1576

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО РЕСАЙКЛИНГА

2.1. Особенности структурообразования в конгломерате, образующемся при холодной регенерации асфальтобетона

сиспользованием медленнотвердеющих минеральных вяжущих

иразжиженного битума

Для теоретического обоснования эффективности технологии восстановления асфальтобетонных покрытий методом холодной регенерации (ХР) с использованием комплексного вяжущего на основе медленнотвердеющего минерального вяжущего (МТМВ) и разжиженного битума использованы научные положения, сформулированные в фундаментальных работах Ю.М. Бутта, М.М. Сычева, В.В. Тимашева, П.А. Ребиндера, В.М. Безрука, А.В. Полака, В.В. Ратинова и др. [9, 17, 18], посвящённые материалам, укреплённым минеральными вяжущими, а также современные представления о механизме структурообразования материалов с органическими и комплексными вяжущими веществами: Г.С. Бахраха, В.М. Безрука, А.А. Фридман, Л.Н. Ястребовой, Т.М. Луканиной, Н.Б. Урьева, Б.А. Асматулаева и др. [1–3, 18–20].

В публикациях Г.С. Бахраха и Б.А. Асматулаева отражены результаты изучения свойств регенерированных материалов с использованием различных видов вяжущих веществ.

При фрезеровании пакета битумоминеральных слоев в асфальтогранулят (АГ) попадают материалы разных составов, с различной степенью старения битума. АГ содержит зерна крупностью до 40 мм, количество зерен мельче 0,14 мм обычно очень низкое. АГ может содержать в том или ином соотношении щебенки, окруженные растворной частью (песок + асфальтовое вяжущее вещество), растворные гранулы, гранулы из асфальтовяжущего вещества и отдельные минеральные зерна, покрытые полностью, частично или не покрытые битумом.

Изучение гранулометрии показало, что АГ различного происхождения в основном соответствует требованиям ГОСТ 9128-97 к зерновым составам смесей для пористых и высокопористых асфальтобетонов, применяемых в нижних слоях покрытий и слоях оснований.

Асфальтогранулобетон можно рассматривать как композиционный материал, в котором наполнитель (грубодисперсная фаза) представлен полизернистыми частицами АГ, а дисперсная среда (матрица) – вяжущим веществом (минеральным, органическим или комплексным) [20]. Существенная особенность таких материалов – зависимость их свойств от струк-

58

туры, определяемой количеством и качеством зерен АГ, их взаимным расположением и характером связей между ними.

Для композиционных высоконаполненных дисперсных материалов характерна сильно развитая межфазовая поверхность и высокая концентрация дисперсной фазы в жидкой дисперсной среде. Последняя приводит к формированию пространственной структуры, свойства которой в значительной степени определяются поверхностными явлениями на межфазовых границах. Тип такой структуры определяется видом контактов между частицами дисперсных фаз (рис. 2.1).

Первый тип контактов – точечный (атомный). Образуется непосредственными точечными «сухими» обратимыми по прочности контактами между частицами. В АГБ они возможны при неполном обволакивании вяжущим минеральных заполнителей или дробленых зерен АГ, дополнительно введенных в смесь.

Второй тип контактов – коагуляционный. Образуется между частицами твердой фазы, разделенными равновесными прослойками жидкой дисперсионной среды. Прочность такого контакта невелика, т.к. она определяется молекулярными силами сцепления. Этот тип контакта обратим по прочности. Такая структура характерна для цементного теста, битума, а также композиционных материалов на основе битумов (АГБ, асфальтобетон, укрепленные грунты).

Рис. 2.1. Основные типы контактов между частицами твердых дисперсных фаз

вконцентрированных дисперсных системах (по П.А. Ребиндеру и Н.Б. Урьеву):

а– атомный контакт; б – коагуляционный контакт; в – фазовый контакт

Третий тип контактов – прочный фазовый. Характерен для конденсационных и конденсационно-кристаллизационных структур. Образуется в результате химических фазовых превращений при гидратационном твердении минеральных вяжущих и завершении полимеризации жидкого связующего в наполненных полимерах или же в результате охлаждения рас-

59

плавов. Контакт разрушается необратимо, т.е. не восстанавливается после разрушения. В АГБ фазовые контакты возможны при использовании цемента в качестве вяжущего материала. Такие структуры характерны также для цементобетона, цементогрунта и др.

В результате исследований созданы материалы, главной особенностью которых является оптимальное сочетание двух и более типов пространственных структур, их тесное переплетение и взаимопроникание [11, 19–21].

Композиционный материал, в частности АГБ, применяемый для устройства конструктивных слоев дорожной одежды, должен обладать достаточно высокой прочностью, водо- и морозостойкостью, устойчивостью против образования трещин и пластических деформаций, то есть высокой деформативной способностью. Такой материал может быть получен на основе комплексного вяжущего, состоящего из медленнотвердеющего минерального вяжущего (МТМВ) и органического вяжущего. Довольно высокие прочностные и деформативные свойства материала из МТМВ объясняются образованием при медленном твердении гелевидных гидросиликатов кальция. Органическое вяжущее повышает водо- и морозостойкость; залечивает микротрещины, возникающие в минеральном камне.

Кмедленнотвердеющим минеральным вяжущим относятся доменные

ифосфорные гранулированные шлаки, белитосодержащие шламы (бокситовые и нефелиновые), малоактивные золы теплоэлектростанций. Эти вяжущие по химическому составу характеризуются преобладанием окислов SiО2 и CaO, суммарное содержание которых достигает 80 %, а по минералогическому – преобладанием новообразований псевдоволластонитового состава. Псевдоволластонит (α CaOSiO2) при обычных условиях не взаимодействует с водой и не обладает вяжущими свойствами. Однако в присутствии щелочных или сульфатных активизаторов нарушается термодинамически неустойчивое равновесие волластонитового стекла, способствующее гидратизации этого минерала и образованию гидросиликатов, гидроалюмосиликатов и гидроалюминатов кальция [9]. Свойства низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I), являющихся основным структурообразующим компонентом минерального камня, будут обусловливать свойства МТМВ и технологические режимы их применения.

При объединении асфальтогранулята с компонентами комплексного вяжущего протекают сложные физико-химические процессы, результатом которых является образование в асфальтогранулобетоне дисперсной структуры смешанного типа. Особенности такой структуры обусловлены кинетикой гидратации и твердения МТМВ, а также взаимодействием органического вяжущего с асфальтогранулятом и продуктами гидратации МТМВ.

60

В отличие от портландцемента, при гидратации медленнотвердеющих минеральных вяжущих на основе гранулированных шлаков, малоактивных зол-уноса теплоэлектростанций и белитосодержащих шламов в основном образуются гелевидные гидросиликаты кальция, а наличие остальных кристаллогидратов незначительно. Таким образом, структура медленнотвердеющих минеральных вяжущих формируется за счет уплотнения гелевидных гидросиликатов кальция, имеющих в своем объёме некоторое количество кристаллогидратов. Структура цементного камня упрочняется за счёт объединения кристаллогидратов посредством геля гидросиликата кальция.

Из работ С.А. Миронова, А.В. Лагойда известно, что при нормальной температуре гидросиликаты кальция формируются в виде пластинчатых субмикрокристаллов, средняя длина которых близка к 1 мкм, а ширина и толщина составляют соответственно (3,6...5,6)·10-2 и (2...З)·10-3мкм. Малые размеры частиц гидросиликатов, а также их способность адсорбировать на своей поверхности воду придают гидросиликатам свойства коллоидов. Частицы гидросиликатов имеют вид волокон, образующих сетку и содержащих значительное количество воды, которое они адсорбируют даже при низкой влажности (рис. 2.2).

Таким гидросиликатам кальция свойственны связи, отличные от жестких кристаллизационных связей. В работе [17] отмечается, что значительная роль в формировании структуры твердения отводится адсорбированной воде: вода, адсорбированная или «структурированная» поверхностью гидросиликатных волокон, может играть роль связки между ними. При этом сила связи достаточна для обеспечения прочности структуры твердения.

Рис. 2.2. Модель структуры гидросиликата кальция CSH (I) по Р.Ф. Фельдману и П.Г. Середе: 1 – слои гидросиликата; 2 – межслоевая вода; 3 – адсорбированная вода

В такой структуре, образованной аморфными продуктами, кристаллическая составляющая практически отсутствует, поэтому жесткого срастания кристаллогидратов не происходит. Роль скелета, воспринимающего усилия при сжимающей нагрузке, играют гелевидные гидросиликаты кальция, соединение которых происходит через тонкие пленки воды. Не-

61

сомненно, что жесткость связей, образованных водными пленками, будет ниже жесткости кристаллизационных контактов через срастание.

Из классических работ Ю.М. Бутта, П.А. Ребиндера, М.М. Сычева, Н. Лафюма и других исследователей известно, что гидросиликаты обеспечивают получение материалов высокой прочности. При твердении в основном образуются тоберморитоподобные гидросиликаты с очень развитой удельной поверхностью, обладающие сильными связующими свойствами. Слабозакристаллизованная масса выполняет в минеральном камне функции связующего вещества, цементирующего негидратированные ядра клинкера и крупные кристаллогидраты. Указанные гидросиликаты обеспечивают получение материалов с достаточной конечной прочностью. Гелевидные гидросиликаты кальция после полного их уплотнения по прочностным показателям не уступают кристаллогидратным новообразованиям; по деформативным же свойствам даже превосходят их, так как имеют, в отличие от кристаллогидратов, волокнистую структуру. Повышенная дисперсность таких новообразований приводит к уменьшению дефектов и увеличению контактных связей между ними (через пленки химически и адсорбционно-связанной воды), что обусловливает получение наряду с высокой прочностью повышенной деформативности этих новообразований.

Рассмотрим особенности формирования структуры в случае использования комплексного вяжущего. В АГБ на комплексном вяжущем коагуляционные связи между частицами (АГ, продуктами гидратации минерального вяжущего) будут осуществляться через тонкие пленки битума. Исследованиями П.А. Ребиндера, В.В. Михайлова, А.С. Колбановской, И.В. Королева [11, 12] показано, что прочность коагуляционных связей в материале зависит от свойств битума, толщины его слоев, которыми связаны минеральные частицы, и от особенностей взаимодействия минеральных материалов с битумом. Под взаимодействием минеральных материалов с битумом понимается весь комплекс процессов, происходящих при длительном контакте этих материалов. К ним относятся: физические процессы на границе раздела битум – минеральный материал, хемосорбционные процессы, фильтрация битума внутрь минеральных зерен.

При объединении минеральных материалов с битумом, наряду с сорбционными процессами, происходит фильтрация компонентов битума внутрь минеральных зерен. Наличие микропор на поверхности зерен приводит к избирательной диффузии компонентов битума. Масла диффундируют более интенсивно, чем смолы и асфальтены; в результате содержание последних в пленках битума увеличивается, а когезия и вязкость повышаются.

Васфальтогранулобетонных смесях, перемешиваемых и уплотняемых

вхолодном состоянии, целесообразно применение битумов, разжиженных сравнительно легкими углеводородными разжижителями (керосином, лиг-

62

роином), которые обеспечивают относительно высокую скорость загустевания вяжущего.

Особенность взаимодействия битума с поверхностью гранул и зерен асфальтогранулята заключается в том, что часть гранул уже покрыта битумом. Зерна минерального материала, не покрытые битумом, обладают преимущественно отрицательным зарядом поверхности. Следовательно, при обработке таких зерен разжиженным битумом будут происходить процессы физической адсорбции. Однако необходимо отметить, что при гидратации β-C2S образуется гидрат окиси кальция, который насыщает поверхность оголенных зерен асфальтогранулята катионами кальция Са+2, а это способствует повышению адгезии битума к поверхности минерального материала.

Благодаря низкой вязкости при рабочей температуре (90–110 оC), разжиженный битум обволакивает тонкой пленкой гранулы и зерна, а также частично пластифицирует старый битум в асфальтогрануляте за счет диффузии легких углеводородов в пленки старого битума. В результате размягчается внешняя оболочка старой битумной пленки, снижается ее вязкость и уменьшается вероятность самослипания зерен, покрытых разжиженным битумом. Такая асфальтогранулобетонная смесь способна длительное время после перемешивания оставаться в рыхлом состоянии. Эта способность смеси объясняется наличием тонкой битумной пленки на зернах асфальтогранулята, вследствие чего микроструктурные коагуляционные связи в смеси настолько слабы, что небольшое усилие приводит к их разрушению. Длительность сохранения коагуляционной структуры медленнотвердеющего вяжущего, а также низкая начальная прочность коагуляционных битумных связей позволят увеличить время на укладку смеси до уплотнения, увеличить длину технологической захватки и улучшить качество уплотнения смеси.

При объединении асфальтогранулята с разжиженным битумом наряду с адсорбционными процессами будет наблюдаться капиллярная фильтрация масляных компонентов разжиженного битума внутрь дробленых зерен асфальтогранулята. В результате вязкость и когезия битумной пленки несколько повышается, а прочность коагуляционной связи возрастает.

При уплотнении смеси происходят, прежде всего, физические процессы в пленке битума, приводящие к ее выжиманию из зон повышенного напряжения. Свободный битум заполняет межзерновое пространство, а на зернах остается пленка структурированного битума. При этом коагуляционные связи упрочняются, а прочность всей системы возрастает.

Таким образом, можно полагать, что разжиженный битум, используемый в качестве компонента комплексного вяжущего, образует на зернах асфальтоганулята тонкие пленки структурированного битума, которые обладают повышенной прочностью. Часть разжижителя, введенного в битум,

63

будет расходоваться на диффузионные процессы – пластификацию старого битума и фильтрацию в поры минеральных зерен. Эти процессы приведут к повышению скорости загустевания разжиженного битума, ускорению процессов формирования коагуляционной структуры асфальтогранулобетона и повышению прочности коагуляционных битумных связей.

При выполнении холодной регенерации возможен различный порядок введения компонентов комплексного вяжущего в смесь. Рассмотрим процессы, происходящие при одновременной подаче вяжущих в обрабатываемый асфальтогранулят. Минеральное вяжущее дозируется в виде суспензии. Малая вязкость битума, разжиженного до марки СГ 40/70, при рабочей температуре 90–110 °C позволяет вводить его в неэмульгированном виде.

В начале смешения асфальтогранулята с суспензией минерального вяжущего и разжиженным битумом суспензия равномерно распределяется между зернами асфальтогранулята, а битум в виде капелек находится в суспензии вяжущего. При дальнейшем интенсивном перемешивании часть битумных капелек осаждается в первую очередь на пленки старого битума, покрывающего зерна асфальтогранулята и, вытесняя водную пленку, слипается с ними. Вначале битум обволакивает мелкие зерна, обладающие большей адсорбционной способностью, а затем крупные зерна асфальтогранулята. Другая часть битума распределяется в минеральном вяжущем в виде пленок или остается в виде капелек. Вода с растворенными в ней продуктами гидратации адсорбируется на поверхности минеральных зерен, не покрытых битумом. На таких поверхностях будут возникать гидратные новообразования, образуя прочные связи между минеральным камнем и зернами асфальтогранулята. Разжижитель также может частично пластифицировать старый битум за счет диффузии легких углеводородных фракций в пленки этого битума. Этот процесс будет зависеть от свойств разжиженного битума и будет ускоряться при уплотнении смеси, движении транспортных средств и повышения температуры в летний период [3].

Битум в структуре АГБ может находиться в виде пленок на поверхности гранул (зерен) АГ, в виде изогнутых перегородок, в порах и углублениях между продуктами гидратации или же в виде отдельных включений, частично заполняющих поры или пространство между зернами АГ и продуктами гидратации минерального вяжущего.

Исследованиями [20] установлено частичное взаимодействие между активными компонентами битума и продуктами гидролиза и гидратации минерального вяжущего. В зоне контакта образуется особое органоминеральное вяжущее, отличающееся своей структурой от пленки битума. Битумная пленка пронизана на глубину от 2 до 7 мкм светлыми нитевидными образованиями. Наличие упрочненной связи пленок битума с продуктами гидратации вяжущего положительно отразится на водо- и морозостойкости

64

асфальтогранулобетона. Поверхность зерен асфальтогранулята, покрытых битумом, изолирована от взаимодействия с минеральным вяжущим. Можно полагать, что нитевидные кристаллы новообразований проникают в пленки старого битума, окружающего зерна асфальтогранулята [3]. Возможно проникновение битума в прослойку адсорбированной и связанной воды между волокнами гидросиликата кальция CSH (I), что приведет их к упрочнению структуры и повышению упругих свойств материала.

Схематическое изображение асфальтового гранулята и асфальтогранулобетона типа К представлено на рис. 2.3 и 2.4.

Положительная роль битума в структуре асфальтогранулобетона состоит также в модификации поровой структуры за счет гидрофобизации стенок поровых каналов и капилляров, уменьшения размеров сквозных пор. Кроме того, битум способен залечивать усталостные микротрещины и дефекты в структуре минерального камня.

Указанная отличительная способность образующихся прочных кон- денсационно-кристаллизационных связей при твердении минерального вяжущего, а также наличие гибких коагуляционных битумных связей между зернами асфальтогранулята и прослоек битума среди продуктов гидратации минерального вяжущего являются основными факторами, которые определяют повышенные деформативные свойства, высокую прочность, водо- и морозостойкость асфальтогранулобетона на комплексном вяжущем.

4

6

С

7

2

Рис. 2.3. Схема структуры асфальтового гранулята: 1 – растворная гранула; 2 – асфальтовое вяжущее; 3 – воздушная пора; 4 – песчинка; 5 – скол щебенки; 6 – щебеночная гранула; 7 – щебенка

65

Рис. 2.4. Структура АГБ типа К: 1 – гранула; 2 – минеральный камень с включениями капель битума и мелких зерен АГ; 3 – капля битума;

4 – воздушная пора; 5 – пленка битума; 6 – зерно АГ размером мельче 2 мм

Анализ и обобщение вышеизложенного позволяет сформулировать следующие выводы.

1.АГБ – это композиционный материал, в котором наполнителем являются полизернистые частицы АГ, а матрицей – комплексное вяжущее на основе медленнотвердеющего минерального вяжущего и разжиженного битума. В процессе структурообразования в АГБ формируется два типа микроструктуры – коагуляционная и конденсационно-кристаллизационная.

Коагуляционные связи между частицами АГ осуществляются через адсорбционно-сольватные структурированные пленки битума. Конденса- ционно-кристаллизационные связи представлены слабозакристаллизованной массой гелевидных гидросиликатов кальция.

2.Повышенные деформативные и прочностные свойства, водо- и морозостойкость АГБ объясняются образованием при медленном твердении минерального вяжущего гелевидных гидросиликатов кальция волокнистой структуры, наличием гибких битумных связей между зернами АГ и пленок битума в минеральном камне, а также модификацией поровой структуры в материале.

66

2.2. Основные принципы технологии холодной регенерации асфальтобетонных покрытий

Технологические параметры строительства и эксплуатации дорожных одежд из АГБ-смесей должны обеспечивать высокие физико-механические свойства материала, полученного с использованием медленнотвердеющего минерального вяжущего и разжиженного битума. При этом возникает существенное противоречие, которое требует своего разрешения.

Содной стороны, анализ особенностей структурообразования АГБ показал, что свойства получаемого материала в значительной степени зависят от свойств гидросиликата кальция типа CSH (I), являющегося основным структурообразующим звеном в АГБ. Слоистая структура тоберморитоподобных гидросиликатов кальция характеризуется следующим явлением: при нагревании (высушивании) гидросиликаты кальция типа CSH (I) теряют воду, что приводит к сжатию межслоевого пространства. Потеря некоторого количества воды (дегидратация) ведет к понижению прочности материала, однако, выдерживание материала во влажных условиях приводит к адсорбированию влаги гелем (регидратация) и восполнению связующих водных пленок между слоями решетки гидросиликата, с восстановлением прочности материала. Это явление подтверждается исследованиями, представленными в работах [2, 9].

Следовательно, конструктивные слои дорожных одежд, построенные

сиспользованием медленнотвердеющих минеральных вяжущих, необходимо укрывать водонепроницаемым покрытием, исключающим испарение влаги из материала, особенно на ранних стадиях его твердения.

Сдругой стороны, для эффективного структурообразования АГБ с использованием разжиженных битумов предпочтительна повышенная температура и низкая относительная влажность воздуха. В холодных и влажных условиях материалы с разжиженным битумом (независимо от вида применяемого углеводородного разжижителя) формируются крайне медленно.

Длительность технологических процессов по приготовлению, укладке и уплотнению материалов с минеральными вяжущими обычно ограничивается по времени сроком их схватывания, то есть периодом образования и существования тиксотропной коагуляционной структуры вяжущих. В медленнотвердеющих шлаковых, белитовых и зольных вяжущих тиксотропная коагуляционная структура сохраняется в течение более длительного времени по сравнению с портландцементом. Это позволяет облегчить соблюдение требуемых технологических параметров при производстве работ в ранние сроки твердения материала.

Материалы с органическими вяжущими характеризуются тем, что присущая им коагуляционная структура формируется в процессе уплотне-

67