Ле Хыу Туан. Сероасфальтобетон повышенной водостойкости для Азиатско-Тихоокеанского региона

brief description

Ле Хыу Туан. Сероасфальтобетон повышенной водостойкости для Азиатско-Тихоокеанского региона;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»], 2021

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(СПбГАСУ)
На правах рукописи

ЛЕ ХЫУ ТУАН
СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОН ПОВЫШЕННОЙ ВОДОСТОЙКОСТИ ДЛЯ
АЗИАТСКО-ТИХООКЕАНСКОГО РЕГИОНА
Специальность: 2.1.5 - Строительные материалы и изделия
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
Королев Евгений Валерьевич доктор технических наук, профессор
Санкт-Петербург - 2022
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОНОВ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ 11
1.1 Сероасфальтобетоны: преимущества и недостатки 11
1.1.1 Основные преимущества и недостатки 11
1.1.2 Основные технологические и эксплуатационные свойства 18
1.2 Современные способы проектирования составов, определения и прогнозирования свойств сероасфальтобетона и дорожных материалов .. 32
1.3 Погодно-климатические условия Вьетнама 35
1.4 Цель, задачи и научная гипотеза исследования 43
Выводы по главе 1 44
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
2.1 Применяемые материалы и их характеристики 47
2.2 Методы получения, исследования и испытания материалов 53
2.2.1 Методика аппретирования поверхности наполнителя 62
2.2.2 Методика оценки содержания токсичных газов в рабочей зоне 63 2.3 Математические методы планирования эксперимента и анализа
результатов исследования 64
2.3.1 Системный анализ: декомпозиция системы критериев качества, выявление управляющих рецептурных и технологических факторов,
алгоритм синтеза материала 65
2.3.2 Статистический анализ экспериментальных данных 71
2.3.3 Многокритериальная оптимизация 71
ГЛАВА 3. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА
СЕРОБИТУМНОГО СВЯЗУЮЩЕГО 76
3.1 Структурообразование и свойства серобитумного связующего 76
3.2 Водостойкость и оценка гипотез снижения водостойкости 87
3.2.1 Физическая гипотеза 94
3.2.2 Химическая гипотеза 102
3.3 Разработка способа повышения водостойкости 113
Выводы по главе 3 134
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ И
СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОНА 137
4.1 Проектирование состава серобитумного вяжущего с заданным
замещением битума серой 137
4.2 Эмиссия SO2 и H2S из сероасфальтобетонной смеси 141
4.3 Физико-механические свойства 146
4.4 Эксплуатационные свойства 164
4.4.1 Стойкость к колееобразованию 164
4.4.2 Водостойкость при длительном водонасыщении 168
4.4.3 Стойкость к термическому старению 171
4.4.4 Стойкость к насыщению - высушиванию 173
4.5 Исследование возможности использования золы-уноса в
сероасфальтобетонах 176
4.6 Многокритериальная оптимизация 185
Выводы по главе 4 191
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
РАЗРАБОТАННОГО СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОНА 194
5.1 Принципиальная технологическая схема производства
сероасфальтобетонных смесей 194
5.2 Меры безопасности при изготовлении сероасфальтобетона 199
5.3 Технико-экономическая эффективность 200
5.3 Промышленное внедрение сероасфальтобетона 203
Выводы по главе 5 207
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 208
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 214
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 215
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 216
ПРИЛОЖЕНИЕ 241

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработано научно обоснованное технологическое решение, за¬ключающееся в аппретировании поверхности минерального наполнителя кау¬чуком СКД и обеспечивающее повышение эксплуатационных свойств сероас¬фальтобетонов, в том числе на золе-уносе, являющейся химически активной по отношению к сере.
2. Проведён анализ распределения серы в серобитумных материалах по её основным видам. Показано, что при увеличении содержания серы при¬ведённое количество серы (относительно количества серы, вступившей в хи¬мическое взаимодействие), растворившейся в расплаве битума, будет умень¬шаться, а приведённое количество физически связанной серы - возрастать. Это демонстрирует, что изменения свойств серобитумного вяжущего с увели¬чением содержания серы обусловлены, в основном, увеличением количества физически связанной серы, которая формирует в объёме серобитумных мате¬риалов дополнительную дисперсную фазу.
Исследованы основные свойства серобитумного вяжущего, регламенти¬рованные нормативными документами. Установлено, что изменения свойств серобитумного вяжущего связаны с повышением вязкости материала: наблю¬дается снижение растяжимости и пенетрации, но повышение температуры раз¬мягчения. Причём с увеличением содержания серы указанные тенденции со¬храняются. Анализ концентрационных зависимостей показывает, что влияние серы в исследованном диапазоне (0...50 %) на относительное изменение ука¬занных свойств серобитумного вяжущего описывается линейной зависимо¬стью с коэффициентом детерминации R2 > 0,93.
3. Исследовано структурообразование серобитумных материалов. Показано, что наиболее существенный прирост прочности наблюдается при содержании серы 30 % от массы битума, кроме того, выявлено, что структуро¬образование сероасфальтобетонов происходит существенно быстрее (при¬мерно в 2 раза), чем асфальтобетонов.
4. Установлено, что причинами снижения водостойкости сероас¬фальтобетонов являются последовательно протекающие процессы: химиче¬ский процесс, заключающийся во взаимодействии минерального наполнителя с серой в расплаве битума, в результате которого происходит образование рас¬творимых соединений, и физический процесс, протекающий в последующий период и заключающийся в кристаллизации серы с образованием дополни¬тельной открытой пористости, повышающей интенсивность проникания жид¬кости в объём материала. При этом химический процесс протекает как при взаимодействии серы, так и токсичных газов - диоксида серы и сероводорода - с минеральным наполнителем.
На основе анализа физического процесса снижения водостойкости серо¬асфальтобетонов разработана модель, связывающая объём дополнительной открытой пористости с геометрическими характеристиками формирующихся каналов (капилляров) и содержанием серы.
5. Проведён анализ кинетики водонасыщения сероасфальтобетонов и выявлено, что на зависимостях можно выделить 2 участка: первый участок в интервале от 0 до 7 суток характеризуется отсутствием водонасыщения и второй участок в интервале более 7 суток характеризуется классическим изме-нением водонасыщения.
Наличие первого участка сопряжено с поверхностными свойствами. Ис¬следование кинетики изменения значений краевого угла смачивания поверх¬ности образцов сероасфальтобетонов показывает, что она имеет нисходящий характер, особенно интенсивно протекающий в начальный период времени - до 10 суток. Второй этап сопряжён с завершением формирования дополни¬тельного открытого порового пространства, совпадающий с завершением кри¬сталлизации серы.
6. Показано, что для предотвращения химического процесса целесо¬образно предотвратить взаимодействие токсичных газов с минеральным наполнителем, для этого целесообразно использовать нейтрализаторы эмис¬сии токсичных газов. Показано, что эффективными нейтрализаторами явля¬ются оксиды меди и марганца, а также доломит.
Исследована эмиссия токсичных газов из сероасфальтобетонной смеси. Показано, что MnO2 и CuO в количестве 10 % от массы серы эффективно сни¬жают эмиссию сероводорода (в 3,0...3,2 раза) и диоксида серы (в 1,8...2,0 раза). Такое снижение позволяет расширить применение технологии сероас¬фальтобетона.
7. Установлено, что для предотвращения химического взаимодей¬ствия серы с минеральным наполнителем целесообразно наносить на его по¬верхность слой аппрета. Показано, что эффективным аппретом является кау¬чук СКД. Произведён расчёт кинетических и энергетических параметров про¬цесса деструкции сероасфальтобетона и сероасфальтобетона с аппретирован¬ным минеральным наполнителем. Показано, что применение аппрета снижает интенсивность процесса деструкции при воздействии жидких агрессивных сред, а также определены корреляции между коэффициентом стойкости и па¬раметрами деструкции.
8. Показано, что использование всех аппретов, кроме ПМС-100, де¬монстрирует увеличение прочности сероасфальтобетона; наибольшие значе¬ния прочности достигаются при использовании в качестве аппрета каучука СКД.
Установлено, что структурообразование сероасфальтобетонов на аппре¬тированном минеральном наполнителе (аппрет - каучук) протекает анало¬гично структурообразованию сероасфальтобетона без аппрета. Максимальная прочность сероасфальтобетона на аппретированном минеральном наполни¬теле наблюдается при концентрации каучука 5 %.
9. Исследованы основные эксплуатационные свойства сероасфаль¬тобетонов на аппретированном минеральном наполнителе. Установлено, что для таких сероасфальтобетонов сохраняется классическая зависимость указан¬ных свойств от содержания серы, а именно: с увеличением содержания серы наблюдается рост прочности при различных температурах, трещиностойко¬сти, водонасыщения (указанное полностью согласуется с физической гипоте¬зой снижения водостойкости серобитумных материалов), сцепления при сдвиге, сопротивления пластическому течению по Маршалу. При этом серо¬асфальтобетоны на аппретированном минеральном наполнителе обладают стабильно высокой водостойкостью: коэффициент водостойкости - 0,98 (ко-эффициент длительной водостойкости - 0,93).
10. Установлен экстремальный характер влияния содержания серы на трещиностойкость сероасфальтобетонов на аппретированном минеральном наполнителе: максимум предела прочности на растяжение при расколе при 0 °С наблюдается при содержании серы 30 % от массы битума. Для установ¬ления причины экстремальной зависимости трещиностойкости серобитумных материалов разработана модель коалесценции серобитумной эмульсии. Ана¬лиз модели показывает, что коалесценция капель серы является энергетически выгодным процессом, движущей силой которого является избыточное давле¬ние Лапласа, возникающее вследствие различия геометрических размеров контактирующих частиц. Однако для слияния частиц необходимо преодолеть прослойку расплава битума, толщина и временные затраты на преодоление ко¬торой зависят от содержания серы в эмульсии. При прочих равных условиях затраты времени на преодоление прослойки битума для серных суспензий с высоким содержанием дисперсной фазы существенно меньше, а вероятность коалесценции частиц серы, которая обратно пропорциональна толщине про¬слойки битума существенно возрастает. Отсюда следует, что при высоких кон¬центрациях серы возможно формирование протяжённых элементов струк¬туры, состоящих из серы, и способных оказывать влияние на эксплуатацион¬ные свойства серобитумного вяжущего, в частности, прочность, трещиностой¬кость и др.
Исследованы дополнительные эксплуатационные свойства сероасфаль¬тобетонов. Установлено, что стойкость к колееобразованию, стойкость к тер¬мическому старению, стойкость к «насыщению - высушиванию» с увеличе¬нием содержания серы также возрастают.
11. Показано, что предлагаемое технологическое решение, заключаю¬щееся в аппретировании поверхности минерального наполнителя каучуком СКД, обеспечивает возможность применения в технологии сероасфальтобето¬нов золы-уноса, которая является химически активной по отношению к сере, что значительно снижает эксплуатационные свойства сероасфальтобетонов. Установлено, что оптимальная концентрация аппрета составляет 5 %. При этом показатели качества сероасфальтобетона идентичны показателям каче¬ства сероасфальтобетона на аппретированном минеральном наполнителе.