Глава 10 АСФАЛЬТОБЕТОН

10.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Асфальтобетоном называют материал, который получают после уплотне­ ния асфальтобетонной смеси, приготовленной в смесителях в нагретом состоя­ нии из взятых в определенных соотношениях щебня* песка, минерального по­ рошка и битума. Если вместо битума применяют деготь, то на их основе по­ лучают дегтебетон. Материал, приготовленный путем смешения битума с ми­ неральным порошком, принято называть асфальтовяжущим веществом. При введении в асфальтовяжущее вещество песка получают асфальтовый раствор (песчаный асфальтобетон).

Асфальтобетон в зависимости от вязкости битума и температуры смесей при укладке подразделяют на горячий, теплый и холодный (рис. 10.1).

Горячий асфальтобетон приготавливают на вязких битумах. Смесь укла­ дывают при температуре не ниже 100—120°С, формирование структуры бето­ на в основном заканчивается в период уплотнения.

Теплый асфальтобетон приготавливают на битумах пониженной вязкости и жидких. Смесь укладывают при 40—80°С; скорость формирования структу­ ры бетона в зависимости от битума и погодных условий может колебаться от нескольких часов до нескольких недель..

Холодный асфальтобетон приготавливают на жидких битумах. Смесь укладывают при температуре, соответствующей температуре окружающего воздуха (но не ниже 10°С); формирование структуры бетона протекает мед­ ленно (20—40 сут) в зависимости от скорости загустевания битума, погод­ ных условий и интенсивности движения автомобилей.

По крупности зерен минерального материала асфальтобетон подразделя­ ют на: крупнозернистый — наибольший размер зерен до 40 мм; среднезер­ нистый— до 25—20 мм, мелкозернистый — до 15—10 мм; песчаный — до 5 мм.

По структуре (плотности) асфальтобетон может быть: плотный, который характеризуется микропористой структурой минеральной части и остаточной пористостью от 3 до 5% объема; пористый, минеральная часть которого характеризуется крупнопористой структурой с остаточной пористостью от 5 до 10% объема.

В зависимости от содержания в асфальтобетоне (асфальтовом растворе) щебня или песка формируется макроили мезоструктура (по аналогии с гор­ ными породами) с базальной, поровой или контактной цементацией.

В асфальтобетоне с базальной структурой зерна крупного компонента не имеют взаимных контактов, они погружены в растворную часть. Механи­ ческие свойства бетона обусловливаются преимущественно свойствами асфальтового раствора. Дальнейшее насыщение асфальтобетона структуро­ образующими компонентами приводит к контактированию зерен через тон­ кие прослойки вяжущего, формируется поровая структура, при которой обра­ зуется плотный каркас из зерен, способный воспринять значительные внеш­ ние усилия. В этом случае объем асфальтового раствора соответствует объе­ му пустот в щебеночном остове. Дальнейшее увеличение содержания щебня приводит к формированию контактной структуры, в которой объем пустот в щебеночном остове превышает объем асфальтового раствора.

кающим при движении транспортных средств, чем перечисленные выше типы асфальтобетонов, поэтому его применяют для устройства покрытий на авто­ мобильных дорогах с легким движением, а также для полов в цехах промыш­ ленных предприятий, тротуаров, отмосток.

10.2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Выбор материалов и технические требования к ним обусловлены их ролью в асфальтобетоне, типом асфальтобетона и его назначением в дорожной

одежде.

Щебень. Для приготовления щебня используют прочные морозостойкие магматические, метаморфические и осадочные горные породы, а также проч­ ные и морозостойкие медленноохлажденные металлургические шлаки. Проч­ ность при сжатии горных пород должна быть не менее 100—120 МПа, а осадочных карбонатных пород и металлургических шлаков — не менее 80— 100 МПа. Несколько пониженные требования к прочности известняков, доло­ митов и шлаков компенсируются повышенной прочностью асфальтобетона в связи с хорошим прилипанием битума к этим материалам. Для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия можно применять щебень из горных пород и металлургических шлаков прочностью не менее 60 МПа. Показатель проч­ ности при износе в полочном барабане для щебня из горных пород установ­ лен не более 25—35%, а из шлаков не более 35%. Щебень для асфальтобетон­ ных смесей должен быть чистым, 'не допускается содержание глинистых и пылеватых частиц свыше 2%. Форма зерен щебня должна приближаться к тетраэдрной и кубовидной, а поверхность к шероховатой, что повышает внутреннее трение и прилипание вяжущего. Содержание лешадных и иглова­ тых зерен ограничивается io—25%. Щебень для асфальтобетонных смесей должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания, а для нижнего слоя покрытия — не менее

25циклов.

Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют дробленый

гравий с количеством дробленых зерен не менее 80% [< нему предъявляют те же требования, что и к шебню из скальных горных пород.

Песок. Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют природ­ ные и дробленые пески (высевки). Наиболее широко используют природный кварцевый песок, состоящий из окатанных зерен кварца.

Песок должен быть чистым и содержать пылевдХо-глинистых частиц не более 3% по массе.

Дробленый песок получают дроблением скальных горных пород или кристаллических металлургических шлаков. В завцвИМ0С,рИ QX прочности исходной горной породы дробленый песок делят на две марКИ g00 и 400.

Для первого из них применяют горные породы с прочностью при сжатии не ниже 80, для второго — не ниже 40 МПа.

Гранулометрическим состав песка должен обеспечивать получение смеси с другими минеральными материалами, с наибольшей плотностью. Из этих соображении для приготовления асфальтобетона приIVJ^^^юх крупно- и сред­ незернистые пески (табл. 10.1).

Минеральный нороиюк. Для асфальтобетонных ^Ме^вй минеральный по­ рошок получают размолом известняков, доломитов (прочностью не ме­ нее 20 МПа), доменных шлаков, а также битуминозные цзвесхняков Тонкость помола порошков должна быть такой, чтобы при мокр0м рассеве сквозь сит0

Физико-химическое взаимодейст­ вие битума с минеральным порошком приближенно определяют коэффици­ ентом гидрофильности частиц порош­ ка размером менее 1,25 мм. Коэффи­ циентом гидрофильности называют отношение набухания минерального порошка в воде (полярная среда) к набуханию в обезвоженном керосине (неполярная среда). Более гидро­

фильные порошки имеют большее сродство с водой и характеризуются коэф­ фициентом гидрофильности более 1, а менее гидрофильные — менее 1. Для асфальтобетона не рекомендуют порошки с коэффициентом гидрофильности более 1.

Характеристика минеральных порошков, отражающая их взаимодейст­ вие с водой, — степень набухания в воде смеси порошка с битумом. По техни­ ческим требованиям на минеральный порошок для асфальтобетона набуха­ ние смеси порошка с битумом не должно превышать 2,5%.

Карбонатные горные породы, используемые для производства минераль­ ных порошков, не должны содержать глинистых примесей более 5%.

В ряде случаев в качестве минеральных порошков применяют местные материалы — порошкообразные отходы промышленности (пыль уноса цементных заводов, золы, дефекационные отходы сахарных заводов, отходы асбоцементного производства). Качество этих порошков различное, поэтому в каждом случае проверяют свойства порошков и приготовленных смесей. Важно установить также расход битума, технологические свойства смеси на принятом порошке и влияние порошка на долговечность асфальтобетона.

Вследствие того, что минеральные порошки имеют тонкозернистый состав, они обладают повышенной гигроскопичностью и комкуются при длительном хранении на складах. Обладая большой поверхностной энергией, они интен­ сивно реагируют с битумом, быстро изменяют его вязкость, что несколько затрудняет процессы перемешивания и в особенности уплотнения смесей. Значительно улучшаются свойства минеральных порошков после предвари­ тельной гидрофобизации, т. е. обработки небольшими дозами битума малой вязкости или другими гидрофобизирующими веществами (торфяным или древесным дегтем, ферролигносульфонатом и др.). Гидрофобизированные порошки при хранении не комкуются, при транспортировании не распыливаются, значительно улучшают перемешивание и уплотнение смесей; расход битума при приготовлении асфальтобетонных смесей уменьшается.

Прогрессивным способом улучшения качества минерального порошка является разработанная Л. Б. Гезенцвеем активация поверхности зерен би­ тумом с поверхностно-активными добавками в процессе помола, при которой совмещается физико-химическая обработка с механическими воздействиями.

Битумы. Марку вязкого битума, а также класс и марку жидкого битума выбирают в зависимости от вида асфальтобетона, климатических условий района строительства и категории дороги, а для холодного асфальтобетона с учетом условий и сроков хранения смеси на складе. В исключительных

случаях при отсутствии вязких битумов марок БНД 130/200, БНД 200/300 или жидких битумов они могут быть приготовлены на асфальтобетонном заводе смешением вязкого битума с разжижителем. Выбор разжижителя зависит от вида и типа асфальтобетона, качества минеральных составляю­ щих, условий строительства и эксплуатации дорожных покрытий. Ориентиро­ вочное Количество разжижителя для получения битумов требуемой марки

приведено в табл. 10.2.

Равномерное распределение битума в асфальтобетоне решающим обра­ зом влияет на прочность, устойчивость и долговечность покрытия. В случае неполного покрытия минеральных зерен битумной пленкой из-за недостатка битума асфальтобетон разрушается во влажной среде вследствие проника­ ния воды через открытые места на зернах под битумную пленку и вытеснения ее с поверхности. Избыток битума ухудшает равномерность распределения вяжущего в асфальтобетоне за счет миграции части битума при уплотнении смеси из зон повышенного напряжения в зоны малого напряжения и др.

Допустим, что зерна в асфальтобетонной смеси приближаются по своей форме к правильной. Их удельную поверхность можно выразить в следующем виде:

Общая поверхность минеральной части асфальтобетона складывается из поверхностей минерального порошка, песка и щебня:

то общая поверхность будет равна 49 м2/кг. На долю минерального порошка приходится 80%, дробленого песка 15, природного песка 3,7 и на долю щебня 0,3% от общей поверхности минеральной части. Следовательно, на порошок, который составляет лишь 10% от общей массы, приходится 80% поверхности, в то время как щебень составляет 40, а его поверхность лишь 0,3%.

Распределение битума в асфальтобетоне взаимосвязано с удельной поверхностью минеральных зерен следующей зависимостью:

б аБ

где б — толщина битумной пленки на минеральных зернах, мкм; а — пере­

ГруНПОной состли оитума, %

Физическое взаимодействие битума с минеральными материалами

обусловлено способностью вяжущего адсорбироваться на поверхности мине­ ральных зерен. В результате формируются адсорбционные слои (слои повы­ шенной концентрации высокомолекулярных составляющих битума). Наряду с адсорбционным взаимодействием на границе битум — минеральный мате­ риал проявляют свое действие межмолекулярные силы минерального мате­ риала. Это дальнодействующие поверхностные силы, действие которых рас­ пространяется на несколько сотен и даже тысяч ангстрем. Битум, попадая в зону их действия, претерпевает структурные изменения. Высокомолекуляр­ ные соединения битума, проявляя «эстафетное действие» (впервые открытое

Б.В. Дерягиным для других систем), образуют цепочки, перпендикулярные

кповерхности минеральных зерен. Наибольшая прочность звеньев цепочки у поверхности зерен (ориентированный слой битума). По мере удаления от зерна прочность связи падает, вяжущее приобретает свойства объемного (свободного) битума.

Вориентированном слое битума выделяют три зоны с характерными структурой и физико-механическими свойствами: твердообразную, структури­ рованную, диффузионную. Твердообразная зона, граничащая с поверх­ ностью минерального материала, представляет адсорбционный слой, предель­ но насыщенный асфальтенами. Минеральные зерна, покрытые пленкой, меж­ ду собой не слипаются, так как пленка нс обладает клеящей способностью. Толщина твердообразной зоны на минеральных зернах не превышает долей микрометра. Структурированная зона состоит из упорядоченно расположен­ ных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных к минераль­ ному зерну. Толщина зоны не превышает 1—2 мкм. Диффузная зона пред­ ставлена слабым упорядочением высокомолекулярной части битума, перехо­

от природы и размера зерен, а также от содержания в битуме, асфальтенов величина ориентированного слоя может меняться от долей микрометра до нескольких микрометров (3—6 мкм). По мере приближения к поверхности минеральных материалов в связанном слое увеличивается содержание асфальтенов (табл. 10.5). Следовательно, при полном переводе битума в'асфальтобетоне из объемного в ориентированное состояние достигается наибольшая прочность системы. Поэтому асфальтовяжущее, в котором тол­ щина пленки менее 1 мкм, обладает значительно большей прочностью, чем асфальтовый раствор и тем более асфальтобетон. Необходимо стремиться к тому, чтобы отдельные минеральные зерна соприкасались между собой по

слою ориентированного битума.

Химическое взаимодействие битума с минеральным материалом приводит к образованию на границе раздела фаз новых химических соединений. Хемоадсорбционные процессы возникают при объединении минеральных материа­ лов из карбонатных и основных горных пород с битумами, содержащими анионоактивные поверхностно-активные вещества (нафтеновые, асфальтогеновые кислоты и т. д.). Между известняком и битумом, содержащим, на-

пример, асфальтогеновые кислоты, происходит реакция с образованием каль­ циевых мыл:

СаС03+ 2RCOOH-+Ca (RCOO) 2+ Н2С03.

Так как это соединение нерастворимо в воде, битумные пленки, образован­ ные на поверхности минеральных частиц, устойчивы к действию воды.

При объединении битума с кислыми минеральными материалами, богаты­ ми кремнеземом, хемосорбционные соединения не образуются. Прочность сцепления битумной пленки с поверхностью минеральных частиц понижен­ ная, особенно в присутствии воды, так как обусловлена лишь физической адсорбцией. Для образования химических соединений на границе битум — минеральный материал из кислых горных пород (гранит, песчаник) в битум вводят катионоактивные ПАВ. Только в этом случае возможно образование химических соединений:

Si02+ RNH2^ N H 30 2.

Катионактивные ПАВ улучшают прилипание битума не только к породам, богатым кремнеземом, но и к карбонатным. В известняке, например, всегда имеются примеси кремнезема, которые создают отрицательно заряженные центры на поверхности частиц. Взаимодействие катионактивного ПАВ с известняком идет по этим центрам.

Фильтрация битума и его компонентов внутрь минеральных зерен зависит главным образом от их пористости. По макропорам внутрь зерен фильтрует­ ся объемный битум. Наличие микропор на поверхности зерен приводит к изби­ рательной диффузии компонентов битума, заключающейся в следующем. Наиболее подвижный компонент битума — масла проникают по капиллярам внутрь зерен на наибольшую глубину. Смолы из-за меньшей подвижности и большей активности проникают на меньшую глубину в зерна. Поверхност­ ный слой битума на таких зернах обогащен асфальтенами. Взаимодействие пористых материалов с битумом приводит к тому, что битумные пленки стано­ вятся более жесткими и менее эластичными, а это ускоряет переход асфальто­ бетона в хрупкое состояние. При применении таких минеральных материалов вязкость битума должна быть меньше на 10—15%, чем битумов, применяе­ мых в асфальтобетонах, минеральная часть которых состоит из плотных материалов.

§ 10.4. СТРУКТУРА АСФАЛЬТОБЕТОНА

Свойства строительных материалов определяются их вещественным со­ ставом, состоянием и структурой. Структура материалов является наиболее важным и наиболее общим их признаком. Аналогично тому, как для хими­ ческого вещества важнейшее значение имеет его молекулярное строение, так для строительных материалов очень важным признаком является его структу­ ра, определяемая количеством и качеством минеральных составляющих, их взаимным расположением и характером связей между ними.

Впервые представления о взаимосвязи структуры и свойств асфальтобето­ на были изложены П. В. Сахаровым. Он считал, что многообразие свойств асфальтобетона зависит от его структуры, которая является функцией свойств частей, их относительных масс в единице объема готового материала, равномерности распределения, правильности и тщательности производст­ венных процессов. П. В. Сахаров предложил рассматривать асфальтобетон как материал, состоящий из двух частей — минерального остова и асфальто­ вяжущего вещества, состоящего из битума и минерального порошка.

Более поздние исследования, выполненные под руководством М. И. Волко­ ва, показали, что структуру асфальтобетона методологически целесообраз­ нее рассматривать как трехкомпонентную систему, состоящую из микро-, мезо- и макроструктур. Микроструктура — это структура асфальтовяжуще­ го вещества, мезоструктура — асфальтового раствора (песок + асфальто­

вяжущее вещество), макроструктура — асфальтобетона (щебень + асфаль­ товый раствор).

Микроструктура асфальтобетона отражает количественное соотношение, расположение и взаимодействие битума и наиболее дисперсной и активной составляющей асфальтобетона — минерального порошка. Прочность микро­ структуры резко изменяется в зависимости от содержания минерального по­ рошка (рис. 10.2). На начальном участке / кривой изменение прочности прямо пропорционально количеству вводимого минерального порошка. В этом случае минеральные частицы с образующимися в них ориентирован­ ными слоями битума не взаимодействуют между собой, формируется базаль­ ная структура асфальтовяжущего вещества. Увеличение прочности объясня­ ется ростом гидродинамического сопротивления движению. С увеличением содержания минерального порошка (участок II) расстояние между отдель­ ными частицами становится меньше, чем сумма толщин структурированных оболочек двух соседних частиц, и свойства системы обусловливаются сте­ пенью взаимодействия ориентированных слоев. Это приводит к формирова­ нию поровой структуры материала. Высокая прочность асфальтовяжущего вещества в точке экстремума объясняется тем, что битумная пленка на зер­ нах толщиной 0,23—0,25 мкм полностью находится в ориентированном со­ стоянии под действием поверхностных сил минеральных зерен. Точка экстре­ мума соответствует и максимальной величине объемной массы.

При увеличении количества минерального порошка выше оптимального предела в системе увеличивается число пор, битума не хватает для обволаки­ вания минеральных зерен, появляются контакты по твердой поверхности (контактная структура). Все это приводит к резкому снижению прочности

(участок III).

Оптимальное количество битума взаимосвязано с его вязкостью. Так, для

мы, что в первую очередь связано с повышением неоднородности смеси и по­ явлением в системе объемного битума (рис. 10.3). Влияние вязкости исходно­ го битума на прочность уменьшается с ростом содержания в системе песча­ ных частиц. Прослеживается четкая зависимость отношения битума к мине­ ральному порошку (Б/П) от вязкости битума.

Макроструктура формируется щебнем, который рассматривается как основной структурообразующий элемент, мелко-, средне- и крупнозернистых асфальтобетонов. В песчаном асфальтобетоне макроструктура формируется зернами 5—1,25 мм. Макроструктура асфальтобетона определяется количест­ венным соотношением, взаимным расположением, крупностью зерен щебня, связанных в монолит асфальтовым раствором, а также характером процес­ сов взаимодействия на границе раздела фаз: поверхность минерального мате­

риала — битум.

Структурообразующая роль щебня так же, как и песка, значительно отли­ чается от роли минерального порошка. Его основное назначение заключается в формировании пространственного Каркаса, обеспечивающего прочность асфальтобетона.

При незначительном содержании щебня свойства асфальтобетона опреде­ ляются свойствами асфальтового раствора, поскольку зерна щебня являются отдельными вкраплениями, «плавающими» в растворной части. Зерна щебня в этом случае разделены толстыми прослойками раствора и являются

с заданной структурой и свойствами достигается путем установления коли­ чественных соотношений между микро-, мезо- и макроструктурой и выдержи­ вания этих соотношений при производстве смесей. При этом необходимо помнить, что данной макроструктуре соответствует только определенные мезо- и микроструктуры (рис. 10.5). Так, наиболее высокие показатели прочности асфальтобетона с базальной макроструктурой (щебня<35%)^ достигаются при контактно-поровой мезоструктуре (песка >40%) и поровой микрострук­ туре (минерального порошка >15%). Наилучшие показатели асфальтобето­ на с поровой макроструктурой (щебня 50—60%) достигаются при поровобазальной мезоструктуре (песка 30—40%) и базальной микроструктуре (ми­ нерального порошка около 10%), а с контактной макроструктурой (щеб­ ня 65%) при базальной мезоструктуре (песка 30%) и базальной микрострук­ туре (минерального порошка 5%). Отношение битума к минеральному по­ рошку в асфальтобетоне с базальной макроструктурой должно быть в преде­ лах 0,5—0,6 с базально-поровой 0,6—0,9, с поровой и порово-контакт-

ной 0,9—1,1/ Существует зависимость, согласно которой тип структуры асфальтобето­

на определяется вязкостью битума. Концентрация минерального порошка в битуме обратно пропорциональна вязкости последнего. Отношение МП:Б

с недостаточной насыщенностью жидких битумов асфальтенами, при этом зерна минерального порошка являются центрами структурообразования и способствуют упрочнению структуры и ее стабилизации. Переход жидких битумов в структурированное состояние сопровождается возникновением ко­ агуляционных контактов, а при значительном насыщении битума минераль­ ным порошком — резким упрочнением системы и формированием вторичной

коагуляционной структуры.

Тип и свойства вяжущего определяют не только микроструктуру асфаль­ тобетона но и тесно увязываются со свойствами макроструктуры. С уменьше­ нием вязкости применяемого битума закономерно снижается оптимальное содержание щебня (табл. 10.6) и происходит переход от контактно-поровой макроструктуры к поровой, а затем к базальной. Понижение вязкости битума вызывает необходимость уменьшения содержания макроструктурах элементов и увеличения содержания асфальтового раствора. Асфальтобетон на би­ туме БНД 40/60 достигает наибольшей прочности при содержании щеб­ ня 55%, а На битуме БНД 130/200—40%.

упруго-хрупком, при котором минеральный остов строго фиксирован застеклованными прослойками битума. В этом случае асфальтобетон по свойст­

вам приближается к цементобетону и другим искусственным материалам с кристаллизационными связями;

упруго-пластинном, когда зерна минерального остова соединены прослой­ ками битума, которые проявляют при напряжениях, не превышающих предел

текучести, упругие и эластические свойства, а при больших напряжениях — упруго-вязкие свойства;

вязко-пластичном, при котором зерна минерального остова соединены полужидкими прослойками битума и небольшое по величине напряжение приводит к деформированию материала.

Асфальтобетон в дорожном покрытии, кроме воздействия автомобилей, подвергается воздействию атмосферных и талых вод; вода проникает в поры асфальтобетона и ослабляет взаимную связь минеральных материалов с пленкой вяжущего. Поэтому оценку прочности асфальтобетона дают при следующих критических условиях:

максимальной для данной местности температуре асфальтобетонного по­ крытия, когда когезия вяжущего минимальна;

минимальной температуре, когда прочность достаточна, так как когезия вяжущего достигает наибольших значений, но при нарушении однородности структуры, особенно при повторных замораживаниях, минимальные удлине­ ния способствуют образованию трещин, а в отдельных случаях и выкрашива­ нию покрытия;

некоторых средних температурах, когда наиболее вероятно водонасыщение асфальтобетона и снижение прилипания вяжущего к минеральным мате­ риалам, которые могут привести к быстрому износу и хрупкому разрушению покрытия.

Под механической нагрузкой асфальтобетон проявляет комплекс слож­ ных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, накопле­ ние деформации при многократных приложениях нагрузки и т. д. В зависи­ мости от проявления тех или иных свойств к асфальтобетону применимы законы теории упругости или теории пластичности. Свойства асфальтобето­ на обычно начинают рассматриваться с ведущего показателя механических свойств материала — прочности.

Прочность. Свойство асфальтобетона сопротивляться разрушению под действием механических напряжений характеризует прочность. Прочность указывает границы допустимых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации конструкции. Для асфальтобетона как термопластичного мате­ риала различают два вида потери прочности: в упругой стадии, приводящую к разрушению покрытия; в пластической стадии, приводящую к возникнове­ нию деформаций, нарушающих нормальную эксплуатацию конструкции. Особенностью разрушения асфальтобетона по сравнению с цементобетоном и другими подобными материалами является резко выраженная зависимость прочности от времени действия нагрузки и температуры.

Разрушение асфальтобетона под действием приложенного напряжения представляет собой кинетический процесс, развивающийся во времени. Чем больше величина действующих напряжений, тем быстрее протекает процесс разрушения. Таким образом, механические свойства асфальтобето­ на характеризуются двумя показателями; разрушающим напряжением и ве­ личиной длительной прочности (время, в течение которого асфальтобетон

выдерживает заданное напряжение без разрушения).

Зависимость значений разрушающего напряжения от длительности пребывания материала Я Напряженном состоянии обусловлена процессом

усталости. Усталость характеризует постепенное снижение работоспособ­ ности асфальтобетона при длительно действующих или многократно повторяющихся нагрузках. Статическая усталость проявляется в сниже­ нии долговечности материала при многократных циклически действую­ щих нагрузках. Ее характеризуют числом циклов, которое выдерживает асфальтобетон до разрушения.

Основным требованием, которому должен удовлетворять асфальто­ бетон, работающий в условиях повышенных положительных температур, является его сдвигоустойчивость. Прочность при сдвиге асфальтобетона при повышенных температурах может быть охарактеризована видоизме­ ненным уравнением Кулона:

реннего трения асфальтобетона с учетом смазывающего действия битума; Q _зацепление зерен при сдвиге асфальтобетона, МПа; 2 б — сцепление в'асфальтобетоне, содержащем битум в количестве б.

Из уравнения видно, что заданная прочность при сдвиге т может быть получена при различных значениях факторов, определяющих прочность и зависящих в одном случае от свойств минерального остова фаб, Сс, в дру­ гом — от сил сцепления 2 б, обусловливаемых свойствами битума.

На рис. 10.6 показана последовательность определения сдвиговых параметров: в результате сдвига уплотненного минерального остова тмо вначале определяется его угол внутреннего трения фмо и зацепление Сс, а затем при сдвиге асфальтобетона фаб с точно таким же минеральным остовом определяется сцепление С в асфальтобетоне и по разности С—Сс вычисляется сцепление 2 б.

При больших значениях внутреннего трения и зацепления минераль­ ного остова заданную прочность на сдвиг можно достичь при относитель­ но небольшом сцеплении, обусловливаемом высокой вязкостью битума, а также путем применения минеральных материалов с малыми значения­ ми фаб и Сс. Но свойства минерального материала в диапазоне эксплуата-

ходится на долю асфальтовяжущего вещества. В малощебенистом асфальто­ бетоне 72% приходится на каркас и 28% на долю асфальтовяжущего ве­ щества. При изменении скорости сдвига с 50 до 0,01 мм/мин прочность многощебенистого асфальтобетона уменьшается на 28, малощебени­ стого на 45%.

Испытание на сдвиг при двух сильно разнящихся скоростях лучше выявляет сдвигоустойчивость асфальтобетона с различным минеральным остовом, чем обычное испытание, и позволяет раскрыть поведение асфаль­ тобетона в стадии обратимых деформаций, что соответствует реальной работе материала в покрытии, которое не накапливает остаточных дефор­ маций.

Испытания на сдвиг асфальтобетона с 20 до 65% щебня при цикли­ ческом приложении нагрузки, выполненные Н. В. Горелышевым, показа­ ли, что при 50°С, вертикальной нагрузке 0,5 МПа и скорости деформиро­

Таким образом, о сдвигоустойчивости асфальтобетона при повышенных температурах воздуха объективно можно судить по результатам испытаний с различной скоростью сдвига и при выделении упругой составляющей из об­ щей деформации. Однако испытания на сдвиг являются еще достаточно громоздкими, поэтому вместо этого испытания сдвигоустойчивость оценива­ ют непосредственно по прочности при сжатии. Прочность асфальтобетона принято оценивать по испытанию цилиндрических образцов на сжатие при 50, 20 и 0°С и скоро.сти деформирования 3 мм/мин. Наиболее важен показатель прочности при 50°С, по которому судят о поведении асфальтобетонного по­ крытия под нагрузкой в летнее время. Прочность при сжатии асфальтобетона при этой температуре должна быть не ниже величин, приведенных

в табл. 10.9.

Если при 50°С нормативными документами ограничивается нижний предел прочности (1— 1,2 МПа), то при 0°С ограничивается верхний предел прочности (не более 12 МПа). Показатель прочности при сжатии при 50°С характеризует сдвигоустойчивость асфальтобетона при высокой температуре И сопротивляемость материала образованию пластических деформаций в покрытии. Показатель прочности при 0°С косвенно характеризует трещиностойкость асфальтобетона при низкой температуре.

Для характеристики пластичности асфальтобетона при положительных температурах, когда возможно возникновение деформаций покрытий (вол­ ны, наплывы), может служить показатель пластичности, впервые получен-

ный Н. Н. Ивановым на основе анализа результатов испытаний на сжатие при разных скоростях деформирования:

#i = /ZL

v 2

где /?! и /?2 — предел прочности при сжатии; vx и v2— скорости дефор­ мирования (обычно 3 и 30 мм/мин);

R

К =

v\ lg v2

Асфальтобетон считают непластичным, если при 50°С /(<0,10, нормаль­ ной пластичности при К = 0,154-0,24 и пластичными при /(>0,25.

Прочность асфальтобетона при растяжении определяют непосредствен­ ным растяжением специально приготовленного и закрепленного образца или более простым «бразильским» методом, не требующим специального приго­ товления образцов сложной формы. Цилиндрический образец асфальтобето­ на диаметром D и высотой Н подвергают сжатию по образующей. Прочность при растяжении по этому методу

где а — коэффициент, который для асфальтобетона, как пластичного тела, может быть принят равным единице (для хрупких тел — 0,63); Р — разрушающее усилие, Н; D и Н — диаметр и высота образца, см.

С понижением температуры происходит приращение прочности, что связа­ но со структурными изменениями в битумной пленке (рис. 10.7). Участок стабилизации прочности асфальтобетона характеризует переход битумной

сокращается, в покрытии возникают растягивающие напряжения, которые до известной степени могут компенсироваться его пластичностью. Для пред­ отвращения образования трещин необходимо, чтобы асфальтобетон обладал способностью деформироваться под действием растягивающих напряжений без нарушения сплошности. Для оценки обычно используют предельную отно­ сительную деформацию в момент разрушения. Если деформирование чисто упругое, то критическая относительная деформация не превышает 0,001. По мере повышения температуры критическое относительное удлинение увеличивается.

Деформативность асфальтобетона. Ее оценивают по относительной деформации асфальтобетонных образцов при испытании на изгиб или растя­ жение. Покрытие будет устойчивым против образования трещин, если асфальтобетон обладает относительным удлинением при 0°С не менее 0,004— 0,008, а при —20°С не менее 0,001—0,002 (при скорости деформации, близ­

кой к 5—10 мм/мин).

Реологические свойства асфальтобетона. Показатели прочности асфаль­ тобетона не позволяют полностью характеризовать работу материала в по­ крытии, так как при нагружении в нем возникают не только обратимые, но и необратимые деформации, величина которых связана с уровнем напряже­ ния, временем действия напряжения и скоростью деформации. Изучением поведения материалов под действием приложенных нагрузок занимается реология — раздел механики, тесно примыкающий к физике и охватываю­ щий вопросы деформирования разнообразных материалов от твердых тел до

жидкостей.

Существуют различные подходы к изучению реологии асфальтобетона: теоретические преследуют цель разработки математической модели, описы­ вающей поведение материала; практические объясняют поведение материа­ ла при деформировании исходя из особенностей его структуры и состава. Эти подходы позволяют определить упругость, вязкость, пластичность мате­

риала, также установить соотношение между ними.

При эксплуатации асфальтобетонного покрытия могут быть следующие режимы нагружения: постоянная нагрузка, равномерно возрастающая на­ грузка, деформирование с постоянной скоростью. Определение изменения свойств асфальтобетона за длительный период производят испытанием на

ползучесть.

Ползучесть и упруго-вязкие свойства асфальтобетона. Испытание асфаль­ тобетона на ползучесть позволяет установить изменение деформации во вре-

ограниченно большого времени. Горячий асфальтобетон при температуре^ 20°С и напряжениях, не превы­

Кривые ползучести, построенные в логарифмическом масштабе, дают прямолинейную зависимость деформации от времени приложения нагрузки (рис. 10.9), что позволяет определить степень пластичности асфальтобетона по углу наклона линии к оси времени. Степень пластичности P = tga горячего асфальтобетона при 20°С находится в пределах 0,4—0,6. Чем ниже степень пластичности, тем в большей мере асфальтобетон приближается к упругому телу (Р = О ). Модуль упругости при сжатии цилиндрических образцов по­

При определен и и модуля деформации в формуле вместо упругой деформа­ ции образца принимают упругую полную деформацию. Для образцов-бало- чек с нагрузкой в середине пролета

Г___ — ____

v 4 8 S V / ’

где / — расстояние между опорами-; Sy — упругий прогиб балочки; / —

Асфальто'вяжущее вещество с оптимально малым содержанием битума обладает наибольшим модулем упругости. Насыщение асфальтовяжущего мелким песком приводит к снижению модуля упругости, а введение в асфаль­ товый раствор зерен крупнее 1,25 мм — к новым качественным изменениям. Значение модуля упругости возрастает, так как часть'нагрузки воспринима­

Релаксация напряжений. Релаксация — уменьшение напряжений в мате­ риале, величина деформации в котором поддерживается постоянной. Процесс релаксации заключается в «перерождении» упругой деформации в пластичную.

Релаксация напряжений в асфальтобетоне связана с наличием битума, обладающего гораздо меньшей прочностью и вязкостью, чем минеральные материалы. Температуры и вязкость битума оказывают влияние на характер релаксации напряжений в асфальтобетоне. С понижением температуры раз­ личие в релаксационных процессах уменьшается, с повышением — релакса­ ционная способность материала увеличивается. Напряжения в асфальтобе­ тоне при постоянной деформации делят па релаксирующие и иерелакенрующие:

ак— нерелаксирующая часть напряжений.

Релаксирующая часть напряжений описывается экспоненциальной зави­ симостью

ст,=--асе Л

где ао— величина релаксирующей шети напряжений в начальны!! мо­

мент времени; / — время; k — постоянная.

Релаксирующая часть напряжений взаимосвязана с типом структуры асфальтовой системы. Асфальтовяжущее вещество в меньшей степени релаксирует напряжение, чем асфальтобетон. Это объясняется тем, что на крупных частицах толщина битумной пленки больше, чем на мелких.

На характер релаксации в значительной степени влияет начальное напря­ жение, сообщаемое материалу. При высоком начальном напряжении процесс релаксации протекает интенсивно, в материале остается мало нсотрелакспрованных напряжений, что объясняется облегчением пластического течения

по релаксационным плоскостям.

Релаксационные процессы в асфальтобетоне зависят от скорости дефор­ мации, (нагружения). Процесс нагружения рассматривают как совокупность двух одновременно протекающих процессов роста напряжений и их рсдак-

лаксирует напряжения, так как он настолько приближается к упругим телам, что релаксация,^ происходящая за счет вязкого течения, практически отсут­ ствует. При 50°С доля отрелаксированных напряжений наибольшая, что

вполне закономерно, так как вязкость системы снижается при повышенных температурах.

Водостойкость. Асфальтобетонные покрытия при длительном увлажнении вследствие ослабления структурных связей могут разрушаться за счет выкра­ шивания минеральных зерен, что приводит к повышенному износу покрытий и образованию выбоин. Водостойкость асфальтобетона зависит от его плот­ ности и устойчивости адгезионных связей. Вода как полярная жидкость хоро­ шо смачивает все минеральные материалы, а это значит, что при длительном контакте минеральных зерен, обработанных битумом, возможна диффузия воды под битумную пленку. При этом минеральные материалы с положитель­ ным потенциалом заряда поверхности (кальцит, доломит, известняк) в боль­ шей степени препятствуют вытеснению битумной пленки водой, чем материа­ лы с отрицательным потенциалом поверхности (кварц, гранит, андезит). Образование адсорбционного слоя воды понижает поверхностную энергию твердого тела, а следовательно, и работу по образованию новых поверх­ ностей при деформации. Сорбированные молекулы воды легко мигрируют по поверхностям, вновь образующимся в деформируемом материале, что при­ водит к его разрушению.

за счет снижения поверхностной энергии стенок трещин и ослабления струк­ турных связей у вершины трещины по мере ее развития. Закономерное сниже­ ние прочности асфальтобетона с увеличением срока выдерживания материа­ ла в воде объясняется постепенной диффузией воды внутрь материала и все увеличивающимся расклинивающим действием воды. Значительно разруша­ ют структуру асфальтобетона его частые попеременные увлажнение и высы­ хание. Перемещаясь в порах, вода вызывает неравномерное распределение напряжений, что также способствует разрушению.

Пористость оказывает большое влияние на водостойкость асфальтобето­ на, обычно она составляет 3—7%. Поры в асфальтобетоне могут быть откры­ тые и замкнутые. С уменьшением размера зерен увеличивается количество

стойкости за счет вырывания щебенок из поверхности покрытия.. На покрытии в этом случае образуются оспины.

Износ покрытий из песчаного асфаль­ тобетона прежде всего взаимосвязан с ха­ рактером поверхности частиц, поэтому износ асфальтобетона на высевках извер­ женных горных пород всегда меньше из­ носа бетона на окатанном кварцевом песке. Истираемость асфальтобетонного покры­ тия при интенсивном автомобильном дви­ жении составляет 0,3—1,0 мм в год.

Износостойкость можно определить с помощью прибора ХАДИ. Образец асфаль­ тобетона диаметром 50 или 70 мм укрепля­ ют в обойме-держателе прибора. Вслед­ ствие вращения истирающего круга (ста­ льного, с наклеенным слоем резины) и

испытуемого образца в противоположные стороны процесс истирания прибли­ жается к процессам, происходящим в покрытии под действием автомобилей. Потеря определяется по разнице массы образца до и после испытания. Зная потерю массы и объемную массу испытываемого образца, подсчиты­ вают объем изнашиваемого материала.

Износостойкость асфальтобетона, изготовленного на различных материа­ лах, приведена на рис. 10.12. Высокую износостойкость имеют асфальтобето­ ны, в состав которых входит щебень с наименьшей дробимостью при уплотне­ нии. Износостойкость асфальтобетона, изготовленного на щебне из капилляр­ но-пористых известняков, повышается вследствие более прочного прилипа­ ния пленки битума к поверхности материала.

Асфальтобетонные покрытия с ровной, сухой и чистой поверхностью (за исключением покрытий с избытком битума) обеспечивают достаточное сцепление шин автомобиля е поверхностью покрытия. При этом шерохова­ тость поверхности покрытии не оказывает существенного влияния на сопро­ тивление скольжению шин. На покрытиях с увлаженной поверхностью степень сопротивления скольжению шин значительно снижается из-за нали­ чия воды в. зоне контакта шин с покрытием.

Степень сопротивления скольжению оценивается коэффициентом сопро­ тивления скольжению ср (коэффициент сопротивления), представляющим собой отношение силы сопротивления скольжению к нормальной нагрузке на покрытие в зоне контакта шины с покрытием. Коэффициент сцепления на сухом и мокром асфальтобетонном покрытии имеет следующие значения:

При коэффициенте сцепления менее 0,4 покрытие становится недопустимо скользким и аварийность на нем резко увеличивается. Коэффициент сцепле­ ния 0,4—0,5 в большинстве случаев удовлетворяет требованиям безопасно­

сти движения.

Повышение коэффициента сцепления достигается за счет применения асфальтобетона поровой и контактно-поровой структуры. Шероховатость обеспечивается при содержании щебня из труднополирующихся пород в ко-

личестве 50—65% в зернистых смесях и 35—55% зерен крупнее 1,25 мм - в песчаных на дробленом песке из труднополирующихся пород, а также уменьшением до возможных пределов содержания минерального порошка (4—ю% в зернистых смесях и 8—14% — в песчаных).

Общие зависимости между шероховатостью, качеством составляющих и составом асфальтобетонных смесей следующие: степень шероховатости покрытия пропорциональна острогранности и собственной шероховатости зерен каменного материала; долговечность шероховатости тем больше, чем труднее шлифуется каменный материал, чем выше вязкость битума; чем больше дробленых зерен в смеси и чем меньше в ней минерального порошка, тем выше шероховатость.

§10.6. НОРМАТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АСФАЛЬТОБЕТОНУ

ИРАСЧЕТХОСТАВА

Свойства асфальтобетона и асфальтобетонных смесей должны соответ­ ствовать ГОСТ 9128—76 «Смеси асфальтобетонные дорожные аэродромные и асфальтобетон». Стандарт распространяется на горячие, теплые и холод­ ные асфальтобетонные смеси, применяемые для устройства покрытий и осно­ ваний автомобильных дорог, аэродромов, городских улиц и площадей, дорог промышленных предприятий.

Стандартные классификационные признаки асфальтобетона приведены в § 10.1. Имеются типы плотных горячих и теплых асфальтобетонов в зависи­ мости от содержания щебня и песка: А — 50—65% щебня; Б — 35—50% щебня (гравия); В — 20—35% щебня (гравия); Г — не менее 33% фрак­ ции 1,25—5 мм в дробленом песке; Д — не менее 14% фракции 1,25—5 мм в природном песке.

Показатели физико-механических свойств и структуры плотных горячих и теплых асфальтобетонов должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 10.12.

Расчет состава асфальтобетона заключается в выборе рационального соотношения между составляющими материалами, обеспечивающего опти­ мальную плотность минерального остова при требуемом количестве битума и получение бетона с заданными техническими свойствами при определенной технологии производства работ.

Широкое распространение получил метод расчета по кривым плотных смесей. Наибольшая прочность асфальтобетона достигается при условии максимальной плотности минерального остова путем расчета гранулометри­ ческого состава и определения содержания оптимального количества битума и минерального порошка.

Расчет асфальтобетона по кривым плотных смесей ведут на основе зада­ ния, в котором должно быть указано назначение асфальтобетона и период строительства. Необходимы данные о свойствах и стоимости исходных мате­ риалов. Расчет состава ведут по этапам: определяют качество исходных мате­ риалов и оценивают соответствие их свойств установленным требованиям.

Если имеется несколько разновидностей материалов, выбирают лучший из них для конкретных условий работы асфальтобетона: рассчитывают грану­ лометрический состав минеральной части смеси по принципу минимума пустот; определяют оптимальное количество битума; определяют физико­ механические свойства рассчитанных смесей; вносят коррективы в получен­ ные составы смесей. Основным показателем правильности расчета минераль­ ной части является получение смеси с минимумом пустот. Как показали исследования В. В. Охотина и Н. Н. Иванова, между плотностью и грануло-

шенное количество минерального порошка. Кривая гранулометрического состава конкретной рассчитываемой смеси должна располагаться между предельными кривыми.

Высокие эксплуатационные показатели дают смеси с повышенным содер­ жанием щебня и уменьшенным содержанием минерального порошка. Поэто­ му нормативные документы рекомендуют составы, вписывающиеся между предельными кривыми с коэффициентами сбега 0,65—0,80, при этом пори­ стость минерального остова должна соответствовать установленным требо­

ваниям (ГОСТ 9128—76).

В случае невозможности расчета плотной минеральной смеси по предель­ ным кривым (при отсутствии крупнозернистых песков и невозможности обогащения мелких песков высевками) необходимая плотность может быть

подобрана по принципу прерывистой гранулометрии.

Как показали исследования Союздорнии, прерывистая грануломет­ рия приводит к получению жесткого каркаса за счет меньшей раздвижки крупных зерен более мелкими. Асфальтобетонные смеси с прерывистой грану­ лометрией более сдвигоустойчивы, чем смеси с непрерывным гранулометри­

ческим составом.

Составы минеральной части асфальтобетонной смеси с прерывистой гра­ нулометрией, в которой отсутствует фракция 5—0,63 мм, приведены

в ГОСТ 9128—76.

При использовании материалов, различающихся между собой по плот­ ности на величину более 0,2 г/см3, необходимо вносить поправки в соотноше­

где у0—плотность минеральных материалов, количество которых преооладает в смеси; у, — плотность минерального материала, отличающаяся от у0

на 0,20 г/см3 и более.

На следующем этапе расчета асфальтобетона определяют оптимальное содержание битума. Существует несколько методов определения содержания битума в асфальтобетоне, но наиболее широко применяется метод, основан­ ный на расчете количества битума по пустотности минерального остова и за­

данной пористости асфальтобетона.

%; Pi— содержание фракции i в частях от целого; Б, — битумоемкость фракции %.

Вводят заданное количество третьей фракции (0,14—0,315 мм) и опреде­ ляют ее битумоемкость. Так, введением последующих фракций в смесь опре­ деляют битумоемкость всех фракций, входящих в состав асфальтобетонной смеси.

Так как битумоемкость является постоянной для данного минерального материала, то при применении материалов, у которых битумоемкость извест­ на, можно пользоваться данными, приведенными в табл. 10.13 (битум БНД 90/130). Тогда расчет сводится к определению удельной битумоемкости

На оптимальное содержание битума влияет шероховатость зерен, степень запыленности, содержание глинистых включений, активность минерального материала и битума, пустотность смеси. Поэтому оптимальное содержание битума может отклоняться от расчетного на ±5%.

Как показали испытания, для расчетного материала можно принимать битумоемкость, имеющуюся для материалов, близких по свойствам. При этом ошибка в расчете будет незначительной.

Пример. Требуется рассчитать оптимальное количество битума в мелкозернистом асфальто­ бетоне, приготовленном на гранитном щебне и высевках, кварцевом песке и известняковом по­ рошке. Минеральная часть, подобранная по предельным кривым, имеет следующий грануломет­ рический состав (табл. 10.14).

Зная битумоемкость каждой фракции принятых материалов (см. табл. 10.13) и количество фракций в смеси, определяют содержание битума. Для этого величину частных остатков в частях от целого умножают на битумоемкость каждой фракции материала и произведения складывают. Например, для определения удельной битумоемкости 0,332 частей гранитного щебня фрации 15— 5 мм указанную величину умножают на битумоемкость (4,3%) и получают 1,42%. Для других фракций и материалов поступают аналогично. Запись удобно производить по форме, приведен­

Таким образом определяют, что расчетное содержание битума марки БНД 90/130 в асфаль­ тобетоне составляет 6,8% от массы минеральной части. При определении количества битума другой марки в этой смеси необходимо полученное содержание умножить на соответствующий коэффициент К.

Асфальтобетон с рассчитанным количеством битума обладает следующими свойствами: прочность при сжатии при 50°С 1,3 МПа, при + 20°С 4 МПа; водонасыщение 1,2%; набуха­ ние 0,1%; коэффициент водоустойчивости 0,95.

§ 10.7. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Технология совокупность методов обрзботки, изготовления, изменения

свойств исходных материалов, применяемых в процессе производства для по­ лучения готовой продукции.

Технология — наука о способах воздействия на сырье и материаль соответствующими орудиями производства^

Технология асфальтобетона — совокупность методов подготовки щебня песка, минерального порошка и битума, их смешения, укладки и уплотнения до заданной плотности. Цель технологии асфальтобетона - полу4ние мате

своГт,Сам Г СВ°”ства“”- «ь™ запроектированы, т. е. с заданным',

Поставленная цель может быть достигнута при целенаправленном струк-

турообразовании асфальтобетона, определяемом следующими технологи­ ческими периодами:

подготовительный — выбор и подготовка компонентов и определение их соотношения в составе смеси (рассмотрен в предыдущем параграфе);

первый — активное структурообразование, которое протекает в момент объединения битума с минеральным материалом. В асфальтобетонной смеси формируются микроструктурные связи;

второй — сближение структурных компонентов асфальтобетонной смеси

при ее укладке и уплотнении. В асфальтобетоне формируется макро­ структура;

третий — стабилизация структуры и свойств асфальтобетона в покрытии под движением автомобилей. Этот период продолжает технологический про­

цесс и в значительной степени определяет надежность асфальтобетонного покрытия.

Каждый период структурообразования влияет на комплекс свойств систе­ мы. Однако, принимая какое-либо решение, следует учитывать не только прямое, но и обратное влияние проектируемых свойств материала на выбор того или иного технологического параметра. Следовательно, чтобы получить материал с заданными свойствами, необходимо прогнозировать поведение сложной системы, управлять технологией.

Первый период технологического процесса охватывает подогрев материа­ ла до заданной температуры, дозирование, смешение компонентов и транс­ портирование смеси к месту укладки. В этот период основная задача техноло­ гии заключается в разрушении первичных конденсационных контактов меж­ ду частицами, равномерном распределении всех компонентов в смеси и обво­ лакивании минеральных зерен битумом. Нормальное протекание процесса структурообразования обусловливается прежде всего хорошим смачиванием битумом минерального материала.

Ухудшает смачивание наличие на поверхности минерального материала воды, адсорбируемой из воздуха, водной пленки вследствие плохого просу­ шивания минерального материала, загрязнения пылью зерен щебня. Улуч­ шение смачивания битумом минерального материала достигается предвари­ тельной обработкой его углеводородной жидкостью или активацией.

Смачивание минеральных материалов битумом в какой-то степени являет­ ся первым актдм физического и химического взаимодействия битума с поверх­ ностью минеральных материалов. Хорошее смачивание минеральных мате­ риалов — необходимое условие для получения материала с заданными свойствами, но недостаточное. Смачивание лишь обеспечивает полное обво­ лакивание минеральных зерен битумом, в результате чего формируется ориентированный слой битума и происходит химическое взаимодействие би­

тума с минеральным материалом (см. § 10.3).

При транспортировании смеси происходит дальнейшее распределение битума в асфальтобетонной смеси, а при длительной перевозке возможно рас­ слоение. В этом случае необходимо подбирать смесь, устойчивую к дезинтег­ рации, или обычную смесь перевозить в автомобилях-мешалках.

Во второй период, который охватывает укладку и уплотнение асфальто­ бетонной смеси, происходит дальнейшее формирование микроструктурных связей и вследствие приложения нагрузки сближение зерен до максималь­

ной плотности.

При приложении нагрузки или в результате действия собственной массы в асфальтобетонной смеси начинают происходить прежде всего структурные деформации заключающиеся во взаимном перемещении зерен. Они приво­ дят к уменьшению занимаемого материалом объема без деформации частиц

Уплотняемость смесей. Этот показатель зависит в основном от тех же фак­ торов внутреннего трения и сцепления, что и подвижность. Однако имеется и некоторое различие. Так, подвижность и рыхлость смеси понижаются с из­ бытком битума, в то же время увеличение содержания битума на 10—15% выше оптимального улучшает уплотняемость смесей. В значительной мере на прочность и устойчивость асфальтобетона данного состава и качества исходных материалов влияет степень уплотнения смеси (табл. 10.17).

В дорожных покрытиях после уплотнения смеси катками и последующего доуплотнения автомобилями плотность асфальтобетона соответствует, при­ мерно, плотности образцов, уплотненных статической нагрузкой 40 МПа в течение 3 мин при рабочей температуре смеси.

Уплотняемость асфальтобетонной смеси можно определить с помощью прибора И. В. Королева (рис. 10.16) За показатель степени уплотняемости смеси принимается число нагружений /V, необходимых для получения образ­ ца смеси с заданной объемной массой. С помощью этого прибора и разрабо­ танной методики установлены критические (минимальные) температуры эффективного уплотнения асфальтобетонных смесей при устройстве покры­ тий в зависимости от марки применяемого битума и гранулометрического состава минеральной смеси (рис. 10.17, табл. 10.18). Снижение минимальной

расстоянии до 300 км битум можно доставлять на АБЗ автобитумовозами. Технологический процесс получения

асфальтобетонной смеси включает следующие основные операции: подготовку минеральных материалов (подача и предварительное их дози­

рование, высушивание и нагрев до требуемой температуры, дозирование); подготовку битума (подача из хранилища в битумоплавильню, удаление содержащейся влаги и нагрев до рабочей температуры, а в необходимых случаях введение поверхностно-активных добавок или разжижителя, дозиро­

вание перед подачей в мешалку смесителя); перемешивание минеральных материалов с битумом и выгрузку готовой

асфальтобетонной смеси в накопительные бункера или автомобили-само­

свалы.

Основным агрегатом на асфальтобетонном заводе является асфальтосмеситель. В настоящее время асфальтосмесительное оборудование представ­ ляет собой комплект, включающий агрегат питания, сушильный и смеситель­ ный агрегаты, накопительный бункер, емкости для битума, минерального по­ рошка и мазута, кабину управления и все необходимые средства вертикально­ го и горизонтального транспорта компонентов смесей. Производительность асфальтосмесителей составляет 25—50 или 100 200 т/ч. Они могут ра о

тать в автоматическом и дистанционном режимах управления. Асфальтосмесители циклического действия принудительного перемеши

вания (табл. 10.19) являются основными, выпускаемыми промышленн

В асфальтосмесителях с мешалкой непрерывного действия (например, Д-645-3) фракционированный минеральный материал из горячих бункеров дозируют ленточными дозаторами непрерывного действия, минеральный порошок шнековым. Все материалы в требуемом соотношении посту­ пают в лопастную мешалку, смачиваются непрерывным потоком битума, перемешиваясь, смесь перемещается к выгрузочному отверстию. Время

и скорость перемешивания регулируется. Производительность смесителя Д-645-3 составляет 100 т/ч.

В настоящее время начат выпуск асфальтосмесителей циклического действия ДС-84-2 производительностью 200 т/ч. В них минеральные мате­ риалы фронтальным погрузчиком подаются в агрегат питания. С питателя щебень и песок подаются на транспортер, а затем в сушильный барабан и горячим элеватором поднимаются в смесительный агрегат.

Смесительный агрегат этого асфальтосмесителя состоит из следующих основных частей: грохота плоского, имеющего сита с отверстиями 3, 5, 12, 20, 40 мм; бункера для горячих минеральных материалов, рас­

ванные материалы попадают в дозатор. Минеральный порошок из силосных банок шнеком подается также в дозатор. Улавливаемая сухим способом пыль циклонов специальным элеватором подается в бункер и дозатор, взвешивается и поступает в мешалку. Соотношение между минеральным порошком и пылью циклонов, поступающими в мешалку, можно менять. Дозирование материала автоматизировано. Битум вводят в мешалку с помощью порционного дозатора жидкого битума УДЖБ-80 с объемным счетчиком, который отсчитывает требуемую дозу битума в потоке. В мешалке смешение материалов .осуществляется двумя вращающимися навстречу друг другу валами с лопастями.

Масса одной порции асфальтобетонной смеси — до 3500 кг. Смесь погружается в ковш скипового подъемника и подается в накопительные бункера. Вместимость двух накопительных бункеров 100 т. Загрузка автомобиля-самосвала смесью может осуществляться'как под накопитель­ ным бункером, так и под смесителем.

В накопительном бункере разрешается кратковременное хранение сме­

сей (не более 4 — 6 ч).

Транспортирование горячих асфальтобетонных смесей осуществляется автомобилями-самосвалами на расстояние до 50 — 60 км. Если понижен­ ная температура воздуха и продолжительность транспортирования приво­ дят к снижению температуры готовой смеси ниже требуемой, то применяют обогрев кузова и смесь в нем покрывают брезентом.

Подготовка основания, укладка и уплотнение смесей. Подготовка осно­ вания включает: проверку качества основания и устранение дефектов: очистку поверхности от пыли и грязи; обработку основания вяжущим в целях обеспечения надлежащего сцепления с покрытием.

Основание, подготовленное к укладке асфальтобетонной смеси, должно иметь требуемую ширину, толщину, продольный и поперечный уклоны. Наибольший размер неровностей основания при проверке трехметровой рейкой не должен превышать 6 — 8 мм. Хорошее сцепление покрытия с основанием» а также между слоями покрытия обеспечивается за счет обработки основания или нижнего слоя покрытия битумом или битумными материалами. На обработку 1 м2 основания или нижнего слоя асфаль­ тобетонного покрытия соответственно расходуется 0,5 0,8 и 0,2 0,3 л битума. Если для тех же целей используется 60%-ная битумная эмульсия, то ее расход соответственно 0,6 0,9 и 0,3 0,4 л.

циальных приборов экстракторов с последующим расчетом его содержа­ ния и анализом гранулометрического состава минеральной смеси.

Влияние технологических процессов на формирование структурных связей и макроструктуры асфальтобетона. В соответствии со стадийным процессом формирования структуры асфальтобетона первый период — пе­ риод формирования микроструктурных связей — является наиболее ответ­ ственным и требует особо тщательного выполнения нагрева, операций дози­ рования и перемешивания смесей.

Одним из важнейших элементов технологии приготовления смеси является перемешивание минеральных материалов с битумом.

Нагрев исходных материалов до рабочей температуры необходим для хорошего смачивания, растекания и прилипания вяжущего к поверхности минеральных зерен. Это облегчает перемешивание вследствие понижения вязкости битума. Недогрев и перегрев недопустимы. Изменение группового состава битума происходит уже в первые минуты его смешения с горячим минеральным материалом (табл. 10.21), поэтому асфальтобетонные смеси необходимо приготавливать при минимально возможной температуре, при которой вязкость битума была бы не более 0,5 Па.с.

По принятой технологической схеме приготовления смесей в мешалку подают горячий щебень, песок, минеральный порошок и битум. Вначале большая часть битума объединяется с минеральным порошком и в даль­ нейшем требуется значительная затрата энергии для того, чтобы перевести часть этого битума с поверхности порошка на поверхность крупных мине­ ральных составляющих. Введение минерального порошка после битума позволяет ускорить процесс перемешивания, а в некоторых случаях полу­ чить более высокое качество смеси. При введении минерального порошка после битума он интенсивно и достаточно полно покрывает крупные зерна, а затем адсорбирует битум на своей поверхности, структурирует его, обеспечивая в дальнейшем высокие эксплуатационные свойства асфальто­ бетона. Преимущество такой подачи минерального порошка—■меньшая затрата времени на перемешивание и отсутствие потерь порошка вследствие

возможного развеивания.

Продолжительность перемешивания асфальтобетонной смеси зависит от ее состава, свойств и температуры нагрева материалов, способа подачи минерального порошка и конструкции смесительной установки. Мелкозер­ нистые смеси с большим содержанием минерального порошка требуют более длительного перемешивания, чем крупнозернистые (табл. 10.22).

Для улучшения прилипания битума к поверхности минеральных мате­ риалов, облегчения распределения битума в смеси и увеличения водостой-

110 — 130°С. На минеральный материал ПАВ вводят в процессе сухого пере­ мешивания смеси.

Второй период — период формирования макроструктуры асфальтобе­ тона завершает цикл технологических операций и требует выполнения в заданные сроки транспортирования, укладки и уплотнения. При транс­ портировании и укладке асфальтобетонная смесь претерпевает некоторые физико-химические изменения. Так, с понижением температуры происходит увеличение толщины ориентированного слоя битума на минеральных частицах, что приводит к изменению вязкости внешнего слоя битумной пленки.

Процесс уплотнения — завершающая стадия активного структурообразования асфальтобетона, от эффективности которого зависят его эксплуа­ тационные свойства. Недоуплотненные покрытия продолжают уплотняться движущимися автомобилями, что в большинстве случаев приводит к обра­ зованию неровностей по поперечному профилю покрытий. Однако коли­ чество проходов катков сверх оптимального может привести к увеличению дефектов структуры асфальтобетона и вследствие этого к уменьшению его прочности и долговечности. Как правило, действие уплотняющих средств направлено на преодоление сопротивления жидкой фазы и внут­ реннего трения минерального остова. Значительную долю общего сопротив­ ления составляет вязкое сопротивление битумных пленок. Об этом, в част­ ности, свидетельствует эффективность применения вибрирующих устройств, которые при малом вертикальном давлении позволяют достигнуть плот­ ности асфальтобетона, иногда значительно' превышающей плотность, получаемую при уплотнении другими катками.

Исследования уплотняемости асфальтобетонных смесей показали, что нижний предел вязкости битума, при котором можно достичь проектной плотности асфальтобетонной смеси, должен быть не менее 10, а верхний — не более 25 Па.с.

Существенным фактором, определяющим качество уплотнения, считается величина изменения плотности асфальтобетона при каждом проходе катка. Уплотнение за один проход должно соответствовать приращению плотности 0,1 г/см3 При изменении плотности более чем на 0,1 г/см3 появляются волны, наплывы и другие дефекты.

К концу уплотнения минеральные частицы асфальтобетона приобретают устойчивое положение, фиксированное битумными пленками. Снижение температуры приводит к упрочнению коагуляционных связей. Происходит дальнейшее формирование диффузионно-структурированной оболочки би­ тума на частицах и ориентация входящих в состав битума поверхностно-ак­ тивных веществ. Скорость твердения асфальтобетона взаимосвязана с