6. Структурные особенности дорожного асфальтобетона и их взаимосвязь с эксплуатации свойствами автомобильных дорог

С ростом интенсивности движения на автомобильных дорогах возникает необходимость применения более эффективных материалов, позволяющих обеспечивать безопасность движения и существенно увеличивать срок службы дорожных покрытий. Асфальтобетонное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к воздействию суточных и сезонных температурных циклов.

Основным недостатком асфальтобетона является большая зависимость его прочностных и деформативных характеристик от температуры. Понижение вязкости битума при повышенных температурах приводит к снижению прочности и деформативности, способствуя появлению сдвиговых волн, наплывов, колеи. Большой вклад в изучение этих процессов внесли А.В.Руденский, А.П.Васильев Ю.М.Яковлев, В.Д. Казарновский и многие другие исследователи.

Наиболее часто необратимые пластические деформации наблюдаются в местах фиксированных остановок транспортных средств, т. е. перекрестках, остановках троллейбусов и автобусов, а также на транзитных участках дорог в связи с торможением, троганием с места и изменением скорости движения.

Деформации, возникающие от сдвиговых напряжений естественно, повышаются с увеличением массы большегрузных автомобилей, их скорости и площади контакта с колесом автомобиля.

Асфальтобетон представляет один из наиболее сложных строительных материалов, свойства которого обусловлены особенностями его структуры, а также большой зависимостью от многообразных факторов, главным образом, от качества минерального материала и битума. Асфальтобетон рассматривается как макроколлоидная система, состоящая из трех фаз: твердой – минерального материала, жидкой – битума и газовой – свободного пространства. Минеральный материал обеспечивает упругие и прочностные свойства асфальтобетона, битум определяет его вязкоупругие свойства, объемная доля его свободного пространства свидетельствует о структуре, определяя прочность минерального скелета. Силы когезии вяжущего и внутреннего трения должны обеспечивать внутреннее сцепление зерен и противодействовать силам сдвига, возникающим во время движения, которые вызывают горизонтальное перемещение битума и минеральных зерен в слое.

Структура асфальтового бетона рассматривается как совокупность преобразованных структур битума и минерального остова. Преобразование структур исходных материалов происходит вследствие физико-химических процессов, происходящих между минеральными зернами и битумом. Причем в этих процессах участвует не только поверхность минеральных зерен, но и некоторый объем каждого зерна.

Наибольшие преобразования при объединении минеральных материалов с вяжущим, происходят в структуре битума, под которой понимают концентрацию асфальтенов, смол и масел, характер и взаиморасположение битумных агрегатов из комплексов асфальтенов и смол в маслах, что зависит от их расположения в слое битума, обволакивающего минеральные зерна. Чем ближе к твердой поверхности частицы находится вяжущее, тем более структурированным становится битум. Поэтому различают пленочный высокоструктурированный битум и свободный битум. Степень структурирования пленочного битума зависит от характера и свойств поверхности минеральных частиц, от химико-минералогичекого состава этой поверхности. Свободный битум, в основном, заполняет межзерновое пространство между частицами минерального остова. Установлено, что минеральные частицы на значительную глубину поглощают некоторые компоненты битума, например, масла. Л.Б. Гезенцвей, считая вопрос соотношения объемов адсорбированного и свободного битума центральной проблемой технологии получения асфальтобетона, подчеркивает, что именно битумные пленки регулируют внутренние связи в асфальтобетоне и сообщают ему различные свойства.

Особое значение в развитии исследований структуры асфальтобетона имело создание такой области науки как физико-химическая динамика дисперсных систем и материалов с разработкой основ получения материалов с заданной структурой и свойствами. Принципы физико-химической основы регулирования процессов структурообразования в дисперсных системах и формирования структуры дисперсных материалов, а также интенсификации этих процессов заложены в работах П.А. Ребиндера и его школы. Отмечается, что все эти процессы начинаются с момента возникновения поверхности раздела между различными фазами уже на самых начальных стадиях получения композиционных материалов, типичным представителем которых является асфальтобетон. Отличительная особенность этих материалов состоит в том, что все образующие компоненты характеризуются чрезвычайно высокой степенью различий в физико-химических, физических свойствах, механических характеристиках, дисперсности. Отсюда следует, естественно, что объединение различных образующих структуру компонентов (битум, минеральный порошок, песок, щебень или гравий, модифицирующие добавки) для получения асфальтобетона неизбежно будет сопровождаться в ходе формирования его двумя типами альтернативных процессов: первый из них можно условно назвать процессом синтеза, второй – процессом синтеза дефектов и неоднородности структуры. Оба процесса тесно взаимосвязаны друг с другом и существенным образом влияют на конечные свойства композиционных материалов и асфальтобетона, в частности. После их завершения естественно, основным моментом должно явиться сочетание факторов регулирования процессов формирования структуры по форме (виду) и интенсивности воздействий на структуру, предусматривающих максимально возможное увеличение прочности, однородности и других характеристик материала при снижении до минимума сопутствующих деструктивных процессов. Отметим, что применительно к композиционным материалам типа асфальтобетона речь идет не о чрезмерном увеличении прочности, что само по себе может вести к негативным последствиям, например, увеличению хрупкости и снижению деформативности, а к оптимальному ее уровню при снижении деформативности материала до минимума.

Существует единое мнение, что для асфальтобетона характерно преобладание коагуляционных структур. Сцепление структурных элементов (частиц твердой фазы) в этих системах осуществляется через равновесные по толщине, тонкие прослойки пластичного вяжущего, чем и обусловливается термопластичность асфальтобетона. В связи с этим структура асфальтобетона оказывает существенное влияние на поведение асфальтобетона при положительных температурах. Наличие подвижных коагуляционных контактов между зернами щебня в обычных условиях предопределяет его неустойчивость к образованию колеи, за счет проявления ползучести и способности к пластическим деформациям. Характерной особенностью коагуляционных структур асфальтобетона является проявление при различных условиях деформирования упруговязкопластичных свойств.

Устойчивость асфальтобетона к образованию трещин в зимнее время в основном определяется свойствами битума при этих температурах, степенью структурирования битума минеральными материалами, а также однородностью асфальтобетона.

Механизм образования трещин в зимнее время рассмотрен в многочисленных работах, в которых отмечается, что причинами образования трещин в этот период являются, главным образом, резкие понижения температуры при недостаточной пластичности асфальтобетона при отрицательных температурах. Вопросами изучения деформативной способности асфальтобетона при отрицательных температурах занимались многие исследователи: А.М. Богуславский, Н.В. Горелышев, Г.Н. Сюньи, В.А.Золотарев, А.В. Руденский, J. Judycki и др. Ими показано, что, как правило, при отрицательных температурах менее вязким битумам свойственна повышенная деформативная устойчивость асфальтобетона. Однако, это условие противоположно требованиям, предъявляемым к битуму для получения асфальтобетона с повышенной деформативной устойчивостью при высоких летних температурах. Отсюда следует, что такие реологические свойства битума как вязкость, упругость, деформативность и др. должны удовлетворять двум прямо противоположным требованиям. Поэтому одной из самых важных задач создания долговечности покрытий является повышение качества асфальтобетона путем повышения его термостабильности.

Одним из основных требований, которым должен удовлетворять при положительных температурах асфальтобетон в дорожных покрытиях, является его температурная устойчивость – сдвигоустойчивость.

Сдвигоустойчивость битумоминерального материала зависит от его вязкопластичных свойств, которые принято характеризовать различными структурно реологическими показателями.

Исследованиями Н.Н. Иванова и других ученых показано, что сопротивление сдвигу битумоминеральных материалов может быть выражено зависимостью

R = P*tg φ + C + ∑,

где Р - давление на площади сдвига; φ - угол внутреннего трения в материале; С – взаимное сцепление крупных зерен при сдвиге; ∑ - сцепление, обусловленное битумными связями.

В приведенной зависимости первые два слагаемых P*tgφ + C показывают сопротивление сдвигу, обусловленное структурой минеральной части асфальтобетона (каркасная, бескаркасная и т.д.). Последнее слагаемое выражает роль битума в обеспечении устойчивости асфальтобетона к образованию пластических деформаций. Таким образом, сдвигоустойчивость асфальтобетона неразрывно связана с изменениями в пределах сил адгезии и когезии, к которым относятся неравномерные перемещения происходящими в битумных пленках из молекул и их агрегатов разных размеров и разной структуры, под воздействием температуры и сдвигового давления. Благодаря неоднородности внутренней структуры битумных пленок напряжения от внешних сил воспринимаются структурными элементами вяжущего неодинаково. Отсюда неодинаковые перемещения молекул и их агрегатов в дисперсионной среде. В то время как одни структурные элементы находятся в неподвижном состоянии, другие перемещаются на некоторую величину, а третьи находятся в процессе перемещения. При этом эти микродвижения не выходят из сферы действия межмолекулярных и поверхностных сил. Чем тоньше пленка, тем сильнее сказывается действие поверхностных сил и уменьшается возможность внутриструктурных перемещений в битуме, что характеризуется увеличением вязкости битума с уменьшением толщины пленки, то есть, чем тоньше пленки битума, тем выше его вязкость. На увеличение вязкости битума влияет также увеличение его модуля упругости.

Современные представления в области композиционного материаловедения позволили М. Иванськи и Н.Б. Урьеву в обобщенном виде сформулировать основные принципы оптимизации технологии их получения и снижения до минимума роли перечисленных выше видов понижения свойств асфальтобетонов. Авторы считают, что одним из важнейших условий получения дисперсных композиционных материалов, высоконаполненных высокодисперсной фазой является переход в область высоких концентраций и высоких дисперсностей твердых фаз, участвующих в формировании структуры композитов. Для реализации этого принципа необходимо выполнение обязательного условия: регулирование структурно-реологических свойств на начальных стадиях структурообразования и достижение на этих стадиях наименьшего уровня эффективности вязкости системы.

Следует также отметить, что одной из важных задач создания долговечности покрытий является повышение качества асфальтобетона путем повышения его термостабильности.

Для повышения качества асфальтобетонных покрытий, повышения термостабильности, деформационной способности и трещиностойкости асфальтобетона в зависимости от его структурных особенностей в последнее время выделяются следующие направления:

- применение активированных минеральных материалов;

- обеспечение каркасной структуры;

- применение полимерных добавок;

- модифицирование свойств битума и асфальтобетона минеральными добавками.