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

     Однако  известны случаи, когда битум удовлетворительно  прилипает к щебню из кислых горных пород, и плохо к щебню из основных. А И. Лысихина  приводит пример с кварцевым песком, который по содержанию кремнезема относился к кислым горным породам, но имел хорошее сцепление с битумом. Прилипание обуславливалось наличием на этом песке тончайших пленок оксидов или гидратов оксидов железа, алюминия и аморфного кремнезема.

     Для полиминеральных горных пород на процессы физико-химического взаимодействия их с битумами влияет их структура и текстура. Вопросы микромозаичности поверхности и ее взаимодействия с битумами и ПАВ рассмотрены в работах Е.Д. Яхнина и других исследователей.

     Формирование  микроструктуры асфальтобетонных смесей и ее разрушение под воздействием эксплуатационных факторов могут быть описаны и количественно оценены с позиций теории структурообразо-вания высококонцентрированных дисперсных систем. Академик П.А Ребиндер отмечал, что особенность таких и подобных им разнообразных дисперсных материалов состоит в том, что для них характерно высокое значение поверхности раздела твердой фазы и структурированного органического вяжущего - битума.

По мнению профессора К.Б. Урьева объемные свойства битумоминеральных материалов существенным образом зависят от поверхностных явлений на межфазных границах.

Асфальтобетонные  смеси и асфальтобетон в различных  технологических и эксплуатационных ситуациях можно рассматривать как высококонцентрированные дисперсные системы, свойства которых во многом зависят от физико-химических процессов, происходящих при формировании материала и дальнейшем воздействии разнообразных эксплуатационных факторов Оценку этих процессов нельзя производить без учета основных законов физико-химической механики и специфики контактных взаимодействий. При этом нельзя не учитывать закономерностей, установленных исследователями школы академика П.А. Ребиндера.

     Каждая  составляющая асфальтобетона вносит определенный вклад в формирование его структурно-механических и строительно-технических свойств. Известно, что адсорбционно-сольватный тонкий слой (АСС) битума образуется на поверхности минеральных зерен в результате межмолекулярного взаимодействия. Свойства этого поверхностного (пограничного) слоя битума отличаются от свойств «свободного» объемного битума.

     Профессор В.А. Золотарев предложил уравнение  прочности асфальтобетона с учетом роли его структурообразующих компонентов, из которого следует, что прочность  асфальтового бетона не может быть больше прочности асфальтовяжущего оптимальной структуры. По его мнению, именно свойства асфальтовяжущего вещества (ABB) вносят наибольший +вклад в формирование физико-механических свойств асфальтобетона.

По мнению В.А. Золотарева, до критической концентрации порошка соответствующей началу контакта по адсорбционно-сольватным слоям (АСС), наблюдается слабое изменение всех свойств. С момента Достижения критической концентрации, когда вступают в контакт АСС вяжущего, темп изменения свойств резко ускоряется. Это подтверждается кривой структурообразования и количественной взаимосвязью свойств асфальтобетона со свойствами АСС, важнейшими из которых являются его толщина δ_acc и прочность R_acc Это подтверждается полученной им обобщенной зависимостью прочности асфальтовяжущего от содержания известняка и битума. Установлены экспоненциальные зависимости, связывающие толщину и прочность АСС с условной вязкостью битумов. Свойства последнего в наиболее значительной степени определяют механические и физические свойства асфальтобетона. Управление свойствами асфальтобетона может происходить через регулирование свойств контактной зоны.

     При малом заполнении минеральные частицы  высокодисперсного наполнителя  взаимодействуют по прослойкам малоструктурированного битума с изменением вязкости по уравнениям Эйнштейна и Бэтчелора .

     При большом содержании наполнителя частицы с образовавшимися на них структурными оболочками с высокоструктурированным битумом взаимодействуют друг с другом по микроконтактам диаметром d_i. При этом образуется новая коагуляционная структура с участием в качестве центров структурообразования зерен активного наполнителя. Это взаимодействие ослабевает с увеличением температуры.

     На  технологической стадии при приготовлении  и уплотнении асфальтобетонных смесей пластификация, необходимая для однородного перемешивания компонентов, достигается нагревом смеси и изменением содержания каркасных зерен грубодисперсных компонентов. В процессе уплотнения смеси происходит увеличение степени наполнения.

Е.Д. Яхнин  исследовал процессы структурообразования и формирования адсорбционных слоев поверхностного модификатора. Экспериментально определялась адсорбция поверхностно-активных веществ, удельный объем и предельное напряжение сдвига. Автором дано объяснение механизма заполнения поверхности минеральных частиц с учетом мозаичного строения адсорбционного слоя. Произведена оценка вероятности встречи и сцепления частиц по различным микроучасткам их поверхности, определяющим долю прочных лиофобных связей в единице объема структурированной системы и механические свойства микроструктуры.

     В другой работе Е Д. Яхнин предложил схему приближения оценки прочности дисперсной системы с учетом реального распределения сил взаимодействия между ее элементами. Для некоторых типов коа-гуляционных и конденсационных структур можно приближенно считать равномерным и постоянным одноосное распределение нагрузки по контактам общим числом п Тогда:

P_m=nP_i,

_где р_т _ предельное напряжение сдвига; Р, - прочность единичного контакта (величина непостоянная, которая может изменяться в пределах 3-5 порядков за счет крайней физико-химической неоднородности твердых поверхностей реальных материалов), п

- число контактов.

На единичный  контакт внешняя нагрузка F даст усилие F_c

F_c = F/n 

Так как  прочность различных контактов  различна, то часть контактов числом Я может не выдержать нагрузки и разрушиться, тогда на-

фузка распределится на оставшиеся контакты числом (n - k)

F_c(k) = F_c/(n - k) 

     Предельное  напряжение сдвига может быть количественно  оценено различными экспериментальными методами.

Е.Д.Яхнин  и А.Б. Таубман оценили микромозаичное строение поверхности адсорбированно-модифицированных слоев частиц дисперсной фазы и ее роль в структурообраэовании. Ими вскрыты причины "микронеоднородности" и избирательной адсорбции ПАВ Это:

- энергетическая  неоднородность,

- разная  адсорбционная активность граней кристаллов;

- сколы  разного направления аморфных  тел, имеющих различную активность.

     П.А.Ребиндер, Н.Б.Урьев и Е.Д. Щукин описали  основные стадии образования и разрушения коагуляционных структур и раскрыли их роль в оптимизации технологических процессов в структурированных дисперсных системах. Установлено, что основы будущей структуры закладываются при перемешивании в процессе взаимного распределения образующих ее компонентов. Отмечено, что с возникновением смачиваемых менисков, образованием грубодисперсной структуры рыхлых агрегатов из нее, одновременно происходят процессы разрушения менисков. Под действием капиллярного давления идет непрерывная миграция жидкой фазы (дисперсионной среды) в направлении к наиболее узким зазорам между частицами Этот процесс продолжается, когда разрушение рыхлых агрегатов уже закончено и в них образовались более мелкие плотные агрегаты в виде гранул (дисперсная фаза). Внутри гранул зафиксирована та степень макро- и микронеоднородности структуры и распределение различных твердых фаз, которая соответствовала состоянию системы в конце предыдущей стадии.

     Все авторы приходят к выводу, что выбор  оптимальных параметров технологических процессов переработки структурированных дисперсных систем и получения дисперсных материалов должен осуществляться в соответствии с основными стадиями коагуляционного структурообразования. Режимы технологических операций - интенсивность и продолжительность перемешивания, уплотнения и формования должны отвечать предельному разрушению структуры на каждой стадии структурообразования.

      Для получения прочных асфальтовых  материалов , устойчивых против воздействия  нагрузок, температуры, воды, попеременного  замораживания-оттаивания, химических реагентов  и других факторов, следует при выборе минеральных составляющих учитывать активность поверхности и пористость минерального порошка, песка, щебня. Для достижения одинаковых результатов при прочих равных условиях при повышенной активности поверхности зерен щебня и песка может применяться минеральный порошок более грубого помола или из менее активных минералов. При использовании гранитных щебня и высевок, кварцевого песка (т.е. кислых материалов), минеральный порошок должен иметь основную природу, соответствующее качество  и более тонкий помол.

      Рассмотренные структурно-механические характеристики асфальтобетонных смесей и асфальтобетона создают предпосылки для разработки расчетно-экспериментальной методики их оценки. Оценка показателей структуры материала на разных этапах его получения и эксплуатации может позволить получить физически обоснованные количественные критерии  качества исследуемого композиционного материала, направленно регулировать технологические параметры смесей, а также более надежно прогнозировать поведение материала при реальных эксплуатационных воздействиях.

Выводы 
 

  При различных температурах и эксплуатационных воздействиях, работоспособность асфальтобетона может описываться различным» показателями его свойств. Из этого следует, что данный материал должен обладать определенным комплексом свойств, который, в свою очередь, определяется условиями эксплуатации дорожного покрытия.

    Для обеспечения необходимой работоспособности, асфальтобетона количественные значения его свойств должны находиться в некоторой области, при выходе за пределы которой может наступить отказ (существенное ухудшение свойств). При этом долговечность может характеризоваться кинетикой изменения свойств асфальтобетона под воздействием эксплуатационных факторов.

  Таким образом, при оценке долговечности, асфальтобетона необходимо выбирать такие показатели и условия, которые характеризует напряженное состояние дорожного покрытия при наиболее характерных возможных причинах его разрушения. При этом целесообразно выделить в самостоятельную группу все основные показатели, которые характеризуют напряженное состояние асфальтобетона в определенный температурно-влажностный период, К таким основным показателям могут быть обнесены:

• предел прочности на растяжение при изгибе при +10  С и, модуль упругости при +10 °С;
• коэффициент трещиностойкости, представляющий собой соотношение прочностных и деформативных свойств материала;
• показатель износостойкости, характеризующий сопротивляемость асфальтобетона износу.

    Следует отметить, что перечисленные показатели имеют тенденцию к уменьшению своих значений после воздействия на асфальтобетон факторов, моделирующих условия эксплуатации этого матери-ада в слое дорожного покрытия - поэтому данные показатели свойств асфальтобетона должны определяться. После проведения дополнительных испытаний в климатологической камере в условиях искусственного старения асфальтобетона.

     Необходимо  отметить, что при проектировании составов асфальтобетонных смесей, свойства которых отвечают условиям их работы в конструктивных слоях дорожной одежды, необходимо учитывать, что:

     - воздействие химически агрессивной  среды вызывает необратимые изменения  в структуре асфальтобетона. Уменьшается  среднее количество элементарных  контактов в единице объема  и средняя прочность единичного  контакта;

     - при агрессивном воздействии противогололедных реагентов снижаются структурно-механические свойства асфальтобетона, увеличивается пористость, снижается прочность, наблюдается шелушение и выкрашивание поверхности асфальтобетона;

     - наиболее агрессивной по отношению  к асфальтобетону с химической точки зрения является нитратная среда;

     - деструктивные процессы в поверхностном  слое материала протекают динамичнее, чем во всем объеме материала.

     Одной из главных причин ускоренного старения битума в асфальтобетонных покрытиях является несовершенство существующей высокотемпературной технологии подготовки битума на отечественных асфальтобетонных заводах. В процессе хранения, обезвоживания, нагрева происходит интенсивное старение битума и снижение его качественных показателей. Учитывая цепной характер процессов окисления, протекающих в битуме, интенсивность старения не снижается и после введения органического вяжущего в асфальтобетонную смесь. Поэтому реализация на асфальтобетонных заводах конструктивных и технологических решений по внедрению низкотемпературной технологии подготовки битума позволит замедлить старение асфальтобетонных покрытий и повысить их усталостную долговечность.