?t	-	0,01	0,0264	0,035	0,035
Коефіцієнт пластичності, m	-20	-	0,13	0,09	0,09
	+20	-	0,43	0,29	0,27
	+50	-	0,30	0,11	0,13

Для них характерна більш висока тривкість при стиску з температурою 50°С і менша - при 0°С.Дьогтьобетони з комплексно-модифікованою мікроструктурою більш довговічні: коефіцієнт старіння після 700 год прогріву при 60°С у кліматичній камері складає 1,8-2,1, а для дьогтьобетону - 2,7; коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасичуванні (90 діб) складає 0,87-0,90, проти 0,56 для гарячого дьогтьобетону; коефіцієнт морозостійкості після 50 циклів поперемінного заморожування-розморожування дорівнює 0,84-0,88, а для традиційного дьогтьобетону - 0,64.

Модифіковані дьогтьобетони більш деформативні, ніж гарячий дьогтьобетон. Температура механічного скловання для них дорівнює 0°С, а для гарячого дьогтьобетону +10°С.

Дані, приведені на рис.5, свідчать про великі критичні напруги дьогтьобетону з комплексно-модифікованою мікроструктурою (?кр=0,22-0,36 МПа), ніж дьогтьобетону (?кр=0,045 МПа). Отже модифіковані дьогтьобетони менш схильні до накопичення залишкових деформацій і більш довговічні під дією транспортних навантажень, ніж традиційний дьогтьобетон.

Слід відзначити більш високі значення динамічного модуля пружності модифікованих дьогтьобетонів при високих температурах у порівнянні з традиційним дьогтьобетоном (табл.2). Відносна критична деформація, що обмежує лінійну в'язкопружну область, максимальна для бетонів із комплексно-модифікованою мікроструктурою і мінімальна для гарячого дьогтьобетону (див. табл. 2). Характерно, що при температурі 50?С значення коефіцієнта пластичності у модифікованих дьогтьобетонів значно менше, ніж у гарячого дьогтьобетону (див. табл. 2). Це свідчить про більшу деформаційну стійкість дьогтьобетонів із комплексно-модифікованою мікроструктурою в області високих температур, ніж не модифікованих дьогтьобетонів. Фізико-механічні властивості дьогтьобетонів з комплексно-модифікованою мікроструктурою і теплих асфальтобетонів ідентичні, що і визначає галузь їх застосування. Модифікація поверхні МП олігомерами призводить до зниження на 1,2-1,4% вмісту органічного в'яжучого в суміші.

У розділі 5 наведено результати реалізації дослідження.

За результатами досліджень розроблено рекомендації щодо виробництва і застосування дьогтьобетонних сумішей з комплексно-модифікованою мікроструктурою.

На Докучаєвській фабриці інертного пилу одну технологічну лінію переведено на виробництво активованих олігомерами мінеральних порошків.

На асфальтобетонному заводі Новоазовського райавтодора Донецького об'єднання облавтодор у 1998 році вироблено 8 157 тон дьогтьобетонних сумішей з комплексно-модифікованою мікроструктурою. Модифіковані дьогтьобетонні суміші укладено у верхні шари дорожнього одягу автомобільної дороги Ростов - Одеса - Рені. Досвід будівництва й експлуатації дьогтьополімербетонних покриттів, побудованих із застосуванням активованих полімермістким відходом виробництва епоксидних смол мінеральних порошків, свідчить про те, що: нормативна щільність покриття досягається при меншій кількості проходжень котка; відсутні деформації у вигляді зсувів і тріщин; вони вдвічі тривкіші за традиційні дьогтьобетонні; економія органічного в'яжучого в сумішах складає 1,0-1,2%. Економічний ефект від впровадження дьогтьобетонних сумішей з комплексно-модифікованою мікроструктурою становив 136 168 гривень. Результати досліджень використовуються в навчальному процесі при читанні лекцій і виконанні лабораторних робіт з дисциплін “Будівельне матеріалознавство” і “Фізико-хімічна механіка дорожньо-будівельних матеріалів” при підготовці спеціалістів за фахом “Будівництво і експлуатація автомобільних доріг і аеродромів”. Санітарно-хімічні дослідження, виконані в Донецькому науковому центрі гігієни праці та профілактики травматизму, показали, що рівень виділення шкідливих сполук (бензол, толуол, ксілол, нафталін, фенол, стирол) у процесі виробництва нижче, ніж асфальтобетонних (ДСТ 9128-84) та дьогтьобетонних сумішей (ДСТ 25877-83), і практично однаковий при експлуатації.

ВИСНОВКИ

Теоретично й експериментально доведено, що ефективним засобом регулювання адгезії і когезії кам'яновугільного дьогтю, що забезпечують еластичність дьогтьов'яжучої речовини і тривкий зв'язок на поверхні розділу фаз “дьогтьополімерне в'яжуче - мінеральний матеріал”, є комплексне модифікування мікроструктури дьогтьобетону введенням в дьогті відсіву полівінілхлориду і активацією поверхні мінерального порошку олігомером, що містить функціональні групи (карбамідоформальдегідна смола, полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол, епоксидна смола).

Хроматографічним, електронномікроскопічними методами, а також методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що при концентрації олігомерів 0,5-2,0% мас. на поверхні мінеральних порошків формується структурований шар модифікатора, міцно пов'язаний міжмолекулярними, водневими і донорно-акцепторними зв'язками з поверхнею порошку. Це посилює міжмолекулярні впливи на поверхні поділу фаз “дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче - активований мінеральний порошок” внаслідок збільшення кількості контактів сегментів пластифікованих надмолекулярних утворень полімеру з активними центрами олеофільної поверхні.

В системі “дьоготь () - відсів полівінілхлориду (0,5-2,0%) - активатор поверхні мінерального порошку - карбамідоформальдегідна смола (0,5-1,0%)” встановлені оптимальні концентраційні співвідношення, що забезпечують задані показники якості дьогтьобетону з комплексно-модифікованою мікроструктурою: межа міцності при стиску при 20?С (не менш 2,5 МПа), при 50?С (не менш 1,2 МПа), при 0?С (не більш 12 МПа), коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасичуванні (не менш 0,8).

Дьогтьополімербетонні суміші з комплексно-модифікованою мікроструктурою відзначаються підвищеною ущільнювальністю при температурах 40-100?С, а бетони - підвищеним значенням модуля пружності при високих температурах; характеризуються більш широкою зоною в'язкопружної поведінки і меншим показником температурної чутливості. Вони більш стійкі до старіння, водо- і морозостійкі, ніж традиційні дьогтьобетони.

Результати досліджень впроваджені в Новоазовському райавтодорі Донецького об'єднання облавтодор. Зроблено 8 157 т дьогтьобетонних сумішей із комплексно-модифікованою мікроструктурою. Їх укладено у верхні шари дорожніх одягів автомобільної дороги Ростов - Одеса - Рені. Економічний ефект від впровадження встановив 136 168 гривень. Результати досліджень використовуються в навчальному процесі при підготовці спеціалістів за фахом “Будівництво і експлуатація автомобільних доріг і аеродромів”.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в наступних публікаціях:

Братчун В.И., Ходун В.Н., Доля А.Г. Дегтебетоны с комплексно-модифицированной микроструктурой // Автошляховик України. - 1997. - №4. - С.27-29.

Ходун В.Н. Особенности температурных режимов укладки и уплотнения дегтебетонных смесей с комплексно-модифицированной микроструктурой // Автошляховик України. - 1997. - №4. - С.30-31.

Братчун В.И., Ходун В.Н., Коробкин В.Ф. Дегтеполимербетоны повышенной сдвигоустойчивости и долговечности // Современные проблемы строительства. - Донецк: Украинская государственная строительная корпорация “Укрстрой”, 1997. - С.111-113.

Братчун В.И., Повзун А.И., Ходун В.Н., Полищук А.В., Беспалов В.Л. Отходы производств Донбасса - эффективные модификаторы дорожного дегтебетона // Современные проблемы строительства. - Донецк: Украинская государственная строительная корпорация “Укрстрой”, 1997. - С.117-119.

Братчун В.И., Ходун В.Н., Доля А.Г. Отходы производств - эффективные компоненты дорожных бетонов // Научные, технологические и экономические аспекты использования отходов производства, 1998. - К.: Министерство промышленной политики Украины. - Ч.II. - С.19-20.

Ходун В.Н. Об оптимальных концентрационных соотношениях в системе каменноугольный деготь - отсев поливинилхлорида - модификатор поверхности минерального порошка // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка. - 1998. - вып.№1(9). - С.31-35.

Ходун В.Н., Доля А.Г., Гончаренко В.В., Левченко Д.В., Беспалов В.Л., Рыбалко И.Ф. Об особенностях работы дегтебетона в нежестких дорожных покрытиях // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка. - 1998. - вып.№1(9). - С.35-39.

Братчун В.И., Ходун В.Н., Доля А.Г. Повышение долговечности дегтебетонных покрытий // Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: Проблеми і шляхи розвитку. - К.: ПВКП “Укртиппроект”, 1998. - С.161-163.

АНОТАЦІЯ

Ходун В.М. Дьогтьобетони з комплексно-модифікованою мікроструктурою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. - Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 1999.

Дисертацію присвячено теоретичному і експериментальному обгрунтуванню здобуття довговічного дорожнього дьогтьобетону на основі установлення закономірностей формування комплексно-модифікованої мікроструктури дьогтьобетону, представленої дьогтьополівінілхлоридним в'яжучим і мінеральним порошком, поверхня якого активована олігомером, що містить функціональні групи (карбамідоформальдегідна смола КФ-МТ, епоксидні смоли, полімермісткі відходи виробництва епоксидних смол). Вивчені процеси структуроутворення у системі “дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче і мінеральний порошок, поверхня якого активована олігомером”. Експериментально-статистичним моделюванням встановлені оптимальні співвідношення в системі “кам'яновугільний дьоготь - відсів полівінілхлориду - активатор поверхні мінерального порошку”. Вивчено фізичні та деформаційно-міцнісні властивості дьогтьобетонів з комплексно-модифікованою мікроструктурою. Результати роботи реалізовано під час промислового виробництва дьогтьополімербетонних сумішей, які містять у своєму складі мінеральний порошок, активований полімермісткими відходами виробництва епоксидних смол.

Ключові слова: дьогтьополівінілхлоридне в'яжуче, активовані мінеральні порошки, модифікований дьогтьобетон, фізичні і деформаційно-міцнісні властивості.

АННОТАЦИЯ

Ходун В.Н. Дегтебетоны с комплексно-модифицированной микроструктурой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию получения долговечного дорожного дегтебетона на основе установления закономерностей формирования комплексно-модифицированной микроструктуры дегтебетона, представленной дегтеполивинилхлоридным вяжущим и минеральным порошком, поверхность которого активирована олигомером, содержащим функциональные группы (карбамидоформальдегидная смола КФ-МТ, эпоксидные смолы, полимерсодержащие отходы производства эпоксидных смол). Разработана и аналитически описана концептуальная физико-химическая модель оптимальной структуры комплексно-модифицированного дегтевяжущего. Сформулированы требования к компонентам дегтевяжущего вещества - дегтеполимерному вяжущему веществу и активаторам поверхности минерального порошка, а также структуре комплексно-модифицированного дегтевяжущего вещества. Хроматографическими, электронно-микроскопическими методами, а также методом ИК-спектроскопии, установлено, что при концентрации олигомеров 0,5-2,0% мас. на поверхности минерального порошка формируется структурированный слой модификатора, прочно связанный межмолекулярными, водородными и донорно-акцепторными связями с поверхностью порошка. Это усиливает межмолекулярные взаимодействия на поверхности раздела фаз “дегтеполивинилхлоридное вяжущее - активированный минеральный порошок” вследствие увеличения количества контактов сегментов пластифицированных надмолекулярных образований полимера с активными центрами олеофильной поверхности. Экспериментально-статистическим моделированием установлены оптимальные концентрационные соотношения в системе “деготь (с) - отсев поливинилхлорида (0,5-2,0%) - активатор поверхности минерального порошка - карбамидоформальдегидная смола (0,5-1,0%)”, обеспечивающие заданные показатели качества дегтебетона с комплексно-модифицированной микроструктурой: предел прочности при сжатии при 20?С (не менее 2,5 МПа), при 50?С (не менее 1,2 МПа), при 0?С (не более 12 МПа); коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении (не менее 0,8). Дегтеполимербетонные смеси с комплексно-модифицированной микроструктурой более технологичны, чем дегтебетонные. Оптимальный температурный интервал уплотнения модифицированных дегтебетонных смесей равен 40-100?С, а горячих дегтебетонных - 55-85?С. Процесс уплотнения дегтеполимербетонных смесей в 1,6-2,9 раза менее энергоемкий, чем дегтебетонных. Для достижения нормативной плотности дегтебетонов с комплексно-модифицированной микроструктурой требуется меньшее число проходов катка. Модифицированные дегтебетоны характеризуются более высокой плотностью и длительной водостойкостью, меньшей температурной чувствительностью механических свойств по сравнению с горячими дегтебетонами.

Дегтебетоны с комплексно-модифицированной микроструктурой более долговечны: коэффициент старения после 700 часов прогрева при 60?С в климатической камере составляет 1,8-2,1, а для дегтебетона - 2,7; коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении (90 суток) составляет 0,87-0,90 против 0,56 для горячего дегтебетона; коэффициент морозостойкости после 50 циклов попеременного замораживания-оттаивания равен 0,84-0,88, а для традиционного дегтебетона - 0,64. Модифицированные дегтебетоны более деформативны и сдвигоустойчивы, чем горячий дегтебетон. Результаты исследований внедрены в Новоазовском райавтодоре Донецкого объединения облавтодор. Произведено 8 157 т дегтебетонных смесей с комплексно-модифицированной микроструктурой, которые уложены в верхние слои дорожного покрытия автомобильной дороги Ростов - Одесса - Рени.

Ключевые слова: дегтеполивинилхлоридное вяжущее, активированные минеральные порошки, модифицированный дегтебетон, физические и деформационно-прочностные свойства.

THE SUMMARY

Khodun V.N. Tar-Macadams Possessing Combined Modified Microstructure. - Manuscript.

The material of the dissertation is aimed at obtaining a scientific degree of a candidate of engineering sciences, code of the speciality 05.23.05 - Building Materials and Products. Donbass State Academy of Construction and Architecture, Makeyevka, 1999.

The dissertation concerns the theoretical and experimental feasibility study of obtaining long-service life road tar-macadams on the basis of the established mechanism of formation of jointly modified microstructure of tar-macadams. The microstructure consists of a tarpolyvinylchloride binder and mineral powder whose surface is activated with olygomer, containing the functional groups, i.e. carbamidoformaldehyde resins of KF-MT type, epoxy resins, polymer-containing wastes of epoxy resin production. The dissertation material describes the investigated processes of the structure formation within the combined system of the tarpolyvinylchloride binder v.s. the mineral powder whose surface is activated with olygomer. By means of experimental-statistics simulation the optimum relations in the system of coal road tar - polyvinylchloride wastes (riddlings), and the mineral powder surface activator. The author of the given thesis has also fulfilled the investigations of the physical and deformation-strength characteristics of tar-macadams with the jointly modified microstructure. The results of research have been put into service in productional making of tarpolymer-concrete mixes made up of the mineral powder, activated by means of polymer-containing wastes of epoxy resins production.

Key words: tarpolyvinylchloride binder, combined modified, activated mineral powders, modified tar-macadam, physical and deformation-strength characteristics (properties).

Размещено на Allbest.ru