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
81
битум катионоактивных ПАВ, активирующих добавок или три-
Битум на поверхности
минерального зерна
Групповой состав битума, %
Асфальтены
Смолы
Масла
Объемный битум
6,95
38,85
54,20
Битум из ориентированного
слоя
10,59
42,47
46,94
боактивации поверхности пород. В этом случае может происходить химическая адсорбция по схеме:
SiO2+RNH2 →RNH3O2.
Согласно представлениям М. И. Кучмы [21], карбоксильные
соединения закрепляются на поверхности минералов как в молекулярной, так и ионной форме, особенно при предварительной
активации минеральной поверхности. Например, при активации
кварца известью активные составляющие битума ассоциируются
ионами кальция, ориентируясь углеводородными радикалами
наружу. Адсорбция сопровождается изменением электрокинетического потенциала.
При взаимодействии с минеральными материалами в контактных слоях битума формируются адсорбционные слои, в которых наблюдаются большая концентрация высокомолекулярных
составляющих – асфальтенов и снижение поверхностного натяжения [2]. Это, в свою очередь, приводит к повышению устойчивости пленок на поверхности камня (табл. 7.1).
Таблица 7.1
При взаимодействии битумов с карбонатными породами, несущими на своих поверхностях преимущественно положительно
заряженные ионы Ca2+, наряду с физической адсорбцией происходят также хемосорбцонные процессы по следующей схеме:
CaCО3 + 2RCOOH →Ca(RCOO)
+ H2CO
2
3.
82
Образующееся при этом соединение не растворимо в воде,
Á
S
Áa
a
Á
поэтому пленка битума в данной части более устойчива.
По мнению проф. И. А. Рыбьева [4] и И. А. Королева [22], в
адсорбционных слоях пленки жидкости (битума) имеются три
зоны: твердообразная, структурированная и диффузная.
Толщина адсорбированных слоев зависит от величины поверхностной энергии твердого тела и поверхностного натяжения
жидкости.
Так, согласно [2, 92], распределение битума в асфальтобетоне
взаимосвязано с удельной поверхностью минеральных зерен следующей зависимостью:
,
где – толщина битумной пленки на минеральных зернах, мкм;
– переводный коэффициент;
Б – количество битума, % от массы минеральной части;
S – удельная поверхность зерен минерального материала м2/кг;
– плотность битума.
В результате расчетов на минеральных материалах размером
0,071…25 мм получены следующие значения толщины пленки
битума, мкм:
на плотном известняке – 1,86…72,0;
граните – 1,84…74,0;
кварцевом песке – 1,40…58,0;
Твердообразная зона не обладает клеящими свойствами, име-
ет высокую несущую способность [46] и является как бы продолжением твердого тела. Ее толщина, по разным источникам, в
зависимости от размера зерен колеблется от 0,08…0,45 до
1,2…17,0 мкм.
83
Во-первых, чем меньше размер зерен, тем больше толщина
битумных пленок, в том числе и ориентированных слоев; вовторых, чем пористее минеральный материал, чем больше микротрещин на поверхностях, тем выше его адсорбционная способность.
Адсорбцию битума на поверхности каменных материалов
изучали многие исследователи. Так, А. С. Колбановская и
С. П. Шимулис [42] оценили активность различных пород «мерой
активности». По их данным, у известняка этот показатель равен
1,88, у габбро – 1,21. Данные результаты подтверждены также
исследованиями Ф. Д. Овчаренко [42] и др. [45]. Б. И. Курденковым и И. П. Тимченко установлено, что величина максимального
поверхностного заряда у кварца составляет 4,632·10
кальцита – 11,855·10
-11
кул/см2.
-11
кул/см2, а у
Соответственно, ориентирующая способность у известняков
примерно в 2,2 раза выше, чем у кварца.
На поверхностях минеральных материалов всегда имеются
микротрещины, микропоры. Они обладают весьма высокими адсорбционным потенциалом, так как в них сорбируется значительная часть поверхностно-активных компонентов битума. При
этом наименее активные составляющие битума могут проникать
по капиллярам во внутрь (под действием диффузионных и фильтрационных процессов).
Таким образом, при использовании мелкозернистых заполнителей происходит избирательная адсорбция битума. При этом
связи между минеральными частицами становятся более жесткими (происходит старение асфальтобетона).
Необходимо отметить и то, что асфальтобетоны на пористых
материалах, в частности малопрочных известняках, из-за этого
получаются более теплоустойчивыми. В асфальтобетонах с использованием пористых каменных материалов, в том числе пори-
84
стых мартеновых шлаков, рекомендуется применять менее вязкие
битумы. В этом случае расход битума увеличивается примерно
на 1,5…2,0 %. При использовании крупнопористых каменных
материалов битум проникает в поры без фракционирования, с
меньшим изменением структуры битумных слоев.
С точки зрения получения асфальтобетона с наибольшей
прочностью, необходимо стремиться к возможно меньшему содержанию свободного битума, что достигается введением в его
состав оптимального количества минерального порошка и
уменьшенем содержания объемного битума, по сравнению с оптимальным, на 30…40 %.
Однако наличие какого-то количества свободного битума
необходимо для придания асфальтобетонной смеси пластичности
и коррозионной устойчивости асфальтобетона. Его содержание
принимается равным 80…85 % объема межзерновых пустот. Если принять больше этих значений, возникает опасность выступления битума на поверхность покрытия.
Введение ПАВ либо в битум, либо в АБС позволяет обеспечить максимальную ее пластичность при уменьшенном содержании вяжущего Использование в качестве крупного заполнителя
объемного черного щебня также обеспечивает повышенную пластичность и удобоукладываемость смеси при общем уменьшении
расхода вяжущего, по сравнению с применением рядового известнякового щебня [18]. Использование вспененного битума [15]
тоже позволяет получить хорошие результаты.
7.2.2. Взаимодействие битума с другими компонентами в ЩМАС
Итак, наиболее полно возросшим требованиям к материалам
покрытий с использованием органических вяжущих в настоящее
85
время отвечают щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси
(ЩМАС). В результате повышенного содержания в них крупного
заполнителя – щебня (60…80 %) с целью уменьшения водопоглощения и обеспечения пластичности назначают повышенное
содержание битума. Поэтому в их составы вводят небольшое количество (0,1…0,2 % от массы минеральной части) стабилизирующей добавки. Она нужна для удержания в структуре ЩМАС
свободного битума. Ее обычно изготавливают из целлюлозосодержащего материала.
Очевидно, что она должна временно вбирать в себя «излиш-
ний» свободный битум, не давая ему стекать в процессе транспортирования, укладки и работы в покрытии, и постоянно подпитывать связанные, полимеризующие слои пленки битума на поверхностях минеральных материалов. Поэтому связующие добавки должны, во-первых, сохранять битум без расслоения, вовторых, обеспечивать легкое стекание с них, по мере необходимости, т.е. подпитки пленочной части битума. Соответственно,
согласно этим задачам, взаимодействие битума со стабилизирующей добавкой в ЩМАС для покрытия практически не влияет
или вносит незначительное изменение в его физико-химическую
природу.
7.2.3. Изменение свойств минеральных материалов в АБ и ШМАС при взаимодействии с битумом
Влияние физико-механических процессов в зонах контактов с
битумом на минеральные составляющие в случае использования
карбонатных и изверженных пород необходимо рассмотреть отдельно.
Многими исследователями установлено, что прочность (твердость) кальцита, из чего преимущественно состоят карбонатные
86
породы, снижается при взаимодействии с жидкостями, имеющи-
y/)(
2112
21
,
1
K
ЖK
VA
S
1
ЖK
S
ми поверхностно-активные и полярные вещества [38, 39, 40 и
др.]. Это явление известно под названием эффекта акад.
П. А. Ребиндера.
В результате теоретических и экспериментальных исследований выдвинута гипотеза возникновения при этом явления адсорбционного повышения прочности твердых тел [18, 48]. Установлено, что при взаимодействии известняков с жидкостью, содержащей ПАВ и активные составляющие, происходит изменение их прочности (и одновременно всего комплекса свойств) по
зависимости:
,
где
– соответственно первоначальная и конечная прочно-
сти камня;
y – коэффициент распределения напряжений в камне рыхло-
связанными слоями жидкости;
– адсорбционное снижение прочности камня после воз-
действия полярной жидкостью:
,
где
– свободная поверхностная энергия на разделе фаз
«камень-жидкость»;
– суммарная площадь поверхности контакта жидкости и
камня;
А – коэффициент адсорбции;
Vк – объем камня.
87
3
2
1
2
)6(
k
пр
пр
в н утрk
d
h
b
V
Sd
,
k
d
внутр
S
пр
V
)126(
322
прпрkпрkпр
hhdhdbV
пр
h
где
– средний поперечный размер камня;
– площадь внутренней поверхности камня;
– объем пропитанной части камня:
,
где
– толщина твердообразной зоны пленки вяжущего на по-
верхности камня;
b – коэффициент формы камня.
По результатам наших исследований, соотношение адсорбционного снижения прочности к адсорбционному повышению
прочности составляет: для случая воздействия на известняк битумом – 1,38, водой – 46,39.
При воздействии жидкостями, содержащими поверхностноактивные вещества (например, битумом), кислые породы, адсорбционные изменения должны происходить незначительно.
А при воздействии жидкостями, содержащими катионоактивные
ПАВ, эти изменения должны происходить аналогично первому
случаю. При воздействии на минеральные материалы любой природы жидкостями, содержащими полярные молекулы (например,
водой), эти изменения должны происходить обязательно. Изменяются ли свойства асфальтобетонов при взаимодействии битума
и минеральных заполнителей, по сравнению со случаем обеспечения их присутствия без взаимного непосредственного контакта? Да, должны измениться, поскольку известна зависимость
свойств асфальтенов от вида и характера составляющих их компонентов [1, 43, 49, 50 и т.д.].
88
7.3. Изменение физико-химических свойств компонентов
и асфальтобетонов в процессе эксплуатации и влияние
их на долговечность покрытия
В процессе работы асфальтобетона в покрытии он испытыва-
ет воздействия как внешних, так и внутренних факторов. Основными внешними факторами являются механические (от подвижных нагрузок и собственного веса), температуры, воздушные,
водные, солнечные и т.д. [4]. К внутренним, прежде всего, необходимо отнести физико-химические процессы старения, в частности под действием синерезиса.
При механических воздействиях возникают внутренние
напряжения, которые при длительных их действии и превышении
величины прочности асфальтобетона способствуют сокращению
долговечности покрытия. Действия высоких или низких, а также
знакопеременных температур тоже приводят к изменению прочностных и деформационных свойств покрытия, образованию и
развитию на них трещин.
Повышение однородности среды битума, адсорбционной
способности, максимальный перевод битума в пленочное состояние, применение многощебеночных смесей (проектирование
каркасной структуры) и некоторые другие мероприятия могут
привести к повышению теплоустойчивости материала покрытия.
При длительном воздействии на покрытие воды она может
проникать в покрытие через микротрещины из-за гидрофилизации поверхности, диффузии воды в битум и из-за вымывания асфальтового вяжущего. При этом вода проникает в зону контакта
битумной пленки к минеральным материалам, оттесняя ее.
Практические мероприятия по повышению водостойкости
покрытий с использованием асфальтобетонов – это уменьшение
89
их остаточной пористости (повышение качества приготовления
АБС), повышение адгезионной способности битумов к поверхности минеральных материалов, своевременная борьба с трещинообразованием в покрытии, обеспечение качественного водоотвода и т.д.
Действие воздуха, солнечной радиации и растворов солей
также способствует ускорению процессов полимеризации битумов и охрупчиванию материала. Поэтому действующие в нашей
стране нормативы, в частности ГОСТ 9128-97 [36], рекомендуют использовать в различных дорожно-климатических зонах
специфические вяжущие. При этом следует обратить внимание
на необходимость обеспечения наибольшей плотности асфальтобетона.
Подчеркнем, что асфальтобетоны обладают специфическими
свойствами, такими как их способность самопроизвольно восстанавливать свою структуру и свойства после прекращения агрессивного влияния среды. В то же время идут физико-химические
процессы старения покрытия, а именно – окисление и полимеризация битума и его синерезис.
Синерезис – это выпотевание асфальтобетона, под действием
которого происходит охрупчивание материала. Это нежелательный процесс, приводящий, в конечном итоге, к трещинообразованию. Образование трещин, кроме механического ослабления
структуры асфальтобетона, приводит к самопроизвольному увеличению разделов фаз «асфальтобетон – воздух», «асфальтобетон
– агрессивная среда». Это говорит о способствовании дальнейшему усилению физико-химических процессов разрушения материала. Возможные пути борьбы или замедления этого явления –
своевременная замена данного материала, например, способом
ресайклинга или поверхностная обработка покрытия.
90
7.4. Технологические основы производства и применения асфальтобетонных смесей
7.4.1. Общие сведения о технологиях
Технологии производства АБС и ЩМАС включают в себя ряд
последовательно выполняемых рабочих (технологических) операций, таких как подготовительные работы, транспортирование
материалов и готовых смесей, дозирование, перемешивание компонентов и, возможно, временное их хранение (рис. 7.1).
Технологический процесс применения (укладки) готовой
продукции (смесей) включает их транспортирование от АБЗ до
мест укладки, укладку, уплотнение и иногда мероприятия по
обеспечению нормального структурообразования АБП и ЩМАП
(рис. 7.2) Некоторые работы включают комплекс рабочих операций. Отдельные операции могут повторяться и повторяются, а
некоторые из них могут вообще отсутствовать.
Каждая технологическая операция, выполняемая в технологическом процессе, играет важную роль в формировании структуры [4], обеспечении химических и физико-химических процессов в благоприятном направлении и получении качественного
покрытия [1, 4, 51, 52 и др.].
Подготовительные работы включают в себя временное их
хранение на заводе (АБЗ) (всех компонентов смесей), при необходимости улучшение их свойств. Основные технологические
операции включают подачу в агрегаты питания и грубое (объемное) дозирование, транспортирование и просушку крупного и
мелкого заполнителей (песка и щебня) в сушильном агрегате,
транспортирование просушенных материалов и точное весовое дозирование, транспортирование минерального порошка до дозаторов,