Структура и свойства асфальтобетона

Структурообразование асфальтобетона начинается в основном при взаимодействии жидкой фазы (битума) с минеральным ма­териалом в смеситель­ном аппарате и закан­чивается при уплотне­нии и отвердевании ас­фальтобетонного по­крытия на месте ук­ладки массы.

По структурным признакам асфальто­бетон как искусствен­ный строительный кон­гломерат состоит из каменной смеси (ще­бень или гравий и пе­сок), сцепленной в мо­нолит асфальтовяжу-

Рис. 15.2. Макроструктура асфальтового бе- Щ^им веществом, И би-

тона нарной системы, в ко-

торой жидкая фаза — битум перемешана с тонкодисперсным минеральным порошком. Сформировавшаяся микроструктура асфальтовяжущего вещества в виде пространственной сетки (каркаса) является основой или: матрицей конгломератной макроструктуры асфальтобетона.

В зависимости от соотношения составляющих материалов ас­фальтобетон может иметь порфировую, контактную или законтак-тную макроструктуру (рис. 15.2), каждая из которых может быть оптимальной или неоптимальной. В исследованиях И. А. Рыбьева и других показано, что оптимальным структурам асфальтовяжу­щего вещества и асфальтобетона соответствует комплекс наилуч­ших качественных показателей (закон створа). Поэтому необходи­мо осуществлять технологический процесс приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонной массы так, чтобы придать конгло­мерату оптимальную структуру.

Образование оптимальной структуры асфальтобетона зависит и
не только от свойств составляющих компонентов и технологии про­
изводства, но и от проектирования его оптимального состава. Ме­
тод проектирования оптимального состава конгломерата заключа­
ется в выборе количественных соотношений между составляющими
материалами, при которых обеспечиваются оптимальная структу­
ра и заданные технические свойства, показатели которых прини­
мают экстремальные значения. В настоящее время существует не­
сколько методов проектирования состава асфальтобетона (П. В. Са­
харова, Н. Н. Иванова, СоюзДорНИИ
и др.). Большое значение имеет общий ме­
тод проектирования оптимального состава
ИСК и асфальтобетона проф. Рыбье­
ва И. А. Он позволяет обеспечивать наи­
лучшие составы и изготовлять асфальтобе­
тоны и растворы оптимальной структуры с, -^..—
заранее заданными свойствами (при их эк- VoM-^v"
стремальных показателях) с учетом требо- ЩММШ
ваний, предъявляемых к покрытию в экс­
плуатационный период. _{Рис 153}. метод испы-

Технические свойства асфальтобетона тания асфальтобетонных значительно изменяются в зависимости от образцов на растяжение температуры. При обычной температуре

(20...25°С) он имеет упругопластичные свойства, при повышен­ных— вязкопластичные, а при пониженных температурах стано­вится хрупким.

Для асфальтобетона большое значение имеют прочностные свойства, т. е. способность при разных температурах сопротивлять­ся внутренним напряжениям без нарушения структуры. Механиче­скую прочность асфальтобетона условно характеризуют пределом прочности при сжатии стандартных образцов, испытанных при за­данных температуре и скорости приложения нагрузки. При одно­осном сжатии предел прочности асфальтобетона определяют на цилиндрических образцах размерами — по диаметру и высоте 50, 5 или 71, 4 мм (в зависимости от крупности минерального заполни­теля). Испытания проводят при температурах 20, 50, 0°С и при скорости приложения нагрузки, равной 3 мм/мин.

При температуре 20°С предел прочности при сжатии асфальто­бетона составляет около 2, 5 МПа, а при растяжении — в 6... 8 раз меньше. С понижением температуры сопротивление сжатию резко возрастает (до 15, 0...20, 0 МПа при —15°С), а с повышением, на­оборот, падает до 1, 0... 1, 2 МПа (при 50°С). Важной характеристи­кой свойств асфальтобетона является сопротивление его растяги­вающим усилиям. В связи с этим цилиндрические образцы испы­тывают на сжатие по образующей. При таком расположении образ­ца в процессе сжатия асфальтобетон испытывает растягивающие напряжения (рис. 15.3). Предел прочности при растяжении R_A в этом случае определяют по формуле R_A = aF/dh, где F — разруша-

ющая нагрузка, Н; а — коэффициент (для асфальтобетона равен 1; d — диаметр цилиндрического образца, м; А —высота (образу­ющая), м.

Прочность асфальтобетона в соответствии с формулой (5.4) в условных или инвариантных показателях зависит от качества и ко­личества асфальтового вяжущего вещества, качества и количества минеральной смеси, технологии уплотнения, температуры, скорости

деформирования. Ее определяют по формуле Яп> =-т-^г^или обоб-

щенному уравнению Г/? *, г, =#*.л №А" f-p-Y (7³-)" ] прочности.

Отличительной особенностью асфальтового бетона является его способность к вязкому сопротивлению ударным воздействиям и из­носу. Износ асфальтобетонного покрытия дорожных конструкций происходит в основном в результате сил трения от колес проходя­щего транспорта. Поэтому износостойкость асфальтобетона будет тем выше, чем более твердые-минеральные материалы были исполь­зованы для его приготовления и чем лучше они сцепляются с би­тумом.

Износостойкость характеризуют потерей в массе асфальтобетона с 1 см² поверхности истирания и определяют по разнице масс об­разца до и после истирания. Более высокую износостойкость про­являют образцы с минеральными материалами (щебень и песок) из прочных и твердых пород. Горячий асфальтовый бетон в период его эксплуатации в условиях движения городского транспорта из­нашивается в пределах от 0, 2... 1, 5 мм в год.

Водостойкость асфальтобетона зависит главным образом от ми­нерального состава компонентов. Вода, являясь полярной жидкос­тью, хорошо смачивает гидрофильные поверхности зерен, стремит­ся смещать с них пленку битума, что снижает водостойкость ас­фальтобетона. При гидрофобных минеральных материалах, облада­ющих большим энергетическим сродством с битумом, асфальтобе­тоны становятся достаточно водостойкими.

Водостойкость характеризуют величиной набухания и специаль­ным коэффициентом водостойкости. Этот коэффициент определяют как отношение пределов прочности образца асфальтобетона, испы­танного при сжатии в водонасыщенном и такого же образца в су­хом состояниях при 20°С. Он должен находиться в пределах 0, 6...0, 9.

Технические свойства асфальтобетона регламентируют требо­ваниями Государственного общесоюзного стандарта. Так, напри­мер, в соответствии с ГОСТом предел прочности при сжатии горя­чего асфальтобетона для дорожных покрытий должен быть не ме­нее 2, 5 МПа при 20°С, а при 50°С —0, 9 МПа; коэффициент водо­стойкости при длительном водонасыщении — не менее 0, 6...0, 9; на­бухание образцов в '% по объему не более 0, 5.

15.6. Разновидности асфальтовых бетонов

Теплый асфальтобетон получают укладкой и уплотнением при температуре 70... 80°С рационально запроектированной массы, со­стоящей из тех же компонентов, что и горячий асфальтобетон, но с битумом пониженной вязкости. Применение жидких битумов или битумов, разжиженных мазутом, керосином или лигроином, при­дают некоторые особенности структурообразованию и свойствам готового асфальтобетона — более продолжительное уплотнение и более длительный период формирования структуры.

Применение теплых асфальтовых бетонов в строительстве поз­воляет производить работы по их укладке и уплотнению в осенний период. Покрытия из теплого асфальтобетона устраивают на дорогах I—III категорий, а также на городских улицах и пло­щадях.

Холодный асфальтовый бетон (схолодный асфальт») представ­ляет собой строительный материал, получаемый при затвердевании уплотненной в холодком состоянии смеси, изготовленной из рацио­нально подобранных минеральных материалов (мелкий щебень, пе­сок и минеральный тонкодисперсный порошок) с жидким битумом или медленно распадающейся эмульсией. Асфальтобетонные сме­си (массы) на жидких битумах приготавливают в горячем состоя­нии, а укладывают и уплотняют при нормальной температуре ок­ружающего воздуха. Массы, в которых используют битумные эмуль­сии, приготавливают, укладывают и уплотняют в холодном состо­янии.

Отличительной особенностью холодного асфальтобетона явля­ется способность оставаться длительное время после приготовления в рыхлом состоянии. Приготовленные холодные массы при транс­портировании и хранении в течение до 12 мес не слеживаются, не ком куются и остаются рыхлыми. Поэтому их можно изготовлять на заводе зимой, а укладывать в весенне-летний период.

Литой асфальтобетон отличается от обычного горячего асфаль­тобетона большим содержанием минерального порошка, битума и

|, методом укладки. Он почти не требует затраты энергии на уплот­нение и вследствие отсутствия пор является практически водоне­проницаемым. К недостаткам литого асфальтобетона следует от­нести возможность трещинообразований на покрытиях при отри­цательных температурах.

Цветной асфальтовый бетон — строительный материал, состоя­щий из мелкого щебня (5...7 мм), песка, минерального порошка, связующего, пластификатора и пигмента. В качестве щебня при­меняют измельченные отходы белого мрамора и известняка. Пески должны быть чистые, светлые; минеральный порошок приготовля-

- ют из тонкоизмельченного белого мрамора. В качестве вяжущего /материала применяют кумароновые, глифталевые полимеры, а так-

),: же полиэтилен, пол и винл хлорид, поливинил ацетатную эмуль-

%•' сию и др.

>.' 379

Из пигментов наиболее цветостойкими являются железный су­рик, крон желтый, оксид хрома и др. Цветной асфальтобетон дол­жен обладать необходимой пластичностью, прочностью, невыцве-таемостью и легко очищаться в случае загрязнения. Его применя­ют для устройства островков безопасности пешеходных переходов,. обозначения стоянок автомобилей, остановок городского транспор­та, а также для парковых дорожек, оформления площадей и скве­ров, площадок перед выставочными павильонами и др.

Дегтебетон — строительный материал, аналогичный асфальтово­му бетону, в котором в качестве вяжущего материала использует­ся каменноугольный деготь. Для дегтебетонов применяются те же минеральные материалы, что и для асфальтовых бетонов. В ка­честве вяжущего используются главным образом дегти марок Д-5, Д-6.

При изготовлении дегтебетона для горячей укладки следует строго соблюдать температурный режим, поскольку деготь чувст­вителен к изменению температуры. Нагрев минеральных материа­лов производится до 100... 130°С, дегтя —от 80... 100°С.

По техническим свойствам дегтебетоны значительно уступают асфальтовым бетонам. Они имеют меньшую водостойкость изно­состойкость, теплостойкость и больше подвержены старению. Вслед­ствие меньшей пластичности дегтебетоны хрупко деформируются при пониженных температурах. Дегтебетон применяется для уст-ройства дорог, в том числе в- районах добычи каменного угля-

15.6. Деструкция асфальтового бетона при эксплуатации покрытий

Ярким проявлением деструктивных процессов, протекающих в асфальтовом бетоне, особенно в поверхностных слоях покрытий, яв­ляются постепенное выкрашивание и вырывание минеральных час­тиц. Это указывает на понижение адгезионных связей по границам контактирования минеральных и органических материалов.

Асфальтовый -бетон чувствителен к колебаниям температуры внешней среды, что является источником непрекращающихся струк­турных изменений. Последние связаны то с повышением концентра­ции твердой фазы (при снижении температуры) за счет спон­танного выделения из гетерогенной среды новых центров струк-турообразования, их размножения и обрастания, то с понижением концентрации твердой фазы (при повышении температуры) за счет усиления теплового молекулярного движения с разрушением струк­турной мицеллярной сетки в вяжущем веществе. Под влиянием этих явлений практически непрерывно изменяется пластичность ас­фальтобетона и его вяжущей части, что в сочетании с напряжен­ным состоянием от механических усилий приводит к нарушению структуры, к потере деформационной устойчивости. Тепловые флук­туации молекул в сочетании с механическими напряжениями не-

редко служат самой непосредственной причиной разрушения этого материала.

В асфальтовом бетоне могут возникать остаточные деформации, развиваемые до значительных размеров в дорожных и аэродромных покрытиях, с появлением наплывов, сдвигов, волн, складок, сме­шений, например, в кровельных и гидроизоляционных коврах. Этим деформациям необратимого характера способствует повышенная температура и для повы­шения теплоустойчивости важно обеспечить опти­мальный состав и опти­мальную структуру ас­фальтового бетона приме­нительно к данным, кон­кретным условиям.

При отрицательных температурах, особенно при резких колебаниях температуры, возникают тепловые напряжения и возможны хрупкие ми­кро- и макроразрывы, на­рушение сплошности ас­фальтобетонных покры­тий (рис. 15.4).

Асфальтобетон чувст­вителен не только к теп­ловому фактору, но и к водной среде. Разруше­ние структуры под влиянием водного фактора происходит в ре­зультате нарушения сцепления битумных пленок с минеральными частицами, причем тем быстрее, чем интенсивнее протекает диф­фузия и больше воды продиффундировало в монолитный мате­риал. Этот процесс можно затормозить, например, уплотнением,. очисткой покрытия от пылевых наносов и др., однако нельзя его полностью приостановить, особенно при длительном контакте по­крытий, например дорожных, с водой в осенний и весенний перио­ды в средней климатической полосе страны. Проникновение воды начинается с гидрофилизации поверхности за счет «застревания» в ней молекул воды, поверхностной сорбции, чему способствует тепловое движение (энтропийный фактор). Диффузии воды спо­собствуют также уменьшенное количество асфальтенов в битуме, увеличенное содержание асфальтогеновых кислот, водораствори­мых соединений типа фенолов (например, в дегтях), повышенная гидрофильность минеральных наполнителей. Вода как сильно по­лярная жидкость способна вначале оттеснять с поверхности ми­нералов менее полярные молекулы, ранее адсорбировавшиеся из битума, а затем сильно обводнять систему, создавая эффект на-

бухания. В соответствии с электрохимической теорией набухания интенсивная аккумуляция воды на поверхности минеральных ча­стиц растет с повышением плотности заряда и, следовательно, с уменьшением диаметра этих частиц. Набухание обусловлено про­никанием молекул воды или иной среды в объем тела как диф­фузионным путем, так и по механизму капиллярного потока, по­скольку в структуре тела практически всегда имеются микро­поры, субмикротрещины различных размеров и форм.

Наиболее уязвимой структурной частью асфальтового бетона является асфальтовое вяжущее вещество, а от его стойкости к вод­ной среде и колебаниям температуры зависят согласно закону конгруэнции качественные показатели асфальтового бетона, его прочность, теплостойкость, долговечность и т. д. При тепловых пе­репадах через 0°С происходит разуплотнение асфальтобетона вслед­ствие циклического замерзания воды в порах покрытия. Разуплот­нение связано с увеличением пористости и с возрастанием притока воздуха внутрь покрытия, что сопряжено с активизацией процесса окисления органического вяжущего вещества. И хотя вода сама по себе является слабым окислителем битума или дегтя, но она благоприятствует интенсивному их окислению вследствие повыше­ния пористости и доступа воздуха в монолит. Воздействие воздуха основано на окислении и полимеризации углеводородов, в частно­сти, непредельного ряда, изменения группового химического со­става и свойств битума или дегтя. Окислительный процесс уско­ряется под комплексным воздействием воздуха, теплоты, солнеч­ного света, особенно его ультрафиолетовых лучей. При ветровом воздействии происходит быстрое вымораживание воды, что в ко­нечном счете приводит к росту хрупкости и количества микропор и трещин в асфальтобетонных покрытиях. С увеличением в би­туме кислородсодержащих, азотистых и сернистых соединений ста­бильность битума уменьшается. К этому же нежелательному эф­фекту приводит увеличение пористости асфальтобетона после дест­рукции под влиянием диффузии воды.

Из числа спонтанно развивающихся явлений старения биту­ма кроме упомянутых окисления и полимеризации следует еще выделить синерезис и эмульгирование.

Синерезис — самоуплотнение вследствие молекулярного сцеп­ления, а также под влиянием сил тяжести или внешних сил. Из битума постепенно выделяется жидкостная среда (масла и смолы), которая в дальнейшем либо сорбируется минеральными компонен­тами, либо под внешним давлением выдавливается наружу, высту­пая в виде «жирных» пятен. В первом случае возрастает концен­трация асфальтенов в битуме и асфальтовом вяжущем веществе с упрочнением' структуры и повышением жесткости материала. Во втором случае расслабляются структурные связи при высоких тем­пературах и появляются пластические деформации в верхних сло--ях покрытий.

Эмульгирование битума может быть вызвано присутствием в

'382

окружающей среде или в компонентах смеси, например в песке,. эмульгирующих веществ — глинистых примесей» извести, поверх­ностно-активных веществ и др. Вынужденный частичный перевод битума в эмульгированное состояние приводит к снижению адге­зионных свойств, некоторой потере связности в монолите. Если из­менения в структуре под влиянием температурных факторов не­редко являются временными и носят обратимый характер, то си­нерезис и эмульсификация могут завершиться необратимыми яв­лениями ухудшения качества асфальтобетона.

К старению битума и дегтя может приводить еще длительный контакт с некоторыми материалами, содержащими полуторные оксиды железа и алюминия.

Независимо от причин старения битума и асфальтобетона всег­да происходит количественное н качественное изменение их соста­ва. Интенсивность изменения группового химического состава би­тума нередко служит достаточной характеристикой старения ма­териала. Более точно старение битума можно определять по ки­нетике роста вязкости во времени. По формуле т|=»Ае**, где < р— фактор старения; т — продолжительность старения; А — постоян­ная, можно найти величину т долговечности до критического зна­чения т)_кр. Для этих целей в лабораторных условиях моделируюг эксплуатационные условия. Вместо вязкости пользуются так­же некоторыми другими характеристиками качества, чувстви­тельными к старению битума, например величиной сдвигоустой-чивости.

Для торможения деструкции асфальтового бетона применяются на стадии технологии и в эксплуатационный период различные ме­ры. Важно обеспечивать высокую плотность структуры и поддер­живать ее на этом уровне, вносить компоненты, повышающие де-формативность монолита (не выходя за допустимые пределы) г увеличивать гидрофобность асфальтобетона; снижать время релак­сации напряжений (в допустимых пределах); своевременно восста­навливать поверхностные слои и надежнее изолировать их от внеш­ней агрессивной среды; безусловно использовать только оптималь­ные составы; вносить в составы стабилизаторы структуры, энер­гетически связывающие проникшую воду, и т. п.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Дайте определение, что такое асфальтовый бетон? 2. Воспроизведите-классификацию асфальтовых бетонов по ГОСТу. 3. Сущность работ ученых в области асфальтовых материалов. 4. В чем существенное отличие общего мето­да проектирования оптимального состава асфальтобетона, предложенного в теории ИСК по сравнению с другими существующими методами? 5. Как подби­рается состав асфальтобетона по ГОСТу? 6. Какова структура асфальтобетона в дорожных покрытиях? 7. Напишите обобщенные уравнения прочности асфаль­тового бетона. 8. Перечислите важнейшие технические свойства асфальтобетона по ГОСТу. Как распространяется закон створа на асфальтовые бетоны? 9. В чем заключается деструкция асфальтового бетона? 10. Каковы основные способы повышения прочности и долговечности асфальтобетона в дорожных покрытиях? ¹

? 83

*

Гл ава 16