Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические и технологические основы производства и применения дорожно-строительных материалов.pdf
11
Привозные материалы, как правило, доставляются на сотни
или тысячи километров либо водным транспортом, либо по железной дороге.
Дорожно-строительные материалы могут состоять из органических или неорганических веществ либо их смесей.
ДСМ производят в специализированных предприятиях министерства строительных материалов, нефтегазовой промышленности и других ведомств, большую часть – в дорожных организациях.
В процессе производства исходные материалы, т.е. сырье, поочередно или совместно подвергаются определенным воздействиям – рыхлению, дроблению, сортировке, промывке, просушке или увлажнению, перемешиванию с другими веществами,
уплотнению, нагреву, остыванию, смачиванию, растворению,
твердению и т.д., которые в совокупности составляют технологию их производства.
В процессе производства и сами материалы подвергаются физическим, химическим или физико-химическим воздействиям.
Технологии преимущественно носят химический и физикохимический характер, поскольку в процессе производства и применения материалов происходит глубокое изменение их свойств,
внутреннего состояния и структуры [1, 10].
Для целенаправленного воздействия на материалы, т.е.
управления технологическими процессами, следует иметь четкое представление о строении, межмолекулярных связях, законах протекания физических, химических и физико-химических
процессов. Необходимо знать, кроме того, важнейшие законы
механики, термодинамики, физико-химической механики и т.д.
Основы данных сведений и представлены в настоящем учебном
пособии.
12
1. ВИДЫ И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Виды дорожно-строительных материалов
Применяемые в дорожном строительстве материалы могут
быть природными или искусственными, сыпучими, мелкокуско-
выми, кусковыми, порошкообразными, жидкими, твердыми, пластичными, эластичными, кристаллическими или аморфными и
т.д. Они могут быть самостоятельными или являться частью
(компонентой) других более сложных материалов.
Примерами твердых материалов служат крупные и мелкие
заполнители, такие как цементобетоны и железобетоны, щебень,
песок, песчано-гравийные смеси, гравий, гравийно-песчаные
смеси, булыжник, бордюрный камень, керамические материалы
и т.д.
Примерами пластичных материалов могут служить асфальтобетоны, щебеночно-мастичные асфальтобетоны, термопластики и т.д.
Жидкие материалы – это органические вяжущие вещества,
такие как битумы, эмульсии, дегти, дегтебитумные вяжущие, лакокрасочные материалы, растворы противоморозных солей, часть
поверхностно-активных добавок и т.д.
Порошкообразные материалы – это неорганические вяжущие вещества, минеральный порошок.
Нитевидные и тканевые материалы – нетканые материалы,
стабилизирующие добавки в ЩМА и т.п.
Эластичные материалы – это резиновые материалы.
13
1.2. Внутреннее строение
дорожно-строительных материалов
Дорожно-строительные материалы состоят из различных веществ, которые в свою очередь состоят из молекул и атомов
[3, 10]. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.
Определенные виды атомов с одинаковыми химическими свойствами называются химическими элементами. Они могут образовывать простые и сложные вещества.
Атомы и молекулы соединены между собой различными типами связей – ионными, ковалентными, водородными или металлическими, молекулярными (или Ван-дер-Ваальса). Часто различные типы связей сочетаются между собой.
В результате этого в природе существует большое многообразие материалов с различными свойствами и структурами [10].
Первые три вышеназванные типа связей называются первичными, они относительно прочные. Силы Ван-дер-Ваальса обусловлены взаимодействием близко расположенных атомов и относительно слабые. Для сравнения отметим, что это отличие выражается примерно в один порядок. Такие связи характерны для молекулярных кристаллов.
Для неметаллических твердых тел характерна ковалентная
(или гомеополярная) связь, а для металлов – металлическая связь.
Ионная связь возникает при взаимодействии противоположно
заряженных ионов, и она характерна для ионных кристаллов
(например, для галогенов щелочных металлов NaCl, CaCl2 и т.д.).
Однако в реальном мире идеальных ионных кристаллов очень
мало, фактически имеет место смешанный тип связей: ионноковалентный.
14
Большинство твердых тел – это кристаллические тела, характеризующиеся упорядоченным расположением частиц в пространстве. В обычных условиях они сохраняют приданную им
форму. Однако при высоких температурах они могут перейти в
жидкие состояния.
Аморфные тела имеют менее стабильное состояние чем кристаллические: они при нагреве размельчаются, далее становятся
вязкими и в дальнейшем переходят в жидкое состояние. Для
большинства кристаллических твердых тел характерна анизотропия, когда проявляется зависимость свойств кристалла от направления воздействия на них.
15
2. СВОЙСТВА И СТРУКТУРА
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Виды свойств дорожно-строительных материалов
Пригодность материалов для конкретных условий устанавливают по их свойствам.
Различают физически, механические эксплуатационные, химические, физико-химические, технологические и другие свойства материалов [1, 2].
Поскольку материалы могут использоваться в различных
конструктивных слоях и элементах дорожных конструкций, в
различных дорожно-климатических зонах, то в качестве главных
показателей также могут выступать те или иные группы свойств.
Соответственно, требования действующих нормативов для различных условий также различные.
Например, у песка строительного для дополнительного слоя
важен показатель – коэффициент фильтрации, а для песков, применяемых в качестве мелкого заполнителя в асфальтобетонах и
цементобетонах, важны другие показатели – модуль крупности,
гранулометрический состав и т.д. Для асфальтобетонов типа В
может быть использован малопрочный щебень с маркой не ниже
400, а для асфальтобетонов типа А – не ниже М 1000 и т. д.
Причем в процессе эксплуатации свойства ДСМ непрерывно
меняются. Чаще всего они ухудшаются.
К физическим свойствам относят плотность, пористость,
влажность, водопоглощение, водопроницаемость и т. д.
Механическими свойствами являются прочность, упругость,
пластичность, вязкость, хрупкость, твердость, ползучесть и т. д.
16
К эксплуатационным свойствам относятся истираемость,
шероховатость, морозостойкость, долговечность, сцепление колес с поверхностью покрытия и т. д.
Технологические свойства: дробимость, буримость, формуемость, слеживаемость, удобоукладываемость и т. д.
К химическим свойствам относят: растворимость, коррозий-
ную стойкость, токсичность, горючесть и т. д.
К физико-химическим свойствам относят: кристаллизуе-
мость, адгезию, когезию, старение, агрегируемость, и т. д., т.е.
показатели, зависящие от процессов, происходящих на разделах
фаз.
2.2. Структура дорожно-строительных
материалов. Понятие о материаловедении
2.2.1. Структура дорожно-строительных материалов
Структура и внутреннее строение твердых и жидких ДСМ
схожи между собой в части упорядоченности расположения их
микрочастиц [10].
Под структурой материалов понимают совокупность и взаимное пространственное расположение их элементов с взаимными связями [1].
Структуры материалов чрезвычайны сложны и разнообразны
и по методам изучения разделяются на следующие:
1) макроструктуру, изучаемую невооруженным глазом;
2) микроструктуру, которую изучают используя микро-
скопы;
3) ультрамикроструктуру, которая изучается методами элек-
тронной микроскопии, рентгеноструктурным и спектральным
анализом, методами ядерно-магнитного резонанса и т.д.
17
Материалы могут быть одно-, двух- и многокомпонентными.
Кроме того, они могут быть конгломератными, слоистыми и
рыхлозернистыми.
В многокомпонентных матералах выделить влияние отдельных компонентов на структуру и свойства трудно, поэтому их
условно делят на двухкомпонентные [1]. Например, структуру
бетонных смесей делят на такие двухкомпонентные смеси: а) по
макроструктуре – «щебень (гравий) + раствор»; б) по мезоструктуре – «песок + вяжущие»; в) по микроструктуре – «цемент + вода». Структура асфальтобетонных смесей: а) по макроструктуре «щебень (гравий) + асфальтовый раствор»; б) по мезоструктуре
«мелкий песок + асфальтовое вяжущее»; в) по микроструктуре асфальтовое вяжущее, состоящее из наполнителя + органического вяжущего.
В двухкомпонентных системах различают структуры с базальной, поровой и контактной цементацией. В первых структурах крупные зерна не контактируют между собой. При насыщении среды крупными зернами образуется структура с поровой
цементацией, когда зерна склеиваются сравнительно тонкой
пленкой цементирующего вяжущего. Дальнейшее насыщение
структуры материала крупными зернами приводит к образованию
структуры с контактной цементацией.
В микроструктуре, по характеру взаимосвязей между компо-
нентами, различают (по акад. П. А. Ребиндеру) коагуляционную,
конденсационную и кристализационную структуры. По крупности зерен составляющих обычно различают крупно-, средне- и
мелкокристаллические структуры.
Важнейшую роль в структуре материалов, в частности кристаллических, играют внутренние (линейные) дефекты и дислокации, представляющие собой обрывающуюся в кристалле
лишнюю атомную плоскость [10]. Кроме дислокаций, в реаль-
18
ных кристаллических телах бывают и другие дефекты, которые
делятся на 4 группы – точечные, линейные, поверхностные и
объемные.
Наиболее значимыми дефектами являются объемные, к которым относятся поры и трещины. Поры могут ухудшать или
улучшать механические и другие свойства. Трещины возникают
при деформации материалов. Они в процессе эксплуатации, как
правило, увеличиваются и могут привести к разрушению конструктивных элементов.
Изучение структуры и свойств дорожно-строительных материалов проводится стандартными методами и приборами или по
специальным методикам.
2.2.2. Понятие о материаловедении
В реальном мире материалы, в том числе и дорожностроительные, разнообразны и непрерывно меняются. Наука,
изучающая свойства и структуру, методы испытаний, принципы,
понятия и закономерности изменений в процессах производства и
применения дорожно-строительных и других материалов называется материаловедением [1].
Установив закономерности взаимодействия различных структурных единиц и зная условия работы конструкций дорожных
одежд с использованием рассматриваемых материалов в различных условиях, можно прогнозировать и целенаправленно регулировать их жизнедеятельность и работоспособность. Таким образом, освоение материаловедения – это одно из главных условий
успешного управления производством применяемых в дорожном
строительстве материалов с заданными условиями.
При проектировании составов различных ДСМ важно учитывать ряд принципов [1]:
19
1. Принцип соответствия (по О. П. Мчедлову – Петросяну),
который говорит о необходимости обеспечения соответствия методов воздействия на материалы характеру исходного сырья и
основным закономерностям структурообразования.
1. Принцип комплексного использования различных методов
воздействия на исходные материалы, а именно – физических,
механических, химических и физико-химических способов.
2. Принцип оптимизации технологических процессов, т.е.
обеспечение получения материалов с заданными свойствами.
2.3. Взаимосвязи структур и свойств дорожно-строительных материалов
Под действием непрерывно меняющихся внешних воздей-
ствий от подвижных нагрузок, природных факторов и т.п. и внутренних процессов (например, из-за старения) свойства и структуры материалов – конструкций дорожных одежд тоже непрерывно
меняются [1]. Например, при уплотнении дисперсных и кусковых
материалов их частицы укладываются в более плотную упаковку,
т.е. возрастает их плотность. Это приводит к уменьшению их пористости и водопоглощения (водонасыщения). Установлено также, что у более плотных тел больше сопротивляемость к разрушению, т.е. их прочность. Одновременно меняется и структура
материалов. В то же время замечено, что при одних и тех же
свойствах могут быть различные структуры и наоборот – при
одинаковых структурах могут быть различные значения свойств.
Для установления взаимосвязей между свойствами и структурами проводят испытания материалов при их оптимальных
структурах. Материал считается имеющим оптимальную структуру тогда, когда обеспечены условия равномерного распределения элементов по всему объему, отсутствуют или имеется мало
20
дефектов. При этом различные материалы становятся подобными
между собой.
Оптимальность структуры материалов может быть объяснена
еще равномерным состоянием действующих на микрочастицы
сил. Однако известно, что свойства материалов непрерывно меняются относительно каких-то средних значений от минимума до
максимума.
Профессором И. А. Рыбьевым установлено, что изменение
свойств материалов оптимальной структуры происходит по общим закономерностям, известным под общим названием законов
оптимальных структур. Они включают три закона – створа,
прочности оптимальных структур, конгруэнции.
Закон створа говорит о соответствии оптимальной структуре
комплекса экстремальных значений свойств. В экстремальных
точках свойств удовлетворяются практически все необходимые
условия оптимальности: непрерывность среды, равномерность
расположения частиц, наибольшая прочность тела и т. д.
При графическом изображении по оси абсцисс откладывается
одна из структурных характеристик, например, содержание среды, а по оси ординат – численные значения показателей свойств.
При этом экспериментальные точки кривых размещаются в общем створе.
Физическая природа закона створа заключается в наступлении равновесного состояния между силами притяжения и отталкивания, между структурными микрочастицами.
Физико-химическая природа закона створа объясняется через
изменение поверхностной энергии исходных материалов в результате механических воздействий на них или при объединении
с вяжущими. Увеличение дисперсности частиц и поверхностной
энергии, определяемой как произведение прироста поверхности