Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств

lg(σ/σ_t)= -1/n₁ lg N

lg (ε/ε_t)= -1/n₂ lg N,

где N – число повторных нагрузок, которое выдерживает асфальтобетон до разрушения;

δ,ε  – амплитуда напряжения либо относительной  деформации в каждом цикле нагрузка-разгрузка;

σ_t – однократное разрушающее напряжение  (предел прочности) при данной длительности кратковременного нагружения;

ε_t – предельной относительное удлинение при данной длительности нагружения;

n₁, n₂ – коэффициенты усталости, зависящие от состава и свойств асфальтобетона.

       Повышенный интерес к вопросам усталостного разрушения дорожных покрытий объясняется увеличивающимся с каждым годом транспортным потоком, с одной стороны, и снижением реальных сроков службы асфальтобетонных покрытий, с другой стороны.

     При воздействии на дорожную конструкцию нагрузок от движущихся транспортных средств в слоях асфальтобетонного покрытия вследствие прогиба дорожной конструкции возникают растягивающие и сжимающие напряжения. Деформации изгиба в слоях покрытия при движении непрерывного потока автомобилей носят циклический характер.

Разрушение  асфальтобетона при многократном циклическом нагружении обусловлено процессами усталости, т.е. образованием и накоплением микродефектов с последующим их развитием в макродефекты, снижением прочности во времени.

     При проходе колеса автомобиля максимальные растягивающие напряжения возникают в подошве покрытия. Хотя активные напряжения существенно меньше критических, локальные напряжения, связанные с неоднородностью материала, могут отклоняться от среднего значения и в местах, где они превышают предел прочности пленок битума, связи рвутся. Повторные приложения нагрузок приводят к накоплению разорванных связей и образованию микрополостей. В результате через определенное число циклов приложения нагрузки в подошве покрытия под полосой наката возникают микротрещины, объединяющиеся затем в макротрещины. Макротрещины растут одновременно в двух направлениях: вверх и параллельно плоскости покрытия. Еще через определенное число циклов нагружения трещина прорастает сквозь покрытие и становится видимой на его поверхности. В соответствии с описанным механизмом процесс разрушения покрытия можно разделить на две стадии: накопление повреждений и рост магистральной трещины.

Традиционные  представления о развитии усталостных  разрушений связаны с образованием трещин в подошве асфальтобетонного покрытия вследствие прогиба слоев дорожной одежды. Однако многочисленные международные исследования, выполненные в последние годы, показали, что усталостное трешинообразованис может развиваться и от поверхности дорожного покрытия вниз.

В ходе разработки «Руководства по механико-эмпирическому проектированию новых и реконструируемых дорожных одежд» (США) рассмотрено два типа усталостного трещинообразования: восходящее (Alligator) и нисходящее.

     Восходящее  усталостное трешинообразованис начинается с появления коротких продольных и поперечных трещин на полосе наката, которые быстро распространяются, образуя сетку трещин (рис. 17). Размер ячейки уменьшается за счет появления дополнительных трещин, и сетка трещин переходит в растрескивание типа «крокодиловая кожа» с размером ячеек менее 50 х 50 см. Эти трещины образуются в подошве асфальтобетонного покрытия и распространяются к поверхности под действием многократных нагрузок.

Основные  причины, приводящие к возникновению  высоких растягивающих напряжений и деформаций на нижней поверхности

асфальтобетонных  слоев, следующие:

- относительно  тонкие или слабые (по прочности  на растяжение при изгибе) асфальтобетонные  слои для заданной транспортной  нагрузки;

- высокие  транспортные нагрузки и давление  шин колес

автомобилей;

- слабые основания вследствие некачественного уплотнения увеличенного содержания влаги в фунте земляного полотна и другие

причины.

     Механизм  образования нисходящих усталостных  трещин (продольное трещинообразование) пока точно не установлен.

Рассматриваются следующие механизмы:

- критические  растягивающие и сдвигающие напряжения  на поверхности асфальтобетонного  покрытия, вызванные воздействием  шин колес автомобилей с высоким  контактным давлением;

- интенсивное  старение асфальтобетонного слоя  на поверхности приводит к повышению его жесткости, что при действии транспортной нагрузки способствует появлению и ускоренному развитию трещин.

     Следует отметить, что влияние модуля упругости  земляного полотна на нисходящее усталостное трещинообразование противоположно его влиянию на восходящее. Если повышение модуля упругости Фунта приводит к замедлению образования восходящих усталостных трещин, то нисходящее фещинообразование при этом увеличивается. Любой фактор, повышающий прочность основания (более прочный фунт земляного полотна, укрепленное основание и т.д.), вызывает повышенные растягивающие напряжения в поверхностном слое и увеличивает продольное трещинообразование.

     Усталостное разрушение асфальтобетонных покрытий существенно зависит от его толщины. Моделирование усталостного разрушения и экспериментальные наблюдения на 82 секциях, Расположенных в 24 штатах, позволили установить зависимость, согласно которой наибольшему усталостному разрушению подвержены асфальтобетонные покрытия толщиной 7,6-12,7 см.

      Увеличение  или уменьшение толщины асфальтобетонного покрытия приводит к повышению его усталостной долговечности. Учитывая, что в Российской Федерации на эксплуатируемых дорогах 3,4 категории толщина двухслойного асфальтобетонного покрытия составляет 10-14 см, основной механизм разрушения покрытий имеет усталостный характер. Этот факт был отмечен и Л. Ротенбургом при анализе причин преждевременного разрушения дорожных одежд в странах СНГ.

     Наблюдения  за состоянием автомобильных дорог  при эксплуатации показывают, что процессы разрушения дорожных одежд «усиленной» прочности (с толщиной асфальтобетонных слоев более 18 см) и «средней» прочности (с толщиной асфальтобетонных слоев 10-14 см) имеют различный характер. При малой толщине слоев асфальтобетона в подошве покрытия возникают большие растягивающие напряжения, приводящие к появлению поперечных и продольных трещин по полосам наката. В летний период возможен процесс «залечивания» трещин. Однако быстрое развитие сквозных трещин (учитывая малую толщину асфальтобетонных слоев) способствует прониканию атмосферных осадков в нижележащие слои дорожной одежды и грунт земляного полотна, их ослаблению, что в свою очередь при воздействии транспортных нагрузок приводит к образованию сетки трещин.

     При работе дорожных одежд усиленной  прочности, возникающие в подошве слоев асфальтобетона незначительные растягивающие напряжения, обуславливают длительный период накопления усталостных разрушений. Например, наблюдения за участком автомобильной дороги с общей толщиной асфальтобетонных слоев 32 см показали, что через четыре года эксплуатации трещины на поверхности покрытия отсутствовали. Вскрытие дорожной одежды выявило наличие большого числа преимущественно поперечных трещин на нижней поверхности дорожного покрытия. Процесс прорастания трещин на всю толщину покрытия может продлиться от 6 до 12 лет в зависимости от интенсивности движения и климатических факторов. Однако развитие усталостных разрушений значительно ускоряется при наличии на покрытии дефектов. Так, образующиеся при перепаде температур поперечные трещины являются зоной повышенных растягивающих напряжений (нарушенная сплошность асфальтобетонного покрытия приводит к увеличению деформаций в зоне трещины при проезде автомобиля). Вследствие этого по полосам наката в зоне поперечных трещин наблюдается ускоренное разрушение покрытия. Также дорожные одежды с повышенной толщиной асфальтобетонных слоев могут быть подвержены нисходящему продольному трешинообразованию, особенно в южных районах, где процессы старения асфальтобетона протекают наиболее интенсивно.

Обеспечение соответствия структуры  и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации 

     Структура – это совокупность устойчивых связей и отношений объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е . сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

     Асфальтобетонные  смеси и асфальтовый бетон  представляют собой высококонцентрированные  дисперсные системы, которые характеризуются  сильно развитой межфазной поверхностью S_уд    и высокой концентрацией дисперсной фазы  φ в жидкой (для смесей при перемешивании и на начальной стадии уплотнения) или газовой дисперсионных средах.

     Аддитивные  свойства асфальтобетонных смесей и  асфальтобетонов определяются макро-  и мезо-, и, в особенности микроструктурой. Следовательно, создание оптимальных условий для формирования микроструктурных контактных связей может в значительной мере способствовать образованию материалов с высокими эксплуатационными показателями.

     Задачу  получения композиционных материалов с заданными свойствами можно решить с учетом основных положений физико-химической механики высококонцентрированных систем. Как отмечал академик П.А. Ребиндер, физико-химическая механика – это наука о закономерностях формирования структур  в самых разнообразных дисперсных системах и материалах, которые устанавливаются путем изучения механизма молекулярно-поверхностных явлений в процессах образования и разрушения этих структур. Установление закономерностей формирования структур позволяет получить материалы с заданными свойствами с помощью технологических процессов переработки разнообразных веществ и материалов, применяемых в качестве исходного сырья.

Основное  требование, предъявляемое к любым  материалам: они должны обладать высокими структурно-механическими характеристиками, определяющими их долговечность и надежную работу в инженерной конструкции. Это может быть достигнуто при максимально возможном приближении их прочности к прочности бездефектного тела.

По мнению профессора С.В. Шестоперова свойства материала, в том числе и структурно-механические, должны соответствовать условиям его работы в сооружении или конструкци.

     Наиболее  существенное значение в технологии приготовления асфальтобетонной смеси имеют сложные физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии битума с зернами минеральных составляющих асфальтобетона и, в первую очередь, с тонкодисперсными частицами минерального порошка.

Минеральный порошок обладает наибольшей по сравнению  с другими компонентами минеральной части асфальтобетонной смеси суммарной поверхностью и наибольшей поверхностной энергией При объединении битума с минеральным порошком происходят процессы взаимодействия, в результате которых битум, сорбированный поверхностью зерен, образует тонкую оболочку. Ее плотность, адгезионные и когезионные свойства зависят как от свойств поверхности минеральной составляющей (химико-минералогического состава, пористости и микрорельефа поверхности тонкодисперсных частиц), так и от свойств битума (его группового и химического состава, активности и адгезионной способности) На технологической стадии и в процессе эксплуатации асфальтобетона в дорожных покрытиях в адсорбционно-сольватной оболочке на поверхности минеральных зерен может происходить перераспределение составляющих группового состава битума.

     Это объясняется тем, что битум также  можно рассматривать как дисперсную систему, состоящую из асфальтеновой  и мальтеновой частей. Установлено, что на поверхности зерен высока концентрация смолисто-асфальтеновых компонентов (структурированный или пленочный битум), а в периферийной части оболочки преобладает концентрация масляной фракции, что характеризует объемный (или «свободный») битум.

     При объединении минерального материала  с битумом, наряду с сорбционными процессами, может иметь место  и капиллярная диффузия более легких компонентов битума в минеральные зерна (в частности, при тонкопористой их текстуре, например, у некоторых известняков, песчаников, металлургических шлаков). Интенсивность диффузионных процессов зависит от количества и характера пор зерен минерального материала, смачиваемости битумом их поверхности, температурных и других факторов.

Процессы  сорбции битума зависят от свойств  поверхности минеральных зерен и битума, в котором наибольшую активность проявляют высокомолекулярные соединения, содержащие активные функциональные группы (OH,COOH,NH₂) Наиболее активной частью группового состава битумов являются асфальтено-смолистые группы и наименее активными - масла. Адсорбционно-сольватная оболочка битума характеризуется наибольшей плотностью и прочностью на поверхности минеральных зерен.

Хорошее прилипание (адгезию) битума, как правило, имеют основные карбонатные породы (известняки, доломиты). Кислые кварцевые породы (в особенности кварцевые песчаники, кварциты) сорбируют битум слабее, при этом адсорбционно-сольватные оболочки битума обладают слабой адгезией к поверхности зерен. Капиллярно-пористая поверхность минеральных зерен при прочих равных условиях значительно увеличивает прилипание битумной пленки