Конструктивные слои дорожных одежд из шлаковых материалов, обработанных органическими вяжущими веществами


Н. С. Ковалев









КОНСТРУКТИВНЫЕ СЛОИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ



Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 625.066/068
ББК 39.311
     К56













       Ковалев, Н. С.

К56       Конструктивные слои дорожных одежд из шлаковых материалов,
         обработанных органическими вяжущими веществами : монография / Н. С. Ковалев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. -272 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0418-1

      Рассмотрены свойства асфальтобетонных и дегтебетонных смесей, используемых для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог; изучены процессы химического взаимодействия шлаковых материалов с битумами и дегтями, приведены результаты исследований по комплексному влиянию атмосферно-климатических факторов на асфальто- и дегтебетон с применением метода математического планирования экстремальных экспериментов.
      Издание предназначено для научных работников, инженеров, занятых в сфере строительства и проектирования автомобильных дорог, и может быть использовано студентами землеустроительных и дорожно-строительных специальностей при курсовом и дипломном проектировании.

УДК 625.066/068
ББК 39.311





      ISBN 978-5-9729-0418-1  © Н. С. Ковалев, 2020
                              © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

    ВВЕДЕНИЕ


     В процессе строительства, реконструкции и ремонта автодорог используются большие объемы кондиционного природного минерального сырья в виде песка, щебня, гравия, минерального порошка, запасы которых истощаются со временем. Основные затраты (около 60—70 %) при строительстве автомобильных дорог приходятся на сооружение дорожной одежды и в первую очередь на два конструктивных слоя: покрытие и основание.
     Актуальной является проблема использования в дорожном строительстве местных материалов и отходов промышленности. Снизить стоимости строительства автомобильных дорог можно путем замены дорогостоящих привозных местными материалами. Однако вместе с этим необходимо иметь в виду, чтобы покрытия и основания автомобильных дорог обладали достаточной долговечностью (надежностью). Только в таком аспекте применение местных материалов и отходов промышленности даст высокий экономический эффект, особенно в период интенсивного строительства автомобильных дорог.
     На территории Липецкой области отсутствуют месторождения прочных каменных материалов, и дорожные организации используют в основном привозные дорожно-строительные материалы. В то же время имеются огромные запасы мало прочных известняков, отходов камнедробления. Наряду с этим на территории области находится Новолипецкий металлургический комбинат, вырабатывающий в качестве побочных продуктов ежегодно миллионы тонн отвальных и гранулированных шлаков, шлакопемзовых и шлаковых песков, конверторных шлаков, ваграночных гранулированных шлаков, а также каменноугольных дегтей пониженной вязкости марки Д-3.
     Вовлечение этих материалов в технологический процесс дорожного строительства позволит сократить площади, занимаемые полигонами и свалками, на которых они хранятся и оказывают негативное воздействие на окружающую среду, расширить ресурсную базу отрасли, повысить качество оснований и покрытий автомобильных дорог и существенно снизить их стоимость. В настоящее время для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог используются в основном отвальные доменные шлаки.
     Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показывают, что гранулированные доменные шлаки и другие виды шлаковых материалов могут успешно использоваться в различных конструктивных слоях дорожных одежд.
     Покрытия и основания, устраиваемые с применением гранулированных шлаков, шлакопемзовых и шлаковых песков, имеют достаточно высокую прочность, морозо- и водоустойчивость. Как правило, прочность конструктивных слоев, построенных с добавками шлаковых материалов, возрастает во времени.
     Заменяя, частично или полностью, прочные каменные материалы шлаковыми при устройстве покрытий и оснований автомобильных дорог, можно

3

добиться значительного снижения стоимости дорожной одежды, не снижая ее качества.
      В данной работе исследуются вопросы применения гранулированного доменного шлака, шлакопемзового и шлакового песков, конверторного шлака Новолипецкого металлургического комбината в смеси с другими минеральными материалами (щебень, песок, гранитные высевки и др.) в асфальтобетонных смесях, а также дегтеминеральных смесей на основе шлаковых материалов для устройства конструктивных слоев дорожных одежд.
      Исследования процессов структурообразования в лабораторных и производственных условиях проводили как стандартными методами, так и методами инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, растровой сканирующей электронной микроскопии, ртутной порометрии, дилатометрии и др. Для оценки достоверности результатов исследований применили методы математической статистики. При количественном описании исследуемых процессов изменения структурно-механических свойств асфальтобетона использовали методы математического планирования экстремальных экспериментов.
      Для приближения характера испытаний асфальтобетона к условиям реальной эксплуатации в покрытиях автомобильных дорог разработан метод комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетон с основами моделирования.

4

ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И КАМЕННОУГОЛЬНОГО ДЕГТЯ НОВОЛИПЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

     В настоящей работе исследуется возможность устройства конструктивных слоев дорожной одежды из следующих материалов:
    -  горячих асфальтобетонных смесей, минеральная часть которых полностью заменяется гранулированным доменным шлаком, шлакопемзовым и шлаковыми песками, ваграночным гранулированным шлаком, конверторными шлаками Новолипецкого металлургического комбината;
    -  горячих асфальтобетонных смесей, минеральная часть которых частично заменяется гранулированным доменным шлаком НЛМК;
    -  горячих асфальтобетонных смесей с использованием в качестве минерального порошка тонкомолотых шлаковых материалов;
    -  холодных асфальтобетонных смесей на основе шлакового песка;
    -  дегтеминеральных смесей на основе литого шлакового щебня и шлакового песка.

1.1. Теоретические предпосылки применения шлаковых материалов и каменноугольного дегтя Новолипецкого металлургического комбината в дорожном строительстве

     В основу исследования были положены следующие предпосылки:
    1.     Шлаковые материалы являются гидравлическими вяжущими материалами, и при одновременном воздействии воды и механических усилий они начинают проявлять свои вяжущие свойства, благодаря чему в местах контакта зерен шлака образуются жесткие кристаллизационные связи. При использовании шлаковых материалов в качестве песка и минерального порошка в асфальтобетонных смесях на щебне из природных каменных материалов они, заполняя поры между щебенками каменного материала, образуют вокруг них «обойму», которая с возрастом все больше набирает прочность, тем самым исключает перемещение щебенок в процессе эксплуатации покрытия.
    2.     В результате высокой дробимости гранулированного доменного шлака, шлакопемзового и шлакового песков в процессе подогрева, перемешивания и особенно уплотнения образуется большое количество шлаковой мелочи, что дает возможность приготовлять асфальтобетонные смеси без введения в них минерального порошка.
    3.     Благодаря высокой дробимости в процессе технологии подогрева, перемешивания и уплотнения происходит интенсивная механическая активация одного из компонентов минерального материала смеси, наиболее химически 5

активного - шлакового материала. На зернах шлака образуется большое количество свежих поверхностей, обладающих высокой химической активностью.
     При этом высокая химическая активность шлака с максимальным эффектом реализуется непосредственно в самом технологическом процессе приготовления, перемешивания и уплотнения асфальтобетонной смеси, в результате появляются новые активные центры, адсорбирующие компоненты битума.
     В процессе перемешивания минеральной части асфальтобетонной смеси, состоящей из природных каменных материалов и шлака, происходит активация не только шлака, но и поверхности природных каменных материалов за счет твердофазного механохимического синтеза, что приводит к увеличению адгезии битума к поверхности природных каменных материалов.
    4.      В асфальтобетонных смесях на шлаковом материале имеет место комбинация двух видов связей: упругопластических, как результат взаимодействия минерального материала с битумом, и жестких, кристаллизационных, - как результат взаимодействия воды и шлакового материала. Благодаря наличию жестких и упругопластических связей покрытие из таких смесей должно быть сдвигоустойчивым. Поэтому такие смеси могут найти широкое применение в местах воздействия касательных усилий - на крутых поворотах, у железнодорожных переездов, автобусных и троллейбусных остановок, больших спусков и подъемов и т. д.
    5.      Так как в таких смесях один из минеральных компонентов является гидравлическим вяжущим материалом, то допускается укладка их на влажное основание и в дождливую погоду, что позволяет удлинить строительный сезон и с большим эффектом использовать асфальтобетонные смеси и дорожные механизмы.
    6.      Учитывая гидравлические вяжущие свойства шлаковых материалов (гранулированного доменного шлака, шлакопемзового и шлакового песков), их высокую уплотняемость, можно предположить, что в асфальто- и дегтебетонных смесях они будут способствовать:
         а) уменьшению дробимости щебня в процессе уплотнения за счет уменьшения контактных напряжений между щебенками вследствие заполнения межзернового пространства шлаковыми материалами;
         б) нарастанию прочности покрытия во времени за счет роста жестких связей в местах контакта зерен шлака, а также усиления когезионных и адгезионных связей битума и дегтя, происходящих под влиянием поверхности гидравлически активного минерального материала.
    7.      Каменноугольные дегти имеют в своем составе большое содержание активных функциональных групп, которые при взаимодействии с поверхностью минеральных материалов образуют прочные хемоадсорбционные связи. Это позволит использовать в дорожном строительстве дегти пониженной вяз

кости.

6

    1.2. Специфические свойства асфальтобетона из шлаковых материалов

     Применению металлургических шлаков в асфальтобетонных смесях посвящено много работ. Особенно большой вклад в изучение свойств асфальтобетонных смесей на шлаковых материалах внесли исследования М. И. Волкова [22], И. В. Королева [24], С. И. Самодурова [166, 169] и др. [39, 52, 72, 99, 112, 157].
     Исследования С. И. Самодурова [166] показали возможность получения асфальтобетонных смесей на основе шлаковых материалов и высокую экономическую эффективность их применения при строительстве и ремонте автомобильных дорог. Гранулированные доменные шлаки до настоящего времени перерабатывают на шлакопортландцемент и используют в качестве песка при производстве цементобетонных изделий. Экономические расчеты показывают, что одна тонна гранулированного доменного шлака, уложенная в дорожную одежду, дает экономический эффект в 5—6 раз больше, чем одна тонна, переработанная на шлакопортландцемент. Поэтому шлаковые материалы целесообразно использовать в большей степени для дорожного строительства.
     За рубежом (в США, Англии, Франции, ФРГ, Канаде, Болгарии) также в больших масштабах используют в дорожном строительстве для приготовления асфальтобетонных смесей металлургические шлаки [196].
     Основным отличием шлаковых материалов от обычных каменных, используемых для изготовления асфальтобетонных смесей, являются их гидравлические вяжущие свойства, которые позволяют создать материал новой структуры, обладающий рядом преимуществ по сравнению с природными каменными материалами. Определяющими факторами активности шлаковых материалов являются химический состав, температура исходного расплава доменного шлака и микроструктура, которая зависит от скорости охлаждения [21].
     В зависимости от содержания главных шлакообразующих окислов при кристаллизации доменных расплавов могут формироваться следующие минеральные образования: монтичеллит - CaMgSiO₄, белит - 2СаОБЮ₂, ларнит -СаБЮ₄, псевдоволластонит - a-CaSiO₃, мервинит - Ca₃MgSiO₄, диопенд -CaMgSiO₂, волластонит - 0-CaSiO₃, геленит - Ca₂Al(SiAlO₇), анортит -CaAl₂Si₂O₈ и другие минеральные образования.
     С точки зрения минералогического состава лучшими шлаками являются те, в которых присутствуют минералы: белит, ларнит, диопент и геленит. Такие шлаки более активны. Отмечается также существенная роль пироксена, анортита и псевдоволластонита [8]. Быстрое охлаждение шлакового расплава способствует его переохлаждению, скрытая теплота плавления соединений переохлажденного шлака сохраняется в виде внутренней химической энергии. Это обстоятельство, а также и активное состояние содержащихся в шлаковом стекле кремнезема и глинозема, наличие самостоятельно твердеющего двухкальциевого силиката определяют гидравлическую активность шлаков.

7

      Гранулированный доменный шлак получают из доменного расплава, подвергнутого быстрому охлаждению струей воды или воздуха. Поверхность зерен остеклованная, с большим количеством выступов и углублений. До 80 % от общей массы в гранулированных шлаках присутствует шлаковое стекло.
      Шлаковая пемза представляет собой материал серо-желтого цвета с большим наличием микро- и макропор. Стеклофаза в шлаковой пемзе занимает от 30 до 45 %.
      Литой шлаковый щебень, получаемый медленным охлаждением огненно-жидких доменных шлаков, содержит около 10 % стеклофазы, а шлаковый песок характеризуется наличием частиц разной прочности, шероховатой поверхностью. Наличие стеклофазы определяет гидравлическую активность шлаковых материалов. Из рассмотренных нами шлаковых материалов наиболее активными являются гранулированные доменные шлаки, а наименее активными - шлаковые пески и гранулированный ваграночный шлак.
      Конверторный шлак кислородно-конверторного цеха № 2 представляет собой материал черно-коричневого цвета, с плотной, реже - пористой структурой, с большой плотностью. Ввиду неоднородности конверторного шлака физико-механические свойства его изменяются в довольно широком диапазоне. Особенностью этого вида шлаков является подверженность в той или иной степени силикатному, известковому, железистому и марганцевому распаду, причем большая доля приходится на известковый распад. Время распада длительное, так как он происходит в местах контакта включений свободной извести и металла с атмосферной влагой.
      Химический состав шлаковых материалов, принятых нами для исследования, представлен в таблице 1.1.
      Из данных таблицы 1.1 видно, что в наших исследованиях рассматриваются материалы, являющиеся основными продуктами цехов шлакоперера-ботки (гранулированные доменные шлаки) или ее побочным продуктом (шлакопемзовые и шлаковые пески), гранулированные ваграночные шлаки, конверторные шлаки при переходе на работу металлургических заводов без отвалов.
      Гранулометрический состав исследуемых шлаковых материалов приведен в таблице 1.2.
      Как видно из результатов таблицы, в исходном состоянии гранулометрический состав шлаковых материалов не удовлетворяет кривым плотных смесей для песчаного асфальтобетона типа Г.
      Однако нашими исследованиями и исследованиями С. И. Самодурова [95, 97, 168] установлено, что в процессе технологических операций (разогрев шлакового материала, перемешивание его с битумом и уплотнение асфальтобетонной смеси) вследствие высокой хрупкости и дробления зерен гранулометрический состав шлаковых материалов удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2013 [36] на песчаные асфальтобетонные смеси типа Г (табл. 1.3).

8

Таблица 1.1
Химический состав шлаковых материалов

Наименование          Химический состав, %                  Модуль  
 поставщика  SiO2  CaO       AI2O3   MgO   FeO     прочие основности
гранулированные доменные шлаки                                       
Новолипецкий 37,91 42,88     11,72   5,72  0,24     1,53     0,98   
             шлакопемзовые пески                                    
Новолипецкий 37,91 42,88     11,72   5,72  0,24     1,53     ---    
             шлаковые пески                                         
Новолипецкий 37,91 42,88     11,72   5,72  0,24     1,53     ---    
             конверторные шлаки                                     
Новолипецкий 16,76 54,86     1,50    2,03   13,46   ---      3,11   
             гранулированные ваграночные шлаки                      
Липецкий     38,64 30,50     7,57    16,4  3,08     2,72     1,01   

Таблица 1.2

Гранулометрический состав шлаковыхматериалов в естественном виде

Вид материала    Количество частиц мельче данного размера в мм, %        
                    5       2,5    1,25    0,63    0,315  0,16    0,071 
Гранулированный  94,82    82,22    65,00  35,10    10,40  6,60    3,50  
доменный шлак                                                           
Шлакопемзовый    96,89    77,75    60,85  35,38    23,45   16,65  9,50  
песок                                                                   
Шлаковый песок   99,91    73,03    47,88  24,06    11,20  7,83    3,60  
Гранулированный  95,50    82,78    64,60  38,20    12,15  8,80    3,21  
ваграночный шлак                                                        
Требования       70---100 56---82 42---65 30---50 20---36 15---25 8---16
ГОСТ 9128-2013                                                          

Таблица 1.3
Изменение гранулометрического состава минеральной части асфальтобетона из шлаковых материалов в процессе технологических операций

Состояние Количество частиц мельче данного размера в мм, %       
            5      2,5    1,25   0,63    0,28    0,16     0,071 
гранулированный доменный шлак                                    
Исходный  94,82   82,22   65,00   35,10   10,40   6,60   3,50   
после уплотнения нагрузкой:                                      
10 МПа    99,40   73,80   53,00   36,20   21,80   12,10  6,80   
20 МПа    100,00  74,00   53,20   36,70   22,20   13,60  7,60   
30 МПа    100,00  74,60   53,20   37,40   26,40   16,40  9,80   
40 МПа    100,00  76,20   54,80   38,20   27,80   18,20  12,10  
50 МПа    100,00  79,10   59,10   39,40   28,35   20,50  12,90  

9

Окончание таблицы 1.3

Состояние        Количество частиц мельче данного размера в мм, %       
                   5      2,5    1,25   0,63    0,28    0,16    0,071  
шлакопемзовый песок                                                     
Исходный         96,89   77,75   60,85   35,38   23,45   16,65   9,50  
После разогрева  97,79   80,05   65,19   38,53   23,90   17,50   9,79  
После уплотнения 98,97   86,40   65,36   50,40   31,86   21,46  13,84  
нагрузкой 40 МПа                                                       
шлаковый песок                                                          
Исходный         99,91   73,03   47,88   24,06   11,20   7,83    3,60  
После уплотнения 99,10   86,50   66,10   50,29   32,00   18,10  10,20  
нагрузкой 40 МПа                                                       
гранулированный ваграночный шлак                                        
Исходный         95,50   82,78   64,60   38,20   12,15   8,80    3,21  
После уплотнения 100,00  76,60   55,80   46,20   27,80   16,20  11,10  
нагрузкой 40 МПа                                                       
Требования       70-100  56-82   42-65   30-50   20-36   15-25   8-16  
ГОСТ 9128-2013                                                         

      Поэтому рассматриваемые шлаковые материалы можно применять в асфальтобетонных смесях в естественном зерновом составе, т. е. в том, какой получается при грануляции или отсеве крупных фракций (для шлаковых и шлакопемзовых песков). Дробление зерен шлаковых материалов происходит по линии наименьшей прочности, и асфальтобетонный монолит обладает оптимальным стабильным гранулометрическим составом. Эффект дробления не только оптимизирует гранулометрический состав, но и сопровождается образованием свежих поверхностей, энергетический потенциал которых очень высок.
      Исследованиями подтверждено, что образование свежих поверхностей в условиях отсутствия загрязняющих примесей приводит к хемосорбционно-му взаимодействию, увеличению адгезионных связей между шлаковым материалом и битумом [73, 94, 171, 178].
      В зоне контакта шлаковых зерен между собой в асфальтобетонной смеси происходят процессы гидролиза и гидратации шлаковых материалов, которые приводят к образованию жестких кристаллизационных связей. В работах С. И. Самодурова, Г. А. Расстегаевой с участием автора показано, что при экстрагировании битума из образца асфальтобетонной смеси двухмесячного возраста его форма сохраняется за счет срастания шлаковых зерен между собой [77, 170].
      Особенностью шлаковых материалов является также их мелкопористая структура, характеризуемая наличием большого количества замкнутых пор. Пористая и микрошероховатая поверхность зерен шлаковых материалов является фактором, способствующим возникновению прочного адгезионного контакта между битумом и шлаком. Особенности строения порового пространства шлаковых материалов свидетельствуют о возможности как избирательной

10