1754

- пленочное вяжущее, представленное адсорбционно-сольватной пленкой с высокой степенью ее структурирования за счет физикохимических процессов на поверхности фазы.

3. Структура асфальтовяжущего является оптимальной, т.е. обладает наилучшим комплексом свойств при концентрации минерального порошка, которая обеспечивает перевод вяжущего в пленочное состояние.

Из предпосылок следуют два исходных уравнения, отражающих баланс объемов структурных компонентов:

где Vмп, Vв, Vо, Vвс, Vвп – объемное содержание соответственно минерального порошка, вяжущего (битума или СБВ), остаточных пор, свободного и пленочного вяжущего, доля единицы объема.

Для удобства последующего анализа введем понятие относительной концентрации минерального порошка в асфальтовяжущем rмп:

где Рмп* – пустотность минерального порошка в асфальтовяжущем оптимальной структуры, доля единицы объема.

В процессе эксперимента предполагалось проверить следующие гипотезы:

1.Оптимальная структура асфальтовяжущего при данных режимах его приготовления и уплотнения формируется при rмп = 1,0. Именно этому значению соответствует створ абсолютного максимума (или минимума) значений показателей свойств асфальтовяжущего (закон створа по И.А. Рыбьеву [71]).

2.Пустотность минерального порошка в уплотненном асфальтовяжущем оптимальной структуры всегда ниже пустотности сухого порошка при том же режиме уплотнения.

3.Остаточная пористость асфальтовяжущего начинает формироваться при сближении зерен порошка до контакта через вяжущее в пленочном состоянии, при объеме вяжущего в свободном состоянии, недостаточном для заполнения межзернового пространства, то есть в момент образования оптимальной структуры асфальтовяжущего.

141

4. Значение В/МП*, соответствующее оптимальной структуре асфальтовяжущего, должно сдвигаться в сторону увеличения по мере роста содержания серы в битуме, что объясняется появлением кристалликов серы в СБВ, которые повышают концентрацию наполнителя в асфальтовяжущем.

В эксперименте были использованы известняковый гидрофобизированный минеральный порошок (табл. 3.1) и вяжущие – битум марки БН 60/90 и СБВ с содержанием серы 15 и 30 мас. % (табл. 3.2).

Таблица 3.1

Свойства минерального порошка

Плотность порошка определена пикнометрическим методом, удельная поверхность – на приборе ПСХ-2. Серобитумное вяжущее получали смешением расплавленного битума с расчетным количеством порошкообразной серы при последующем перемешивании СБВ в течение 30 мин при температуре 135 – 140 ºС. Приготовление смесей

142

из порошка и вяжущих и формовка образцов диаметром и высотой 25,2 мм произведены при температуре 130 – 140 ºС и уплотняющем давлении 40 МПа. Предел прочности при сжатии определяли при 20 ºС и скорости деформирования 3 мм/мин, среднюю плотность определяли гидростатическим взвешиванием образцов асфальтовяжущего. Все измерения и испытания выполнены на трех параллельных образцах. Структурно-механические свойства асфальтовяжущих, приготовленных при разных значениях В/МП, приведены в табл. 3.1.

При обработке результатов эксперимента и их анализе использованы следующие формулы:

где, mав , ав – средняя и истинная плотности асфальтовяжущего при массовом соотношении вяжущего и минерального порошка В/МП, т/м3; ρмп и ρв− плотности соответственно минерального порошка и вяжущего, т/м3; Рмп − пустотность минерального порошка в структуре асфальтовяжущего при текущем значении В/МП, доля единицы объема; Sмп − удельная поверхность минерального порошка, м2/м3 плотного тела; δ − осредненная толщина адсорбционно-сольватной пленки битума на зернах порошка в асфальтовяжущем оптимальной структуры при В/МП*, м; Vв* ,Vмп* − соответственно объем вяжущего и порошка в асфальтовяжущем оптимальной структуры при В/МП*, доля единицы объема.

143

144

Результаты непосредственных измерений и расчетов (табл. 3.3), выполненные по формулам (3.1) − (3.11), позволили отметить следующие закономерности (рис. 3.1, 3.2) [47].

1. Наибольшая прочность и плотность асфальтовяжущего, полученного с использованием битума и СБВ (см. рис. 3.1), располагаются в одном створе, соответствующем оптимальному значению В/МП*.

Рис. 3.1. Прочность, средняя плотность и объемные доли компонентов асфальтовяжущего как функции массового отношения В/МП

на битуме марки БН 60/90

2. Прочность асфальтовяжущего возрастает с увеличением содержания серы. При оптимальном значении В/МП* прочность асфальтовяжущего на битуме БН 60/90 равна 8,71 МПа. Прочности асфальтовяжущих на СБВ при расходе серы 15 и 30 % равны соответственно

9,25 и 11,83 МПа (см. рис. 3.2).

Хорошо диспергируется в битуме до 20 мас. % серы. Большое количество серы проявляет себя как наполнитель. Избыточная сера образует более крупные частицы, которые при охлаждении кристаллизуются. При этом возникают дополнительные кристаллизационные связи, что ведет к увеличению прочности материала.

145

146

3.Оптимальное значение В/МП* сдвигается в сторону увеличе-

ния по мере возрастания количества серы в вяжущем. Так, при содержании серы в СБВ, равном 15 %, оптимальное отношение В/МП* равно 0,13, а при содержании серы 30 % отношение В/МП* равно 0,15.

4.При использовании чистого битума в асфальтовяжущем кривая

зависимости его прочности и плотности от В/МП имеет резко очерченный пик, соответствующий оптимальному значению В/МП*, в то время как при использовании СБВ (при содержании серы 15 и 30 %) пик несколько сглаживается.

Это подтверждает известную из литературы меньшую чувствительность к содержанию вяжущего асфальтобетонов на СБВ в сравнении с чистым битумом. Использование СБВ приводит к стабильности качества асфальтобетонного покрытия даже при некоторых колебаниях количества вяжущего.

5.Графики зависимости остаточной пористости асфальтовяжущего от В/МП имеют общий своеобразный характер (см. рис. 3.1, б,

3.2, б, г). Наблюдаются две ветви этого графика, разделенные точкой, соответствующей оптимальному значению В/МП*. На первом участке свободный битум отсутствует, происходит формирование битумной пленки и одновременно повышение плотности упаковки зерен порошка. На втором участке пористость асфальтовяжущего обусловлена

восновном наличием защемленного воздуха, доля которого снижается по мере роста объема свободного битума.

6.Пустотность минерального порошка в асфальтовяжущем оптимальной структуры на битуме БН 60/90 имеет минимальное значение (см. табл. 3.3) при В/МП* = 0,13, которому соответствуют максимальные объемы порошка и пленочного битума.

В асфальтовяжущих на СБВ при увеличении В/МП пустотность минерального порошка и объемная доля вяжущего увеличиваются, объем минерального порошка понижается. На такой характер зависимостей оказывает влияние добавка серы, выступающая в роли дисперсного наполнителя. Объемное содержание пленочного СБВ имеет наибольшую величину при оптимальном значении В/МП*, как и в асфальтовяжущем на битуме (см. табл. 3.3 и рис. 3.2, б, г).

7.При использовании понятия относительной объемной концентрации минерального порошка положение створа фиксируется значением rмп = 1,0, которое соответствует оптимальной структуре асфальтовяжущего и может быть использовано при расчете состава асфальтобетона наибольшей прочности [73].

147

4. АСФАЛЬТОВЫЕ БЕТОНЫ НА СЕРОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ

4.1. Свойства органических вяжущих и минеральных материалов для асфальтобетона

Проектирование составов асфальтобетонных смесей проводили с использованием минеральных материалов, применяемых в дорожном строительстве Омской области, битумов марок БНД 60/90 и БН 60/90, выпускаемых Омским НПЗ, и серобитумных вяжущих (см. табл. 2.1 и 2.2).

Определение показателей свойств исходных минеральных материалов для асфальтобетона производилось согласно методикам испытаний, приведенных в ГОСТ 8269-87 для щебня, в ГОСТ 8735-88 для песка, в ГОСТ Р 52129-2003 для минерального порошка. Кроме показателей, предусмотренных стандартами, определялись: межзерновые пустотности щебня и песка в виброуплотненном состоянии; модуль крупности щебня; пустотность минерального порошка в предельно уплотненном состоянии; плотности битума и серобитумных вяжущих. Эти показатели определяли в соответствии с методическими указаниями, разработанными в СибАДИ [73], для проектирования составов асфальтобетонов по методу СибАДИ.

Исследование свойств серобитумных вяжущих на основе битумов БНД 60/90 и БН 60/90 показало (см. раздел 2):

1)дозировка серы до 20 % пластифицирует битум, при этом значительно повышаются трещиностойкость, пластичность и деформативность, снижается вязкость СБВ по сравнению с битумом;

2)введение серы более 20 % структурирует вяжущее – растут вязкость, теплостойкость, хрупкость, снижается растяжимость, повышаются индекс пенетрации и коэффициент структуры;

3)процесс кристаллизации серы продолжается более месяца, но наиболее интенсивно в первые 7 – 10 суток. В результате повышаются вязкость и температура размягчения вяжущих. Эти изменения тем значительнее, чем большее количество серы содержит СБВ;

4)в интервале температур 130 – 150 ºС вязкость СБВ равняется 0,10 – 0,15 Па·с, битума – 0,2 – 0,4 Па·с. При эксплуатационных температурах СБВ, содержащие свыше 20 % серы, имеют более высокую вязкость, чем битум. Повышение вязкости СБВ по сравнению с битумом наиболее заметно в интервале температур 25 – 60ºС. При темпе-

148

ратурах, близких к 0 ºС, разница в вязкости битума и СБВ незначительна (табл. 4.1).

Данные таблицы показывают, что при технологических температурах (перемешивание, укладка смеси) битум размягчается диспергированной в нем серой. При охлаждении сера кристаллизуется, и вязкость СБВ увеличивается в зависимости от количества кристаллизирующейся серы.

Следовательно, пластифицирующий эффект серы может быть использован при изготовлении асфальтобетонной смеси (снижение температур нагрева СБВ и минеральных материалов), а также для повышения удобоукладываемости и уплотняемости смеси.

Свойства минеральных материалов для асфальтобетонных смесей и сравнение свойств с требованиями нормативных документов даны в табл. 4.2 – 4.7.

149

150