книги из ГПНТБ / Гезенцвей, Лев Борисович. Дорожный асфальтовый бетон

ций. Количество фракций мельче 0,074 мм доходит до 70—75%. Для изготовления асфальтового бетона широко используют,

отходы, получающиеся при дроблении камня (фракции от 0 до

5 мм). Это в свою очередь позволяет использовать для приготов. ления асфальтового бетона и мелкие пески, считающиеся некон­

диционными. Наряду с нефтяными битумами в настоящее время употребляются и сланцевые битумы.

Имеющийся опыт дает возможность шире внедрять при при­ готовлении асфальтового бетона некоторые местные материалы,

что снижает стоимость дорожных работ. Вместе с тем большое

разнообразие материалов, употребляемых в настоящее время при производстве асфальтового бетона, требует тщательнее от;

носиться к их выбору и подбору состава смесей. Необходимо также и более дифференцированно применять различные ас­ фальтобетонные смеси. Для ответственных объектов выбирают

наиболее высококачественные смеси, обладающие соответству: ющими физико-механическими свойствами, а для менее от: ветствениых используют смеси с более низкими показателями

механических свойств.

Вначале регулирование свойств асфальтового бетона шло главным образом по пути соответствующего подбора компо­ нентов минеральной части и, в частности, ее гранулометричес­ кого состава. В последнее время большое внимание уделяет­ ся подбору минеральных и вяжущих материалов, характери­

зующихся хорошим взаимодействием. В некоторых случаях по­ вышение качества асфальтового бетона достигается за счет ис­ кусственного улучшения взаимодействия минеральных материа­ лов с вяжущим путем улучшения их поверхностно-активных

свойств. Такие работы проводились и проводятся в Советском Союзе и в некоторых зарубежных странах.

В последние годы работами большого коллектива советских ученых, возглавляемого акад. П. А. Ребиндером, создана новая пограничная область науки — физико-химическая механика, ос­ новной задачей которой является разработка научных основ по­ лучения строительных материалов с заданными свойствами и структурой.

Проблема дальнейшего коренного улучшения свойств асфаль­ тового бетона тесно связана с развитием этой области науки, ко­ торая вместо часто применяемого эмпирического подхода позво­ лит выявить общие закономерности регулирования свойств ма­ териала.

Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ

Асфальтовый бетон классифицируют:

1) по крупности зерен каменного материала. Различают, крупнозернистые асфальтовые бетоны с наибольшим размером щебня 40 мм-, среднезернистые с наибольшим размером щебня до 25 мм; мелкозернистые, содержащие

А

■минеральные зерна размером до 15 мм; песчаный асфаль­

товый бетон с наибольшим размером зерен 5 мм;

2) по условиям применения. Различают асфальтобетон­ ные смеси, применяемые в горячем состоянии при температуре 140—180°; асфальтобетонные смеси, Применяемые в холодном состоянии;

3) по способу уплотнения. Имеются асфальтобетонные 'смеси, уплотняемые при помощи катков, вибраторов или трамбовок; литые асфальтобетонные смеси, которые при укладке не уплотняют, а только разравнивают и заглаживают.

Выбор типа асфальтового бетона производится в зависимо­ сти от характера движения транспорта, конструкции дорожно­ го покрытия и имеющихся материалов.

Крупнозернистые асфальтовые бетоны применяют главным образом для устройства нижнего слоя асфальтобетон­ ных покрытий, шероховатая и пористая поверхность которых

способствует лучшему сцеплению с верхним слоем. Как прави­ ло, крупнозернистые асфальтовые бетоны изготовляют пористы­ ми, без минерального порошка. В тех случаях, когда, например, нижний слой остается на зимний период без верхнего, для большей сохранности целесообразно сделать его из плотного,

«заполненного» крупнозернистого асфальтового бетона, в со­ став которого вводится необходимое количество минерального порошка-

также для верхнего слоя при двухслойной конструкции.

При использовании среднезернистого асфальтового бетона поверхность покрытия получается шероховатой, что вызывает необходимость поверхностной обработки. Вместе с тем следу­ ет подчеркнуть, что среднезернистый асфальтовый бетон с об­ работанной поверхностью является одним из наиболее устой­ чивых видов покрытия. Иногда применяют среднезернистый

асфальтовый бетон с увеличенным количеством щебня (до 50—

60%). Однако опыт показывает, что содержание чрезмерно боль­ шого количества щебня в асфальтобетонных смесях делает их для верхнего слоя недостаточно удобообрабатываемыми. Такие

смеси, по-видимому, наиболее эффективно уплотнять вибриро­ ванием. При существующих в настоящее время способах уклад­

ки и уплотнения 50-процентное содержание щебня следует при­ знать наибольшим.

Мелкозернистые асфальтовые бетоны обеспечивают наиболее высокое качество покрытий и применяются при тяже­

лиям и атмосферным факторам. Наличие в асфальтовом бето-

10

Раздел II

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ А СФАЛЬТОВОГО БЕТОНА

Глава 3. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

К органическим вяжущим материалам, применяющимся в настоящее время при производстве асфальтового или дегтево­ го бетона, относятся вязкие и жидкие битумы (нефтяные и сланцевые) и дегти.

До Великой Октябрьской социалистической революции ор­

ганические вяжущие материалы для дорожно-строительных це­ лей использовались мало. Широкое применение этих материа­

лов для строительства автомобильных дорог в СССР началось в 1928 году. В результате успешного выполнения пятилетних планов значительно возросли добыча и переработка нефти. Это послужило новым толчком для массового использования орга­ нических вяжущих материалов в дорожном строительстве.

Органические вяжущие материалы являются главной со­ ставной частью асфальтового бетона, в значительной мере оп­ ределяющей его дорожно-строительные свойства.

Роль органических вяжущих материалов в асфальтовом бе­ тоне сводится к связыванию отдельных минеральных частиц в монолит, способный противостоять механическим усилиям и действию атмосферных факторов. Кроме того, битумы придают асфальтобетонным дорожным покрытиям необходимую плас­ тичность. Общим недостатком битумов и дегтей являются из­ менение их вяжущих свойств в зависимости от изменения тем­ пературы и связанная с этим неустойчивость механических

свойств асфальтового бетона.

Для приготовления асфальтового бетона применяются глав­ ным образом нефтяные битумы. В начальный период строи­

тельства дорог использовались также и естественные асфаль­ товые породы.

12

Естественные асфальтовые (материалы представляют собой различные горные породы (известняки, песчаники, доломиты, ■пески и др.), пропитанные битумом. Содержание битума в них колеблется в широких пределах — от 10 до 80%. Известны не­ которые залежи, состоящие почти целиком из чистого битума.

Образование залежей естественных асфальтов большинство

исследователей связывает с видоизменениями нефти, которая когда-то находилась в тех местах. В результате постепенного испарения легких . фракций и окисления кислородом воздуха остатки нефти превратились в битумы.

Наиболее значительными залежами асфальтовых пород на территории СССР являются:

Сызранское месторождение битуминозных 'Известняков (доломитизированных), расположенное на правом берегу Волги.

Это месторождение разрабатывается с семидесятых годов

прошлого столетия;

Бахиловское месторождение битуминозных песчаников, так­ же расположенное на правом берегу Волги, недалеко от Бахи-

ловой Поляны. Здесь, кроме битуминозных песчаников, имеет­ ся и другой вид битуминозной породы, так называемая «гарь». Эта порода представляет -собой песок, сцементированный твер­ дым битумом. Гарь легко разбивается на куски благодаря большой хрупкости. В битуминозных песчаниках битум значи­ тельно мягче. Оба названных месторождения (Сызранское и Бахиловское) расположены в районе Самарской Луки;

Шугуровское месторождение битуминозных песчаников — в

Бугульминском районе Татарской АССР;

Сугушлинское месторождение битуминозных песчаников, находящееся вблизи Шугуровского;

Ижменское месторождение битуминозных известняков — на левом берегу реки Ижмы.

Кроме того, имеются значительные залежи различных есте­ ственных битуминозных пород в Сибири, на Дальнем Востоке,

на Кавказе, в Крыму, в Казахстане и во многих других местах. Залежи естественных асфальтов встречаются также в Ки­ тае, Албании, Венгрии, Румынии, Югославии, Чехословакии,

Германии. Мировой известностью пользуются такие крупные месторождения, как Тринидадское (озеро Тринидад) и Бермуд­ ское (провинция Бермудец в Венецуэле).

Естественные асфальтовые материалы не получили широ­ кого распространения в дорожном строительстве. Это объясняет­ ся неэкономичностью разработки их залежей, а также непосто­ янством состава материалов. Часто в пределах одного и того же месторождения отдельные слои асфальтовых пород имеют различный состав, что вызывает необходимость их дополни­ тельной переработки. В тех случаях, когда это экономически оправдывается, из естественных асфальтовых пород добывают природный битум путем вываривания битуминозного материа-

13

дить кислород, сера и в незначительных количествах некоторыедругие элементы. Содержание серы в нефтяных битумах редко, превышает 3—б %. В природных битумах количество серы мо­

жет быть несколько большим.

Элементарный химический состав, в общем стабильный для

различных битумов, не дает возможности судить об их свойст­ вах. Битумы принято характеризовать по количественному со­

держанию в них определенных групп химических соединений.

смолы, обусловливающие пластичность битума; асфальтены, придающие материалу вяжущие свойства.

влияющие на сцепление битума с поверхностью каменных ма­ териалов;

карбены и карбоиды— вещества, получающиеся в битумах при высоких температурах.

Свойства битума зависят от количественных соотношений трех составных частей: масел, смол и асфальтенов. Изменение соотношений между ними вызывает и изменение свойств би­ тума.

Масла представляют собой наиболее легкую и жидкую часть битума. Они бесцветны или почти бесцветны. Удельный

вес масел изменяется в пределах 0,6—1. В битумах содержится от 45 до 60% масел. Увеличение их количества придает битуму большую мягкость (повышается глубина проникания) и умень­

шает растяжимость.

Смолы — тягучие вещества с удельным весом от 1 до 1,10. Навет их изменяется от желтых до темно-бурых оттенков. По.

консистенции они могут быть от текучих, вязких до твердых.

шую эластичность.

Асфальтены — твердые вещества с удельным весом 1,10— 1,1'5. Цвет их изменяется от бурого до черного. При нагрева­ нии не плавятся. При высокой температуре разлагаются с об­ разованием кокса и газов. В битуме содержится от 8 до 30% и более асфальтенов. С увеличением количества асфальтенов

в битуме повышаются его вязкость, твердость (уменьшаются

глубина проникания и растяжимость) и теплоустойчивость. При

этом температура размягчения битумов увеличивается. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды

представляют собой смолообразные вещества с удельным ве-

15

■сом больше 1,0. Несмотря на то что асфальтогеновые кислоты содержатся в битумах в незначительных количествах (в нефтя­ ных битумах — до 1%), они, по-видимому, играют существен­

ную роль в процессах взаимодействия битумов с минеральны­ ми материалами. Их присутствие повышает активность битума. В природных битумах содержится больше асфальтогеновых кис­ лот и их ангидридов, чем в нефтяных. С этим, вероятно, и свя­ зана более высокая активность природных битумов.

Групповой состав битума не является стабильным. Под вли­ янием различных факторов (температура, окисление) он может претерпевать существенные изменения за счет превращения ма­ сел в смолы, а смол в асфальтены. Такого рода изменения про­ исходят, в частности, при нагреве битума во время приготовле­ ния асфальтобетонной смеси, а также и в результате воздейст­ вия на битум атмосферных факторов. Все это отражается на основных физических свойствах битума.

Следует отметить, что превращение смол в асфальтены про­ исходит быстрее, нежели превращение масел в смолы. Таким образом, в процессе окисления в битумах более интенсивно на­ капливаются асфальтены.

Из трех основных компонентов битума, по-видимому, наи­ большее значение для его технических свойств имеют смолы. Их присутствие, как уже отмечалось, благоприятно сказывает­ ся на эластичности битумов, что способствует повышению экс­ плуатационных свойств дорожных покрытий. Вместе с тем, при большом количестве смол частичное их превращение в асфаль­ тены не скажется так сильно на снижении эластичности би­

тума.

Соотношениями между основными группами, входящими в состав битума, определяются его важнейшие свойства: вязкость, восприимчивость к изменению температуры, хрупкость, эластич­ ность. Но все же не всегда групповой состав дает хорошее

представление о свойствах битума. Это объясняется двумя при­ чинами. Во-первых, до сих пор не установлена с достаточной четкостью связь между физико-механическими свойствами би­ тума и его групповым составом, а, во-вторых, и это, пожалуй,

самое важное, выделяемые из битума тем или иным способом соединения, искусственно объединяемые в одну из трех основ­ ных групп (асфальтены, смолы, масла), не всегда имеют одина­

ковые свойства. В зависимости от исходной нефти и способа ее переработки каждый из этих компонентов может иметь свойст­ ва, не одинаковые для различных битумов. Это положение под­ тверждается тем, что во многих случаях мы встречаемся с би­ тумами, различающимися по своим физическим свойствам, но имеющими одинаковый или почти одинаковый групповой со­ став, и наоборот- К сожалению, свойства компонентов битумов изучены до сих пор очень слабо. Различными исследователями предпринимались попытки выделения из битума более узких

.16

групп соединений, обладающих более или менее одинаковыми свойствами. Однако до сих лор эти работы 'не привели к реко­ мендациям, позволяющим более точно оценивать свойства би­ тумов.

Физические свойства

Битумы относятся к веществам, занимающим промежуточ­ ное положение между твердыми и жидкими. При высоких тем­

могут изучаться только законами теории упругости или пластич­

ности, применимыми для твердых тел, или только законами гидравлики, применимыми для жидкостей. При изучении по­

добных веществ, обладающих свойствами и твердых и жидких тел, используются законы реологии — новой, сравнительно не­ давно оформившейся области науки, объединяющей законы гидравлики, теории упругости и пластичности. Всестороннее

изучение физических свойств битумов, важных для оценки их,

как дорожно-строительных материалов, возможно лишь путем определения соответствующих реологических характеристик. В последние годы изучение реологических свойств битумов при­

влекло к себе внимание ряда советских и зарубежных иссле­

дователей.

Однако выяснение реологических свойств требует специаль­ ного оборудования и сопряжено с рядом трудностей. Поэтому на данной стадии такие работы могут производиться лишь в научно-исследовательских и других, хорошо оснащенных ла­ бораториях. В производственных условиях принято оценивать реологические свойства битумов по упрощенно-определяемым условным показателям, большая часть которых не имеет до­

статочного научного обоснования. С повышением уровня лабо­ раторной техники станет возможным постепенный переход к научно обоснованным методам определения истинных реологи­

ческих свойств битумов.

Вязкость. Вязкость битумов является их важнейшей рео­ логической характеристикой. Как известно, вязкостью (или внутренним трением) называется сопротивление, испытываемое

средой при движении одних ее частей относительно других.

Вязкость нефтяных битумов изменяется в широких преде­ лах в зависимости от их химического состава и температуры.

Наиболее существенное влияние на вязкость битума оказывает количественное соотношение асфальтенов и масел. С увеличе­

нием количества асфальтенов вязкость повышается и наоборот. Жидкие битумы, характеризующиеся жидкотекучим состоянием

при нормальной температуре, имеют сравнительно небольшую вязкость, во много раз меньшую, чем у вязких дорожных биту­ мов. Битумы можно сопоставлять по вязкости только при опре­ деленной температуре.

2 Л. Б. Гезекцвей И

.ГОС~ПУБЛИЧНАЯ Г

Определение абсолютной вязкости битумов—достаточно

сложная задача. Вязкость битума в абсолютных единицах в

широком интервале температур была определена в Ленинград­ ском филиале СоюзДОРНИИ кандидатом технических наук М. Ф. Никишиной. Причем в области отрицательных темпера­ тур это определение было произведено впервые как в отечест­ венной, так и в зарубежной практике. По данным М. Ф. Ники­ шиной, вязкость исследованных образцов изменяется в весьма широком диапазоне—от 20—30 пуаз при температуре 100° до

1QI2—|gi3 Пуаз при температуре—30°. При этом характер изме­ нения вязкости в рассматриваемом интервале температур зависит от осо­ бенностей битума. В частности, наи­ более резкое повышение вязкости при низких температурах отмечено у па­ рафинистых битумов.

Рис. 1. Пенетрометр. Рис. 2. Прибор «кольцо и шар».

Однако, как уже отмечалось выше, определение вязкости в абсолютных единицах сопряжено с трудностями и при совре­ менной лабораторной технике не может быть осуществлено в производственных условиях. Поэтому вязкость битумов приня­ то характеризовать условными показателями:

глубиной проникания иглы (так называемой пенетрацией), определяемой на специальном приборе — пенетро­

метре ()рис. 1);

температурой размягчения битума, определяе­ мой по методу «кольцо и шар» (рис. 2).

Характеристика вязкости битума по глубине погружения в испытуемый образец стандартной иглы широко применяется

18