Методическое пособие 822

Научный журнал строительства и архитектуры

гался воздействию вначале УЗ и затем ПЭП при заданных значениях частоты ультразвуковых колебаний n, напряженности Е поля и температуре t в течение 20 мин.

Подвергнутый обработке УЗ и ПЭП клей наносился на поверхности образцов из древесины дуба для испытаний на предел прочности при скалывании (ГОСТ 33120-2014) с помощью разрывной машины ИР-50-3. Отверждение клеевого шва до испытаний на прочность проводили в течение суток в термошкафу при температуре 40 оС.

Для опыта использовались по пять образцов. Доверительные интервалы при замерах прочности для образцов составляли 0,112. Полученные в процессе испытаний результаты приведены в табл.

Анализ данных таблицы показывает, что обработка клеев в УЗ и ПЭП повышает прочность клеевых соединений древесины. При этом увеличение напряженности поля и частоты УЗ сопровождается дополнительным ростом прочности клеевого соединения.

2. Влияние совместного воздействия УЗ и ПЭП на структуру модифицированных клеев. Механизм процесса повышения прочности клеевых соединений на основе облученных УЗ и ПЭП клеев объясняется, очевидно, структурными изменениями в сторону упорядочения расположения макромолекул полимера [16]. Об этом свидетельствуют микроснимки (рис. 2) с электронного растрового микроскопа Jeolio 6380 Lf с максимальным увеличением 3 нм.

Рис. 2. Микроструктура клея КФ-Ж в исходном состоянии (а) и обработанного (б) в ПЭП при Е = 1500 В·см−1 и УЗ при частоте 22 кГц

30

Приведенные на рис. 2 снимки свидетельствуют о том, что под воздействием УЗ и ПЭП структура полимерной матрицы претерпевает заметные изменения. Модифицированный путем совместного воздействия УЗ и ПЭП клей имеет более однородный состав с более плотной структурой по сравнению с клеем, не подвергнутым обработке. У контрольного образца просматриваются крупные трещины, которые, как правило, являются концентраторами напряжений [14, 15].

Для установления изменения количественных характеристик в структуре модифицированного клея осуществлен рентгеноструктурный анализ с использованием дифрактометра ARLXTRA при напряжении 30 кВ и силе тока 30 мА. Из приведенных на рис. 3 дифрактограмм следует, что под воздействием УЗ и ПЭП происходит наложение эффектов облучения отдельными физическими полями и их взаимное усиление. Первый пик на дифрактограмме стремится в сторону меньших углов и продольного перераспределения высот субпиков. Отсюда можно полагать, что под воздействием УЗ и ПЭП порядок в расположении атомов изменился в направлении более выгодного энергетического состояния.

Рис. 3. Дифрактограммы зависимости кривых рассеянного рентгеновского излучения I (2Θ) для клея КФ-Ж: а) контрольный образец без обработки;

б) обработанный УЗ при частоте 22 кГц и ПЭП при Е = 1500 В·см−1

Известно, что существенным фактором, который оказывает негативное влияние на прочность клеевых соединений, в частности древесины, являются внутренние напряжения в клеевом шве [1, 5]. К последним относятся температурные, усадочные, влагоустойчивые, а также деформационные за счет разницы в коэффициентах линейного расширения клея и субстрата.

Обычно внутренние напряжения, формируемые в клеевых прослойках, действуют против адгезионных сил и вызывают усталость, понижают прочность и долговечность клеевых соединений.

Исходя из положений, изложенных в [19, 20], можно полагать, что происходящие под воздействием физических полей в массиве клеевой прослойки соединений структурные изменения в силу своей упорядоченности оказывают влияние на процесс формирования внутренних напряжений меньшей величины, определяя повышение прочности клеевыхсоединений [8, 21].

Для исследования процесса формирования внутренних напряжений клеевых соединений древесины на основе модифицированных воздействием электроультразвукового поля клеев использовалась запатентованная установка [13], в основу функционирования которой положен так называемый консольный метод [3]. Данный способ, реализуемый используемой установкой, в отличие от обычно применяемых [2] дает возможность проследить кинетику формирования внутренних напряжений во всем временном периоде.

Установка, общий вид которой представлен на рис. 4, включает рабочую ячейку в виде консольно закрепленных пластин из исследуемой древесины с толщинами в соотношениях 1:3 и клеевой прослойкой заданной толщины из клея, подвергнутого обработке УЗ и ПЭП.

Рабочая ячейка соединена с источником постоянного тока и цифровым измерителем RLCE7-22 для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Рабочая ячейка с исследуе-

31

Научный журнал строительства и архитектуры

мым образцом помещается в термошкаф с температурой 40 оС. По мере отверждения клеевой прослойки протекает процесс деформации (изгиб) свободного конца склеиваемой пары, в результате чего имеет место изменение емкости плоского конденсатора установки. Для каждого образца проводится только один замер при заданном воздействии физического поля. Всего для получения одной кривой σв = f (E, n) осуществлялось 6 замеров при разных значениях УЗ и ПЭП. Разовое воздействие на образцы комбинированным полем занимало 20 мин.

Рис. 4. Установка для исследования внутренних напряжений в клеевых соединениях

Постоянное изменение емкости конденсатора фиксируется цифровым прибором в течение всего времени полимеризации клея прослойки и передается на ЭВМ.

Используя специальную программу, с учетом предлагаемой в работе [3] аналитической зависимости проводился расчет внутренних напряжений. После ввода тарировочных данных компьютер обрабатывал данные опытов и выводил результаты обработки на печать.

Полученные в процессе экспериментальных исследований данные о формировании внутренних напряжений σв древесины березы при различных значениях напряженности электрического поля Е и частоты ультразвуковых колебаний n приведены на рис. 5.

Для получения более широкого диапазона сравнительной информации о процессе модифицирования клеев, используемых в деревообработке, проведены дополнительные исследования по обработке клеев только электрическим или ультразвуковым полем [17, 23].

Рис. 5. Зависимость внутренних напряжений в клеевых соединениях древесины березы от частоты ультразвуковых колебаний инапряженностиэлектрическогополядля клеев марок ПВАД (а) иКФЖ(б):

1 — электрическое поле; 2 — ультразвуковое поле; 3 — электроультразвуковое поле

32

В целом анализ данных рис. 5 свидетельствует о заметном (до 20—40 %) снижении внутренних напряжений при обработке клеев в комбинированном поле и, таким образом, позволяет рекомендовать этот метод для создания более прочных изделий из клееной древесины. Применение же одиночных полей (ПЭП или УЗ) дает менее заметный эффект снижения внутренних напряжений.

Выводы. Показана возможность внедрения на деревоперерабатывающих предприятиях предлагаемого способа физического модифицирования полимерных клеев, способных замещать импортные полимерные клеи отечественными клеями.

Согласно предлагаемому способу клей подвергается совместной обработке УЗ и ПЭП, приводящей к способности модифицированного клея создавать более высокопрочные клеевые соединения древесины.

Научная новизна данного исследования заключается, во-первых, в установлении с помощью фотоснимков и рентгеноструктурного анализа механизма структурных изменений полимерной основы клеев, подвергнутой совместной обработке УЗ и ПЭП, способствующей образованию упорядоченных и более плотных конгломератов из макромолекул, а, во-вторых, механизма снижения внутренних напряжений в модифицированном клеевом соединении, сопровождаемом повышением его прочности, что подтверждается патентами [12, 13] и свидетельствами о госрегистрации программ для ЭВМ [17, 18].

Библиографический список

1.Вильнав, Ж. Ж. Клеевые соединения / Ж. Ж. Вильнав. — М.: Техносфера, 2007. — 384 с.

2.Гриб, А. Е. Особенности определения остаточных напряжений полимеров на древесине / А. Е. Гриб // Известия вузов. Строительство и архитектура. — 1976. — № 5. — С. 18—22.

3.Иволгин, В. Я. Определение напряжений в клеевом слое, возникающих вследствие усадочных явлений при склеивании металлов / В. Я. Иволгин // Механика полимеров. — 1970. — № 1. — С. 53—57.

4.Кардашов, Д. А. Полимерные клеи / Д. А. Кардашов, А. П. Петрова. — М.: Химия, 1983. — 256 с.

5.Кестельман, В. Н. Физические методы модификации полимерных материалов. — М.: Химия, 1980. — 224 с.

6.Кислый, В. В. Проблемы развития деревянных клееных конструкций в России / В. В. Кислый, Л. М. Ковальчук // Строительные материалы. — 2003. — № 4. — С. 6—7.

7.Ковальчук, Л. М. О контроле качества клеевых соединений клееных древесных конструкций / Л. М. Ковальчук // Деревообрабатывающая промышленность. — 2003. — № 2. — С. 13—14.

8.Никушин, Ю. М. Совершенствование технологии изготовления клееных деревянных конструкций / Ю. М. Никушин // Деревообрабатывающая промышленность. — 2001. — № 5. — С. 15—17.

9.Попов, А. Ф. Деревянные клееные конструкции в середине ХХ века / А. Ф. Попов // Деревообрабатывающая промышленность. — 2001. — № 4. — С. 28—31.

10. Попов, В. М. Влияние магнитных и электрических полей на прочность клееной древесины / В. М. Попов, А. В. Иванов, М. А. Шендриков, А. В. Жабин // Вестник МГУЛ — Лесной Вестник. — 2009. —

№4. — С. 122—126.

11.Попов, В. М. Создание клеевых соединений для ограждающих конструкций из древесины / В. М. Попов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2013. — № 3. — С. 16—20.

12.Пат. на полезную модель 89758 МПК Н01F 13/00. Устройство для поляризации / В. М. Попов [и др.]; заявитель ипатентообладатель ВГЛТА. — № 2008149665/22; заявл. 16.12.2008;опубл. 10.12.2009.— Бюл.№ 34.

13. Пат. 2456586 МПК G01N 27/22. Способ определения внутренних напряжений / В. М. Попов, А. В. Иванов, А. П. Новиков, М. А. Шендриков, А. В. Латынин; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. —

№2011109552/28; заявл. 14.03.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20. — 5 с.

14.Попов, В. М. Модифицированные клеевые соединения клееной древесины повышенной прочности / В. М. Попов, А. В. Иванов. — Воронеж: ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», 2015. — 79 с.

15. Попов, В. М. Соединения на клеях, модифицированных воздействием физических полей / В. М. Попов, О. Р. Дорняк. — Воронеж: ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», 2016. — 128 с.

16.Воронежцев, Ю. И. Электрические и магнитные поля в технологии полимерных композитов / Ю. И. Воронежцев, В. А. Гольдаде, Л. С. Пинчук, В. В. Снежков. — Мн.: Наука и техника, 1990. — 263 с.

17.Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2017611717. Расчет значения внутренних напряжений в клеевых соединениях древесины на основе клеев, подвергнутых воздействию ультразвука /

В. М. Попов, О. Р. Дорняк, А. В. Латынин; правообладатель ФГБОУ ВО «ВГТУ им. Г. Ф. Морозова». — № 2016661376; заявл. 26.10.2016; госрегистрация 08.02.2017.

33

Научный журнал строительства и архитектуры

18.Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2014618649. Расчет предела прочности при скалывании вдоль волокон образцов из древесины, склеенных композициями, модифицированным комбинированным электроультразвуковым полем / В. М. Попов, О. Р. Дорняк, А. В. Латынин; правообладатель ГОУ ВПО «ВГТУ». — № 2014616425; заявл. 03.07.2014; госрегистрация 27.08.2014.

19.Фрейдин, А. С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины / А. С. Фрейд, К. Т. Вуба. — М.: Лесн. промышленность, 1980. — 224 с.

20.Фрейдин, А. С. Прочность и долговечность клеевых соединений / А. С. Фрейдин. — М.: Химия, 1971. — 256 с.

21.Чубинский, А. Н. Формирование клеевых соединений древесины / А. Н. Чубинский. — СПб.: Гослесбумиздат, 1993. — 163 с.

22.Effect of magnetic field on coagulation of SKS-30 ARK butadiene-styrene latex in the presence of poly-N, N-dimethyl-N, N-diallylammonium choride / S. S. Nikulin [et al.] // Russian Journal of Applied Chemistry. — 2014. — Vol. 87, Issue 11. — P. 1777—1780.

23.Popov, V. M. Mechanism by which electric field affects the strength of glue joints / V. M. Popov, S. S. Nikulin, A. V. Latynin, M.A. Shendrikov// Russian Journal ofApplied Chemistry. — 2013. —№ 86(4).— P.599—602.

24.Predictive research methods of enamel and dentine for initial caries detection / A. A. Kunin [et al.] // Springer EPMA — Journal. — 2013. — Vol. 4 (1), Suppl. 19.

25.Popov, V. M. Heat Conductivity of Adhesive interlauers of Composites with Adhesives Modified by the Action of Combined Physical Fields / V. M. Popov, O. R. Dornyak // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. — 2015. — Vol. 88, Issue 2. — P. 531—536.

26.Wagner, C. N. J. Direct Methods for the Determination of Atomic Scale Structure of Amorphous Solids (X-ray, Electron and Neutron Scattering) // 7. Non-Ceryst Solids. 1978. — Vol. 31. — P. 1—40.

References

1.Vil'nav, Zh. Zh. Kleevye soedineniya / Zh. Zh. Vil'nav. — M.: Tekhnosfera, 2007. — 384 s.

2.Grib, A. E. Osobennosti opredeleniya ostatochnykh napryazhenii polimerov na drevesine / A. E. Grib // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 1976. — № 5. — S. 18—22.

3.Ivolgin, V. Ya. Opredelenie napryazhenii v kleevom sloe, voznikayushchikh vsledstvie usadochnykh yavlenii pri skleivanii metallov / V. Ya. Ivolgin // Mekhanika polimerov. — 1970. — № 1. — S. 53—57.

4.Kardashov, D. A. Polimernye klei / D. A. Kardashov, A. P. Petrova. — M.: Khimiya, 1983. — 256 s.

5.Kestel'man, V. N. Fizicheskie metody modifikatsii polimernykh materialov. — M.: Khimiya, 1980. —

224 s.

L.M. Koval'chuk // Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. — 2003. — № 2. — S. 13—14.

8.Nikushin, Yu. M. Sovershenstvovanie tekhnologii izgotovleniya kleenykh derevyannykh konstruktsii / Yu.

M.Nikushin // Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. — 2001. — № 5. — S. 15—17.

9.Popov, A. F. Derevyannye kleenye konstruktsii v seredine KhKh veka / A. F. Popov // Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. — 2001. — № 4. — S. 28—31.

10.Popov, V. M. Vliyanie magnitnykh i elektricheskikh polei na prochnost' kleenoi drevesiny / V. M. Popov,

A. V. Ivanov, M. A. Shendrikov, A. V. Zhabin // Vestnik MGUL — Lesnoi Vestnik. — 2009. — № 4. — S. 122—126. 11. Popov, V. M. Sozdanie kleevykh soedinenii dlya ograzhdayushchikh konstruktsii iz drevesiny /

V.M. Popov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2013. — № 3. — S. 16—20.

12.Pat. na poleznuyu model' 89758 MPK N01F 13/00. Ustroistvo dlya polyarizatsii / V. M. Popov [et al.]; zayavitel' i patentoobladatel' VGLTA. — № 2008149665/22; zayavl. 16.12.2008; opubl. 10.12.2009. — Byul. № 34.

V.M. Popov, A. V. Ivanov. — Voronezh: FGBOU VO «VGLTU», 2015. — 79 s.

15.Popov, V. M. Soedineniya na kleyakh, modifitsirovannykh vozdeistviem fizicheskikh polei / V. M. Popov, O. R. Dornyak. — Voronezh: FGBOU VO «VGLTU», 2016. — 128 s.

34

18.Svidetel'stvo o gosregistratsii programmy dlya EVM № 2014618649. Raschet predela prochnosti pri skalyvanii vdol' volokon obraztsov iz drevesiny, skleennykh kompozitsiyami, modifitsirovannym kombinirovannym elektroul'trazvukovym polem / V. M. Popov, O. R. Dornyak, A. V. Latynin; pravoobladatel' GOU VPO «VGTU». —

№2014616425; zayavl. 03.07.2014; gosregistratsiya 27.08.2014.

19.Freidin, A. S. Prognozirovanie svoistv kleevykh soedinenii drevesiny / A. S. Freid, K. T. Vuba. — M.: Lesn. promyshlennost', 1980. — 224 s.

20.Freidin, A. S.Prochnost' i dolgovechnost' kleevykh soedinenii/A. S.Freidin.— M.: Khimiya, 1971. —256 s.

21.Chubinskii, A. N. Formirovanie kleevykh soedinenii drevesiny / A. N. Chubinskii. — SPb.: Goslesbumizdat, 1993. — 163 s.

22.Effect of magnetic field on coagulation of SKS-30 ARK butadiene-styrene latex in the presence of poly-N, N-dimethyl-N, N-diallylammonium choride / S. S. Nikulin [et al.] // Russian Journal of Applied Chemistry. — 2014. — Vol. 87, Issue 11. — P. 1777—1780.

23.Popov, V. M. Mechanism by which electric field affects the strength of glue joints / V. M. Popov, S. S. Nikulin, A. V. Latynin, M.A. Shendrikov// Russian Journal ofApplied Chemistry. — 2013. —№ 86(4).— P.599—602.

24.Predictive research methods of enamel and dentine for initial caries detection / A. A. Kunin [et al.] // Springer EPMA — Journal. — 2013. — Vol. 4 (1), Suppl. 19.

25.Popov, V. M. Heat Conductivity of Adhesive interlauers of Composites with Adhesives Modified by the Action of Combined Physical Fields / V. M. Popov, O. R. Dornyak // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. — 2015. — Vol. 88, Issue 2. — P. 531—536.

26.Wagner, C. N. J. Direct Methods for the Determination of Atomic Scale Structure of Amorphous Solids (X-ray, Electron and Neutron Scattering) // 7. Non-Ceryst Solids. 1978. — Vol. 31. — P. 1—40.

DESIGN OF GLUED WOOD OF THE INCREASED DURABILITY ON THE BASIS OF GLUES SUBJECTED TO THE JOINT INFLUENCE OF ULTRASOUND AND AN ELECTRIC FIELD

V. M. Popov 1, O. R. Dornyak 2, N. A. Petrikeeva 3, N. M. Popova 4

Voronezh State University of Forestry and Technologies 1, 2

Russia, Voronezh

Voronezh State Technical University 3, 4

Russia, Voronezh

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Electrical and Thermal Engineering and Hydraulics, tel.: (473)253-73-08, e-mail: etgvglta@mail.ru

2D. Sc. in Engineering, Head of the Dept. of Electrical and Thermal Engineering and Hydraulics, tel.: (473)253-73-08, e-mail: etgvglta@mail.ru

3PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business,

tel.: (473)271-53-21, e-mail: petrikeeva.nat@yandex.ru

4 Senior Lecturer of the Dept. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473)271-53-21, e-mail: exclusiv.na@mail.ru

Statement of the problem. Presently the construction industry commonly utilizes glued wood with the main requirement being an increase in durability of glue adhesion. In order to address the problem, the method of modifying of glue is suggested that relies on the effect of arranging the glue structure by means of a joint impact of ultrasound and constant electric field.

Results. The effect of an increase in the durability of glue compound of wood on the basis of glues subjected to a joint influence of ultrasound and electric field is experimentally identified. The analysis of the microphotos of the structures of the glues modified by the proposed way indicated arrangement and consolidation of the polymer minerals shattered by the ultrasound of the polymer microelements leading to a more lasting glue adhesion.

Conclusions. The new way of designing glued wood compounds relying on the effect of the impact on ultrasound and constant electric field on its structure has been proposed for the first time.

Keywords: glue compound, durability, ultrasound, electric field, modifying, fluctuation frequency, glue.

35

Научный журнал строительства и архитектуры

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

DOI 10.25987/VSTU.2019.55.3.004

УДК 625.855.3

ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ КЕРАМЗИТОВЫМ ПОРОШКОМ

Ю. Г. Борисенко 1, С. О. Казарян 2

Северо-Кавказский федеральный университет 1, 2 Россия, г. Ставрополь

1Канд. техн. наук, доц. кафедры строительства

2Ст. преп. кафедры строительства, e-mail: sam23otr@mail.ru

Постановка задачи. Рассматривается задача повышения эксплуатационных характеристик щебе- ночно-мастичных асфальтобетонов путем их модификации пористыми порошковыми материалами на примере керамзитового порошка.

Результаты. В результате экспериментальных исследований выявлены особенности деформативного поведения предложенных составов при различных эксплуатационных температурах. Получены графики зависимостей влияния керамзитового порошка на вязкость и время релаксации напряжений щебеночно-мастичных асфальтобетонов Выводы. Экспериментально установлено, что щебеночно-мастичные асфальтобетоны, модифици-

рованные керамзитовым порошком, обладают более высокими теплостойкостью, сдвигоустойчивостью и трещиностойкостью, чем традиционные составы со стабилизирующими добавками, что ведет к увеличению сроков службы дорожных покрытий.

Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, дорожные покрытия, керамзитовый порошок, реология, вязкость, релаксация напряжений, Viatop-66.

Введение. Асфальтобетон является упруго-вязко-пластичным телом и подвергается в эксплуатационных условиях воздействию различных факторов — транспортным нагрузкам, нагреву, охлаждению, увлажнению и т. п. Между тем расчет конструкций дорожных покрытий зачастую выполняется исходя из прочности асфальтобетона и его сопротивлению транспортным нагрузкам. Возможность образования на поверхности покрытия сдвиговых деформаций в жаркое время или температурных трещин при охлаждении зимой при расчете покрытия не всегда учитывается. В то же время эти температурные деформации наряду с нагрузками от автомобильного транспорта являются одними из основных факторов преждевременного разрушения покрытия. Для учета температурного влияния при расчете покрытий необходимо четко понимать механизм работы асфальтобетона под нагрузками от транспортных средств как при положительных температурах, так и при охлаждении, вызывающий в по-

© Борисенко Ю. Г., Казарян С. О., 2019

36

крытии растягивающие напряжения и деформации [9]. Эти свойства асфальтобетонных покрытий во многом зависят от поведения вяжущего в различных условиях. С увеличением температуры битум становится менее вязким, что влечет за собой снижение сдвигоустойчивости и прочности асфальтобетона вследствие ослабления физико-химических связей между минеральным материалом и битумным вяжущим [3, 12].

1. Вязкость и релаксация напряжений в асфальтобетоне. Для эффективной работы асфальтобетона при различных эксплуатационных температурах необходимо выполнение следующих условий: достаточная деформационная устойчивость при высоких летних температурах (т. е. теплоустойчивость) и достаточная деформативная способность при низких температурах (т. е. высокая трещиностойкость). Невыполнение этих условий зачастую ведет к разрушению дорожных покрытий. На сегодняшний день большая часть асфальтобетонных покрытий в нашей стране не соответствует данным требованиям. Решение этой проблемы возможно следующими способами: повышение сдвигоустойчивости покрытий за счет увеличения коэффициента внутреннего трения tgφ и зацепления минеральных зерен; повышение сцепления, обусловленного битумными связями.

Повышение сдвигоустойчивости покрытий возможно за счет применения заполнителей и наполнителей с развитой шероховатой поверхностью, что повышает внутреннее трение и зацепление между частицами каменного материала [1—2, 4—8].

Сцепление, обусловленное битумными связями, напрямую влияет на вероятность возникновения пластических деформаций при высоких эксплуатационных температурах. Увеличения активности битумов и их вязкости можно достичь введением в их составы различных модифицирующих добавок [16—20]. Однако если при высоких температурах битум должен быть в максимально вязком состоянии, то при отрицательных температурах вязкость должна быть минимальна, т. к. в этих условиях возникают значительные растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии, что вызывает образование трещин, снижение морозостойкости и, как следствие, разрушение материала. Необходимо, чтобы битум был максимально вязким при высоких температурах и одновременно обладал высокой пластичностью при низких температурах. Выполнение на практике данной задачи достаточно сложно. Поэтому для удовлетворения этих условий и получения составов с наиболее оптимальными свойствами необходимо использовать соответствующие материалы. Одними из таких материалов могут быть пористые минеральные наполнители, модифицирующие и структурирующие битум в процессе их взаимодействия [10—11, 13—15].

При этом для качественной оценки эксплуатационных свойств и долговечности материала в целом необходимо учитывать поведение асфальтобетона в напряженнодеформированном состоянии при различных эксплуатационных температурах, которое наиболее полно описывает реология — наука о течении материалов.

Одним из важнейших свойств асфальтобетона как упруго-вязко-пластичного материала является релаксация напряжений. Релаксация напряжений — это процесс самопроизвольного снижения (рассасывания) напряжений во времени, являющийся следствием внутреннего течения, деформированного тела (при неизменной деформации). При повышении температуры снижается вязкость и одновременно повышается время релаксации асфальтобетона. Следовательно, время релаксации для асфальтобетона в основном зависит от вязкости и температуры.

Проявление асфальтобетоном вязких или упругих свойств зависит от соотношения между временем действия нагрузки и временем релаксации напряжений. Если время действия нагрузки очень мало по сравнению со временем релаксации, то материал работает как идеально упругий. Если же это время велико по сравнению со временем релаксации, то материал проявляет свойства вязкой жидкости [3, 9, 12].

При отрицательных температурах асфальтобетон становится максимально вязким. В этих условиях время релаксации значительно превышает длительность обычно действующих

37

Научный журнал строительства и архитектуры

на него нагрузок. В данном случае асфальтобетон ведет себя как упругий материал, вследствие чего значительно повышается его хрупкость и предел прочности на растяжение при расколе Rp, что повышает вероятность образования трещин. Если возникающие напряжения окажутся полностью или в значительной степени отрелаксированными к концу периода резкого снижения температуры, то вероятность возникновения трещин будет минимальной. Поэтому в зимний период целесообразным будет снижение времени релаксации и вязкости асфальтобетона.

При высоких температурах вязкость асфальтобетона максимально низкая, что, в свою очередь, ведет к снижению времени релаксации напряжений, которое становится сопоставимым или значительно меньшим в сравнении со временем действия нагрузок, что может привести к возникновению необратимых пластических деформаций. Следовательно, необходимо максимально повысить время релаксации и вязкость асфальтобетона.

В данной работе было изучено влияние высокодисперсного керамзитового порошка на такие реологические параметры щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА), как вязкость и время релаксации напряжений. Составы щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС) модифицировались керамзитовым порошком, который использовался взамен стабилизирующей добавки. Для определения эффективности применения предложенных материалов проводили сравнение со стандартными ЩМАС со стабилизирующими добавками семейства Viatop.

2. Исследование реологических свойств ЩМА. Изучение реологических параметров исследуемых ЩМА проводили согласно методике [9]. Реологические параметры определяли для ЩМА-10 и ЩМА-15 путем испытания образцов-цилиндров диаметром и высотой (71,5 ±1,5) мм при различных температурах. Для расчета реологических характеристик измеряли геометрические параметры образцов (высоту и диаметр) до и после испытания, а также фиксировали предел прочности при сжатии. Скорость движения плиты пресса при испытании принимали v = 0,005 см/с. Исследовали зависимости реологических характеристик при эксплуатационных температурах в пределах от −10 до +60 оС. Температура +60 оС была выбрана в связи с тем, что в южных регионах нашей страны согласно натурным наблюдениям температура дорожного покрытия может достигать данной величины и в жаркие летние периоды способна держаться по несколько часов в день, а −10 оС соответствует работе асфальтобетона как практически упругого тела. Все применяемые температуры моделировали работу асфальтобетона при различных состояниях материала: упругой, упруго-вязкой, вязкопластичной и пластичной стадиях.

Реологические параметры рассчитывали по следующим формулам:

коэффициент вязкости:

где R — предел прочности при сжатии, МПа; h1 — высота образца до испытания, см; h — разность высот образца до и после испытания (Δh = h1 − h2), см; h — разность диаметров до

ипосле испытания (Δd = d1 − d2), см;

время релаксации:

400 h1h2 .

d2

Реологические параметры определяли для ЩМА-10 и ЩМА-15, модифицированных керамзитовым порошком. Для сравнения испытывали стандартные ЩМА со стабилизирующей добавкой Viatop-66. Зависимости изменения коэффициентов вязкости ηм от температуры Т представлены на рис. 1 и 2 для ЩМА-10 и ЩМА-15 соответственно.

38

Зависимости изменения времени релаксации θ от температуры Т представлены на рис. 3 и 4 для ЩМА-10 и ЩМА-15 соответственно.

Согласно полученным зависимостям (рис. 1—4), ЩМА-10 и ЩМА-15, модифицированные керамзитовым порошком, при низких температурах обладают меньшей вязкостью и меньшим временем релаксации напряжений, чем составы со стабилизирующей добавкой Viatop-66. Следовательно, модифицированные составы при отрицательных температурах обладают большей деформативностью, меньшей хрупкостью, что обусловливает повышение трещиностойкости.

Выявлено, что при высоких эксплуатационных температурах вязкость ЩМА-10 и ЩМА-15, модифицированных керамзитовым порошком, выше, чем у стандартных составов ЩМА-10 и ЩМА-15 (рис. 1, 2). При повышении вязкости асфальтобетона увеличивается его теплостойкость и сдвигоустойчивость.

39