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

обозначены допускаемые пределы смесей для .плотных асфаль­ товых бетонов, обладающих необходимой плотностью, но с меньшим содержанием частиц крупнее 0,5 мм. Заштрихованная площадь показывает пределы смесей, рекомендуемых для по­ ристых асфальтовых бетонов.

На рис. 5 представлены кривые оптимальных грануломет­

рис. 5, является очень наглядным и, безусловно, заслуживает внимания. В принятой системе координат оптимальные составы изображаются прямыми вместо парабол, получающихся при обычно применяемой системе координат. Угол наклона прямых

уменьшается по мере увеличения наиболее крупной фракции смеси.

Во всех случаях подбора смесей оптимальной плотности об­ ращает на себя внимание следующее обстоятельство: с умень­ шением наиболее крупной фракции смеси увеличивается необ­

ходимое количество минерального порошка, который в данном

случае рассматривается лишь как заполнитель (заполняющий пустоты между более крупными зернами). Так, например, в

изображенных на рис. 5 составах оптимальной плотности, при­ меняемых в Германии, количество порошка (частиц мельче

■0,009 мм) изменяется от 5% для крупнозернистого асфальто­

59

(см. рис. 4), среднее содержание минерального порошка (час­

Приведенные количества минерального порошка, удовлет­ воряющие требованиям получения смесей оптимальной плот­ ности, уточняются при подборе составов, исходя из условий обеспечения требуемого оцепления.

Важной особенностью смесей, подобранных по принципу оп­ тимальной плотности (или оптимального количества пустот), является более рациональное использование битума. При про­ чих равных условиях в таких смесях расходуется меньше би­ тума для заполнения межзерновых пустот (так называемый свободный битум).

Плотность минерального остова характеризуется величиной

пористости, определяемой по соотношению объемного и удель­ ного веса. Пористость определяется при каком-то стандартном уплотнении минеральной смеси. (По техническим правилам уплотнение производится под нагрузкой 300 кг/см2). Обычно пористость правильно подобранной минеральной смеси колеб­ лется в пределах 18—22%.

Выше уже отмечалось, что наибольшей плотностью харак­ теризуются смеси с определенным прерывистым гранулометри­ ческим составом, но их применение ограничивается технологи­ ческими соображениями.

Однако применяемый в настоящее время способ механизи­ рованной укладки асфальтового бетона дает возможность пре­ дотвратить расслаивание смеси. Поэтому в некоторых случаях возможно использование смесей и с прерывистым грануломет­ рическим составом. В последние годы проявляется интерес к таким смесям со стороны ряда отечественных и зарубежных специалистов. В частности, исследование свойств и условий при­ менения асфальтовых бетонов с прерывистым гранулометри­ ческим составом проводится в СоюзДОРНИИ Н. В. Горелышевым и Н. М. Авласовой. Проведенными работами установле­ но, что при определенном прерывистом гранулометрическом составе достигается каркасность смеси за счет меньшей раз­ движки крупных зерен более мелкими, повышается плотность минеральной смеси (в сравнении со смесями, с обычно приме­ няемой непрерывной гранулометрией пористость снижается на I—2%). В связи с меньшим количеством заполняющих фрак­

ций снижается количество минерального порошка, необходи­ мого для получения плотной смеси, а меньшая пористость этих смесей способствует и снижению расхода битума.

Но следует иметь в виду, что применение прерывистого гра­ нулометрического состава в смесях, содержащих щебень, озна­

чает исключение ряда его фракций. В процессе же дробления

получается щебень непрерывного гранулометрического состава,

60

содержащий все фракции в пределах ограниченных минималь­

ным и максимальным размерами.

Асфальтобетонные смеси с прерывистым гранулометрическим составом, являющиеся более плотными, а следовательно, и бо­ лее устойчивыми против сдвиговых деформаций при высоких летних температурах, могут ;в ряде случаев найти применение.

Большое влияние на плотность минерального остова ока­ зывает пористость минерального порошка. Исследованиями

Л. Н. Ястребовой1 установлено, что наибольшая плотность ми­ нерального остова достигается при применении минеральных

порошков с пористостью в пределах от 35 до 45 % •

Структура минеральных материалов. Помимо структуры

всего минерального остова, на свойства асфальтового бетона

оказывает большое влияние структура самих материалов, образующих остов, и прежде всего структура минерального по­ рошка. Со структурными особенностями минеральных материа­

лов тесно связаны процессы взаимодействия последних с биту­

мом. Прежде всего это относится к пористости минеральных ма­ териалов, которая оказывает большое влияние на сорбционные

процессы. Ниже более подробно рассматривается взаимодей­

ствие пористых материалов с битумом.

Величина внутреннего трения минеральной смеси. Величина внутреннего трения является весьма важным показателем ми­ нерального остова и влияет на прочностные и деформационные характеристики асфальтового бетона. Как будет показано ни­ же, прочность асфальтового бетона зависит от двух факторов— сцепления и трения. Величина внутреннего трения асфальто­ вого бетона зависит от величины внутреннего трения минераль­

ной смеси и от количества и вязкости битума.

Получение асфальтового бетона с заданной прочностью мож­ но достигнуть двумя путями: обеспечением соответствующего сцепления системы или получением определенной величины внут­

компенсироваться другим.

Внутреннее трение минеральной смеси зависит от грануло­ метрического состава и от формы и характера поверхности ча­

стиц.

С увеличением размеров частиц внутреннее трение увеличи­

вается. Так, например, по данным Н. Н. Иванова, а такж<‘

Л. Нижбоера (Голландия), tg угла внутреннего трения асфаль­ тового бетона с увеличением наибольшего размера частиц от

2 до 16 мм изменяется ориентировочно в пределах от 0,60 до

0,70. Несколько большее влияние оказывают форма частиц и характер поверхности.

1 ДОРНИИ. Исследование органических вяжущих материалов и фи­ зико-механических свойств асфальтовых смесей. Автотрансиздат, 1949. (Л. Н. Ястребова. Исследование свойств минеральных порошков).

61

tg угла внутреннего трения щебня выше, чем в гравийном

материале примерно на 0,10—0,15 (при одинаковом грануло­

метрическом составе). Таким образом, введение в асфальтобе­

тонную смесь остроугольных частиц (песка и щебня) способ­ ствует повышению угла внутреннего трения. Окатанные зерна песка, гравия соответственно снижают внутреннее трение смеси.

Угол внутреннего трения сухой минеральной смеси выше, чем у смеси, содержащей битум. С увеличением количества би-

тума угол внутреннего трения снижается. Сопоставление вели­ чин внутреннего трения асфальтобетонной смеси в зависимости от формы частиц может иметь смысл лишь при оптимальном или равном количестве битума. Наличие в смеси большого ко­ личества свободного битума резко снижает внутреннее трение. В этом случае существенно уменьшается разница между ока­ танными и остроугольными частицами. '

Величины внутреннего трения можно определить по резуль­ татам испытаний образцов на сдвиг, трехосное сжатие или по

соотношению прочности на сжатие и растяжение. Эти испыта­ ния проводятся пока в исследовательских лабораториях. Для практических целей можно использовать косвенные характе­ ристики внутреннего трения, определяемые более простыми ме­ тодами.

62

Так, например, для характеристики внутреннего трения лес­

ка в США1 предложен метод, заключающийся в оценке време­ ни истечения навески из сосуда определенной формы (рис. 6). Метод основан на том, что песок, состоящий ив окатанных зе­ рен с гладкой поверхностью, вытекает из сосуда .быстрее, чем песок, состоящий из остроугольных шероховатых частиц. Для испытаний принимают пробу песка весом 500 г с размерами зерен 0,59—0,84 мм. Свойства песка характеризуются коэффи­ циентом истечения К, определяемо; 1 по формуле

/< =--------- сек/100 смл,

500

где: /—время в секундах истечения навески весом 500 г; d—объемный вес зерен песка.

В качестве эталонного песка, состоящего из круглых глад­ ких зерен, принят оттавский песок, для которого число истече­ ния составляет 11,1 сек/100 г. Этот метод был подробно иссле­ дован в Дрезденском дорожном институте (в работах Шмидта и Шюттера)21 применительно к различным фракциям песка (с

некоторым изменением размеров насадки). Было также сдела­

но сопоставление деформационной устойчивости смеси песка и битума в зависимости от числа истечения песка. Некоторые из полученных данных приводятся в табл. 13.

63

Из приводимых данных видно, что показатели деформаци­ онной устойчивости (глубина вдавливания штампа) хорошо со­ гласуются с характеристикой внутреннего трения. Однако, ана­

лизируя данные табл. 13, следует учесть, что на полученные результаты вдавливания штампа, помимо формы частиц, боль­ шое влияние оказал гранулометрический состав и, особенно, содержание частиц мельче 0,09 мм (выполняющих роль мине­ рального порошка).

Описанный метод оценки внутреннего трения песка заслу­

живает внимания, особенно для характеристики материалов, применяемых для приготовления песчаного асфальтового бе­

тона.

Форма, размеры и прочность минеральных частиц оказыва­ ют значительное влияние на шероховатость покрытий, от кото­ рой во многом зависит безопасность движения автомобильно­ го транспорта. При правильно подобранном составе асфальто­ вого бетона (мелкозернистого или среднезернистого) его по­ верхность оказывается насыщенной достаточным количеством щебня, придающим повышенную шероховатость. Обеспечение повышенной шероховатости возможно при подборе мелкозер­ нистого или ареднезернистого асфальтового бетона с предель­ но допустимым количеством щебня из твердых горных пород.

При недостаточном содержании щебня для обеспечения ше­ роховатости (что может иметь место и в смесях, удовлетворяю­ щих требованиям оптимальной плотности) в поверхностный слой асфальтобетонного покрытия в процессе его уплотнения можно ввести дополнительное количество щебня.

В данном случае изменяется только структура поверхност­ ного слоя.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ И ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Взаимодействие минеральных и вяжущих материалов яв­ ляется важнейшим элементом структурообразования в асфаль­ товом бетоне. Особенности взаимодействия обусловливают наи­

более существенные признаки структуры асфальтового бето­ на: прочность и деформационное поведение в широком интерва­

ле температур, устойчивость структуры в изменяющемся влаж­ ностном режиме. Кроме того, от особенностей взаимодействия в значительной степени зависят и процессы старения асфаль­ тового бетона.

Таким образом, от особенностей взаимодействия минераль­ ных и вяжущих материалов зависят основные эксплуатацион­

ные свойства асфальтобетонных покрытий. Различные аспекты этого сложного вопроса длительное время привлекают внима­ ние ряда советских и зарубежных исследователей.

Несмотря на наличие большого количества работ в этой об­ ласти многие вопросы до сих под остаются неясными.

64

определенных минеральных материалов (карбонатных и основ­ ных горных .пород) с активными битумами, содержащими доста­ точное количество поверхностно-активных веществ кислого ха­ рактера (асфальтогеновые кислоты), способных образовывать в зоне контакта битума с минеральными материалами новые

химические соединения.

Вследствие того что эти соединения нерастворимы в воде,

битумные слои, образованные на поверхности минеральных частиц, устойчивы к действию воды.

При объединении битума с кислыми горными породами (к

кислым относят породы, содержащие более 65% SiO2) не об­ разуется хемосорбционных соединений. Прочность сцепления битумных слоев с поверхностью минеральных частиц понижен­

ная, особенно в присутствии воды.

Совершенно очевидно, что для образования хемосорбцион­

ных соединений на границе раздела битум — минеральный ма­

териал в первую очередь важны химические свойства поверх­ ности минеральных частиц. Поэтому оценивая, например, ес­ тественный кварцевый песок с точки зрения его сцепления с

битумом, следует иметь в виду, что при одинаковом химичес­ ком составе породы, в данном случае являющейся кислой, прочность сцепления будет зависеть только от особенностей так называемой поверхностной рубашки зерен, т. е. от тончай­ шей пленки химических веществ или соединений,, покрывающих

зерна. В зависимости от условий образования песка его зерна очень часто покрыты солями железа, алюминия и других металлов,, значительно улучшающих сцепление с битумом. Чистый же кварцевый песок характеризуется плохим сцеп­

лением.

Сцепление искусственных (дробленых) песков, а также и

остальных дробленых материалов (щебень, минеральный поро­ шок) с данным битумом обусловлено только минералогическим и химическим составами применяемых горных пород (или шла­

ков) .

В процессе приготовления асфальтобетонной смеси могут несколько изменяться условия взаимодействия битума с зерна­ ми песка и щебня. Если до объединения с битумом имеет ме­

сто «сухое» перемешивание минеральных материалов, то зерна песка и щебня неизбежно обволакиваются мелкими частицами

минерального порошка, который, как правило, приготовляется из карбонатных горных пород. Вследствие такой обработки происходит своего рода модификация (активация) поверхности зерен песка и щебня, способствующая улучшению сцепления с

битумом.

Для лучшего сцепления битума с поверхностью минераль­ ных частиц применяются добавки различных поверхностно-ак­ тивных веществ и активаторы, при помощи которых активирует­

ся поверхность гидрофильных каменных материалов.

66

Процессы химической адсорбции (хемосорбции), как и вся­ кие другие химические реакции, протекают интенсивней при вы­ соких температурах и замедляются с понижением температуры. Этим, по-видимому, можно объяснить тот факт, что асфальто­ бетонные смеси, приготовленные при наиболее высокой темпе­ ратуре (безопасной для изменения свойств битума) и длитель­ но при ней выдержанные, характеризуются более высокими по­

казателями механической прочности. Можно полагать, что те

медленные процессы, которые при обычных температурах про­ текают в течение длительного времени и приводят в конце кон­ цов к образованию прочных химических связей между битумом

и поверхностью минеральных частиц, совершаются в течение небольшого времени выдерживания асфальтобетонной смеси при высокой температуре. Здесь исключается влияние окисле­

ния битума, происходящее при высоких температурах, так как в смесях, содержащих кислые породы, не наблюдается такого интенсивного изменения механических свойств. Следует, одна­

ко, считаться с тем, что различные минеральные материалы мо­ гут выполнять и роль катализаторов, усиливающих или замед­ ляющих процессы окисления и полимеризации битума.

Исследованиями А. И. Лисихиной и Л. С. Терелецкой уста­ новлено, что карбонатные и основные горные породы адсорбиру­ ют на единицу своей поверхности больше битума, чем кислые по­ роды. Это значит, что при прочих равных условиях, при примене­ нии в асфальтовом бетоне карбонатных и основных пород объем битума, находящийся в адсорбированном состоянии, превышает соответствующий объем битума в смеси, содержащей кислые горные породы. Это обстоятельство обусловливает более проч­ ную структуру асфальтового бетона, содержащего минераль­ ные компоненты карбонатных или кислых пород. Особенно это относится к минеральному порошку, обладающему в силу наибо­ лее развитой поверхности большой адсорбционной емкостью.

Вследствие того что карбонатные и основные горные поро­ ды характеризуются лучшим сцеплением с битумами (даже при

ничтожной их активности), чем кислые (гидрофильные) поро­ ды, практика строительства асфальтобетонных покрытий бази­ руется на широком использовании основных и, особенно, кар­

бонатных пород. Последние являются основным исходным ма­ териалом для производства минеральных порошков.

Необходимое предварительное условие получения хороше­ го сцепления битума с поверхностью минеральных частиц — хо­ рошее смачивание битумом этой поверхности.

Согласно известному уравнению Дюпре-Юнга, величина ад­ гезии (сцепления) жидкости к твердому телу составляет

^za = l(1 - cos ср),

где: W„—адгезия жидкости к твердому телу; 7 — поверхностное натяжение жидкости;

rY—так называемый краевой угол смачивания.

Чем больше краевой угол, тем меньше величина адгезии,

и наоборот.

Однако на основании ряда работ можно сделать вывод, что приведенное уравнение вряд ли можно применить к оценке ад­ гезии битумов к минеральным материалам. Так, например, Б. В. Дерягиным и П. П. Кобеко установлено, что адгезия за­ твердевшей пленки не является величиной, тесно связанной со способностью данного вещества смачивать в жидком состоянии

.поверхность, на которой образуется пленка. Иными словами, краевой угол смачивания минеральной поверхности расплав­

ленным битумом не может характеризовать адгезию затвер­

девшей. битумной пленки к этой поверхности.

Наиболее надежно прочность сцепления можно определить

по величине усилия, необходимого для разъединения, поверх­

ностей.

Однако такой метод оценки трудно, а порою и невоз­ можно, осуществить для битума и каменного материала. Поэто­ му различными исследователями предложено много методов кос­

венной характеристики сцепления битума с минеральным мате­

риалом.

Исходя из условий работы дорожных покрытий, наиболее ха­

рактерной является устойчивость битумных слоев на минераль­ ных частицах в присутствии воды. Поэтому большинство пред­

ложенных методов основываются на оценке смещения битум­

ных слоев под действием воды. В различных методах варьи­ руются температура воды, продолжительность ее воздействия и другие условия испытания.

Наиболее простой метод оценки сцепления разработан в Со-

юзДОРНИИ А. И. Лысихиной и Ц. Г. Ханиной. Прочность сце­ пления оценивается по пятибалльной шкале, характеризующей

состояние пленки вяжущего на поверхности минерального мате­ риала после выдерживания в течение 3 мин. в кипящей дистил­ лированной воде. По характеру О(бнажения щебенки судят о прочности оцепления битумной пленки с минеральным материа­

лом (табл. 14). Если пленка не удерживается в кипящей воде, то

она, как правило, смещается и холодной водой, но при более

длительном воздействии (от 1 до 30 час.). Этот метод является качественным и может быть использован для получения сравни­ тельных результатов.

В последнее время в СоюзДОРНИИ кандидатом химических

наук А. С. Колбановской разработан метод, позволяющий коли­ чественно выразить сцепление битума с минеральным материа­ лом. Он основан на использовании способности некоторых кра­

сителей избирательно адсорбироваться из водных растворов на минеральной поверхности, не адсорбируясь при этом на поверх­ ности, покрытой битумом. В качестве такого красителя приме­ нен метиленовый, голубой.

63