Композиционные составы для локализации очагов разрушения дорожного покрытия

Заслуживает внимания технология ремонта с применением литого асфальта, в котором важнейшей компонентой является мастика, состоящая из высоковязкого твердого битума, относительно большого количества минерального порошка и песка. Ремонтный материал, то есть приготовленный литой асфальт, содержит до 13 % битума и до 35 % минерального порошка, что делает его значительно дороже обычных горячих асфальтобетонных смесей. Кроме того, литой асфальт требует высокой температуры укладки, не ниже 220 °С, однако и срок его службы в 1,5–2 раза выше, чем по ранее рассмотренной технологии [25].

Известен способ ремонта дорожного покрытия, включающий нанесение на поверхность поврежденного дорожного покрытия увлажненной минеральной смеси и битума, разогретого до температуры 160–200 °С.

Компоненты для смешивания подают по разным шлангам под давлением 7–10 атм в сопло эжекционной торкретустановки, затем полученную битумоминеральную смесь под давлением наносят на дорожное покрытие [97].

Недостатком этого способа является дороговизна, обусловленная потребностью в специальном оборудовании и энергетическими затратами на разогрев битума.

Как отмечено выше, качество подготовки ремонтируемого участка оказывает существенное влияние на качество конечного процесса, поэтому применение вакуумно-струйно-инъекционной технологии заметно повышает качество ремонта, но требует усложнения всего технологического процесса и дополнительной специальной техники.

Отсюда следует, что технологии ремонта, основанные на применении органических вяжущих, не могут обеспечить всю полноту требований, предъявляемых к качеству ремонта, поэтому возникает необходимость применения альтернативных материалов, в частности использования ремонтных составов на минеральных вяжущих с введением некоторых специальных, в том числе органических, добавок. Кроме того, ремонтный состав должен отвечать требованиям стационарного приготовления с удлиненными сроками хранения, а также обеспечивать требуемую долговечность при эксплуатации и приведение смеси в рабочее состояние на месте ремонта.

1.3. Опыт применения композиционных составов из сухих строительных смесей в ремонтно?строительных технологиях

Перспективным направлением в области ремонта дорожного покрытия является применение составов из сухих строительных смесей как материала полной заводской готовности.

Это позволит отказаться от традиционных составов на битумном вяжущем, которые используются в горячем виде, а также существенно расширит спектр технологий сухих строительных смесей на минеральных вяжущих для ремонта и восстановления асфальтобетонных покрытий эксплуатируемых дорог.

Композиционные составы, которыми по сути являются все строительные растворные смеси на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, известь, гипс, использовались в строительной практике многие тысячелетия. Эти строительные растворные смеси применяются главным образом для кирпичной кладки, кладки из природного камня и для штукатурных работ.

До 50-х гг. ХIХ в. минеральные строительные смеси производились и применялись исключительно по технологии приготовления на строительной площадке, которая предполагает транспортировку отдельных сырьевых материалов на строительную площадку и их перемешивание в соответствующей пропорции. Практика строительного производства показала, что применение такой технологии, особенно в крупномасштабном производстве, не позволяет в полной мере обеспечить качество приготовления смеси, поэтому она была вытеснена заводским приготовлением строительных растворных смесей, которые вошли в практику как сухие растворные смеси. Сухие строительные растворные смеси производятся на специализированных заводах, где минеральные вяжущие, заполнители и соответствующие добавки проходят процесс глубокого перемешивания. Сухие строительные смеси заводского приготовления доставляются на строительную площадку в упакованном виде (бункер, мешки). На строительной площадке производится только затворение сухих строительных смесей водой и использование их по назначению.

Целями технологии применения сухих строительных смесей является высокий уровень качества и его общая стабильность, оптимизация затрат на транспортировку, повышение производительности труда, достижение требуемых свойств продукции, согласованных со способами конкретных видов работ на строительном объекте и требованиями к готовым объектам [13].

Целесообразность использования сухих смесей как материала полной заводской готовности подтверждена зарубежной и отечественной практикой строительства. В 1950–60-е гг. в странах Западной Европы, особенно в Германии, Северной Америке, в строительной промышленности наблюдался быстрорастущий спрос на сухие строительные смеси и технологии, связанные с ними. Это можно объяснить следующими причинами: сокращением сроков и расходов на строительство, уменьшением затрат на рабочую силу, повышенным спросом на здания и сооружения более высокого качества [78]. Технология приготовления смесей на строительной площадке не всегда соответствовала этим требованиям.

Как практическое следствие в указанный период на развитие химической промышленности в области строительных материалов существенное влияние оказали ряд факторов, которые в наше время известны всему миру. Основными из них являются следующие:

1) вытеснение строительных смесей, приготовленных на рабочей площадке, предварительно приготовленными и расфасованными сухими строительными смесями;

2) механизация строительных процессов, включая системы транспортировки сухих строительных смесей для автоматизированного затворения, а также их машинная укладка;

3) модификация сухих строительных смесей с использованием полимерных вяжущих, в том числе редисперсионных порошков, специальных добавок и присадок для улучшения качества продукции.

Так, внедрение технологии приготовления сухих строительных смесей, использование тарной транспортировки, автоматизированного затворения и механизированной укладки полученных растворов с 1960 по 2000 г. позволило увеличить объем штукатурных растворов всех видов в Германии на 600 % с одновременным снижением количества работников, занятых в этой отрасли, на 25 %, что обеспечило повышение производительности труда на 800 % [15,68].

В настоящее время производство и применение сухих строительных смесей составляет в Швеции 20 кг, в Германии 30 кг на одного жителя, в России немногим превышает 2 кг в год на жителя [119]. Сухие строительные смеси появились на российском строительном рынке во второй половине 1990-х гг. Во многом причина слабого использования сухих смесей заключалась в том, что промышленность строительных материалов не была ориентирована на выпуск сухих смесей, поэтому и не разрабатывалось специальное оборудование и технологические линии [65, 89, 96].

Вплоть до 2000 г. на нашем рынке доминировала импортная продукция сухих строительных смесей либо эти смеси выпускались в России на предприятиях, принадлежащих иностранным фирмам [19].

Ведущими зарубежными фирмами, производящими сухие строительные смеси, являются «Simpelkamp», «Babkok-BSKH», «Sakret-Zentrale», «PCI», «Knauf» (Германия), «Partek», «Fexima», «Lohja» (Финляндия), «Sika AG» (Швеция), «Serett» (Франция), «Atlas» (Польша) и др. [54, 103].

В последнее десятилетие ситуация существенно изменилась, внутреннее производство интенсивно растет, открылись десятки новых предприятий (рис. 1.1). До 2003 г. темпы роста объемов выпуска сухих строительных смесей находились в пределах 45–50 %. В результате доля зарубежного производства сухих строительных смесей в 2010 г. снизилась с 60 % до 15 % (рис. 1.2) [19].

Ведущими предприятиями по выпуску сухих строительных смесей являются производственные комплексы в городах Москве и Санкт-Петербурге, производящие более 52 видов смесей в объеме 190 тыс. т в год [87]. Лидирующую позицию в странах СНГ занимает Республика Беларусь [114]. Кроме того, в России эксплуатируется порядка 10–15 заводов на зарубежном оборудовании фирм «Vetonit», «Atlas», «Pufas», «Semin», «Knauf», «Дюфа», «Юнис», «Боларс», «Шитрок», «Паунит», «Паун», «Пакаис», «Парем», «Пафас», «Паунс» – фирмы «Лаком Групп», «Emaco», «Mastertop», «Macflow» производительностью 10–50 тыс. т. смесей в год, работающих под торговыми марками по лицензии «MAC SPA» (Италия), а также ЗАО «Ирмаст Холдинг» и «Юнирбау», «Sopro» – концерна Deckerhoff Sopro (Германия) [54].

Рис. 1.1. Рост числа предприятий по выпуску сухих строительных смесей

Рис. 1.2. Темпы прироста объемов производства сухих строительных смесей

В настоящее время как за рубежом, так и в России выпускается широкая номенклатура сухих смесей для различных видов строительных работ. В основном рынок готовых сухих строительных смесей представлен такими ремонтными материалами, как штукатурные, кладочные и клеевые смеси, то есть материалами для отделочного ремонта. Классификация сухих смесей представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Классификация сухих строительных смесей

Рис. 1.4. Потребление сухих строительных смесей в России в 2010 г.

С учетом внутреннего производства, импорта и экспорта структура потребления сухих строительных смесей в России на 2010 г. выглядит следующим образом: клеи для керамической плитки занимают около 40 % рынка, чуть более четверти рынка приходится на модифицированные штукатурки. Сухие шпатлевки, ровнители и прочие виды смесей (затирки, монтажные клеи и т. д.) в сумме обеспечивают около трети потребления [8] (рис. 1.4).

Анализ современного состояния производства сухих строительных смесей показывает, что в их разнообразной номенклатуре практически отсутствуют композиционные материалы для ремонта покрытий автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, пролетных строений и покрытий мостов.

Одним из признанных лидеров в производстве материалов для ремонтных работ является фирма «Mac Spa» (Италия), выпускающая материалы серии «Emaco» [56,83]. На строительном рынке в настоящее время появились и отечественные высокопотенциальные материалы для ремонтно-восстановительных работ. Так, на предприятии ООО «Консолит» разработан и налажен промышленный выпуск быстротвердеющих сухих ремонтных смесей «Барс», которые по своим техническим характеристикам не уступают материалам «Emaco» и дешевле их в 2–2,5 раза [77].

Промышленным выпуском сухих строительных смесей на основе собственных разработок и технологий в Красноярском крае занимаются компании «Сибирская пальмира», «Альфа» и «Акродекор-К». Эти предприятия в основном специализируются на выпуске смесей на цементной, гипсовой и полимерной основе для штукатурных, шпатлевочных и бетонных работ. Вопросами ремонта дорожно-мостового покрытия занимается компания «Акродекор-К», которая широко использует местное сырье и отходы промышленности при производстве ремонтных смесей [63].

Анализ зарубежного и отечественного опыта производства сухих строительных смесей показал, что рост объемов ремонтно-строительных работ приводит и к увеличению производства сухих строительных смесей как общестроительного, так и специального назначения. В смесях общестроительного назначения применяются традиционные вяжущие (цемент, известь, гипс), а также функциональные добавки, придающие смесям специальные свойства. Примечательно, что зарубежные и отечественные производители чаще всего в качестве вяжущего используют цемент или гипс [111].

К смесям специального назначения предъявляются дополнительные требования (высокая адгезия, прочность при сжатии, изгибе в ранние сроки твердения, водопоглощение, пористость). Перечисленные свойства, а также другие свойства смесей специального назначения определяются свойствами применяемого вяжущего по основному назначению и условиям эксплуатации.

Для ремонта дорожных покрытий требуется разработка новых эффективных материалов на основе сухих строительных смесей специального назначения, отвечающих требованиям стационарного приготовления с удлиненными сроками хранения и приводимых в рабочее состояние на месте производства работ.

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

, 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

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