Учебное пособие 800467

Процессы структурообразования разжиженных битумов в покрытии из холодного асфальтобетона связаны с удалением разжижителя путем частичного испарения его легких фракций, диффузии компонентов жидкого битума в поры минерального материала и последующим изменением структуры битума в процессе термоокислительного старения. Исследованиями А. С. Колбановской установлено, что испарение разжижителя более интенсивно происходит в битумах І, затем ІІІ и ІІ типа. В битумах ІІ и ІІІ типов дисперсных структур остается около 2 % по массе разжижителя, даже при длительном выдерживании пробы в термокамере. Из битума І типа испаряется больше легких фракций, чем было введено при его разжижении [42].

Структурообразование в жидких битумах в значительной мере определяется фракционным и углеводородным составом разжижителя, а также, как было сказано ранее, дисперсной структурой вязкого исходного битума. По А. С. Колбановской процессы структурообразования в жидких битумах проходят в три стадии. На первой стадии испаряется разжижитель (до 70 %) из дисперсионной среды битума, при этом скорость испарения зависит от структурного типа битума и фракционного состава разжижителя. На второй стадии продолжается улетучивание разжижителя, но с гораздо меньшей скоростью. При этом разрозненные асфальтены в битумах І и ІІІ типа агрегатируются с развитием элементов структурного каркаса. В конце этого этапа структура несколько приближается к структуре вязкого исходного битума и, по А. С. Колбановской, не зависит от вида разжижителя. На третьей стадии процесс структурообразования связан с изменениями в битуме под влиянием термоокислительных воздействий. При этом для битумов І типа, содержащих много легколетучих фракций, характерно продолжение процесса испарения разжижителя и легких фракций битума, что усиливает степень формирования асфальтенового каркаса. Напротив, у битумов ІІІ и ІІ типа происходят процессы старения за счет процесса окислительной полимеризации и конденсации.

На всех этапах формирования структуры жидких битумов в холодном асфальтобетоне происходят процессы образования адгезионных связей с минеральной поверхностью, устойчивость которых зависит от многих факторов. Известно, что связи, возникающие при контакте битума с поверхностью минеральных материалов, определяются термодинамическими условиями, образующимися в зоне контакта поверхностей смешиваемых материалов. Главный недостаток жидких битумов – слабые молекулярные силы в зоне контакта с минеральной поверхностью. За счет невысокой вязкости жидкие битумы в достаточной мере обволакивают поверхности минеральных частиц в процессе приготовления холодных асфальтобетонных смесей. Однако образуемая на зернах битумная пленка со временем оказывается слишком тонкой, непрочной. Более устойчивая адгезионная связь жидкого битума с минеральным материалом может быть обеспечена при использовании добавок ПАВ. Участвуя в процессе взаимодействия жидкого битума с минеральным материалом, ПАВы облегчают смачивание и растекание жидкого битума по их поверхности, что является необходимым условием хорошего сцепления. Однако наряду с улучшением сма-

71

чивания и обволакивания для обеспечения надежных связей жидких битумов с минеральной поверхностью требуется повышение прочности тонкого слоя битумной пленки. Добавки полимеров – соединений, имеющих очень высокий молекулярный вес, повышают вязкость среды и создают условия для получения более прочной битумной пленки. Вероятно, положительный максимальный эффект будет при совместном применении добавок полимеров и ПАВ. При этом очень важным условием будет совместимость полимера и ПАВ.

Кроме вышесказанного, следует отметить еще один существенный недостаток жидких битумов. В разжиженных нефтяных битумах вследствие ослабленной сетки асфальтенов наблюдается ухудшение теплоустойчивости. Компенсировать снижение теплоустойчивости способна полимерная сетка. Полимеры, в особенности класса эластомеров (синтетические и натуральные каучуки), имеют в силу своего специфического строения огромную молекулярную массу и обладают способностью образовывать ассоциаты в разбавленных системах. Выступая в роли структурирующего компонента в жидком битуме, полимерная сетка при повышенных температурах за счет адсорбции растворителя

имальтеновой части битума позволит повысить теплостойкость холодного асфальтобетона, а также сократить процесс структурообразования. Вероятно, что вследствие наличия полимера три вышеуказанных стадии структурообразования жидкого битума не будут столь резко обозначены. Процесс испарения разжижителя на первом этапе структурообразования жидкого битума, содержащего полимерную добавку, будет менее интенсивным в сравнении с традиционным разжиженным битумом. При сохранении легких фракций битума и разжижителя процессы термоокислительной деструкции будут замедлены, что позволит повысить долговечность холодного асфальтобетона.

При хранении и применении холодного асфальтобетона при пониженных температурах полимерная добавка, являясь межструктурным пластификатором

иотдавая связанный разжижитель, позволит обеспечить высокую подвижность, удобоукладываемость и неслёживаемость холодной асфальтобетонной смеси. Присутствие полимера в жидком битуме, предназначенном для приготовления холодных смесей, позволит усовершенствовать технологию дорожных работ с

применением холодных смесей.

Высокая пластифицирующая способность жидких битумно-полимерных вяжущих позволит устраивать покрытия и проводить ремонт с применением холодных смесей при температурах до 0 °С.

Таким образом, получение холодной асфальтобетонной смеси, характеризующейся повышенной удобоукладываемостью и минимальной слеживаемостью, и после её укладки формирование асфальтобетонного покрытия, обладающего повышенной теплостойкостью и усталостной долговечностью, может

быть достигнуто путем применения полимерных добавок. Физико-механические показатели холодного асфальтобетона, модифици-

рованного каучуком типа СКС, приведены в табл. 2.10, соответственно модифицированного термоэластопластом ДСТ — в табл. 2.11. [7].

72

Рассматривая физико-механические показатели холодного асфальтобетона, приготовленного на разжиженном керосином исходном битуме, отмечаем, что асфальтобетон отвечает требованиям ГОСТ 9128 по слеживаемости, водонасыщению, пределу прочности при 20 °С сухих образцов. Водостойкость и теплостойкость асфальтобетона недостаточны, что объясняется низкой температурой размягчения остатка, недостаточной адгезией применяемого разжиженного битума.

Введение в состав жидкого вяжущего полимеров и адгезионных добавок в значительной мере влияет на физико-механические показатели холодного асфальтобетона. Применение высокополимеров без использования адгезионных добавок позволяет значительно повысить предел прочности при 50 °С. Так, при применении каучука СКС показатель для прогретых образцов увеличивается в 1,8 раза, соответственно при применении ДСТ — в 1,5 раза. При использовании полимерной адгезионной добавки «Мобит» [7] наблюдается заметный рост фи- зико-механических показателей холодного асфальтобетона как с применением СКС, так и с ДСТ. Наилучшие показатели физико-механических свойств у смеси с каучуком СКС. Применение в качестве адгезионной добавки талового пека [7] в составе ДСТ позволило незначительно повысить физико-механические показатели холодного асфальтобетона. Установлен рост прочности при 20 °С сухих и водонасыщенных образцов и незначительное улучшение прочности при 50 °С.

Процессы разрушения асфальтобетона под многократным воздействием автотранспорта определяются явлениями усталости, т. е. постепенного снижения прочности материала во времени [8, 16]. Важнейшим вопросом при выборе пути повышения долговечности асфальтобетона в покрытии является учет закономерностей процессов развития деформаций в условиях непрерывно изменяющихся эксплуатационных факторов. Асфальтобетон в покрытии работает в сложном напряженном состоянии. Поэтому при оценке усталостной долговечности следует рассматривать те воздействия, которые имеют место в процессе работы асфальтобетона, и при этом в режиме, наиболее близко отвечающим реальным эксплуатационным условиям.

Многолетние исследования, проведенные в ГП «РосдорНИИ» под руководством д. т. н. А. В. Руденского, показали, что режимом испытания асфальтобетона, наиболее близко имитирующим реальные условия работы материала в условиях воздействия на асфальтобетонное покрытие автотранспорта, является испытание на усталость при циклическом динамическом изгибе [8].

В указанной методике испытания долговечность асфальтобетона определяет время, в течение которого покрытие может выдерживать заданное напряжение без разрушения. Так как усталость характеризует постепенное снижение работоспособности материала в покрытии при многократно прилагаемых нагрузках, то её в вышеуказанной методике определяют числом циклов, которое выдерживает асфальтобетонный образец до разрушения. Частотой испытания, наиболее близкой реальным эксплуатационным условиям, является частота 868 мин-1, так как расчетная продолжительность одного цикла действия нагруз-

77

ки в этом режиме составляет около 0,02 с, что соответствует режиму нагружения дорожного покрытия при проезде автомобиля со скоростью 60 км /ч [8].

В лаборатории ГП «РосдорНИИ» в соответствии с вышеуказанной методикой были проведены испытания образцов – балочек размером 16х4х2,5 см холодного асфальтобетона — методом воздействия циклически прилагаемой нагрузки. Условия испытания: температура — +20 °С, частота нагружения —

868 мм-1. Испытания проведены в режиме постоянной амплитуды прогиба величиной от 0,23 до 0,50 мм.

Для проведения испытаний были приготовлены образцы холодного асфальтобетона типа Дх одинакового гранулометрического состава, но на основе различных вяжущих. Всего было приготовлено и испытано три смеси. Одна контрольная, на разжиженном керосином исходном вязком битуме. Остальные смеси были модифицированные каучуком СКС или термоэластопластом ДСТ. Содержание добавки полимера в вяжущем составляло 4 % по массе в пересчете на сухое вещество. Условная вязкость всех жидких вяжущих перед приготовлением холодных смесей была одинакова. Результаты испытаний холодных асфальтобетонов вышеуказанного состава на усталость приведены в табл. 2.12.

Таблица 2.12 Усталостная долговечность холодного модифицированного

и традиционного асфальтобетона

Как следует из результатов испытаний, усталостная долговечность холодных асфальтобетонов, приготовленных на жидких битумах модифицированных каучуком типа СКС или полимером ДСТ 30-01, превышает указанный показа-

тель холодного асфальтобетона на традиционном жидком битуме в среднем в 1,35—1,4 в сухом состоянии и в 1,3—1,35 раз в водонасышенном состоянии. На-

личие воды в порах холодного асфальтобетона снижает его усталостную долговечность. Об этом свидетельствуют результаты испытания водонасыщенных об-

78

разцов. Так, показатель для всех трех составов смесей в среднем в 1,7—1,8 раз меньше усталостной долговечности образцов, испытанных в сухом состоянии.

На основании проведенных исследований усталостных свойств холодного асфальтобетона с применением полимерных добавок и без них можно отметить, что применение модифицирующих добавок повышает усталостную долговечность холодного асфальтобетона в 1,35—1,4 раза. Положительное влияние полимерных добавок установлено как в сухом, так и водонасыщенном состоянии. Проведенные экспериментальные исследования холодных асфальтобетонов на основе жидких битумов, модифицированных полимерами ДСТ и СКС, доказали возможность получения холодного асфальтобетона с улучшенными физико-механическими свойствами. Введение в состав жидкого вяжущего полимеров СКС и ДСТ совместно с адгезионными добавками позволяет повысить теплостойкость в 1,5—1,8 раза, прочность в водонасыщенном состоянии — в 1,2—1,4 раза в сравнении с традиционным холодным асфальтобетоном. Применение модифицирующих добавок ДСТ и СКС повышает усталостную долговечность холодного асфальтобетона в 1,3—1,4 раза как в сухом, так и водонасыщенном состоянии. Все холодные смеси с применением полимеров характеризуются минимальной слеживаемостью. Наилучшими значениями слеживаемости характеризуются холодные смеси с применением термоэластопласта ДСТ.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение асфальтобетону. Классификация асфальтобетона в соответствии с ГОСТ 9128-97. В чем отличие горячего от холодного асфальтобетона?

2.Что понимается под понятием «структура асфальтобетона»? Зависимость свойств асфальтобетона от его структуры.

3.Какие функции выполняют минеральные материалы — песок, минеральный порошок и щебень — в асфальтобетоне?

4.Какие показатели асфальтобетона нормированы в ГОСТ 9128-97?

5.Перечислите основные факторы разрушения асфальтобетона. Какую

роль играет качество нефтяного дорожного битума в обеспечении долговечности асфальтобетона в дорожном покрытии?

6.Область применения, достоинства и недостатки горячих и холодных асфальтобетонов.

7.В чем заключается преимущество горячего модифицированного асфальтобетона в сравнении с традиционным материалом, приготовленным на вязких дорожных битумах?

8.Получение традиционных жидких дорожных битумов. Модификация жидких битумов.

9.В чем заключается преимущество холодного модифицированного асфальтобетона в сравнении с традиционным материалом, приготовленным на жидких дорожных битумах?

79

ГЛАВА 3 РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ГОРЯЧЕГО И ХОЛОДНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА

Реология представляет собой раздел механики сплошных сред, изучающий законы деформирования тел, занимающих промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. В таких телах в процессе деформирования возникают одновременно как упругие (обратимые), так и пластические (необратимые) деформации. Такое деформационное поведение называют вязкоупругим. Асфальтобетон представляет собой типичный вязко-упругий материал, обладающий к тому же термопластичностью, т. е. изменчивостью соотношения между упругими и пластическими проявлениями в зависимости от температуры.

3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

Важнейшей задачей для правильного конструирования дорожных асфальтобетонных покрытий и выбора путей повышения их долговечности является установление закономерностей поведения асфальтобетонных покрытий в условиях воздействия непрерывно измеряющихся эксплуатационных факторов. Сложность этой задачи в значительной степени определяется особенностями реологического поведения асфальтобетона как многокомпонентного термопластичного материала. Деформативные свойства асфальтобетона в зависимости от условий изменяются в очень широком диапазоне: от преимущественно пластичного поведения при высоких температурах и длительно действующих нагрузках до практически полностью упругого при низких температурах и кратковременных динамических воздействиях [67].

При этом асфальтобетон в дорожном покрытии в разные периоды эксплуатации может проходить практически все стадии от пластического (необратимого) деформирования до упругого (обратимого).

Это вызывает необходимость описания на единой основе всех разнообразных проявлений и сочетаний в одном материале упругих и пластических свойств.

Необходимо отметить, что если описание полностью обратимого (упругого) поведения весьма детально разработано (теория упругости), как и теория необратимого поведения (теория пластичности, гидродинамика), то общая теория поведения материалов, проявляющих одновременно упругие и пластические свойства, в настоящее время находится в стадии формирования.

Задача построения общей теории деформирования, объединяющей в себе все возможные сочетания разных видов деформирования является важнейшей задачей реологии.

80