1167

31

Рис. 2.1. Общий вид ротора (А) и ножевых бил (Б) дезинтегратора

32

2.3.2. Исследование влияния органических вяжущих

веществ различной вязкости на физико-механические

свойства укрепленного грунта

Известно, что свойства материалов, обработанных органическими вяжущими, можно в определенной степени регулировать, применяя битумы различной вязкости. Влиянию вязкости битума на физико-механические свойства битумоминеральных смесей посвящены работы Н.И. Короткевича, Ф.К. Ломакова, Л.Б. Гезенцвея, А.И. Лысихиной, Е.Н. Козловой и др.

В указанных работах отмечается, что для каждого вида грунта оптимальным является битум определенной вязкости. На выбор вязкости органического вяжущего влияет также технология приготовления слоев дорожной одежды и условия их работы в процессе эксплуатации.

Принцип укрепления грунтов основан на улучшении их коллоидно-химических свойств путем интенсификации хемосорбционных процессов взаимодействия грунта с вяжущими веществами, в том числе и с органическими. В свою очередь, технические свойства получаемых материалов зависят как от исходных свойств укрепляемых грунтов, так и от свойств применяемого органического вяжущего.

Большинство грунтов в естественном залегании характеризуются неопти-

мальным гранулометрическим составом, с преобладанием крупной поровой структуры. Кроме того, связные грунты характеризуются большой удельной и адсорбционной поверхностью. В то же время, большая внутренняя поверхность этих грунтов, особенно монтмориллонитового состава, отрицательно влияет на укрепление их вязкими битумами, поскольку эта поверхность недоступна для взаимодействия с ними.

С другой стороны, для изменения поровой структуры и обеспечения хорошей адгезии вяжущего с поверхностью грунтовых частиц необходимо применять вяжущие с высокой когезией и большим интервалом эластичных свойств,

к которым относятся вязкие дорожные битумы.

Вследствие вышесказанного, применяемые для укрепления грунтов органические вяжущие вещества должны иметь достаточную подвижность при температуре выполнения технологического процесса, а в процессе эксплуатации

33

достаточно высокую когезию, теплоустойчивость при высоких и деформативность при низких температурах. Вяжущие вещества должны иметь хорошее сцепление с поверхностью грунтовых частиц (адгезию) и быть устойчи-

выми против старения. Они не должны обладать склонностью к расслоению на фазы, что особенно важно при хранении, транспортировке и применении вяжущих. Процесс выпадения сложноструктурных частиц в вяжущих при их транспортировании в цистернах и танкерах, а также хранении в резервуарах может привести к серьезным осложнениям, снизит полезную емкость резервуаров.

Для составления требований по вязкости к органическим вяжущим в СибАДИ была произведена серия экспериментальных исследований. Использовались битумы Омского НПЗ с различной пенетрацией: 60, 90, 130, 200, 300 10-1 мм и суглинок. Критерием оценки являлся показатель прочности образцов при сжатии в водонасыщенном состоянии. На основе априорной информации во всех случаях битум вводился в количестве 6% от минеральной части. Количество воды во всех случаях определялось как разница между оптимальной влажностью данного вида грунта, определенной на ударнике Союздорнии, и процентным содержанием органической составляющей смеси. Результаты эксперимента приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Влияние вязкости битума на прочность в водонасыщенном состоянии укрепленного грунта

34

Как видно из рисунка, наибольшую прочность при сжатии в водонасыщенном состоянии имеет грунт при укреплении его битумом вязкостью в интервале от 130 до 200 усл. градусов пенетрации. При использовании битума с более высокой или низкой вязкостью прочность получаемого материала снижается в связи с тем, что в первом случае битум хуже смешивается с грунтом, а значит, система конденсационных связей имеет менее разветвленный характер, а также присутствует слабая адгезия вяжущего к грунтовым частицам. Во втором случае — пониженная вязкость приводит к образованию связей пониженной когезии и, следовательно, недостаточной прочности материала в целом.

На правильность высказанного объяснения указывает плавный характер изменений предела прочности при сжатии в водонысыщенном состоянии битумогрунта в зависимости от вязкости применяемого битума.

Таким образом, можно констатировать, что для укрепления грунтов модификацию нефтяного гудрона необходимо проводить до вязкости, соответствующей 130-200 10-1 мм.

2.3.3. Поиск области гомогенности

комплексного органического вяжущего

Для определения области гомогенности комплексного органического вяжущего были синтезированы составы нефтяного гудрона с различным сочетанием модифицирующих добавок (резиновая и каучуковая крошка, глицериновый гудрон) и технологических режимов (температура и время термостатирования, степень концентрации в воде глицеринового гудрона и длительность выдерживания в этом растворе резиновой крошки). Реализацию вариантов синтеза осуществляли по методике, приведенной в [16]. В таблице 2.2 приведены все условия планирования при исследовании влияния рецептурных и технологических факторов на условия синтеза гомогенного комплексного органического вяжущего. Оценка свойств получаемых вяжущих производилась по трем основным показателям: числу пенетрации (ЧП),

растяжимости (D) и температуре размягчения (ТР).

Чтобы исключить влияние систематических ошибок, вызванных независимыми внешними условиями (переменная температура воздуха, условия приготовления образцов и испытания образцов и т.д.) проведение построчных экспериментов в матрице было рандомизировано во времени [17].

35

Поскольку из априорной информации не удалось установить функциональные зависимости между исследуемыми факторами и параметрами отклика (табл. 2.3), то в нашем случае свойства получаемого вяжущего можно

С целью сокращения вариантов перебора для решения поставленной задачи выбран эксперимент по плану, который позволил бы все факторы изменять на пяти уровнях. К таким планам относятся комбинаторные планы типа

латинских квадратов.

Экспериментальные исследования поиска оптимального сочетания исследуемых факторов выполняли по плану латинского квадрата четвертого порядка для шести факторов. План эксперимента и его результаты приведены в таблице 2.4. Обработку полученных относительно Х1; Х2; Х3; Х4; Х5; Х6 данных осуществляли по разработанной программе «CAD-06», в основу которой по-

ложена методика, приведенная в работе [18].

Таблица 2.3

Исследуемые факторы и интервалы их варьирования

36

Прежде чем привести оптимальные составы, проанализируем влияние каждого фактора на свойства нефтяного гудрона в отдельности. Анализ будем проводить по графикам, построенным в зависимости от каждого иссле-

дуемого фактора при среднем значении других факторов.

37

Влияние содержания каучуковой крошки БС-П (Х 1) на свойства вяжущего

Анализ показателей (ЧП), (ТР) и (D) образцов гудрона с различным содержанием каучуковой крошки БС-П показывает следующее (рис. 2.3). Увеличение процентного содержания каучуковой крошки в гудроне приводит к увеличению условной вязкости вяжущего. При этом вязкость растет по линейной зависимости:

Температура размягчения также возрастает по линейной закономерности:

Показатель растяжимости у нефтяного гудрона, в отличие от вязкости и температуры размягчения, меняется по синусоидальному закону. При этом наименьшую растяжимость вяжущее имеет при содержании в нем 9-12% каучуковой крошки. Однако после 15%, растяжимость гудрона резко возрастает:

Из приведенных данных видно, что основная структурообразующая роль каучуковой крошки по отношению к данному виду нефтяного гудрона проявляется в интервале содержания его в вяжущем от 15 % и более. В этом случае происходит резкое ускорение процессов структурообразования. Кроме этого, гудрон становится эластичнее, а его структура — однороднее.

Влияние содержания резиновой крошки (Х2) на свойства получаемого вяжущего

Для повышения вязкости нефтяного гудрона можно использовать резиновую крошку, полученную путем измельчения изношенных автомобильных покрышек. Большое количество такой резины предопределяет возможность ее широкого применения.

38

Рис. 2.3. Влияние содержания каучуковой крошки (X1) на условную вязкость (А), температуру размягчения (B) и растяжимость (С) нефтяного гудрона

39

На рис 2.4 приведены экспериментальные и аппроксимированные данные результатов испытаний образцов из нефтяного гудрона на исследуемые физико-механические свойства.

Введение резиновой крошки повышает вязкость нефтяного гудрона по зависимости (2.13), почти аналогичной (2.10). Подобный эффект воздействия объясняется проявлением в данном случае структурирующего воздействия присутствующего в резине каучука.

Изменение температуры размягчения нефтяного гудрона с добавкой резиновой крошки носит линейно возрастающий характер, описываемый зависимостью вида (2.14):

Подобная зависимость указывает на то, что для данных экспериментальных условий оптимальное содержание резиновой крошки в нефтяном гудроне более 12 %.

Что касается изменения растяжимости вяжущего от фактора (Х2), то это линейно убывающая зависимость (2.15).

Влияние добавки ПГ (Х3) на свойства вяжущего

Характер изменения физико-механических свойств нефтяного гудрона от содержания в нем добавки ПГ приведен на рис. 2.5. Анализ этих данных показывает следующее.

Добавка глицеринового гудрона на всем интервале исследования способствует, с одной стороны, увеличению вязкости нефтяного вяжущего, а с другой — снижению его растяжимости. Эти функциональные зависимости с достаточно высокой точностью апроксимируются уравнениями вида (2.16) и (2.18):

40