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

Таблица 14

Пятибалльная шкала для характеристики силы прилипания органического вяжущего материала к поверхности щебня

Характеристика состояния пленки

Отношение величины адсорбции красителя поверхностью об­

работанного битумом материала qn к величине адсорбции по­

верхностью исходного материала <?0 дает долю не покрытой би­

тумом поверхности

So= ^-100%.

Яо

Относительная поверхность, покрытая битумом,

S„=100 —50.

Адсорбция красителя на битумо-минеральной смеси после ее выдерживания в кипящей воде в течение 1 часа дает относи­

тельную поверхность, покрытую битумом Sп, которая и приня­ та за величину сцепления. Эта величина является косвенной характеристикой сцепления битума с минеральной поверхно­ стью.

Пользуясь указанной методикой, А. С. Колбановской было установлено, что величина сцепления увеличивается с повыше­ нием вязкости битума (что было также установлено А. И. Ли­ сихиной для битумов из однородного сырья) и увеличением толщины битумного слоя. Кроме того, величина сцепления пря­ мо пропорциональна начальному покрытию поверхности мине­ ральных частиц битумом. Последнее зависит от интенсивности перемешивания минеральных материалов с битумом.

69

Поглощение минеральным материалом некоторых компонен­ тов битума. При соприкосновении двух несмешивающихся фаз наряду с адсорбцией могут происходить и другие сорбционные процессы. В частности, может иметь место проникновение мас­ сы одной фазы в глубь другой за счет диффузии вдоль узких капилляров. Проникновение битума или некоторых его компо­ нентов в глубь минерального материала может иметь место при применении пористых материалов. Особенности взаимодей­ ствия битума с пористыми материалами обусловлены, с одной

стороны, характером поверхности и структурой адсорбента (раз­ мером и расположением пор), а с другой — особенностями би­ тума (главным образом активностью и групповым составом). Наличие микропор на поверхности минеральных частиц сущест­ венно изменяет условия взаимодействия с битумом. Микропоры отличаются весьма высоким адсорбционным потенциалом, бла­

годаря чему в них сорбируется значительная часть поверхност­

но-активных компонентов битума. На основе имеющихся в этой

области работ сорбционные процессы, происходящие при взаи­ модействии пористых адсорбентов с битумом, могут быть оха­

рактеризованы следующим образом: наиболее поверхностно-ак­ тивный компонент битума — асфальтены — адсорбируются на поверхности минеральных частиц. Менее поверхностно-активный

компонент — смолы — сорбируются в мелких порах, находя­ щихся на поверхности частиц. Наименее поверхностно-активный

и вместе с тем наименее вязкий компонент битума — масла, — как это установлено работами В. М. Смирнова, могут прони­ кать по капиллярам внутрь материала.

Следовательно, в пористых материалах, с одной стороны,

концентрируется значительное количество смол в поверхност­ ных микропорах (В. Т. Быков, А. В. Киселев, О. Г. Диасамидзе),

а часть масел за счет избирательной диффузии проникает внутрь материала. Этот процесс, начинающийся во время объедине­ ния минерального материала с битумом, продолжается за­ тем в асфальтовом бетоне длительное время. Таким образом,

при применении пористых материалов слои битума, адсорбиро­ ванные на поверхности частиц, несколько обедняются смолами

и маслами.

Вследствие увеличения концентрации асфальтенов вязкость поверхностных слоев битума возрастает.

Описанные особенности взаимодействия пористых материа­ лов с битумом приводят к тому, что связи между минеральны­ ми частицами, обусловленные контактами поверхностных оболо­ чек более вязкого битума, становятся менее эластичными, бо­

лее жесткими.

Наибольшее значение приобретает пористость зерен мине­

рального порошка. Взаимодействие битума с минеральным по­ рошком обусловлено не только весьма развитой внешней по­ верхностью зерен, но главным образом очень развитой внутрен-

,70

ней поверхностью зерен, образуемой разветвленной системой

микропор.

Исследование структуры минеральных порошков, проведен­ ное Л. С. Терлецкой, показало, что в образцах плотного строе­ ния (кальцит, кварцит) битум не проникает в тело материала.

Заметно лишь его проникание по микротрещинам и плоскостям спайности кристаллов. Поэтому такие минеральные порошки сор­ бируют битум без заметного изменения его свойств. В тонко по­ ристых образцах (трепел, опока, известняк) наблюдается изби­ рательная диффузия компонентов битума. Вследствие этого тонкопористые минеральные порошки существенно изменяют

свойства битумных слоев.

В крупнопористых образцах (например, известняк ракушеч­ никовый) битум проникает в поры без фракционирования. Поэ­ тому крупнопористые минеральные порошки, хотя и поглощают наибольшее количество битума, практически не изменяют свойств битумных слоев. Из сказанного видно, что пористость минеральных материалов оказывает большое влияние на харак­ тер связей, возникающих между структурными элементами ас­ фальтового бетона.

Отмеченными особенностями взаимодействия пористых ма­ териалов с битумами можно правильно объяснить специфичес­ кие особенности асфальтовых бетонов, минеральная часть кото­ рых состоит из мартеновских шлаков, тонкопористых известня­ ков и других подобных материалов. Для таких асфальтовых бетонов характерны высокая механическая прочность, повышен­ ная теплоустойчивость, интенсивное нарастание жесткости во

времени (старение).

С учетом особенностей структуры минеральных материалов должна регулироваться в требуемом направлении и структура асфальтового бетона. При использовании известняков с сильно

развитой пористостью (имеются в виду так называемые микро­ поры и переходные поры радиусом до 300 А, играющие главную

роль в сорбционных процессах) или металлургических шлаков необходимо предотвратить излишнюю жесткость асфальтового бетона и его быстрое старение. Работами О. Г. Диасамидзе, ис­ следовавшего условия применения в асфальтовом бетоне порис­ тых известняков, и автора, исследовавшего применение пористых мартеновских шлаков, было установлено, что в целях компенса­ ции избирательной диффузии битума в таких минеральных ма­ териалах необходимо применение менее вязких битумов. При этом расход битума увеличивается в среднем на. 2% к общему

весу смеси.

В асфальтовом бетоне, минеральная часть которого состоит из мартеновских шлаков, 'целесообразно применение битумов

с глубиной проникания не ниже 120—140.

Объемный и адсорбированный битум. Свойства адсорбиро­

ванного битума, покрывающего минеральные частицы адсорб-

71

ционными слоями, существенно отличаются от свойств так на­ зываемого объемного (свободного) битума.

Б. Трепнел (Англия) отмечает, что при соприкосновении двух несмешивающихся фаз почти всегда концентрация в одной из них у границы раздела больше, чем в ее объеме. Это сгуще­ ние у поверхности (адсорбция) обусловлено тем, что атомы на поверхности подвержены действию неуравновешенных сил притяжения, перпендикулярных к плоскости поверхности, и,

следовательно, обладают некоторой ненасыщенностью.

Рис. 7. Схема образования диффузной структурированной оболоч­ ки на зернах минерального порошка.

По представлениям, развиваемым Н. В. Михайловым, на по­ верхности минеральных частиц образуются диффузные структу­ рированные оболочки битума, плотность и вязкость которых имеют наивысшее значение непосредственно у границы раздела битум—минеральный материал. По мере удаления от этой гра­ ницы вязкость и плотность битума убывают и достигают мини­ мальных значений в зоне перехода структурированной оболочки в свободный битум. Образование диффузной структурированной оболочки битума на зернах минерального порошка, а также взаи­ модействие частиц схематически показано на рис. 7 и 8. В дан­

ном случае схема образования диффузной структурированной оболочки относится к зернам активного минерального порошка—

ства битумов. Коллоидный журнал, т. XIX, № 2, 1957.

72

пленки из кальциевых мыл, являющихся результатом химичес­

кого взаимодействия гидрата окиси кальция с асфальтогеновыми кислотами, содержащимися в битуме.

По мере увеличения концентрации частиц минерального по­ рошка в единице объема выше какой-то критической степени объемного заполнения резко уменьшается толщина битумных слоев, что в свою очередь приводит к высокой степени их струк­ турирования.

Рис. 8. Схема взаимодействия частиц минерального по­ рошка при различных условиях контакта:

а—в зоне контакта — свободный битум; б — контакт структури­ рованных оболочек битума.

Как уже было показано выше, при применении пористых ми­

неральных материалов происходит дополнительное увеличение-

вязкости битумных слоев у поверхности минеральных частиц за

счет поглощения ими некоторых компонентов битума.

Если частицы связаны между собой в результате контакта диффузных структурированных оболочек битума (рис. 8, б), то достигается наиболее прочное сцепление частиц. Этому способ­ ствуют высокая вязкость битума и большая площадь контакта S структурированных оболочек. Если же между частицами с об­ разующимися на них диффузными структурированными оболоч­ ками битума присутствует так называемый объемный (свобод­ ный) битум (рис. 8, а), то силы сцепления между частицами обу­ словлены уже не свойствами высокоструктурированного битума,

а только объемного, характеризующегося меньшей вязкостью и

прочностью.

Таким образом, для получения наиболее прочной системы не­ обходимо, создание таких условий, при которых весь или наи­ большая часть битума находилась бы в адсорбированном состоя­ нии. Количество же объемного битума следует свести к мини­

муму.

Такими условиями являются: плотный минеральный ске­ лет, который можно получить соответствующим подбором гра­

нулометрического состава и максимальным сближением мине­ ральных частиц, оптимальное количество битума для данной минеральной смеси и данных условий перемешивания и уплот­ нения.

73

Отступление от указанных условий в сторону превышения ко­

личества битума (над оптимальным) и увеличения пористости минерального остова приводит к увеличению количества свобод­ ного битума, ослабляющего структурные связи асфальтового бе­

тона.

Всвете рассмотренных особенностей взаимодействия битума

сминеральными материалами становится особенно наглядной роль минерального порошка, который в силу своей высокой дис­

персности оказывает наибольшее влияние на структурирование битума в асфальтовом бетоне.

Исследования И. А. Рыбьева, Н. В. Горелышева, С. Я. Ша-

лыт, И. М. Борщ, В. М. Смирнова подтвердили, что при опре­ деленном соотношении битум—минеральный порошок достигает­ ся наивысшая прочность бинарной системы (битум—минераль­

ный порошок). Это значит, что при определенной концентрации

минерального порошка в единице объема смеси формируется наиболее устойчивая пространственная структура, в которой возникают наиболее прочные связи, характерные для данных материалов и для данного режима перемешивания и уплотне­

ния смеси.

Знание особенностей взаимодействия минеральных частиц в асфальтовом бетоне в зависимости от различных факторов (со­ отношение между количеством свободного и адсорбированного битума, избирательная диффузия компонентов битума в мине­ ральных материалах и т. д.) позволяет правильно ориентиро­ ваться в процессах структурообразования в асфальтовом бетоне и в путях регулирования его структуры.

Следует, однако, иметь в виду, что формирование наиболее рациональной структуры асфальто­ вого бетона должно производиться не только

сучетом получения наибольшей прочности, но

иобеспечения других важнейших эксплуата­

ционных свойств этого материала, в частности,

его деформатив ной способности при отрица­

как правило, соответствует наинизшая деформ ативность при от­ рицательных температурах, приходится практически ориентиро­ ваться не на наивысшую механическую прочность, а на какую-то оптимальную, при которой будет обеспечено надлежащее дефор­ мационное поведение асфальтового бетона в интересующем нас

интервале температур.

Практически, применяемые в настоящее время асфальтовые бетоны содержат наряду с адсорбированным достаточно боль­ шое количество объемного (свободного) битума. Объемный би­ тум заполняет часть имеющихся в минеральном остове межзер­ новых пустот и тем самым частично компенсирует недостаточ­ ную плотность минеральной смеси, а также и недостатки уплот-

74

нения асфальтобетонной смеси. Это повышает коррозионную устойчивость асфальтового бетона. Избыточное же количество

свободного битума приводит к чрезмерной пластичности и свя­

занной с ней теплоустойчивости асфальтового бетона.

Более совершенная технология приготовления и уплотнения асфальтобетонных смесей позволяет существенно сократить ко­ личество свободного битума. В некоторых случаях применяют асфальтовые бетоны с таким количеством (избыточным) битума, при котором уже не требуется уплотнение смеси. Такие асфаль­ тобетонные смеси называются литыми. Они не уплотняются, а лишь разравниваются.

Свойства литых асфальтовых бетонов, содержащих большое количество объемного битума, в большой степени определяют­ ся свойствами последнего.

Изменение свойств минеральных материалов в результате ■их взаимодействия с битумом. До сих пор речь шла только об изменениях свойств битума, происходящих в результате взаи­ модействия с минеральными материалами. Но наряду с биту­

мом претерпевают некоторые изменения и минеральные материа­

лы. Чем интенсивнее процесс взаимодействия, тем существенней изменения свойств минеральных материалов. В результате диф­ фузии битума или его компонентов вдоль капилляров минераль­

ного материала последний претерпевает наибольшие изменения:

его поры становятся менее доступными прониканию влаги, стен­

ки пор и капилляров благодаря хемосорбционным процессам становятся более устойчивыми против взаимодействия влага Таким образом, в результате взаимодействия с битумом происхо­ дит гидрофобизация поверхности и создаются условия для по­ вышения водоустойчивости и морозоустойчивости минерального материала.

ПЛОТНОСТЬ АСФАЛЬТОВОГО БЕТОНА

Плотность асфальтового бетона оказывает большое влияние на его физико-механические свойства. Необходимая плотность обеспечивается соответствующим подбором гранулометрическо­ го состава минеральной смеси, оптимальным содержанием би­ тума и надлежащим уплотнением асфальтобетонной смеси. Принципы подбора гранулометрического состава, обеспечиваю­ щего оптимальную плотность минеральной смеси, изложены

выше.

В рационально подобранной минеральной смеси (уплотнен­ ной под давлением 300 кг/см?) содержится в среднем 18—22%

пустот.

Количество битума подбирается обычно не только из условия получения заданной прочности асфальтового бетона, но и полу­

чения требуемой плотности. Последняя характеризуется величи­ ной остаточной пористости, а также водонасыщаемостью. Оста­

Т5

точная пористость плотного асфальтового бетона, согласно ГОСТ 9128—59, должна быть в пределах 3—5% объема. Э.та

пористость слагается из общего объема межзерновых прост­ ранств, не заполненных битумом, и суммарного объема пор, со­ держащихся в минеральных материалах.

С точки зрения получения наибольшей плотности асфальто­ вого бетона количество битума можно было бы увеличить с тем, чтобы бдлыную часть межзерновых пор заполнить битумом. Но это приведет к большему количеству объемного битума, а сле­ довательно, к чрезмерной пластичности асфальтового бетона и потере им деформационной устойчивости при высоких летних температурах. Степень снижения прочности асфальтового бето­

на с уменьшением величины остаточной пористости (за счет увеличения количества битума) иллюстрируется, например, сле­ дующими данными Л. Нижбоера (Голландия), исследовавшего при помощи прибора трехосного сжатия зависимость сцепления

ивнутреннего трения от количества битума.

Впринятом для исследования асфальтовом бетоне с содержа­ нием битума 6%, при остаточной пористости 2,5% угол внутрен­

него трения составил 30°, а сцепление— 1,55 кг/см2.

В асфальтовом бетоне того же состава, но с увеличенным количеством битума до 7% остаточная пористость составила 0,7%. При этом угол внутреннего трения снизился до 19°, а сцеп­ ление— до 0,60 ка/сл2.

Такое резкое снижение внутреннего трения и сцепления вы­

звало соответствующее снижение прочности (ниже будет рас­ смотрена зависимость прочности от этих параметров).

Вместе с тем повышенная пористость асфальтового бетона,

при которой возможно поглощение значительного количества влаги, снижает его коррозионную устойчивость. В присутствии воды ослабляются связи между минеральными материалами и битумом, что способствует выкрашиванию покрытия и ослабле­ нию его прочности.

Таким образом, допускаемая в асфальтовом бетоне пори­ стость (и соответствующее ей количество битума) должна одно­

временно удовлетворять как требованиям получения необходи­ мой механической прочности, так и обеспечения коррозионной устойчивости.

При данных соотношениях минеральных материалов и биту­ ма плотность асфальтового бетона зависит от степени его уплот­ нения. Способы уплотнения асфальтового бетона и их эффек­

тивность рассматриваются ниже.

Глава 7. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

АСФАЛЬТОВОГО БЕТОНА

Асфальтовый бетон, как уже отмечалось, является упруго-

вязко-пластичным материалом. В зависимости от состояния и

76

условий работы в нем могут проявляться или только упругие свойства или вязко-пластические. В большинстве же случаев в

асфальтовом бетоне одновременно или почти одновременно про­ является совокупность указанных свойств. Для рассмотрения условий работы асфальтового бетона необходимо коснуться во­ проса о релаксации напряжений. Релаксация—это процесс са­ мопроизвольного уменьшения (рассасывания) напряжения во времени при сохранении определенной, заданной, деформации. Хотя достигнутая деформация не меняется, но внутреннее тече­ ние ослабляет напряжение таким образом, что со временем тре­ буется все меньшее и меньшее усилие для поддержания образца в деформированном состоянии.

Основным здесь является время, в течение которого напря­ жение спадает на определенную (значительную) величину. Па­ дение напряжения во времени, как это будет показано ниже, но­ сит экспоненциальный характер. Промежуток времени, за кото­ рый напряжение уменьшится до \/е своей первоначальной вели­ чины, называется период релаксации (точнее, постоян­

ная времени релаксации). Для максвелловского упруго-вязкого тела период релаксации т связан с вязкостью ц и модулем уп­ ругости Е зависимостью

Проведенными измерениями модуля упругости асфальтового бетона в достаточно широком интервале температур установле­ но'1, что с изменением температуры модуль упругости изменяет­

касается вязкости, то температурные колебания влияют на нее значительно сильнее.

Таким образом, для асфальтового бетона период релаксации в основном зависит от вязкости. С увеличением температуры

вместе с уменьшением вязкости уменьшается и период релакса; ции асфальтового бетона.

Проявление асфальтовым бетоном свойств упругого или вязкого тела зависит только от соотношения между временем действия нагруз­ ки и периодом релаксации. Если время действия на­ грузки очень мало по сравнению с периодом релаксации, то ма­ териал ведет себя как идеально упругий. Наоборот, если это время велико по сравнению с периодом релаксации, то матери­ ал проявляет свойства вязкой жидкости. В этом случае напря­ жения быстро спадают. Деформация, вызванная первоначаль­ ным напряжением после релаксации (спада напряжений), пре­

77

вращается в остаточную, которая уже не требует напряжения

для своего поддерживания.

-При одном и том же времени действия нагрузки данный ас­ фальтовый бетон проявляет себя как упругое или вязкое тело в

зависимости от температуры.

Зимой асфальтовый бетон приобретает очень высокую вяз­

кость. Поэтому период релаксации его велик и намного превы­ шает длительность обычно действующих на него нагрузок. В

этих условиях асфальтовый бетон ведет себя как упругое тело с соответствующим такому телу характером деформаций. Ле­ том, при высоких температурах, вязкость асфальтового бетона резко снижается (отличается от вязкости при зимних темпера­ турах на несколько порядков), а следовательно, резко уменьша­ ется и период релаксации, который становится сопоставимым, или значительно меньшим в сравнении с временем действия на­

грузок.

В критических случаях это приводит к появлению пла­

стических деформаций.

Асфальтовый бетон в напряженно-деформированном состоя­ нии проявляет комплекс сложных свойств: упругость, пластич­ ность, ползучесть, релаксацию, изменение прочности в зависи­ мости от скорости деформации, накопление деформаций при многократных приложениях нагрузки и т. д. В зависимости от проявления тех или иных свойств к асфальтовому бетону при­ менимы законы, вытекающие из теории упругости и главным об­ разом из теории пластичности или теории ползучести. Плодо­ творным, по-видимому, окажется применение к асфальтовому бетону теории ползучести, которая в отличие от теорий упруго­ сти и пластичности оперирует дополнительно независимой пере­ менной — временем.

Наиболее полно указанные свойства асфальтового бетона можно определить и учесть при решении практических задач

методами реологии — науки, рассматривающей общие законы

асфальтового бетона, характеризующих его как дорожно-строительный материал, относятся: прочность, пластичность, упругость и вязкость.

Знание показателей, характеризующих эти свойства, позволяет правильно предсказывать поведение материала в различных ус­ ловиях его работы. Этими свойствами, в частности, определяет­

ся важнейшая эксплуатационная характеристика асфальтового бетона — его деформационное поведение при на иб олее выс о ких и наиболее низких темпера­ турах.

Поскольку указанные механические свойства -непосредствен-

78